Wie wählt man hochfeste Schrauben für hochbelastete Umgebungen aus?

Was macht eine Schraube zu einer ‚hochfesten‘ Schraube? Festigkeitsklassen, Normen und die Schwelle von 800 MPa

Entschlüsselung der Festigkeitsklassen hochfester Schrauben (8.8, 10.9, 12.9) und ihrer minimalen Zugfestigkeiten

Schrauben werden als hochfeste Schrauben klassifiziert, sobald sie jene magische Marke von 800 MPa für die minimale Zugfestigkeit erreichen – ein Wert, den die meisten Ingenieure weltweit als zuverlässig genug für anspruchsvolle Konstruktionsaufgaben betrachten. Gemäß der ISO 898-1-Norm weisen diese metrischen Schrauben einen speziellen zweistelligen Kennbuchstaben auf. Multiplizieren Sie die erste Ziffer mit 100, um die Zugfestigkeit in MPa zu ermitteln. Die zweite Ziffer multiplizieren Sie mit zehn – das Ergebnis gibt das Verhältnis der Streckgrenze zur Zugfestigkeit in Prozent an. Klingt logisch? Eigentlich erst dann, wenn man dies in konkreten technischen Datenblättern sieht!

• Stufe 8.8 : Zugfestigkeit 800 MPa, Streckgrenze 640 MPa (Verhältnis 80 %); geeignet für allgemeine Konstruktionsanwendungen wie Gebäudegerüste und Maschinenfundamente.
• Werkstoffklasse 10.9 : Zugfestigkeit 1040 MPa, Streckgrenze 940 MPa (Verhältnis 90 %); erreicht durch legierte Stähle wie Chrom-Molybdän-Stahl und eingesetzt bei hochbelasteten Verbindungen wie Kranauslegern oder Rotormontagen.
• Werkstoffklasse 12.9 : 1200 MPa Zugfestigkeit, 1100 MPa Streckgrenze (90 % Verhältnis); hergestellt durch präzises Abschrecken und Anlassen von kohlenstoffreichen legierten Stählen, vorbehalten für extrem beanspruchte Anwendungen wie Bergbau-Förderanlagen und Luftfahrt-Subbaugruppen.

Die Auswahl hängt vom Lasttyp, Sicherheitsmargen und Einsatzumgebung ab – nicht nur von der Festigkeit. Eine übermäßige Spezifizierung höherer Festigkeitsklassen ohne entsprechende Begründung im Konstruktionsdesign kann die Sprödigkeit und das Risiko von Wasserstoffversprödung erhöhen.

Wichtige internationale Normen für hochfeste Schrauben: ISO 898-1, ASTM A325/A490 und ASTM A354

Globale Interoperabilität und Sicherheit hängen von harmonisierten Normen ab, die Zusammensetzung des Materials, mechanische Leistung und Rückverfolgbarkeit regeln. ISO 898-1 ist die maßgebliche Norm für metrische hochfeste Schrauben und legt chemische Grenzwerte, Wärmebehandlungsanforderungen und obligatorische Prüfungen fest – einschließlich Zug-, Härte- und Dauerhaltbarkeitsprüfungen.

In Nordamerika stimmen die ASTM-Normen weitgehend mit den ISO-Klassen überein, spiegeln jedoch veraltete Bezeichnungen und anwendungsspezifische Kriterien wider:

• Astm a325 : Strukturschrauben, die der ISO-Klasse 8.8 (mindestens 827 MPa Zugfestigkeit) entsprechen und weit verbreitet in Stahlgerüstbauten und Brücken eingesetzt werden.
• ASTM A490 : Hochfeste Strukturschrauben entsprechend der ISO-Klasse 10.9 (mindestens 1035 MPa Zugfestigkeit), die für kritische Verbindungen in erdbebengefährdeten Zonen oder schwerindustriellen Bauwerken vorgeschrieben sind.
• ASTM A354 : Abschreck- und anlaßgehärtete Schrauben aus legiertem Stahl in den Klassen BC (entspricht 10.9) und BD (entspricht 12.9), konzipiert für Anwendungen mit besonders hoher Ermüdungsfestigkeit und thermischer Stabilität bei erhöhten Temperaturen.

