Schmiedeteile aus Nickellegierungen im Freiform- und im Gesenkverfahren und Qualitätsvergleich

Beim Schmieden wird heißes Metall in Form gebracht, und die Art und Weise, wie es gequetscht wird, prägt die Qualität des Teils. Nickellegierungen wie zLegierung 625, Monel 400, Legierung C-276, UndLegierung 718Fügen Sie eine Herausforderung hinzu: Sie bleiben bei hohen Temperaturen stabil, sodass sie sich nicht verformen, und sie verfügen über einen engen Temperaturbereich, in dem sie sicher verarbeitet werden können.

In diesem Leitfaden werden die beiden wichtigsten Schmiedeverfahren, das Freiform- und das Gesenkschmiedeverfahren, hinsichtlich Prozess, Qualität, Kosten und Inspektion verglichen, wobei in jedem Abschnitt zuerst die Schlussfolgerung und anschließend die Begründung folgt. Die angegebenen Zahlen stammen aus veröffentlichten Herstellerdaten und -spezifikationen; Überprüfen Sie die Werte immer anhand der aktuellen Spezifikation und der Verfahren Ihres Lieferanten.

Wichtige Erkenntnisse

• Beim Freiformschmieden wird Metall zwischen flachen oder einfachen Gesenken durch wiederholte Hübe geformt, sodass es für große, schwere oder kleinvolumige Teile geeignet ist. Beim Gesenkschmieden wird das Metall in geformte Gesenkhohlräume gepresst, sodass es für wiederholbare, endkonturnahe Formen geeignet ist.
• Nickellegierungen widerstehen einer Verformung bei Warmumformtemperaturen und müssen in einem definierten Bereich bearbeitet werden: Legierung 625 wird beispielsweise bei 1650–2150 Grad F (900–1177 Grad) warmumgeformt, wobei schwere Arbeiten so nahe wie möglich an der Obergrenze dieses Bereichs erfolgen.
• Das Gesenkschmieden sorgt für engere Formen, einen besser abgestimmten Kornfluss und weniger Bearbeitungsaufwand. In einem veröffentlichten Beispiel wurden durch ein endkonturnahes Schmieden im geschlossenen Gesenk etwa 30 % des Volumens eines Pfannkuchens im offenen Gesenk eingespart, ein Unterschied, der bei teuren Nickelbasislegierungen etwa 10–20 % der Artikelkosten oder mehr ausmacht.
• Das Freiformschmieden sorgt für eine tiefe, gut bearbeitete Struktur in großen Abschnitten ohne spezielle Werkzeuge, lässt aber mehr Material übrig, das bearbeitet werden muss.
• Kein Weg ist automatisch besser: Die Qualität hängt von der Temperaturkontrolle, Reduzierung, Wärmebehandlung und Inspektion ab. Geben Sie die erforderlichen Eigenschaften und Tests an, nicht nur den Prozessnamen.
• ASTM B564 ist die Hauptspezifikation für Schmiedestücke aus Nickellegierungen und ihre Mindesteigenschaften hängen von der Legierung, dem Zustand und der Querschnittsgröße ab.

Was ist der Unterschied zwischen Freiform- und Gesenkschmieden?

Beim Freiformschmieden wird das erhitzte Metall zwischen flachen oder einfach geformten Gesenken verformt, die es nie vollständig umschließen; Beim Gesenkschmieden wird das Metall in präzise geformte Gesenkhohlräume gepresst, die dem Teil seine Form verleihen.

Das Freiformschmieden funktioniert wie ein Schmied mit einer sehr großen Presse: Das Werkstück wird zwischen den Hüben zusammengedrückt, gedehnt und gedreht, um es herauszuziehen, zu stauchen oder zu Wellen, Scheiben, Blöcken und Ringen zu formen. Die endgültige Form hängt von den Fähigkeiten des Bedieners und einer geplanten Abfolge von Schritten ab. Beim Gesenkschmieden, auch Gesenkschmieden genannt, wird ein aufeinander abgestimmtes Gesenkpaar verwendet, in das die Form des Teils eingeschnitten ist. Das Metall fließt, um den Hohlraum zu füllen, wobei eine kleine Menge Überschuss als Grat herausgedrückt und abgeschnitten wird. Bei einem dritten Verfahren, dem Ringwalzen, wird eine gelochte Scheibe zu einem nahtlosen Ring erweitert und es wird oft mit dem Freiformschmieden für Flansche und Gehäuse kombiniert.

Warum sind Nickellegierungen schwerer zu schmieden als Stahl?

Nickellegierungen sind schwieriger zu schmieden, weil sie bei Warmumformtemperaturen eine hohe Festigkeit behalten, was bedeutet, dass mehr Kraft erforderlich ist, und weil sie ein enges sicheres Temperaturfenster haben, in dem eine zu kalte Verarbeitung zu Rissen führen kann und eine zu heiße Verarbeitung das Metall beschädigen kann.

