Verbindungselemente Kolsterisierte Edelstahl-Verbindungselemente halten länger sicher

Autor / Redakteur: Simon Schlei / Peter Königsreuther

Das Unternehmen Bodycote Specialist Technologies berichtet, dass man Schraubverbindungen aus Edelstahl durch gewisse Oberflächenoptimierungen vor dem Festfressen bewahren kann. Und so geht's...

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Die Flanke der unbehandelten S1-Schraube (links) zeigt adhäsiven Verschleiß und ein mögliches Kaltverschweißen nach einem Anzugsmoment von 73 Nm. Mit einem solchen Grad des Verschleißes wird sie die gewünschte Klemmkraft bei einem vorgegebenen Drehmoment nicht erreichen. Die kolsterisierte Gewindeflanke daneben zeigt nach mehrmaliger Installation mit 2,5-fach höherem Drehmoment (183 Nm) noch eine glatte und unveränderte Oberfläche.
Die Flanke der unbehandelten S1-Schraube (links) zeigt adhäsiven Verschleiß und ein mögliches Kaltverschweißen nach einem Anzugsmoment von 73 Nm. Mit einem solchen Grad des Verschleißes wird sie die gewünschte Klemmkraft bei einem vorgegebenen Drehmoment nicht erreichen. Die kolsterisierte Gewindeflanke daneben zeigt nach mehrmaliger Installation mit 2,5-fach höherem Drehmoment (183 Nm) noch eine glatte und unveränderte Oberfläche.
(Bild: Bodycote)

Um das Thema zu verdeutlichen, betrachtet dieser Beitrag beispielhaft die Schraubverbindung. Die Auslegung derselben kann in Anbetracht der großen Anzahl an Faktoren, die zu einer sicheren und zuverlässigen Verbindung führen, eine Herausforderung für Entwickler und Anwender sein. So kann sich beispielsweise durch Oberflächenverschleiß und frühzeitiges Verkeilen, keine ausreichende Vorspannkraft für eine dauerhafte Verbindung einstellen lassen. Speziell bei Verbindungselementen aus austenitischem Edelstahl, die zum Kaltverschweißen oder „Fressen“ neigen, spielt dieser Punkt eine wichtige Rolle [1].

Mit Kohlenstoff und Stickstoff wird Edelstahl „abgehärtet“

Doch Bodycote bietet mit der S³P-Technologie und dem Kolsterisieren (eingetragenes Warenzeichen!) wirksame Abhilfe, um Eigenschaftsschwankungen von Schraubverbindungen aus Edelstahl zu reduzieren. Das Funktionsprinzip dieser Verfahren beruht auf der Niedertemperaturdiffusion von Kohlenstoff und/oder Stickstoff in die äußerste Randschicht des Werkstücks. Das führt zu einer Verspannung des Grundmaterials. Dabei entstehen hohe Druckspannungen, die die Oberflächenhärte auf über 800 HV0,05 ansteigen lassen.

Das graduelle Profil des Kohlenstoffgehaltes und die damit korrelierende Härte gewährleistet aber weiterhin ein duktiles Verhalten, ohne Versprödung (Bild 2). Im Gegensatz zu einer durch einen Beschichtungsprozess aufgebrachten Verschleißschutzschicht ist diese diffusionsbasierte Randschicht ein Bestandteil des Grundmaterials. Die Gefahr der Rissbildung, des Abplatzens oder der Delamination wird so vollständig eliminiert. Änderungen der Form und somit Funktion eines Bauteils müssen nicht berücksichtigt werden, weil sich die Abmaße beim Kolsterisieren nicht verändern. Vorgegebene Toleranzen bleiben unverändert.

Ideale Eigenschaftskombination für Verbindungssysteme

Die niedrigen Prozesstemperaturen beim Kolsterisieren (<500 °C) verhindert, dass Karbide entstehen, welche infolge einer Sensibilisierung den Widerstand gegen Korrosion, sowie die mechanische Festigkeit negativ beeinflussen würden. So ergibt sich für Schraubelemente eine ideale Eigenschaftskombination aus hoher Verschleißfestigkeit – zum Beispiel gegen Kaltverschweißen – unveränderter Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Festigkeit.