Alle drei ASTM-Normen verlangen Kennzeichnungen am Schraubenkopf zur vollständigen Materialrückverfolgbarkeit – um eine lückenlose Verantwortlichkeit vom Walzwerk bis zur Montage zu gewährleisten – und verbieten Ersatzlieferungen ohne vorherige ingenieurmäßige Genehmigung.

Materialauswahl für hochfeste Schrauben unter extremen mechanischen und Umgebungsbedingungen

Legierte Stähle (42CrMo, B7, 40CrNiMo): Optimierung von Streckgrenze, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit

Wenn es um Schrauben mit echter Festigkeit geht, sind legierte Stähle im Grunde das, was sie so leistungsfähig macht, sobald Kosten nicht die entscheidende Rolle spielen. Nehmen wir beispielsweise Chrom-Molybdän-Legierungen, insbesondere den unter ISO-Normen als Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9 geführten Werkstoff 42CrMo. Diese Materialien erreichen nach einer geeigneten Wärmebehandlung – bestehend aus einer sorgfältigen Abschreckung gefolgt von einer Temperung – Zugfestigkeiten von über 1.040 MPa. Praktisch bedeutet dies, dass wir Schrauben erhalten, die ein gutes Gleichgewicht zwischen ausreichender Festigkeit und geringer Sprödigkeit aufweisen und zudem widerstandsfähig gegenüber wiederholten Belastungszyklen sind. Diese Kombination eignet sich hervorragend für Anwendungen, bei denen Teile ständig gegeneinander bewegt werden – etwa in schweren Maschinen wie Baggerarmen oder innerhalb der komplexen Getriebesysteme moderner Windenergieanlagen.

ASTM A193 B7, das Chrom-Molybdän enthält, behält auch bei Temperaturen von etwa 450 Grad Celsius eine gute Festigkeit. Daher wird es häufig für Kessel-Flansche und Dampfleitungen in Kohlekraftwerken verwendet. Wenn es wirklich kalt wird, unter minus 50 Grad Celsius, greifen Ingenieure stattdessen auf 40CrNiMo-Legierungen zurück. Der Nickelgehalt hilft, die Kornstruktur zu verfeinern, sodass diese Werkstoffe zäh genug bleiben, um Stößen standzuhalten, ohne plötzlich zu brechen. Dies ist besonders wichtig für Flüssiggastanks mit Erdgas und deren Transportsysteme. Die Zugabe geringer Mengen Vanadium während der Verarbeitung führt dazu, dass die Austenitkörner bei Wärmebehandlungen kleiner werden. Diese einfache Maßnahme verhindert Rissbildung und erhöht die Lebensdauer von Bauteilen unter wiederholten Belastungen, was insbesondere für Tragstrukturen von Offshore-Windkraftanlagen auf dem Meeresboden von großer Bedeutung ist.

Edelstähle und Sonderlegierungen für korrosive oder kryogene Hochbelastungsanwendungen

Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle reichen einfach nicht mehr aus, wenn Korrosionsprobleme oder extrem hohe bzw. niedrige Temperaturen auftreten. Hier kommen spezialisierte Werkstoffe ins Spiel, die sowohl die erforderliche Festigkeit als auch die Beständigkeit gegenüber anspruchsvollen Umgebungsbedingungen vereinen. Nehmen wir beispielsweise austenitische Edelstähle – Typen wie A2-304 und A4-316 gemäß der Norm ISO 3506. Diese weisen in den meisten Fällen eine recht gute Korrosionsbeständigkeit auf. Allerdings gibt es einen Haken: Bei etwa 400 Grad Celsius verlieren diese Stähle bereits über die Hälfte ihrer Festigkeit im Vergleich zu ihren Werten bei Raumtemperatur. Praktisch gesehen eignen sich diese Werkstoffe daher am besten für normale Betriebsbedingungen oder allenfalls leicht erhöhte Temperaturen, jedoch nicht für Hochtemperaturanwendungen.

