Leitfaden zur Auswahl von Befestigungsmaterialien: Das Material bestimmt die Leistung, die Wärmebehandlung bestimmt die Festigkeit und die Oberflächenbehandlung bestimmt die Lebensdauer!

Ein einziger Satz, der die Essenz der Verbindungsindustrie auf den Punkt bringt:

Wählen Sie das falsche Material, und selbst das stärkste Befestigungselement geht kaputt;

Wählen Sie die falsche Wärmebehandlung, und selbst das am höchsten bewertete Verbindungselement ist lediglich eine falsche Behauptung.

Wählen Sie die falsche Oberflächenbehandlung, dann rostet selbst die beste Schraube und wird unbrauchbar.

I. Kernvergleich der vier wichtigsten Materialien der Branche

1. Kohlenstoffstahl

Vorteile: Geringste Kosten, größtes Stärkenspektrum, höchstes Produktionsvolumen, stabilste Versorgung

Nachteile: Von Natur aus anfällig für Rost; schlechte Korrosionsbeständigkeit

Hauptanwendungen: Baugewerbe, Automobilindustrie, Maschinenbau, Haushaltsgeräte, allgemeine Industrie

2. Edelstahl

Vorteile: Von Natur aus rostbeständig, keine Galvanisierung erforderlich, hygienisch und ästhetisch, außergewöhnlich lange Lebensdauer

Nachteile: Hohe Kosten, mäßige maximale Festigkeit, anfällig für Festfressen und Blockieren

Hauptanwendungen: Lebensmittel-, Medizin-, Chemie-, Outdoor- und Schiffsausrüstung

3. Legierter Stahl

Vorteile: Ultrahohe Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, Schlagfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit

Nachteile: Erfordert Wärmebehandlung, geringe Rostbeständigkeit, hohe Verarbeitungskosten

Hauptanwendungen: Windkraft, Brücken, Bergbau, Schwerlastkraftwagen, Baumaschinen, Hochspannungsgeräte

4. Titanlegierungen

Vorteile: Ultraleicht, ultrastark, korrosionsbeständig, nicht magnetisch und hoch biokompatibel

Nachteile: Teuer, extrem schwierig zu bearbeiten

Hauptanwendungen: Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin, Rennsport und hochwertige Leichtbauanwendungen für neue Energien

Bei der Auswahl der Materialien für Verbindungselemente ist die teuerste Option nie die beste Wahl; Stattdessen werden vier Kernkriterien berücksichtigt: Betriebsumgebung, Lastanforderungen, Anforderungen an die Lebensdauer und Kostenbudget.

II. Verbindungselemente aus Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl ist bei weitem das dominierende Material in der Verbindungselementindustrie. Es macht etwa 70 % der industriellen Verbindungselemente weltweit aus und ist das am weitesten verbreitete und vielseitigste Grundmaterial in der industriellen Fertigung und bei Infrastrukturprojekten.

Vorteile

• Die niedrigsten Gesamtkosten unter den vier Hauptmaterialien bieten das beste Preis-Leistungs-Verhältnis
• Hervorragende Duktilität, einfache Kaltumformbarkeit und geringe Produktionsschwierigkeiten
• Deckt das gesamte Spektrum an Festigkeitsstufen ab und eignet sich für Anwendungen vom allgemeinen Verbrauchergebrauch bis hin zu Industrieszenarien mit mittlerer und hoher Festigkeit
• Ausgereifte globale Lieferkette, ausreichend Lagerbestände und stabile Lieferzeiten

Nachteile

Von Natur aus schlechte Korrosionsbeständigkeit; anfällig für Wasser, Feuchtigkeit und Salznebel. Bei ungeschützter Verwendung rostet es sehr leicht und muss mit einer oberflächlichen Rostschutzbeschichtung behandelt werden.

Drei Kernwärmebehandlungsprozesse für Kohlenstoffstahl

1. Abschrecken und Anlassen (Q&T)

Der Kernprozess für alle Schrauben aus hochfestem Kohlenstoffstahl der Güteklasse 8.8.

Funktion: Gleicht Zugfestigkeit und Zähigkeit aus, erhöht die Ermüdungsbeständigkeit und eliminiert das Bruchrisiko.

2. Aufkohlen

Speziell für selbstschneidende Schrauben und Bohrschrauben

Wirkung: Hohe Oberflächenhärte und hohe Kernzähigkeit; Die Oberflächenschicht kann Stahlplatten durchdringen, während der Innenraum beständig gegen Sprödbruch ist.

