SFS: Rostfreie Schrauben sachgerecht nutzen Gegen Korrosion bestän­dige Verbindungselemente

Autor / Redakteur: Ing. Konstantin Matt, M.Sc. / Konrad Mücke

Beim Einsatz von Verbindungselementen, Schrauben, Bolzen, Muttern, Scheiben, aus nichtrostenden Stählen sind unterschiedliche Festigkeiten, chemische Beständigkeiten, magnetische Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit zu berücksichtigen.

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Wegen eines ungeeigneten Schmiermittels kaltverschweisste Schraube aus rostfreiem Stahl der Sorte A4, Festigkeitsklasse 70, kombiniert mit Sicherungsmutter aus austenitischem Stahl der Sorte A2, Festigkeitsklasse 70, mit Einsatz aus Polyamid.
Wegen eines ungeeigneten Schmiermittels kaltverschweisste Schraube aus rostfreiem Stahl der Sorte A4, Festigkeitsklasse 70, kombiniert mit Sicherungsmutter aus austenitischem Stahl der Sorte A2, Festigkeitsklasse 70, mit Einsatz aus Polyamid.
(Bild: SFS AG)

Nichtrostende Stähle sind nach DIN EN 10088-1 als Legierungen des Eisens mit mindestens 10,5 Prozent Chrom und höchstens 1,2 Prozent Kohlenstoff definiert. Höhere Chromgehalte und weitere Legierungsbestandteile, wie Nickel und Molybdän, führen zu einer noch besseren Korrosionsbeständigkeit. Durch das Zulegieren weiterer chemischer Elemente werden neben der Korrosionsbeständigkeit auch andere Eigenschaften positiv beeinflusst. Niob und Titan verbessern die Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, Stickstoff erhöht die Festigkeit und Schwefel führt zu einer besseren Zerspanbarkeit.

Festigkeitsklassen

Nichtrostende Stähle teilt man entweder nach deren Gebrauchseigenschaften in die drei Gruppen korrosionsbeständige Stähle, hitzebeständige Stähle und warmfeste Stähle oder nach dem Gefüge in die vier Gruppen ferritische, martensitische, austenitische sowie austenitisch-ferritische Stähle ein. Letztere werden auch als Duplex-Stähle bezeichnet.

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Die einzelnen Gefügegruppen werden in Abhängigkeit von der Art des Verbindungselements, wie Schraube, Mutter, Stift, wiederum unterteilt in Sorten mit definierten Festigkeitsklassen. Dabei gibt die Zahl unter der jeweiligen Sorte immer ein Zehntel der Mindestzugfestigkeit des Verbindungselements an. Somit hat eine Schraube der Festigkeitsklasse 70 eine Mindestzugfestigkeit von 700 N/mm2.

Ferritische Stähle

Aus ferritischen Stählen nach DIN EN 10088-1 fertigt man neben Verbindungselementen auch ein breites Spektrum an Bauteilen. Diese Stähle zählen zu den sogenannten weichmagnetischen Werkstoffen. Sie lassen sich leicht magnetisieren. Daher finden sie vor allem in der Elektroindustrie ein breites Einsatzspektrum. In der Norm DIN EN 60404-1 – Magnetische Werkstoffe – sind rostfreie ferritische Stähle gelistet. Die Glühtemperatur liegt zwischen 750 °C und 950 °C – bei höheren Temperaturen, beispielsweise dem Schweissen, kann sich Austenit bilden, der sich beim Abkühlen in Martensit umwandelt und durch Grobkornbildung eine Versprödung verursachen kann. Daher weisen ferritische Stähle nur eine mässige Schweisseignung auf. Stabilisieren des Kohlenstoffs und des Stickstoffs durch Zulegieren von Titan, Niob oder Zirkon kann die Versprödung in den Wärmeeinflusszonen vermindern. Schrauben nach ISO 3506-1 werden in den Festigkeitsklassen 45 und 60 hergestellt, wobei die vorgeschriebene Mindestzugfestigkeit bei der Festigkeitsklasse 60 durch Kaltverfestigung erreicht wird. Die aktuelle Norm DIN EN ISO 10088-1 listet 28 Werkstoffnummern. Zu den Standardgüten zählen die Werkstoffe 1.4016, 1.4113, 1.4510, 1.4511 und 1.4521.

