Schrauben

Schraubenköpfe von Schrauben

Im Allgemeinen werden Schrauben mit Sechskantköpfen und Sechskantmuttern verwendet. Schrauben gleichen Durchmessers aber verschiedener Festigkeit unterscheiden sich in ihrer Schlüsselweite. So haben hochfeste Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 jeweils die Schlüsselweite der nächstgrößeren Schraube der Festigkeitsklassen 4.6, 5.6 und 8.8. Zum einen dient dies der Unterscheidung, zum anderen lassen sich die höheren Anziehmomente und entsprechend großen Vorspannkräfte besser über die größere Kopfauflage, der hochfesten Schraube, auf das Werkstück übertragen.

Gewinde von Schrauben

Für den Stahlbau gilt das ISO-Gewinde mit metrischem Regelgewinde. Deshalb haben die Schrauben die Bezeichnung M. Eine Schraube mit der Bezeichnung M10 hat beispielsweise ein metrisches Gewinde und einen Nenndurchmesser von 10 mm. Der Flankensteigungswinkel ist konstant für alle Durchmesser. Alternativ gibt es Feingewinde mit einer flacheren Gewindesteigung.
Neben den gebräuchlichen Rechtsgewinden gibt es Linksgewinde. Um diese beim Lösen voneinander unterscheiden zu können, kennzeichnet man Linksgewinde, beispielsweise mit einem Pfeil in Ein-Drehrichtung oder Einkerbungen an Flanken des Kopfes.

Muttern und Scheiben

In der Regel sind Schraubverbindungen mit Scheiben zu versehen. Meist gilt dies für die Seite der Mutter, da die Verbindung über diese angezogen wird. Bei hochfesten Schrauben muss auch an der Kopfseite eine Schreibe untergelegt werden. Nur in Ausnahmefällen kann auf diese verzichtet werden. Sie vermeiden eine Kerbwirkung am Übergang vom Schaft zum Schraubenkopf und sorgen bei den hohen Vorspannkräften für eine definierte Flächenpressung.

Korrosionsschutz bei Schrauben

Rost kann Schraubenverbindungen schwächen und deren Funktion beeinträchtigen. Korrosion ist unvermeidlich, kann aber durch Auswahl geeigneter Werkstoffe oder schützende Beschichtungen auf lange Sicht erfolgreich abgewehrt werden. Üblicher Weise wird der Schutz der Schrauben mit dem der Konstruktion abgeglichen. Bei verzinkten Werkstücken werden verzinkte Schrauben verwendet. Strukturen aus nicht rostenden Stählen erfordern Verbindungselemente aus nichtrostendem Stahl.

Es lassen sich korrosionsarme bzw. rostfreie Schrauben einsetzen deren Werkstoffeigenschaften eine Reaktion mit der Umgebung unterbinden. Beispielsweise eignen sich hierfür Schrauben aus nichtrostenden Stählen, Nickellegierungen, Messing, Kunststoff, Aluminium, Titan oder neuerdings auch Carbon. Einfache Stahlschrauben benötigen eine Schutzschicht, wenn sie unter korrosiven Bedingungen verwendet werden.

Folgende Beschichtungen bieten sich an:

Galvanische Verzinkung

Die Galvanische Verzinkung „gal Zn“ wirkt aktiv gegen Korrosion, nicht nur durch ihre schützende Schicht, sondern auch durch ihre kathodische Wirkung. Die Zinkschicht wird in einem Bad mit gelösten Salzen aufgebracht. Die eingetauchten Werkstücke dienen als Kathode, während eine Elektrode aus reinem Zink als Opferanode dient. Mithilfe von Gleichstrom lösen sich Elementarteilchen aus der Anode und siedeln sich an der Kathode an. Die Zinkschicht baut sich um die Werkstücke auf. Unvermeidliche Unterschiede in den Schichtstärken machen diesen Korrosionsschutz allerdings anfälliger als Zinkschichten anderer Verfahren. Beim galvanischen Verzinken wird eine durchschnittliche Zinkschicht von 5 Mikrometern aufgetragen. Deutlich geringer als beim Feuerverzinken, bei dem der Stahl mit einer ca. 50 Mikrometer dicken Schicht versehen wird. Aus diesem Grund sind galvanisch verzinkte Befestigungselemente nur bedingt im Außenbereich einsetzbar. Das galvanische Verzinken ist auch bei hochfesten einsatzgehärteten Schrauben ab einer Härte von 10.9 problematisch. Hier besteht die Gefahr der Versprödung durch Wasserstoffatome, die sich beim Beschichtungsprozess oder durch das Beizen im Metall einlagern. Aus diesem Grund wird bei hochfesten Schrauben bevorzugt die Zinklamellenbeschichtung angewendet.

