Eisen als Werkstoff - Schmied
Eisen als Werkstoff - Schmied
Einleitung
In der Schmiede sagst Du oft Eisen. Meist bearbeitest Du aber Stahl. Stahl ist ein Werkstoff auf Eisenbasis. Er lässt sich erwärmen, formen und – je nach Sorte – härten.
Dieser Kurs richtet sich an Auszubildende, besonders an Metallbauerinnen und Metallbauer der Fachrichtung Metallgestaltung. Du lernst Werkstoffwahl, Schmiedetemperatur, Umformung, Wärmebehandlung und Arbeitssicherheit.
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Lernziele
Nach dem Kurs kannst Du:
- Eisen und Stahl unterscheiden.
- den Einfluss von Kohlenstoff erklären.
- einen schmiedbaren Stahl passend auswählen.
- typische Fehler beim Erwärmen erkennen.
- Grundverfahren des Schmiedens benennen.
- einfache Wärmebehandlungen unterscheiden.
- sicher und sauber arbeiten.
Eisen und Stahl in der Schmiede
Eisen, Stahl und Gusseisen
Eisen ist das chemische Element Fe. Reines Eisen ist relativ weich und gut verformbar. Für Bauteile wird es nur selten rein verwendet.
Stahl ist ein technisch nutzbarer Eisenwerkstoff. Bei unlegierten Eisen-Kohlenstoff-Werkstoffen liegt die Grenze zu Gusseisen bei etwa 2,06 Masseprozent Kohlenstoff. Stahl ist im Regelfall plastisch umformbar.
Gusseisen enthält meist mehr Kohlenstoff. Es lässt sich gut gießen, ist für das übliche Schmieden aber ungeeignet.
| Werkstoff | Typische Eigenschaft | Bedeutung für die Schmiede |
|---|---|---|
| Reines Eisen | weich und gut verformbar | selten als technischer Werkstoff |
| Stahl | fest, zäh und oft schmiedbar | wichtigster Werkstoff |
| Gusseisen | gut gießbar, oft spröde | nicht normal schmieden |
Schmiedeeisen
Der Begriff Schmiedeeisen hat zwei Bedeutungen:
- Historisch war es kohlenstoffarmes Eisen mit Schlackeneinschlüssen.
- Heute meint der Handel damit oft gut schmiedbaren, kohlenstoffarmen Stahl für Geländer, Beschläge oder Zierarbeiten.
Darum prüfst Du immer die genaue Werkstoffbezeichnung.
Kohlenstoff und Legierungselemente
Kohlenstoff verändert Stahl stark. Mehr Kohlenstoff kann Härte und Festigkeit erhöhen. Gleichzeitig können Zähigkeit, Schweißbarkeit und einfache Schmiedbarkeit abnehmen.
Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Nickel, Molybdän oder Silicium verändern weitere Eigenschaften. Deshalb braucht jede Stahlsorte ihre passende Temperaturführung.
Gefüge in einfacher Sprache
Das Gefüge ist der innere Aufbau des Stahls.
- Ferrit ist weich und gut verformbar.
- Perlit besteht aus Ferrit und Zementit.
- Zementit ist sehr hart und spröde.
- Austenit entsteht bei passender hoher Temperatur.
- Martensit kann beim schnellen Abschrecken entstehen und ist sehr hart.
Das Eisen-Kohlenstoff-Diagramm zeigt, welche Gefüge bei bestimmten Temperaturen und Kohlenstoffgehalten möglich sind.
Werkstoffwahl in der Ausbildung
Material sicher erkennen
Verlasse Dich nicht nur auf Farbe, Klang oder Funken.
| Sichere Information | Beispiel |
|---|---|
| Kurzname | C45 |
| Werkstoffnummer | 1.0503 |
| Kennzeichnung | Stempel oder Etikett |
| Nachweis | Werkszeugnis oder Lieferschein |
| Lagerung | getrennt und eindeutig beschriftet |
Eine Funkenprobe liefert nur einen groben Hinweis. Sie ersetzt keinen Werkstoffnachweis.
Schmiedbarkeit
Kohlenstoffarme unlegierte Stähle sind meist gut schmiedbar. Höher kohlenstoffhaltige und hochlegierte Stähle brauchen engere Temperaturgrenzen.
Prüfe vor der Arbeit:
- Werkstoffsorte
- Ausgangsmaß
- Schmiedetemperatur
- Endtemperatur
- geplante Wärmebehandlung
- Verwendungszweck des Bauteils
Unbekannter Stahl gehört nicht in ein sicherheitswichtiges Bauteil.
Erwärmen und Schmieden
Schmiedetemperatur
Beim Warmumformen wird der Stahl so weit erwärmt, dass er sich plastisch formen lässt. Die genaue Temperatur hängt von der Stahlsorte ab.
Die Glühfarbe ist nur eine grobe Hilfe. Licht, Zunder und Oberfläche verändern den Eindruck. Für genaue Werte nutzt Du ein geeignetes Temperaturmessgerät und die Werkstoffdaten.