Die Legierung 625 wurde entwickelt, um ihre Festigkeit bei hohen Temperaturen beizubehalten. Daher weist der Hersteller darauf hin, dass sie im heißen Zustand Verformungen widersteht und eine entsprechend leistungsstarke Ausrüstung benötigt. Im Gegensatz dazu wird Monel 400 im heißen Zustand als weicher als viele andere Stähle beschrieben, kann jedoch dauerhaft beschädigt werden, wenn es auf über 2150 Grad F (1175 Grad) erhitzt wird.

Superlegierungen wie Alloy 718 haben ein noch engeres Fenster, in dem die angegebenen Schmiedetemperaturen bei etwa 950–1.050 Grad liegen, da ihre Verfestigungsphasen und Korngröße stark auf Temperatur und Verformungsgeschwindigkeit reagieren. Bei niedrigeren Temperaturen steigt die Fließspannung schnell an, weshalb veröffentlichte Methoden eine Mindeststarttemperatur für Schmiederohlinge festlegen.

Aufgrund dieser Einschränkungen ist das Schmieden von Nickellegierungen auf eine genaue Ofensteuerung, schnelle Übertragung, Wiedererwärmung beim Abkühlen des Werkstücks und, bei einigen hochfesten Güten, beheizte oder isotherme Gesenke angewiesen, die das Metall und das Gesenk auf ähnlichen Temperaturen halten. Brennstoff und Schmiermittel für Öfen sollten einen niedrigen Schwefelgehalt haben, da Schwefel Nickellegierungen bei hohen Temperaturen verspröden kann.

Wie vergleichen sich Freiform- und Gesenkschmieden in den wichtigsten Abmessungen?

Das Freiformschmieden bietet Flexibilität für große und kleine Teile mit wenig Werkzeug, während das Gesenkschmieden Wiederholgenauigkeit, engere Formen und weniger Bearbeitung bei mittleren bis großen Stückzahlen bietet.

Welcher Prozess sorgt für einen besseren Kornfluss und bessere mechanische Eigenschaften?

Das Gesenkschmieden sorgt in der Regel für einen Kornfluss, der der Form des Teils folgt, und für gleichmäßigere Eigenschaften von Stück zu Stück, während das Freiformschmieden in großen Abschnitten eine starke, gut bearbeitete Struktur ergibt. In beiden Fällen werden die Eigenschaften mehr durch Temperatur, Reduktion und Wärmebehandlung als durch den Prozessnamen gesteuert.

Der Kornfluss ist die Richtung, in der die Körner des Metalls beim Schmieden gedehnt werden, ähnlich der Maserung eines Stücks Holz. Teile sind am stärksten und ermüdungsbeständigsten, wenn der Kornfluss entlang der Hauptlasten verläuft und nicht durch die Bearbeitung quer geschnitten wird. Beim Gesenkschmieden wird der Fluss um die Kontur des Teils herum geformt, sodass kritische Merkmale wie Flansche und Vorsprünge kontinuierlich fließen. Beim Freiformschmieden wird das Metall gezogen und gestaucht, wodurch die grobe Gussstruktur in dicken Abschnitten verfeinert wird. Bei der Bearbeitung eines komplexen Teils durch einfaches Schmieden erfolgt jedoch ein Schnitt quer zum Fluss.

Durch die Wärmebehandlung wird bei korrosionsbeständigen Legierungen ein Großteil der Struktur zurückgesetzt. ASTM B564 weist darauf hin, dass Warmumformen oder Nachglühen die Eigenschaften je nach Arbeitsverlauf und Temperaturen erheblich verändern kann. Für Alloy 625 Grade 2 ist ein Lösungsglühen bei mindestens 2150 Grad F (1177 Grad) und anschließendes Abschrecken mit Wasser oder schnelles Abkühlen erforderlich. Bei ausscheidungshärtenden Legierungen wie Alloy 718 wird die Korngröße durch die Schmiedetemperatur und die Umformgeschwindigkeit gesteuert, wobei veröffentlichte Methoden beim isothermen Schmieden sehr feine Körner (ASTM 12–14) erreichen, die sich nach einem Supersolvus-Glühen auf etwa ASTM 6–8 vergröbern. Dabei handelt es sich um Steuerungen in Luft- und Raumfahrtqualität, sie zeigen jedoch, wie Prozess und Wärmebehandlung zusammenarbeiten.

Wie viel Bearbeitungs- und Materialaufwand spart bzw. verschwendet jeder Prozess?

