mini|hochkant|John Neagle: Porträt des Pat Lyon in der Schmiede, 1829
Schmieden ist das Druckumformen von Metallen oder Legierungen zwischen zwei Werkzeugen unter örtlicher Änderung der Querschnittsform. Beim handwerklichen Schmieden werden vom Schmied als Werkzeuge vor allem Hammer und Amboss verwendet. In der Industrie kommen auch Gesenke zum Einsatz. Es gibt zahlreiche Definitionen des Schmiedens. Teilweise wird die erhöhte Temperatur der Werkstücke genannt, teils nicht. Kaltgeschmiedete Werkstücke weisen höhere Festigkeiten auf. In der industriellen Fertigungstechnik wird unter Schmieden meist das Freiformen (Freiformschmieden mit Werkzeugen, die die Form der Werkstücke nicht enthalten) sowie das Gesenkschmieden (mit Werkzeugen, die die Form der Werkstücke enthalten) verstanden, teils wird auch noch das Fließpressen dazugezählt. Teilweise wird Schmieden synonym für Umformen verwendet. Im handwerklichen Bereich wird unter Schmieden auch die Wärmebehandlung, das Spalten, Lochen und Feuerschweißen verstanden, also alles, was ein Schmied tut, um fertige Werkstücke herzustellen.
Vorteile sind geringer Materialverlust im Gegensatz zur zerspanenden Bearbeitung und die gezielte Änderung des Gefüges und damit höhere Festigkeit. Nachteilig ist die, gegenüber zerspanenden Verfahren, geringere Genauigkeit.
Das manuelle Schmieden (Freiformschmieden) gehört zu den ältesten Handwerken. Hier muss der Schmied die Form seines Werkstückes am Amboss oder heute auch am Lufthammer frei erarbeiten, was Einfühlvermögen und vor allem Erfahrung voraussetzt. Der Schmied (auch Kunstschmied) arbeitet mit Schmiedehammer, Amboss und Kohlen- oder Gas-Esse.
Das industrielle Schmieden stellt Bauteile für den Maschinen- und Anlagenbau sowie den Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffbau her. Das industrielle Schmieden ist ein wichtiger Wirtschaftszweig in Deutschland. 2006 lag das industrielle Produktionsvolumen in Deutschland bei 2,75 Millionen Tonnen, das entsprach mindestens 1,8 Milliarden umgeformter Teile. Im Jahr 2008 belief sich das industrielle Produktionsvolumen in Deutschland auf 3 Millionen Tonnen, was zwei Milliarden umgeformter Teile entspricht.Brancheninfo 2008, Industrieverband Massivumformung, abgerufen am 3. Juni 2013.
Geschichte mini|hochkant|Darstellung einer Schmiede nach Agricola
Wahrscheinlich wurden von Menschen zuerst die Metalle Gold, Silber und Kupfer bearbeitet. Diese drei kommen in der Natur gediegen (metallisch) vor – Kupfer allerdings selten – und können im kalten Zustand zu Blechen oder Werkzeugen kaltverformt und somit verarbeitet werden. Bisher älteste Funde von Kupferplättchen für Schmuck stammen aus dem 8. Jahrtausend v. Chr. aus Anatolien. Die Bewohner des heutigen Afghanistans sollen bereits um 6000 v. Chr. Metalle be- und verarbeitet haben. Etwa aus der gleichen Zeit stammen auch die ersten Nachweise durch Verhüttung hergestellter Kupferbeile und Meißel im heutigen Serbien (Pločnik),Angelika Franz: Archäologen rätseln über 7000 Jahre alte Kupferfunde. In: Spiegel Online. 27. Dezember 2010, abgerufen am 3. Oktober 2013. deren Klingen kalt ausgeschmiedet und damit oberflächlich verfestigt wurden.
Auch Funde in Mesopotamien, Ägypten und in Indien (Indus-Kultur) haben gezeigt, dass dort vermutlich schon vor über 5000 Jahren in warmem Zustand geschmiedet wurde. In Mitteleuropa ist die berühmte Himmelsscheibe von Nebra vor ca. 4000 Jahren ein bedeutendes Zeugnis der Schmiedekunst,Herstellungstechnik der Himmelsscheibe und beiliegenden Fundstücke (Schwerter). Landesamt für Denkmalpflege und Archäologie Sachsen-Anhalt, Landesmuseum für Vorgeschichte. Abgerufen am 3. Oktober 2013. zu deren Herstellung die damaligen Schmiede über große Materialerfahrung verfügt haben mussten.
