Metaalsmeden uitgelegd: welke metalen, staalsoorten en hoe het werkt

Metaal smeden is het proces waarbij metaal wordt gevormd met behulp van drukkracht - door hameren, persen of walsen - meestal terwijl het metaal wordt verwarmd om het kneedbaarder te maken. Vrijwel elk metaal dat kan worden verwarmd zonder te bros te worden, kan technisch gezien worden gesmeed, maar in de praktijk domineren koolstofstaal, gelegeerd staal, aluminium, titanium en koperlegeringen het industriële smeden omdat ze de beste combinatie bieden van verwerkbaarheid en de verbeteringen van de mechanische eigenschappen die smeden biedt.

Welke metalen kunnen worden gesmeed en waarom sommige beter smeden dan andere

De smeedbaarheid van een metaal hangt af van zijn ductiliteit bij smeedtemperatuur en hoe de korrelstructuur reageert op vervorming. Staalsoorten met een vlakgecentreerde kubieke (FCC) kristalstructuur vervormen bij hoge temperatuur gelijkmatiger onder compressie, wat deel uitmaakt van de reden waarom staal het meest gesmeed metaal is in industriële omgevingen.

Metalen met een hoog koolstofgehalte hierboven 0,6% , evenals gietijzer, worden over het algemeen beschouwd als slechte kandidaten voor smeden, omdat ze zelfs bij hoge temperaturen onvoldoende ductiliteit hebben en de neiging hebben te barsten in plaats van te vervormen onder hamer- of perskracht.

Hoe smeed je staal: het basisproces uitgelegd

Het smeden van staal volgt een proces dat niet fundamenteel is veranderd sinds het traditionele smeden, ook al zijn de schaal en de uitrusting dramatisch geëvolueerd in industriële omgevingen.

1. Verwarming: Het staal wordt in een smederij – traditioneel met kolen of cokes gestookt, nu vaak met gas of inductie verwarmd – verwarmd tot de smeedtemperatuur, meestal tussen 1.100°C en 1.250°C (2.000°F tot 2.300°F) voor de meeste koolstofstaalsoorten, herkenbaar aan een fel oranje tot gele kleur.
2. Vervorming: Drukkracht wordt uitgeoefend door hameren, persen of walsen om het verwarmde staal vorm te geven - dit kan een open matrijs zijn (vormen in vrije vorm) of een gesloten matrijs (metaal in een gevormde holte dwingen).
3. Opwarmen indien nodig: Staal koelt snel af zodra het uit de smidse wordt verwijderd, en als het onder het smeedtemperatuurbereik zakt, moet het terug naar de warmtebron worden gebracht voordat het verdergaat. Het bewerken van staal dat te koel is, loopt het risico te barsten in plaats van te vervormen.
4. Normaliseren of gloeien: Na het vormen wordt het gesmede stuk vaak opnieuw verwarmd tot een gecontroleerde temperatuur en langzaam afgekoeld om de interne spanningen die tijdens het smeden ontstaan te verlichten en de korrelstructuur te verfijnen.
5. Afwerking: Overtollig materiaal (flash, bij smeden met gesloten matrijzen) wordt bijgesneden en het onderdeel kan afhankelijk van de uiteindelijke toepassing een extra warmtebehandeling, machinale bewerking of oppervlakteafwerking ondergaan.

Soorten metaalsmeedprocessen

Industrieel smeden wordt over het algemeen gecategoriseerd op basis van temperatuur en de gebruikte matrijsconfiguratie, en de keuze tussen deze methoden hangt af van de complexiteit van het onderdeel, het productievolume en de vereiste mechanische eigenschappen.