Zu kalt geschmiedet: hoher Kraftbedarf, mögliche Risse und schlechte Formfüllung.
Zu heiß geschmiedet: starkes Zundern, grobes Korn oder Überhitzung.
Verbrannter Stahl: Gefüge und Korngrenzen sind schwer geschädigt. Das Werkstück ist Ausschuss.
Grundoperationen
| Verfahren | Wirkung |
|---|---|
| Recken | Werkstück wird länger, Querschnitt wird kleiner |
| Stauchen | Werkstück wird kürzer, Querschnitt wird größer |
| Breiten | Material wird seitlich verteilt |
| Biegen | Richtung oder Radius wird geändert |
| Absetzen | Querschnitt wird örtlich versetzt |
| Lochen | Öffnung wird mit Lochwerkzeug hergestellt |
| Spalten | Werkstück wird örtlich geteilt |
| Feuerschweißen | erhitzte Flächen werden durch Druck verbunden |
Datei:Smithy- steel forging (2).webm
Werkzeuge und Maschinen
Typische Arbeitsmittel sind Schmiedehammer, Amboss, Schmiedezange, Gesenk, Dorn, Meißel, Lufthammer und Schmiedepresse.
Die Zange muss zum Querschnitt passen. Ein lose gehaltenes Werkstück kann sich drehen oder herausfliegen.
Zunder, Entkohlung und Abbrand
Beim heißen Stahl reagiert die Oberfläche mit Sauerstoff.
- Zunder ist eine Oxidschicht.
- Abbrand ist Werkstoffverlust durch Oxidation.
- Entkohlung senkt den Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche.
Kurze, passende Erwärmung und eine richtig eingestellte Feuerführung verringern diese Schäden.
Wärmebehandlung
Die Wärmebehandlung verändert das Gefüge und damit die Eigenschaften.
| Verfahren | Zweck |
|---|---|
| Weichglühen | Härte senken und Bearbeitung erleichtern |
| Normalglühen | gleichmäßiges, feineres Gefüge erzeugen |
| Härten | durch Austenitisieren und schnelles Abschrecken Härte erzeugen |
| Anlassen | Sprödigkeit nach dem Härten verringern |
| Vergüten | Härten und anschließendes hohes Anlassen verbinden |
Nicht jeder Stahl ist ausreichend härtbar. Dafür müssen Zusammensetzung, Bauteilgröße, Temperatur und Abschreckmittel zusammenpassen.
Arbeitssicherheit und Qualität
Arbeite nur nach Einweisung und betrieblicher Gefährdungsbeurteilung.
- Trage Schutzbrille oder Gesichtsschutz, Sicherheitsschuhe, Gehörschutz und geeignete Kleidung.
- Vermeide leicht schmelzende Kunstfasern.
- Halte Werkzeuge und Arbeitsbereich trocken und sauber.
- Rechne immer mit heißen Werkstücken, auch ohne sichtbare Glut.
- Sorge an Feuer und Ofen für wirksame Lüftung und Abgasführung.
- Prüfe Zangen, Hämmer, Stiele, Gesenke und Maschinen vor dem Einsatz.
- Lege heiße Teile nur an festgelegten Stellen ab.
- Entferne Zunder kontrolliert und halte Abstand zu anderen Personen.
Zur Qualitätskontrolle gehören Maßprüfung, Sichtprüfung, Oberflächenprüfung und Dokumentation.
Merksätze
- In der Schmiede ist „Eisen“ meist Stahl.
- Die Werkstoffsorte bestimmt Temperatur und Wärmebehandlung.
- Glühfarben sind nur Richtwerte.
- Zu kaltes und zu heißes Schmieden schädigt das Werkstück.
- Härten und Anlassen sind verschiedene Arbeitsschritte.