Die Erfindung des härtbaren Eisens (Stahl) gelang nach geschichtswissenschaftlichen Erkenntnissen erstmals um 1400 v. Chr. den Hethitern.Friedrich Cornelius: Geistesgeschichte der Frühzeit, Band 1, Verlag Brill-Archive, 1960, S. 132. Bereits in der vorrömischen Eisenzeit fanden Ambosse aus Bronze oder Eisen Verwendung. Aufgrund ihres seltenen Vorkommens in gediegener Form und der aufwändigen Gewinnung aus alternativen Erzen sowie der guten Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Werkstoffen hatten diese und auch andere Metalle einen hohen materiellen und kulturellen Wert. Sie waren begehrtes Handelsgut, Kultobjekt und Statussymbol.
Bei allen historischen Völkern hat das Schmieden in Kunst und Kultur Einzug gehalten: in der Mythologie: (z. B. in der griechischen Sage der Gott „Hephaistos“ und dessen Helfer, die „Kyklopen“ (Zyklopen) oder „Pythagoras in der Schmiede“, in der römischen Mythologie „Vulcanus“, in der germanischen „Wieland der Schmied“, aus der Hebräischen Bibel der Schmied „Tubal-Kain“ oder der Wunderschmied „Ilmarinen“ im Kalevala) in Sprichwörtern und Redensarten: „jeder ist seines Glückes Schmied“ … „man muss das Eisen schmieden, solange es „warm“ ist“ … „zwei Eisen im Feuer haben“ … „Pläne schmieden“ … „jemanden zur Weißglut treiben“ in der Literatur: (ausführlich in Karl Simrocks Amelungenlied) in der Malerei: (Adolph Menzel: Eisenwalzwerk, Hans Leu der Ältere: Wunder des hl. Eligius) in der Musik: (in Richard Wagners: Der Ring des Nibelungen)
Mircea Eliade untersucht in seinem Werk Schmiede und Alchemisten die Vorstellungen und Bräuche, die in Urzeiten mit dem Bergbau, mit dem Werk der Metallurgen und der Schmiede verbunden waren.
Als globale Technologieführer beliefern die deutschen Schmieden und Massivumformer die Schlüsselindustrie Fahrzeugbau mit rund zwei Dritteln der Produktion und den Maschinenbau mit weiteren 20 Prozent. Hinzu kommen die Luft- und Raumfahrttechnik, der Energiesektor, die Medizintechnik und der Schiffbau. Im Bereich des industriellen Schmiedens sind in Deutschland rund 250 meist mittelständische Unternehmen mit über 31.000 Mitarbeitern tätig. Der Umsatz der Branche lag im Jahr 2006 bei etwa 7,8 Milliarden Euro.
Schmiedbare Werkstoffe
Zum Schmieden eignen sich bis auf wenige Ausnahmen alle Metalle und Metall-Legierungen. Z. B. Gusseisen kann nicht geschmiedet werden, weil es dafür aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts zu spröde ist. Unter den Stählen kann aus über 2500 Stahlsorten die Sorte für den wirtschaftlichsten Einsatz ausgewählt werden. Man spricht nur dann vom Schmieden, wenn die Umformung oberhalb der Raumtemperatur stattfindet, das Werkstück also erwärmt wird oder sich das Werkstück durch die Umformung erheblich erwärmt.
Umformung mini|Metallbildhauer beim Kaltschmieden Die Umformung erfolgt beim Schmieden in der Regel bei höheren Temperaturen als bei der Gebrauchstemperatur mit Änderung des Metallgefüges oder mit hohem Druck auch bei Normaltemperatur. Die Verarbeitungstemperatur liegt entweder oberhalb der Rekristallisationstemperatur (Warmumformen) oder unterhalb der Rekristallisationstemperatur (Kaltumformen).
Zum Prozess des Schmiedens gehören auch das Gießen oder Walzen des Rohlings, das Härten und das Anlassen sowie das Schleifen. Im Vergleich zum Gießen verbleibt der Werkstoff im festen Aggregatzustand und wird mit Hammer und Amboss oder mit Maschinen, beispielsweise Lufthämmern und Pressen, bearbeitet.
