Schrauben Nichtrostende Schraubenverbindungen sicher auslegen

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Wie lässt sich eine Schraube-Mutter-Verbindung aus nichtrostendem Stahl so auslegen, dass sie mechanisch zuverlässig, korrosionsbeständig und zugleich wirtschaftlich dimensioniert ist? Antworten auf diese Frage gibt ein aktuelles Forschungsprojekt der Hochschule Wismar, dem Fraunhofer IGP und Industriepartnern, darunter Sonderschrauben Güldner. 

Schraubenverbindungen gehören zu den zentralen Konstruktionselementen im Maschinen- und Anlagenbau. Sie müssen Kräfte zuverlässig übertragen, Montage- und Wartungsprozesse ermöglichen und häufig über viele Jahre hinweg unter wechselnden Betriebsbedingungen funktionssicher bleiben. 
Besonders anspruchsvoll wird die Auslegung, wenn nichtrostende Schraubenverbindungen dauerhaft zyklisch belastet werden und gleichzeitig eine hohe Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist – etwa in Anlagen der Energie- und Verfahrenstechnik, im Maschinenbau, in maritimen Umgebungen oder bei Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an Lebensdauer und Betriebssicherheit.Für Konstrukteure und Entwickler stellt sich dabei eine zentrale Frage: Wie lässt sich eine Schraube-Mutter-Verbindung aus nichtrostendem Stahl so auslegen, dass sie mechanisch zuverlässig, korrosionsbeständig und zugleich wirtschaftlich dimensioniert ist? Die Berechnung von Schraubenverbindungen erfolgt im Maschinenbau in der Regel nach VDI 2230 Blatt 1 (2015), die international als wichtiges Referenzwerk für die Auslegung gilt. Eine wesentliche Grundlage ist die Dauerhaltbarkeit der Verbindung. Genau diese ist bei Schraube-Mutter-Verbindungen aus nichtrostenden Werkstoffen bislang jedoch nur unzureichend untersucht und dokumentiert.

Hier setzt das Forschungsprojekt Fosta P 1797 „Beurteilung der Dauerhaltbarkeit hochzyklisch beanspruchter Schraube-Mutter-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl für den Maschinenbau“ an. Das Projekt wird von der Hochschule Wismar und dem Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP Rostock gemeinsam mit Industriepartnern – darunter Sonderschrauben Güldner – durchgeführt. Gefördert wird es im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung mit dem DLR als Projektträger aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

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Werkstoff entscheidet über Verhalten bei hohem Lastwechsel

Nichtrostende Schrauben werden in der Konstruktion häufig dann gewählt, wenn Umgebungsbedingungen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit erfordern. Gleichzeitig dürfen mechanische Anforderungen wie Vorspannkraft, Schwingbeanspruchung, Setzverhalten und Dauerhaltbarkeit nicht getrennt von der Werkstoffwahl betrachtet werden. Gerade bei zyklisch belasteten Verbindungen kann es kritisch werden, wenn die tatsächliche Beanspruchbarkeit des Verbindungssystems überschätzt wird.Ausgangspunkt des Forschungsprojekts sind Hinweise aus Voruntersuchungen: Nichtrostende Schrauben, insbesondere aus austenitischen und austenitisch-ferritischen Werkstoffen, können im Bereich hoher Lastwechsel ein anderes Verhalten zeigen als Schrauben aus Kohlenstoffstählen. Während bei Kohlenstoffstählen häufig von einer klar ausgeprägten Dauerfestigkeit ausgegangen wird, deuten Ergebnisse darauf hin, dass diese bei nichtrostenden Schrauben weniger eindeutig vorhanden ist. Teilweise treten selbst bei hohen Zyklenzahlen noch Brüche auf. Für die Konstruktion bedeutet das: Annahmen, die aus dem Verhalten von Kohlenstoffstählen abgeleitet werden, lassen sich nicht ohne Weiteres auf nichtrostende Schraubenverbindungen übertragen. Eine zu optimistische Bewertung der Schwingfestigkeit kann zu frühzeitigen Schäden, ungeplanten Ausfällen, Sicherheitsrisiken und verkürzten Produktlebensdauern führen. Damit berührt das Thema nicht nur die rechnerische Auslegung, sondern auch Fragen der Produktverantwortung, Qualitätssicherung und Wirtschaftlichkeit.