- Unbekannter Stahl ist ein Risiko.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welcher Werkstoff wird in der Schmiede meist bearbeitet? (Stahl) (!Reines Eisen) (!Gusseisen) (!Blei)
Was ist Stahl hauptsächlich? (Ein Werkstoff auf Eisenbasis) (!Ein reines Nichtmetall) (!Eine Keramik) (!Ein Kunststoff)
Was bewirkt Kohlenstoff im Stahl häufig? (Er kann Härte und Festigkeit erhöhen) (!Er macht jeden Stahl rostfrei) (!Er verhindert jede Oxidation) (!Er macht Stahl immer weich)
Welcher Gefügebestandteil ist sehr hart und spröde? (Zementit) (!Ferrit) (!Kupfer) (!Graphitstab)
Was passiert beim Recken? (Das Werkstück wird länger) (!Das Werkstück wird gegossen) (!Das Werkstück wird lackiert) (!Das Werkstück wird gelötet)
Was ist Zunder? (Eine Oxidschicht auf heißem Stahl) (!Ein Schmiedehammer) (!Ein Abschrecköl) (!Eine Stahlsorte)
Warum ist die Glühfarbe nur ein Richtwert? (Licht und Oberfläche beeinflussen den Farbeindruck) (!Stahl besitzt keine Temperatur) (!Jede Farbe bedeutet Raumtemperatur) (!Zunder misst die Masse)
Was folgt beim Vergüten auf das Härten? (Hohes Anlassen) (!Gießen) (!Verzinken) (!Kleben)
Welche Angabe hilft bei der sicheren Werkstoffwahl? (Werkstoffnummer) (!Werkstattfarbe) (!Hammerklang allein) (!Zufällige Funkenform allein)
Was gilt für unbekannten Stahl? (Nicht für sicherheitswichtige Bauteile verwenden) (!Immer sofort härten) (!Ohne Prüfung feuerschweißen) (!Als Gusseisen kennzeichnen)
Memory
| Eisen | Chemisches Element Fe |
| Stahl | Schmiedbarer Eisenwerkstoff |
| Ferrit | Weicher Gefügebestandteil |
| Perlit | Gemisch aus Ferrit und Zementit |
| Recken | Werkstück verlängern |
| Stauchen | Querschnitt vergrößern |
| Zunder | Oxidschicht auf heißem Stahl |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Wirkung |
|---|---|
| Recken | länger und dünner |
| Stauchen | kürzer und dicker |
| Biegen | Richtung oder Radius ändern |
| Lochen | eine Öffnung herstellen |
| Absetzen | einen Querschnitt örtlich versetzen |
Kreuzworträtsel
| Ferrit | Welcher Gefügebestandteil ist relativ weich? |
| Zunder | Wie heißt die Oxidschicht auf heißem Stahl? |
| Amboss | Worauf wird beim Handschmieden häufig gearbeitet? |
| Stauchen | Welches Verfahren vergrößert den Querschnitt? |
| Anlassen | Welche Wärmebehandlung folgt meist auf das Härten? |
| Austenit | Welches Gefüge entsteht bei passender hoher Temperatur? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Werkstoffkarte: Erstelle eine Karte mit Kurzname, Werkstoffnummer und typischer Verwendung eines gut schmiedbaren Stahls.
- Gefügebild: Beschrifte ein Bild mit Ferrit, Perlit und Zementit.
- Werkzeugprüfung: Erstelle eine kurze Prüfliste für Hammer, Zange und Amboss.
- Glühfarben: Ordne fotografierte Glühfarben von dunkel nach hell. Nutze sie nur als Vergleich, nicht als genaue Messung.
Standard
- Schmiedeversuch: Dokumentiere unter Aufsicht das Recken und Stauchen eines Probestabs.
- Materialvergleich: Vergleiche einen kohlenstoffarmen und einen höher kohlenstoffhaltigen Stahl.
- Fehleranalyse: Untersuche ein verzundertes Werkstück und erkläre mögliche Ursachen.
- Interview: Befrage eine Fachkraft zur Werkstoffwahl in der Schmiede.
Schwer
- Arbeitsplan: Plane die Herstellung eines einfachen Hakens mit Werkstoff, Maßen, Werkzeugen und Arbeitsschritten.
- Wärmebehandlung: Entwickle für ein Übungswerkstück einen begründeten Ablauf aus Erwärmen, Härten und Anlassen.
- Qualitätsprüfung: Erstelle einen Prüfplan für Maß, Oberfläche, Risse und Dokumentation.
- Nachhaltigkeit: Vergleiche Materialverlust, Energiebedarf und Wiederverwendung bei zwei Schmiedeverfahren.
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Lernkontrolle
- Werkstoffentscheidung: Für einen geschmiedeten Wandhaken stehen unbekannter Reststahl und eindeutig gekennzeichneter Baustahl bereit. Begründe Deine Wahl.
- Temperaturfehler: Ein Werkstück zeigt starke Zunderbildung und eine raue Oberfläche. Erkläre mögliche Ursachen und Verbesserungen.
- Verfahrenswahl: Ein Rundstab soll an einem Ende dicker werden. Wähle ein Schmiedeverfahren und beschreibe die Materialbewegung.
- Wärmebehandlung beurteilen: Ein gehärtetes Werkzeug bricht bei leichter Belastung. Erkläre mögliche Zusammenhänge zwischen Härten, Anlassen und Sprödigkeit.
- Sicherheitsanalyse: In einer Schmiede fehlen Abgasführung und gekennzeichnete Ablageplätze für heiße Teile. Bewerte die Risiken und plane Maßnahmen.
- Qualität übertragen: Entwickle Kriterien, mit denen Du ein handgeschmiedetes Bauteil vor der Übergabe prüfst.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis sind wichtig:
- fachgerechte Unterscheidung von Eisen, Stahl und Gusseisen
- sichere Nutzung von Kurzname und Werkstoffnummer
- Erklärung des Kohlenstoffeinflusses
- passende Wahl der Schmiedetemperatur
- richtige Anwendung von Recken, Stauchen und Biegen
- Erkennen von Zunder, Überhitzung und Rissen
- Unterscheidung von Härten, Anlassen und Vergüten
- Einhaltung von Arbeitsschutz und Ordnung
- Maßkontrolle und nachvollziehbare Dokumentation
- begründete Werkstoffwahl für ein Werkstück
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