Warm-, Halbwarm-, Kaltumformen und Thixoschmieden Abhängig von der Umformtemperatur unterscheidet man:
Warmumformung beim Schmieden von Stahl: Arbeitstemperatur liegt oberhalb der Rekristallisationstemperatur, zwischen 950 und 1250 °C Große Umformbarkeit der Werkstoffe Geringe Umformkräfte Keine Änderung der Festigkeit am umgeformten Werkstück
Halbwarmumformung beim Schmieden von Stahl: Arbeitstemperatur liegt für Stahl bei 750–950 °C Kein bzw. geringes Verzundern an der Oberfläche Geringere Umformkräfte als beim Kaltumformen Engere Maßtoleranzen als beim Warmumformen Eingeschränkte Umformbarkeit bzw. höhere Kräfte erforderlich
Kaltumformung (Kaltumformung ist im engeren Sinn kein Schmieden) von Stahl: Arbeitstemperatur liegt bei Raumtemperatur, eigene Erwärmung auf bis zu 150 °C durch die Umformenergie Enge Maßtoleranzen sind erreichbar Keine Verzunderung der Oberfläche Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Dehnung durch Kaltverfestigung
Thixoschmieden: Arbeitstemperatur liegt zwischen Solidus- und Liquidustemperatur der jeweiligen Stahllegierung und damit deutlich über der Warmschmiedetemperatur Umformbarkeit ähnlich dem Gießen Geringe Umformkräfte
Beim Warmschmieden wird das zu schmiedende Halbzeug in einem Ofen auf Temperaturen zwischen 950 °C und 1250 °C erwärmt und anschließend durch Druck eines Hammerschlags oder den Druck zwischen zwei Gesenkhälften geschmiedet (auch: umgeformt). Im Gegensatz zum Prägen wird dabei der gesamte Werkstoffquerschnitt plastifiziert. Bei den hohen Schmiedetemperaturen geht Stahl in eine andere Kristallstruktur über und wird weicher. Durch die Umformung verändern sich das Gefüge und die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs wesentlich.
Für industrielle Verfahren werden die Metalle Stahl, Eisen und deren Legierungen grundsätzlich warm geschmiedet, wobei jedes Metall eine andere Umformtemperatur erfordert. Messing, Bronze, Kupfer, Edelmetalle und deren Legierungen werden dagegen in der Regel kalt umgeformt.
Die Methode des Umformens durch Walzen ist aus dem Schmieden entstanden. Nahtlos gewalzte Ringe sind typische Produkte der Massivumformung. Das Ringwalzen ermöglicht nahtlose Ringe mit quadratischen und rechteckigen Querschnitten sowie innen und/oder außen profilierte Ringe. Der größte lieferbare Durchmesser lag 2010 bei 8,0 Meter.
Warmumformung beim Schmieden von Aluminium Warmumformung beim Schmieden von Aluminium: Umformtemperaturen von Aluminiumknetlegierungen liegen zwischen 350 und 550 °C Umformtemperaturen oberhalb von 550 °C liegen zu nahe an der Solidustemperatur der Legierungen und führen in Verbindung mit lokal unterschiedlichen Umformgraden zu einer ungünstigen Werkstückoberflächentopographie, sowie möglicherweise zu einer lokalen Anschmelzung und FaltenbildungE. Doege, B.-A. Behrens: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen. Springer Verlag, 2010, S. 671f. Umformtemperaturen unter 350 °C reduzieren die Umformbarkeit des Werkstoffs durch Erhöhung der Fließspannung und können zu nicht vollständig ausgeformten Werkzeuggravuren, einer möglichen Rissbildung auf der Werkstückoberfläche sowie einem Anstieg der Umformkraft und damit der Gesenkbelastung führen
Durch die geringe Temperaturspanne bei der Umformung bei einer hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium lässt sich Aluminiumschmieden nur in einem eng begrenzten Prozessfenster realisieren. Die Werkzeugtemperierung ist daher beim Aluminiumschmieden von großer Bedeutung. Um gute Umformbedingungen zu gewährleisten, ist es notwendig, auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Gesamtbauteil zu achten. Etwa durch Optimierung der Vorformgeometrien lassen sich die lokalen Umformgrade gezielt beeinflussen, somit die lokalen Aufheizungen reduzieren und schließlich die Temperaturverteilung homogener gestalten.M. Stonis: Mehrdirektionales Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen. In: B.-A. Behrens, P. Nyhuis, L. Overmeyer (Hrsg.): Berichte aus dem IPH. Band 01/2011, PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen 2011.
Einsatz von Aluminiumschmiedeteilen