Blog

Auswahl des richtigen Werkstoffs und der geeigneten Wärmebehandlung für hochfeste Schrauben

Zuordnung der ASTM-Normen (A325, A490, A449, A354) zu den strukturellen Lastanforderungen und den Einsatzbedingungen

Die Werkstoffauswahl bildet die Grundlage für die Leistungsfähigkeit von Schrauben bei kritischen Konstruktionsanwendungen. Die American Society for Testing and Materials (ASTM) stellt streng validierte Normen bereit, die die mechanischen Eigenschaften an die Anforderungen der Praxis ausrichten:

• ASTM-A325-Schrauben (mindestens 120 ksi Zugfestigkeit) sind für Standard-Verbindungen aus Baustahl in Gebäuden und Brücken konzipiert.
• ASTM A490 (mindestens 150 ksi) bietet eine überlegene Tragfähigkeit für hochbelastete Anwendungen wie Erdbebensicherung und Verankerung schwerer Geräte
• ASTM A354 Grad BD und ASTM A449 erweitern die Anwendungsbereiche auf spezialisierte, zugkritische Einsatzgebiete – darunter Ankerstäbe und kundenspezifisch konstruierte Verbindungselemente – bei denen eine höhere Festigkeit und engere Maßtoleranzen erforderlich sind

Die Umgebung, in der die Ausrüstung betrieben wird, ist genauso wichtig wie alle anderen Faktoren. Für Küstengebiete benötigen wir Materialien, die korrosionsbeständig sind oder über Schutzbeschichtungen verfügen. Bei Arbeiten in extrem kalten Regionen (–50 Grad Fahrenheit und darunter) werden spezielle Stähle mit erhöhtem Nickelgehalt, wie beispielsweise 40CrNiMo, erforderlich, um die Festigkeit gegenüber Rissbildung zu bewahren. Eine kürzlich von ASTM im Jahr 2023 veröffentlichte Studie untersuchte die Ursachen für vorzeitiges Versagen von Schrauben – und was war das Ergebnis? Etwa 37 Prozent dieser Versagensfälle waren darauf zurückzuführen, dass falsche Werkstoffqualitäten ausgewählt worden waren. Die Auswahl der Spezifikationen ist daher keine rein theoretische Übung im Rahmen der Papierarbeit: Die richtige Entscheidung rettet tatsächlich Leben und verhindert Unfälle vor Ort.

Wie eine gezielte Wärmebehandlung Zähigkeit, Verformbarkeit und Ermüdungsfestigkeit optimiert

Die Wärmebehandlung ist kein abschließender Arbeitsschritt – sie ist der metallurgische Schlüsselprozess, der Rohstahl in ein zuverlässiges, ermüdungsbeständiges Verbindungselement verwandelt. Eine präzise, gesteuerte Prozessführung folgt drei wesentlichen Phasen:

1. Austenitisierung : Erhitzen auf ca. 1650 °F löst die Carbide vollständig auf und ermöglicht eine gleichmäßige Kornverfeinerung über den gesamten Querschnitt
2. Erhärten : Schnelles Abschrecken in Öl fixiert die martensitische Struktur und stellt die Kernhärte sowie das Festigkeitspotenzial sicher
3. Züchtigung : Wiedererhitzen auf ca. 800 °F reduziert innere Spannungen und optimiert das für dynamische Belastung entscheidende Verhältnis von Zähigkeit und Festigkeit

Laut einer im Jahr 2022 im Journal of Materials Engineering veröffentlichten Studie steigert dieses Behandlungsverfahren die Ermüdungsfestigkeit um rund 60 % im Vergleich zu herkömmlichen, unbehandelten Teilen. Bei größeren Schrauben mit einem Durchmesser von über einem Zoll ist die Kontrolle der Abkühlgeschwindigkeit von entscheidender Bedeutung. Ohne eine gezielte Steuerung können sich Härteunterschiede zwischen Oberfläche und Kern der Schraube ergeben, was die gesamte Struktur schwächt. Nach der Wärmebehandlung wird die Schraube auf etwa 400 Grad Fahrenheit erhitzt, um Wasserstoff zu entfernen, der während Prozesse wie Beizen oder Galvanisieren eingeschlossen wurde. Dieser Schritt verhindert die gefürchteten verzögerten Brüche, die sich später einstellen könnten. Gut angelassene Schrauben haben sich als in der Lage erwiesen, deutlich mehr als 100.000 Lastwechsel zu bewältigen, bevor sich erste Risse bilden oder sich im Metall ausbreiten.