Martensitische Stähle

Martensitische Stähle nach DIN EN 10088-1 erreichen durch Härten eine ausgezeichnete Festigkeit. Je nach Wärmebehandlung können sie weich- oder hartmagnetisch sein. Die martensitische Struktur behindert eher die Magnetisierung und die Entmagnetisierung. Die meisten martensitischen Stähle haben hartmagnetische Eigenschaften. Mit einem Kohlenstoffanteil von maximal 0,06 Prozent sowie 3 bis 6 Prozent Nickel werden sie als «martensitisch-austenitisch» oder «nickelmartensitisch» bezeichnet. Diese Sorten lassen sich gut schweis­sen im Vergleich zu Sorten mit mehr als 0,2% Kohlenstoff, die nur sehr schwierig zu schweissen sind. Zu den «martensitisch-austenitischen» Sorten zählen die Werkstoffnummern 1.4313 und 1.4418. Sorten mit hohem Ferrit-Anteil werden als «halbferritisch» oder «martensitisch-ferritisch» bezeichnet. Beispiele sind die Stähle der Werkstoff-Nummern 1.4005 und 1.4006. «Supermartensitische» Stähle, wie Werkstoff-Nummer 1.4415, haben eine hohe Festigkeit, hohe Kerbschlagzähigkeit sowie eine gute Schweisseignung.

Austenitische Stähle

Austenitische Stähle nach DIN EN 10088-1 werden in der Verbindungstechnik am häufigsten genutzt. Stahlsorten dieser Gruppe sind sehr zäh über einen weiten Temperaturbereich, von tiefen Temperaturen bis hin zur Warmstreckgrenze. Sie zeigen kein Sprödbruchverhalten und erreichen durch Kaltumformen hohe Festigkeitswerte. Austenitische Stähle können nicht wärmebehandelt werden. Sie erreichen ihre Festigkeit ausschliesslich durch Kaltverfestigung und sind in der Regel gut schweissbar. Die Sorten A2 und A4 eignen sich für nahezu sämtliche Anwendungen in der Befestigungstechnik. Die Sorte A2 wird häufig als Chrom-Nickel-Stahl bezeichnet und ist für Innenanwendungen sowie Landklima geeignet. Sie ist nicht säurebeständig. Typische Beispiele sind die Stähle der Werkstoff-Nummern 1.4301, 1.4303, 1.4306, 1.4310 sowie 1.4567. Die Sorte A4 beschreibt Chrom-Nickel-Stähle mit Molybdänzusatz. Diese sind säurebeständig und für den Einsatz im Industrie- und Küstenklima geeignet. Übliche Stähle sind die Werkstoff-Nummern 1.4401, 1.4429, 1.4435 und 1.4436.

Prinzipiell sind austenitische Stähle nicht magnetisch. Kleine Anteile an Deltaferrit, durch den sie sich besser giessen und schweissen lassen, tragen zu einem ferromagnetischen Verhalten bei. Bei Verbindungselementen entsteht durch die Umformung Martensit, auch Verformungsmartensit genannt, welcher ebenfalls zu einem magnetischen Verhalten führt. Es ist somit nicht zweckmässig, zum Beispiel im Wareneingang, auf Magnetismus zu prüfen. Zahlreiche durch SFS durchgeführte Spektralanalysen bei unterschiedlichen Schrauben, Scheiben und Schweissbolzen haben gezeigt, dass die chemische Zusammensetzung den Normvorgaben entspricht, obwohl sich die geprüften Verbindungselemente magnetisch verhielten. Somit ist es an der Zeit, dass hier bei den verantwortlichen Qualitätsprüfern ein Umdenken stattfindet. Eine Prüfung, ob magnetisch oder nicht, gibt nicht Aufschluss darüber, ob es sich um einen nichtrostenden Stahl der Sorte A2 oder A4 handelt.

Duplex-Stähle

Austenitisch-ferritische Stähle nach DIN EN 10088-1, auch Duplex-Stähle genannt, bestehen aus einem zweiphasigen Gefüge mit 30 bis 50 Prozent Ferritanteil. Sie sind deutlich fester als austenitische Stähle und zudem auch ausgezeichnet korrosionsbeständig gegen nahezu alle Medien. Duplex-Stähle sind gut magnetisierbar und hoch beständig gegen Spannungsrisskorrosion. Aktuell sind am Markt noch nicht alle Verbindungselemente in allen Festigkeitsklassen erhältlich – auch wenn die Norm bereits Angaben dazu macht. Typische Duplex-Stähle sind die Werkstoff-Nummern 1.4462 sowie 1.4362. Duplex- Stähle dürfen nicht mit Dualphasenstählen nach der Norm DIN EN 10346 verwechselt werden.