3. Sphäroidisierendes Glühen

Ein wesentlicher Vorbehandlungsprozess vor der Kaltstauchproduktion

Funktion: Erweicht den Stahl, verringert die Härte, verhindert Risse beim Umformen und sorgt für Produktionsausbeute.

Kohlenstoffstahl hat keine natürliche Rostschutzwirkung; seine Lebensdauer hängt vollständig von der Oberflächenbehandlung ab:

Elektroverzinkung (blau-weißes Zink, farbiges Zink, schwarzes Zink), Feuerverzinkung, Schwärzung, Phosphatierung, Dacromet-, Geomet-Zink-Aluminium-Beschichtung, mechanische Verzinkung und Teflonbeschichtung.

III. Verbindungselemente aus Edelstahl

Edelstahl erfordert zum Rostschutz keine Galvanisierung und eignet sich für verschiedene feuchte, korrosive und hygienische Anwendungen.

• Von Natur aus beständig gegen Oxidation, Säuren, Laugen und Salzsprühkorrosion
• Glattes, attraktives Aussehen; ungiftig und hygienisch, geeignet für Lebensmittel und medizinische Anwendungen
• Konzipiert für den Langzeiteinsatz im Außenbereich, mit einer Lebensdauer, die weit über der von Kohlenstoffstahl liegt

Nachteile

• Die Rohstoffkosten sind deutlich höher als die von Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl
• Eine herkömmliche Wärmebehandlung von austenitischem Edelstahl kann die Festigkeit nicht erhöhen
• Anfällig für Gewindefresser und Kaltschweißblockaden, was zu einer hohen Rate an Montagefehlern führt

Über 90 % der Edelstahlprodukte in der Verbindungselementindustrie bestehen immer noch hauptsächlich aus austenitischem Edelstahl 304 (A2) und 316 (A4); Edelstahl 410 wird nur für Produkte verwendet, die eine besondere Härte erfordern, wie z. B. selbstschneidende und selbstbohrende Schrauben, und weist nicht die Eigenschaften gängiger Edelstahlsorten auf.

Wichtige Punkte zur Festigkeit von Edelstahl

Die Festigkeit der austenitischen Edelstähle 304 und 316 kann nicht durch Wärmebehandlung erhöht werden, ihre mechanische Festigkeit kann jedoch durch Kaltumformung (Kaltverfestigung) verbessert werden. Auf dem Markt erhältliche Verbindungselemente aus hochfestem Edelstahl wie A2-70 und A4-80 erreichen ihre verbesserten Qualitäten durch Kaltverfestigungsprozesse.

Ursachen für Festfressen in Edelstahl + Lösungen

Hauptursachen für Anfälle

Austenitischer Edelstahl weist eine hohe Duktilität auf. Durch die beim Anziehen des Gewindes entstehende Reibung entstehen hohe Temperaturen, die zu einer Kaltverschweißung des Metalls führen. Dies führt dazu, dass die Gewinde verkleben und festfressen, was eine Demontage unmöglich macht.

Praktische Lösungen

• Tragen Sie vor dem Zusammenbau ein speziell für Edelstahl geeignetes Anti-Seize-Mittel oder Schmiermittel auf
• Reduzieren Sie die Anzugsgeschwindigkeit, um eine Wärmeentwicklung durch Hochgeschwindigkeitsreibung zu vermeiden
• Wählen Sie präzisionsgefertigte Gewinde aus, die einer Oberflächenpolitur und Passivierungsbehandlung unterzogen wurden
• Kontrollieren Sie das Montagedrehmoment, um übermäßige Kraft beim Anziehen zu vermeiden

Oberflächenbehandlungen von Edelstahl

Edelstahl erfordert keine Verzinkung zum Rostschutz. Zu den gängigen Prozessen gehören: Säurebeizen, Passivierung, elektrolytisches Polieren, mechanisches Polieren, Spiegelpolieren und Sandstrahlen

IV. Verbindungselemente aus legiertem Stahl

Ultrahochfeste Schrauben, die in Windkraftanlagen, Brücken, Schwerlastkraftwagen und Hochspannungsgeräten verwendet werden, verwenden alle legierten Stahl als Kernmaterial.

Durch die Zugabe seltener Metalle wie Chrom, Molybdän, Nickel und VanadiumLegierter Stahl überwindet die Nachteile von Kohlenstoffstahl in Bezug auf Festigkeit, Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit und macht ihn zum Kernmaterial für hochwertige Hochleistungsanwendungen.