Maximierung des Korrosionsschutzes ohne Beeinträchtigung der Schraubenintegrität

Bewertung schützender Beschichtungen: Feuerverzinkung (ASTM A153), mechanisches Veredeln (B695) und Edelstahl (F593)

Korrosionsschutz darf niemals auf Kosten der mechanischen Integrität gehen. Jedes Beschichtungssystem erfüllt spezifische Anforderungen hinsichtlich Umgebungsbedingungen und Leistungsverhalten:

• Feuerverzinkung (ASTM A153) bringt eine dicke, opferanode Zinkschicht auf, die sich ideal für atmosphärische Einwirkung eignet – jedoch bei kontinuierlicher Meerwassereintauchung rasch verbraucht wird, wodurch ihre Eignung auf oberhalb des Wasserspiegels liegende oder intermittierend benetzte Bereiche beschränkt ist
• Mechanisches Verzinken (ASTM B695) scheidet Zink bei niedrigen Temperaturen (< 65 °C) ab und eliminiert damit das Risiko einer Wasserstoffversprödung, während gleichzeitig eine gleichmäßige Beschichtung komplexer Geometrien und Schrauben mit kleinem Durchmesser gewährleistet wird
• Edelstahlschrauben (ASTM F593) – insbesondere der Güte 316 – bieten eine inhärente, wartungsfreie Korrosionsbeständigkeit in aggressiven chemischen Umgebungen oder bei vollständiger Salzwassereintauchung, allerdings mit einem Materialkosten-Aufschlag von 40–60 %

Die Auswahl richtet sich nach dem Lebenszykluskontext – nicht nur nach dem Anschaffungspreis. Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Kompromisse zusammen:

¹Basierend auf den Prüfnormen ASTM F606

Erhalt der Gewidefunktion bei gleichzeitiger Sicherstellung von Haftung und gleichmäßiger Deckung der Beschichtung

Die Schichtdicke von Beschichtungen spielt eine entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit von Montagen. Bei einer zu starken Zinkauflage durch Feuerverzinkung kann es zu Verformungen der Gewindeprofile kommen, wodurch die erforderlichen Anzugsmomente um bis zu 25 % ansteigen können. Dies erhöht Risiken wie das Verrutschen von Verbindungen oder das Brechen von Schrauben unter Belastung. Eine ordnungsgemäße Oberflächenvorbereitung – beispielsweise durch Strahlen mit abrasiven Mitteln oder chemisches Ätzen – ist zwingend erforderlich, um eine gute Haftung zu gewährleisten, ohne die Gewindeprofile zu beeinträchtigen. Salzsprühtests nach ASTM B117 zeigen, dass bei einer Mindestabdeckung von mindestens 85 % im Bereich der kritischen Gewinderoots Ausfälle im Einsatz dramatisch um rund 80 % sinken. Bei mechanischen Plattierungsverfahren ist eine präzise Steuerung der abgeschiedenen Materialmenge entscheidend, um ein Verstopfen der Gewinde zu vermeiden. Edelstahl-Verbindungselemente stellen eigene Herausforderungen dar und erfordern spezielle Anti-Seize-Schmierstoffe wie Molybdändisulfid, um bei der Montage eine korrekte Gewindeeingriffstiefe sicherzustellen.

Sicherstellung der Installationsgenauigkeit, um ein vorzeitiges Versagen hochfester Schrauben zu verhindern

Drehmoment-Zugkraft-Dynamik, Konsistenz der Schmierung und Kalibrierungsprotokolle

Wenn es darum geht, Verbindungen ordnungsgemäß zu sichern, kommt es nicht auf die Drehmomentanzeige an, sondern auf die tatsächlich erreichte Vorspannkraft. Der Zusammenhang zwischen Drehmoment und Zugkraft enthüllt eine wichtige Erkenntnis: Der größte Teil des aufgebrachten Drehmoments geht durch Reibung verloren, bevor überhaupt etwas die Verbindung festzieht. Untersuchungen zeigen, dass etwa 90 % des Drehmoments allein dafür benötigt werden, die Reibung zu überwinden. Und hier wird es schwierig: Selbst geringfügige Unterschiede bei der Schmierung an verschiedenen Bauteilen können dazu führen, dass identische Drehmomentwerte Spannungsunterschiede von etwa ±30 % erzeugen. Eine solche Inkonsistenz macht sämtliche Drehmomentspezifikationen praktisch bedeutungslos. Daher schwören viele Fachleute auf zertifizierte Anti-Seize-Produkte. Wenn diese Verbindungsstoffe gleichmäßig sowohl auf den Gewinden als auch in den Kontaktflächen verteilt werden, schaffen sie konstante Reibungsverhältnisse. Dadurch lassen sich vorhersehbare Vorspannwerte einhalten – statt sich ausschließlich auf Drehmomentmessungen zu verlassen, die so irreführend sein können.