Feuerverzinkten

Beim Stückverzinkten wird die Korrosionsschicht durch Eintauchen in geschmolzenes Zink aufgetragen. Dabei bildet sich eine widerstandsfähige Legierung und darüber eine sehr fest haftende reine Zinkschicht. Die Schrauben mit dem Kürzel „tZn“ werden in den Größen M8 bis M64 hergestellt. Sie besitzen eine mittlere Mindestzinkschichtdicke von 50 Mikrometer. Stückverzinkte Schrauben sind auch bei Außeneinsatz für Jahrzehnte vor Korrosion geschützt. Die Zinkschicht ist im frischen Zustand in der Regel hellglänzend. Im Laufe der Zeit bildet eine Patina aus und wird dunkler und matter. Bei kleineren Schrauben, Muttern und Verbindungselementen kommt das Kleinteileverzinken zum Einsatz. Hier ist das Stückverzinken oft zu teuer. In diesem Fall werden die Kleinteile als Schüttgut in einen Metallkorb gefüllt und der Metallkorb wird komplett in das schmelzflüssige Zink eingetaucht. Als zusätzlicher Verfahrensschritt nach dem Verzinken werden die Kleinteile meistens durch Rotation des Metallkorbes zentrifugiert. Man spricht dann von Schleuderware. Durch das Zentrifugieren wird die Zink-Schichtdicke vermindert. Die Verminderung der Zink-Schichtdicke ist besonders wichtig bei Teilen mit Gewinde oder bei Teilen mit genauen Maßtoleranzen. Gewinde wären ohne das Zentrifugieren oft nicht mehr gängig. Die Farbe von fertig verzinkter Schleuderware ist meistens weniger hellglänzend als die Farbe von stückverzinkten Teilen, sondern eher grau.

Feuerverzinkte Schrauben dürfen nur als komplette Garnituren (Schrauben, Muttern, Scheiben) von einem Hersteller verwendet werden.

Zinklamellenüberzug

Der Zinklamellenüberzug bildet einen sehr beständigen und qualitativ hochwertigen Korrosionsschutz. Zugleich schließt er die Schwachstellen elektrolytisch aufgebrachter Überzüge aus. So können galvanisch aufgebrachte Zinkschichten bei hochfesten Schrauben ab Festigkeitsklassen von 10.9 und hochfesten Muttern mit Festigkeitsklassen von 10 und höher zu einer Wasserstoffversprödung führen. Eine solche Schädigung der Korngrenzen kann insbesondere unter Zugbeanspruchung, einen Rissfortschritt zur Folge haben, der zum Versagen des Bauteiles führt. Der Wasserstoff wird durch den galvanischen Beschichtungsprozess, als auch durch die Vorbehandlung, dem Beizen, in das Metall eingebracht. Bei Zinklamellenüberzügen kann ein Eindringen von Wasserstoff ausgeschlossen werden, da hier die Vorbehandlung in Form von Glasperlen oder Sandstrahlen erfolgt. Eine dünne, feinkristalline Phosphatschicht dient häufig als Trägerschicht und Haftvermittler. Anschließend wird die Dispersion kleiner Zink- und meist auch Aluminiumflocken in einem Tauch-/Schleuder-Verfahren aufgebracht, getrocknet und durch einen Einbrennvorgang in eine anorganische Matrix umgewandelt.

Der Zinklamellenüberzug bietet viele Vorteile. Die Beständigkeit im Salzsprühtest nach ISO 9227 liegt im Vergleich zu galvanisch abgeschiedenen Zinkschichten mindestens um den Faktor 10 höher. Darüber hinaus weist er eine Temperaturbeständigkeit von 150-180 °C auf, ist gegen Chemikalien beständig, umweltfreundlich und bietet einen hohen Langzeitkorrosionsschutz. Außerdem sind seine guten Reibungseigenschaften besonders vorteilhaft im Einsatz von Schrauben und Muttern. Die Automobilindustrie verwendet diese Überzüge bereits seit den 70er Jahren. Zudem haben Untersuchungen ergeben, dass z. B. chromatierte und galvanisch verzinkte Schichten krebserregend sein können, da sie sechswertiges Chrom enthalten. Auch daher werden immer mehr Beschichtungen auf den Zinklamellenüberzug umgestellt. Mittlerweile wird dieses Beschichtungssystem in den verschiedensten Bereichen wie z. B. Windkraftanlagen, in der Bauindustrie oder im Maschinen- und Anlagenbau eingesetzt.