Für anspruchsvollere Einsatzbedingungen:

• Duplex-Roststähle (z. B. UNS S32205/S32304) kombinieren 22–25 % Chrom mit 4–6 % Nickel und Stickstoff, um eine Streckgrenze von ca. 550 MPa sowie außergewöhnliche Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion durch Chloride zu liefern – was sie ideal für Offshore-Öl- und -Gasplattformen sowie Entsalzungsanlagen macht.
• Titanium Grad 5 (Ti-6Al-4V) bietet eine Zugfestigkeit von 895 MPa bei etwa der Hälfte der Dichte von Stahl und ermöglicht dadurch hochfeste, leichte Verbindungen in luft- und raumfahrttechnischen sowie maritimen Antriebssystemen, die Seewasser ausgesetzt sind.
• Nickelbasis-Superallegierungen wie zum Beispiel Unbekannt 718 , zertifiziert nach ASTM B637, behalten über 90 % ihrer Festigkeit bei Raumtemperatur bei 700 °C bei und widerstehen dabei Oxidation und Kriechverformung – sie übertreffen Kohlenstoffstähle bei Langzeit-Kriechbruchtests unter Betriebsbedingungen von Kernreaktoren um 300 %.

Hochfeste Schrauben passgenau auf die Anforderungen kritischer Infrastruktur abgestimmt

Windkraftanlagen und Brücken: Sicherstellung der Vorspannkraft-Haltung und der Ermüdungslebensdauer unter dynamischen Lasten

Schrauben, die in Windkraftanlagen und jenen massiven Großbrücken mit großer Spannweite verwendet werden, sind während Jahrzehnten im Betrieb Millionen von Lastwechseln ausgesetzt. Diese Bauteile benötigen mehr als nur rohe Festigkeit – sie erfordern eine hervorragende Fähigkeit, ihre anfängliche Vorspannkraft beizubehalten, Brüchen zu widerstehen und wiederholten Belastungen standzuhalten, ohne sich aufzulösen. Nehmen wir beispielsweise Turmmasten von Windkraftanlagen: Die Schrauben dort müssen alles sicher zusammenhalten, selbst bei andauernden Torsionsschwingungen, Biegekräften durch starke Windeinwirkung und Temperaturschwankungen, die Materialverformungen verursachen können. Wenn diese Klemmkraft nachlässt, entstehen Probleme wie das gegenseitige Verrutschen von Bauteilen, mikroskopische Oberflächenabnutzung (sogenanntes Fretting) und letztlich sogar vollständiger struktureller Versagen. Bei Hängebrücken ist die Situation ähnlich. Ihre Verankerungspunkte sind tagtäglich unterschiedlichsten, verkehrsbasierten Spannungsschwankungen ausgesetzt. Ohne ausreichende Zähigkeit des Materials in diesen kritischen Schrauben bilden sich kleine Risse, die sich unter normalen Bedingungen viel schneller ausbreiten, als es erwartet wird.

In den meisten Fällen haben die Festigkeitsklassen 10.9 und ASTM A490 Industriestandards erreicht, da sie eine hervorragende Streckgrenze aufweisen und bei Ermüdungsversuchen mit mehr als zehn Millionen Zyklen bei Spannungsverhältnissen von etwa 0,1 sehr gut abschneiden. Bei Offshore-Anwendungen wird die Situation jedoch schnell kompliziert. Die ständige Belastung durch salzhaltige Luft und Seewasserbesprühung bedeutet, dass herkömmliche Schrauben nicht mehr ausreichen. Aus diesem Grund geben Ingenieure in der Regel entweder Duplex-Edelstahlsorten oder spezielle Geomet®-beschichtete A490-Schrauben vor. Diese Materialien helfen, die strukturelle Festigkeit aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Korrosion und Abbau entgegenzuwirken, wobei gleichzeitig die entscheidende Klemmkraft auch unter rauen maritimen Bedingungen erhalten bleibt.

Kraftwerke & Schwermaschinen: Beherrschung von thermischem Wechsel, Kriechen und Verbindungssicherheit

Wenn Bauteile wiederholten Heiz- und Kühlzyklen ausgesetzt sind, dehnen sich unterschiedliche Materialien in jeweils unterschiedlichem Maß aus und ziehen sich wieder zusammen. Diese Unstimmigkeit zwischen Schrauben und Flanschen kann zu Entspannungsproblemen und potenziellen Leckagen in druckbeaufschlagten Anlagen führen. Das Problem verschärft sich, wenn Temperaturen über längere Zeiträume hinweg oberhalb von 540 Grad Celsius verbleiben. Auf diesen Niveaus tritt Kriechverformung auf. Selbst wenn die Spannung unterhalb der Streckgrenze bleibt, dehnen sich die Schrauben langsam im Laufe der Zeit aus. Durch diese Verlängerung nimmt die Vorspannkraft ab, wodurch die gesamte Verbindung gefährdet ist. Dies ist besonders kritisch bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Dampfturbinenbaugruppen, Kesselkopfverbindungen und den massiven Reaktoren in petrochemischen Anlagen, bei denen ein Versagen nicht nur kostspielig, sondern potenziell gefährlich ist.