Für die Verbindungstechnik, in der hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Kontinuität der einzelnen Komponenten gestellt wird, bietet das Kolsterisieren eine langfristig sichere und womöglich auch neue Chance zur Auslegung von Edelstahl-Schraubverbindungen.

Einen wichtigen Faktor für die Auslegung von Schraubverbindungen stellt die Vorspannkraft in Kombination mit dem Reibungskoeffizienten dar [2]. Ist der Reibungskoeffizient zu groß, geht ein großer Anteil der Vorspannkraft bereits aufgrund der Reibung und Adhäsion zwischen Gewinde und Gegenpart verloren – die Oberfläche verschleißt. Eine Möglichkeit, um das Phänomen an Gewindeflanken zu vermhindern, besteht im Kolsterisieren, weil es die Oberflächenhärte deutlich erhöht und damit zu einem konstanten Klemmverhalten von Schraubverbindungen beiträgt.

Um die Zuverlässigkeit von kolsterisierten Schraubverbindungen zu prüfen, wurden unbehandelte und kolsterisierte Schrauben mit unterschiedlichen Anzugsmomenten hundert trockenen Installationszyklen unterzogen. Danach wurden sie optisch hinsichtlich ihrer Verschleißerscheinungen untersucht. Eine Auflistung der Versuchsparameter und Ergebnisse ist der Tabelle in der Bildergalerie zu entnehmen. Die verwendeten Sechskantschrauben (Außendurchmesser: 1/2"-13) und dazugehörigen Muttern aus V4A-Qualität (ASTM F593G) weisen ein empfohlenes Drehmoment unter Trockeninstallation von 73 Nm auf.

Die Tabelle macht deutlich, dass die unbehandelten Schraubverbindungen (S1 bis S5) bereits mit geringem Drehmoment Verschleiß zeigten. Bei einem Drehmoment von 147 Nm setzte sich die Schraubverbindung durch Kaltverschweißen fest. Diese Verbindung konnte dann nicht mehr gelöst werden. Die durch das Kolsterisieren oberflächengehärteten Schrauben (S6 bis S8) hingegen wiesen selbst bei einem Anzugsmoment von 183 Nm, was 100 % der Streckgrenze (min. ≈448 MPa) entspricht, keine oder nur marginale Schäden am Gewinde auf. Diese Schraubverbindungen konnten problemlos gelöst und wieder montiert werden.

Im Bild 4 sind SEM-Aufnahmen der Gewindeflankenoberflächen einer unbehandelten (S1) und kolsterisierten (S8) Schraube nach mehrfacher Installation dargestellt. Es ist erkennbar, dass die unbehandelte Schraube (S1) einen deutlich adhäsiven Verschleiß auf der Gewindeflanke aufweist, wohingegen die kolsterisierte Schraube (S8) keine Veränderung der Oberflächenstruktur zeigt. Ergänzend sei gesagt, dass in dieser Versuchsreihe nur die Schrauben kolsterisiert worden sind und der Gegenpart der Schraubenverbindung unbehandelt blieb. Dies zeigt, dass sich eine erhebliche Verbesserung des Verschleißverhaltens einstellt, auch wenn nur ein Verbindungselement kolsterisiert ist.

Fazit:

Das Kolsterisieren stellt somit ein geeignetes Verfahren dar, um eine sichere Klemmverbindung zu generieren. Zusätzlich können höhere Anzugsmomente gewählt oder kleinere Schraubverbindungen zur Erfüllung von Verbindungsaufgaben genutzt werden, ohne dass Verschleiß auftritt.

Literatur

[1] Nutek, Inc. (2014), Design and Behavior of Bolted Joints, Bloomfield Hills, MI, USA.

[2] https://www.konstruktionspraxis.vogel.de/die-richtige-schraubensicherung-waehlen-a-378848/

(ID:46650902)