Gängige legierte Stahlsorten

SCM435 (entspricht 35CrMo), 35CrMo, 42CrMo, 4140, 4340

Vorteile

Durch die richtige Gestaltung der chemischen Zusammensetzung und eine präzise Wärmebehandlung kann legierter Stahl leichter eine ultrahohe Festigkeit, hohe Zähigkeit sowie eine ausgezeichnete Ermüdungs- und Hochtemperaturbeständigkeit erreichen und damit die Leistungsgrenzen von herkömmlichem Kohlenstoffstahl weit übertreffen. Es eignet sich für extreme Bedingungen mit schweren Lasten, Vibrationen und hohem Druck.

Nachteile

• Extrem abhängig von Wärmebehandlungsprozessen, was zu hohen technischen Hürden und Produktionskosten führt
• Es weist keine inhärente Rostbeständigkeit auf und muss mit speziellen Korrosionsschutzbehandlungen kombiniert werden

Mainstream-Wärmebehandlung für legierten Stahl

Verwendet fast ausschließlich Abschrecken und Anlassen (Abschrecken + Hochtemperaturanlassen)

High-End-Produkte können auch Folgendes umfassen: Induktionshärten, Nitrieren, Aufkohlen und Karbonitrieren

Kann durchgängig ultrahochfeste Verbindungselemente der Klassen 10.9, 12.9 und höher herstellen

Oberflächenbehandlung von legiertem Stahl und Vermeidung von Fallstricken durch Wasserstoffversprödung

Kernrisiko: Wasserstoffversprödungsbruch

Bei Verbindungselementen aus hochfestem Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl der Güteklasse 10.9 und höher kann es zu Wasserstoffversprödungsrisiken kommen, wenn die Wasserstoffentfernungs- und Dehydrierungsbehandlungen während standardmäßiger Elektroverzinkungsverfahren unzureichend sind, was zu verzögerten Brüchen während der Verwendung führt – ein großes Sicherheitsrisiko in der Maschinenbau-, Automobil- und Windkraftindustrie.

Derzeit ist in High-End-Sektoren wie Automobil, Windkraft, Eisenbahn und Brücken die traditionelle Elektroverzinkung vollständig durch Dacromet- und Geomet-Zink-Aluminium-Beschichtungen ersetzt worden. Dieser Ansatz eliminiert das Risiko einer Wasserstoffversprödung an der Quelle und erhöht gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit.

Mainstream-Oberflächenbehandlungsprozesse

Dacromet-, Geomet-Zink-Aluminium-Beschichtungen, Phosphatierung, Schwärzung und hochwertige wasserstofffreie Verzinkung (doppelter Schutz gegen Korrosion und Wasserstoffversprödung)

V. Verbindungselemente aus Titanlegierung

Titanlegierungen stellen das Nonplusultra an leichten und korrosionsbeständigen Materialien in der Verbindungselementindustrie dar und werden hauptsächlich in Präzisionsanwendungen der Spitzenklasse und unter extremen Betriebsbedingungen eingesetzt.

Repräsentative Qualitäten: TA2, TC4 (Ti-6Al-4V)

Vorteile

• Dichte von ca. 4,5 g/cm³, was nur etwa 57 % der von Stahl (ca. 7,85 g/cm³) entspricht, was zu extremer Leichtbauweise führt
• Extrem hohe spezifische Festigkeit, vergleichbar mit hochfestem legiertem Stahl, bei deutlicher Gewichtsreduzierung
• Außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit in den meisten industriellen Umgebungen (Korrosion tritt nur in speziellen Umgebungen wie starken Säuren und Flusssäure auf)
• Nicht magnetisch, hitzebeständig und hochgradig biokompatibel, wodurch sie für Anwendungen in der Medizin sowie in der Luft- und Raumfahrt geeignet sind

Einziger Nachteil

Teure Rohstoffe, schwierige Bearbeitung, lange Produktionszyklen und extrem hohe Gesamtkosten

Wärmebehandlung von Titanlegierungen

Im Gegensatz zum Abschreck- und Anlassverfahren für Stahl umfasst der gängige Ansatz eine Lösungsbehandlung, gefolgt von einer Alterungsbehandlung, um die Materialstabilität und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren

High-End-Oberflächenbehandlung für Titanlegierungen

Eloxieren (anpassbare farbige Oberflächen), Sandstrahlen, Passivieren, PVD-Beschichtung und verschleißfeste DLC-Beschichtung

VI. Schlüsseldaten: Salzsprühlebensdauer von Oberflächenbehandlungen

Die Korrosionsbeständigkeit verschiedener Oberflächenbehandlungen variiert erheblich. Im Folgenden finden Sie Referenzdaten aus neutralen Salzsprühtests (je nach Beschichtungsdicke und Rezeptur; werden nur für Branchenauswahlzwecke bereitgestellt):