Beim endkonturnahen Gesenkschmieden werden weniger teure Nickellegierungen verschwendet: In einem veröffentlichten Vergleich für eine große Turbinenscheibe wurden beim endkonturnahen Gesenkschmieden etwa 30 % des Volumens des Freiform-Pfannkuchens eingespart, ein Unterschied, der 10–20 % oder mehr der Artikelkosten ausmachen kann.

Der Vergleich geht auf ein Patent zurück, das große Scheibenschmiedestücke aus Superlegierungen auf Nickelbasis beschreibt, bei denen ein flacher Freiform-Pfannkuchen und ein nahezu endloses Gesenkschmiedestück über das fertig bearbeitete Teil gelegt wurden. Beide erfordern eine abschließende Bearbeitung, aber der Pfannkuchen braucht noch viel mehr. Da Nickellegierungen weitaus mehr pro Kilogramm kosten als Stahl, ist der Materialabtrag in Form von Spänen ein echter Kostenfaktor, und lange Bearbeitungszeiten bei harten, kaltverfestigenden Legierungen kommen hinzu. Die Einsparung ist bei komplexen Teilen und großen Volumina größer und bei einfachen Formen oder Einzelstücken geringer.

Eine einfache Break-Even-Formel

Break-Even-Menge=Werkzeugkosten/Einsparung pro Teil

Beispiel mit hypothetischen Zahlen: Wenn ein geschlossener Werkzeugsatz 60.000 US-Dollar kostet und pro Teil 150 US-Dollar an Material und Bearbeitung einspart, beträgt die Gewinnschwelle etwa 400 Teile. Darunter kann das Freiformschmieden günstiger sein; darüber: Closed-Die-Siege. Ersetzen Sie die Zahlen Ihrerseits durch echte Zitate.

Auf welche Mängel und Risiken sollten Sie bei jedem Prozess achten?

Die Hauptrisiken sind Arbeiten außerhalb des Temperaturfensters (Risse oder Überhitzung), Überlappungen und Falten, ungleichmäßige Kornstruktur und Schwefelverunreinigung; Geschlossene Matrizen erhöhen das Risiko von Matrizenverschleiß und Unterfüllung, während offene Matrizen eine grobe oder ungleichmäßige Struktur in schlecht bearbeiteten Zonen verursachen.

Was fordert ASTM B564 für Schmiedestücke aus Nickellegierungen?

ASTM B564 deckt Schmiedeteile aus vielen Nickellegierungen ab, einschließlich UNS N04400, N06625, N08825, N10276 und N06022, und legt Mindestzugeigenschaften fest, die von der Legierung, dem Wärmebehandlungszustand und der Abschnittsgröße abhängen.

B564 gilt unabhängig davon, welcher Schmiedeweg verwendet wird. Die Mindesteigenschaften für geglühte oder lösungsgeglühte Schmiedestücke sind nachstehend als Beispiele aus veröffentlichten Exemplaren der Spezifikation aufgeführt. Die Werte unterscheiden sich je nach Edition und Abschnittsgröße. Beispielsweise müssen geglühte Schmiedeteile aus Alloy 625 bis zu 4 Zoll (102 mm) höhere Mindestanforderungen erfüllen als solche über 4 bis 10 Zoll (254 mm), was die Schwierigkeit widerspiegelt, dicke Abschnitte vollständig zu bearbeiten und gleichmäßig zu wärmebehandeln. Die genauen Anforderungen finden Sie in der aktuellen Ausgabe.

Andere Spezifikationen gelten für bestimmte Verwendungszwecke: ASTM B637 deckt ausscheidungshärtbare Nickellegierungsstäbe, Schmiedeteile und Schmiedematerial für den Einsatz bei mittleren und hohen Temperaturen ab, und ASTM B462 und ASME B16.5 beziehen sich auf geschmiedete Flansche und Armaturen. Luft- und Raumfahrtprodukte verwenden AMS-Spezifikationen wie AMS 5662 und 5663 für Alloy 718.

Wie lassen sich Kosten und Vorlaufzeit vergleichen?

Das Freiformschmieden hat geringere Vorlaufkosten und eine kürzere Vorlaufzeit, da nur wenige teilespezifische Werkzeuge erforderlich sind, während das Gesenkschmieden höhere Werkzeugkosten und eine längere Vorlaufzeit, aber niedrigere Stückkosten pro Stück verursacht.

Gesenkgesenke müssen aus Warmarbeitsstahl oder, beim isothermen Schmieden, Gesenklegierungen auf Nickelbasis gefertigt und durch Probeschmieden erprobt sein. Diese Investition rechnet sich, wenn viele Gleichteile benötigt werden. Beim Freiformschmieden entfällt der Werkzeugschritt und es kann mit einem Knüppel oder Barren begonnen werden, aber jedes Teil erfordert mehr Bearbeitung. Die Gesamtkosten hängen daher von Menge, Größe, Komplexität, Legierungspreis, Bearbeitungskosten und Ausschussrisiko ab. Fordern Sie Angebote an, die Bearbeitungszugabe und Tests beinhalten, damit der Vergleich die Endkosten berücksichtigt.