Eine ordnungsgemäße Kalibrierung von Drehmomentschlüsseln ist gemäß NIST-rückverfolgbaren Standards unerlässlich. Bei diesen Kalibrierungen müssen sowohl Temperaturschwankungen als auch die Häufigkeit der Werkzeugnutzung berücksichtigt werden. Werkzeuge, die nicht korrekt kalibriert sind, können bereits innerhalb weniger Monate eine Genauigkeitsabweichung von 5 bis 15 Prozent aufweisen. Feldforschung zeigt tatsächlich, dass bei Einhaltung der vorgeschriebenen Kalibrierverfahren die Zahl der Montagefehler um nahezu 80 Prozent gesenkt wird. Kombiniert man dies mit einer sorgfältigen Dokumentation der Schmierpraktiken, ergibt sich ein kohärentes Gesamtbild: Schrauben erreichen ihre vorgesehene Vorspannkraft, ohne den Bruchpunkt zu überschreiten. Dies führt insgesamt zu stabileren Verbindungen und einer besseren Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschleiß und Ermüdung im Laufe der Zeit in mechanischen Baugruppen.

Schutz hochfester Schrauben während Handhabung, Lagerung und Vorinstallation

Begrenzung realer Verschlechterung: Feuchtigkeit, Chloride, Temperaturschwankungen und Oberflächenschäden

Der Degradationsprozess beginnt tatsächlich bereits lange, bevor irgendwelche Komponenten vor Ort installiert werden. Nehmen Sie beispielsweise die hochfesten Schrauben, die bei Bauprojekten entlang unserer Küstenlinien eingesetzt werden: Wenn sie ungeschützt salzhaltiger Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt bleiben, zeigen diese Schrauben bereits wenige Stunden nach der Herstellung erste Anzeichen von Oberflächenkorrosion. Besonders besorgniserregend ist, dass diese frühe Korrosionsstufe ihre Zugfestigkeit bereits um rund 30 Prozent verringern kann – noch bevor sie überhaupt angezogen wurden. Das Problem verschärft sich weiter durch chloridinduzierte Lochkorrosion, die sich im Verlauf der Zeit schleichend einstellt. Eine fachgerechte Lagerung wird hierzu absolut entscheidend. Diese Materialien müssen in kontrollierten Umgebungen gelagert werden, in denen die relative Luftfeuchtigkeit unter 40 % bleibt; zudem sind Dampfsperrfolien und Trockenmittelbeutel erforderlich, um überschüssige Feuchtigkeit zu absorbieren. Auch Temperaturschwankungen spielen eine Rolle: Sobald die Tages-Temperaturdifferenz mehr als 50 Grad Fahrenheit beträgt, belastet dies Gewindeverbindungen erheblich durch thermische Ermüdung. Eine isolierte Verpackung hilft dabei, diese Belastung während Transport und Lagerung zu reduzieren. Für Außenanwendungen sollten herkömmliche Kunststoffabdeckungen gänzlich vermieden werden. Stattdessen empfehlen sich UV-beständige Planen, die eine Luftzirkulation zulassen, aber gleichzeitig Wasser abhalten. Diese atmungsaktiven Lösungen verhindern die Bildung von Kondenswasser im Inneren und ermöglichen es zugleich, eingeschlossene Feuchtigkeit auf natürliche Weise zu entweichen – ohne die darunterliegenden Materialien zu beschädigen.

Die Art und Weise, wie wir mit diesen Komponenten umgehen, ist genauso wichtig wie alles andere. Wenn gepolsterte Hebeausrüstung verwendet wird, hilft dies, kleinere Kerben und Kratzer zu vermeiden, die später zu einer Vielzahl von Problemen führen können – darunter Korrosion und Spannungsrissbildung. Jeder Bolzen, der aus einer Höhe von mehr als drei Fuß (ca. 0,91 m) herabgefallen ist, muss vor seiner erneuten Inbetriebnahme mittels Magnetpulverprüfung untersucht werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits kleine Stöße mikroskopisch kleine Risse erzeugen, die unter kontrollierten Prüfbedingungen die Ermüdungslebensdauer von Bolzen nahezu halbieren. Dabei handelt es sich keineswegs nur um bürokratische Vorschriften: Sie dienen tatsächlich dem Schutz vor einem ernsthaften Risiko – laut dem Bericht der National Association of Corrosion Engineers aus dem Jahr 2023 belaufen sich die weltweiten Kosten für Korrosionsschäden jährlich auf rund 740 Milliarden US-Dollar. Ein fachgerechter Umgang stellt sicher, dass Bolzen genau so lange halten, wie sie konstruktionsbedingt ausgelegt sind.