Chlorinduzierte Spannungsrisskorrosion

Beim Einsatz rostfreier Stähle in Hallen- und Freibädern besteht die Gefahr einer chlorinduzierten Spannungsrisskorrosion. Bei der Werkstoffauswahl gilt es zu beachten, ob es sich um den durch Nasskorrosion beanspruchten Beckenbereich oder den durch atmosphärische Korrosion beanspruchten Bauwerksbereich ausserhalb des Beckenwassers handelt. Zudem ist für die geeignete Werkstoffwahl entscheidend, ob es sich um tragende oder nicht tragende Bauteile handelt und ob diese regelmässig gereinigt werden. Die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung für Erzeugnisse, Verbindungsmittel und Bauteile aus nichtrostenden Stählen sowie die Informationsstelle Edelstahl Rostfrei geben dazu klare Vorgaben.

So ist in Hallenbädern mit hohem Korrosionspotenzial durch Chloride infolge von Trocknungs- und Verdunstungsprozessen speziell auf eine mögliche chlorinduzierte Spannungsrisskorrosion von Befestigern sowie Bauteilen selbst zu achten. Für tragende Bauteile ohne regelmässige Reinigung sind hierbei nur die austenitischen Stähle der Werkstoff-Nummern 1.4565, 1.4529 und 1.4567 zugelassen. Für durch Nasskorrosion beanspruchte Beckenauskleidungen werden Stähle der Sorte A2, zum Beispiel Werkstoff-Nummern 1.4301, 1.4307 und 1.4541, sowie auch Stähle der Gruppe A4, Werkstoff-Nummern 1.4401, 1.4404 und 1.4571, eingesetzt.

Montage nichtrostender Verbindungselemente

Aufgrund zunehmender Forderungen hinsichtlich der Wartung und Instandhaltung von Schraubenverbindungen erlangen die Montagesicherheit (Erreichen einer definierten Vorspannkraft) sowie die Wiederlösbarkeit eine immer grössere Bedeutung. Bei der Montage rostfreier Verbindungselemente mit metrischen Gewinden kommt es häufig zur sogenannten Kaltverschweissung (umgangssprachlich auch als «Festfressen» bezeichnet). Hat sie einmal stattgefunden, ist die Verbindung zerstörungsfrei ohne Gewindebeschädigung nicht mehr zu lösen.

Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, gilt als wirkungsvollste Massnahme der Einsatz geeigneter Schmiermittel. Dabei gilt es zu beachten, dass sich Schraubenpasten in ihren Eigenschaften deutlich unterscheiden. Es gibt beispielsweise Montagepasten, die nur das Reibwertfenster eingrenzen, jedoch nicht gegen Kaltverschweissung wirken. Zudem ist es bezüglich Wärmeentwicklung während der Montage sehr hilfreich, hohe Umdrehungszahlen zu vermeiden, also nicht mit Akkuschraubern oder Schlagschraubern zu montieren. Fertig bewachste Elemente eignen sich nur für eine einmalige Montage, während beim Einsatz von Montagepaste oder bestimmten tribotechnischen Beschichtungen ein wiederholtes Anziehen und Lösen bei gleichbleibendem Reibwert und ohne Kaltverschweissung möglich ist. Die Kombination unterschiedlicher Werkstoffe, beispielsweise Schrauben der Sorte A2 mit Muttern der Sorte A4, ist weitaus weniger effektiv als ein geeignetes Schmiermittel. Kritisch zu bewerten sind Muttern mit Klemmteil (mit metallischem sowie nichtmetallischem Einsatz) sowie Ganzmetall-Sicherungsmuttern.

Mechanische Schraubensicherungen aus nichtrostenden Stählen

Federnde Sicherungselemente wie Spannscheiben und Tellerfedern aus austenitischen Werkstoffen, wie den Sorten A2 und A4, weisen eine viel niedrigere Federkraft auf als entsprechende Elemente aus Federstahl. Bei voller Vorspannung von Schrauben der Festigkeitsklasse 70 und 80 werden diese mitverspannten Elemente flach gedrückt und bleiben auch nach dem Lösen flach und somit praktisch wirkungslos. Die Normung trägt diesem Umstand Rechnung, indem Federkräfte für Tellerfedern nach DIN 2093 (neu EN 16983 und EN 16984) nur für Stähle der Reihe EN 10083 und EN 10089 gelten, jedoch nicht für nichtrostende Stähle nach EN 10151. Auch Federkräfte, die in der Norm DIN 267-26 für Spannscheiben angegeben werden, gelten nur bei Verwendung von Federstahl.

Beispielsweise erreicht eine Spannscheibe nach Norm SN 212745 aus rostfreiem Stahl der Sorte A2 für die Schraubendimension M20 auf Block belastet etwa 8000 N Spannkraft. Die Schraube M20 der Festigkeitsklasse 70 erzeugt nach VDI 2230 bei einem mittleren Reibwert von 0,20 eine Montagevorspannkraft von 72 000 N. Das zeigt, dass die Spannscheibe erst dann eine Federwirkung aufbringt, wenn bereits etwa 90 Prozent der Vorspannkraft verloren gegangen sind. Bei diesem hohen Verlust an Vorspannkraft kann die Schraubenverbindung ihre Funktion hinsichtlich Aufnahme der Betriebskraft sowie Aufrechterhaltung des Reibschlusses in den Trennfugen bei Querbelastung nicht mehr erfüllen.