Nichtrostende Schrauben

Nichtrostender Stahl bietet den optimalen Korrosionsschutz. Er besteht zu mehr als 10.5 % aus Chrom. Das Chrom bildet eine schützende Schicht an der Werkstoffoberfläche. Durch Zugabe von Nickel, Molybdän und Niob lässt sich die Korrosionsbeständigkeit nochmals verbessern. Eben dieser Anteil an kostspieligen Legierungsbestandteilen macht rostfreien Stahl teurer als gewöhnlichen Stahl. Umgangssprachlich wird nichtrostender Stahl fälschlicher Weise auch als Edelstahl bezeichnet. Eigentlich steht Edelstahl für Stahlsorten mit besonders hoher Reinheit, die nicht zwangsläufig hochlegiert und rostfrei sind. Auch wird das Akronym „Inox“ verwendet, was sich aus dem französischen „inoxydable“ herleitet und auf Deutsch rostfrei heißt. International wird er Stainless Steel genannt. Auch der Name Nirosta, ein Markenname der Firma ThyssenKrupp Nirosta, dient heute als Akronym.
Stähle ohne Nickelzusatz bilden ferritische Kristalle und sind magnetisch. Durch das Legieren mit einem Nickel-Anteil von mehr als 8% bildet sich ein austenitisches Gefüge aus, wodurch der Stahl unmagnetisch wird. Er weist in diesem Zustand eine besonders günstige Kombination von Verarbeitbarkeit, mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf.

Schrauben aus rostfreien Stählen haben häufig die Aufschrift A2-70. Hierbei steht A2 für die Stahlsorte (A für austenitisch, 2 für die Sorte), 70 für die Festigkeitsklasse bzw. die Zugfestigkeit in kp/mm² (veraltet) entsprechend 1/10 der Zugfestigkeit 700 MPa.

Sollten konventionelle Schrauben durch Niro-Schrauben ersetzt werden ist darauf zu achten, dass deren Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Dehngrenze etc. meist unter denen konventioneller Schrauben mit Festigkeitsklasse größer gleich 5.6 liegt. Ein Austausch nach dem 1:1-Prinzip ist besonders bei sicherheitsrelevanten Verbindungen genau zu prüfen. Außerdem kann bei Kontakt zwischen Niro- und normalen Stählen aus elektrochemischen Gründen zusätzliche Korrosion auftreten.

Unterschieden werden vier Gruppen von Schrauben aus nichtrostenden Stählen, mit den Sorten A1, A2, A3 (Festigkeitsklassen jeweils 50 / 70 / 80), A4, A5 (Festigkeitsklassen jeweils 50 / 70 / 80 / 100) und A8 (Festigkeitsklassen 70 / 80 / 100)

Austenit (A2)

Der häufigste Legierungstyp eines nichtrostenden Stahls, der uns im Alltag begegnet, ist die Legierung X5CrNi18-10 (Werkstoffnummer 1.4301, Aufschrift 18/10, auch bekannt als V2A).

Der Werkstoff ist für die Außenanwendung im Inland geeignet. In Seewassernähe oder Schwimmbädern würde er aber der Salz- und chlorhaltigen Atmosphäre nicht lange unbeschadet Stand halten. Gegen eine kurzzeitige Einwirkung chlorhaltiger Medien wäre er aber beständig. Bei längerer Einwirkung wäre beispielsweise V4A-Stahl zu bevorzugen.

Austenit (A4)

Für den Einsatz in Bereichen chloridhaltiger Medien werden häufig die Werkstoffe 1.4571 bzw. 1.4401 oder 1.4404 (umgangssprachlich V4A) eingesetzt. Sie besitzen im Gegensatz zum 1.4301 durch einen Anteil von 2 % Molybdän eine erhöhte Beständigkeit gegen Chloride. Einsatzzwecke sind unter anderem alle Bereiche, die ständig mit Salzwasser in Berührung kommen, wie zum Beispiel Beschläge im Schiffbau. Zudem wird er für die Sanierung von Schornsteinen, in Hallenbädern und der chemischen Industrie eingesetzt.

Messingschrauben

Messingschrauben sind im Handel überwiegend als Holzschrauben vertreten. Messing ist eine Kupferlegierung mit bis zu 40 % Zink. Bei zunehmendem Zinkanteil verändert sich die Farbe vom Bräunlichen ins Gelbliche bis zu annähernd weißgelb. Ihr Korrosionsschutz kann über den Anteil an Nickel verbessert werden. So eignet sich der Werkstoff für Süßwasseranwendungen beispielsweise dem Bootsbau. Dennoch ist der Werkstoff nicht seewasserbeständig. Ihr edles Aussehen wird in der Holzindustrie genutzt, beispielsweise in der Herstellung von Möbeln.

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