ASTM-A354-Grad-BD-Schrauben, die üblicherweise aus 42CrMo oder vergleichbaren Chrom-Molybdän-Vanadium-Legierungen hergestellt werden, sind speziell dafür konzipiert, Kriechverformung zu widerstehen und ihre Festigkeit auch bei Temperaturschwankungen zu bewahren. Bei der Montage dieser Schrauben ist eine korrekte Drehmomentkalibrierung unerlässlich. Viele Montagen erfordern zudem ein Warmanziehen, da unterschiedliche Materialien sich beim Erhitzen mit unterschiedlichen Raten ausdehnen. Das Problem tritt besonders deutlich bei Geräten wie Kohlebrechern und Hydraulikpressen auf, bei denen wiederholte Stoßbelastungen zu mikroskopischem Gleiten zwischen den Gewindegängen führen. Diese geringfügige Bewegung erzeugt im Laufe der Zeit das, was Ingenieure als Fretting-Verschleiß bezeichnen. Um diesem Problem entgegenzuwirken, installieren Wartungsteams häufig gehärtete Belleville-Scheibenfedern und tragen Molybdändisulfid-Schmiermittel auf die Gewinde auf. Diese Maßnahmen reduzieren die Reibung und sorgen gleichzeitig dafür, dass die Schraubenvorspannung unter Betriebsbelastung stabil bleibt.

Korrosionsschutzstrategien für die Langzeitzuverlässigkeit von hochfesten Schrauben

Verzinkung, Zinkbeschichtung und Geomet®-Beschichtungen: Leistungskompromisse und Risiken der Wasserstoffversprödung

Der Korrosionsschutz darf niemals die mechanische Integrität von hochfesten Schrauben beeinträchtigen – insbesondere bei Festigkeitsklassen ab 10.9, die besonders anfällig für Wasserstoffversprödung sind.

• Heißdip-Galvanisierung bietet dicke, langlebige Zink-Eisen-Legierungsschichten, die hervorragenden Barrièreschutz in maritimen oder ländlichen Umgebungen bieten – verursacht jedoch dimensionsbedingte Schwankungen, die eng tolerierte Baugruppen beeinträchtigen können, und erfordert nachträgliches Gewindeschneiden für präzise Passformen.
• Elektrolytische Zinkbeschichtung ist kostengünstig und gleichmäßig, aber dünnere Beschichtungen verschlechtern sich schneller bei saurer oder salzhaltiger Beanspruchung; sie wird weiterhin häufig für innenliegende oder geschützte Konstruktionen verwendet.
• Geomet®-Typ-Beschichtungen (Zink/Aluminium-Flakesysteme nach ISO 10683 oder ASTM F1941) bieten hervorragende Salzsprühnebelbeständigkeit (>1.000 Stunden bis zum Auftreten von Weißrost nach ASTM B117) bei minimaler Dickenänderung und erhalten dadurch Passform und Funktion – ideal für Offshore- und Verkehrsinfrastruktur.

Alle Galvanisierungsverfahren führen atomaren Wasserstoff in die Stahlstruktur ein. Bei der Vermeidung verzögerter spröder Brüche gelten für Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 und höher besondere Anforderungen: Diese müssen nach der Beschichtung einer Temperbehandlung unterzogen werden. Der Temperaturbereich sollte zwischen 190 und 230 Grad Celsius liegen, und die Dauer muss mindestens acht Stunden betragen. Wichtig ist, dass diese Temperbehandlung spätestens vier Stunden nach Abschluss der Beschichtung beginnt. Für Teile, die in besonders kritischen Anwendungen eingesetzt werden, darf dieser Diffusionsschritt keinesfalls übersprungen werden. Die Hersteller sollten prüfen, ob die Lieferanten entsprechende Nachweise über die Einhaltung entweder der ISO 10683, Anhang C, oder des relevanten Abschnitts der ASTM F1941 (Abschnitt 7) vorlegen können. Die korrekte Durchführung dieser Maßnahme hat einen entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Komponenten.