Ziel: Auslegung nichtrostender Schraubenverbindungen realitätsnäher vornehmen

Ziel von Fosta P 1797 ist es, die Dauerhaltbarkeit hochzyklisch beanspruchter Schraube-Mutter-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl systematisch zu untersuchen und eine belastbare Grundlage für zukünftige Auslegungsregeln zu schaffen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse sollen perspektivisch in die Weiterentwicklung bestehender Regelwerke einfließen, insbesondere in den Kontext der VDI 2230 Blatt 1. Ziel ist eine fundiertere und zugleich wirtschaftlichere Auslegung von Schraubenverbindungen aus nichtrostenden Stählen.
Für Konstrukteure und Entwickler sind die Ergebnisse vor allem deshalb relevant, weil sie helfen können, Sicherheitsreserven besser einzuschätzen und die Auslegung nichtrostender Schraubenverbindungen künftig realitätsnäher vorzunehmen. Im Fokus stehen insbesondere folgende Einflussfaktoren:

• Stahlsorte und Festigkeitsklasse
• Fertigungsprozess
• Herstellereinfluss
• Größeneinfluss
• Schmierung
• Mittelspannung

Die Untersuchungen erfolgen in Form von Schwingfestigkeitsversuchen, bei denen Schraube-Mutter-Verbindungen unter realitätsnahen Bedingungen zyklisch belastet werden. Ergänzend werden analytische und numerische Betrachtungen herangezogen, um das Trag- und Versagensverhalten besser einordnen zu können.

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Worauf Konstrukteure bei nichtrostenden Schrauben achten sollten

In der konstruktiven Praxis wird bei Schrauben häufig nach Abmessung, Festigkeitsklasse, Korrosionsbeständigkeit und Verfügbarkeit ausgewählt. Bei dynamisch beanspruchten Verbindungen reicht diese Betrachtung jedoch nicht immer aus. Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Werkstoff, Fertigung, Oberflächenzustand, Vorspannung, Reibung, Lastkollektiv und Einbausituation.Die Auslegung muss dabei mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen: 

• Die Verbindung soll ausreichend tragfähig sein
• die erforderliche Vorspannkraft zuverlässig halten
• Korrosion widerstehen
• Montageprozesse ermöglichen und
• unter wechselnder Belastung dauerfest beziehungsweise ausreichend dauerhaltbar bleiben

Nichtrostende Werkstoffe bringen hier Vorteile hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit mit, zeigen aber je nach Gefüge, Festigkeitsklasse und Fertigungszustand ein unterschiedliches Ermüdungsverhalten. Für Konstrukteure ergibt sich daraus die Notwendigkeit, nichtrostende Schraubenverbindungen nicht pauschal als Standardlösung zu behandeln, sondern bei sicherheits- oder funktionskritischen Anwendungen genauer zu spezifizieren. Dazu gehören unter anderem eine bewusste Werkstoffauswahl, die Berücksichtigung der Betriebsbeanspruchung, die Abstimmung mit Berechnungs- und Qualitätsanforderungen sowie die Prüfung, ob Standardteile ausreichen oder kundenspezifische Verbindungselemente sinnvoll sind.

Im Vergleich: austenitische, martensitische und austenitisch-ferritische nichtrostende Stähle

Im Projekt werden unter anderem austenitische, martensitische und austenitisch-ferritische nichtrostende Stähle untersucht. Austenitische Werkstoffe wie A4-80 zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Duktilität aus. Ihre Festigkeit wird im Wesentlichen durch Kaltverfestigung erreicht.Martensitische Werkstoffe wie C1-70 bieten eine höhere Festigkeit und Härte, sind jedoch empfindlicher gegenüber Kerben und besitzen eine geringere Korrosionsbeständigkeit. 
Austenitisch-ferritische Werkstoffe mit Duplex-Gefüge, beispielsweise D8-100, verbinden eine hohe mechanische Festigkeit durch Kaltverfestigung mit guter Korrosionsbeständigkeit.Für die Auslegung ist dieser Vergleich wichtig, weil nicht allein die nominelle Festigkeitsklasse über die Eignung entscheidet. Auch Gefüge, Duktilität, Kerbempfindlichkeit, Korrosionsverhalten und Fertigungszustand beeinflussen die Dauerhaltbarkeit der Verbindung. Der direkte Vergleich der Werkstoffgruppen soll dazu beitragen, den Einfluss von Werkstoffverhalten und Gefüge auf die Ermüdungsfestigkeit besser zu verstehen.

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Einfluss von Fertigung und Bauteilzustand

Neben dem Werkstoff selbst spielt der Fertigungsprozess eine entscheidende Rolle. In der Serienfertigung werden Schrauben typischerweise durch Kaltumformung hergestellt. Dabei können günstige Eigenschaften wie gerichtete Faserverläufe und Druckeigenspannungen entstehen, die sich positiv auf die Dauerhaltbarkeit auswirken können.Im Rahmen des Projekts werden ergänzend auch Bauteile untersucht, die aus Vollmaterial zerspanend gefertigt wurden. Diese weisen andere Randbedingungen auf, beispielsweise einen unterbrochenen Faserverlauf oder veränderte Eigenspannungszustände. Für Konstrukteure ist diese Unterscheidung relevant, wenn Versuchsergebnisse, Sonderfertigungen oder Prototypen auf Serienbauteile übertragen werden sollen.Ziel ist es, besser zu bewerten, wie sich unterschiedliche Fertigungswege auf die nutzbare Dauerhaltbarkeit auswirken und inwieweit Laboruntersuchungen auf reale Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau übertragbar sind.