Federnde Sicherungselemente aus austenitischen Werkstoffen sollen daher nur für nicht voll vorgespannte Schraubenverbindungen und ausschliesslich bei statischer Beanspruchung eingesetzt werden.

Einsatztemperaturen nichtrostender Stähle

Für Schrauben nach DIN EN ISO 3506-1 wird abhängig von der Gefüge-Gruppe eine 0,2%-Dehngrenze bis zu etwa 400 °C Temperatur angegeben. So beträgt die 0,2%-Dehngrenze von Stählen der Sorte A2 und A4 bei +400 °C immer noch 70 Prozent im Vergleich zum Einsatz bei Raumtemperatur. In kalter Umgebung können austenitische Stähle bis –196 °C eingesetzt werden, Duplexstähle bis –40 °C. Allerdings handelt es sich bei diesen Angaben ausschliesslich um Richtwerte. Bei solch extremen Temperaturen können signifikante Abweichungen entstehen. Im Zweifelsfall ist es ratsam, einen erfahrenen Metallurgen hinzuzuziehen.

Korrosion bei unterschiedlichen Werkstoffen

Unterschiedliche Forderungen an die Eigenschaften von Komponenten und Bauteilen in übergeordneten Konstruktionen erfordern häufig die Kombination unterschiedlicher metallischer Werkstoffe. Diese sogenannte Mischbauweise kann unter bestimmten Bedingungen zu Korrosion führen. Kommt es durch eine ungünstige Kombination von Werkstoffen zu Korrosion, spricht man von Kontaktkorrosion oder Bimetallkorrosion. Dabei erleidet der unedlere Werkstoff höhere Abtragraten und es kommt zu frühzeitigen Korrosionsschäden am Verbindungselement selbst sowie an der Gesamtkonstruktion.

Für das Auftreten von Bimetallkorrosion sind neben dem unterschiedlichen Spannungspotenzial der Metalle auch eine elektronenleitende Ver­bindung sowie ein leitfähiger Feuchtigkeitsfilm (Elektro­lyt) notwendig. Nur wenn diese drei Voraussetzungen erfüllt sind, kann Bimetallkorrosion überhaupt auftreten. Will man Kontaktkorrosion ver­meiden, so sind Metalle mit gleichem Spannungspotenzial zu wählen, Isolatoren dazwischenzuschalten sowie Feuchtigkeit zu vermeiden.

Einen wesentlichen Einfluss hat auch das Flächenverhältnis der Bauteile. So eignen sich korrosionsbeständige Schrauben beispielsweise sehr gut, um verzinkte Bauteile oder solche aus Aluminium zu verbinden. Dagegen sind Schrauben und Bolzen aus Kohlenstoffstahl, Guss oder verzinktem Stahl völlig ungeeignet, um Bauteile (Bleche und Ähnliches) aus korrosionsbeständigem Stahl zu verbinden. Beim Kombinieren beispielsweise einer ver­zinkten Schraube mit einem flächigen Bauteil (Blech) aus korrosionsbeständigem Stahl entsteht Bimetallkorrosion. Diese Kombination ist also «schlecht». Dagegen sind rostfreie Verbindungselemente, wie Schrauben, Scheiben und Muttern, mit allen Werkstoffen kombinierbar, ohne dass Kontaktkorrosion auftritt. Die tatsächliche Gefährdung einer Konstruktion in Mischbauweise bezüglich Kontaktkorrosion hängt jedoch von zahlreichen Faktoren ab. Pauschal kann man die Verträglichkeit unterschiedlicher Werkstoffkombinationen nicht beurteilen. Die Tabelle zur Kompatibilität von Verbindungselementen ist lediglich als Empfehlung bei idealen Einsatzbedingungen zu betrachten.

Zunehmende Anwendungsgebiete

Verbindungselemente aus nichtrostenden Stählen werden künftig an Bedeutung gewinnen. Ihre Vorteile bezüglich Korrosionsbeständigkeit, Lebensmitteltauglichkeit, Anwendbarkeit im Hygienebereich sowie bei der Optik sind im Vergleich zu beispielsweise verzinkten Verbindungselementen unbestritten. Zudem können mit der Festigkeitsklasse 100 nun auch hoch belastete Verbindungen realisiert werden. Dadurch wird der Einsatzbereich von Verbindungselementen nach der Norm DIN EN ISO 3506 nochmals erweitert. SMM

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