Welchen Prozess sollten Sie wählen?

Wählen Sie Freiform- oder ringgewalzte Schmiedeteile für große, einfache oder Kleinserienteile und Gesenkschmiedeteile für wiederholbare, komplexe, endstücknahe Teile in mittlerer bis hoher Stückzahl. Verwenden Sie Heißformverfahren oder isotherme Methoden nur für hochfeste Legierungen, die eine strenge Kornkontrolle erfordern.

Was sollten Sie bei der Bestellung von Schmiedestücken aus Nickellegierung angeben?

Geben Sie die Legierungs- und UNS-Nummer, die Produktspezifikation, den Wärmebehandlungszustand, die Größe und Bearbeitungszugabe, die erforderlichen Eigenschaften und Tests sowie die Dokumentation an und geben Sie alle Anforderungen an den Kornfluss oder den Prozessweg an, damit der Lieferant den richtigen Prozess anbieten kann.

Legierungs- und UNS-Nummer (z. B. UNS N06625) und die maßgebliche Spezifikation, z. B. ASTM B564.

• Zustand: geglüht, lösungsgeglüht oder gealtert, und für Legierung 625 gilt, ob Güteklasse 1 oder Güteklasse 2 gilt.
• Abmessungen: fertige Zeichnung, Bearbeitungszugabe und Abschnittsgröße, da die Eigenschaften davon abhängen.
• Verfahren: Freiform, geschlossene Form oder ringgewalzt, oder die erforderliche Leistung, wie Kornflussrichtung oder minimale Reduzierung.
• Prüfung: Ort und Richtung der Zugprüfung, Härte, Korngröße, Ultraschall- und Flüssigkeitseindringprüfung sowie Korrosionsprüfung, wo der Dienst dies erfordert.
• Dokumentation: Werkstestzertifikate, Wärmebehandlungsaufzeichnungen, Rückverfolgbarkeit der Hitze und etwaige Inspektionen durch Dritte.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Freiform- und Gesenkschmieden?

Beim Freiformschmieden wird Metall zwischen flachen oder einfachen Gesenken verformt, die es nicht umschließen, was für große oder kleinvolumige Teile geeignet ist. Beim Gesenkschmieden wird Metall in geformte Gesenkhohlräume gepresst, wodurch nahezu endgenaue, wiederholbare Formen entstehen.

Welcher Temperaturbereich wird zum Schmieden von Inconel 625 verwendet?

Der Warmbearbeitungsbereich des Herstellers für Alloy 625 liegt bei 1650–2150 Grad F (900–1177 Grad), wobei schwere Arbeiten so nahe wie möglich bei 2150 Grad F liegen.

Warum benötigen Nickellegierungen eine höhere Schmiedekraft als Stahl?

Viele Nickellegierungen, insbesondere Alloy 625, behalten bei Warmumformtemperaturen eine hohe Festigkeit, sind also verformungsbeständig und benötigen leistungsstarke Pressen und eine sorgfältige Temperaturkontrolle.

Welches Verfahren sorgt für einen besseren Kornfluss?

Das Gesenkschmieden formt den Kornfluss um die Teilekontur und ist wiederholbar, während das Freiformschmieden die Struktur in großen Abschnitten verfeinert. Die endgültigen Eigenschaften hängen von der Temperatur, der Reduktion und der Wärmebehandlung ab.

Welche Norm gilt für Schmiedestücke aus Nickellegierungen?

ASTM B564 deckt Schmiedeteile aus vielen Nickellegierungen ab, darunter N04400, N06625, N08825, N10276 und N06022, mit Mindesteigenschaften nach Legierung, Zustand und Abschnittsgröße. ASTM B637 deckt ausscheidungshärtbare Legierungen wie Alloy 718 ab.

Ist Gesenkschmieden immer günstiger?

Nein. Es spart Material und Bearbeitung pro Teil, benötigt aber Matrizen. Bei mittleren bis großen Stückzahlen und komplexen Formen ist es in der Regel günstiger, und bei Teilen mit großem oder geringem Volumen ist die Freiformherstellung in der Regel günstiger.

Kann Schmieden die Korrosionsbeständigkeit verändern?

Durch das Schmieden und die anschließende Wärmebehandlung werden Korngröße und Phasenverteilung festgelegt, sodass falsche Temperaturen oder Kühlung die Korrosionsbeständigkeit verringern können. Geben Sie die erforderlichen Zustands- und Korrosionstests für anspruchsvolle Dienstleistungen an.