Mittelspannung, Schmierung und Vorspannung im Blick

Ein weiterer Aspekt ist der Einfluss der Mittelspannung. Schraubenverbindungen sind im Betrieb in der Regel vorgespannt und werden zusätzlich durch äußere Betriebslasten beansprucht. Die Höhe und Stabilität der Vorspannkraft beeinflusst, welcher Anteil der Betriebsbelastung tatsächlich in der Schraube wirksam wird. Damit ist die Mittelspannung für die Schwingbeanspruchung und die Dauerhaltbarkeit von zentraler Bedeutung.Auch Schmierung und Reibungsverhältnisse sind für die sichere Auslegung wichtig. Sie beeinflussen das Verhältnis zwischen Anziehdrehmoment und erzielter Vorspannkraft und damit die Reproduzierbarkeit der Montage. Für Entwickler und Konstrukteure bedeutet das, dass die Schraube nicht isoliert, sondern als Teil eines Verbindungssystems betrachtet werden muss – inklusive Mutter, Gewinde, Auflageflächen, Schmierung und Montageprozess.

Brücke zwischen Forschung und industrieller Anwendung

Als Industriepartner bringt Sonderschrauben Güldner seine Erfahrung aus der Fertigung und Anwendung von Verbindungselementen in das Projekt ein. Ein wesentlicher Beitrag liegt in der gezielten Bereitstellung von Prüfteilen unter definierten Rahmenbedingungen. Dazu gehört unter anderem die Herstellung ausgewählter Schrauben und Verbindungselemente aus einer einzigen Materialcharge. Dadurch lassen sich Einflüsse, die in der Praxis oft schwer zu trennen sind, gezielt untersuchen.Die enge Verbindung von Forschung und industrieller Umsetzung ist für die spätere Anwendung der Ergebnisse entscheidend. Nur wenn Werkstoff, Fertigungsprozess und reale Einsatzbedingungen gemeinsam betrachtet werden, lassen sich Erkenntnisse gewinnen, die Konstrukteuren und Entwicklern in der täglichen Auslegungspraxis tatsächlich weiterhelfen.

Erkenntnis: Ermüdungsverhalten nichtrostender Schrauben differenzierter betrachten

Die bisherigen Ergebnisse und Hypothesen deuten darauf hin, dass das Ermüdungsverhalten nichtrostender Schrauben differenzierter betrachtet werden muss als bislang angenommen.Insbesondere zeigen sich:

• ein möglicher weiterer Abfall der Wöhlerlinie im Langzeitfestigkeitsbereich,
• ein deutlicher Einfluss der Mittelspannung,
• messbare Unterschiede zwischen Werkstoffen und Fertigungsarten.

Diese Erkenntnisse können langfristig dazu beitragen, bestehende Berechnungsansätze anzupassen und die Auslegung nichtrostender Schraubenverbindungen präziser abzusichern. Für Konstruktion und Entwicklung ist das besonders relevant, wenn Bauteile hohe Lebensdaueranforderungen erfüllen müssen oder Ausfälle mit hohen Folgekosten verbunden wären.

Nutzen für Konstruktion, Entwicklung und Qualitätssicherung

Für die industrielle Praxis ergeben sich aus dem Projekt mehrere Ansatzpunkte. In der Konstruktion ermöglichen die Ergebnisse eine realistischere Bewertung dynamisch beanspruchter Schraubenverbindungen und eine bessere Abstimmung von Sicherheit, Gewicht und Wirtschaftlichkeit. Entwickler erhalten zusätzliche Hinweise darauf, wann eine Standardausführung ausreichend ist und wann spezifische Anforderungen an Werkstoff, Fertigung oder Prüfung sinnvoll sein können.In der Qualitätssicherung können die Ergebnisse helfen, Streuungen besser zu verstehen und Ursachen von Ermüdungsversagen gezielter zu analysieren. Auch für den technischen Einkauf entsteht ein Nutzen: Er kann Anforderungen aus Konstruktion und Qualitätssicherung fundierter in Spezifikationen und Beschaffungsentscheidungen übertragen.Damit zeigt das Projekt, dass Verbindungselemente zwar oft als kleine Bauteile betrachtet werden, für die Funktionssicherheit einer Konstruktion jedoch eine zentrale Rolle spielen können. Gerade bei zyklisch belasteten, korrosionsbeanspruchten oder sicherheitsrelevanten Anwendungen sollte die Schraubenverbindung daher frühzeitig in den Auslegungsprozess einbezogen werden. (jup)