• Heet smeden: Uitgevoerd boven de herkristallisatietemperatuur van het metaal, waardoor aanzienlijke vormveranderingen met relatief lage kracht mogelijk zijn en het risico op scheuren wordt verminderd - de meest gebruikelijke methode voor staal.
• Koud smeden: Uitgevoerd bij of nabij kamertemperatuur, waardoor onderdelen worden geproduceerd met nauwere maattoleranties en een gladdere oppervlakteafwerking, maar waarvoor aanzienlijk hogere krachten nodig zijn en waardoor de hoeveelheid vervorming die mogelijk is zonder scheuren wordt beperkt.
• Warm smeden: Een middenweg die wordt uitgevoerd bij gemiddelde temperaturen, waarbij de lagere krachtvereisten van heet smeden in evenwicht worden gebracht met enkele van de precisievoordelen van koud smeden.
• Smeden met open matrijzen: Het metaal is gevormd tussen platte of eenvoudig gevormde matrijzen die het niet volledig omsluiten, waardoor het metaal kan stromen, behalve waar de matrijzen ermee in contact komen - gebruikt voor grote, eenvoudige vormen zoals schachten en schijven.
• Smeden met gesloten matrijs (indrukmatrijs): Het metaal wordt in een matrijsholte geperst die het volledig omsluit, waardoor complexere vormen met nauwere toleranties ontstaan - die worden gebruikt voor onderdelen met grote volumes, zoals auto-onderdelen.
• Smeden: Een specifieke, op een hamer gebaseerde smeedmethode waarbij een zwaar gewicht op het werkstuk valt dat in of op een matrijs is geplaatst, vaak geassocieerd met traditionele industriële smeedbewerkingen.

Wat is gesmeed staal en hoe het koolstofgehalte het resultaat beïnvloedt

"Gesmeed staal" verwijst naar staal dat is gevormd door middel van smeden in plaats van gieten (gesmolten metaal in een mal gieten) of machinaal bewerken (materiaal wegsnijden van een massief blok). Het smeedproces comprimeert de interne korrelstructuur van het staal en lijnt deze uit in de richting van de vervorming, wat over het algemeen resulteert in een verbeterde sterkte, taaiheid en weerstand tegen vermoeidheid in vergelijking met een gegoten onderdeel van dezelfde samenstelling. Dit is de reden waarom gesmede componenten vaak worden gespecificeerd voor onderdelen die onderhevig zijn aan hoge spanning of impact, zoals krukassen, tandwielen en structurele fittingen.

Het koolstofgehalte is de belangrijkste factor die verschillende soorten smeedstaal onderscheidt en bepaalt de afweging tussen sterkte, hardheid en ductiliteit na het smeden:

Door het hogere koolstofgehalte kan het gesmede onderdeel een grotere hardheid bereiken door daaropvolgende warmtebehandeling, maar het verkleint ook het temperatuurvenster waarbinnen het staal veilig kan worden gesmeed zonder te barsten. Daarom worden staalsoorten met een hoog koolstofgehalte gesmeed met een strengere temperatuurcontrole en vaker opnieuw verwarmen.

Wat gebruiken smeden: gereedschappen en uitrusting voor handsmeden

Terwijl industrieel smeden afhankelijk is van hydraulische persen en mechanische hamers, blijven de belangrijkste gereedschappen die door smeden worden gebruikt voor het handmatig smeden grotendeels consistent met de traditionele praktijk, aangepast aan de omvang van het werk dat wordt gedaan.

• Smeden: Een warmtebron - traditioneel een kolen- of cokesgestookte smederij, waarbij propaan- en inductiesmederijen nu gebruikelijk zijn - die werd gebruikt om staal op smeedtemperatuur te brengen
• Aambeeld: Een zwaar stalen blok dat een stabiel, stijf oppervlak biedt om tegen te hameren, met verschillende kenmerken (hoorn, winterhard gat, pritchelgat) gebruikt voor verschillende vormtechnieken
• Hamers: Een assortiment hamergewichten en slagvlakvormen voor verschillende taken: dwarshamers voor het uittrekken van metaal, kogelhamers en afrondhamers voor het textureren en vormgeven
• Tang: Wordt gebruikt om hete werkstukken veilig vast te houden, met verschillende kaakvormen ontworpen voor rond materiaal, vlak materiaal of specifieke onderdeelgeometrieën
• Beitels en ponsen: Wordt gebruikt terwijl het metaal heet is om te snijden, doorboren of een decoratieve textuur te creëren
• Afschriktank: Een container met water, olie of ander afschrikmiddel dat wordt gebruikt om staal snel af te koelen voor harding, waarbij de keuze van het afschrikmiddel de resulterende hardheid en het risico op scheuren beïnvloedt

Voor zowel handmatig als industrieel smeden is kleur de traditionele temperatuurindicator. Een heldere geeloranje kleur komt over het algemeen overeen met het optimale smeedbereik voor de meeste koolstofstaalsoorten, terwijl een doffe rode kleur aangeeft dat het staal is afgekoeld tot onder het veilige werkbereik en het risico loopt te barsten als het wordt geraakt.