Das Festfressen von
Verbindungselementen aus Edelstahl

Das Festfressen von Verbindungselementen aus Edelstahl
Bild 1: Festgefressenes Verbindungselement
14.07.2016 | Aus Edelstahl, Aluminium und Titan hergestellte Verbindungselemente sind beim Anziehen häufig von einer Kaltverschweissung, dem sogenannten Festfressen, betroffen. Verbindungselemente aus Edelstahl sind in austenitischen, ferritischen und martensitischen Ausführung verfügbar.

 In der Industrie werden  vorwiegend  Verbindungselemente  aus  austenitisch gehärtetem Edelstahl verwendet. Edelstahle sind  mit  einer  Chromoxydschicht  gegen Korrosion oberflächengeschützt. 

Wenn  zwei  Verbindungselemente  zusammengefügt  werden,  wird  zwischen  dem  Bolzen und  der  Mutter  ein  Oberflächendruck  aufgebaut,  wodurch  die  Oxydschutzschicht  entfernt oder  geschädigt  werden  kann.  Der  hohe  Reibungswiderstand  zwischen  den  Oberflächen der Verbindungselemente kann dazu führen, dass es an den Stellen, wo die Schutzoberfläche abgetragen wurde und das Grundmetall freiliegt, zu einem Festfressen kommt, das als Kaltverschweissung  bezeichnet  wird.  Ein  höherer  Reibungskoeffizient  erhöht  die  Gefahr des Festfressens erheblich.  

Die  unsachgemässe  Montage  bewirkt  ein  Anfressen  und  Abrieb  an  den  Gewinden,  wodurch  die  Verbindungselemente beim Anziehen blockieren und die Gewinde dadurch Schaden nehmen.  Man  bezeichnet  diesen  Vorgang  auch  als Kaltverschweissung (Reibschluss) der Gewindeflanken. 

Dieser  Vorgang  tritt  dann  ein,  wenn  unterschiedlich  wärmebehandelte  Edelstahle  und  mechanischen  Eigenschaften  über  einen  längeren  Zeitraum  an  den  Gewindeflanken  in Kontakt  stehen.  Die  folgende  Grafik  veranschaulicht  das Montageverhalten  von  sieben  unterschiedlichen Edelstahlarten. Sie zeigt auf, dass die Montagezeit bis zum Festfressen bei einer bestimmten Last zwischen 7 und 58 Sekunden liegen kann. 

URSACHEN DER KALTVERSCHWEISSUNG

URSACHEN DER KALTVERSCHWEISSUNG
Grossansicht Bild
Tabelle 1: Vergleich der Werkstoffeigenschaften hinsichtlich der Kaltverschweissung

In diesem Abschnitt werden mehrere Ursachen des Festfressens und die  Vorbeugemassnahmen unter den entsprechenden Rahmenbedingungen erläutert.  

 


DREHMOMENT UND FESTFRESSGEFAHR 

Die VDI 2230 (Richtlinien Verein Deutscher Ingenieure – Verbindungstechnik) empfehlen, dass Schrauben nur einer Beanspruchung von bis zu 90 % ihrer Streckgrenze ausgesetzt werden sollen. Falls das Anzugsdrehmoment zu hoch liegt, kann die Schraube überzogen oder  gar  zum  Bruch  gebracht werden. Schrauben  können  auch  durch  Scherkräfte beim Anziehen  infolge zu hoher Reibung in den Gewindeflanken brechen.  

Der Reibungskoeffizient bei Edelstahl auf Edelstahl ist im Vergleich zu anderen Materialkombinationen  verhältnismässig  hoch.  Um  dieselbe  Vorspannung  zu  erreichen,  müssen authentische  Edelstahle  der  Klasse  A1  bis  A4  mit  einem  höheren  Anzugsdrehmoment  angezogen werden, als gewöhnliche Stahlschrauben gleicher Festigkeit.  
 
Falls  ein  Festfressen  eintritt,  erhöht  sich  das  Anzugsdrehmoment  und  die  Montage-Vorspannung  wird  nicht  erreicht.  Manchmal  erhöhen  die  Monteure  das  Anzugsdrehmoment, um das Verbindungselement richtig anzuziehen, ohne sich bewusst zu sein, dass dabei ein Festfressen auftreten kann. Solche Fehler werden beim Anziehen kaum wahrgenommen und sind von aussen nicht sichtbar. Bei Reparatur- oder Wartungsarbeiten stellt man dann fest, dass die Verbindungselemente nicht mehr gelöst werden können. 
 
Beim  Auftreten  einer  Kaltverschweissung  lösen  sich  weder  Schraube  noch  Mutter  und  diese  gehen  dadurch  auch  nicht  verloren.  Doch Schraubverbindungen,  die  nicht  richtig  angezogen wurden, können unter Betriebslast einer  Materialermüdung unterliegen. 
 
Das  Schmieren  von  Verbindungselementen  aus  Edelstahl  vor  dem  Verschrauben  oder  
Verbindungselemente  mit  einer  tribologischen  Oberflächenbeschichtung  und  Schmiereigenschaften haben sich als effiziente Lösung gegen Festfressen erwiesen (lesen Sie mehr unter "Vorbeugung gegen Festfressen" im Abschnitt unten). 

 


HERSTELLUNGSVERFAHREN UND KALTVERSCHWEISSUNG 

Die Gewindeoberfläche kann bei Betrachtung mit blossem Auge eben aussehen. Bei nähe-
rer  Betrachtung  unter  dem  Mikroskop kann  das  Gewinde  jedoch  Faltenbildungen  an  den 
Gewindekuppen aufweisen. Dieser Fehler tritt auf, wenn die Walzbacken nicht richtig eingestellt  werden.  Stumpfe  Gewindekuppen  verringern  die  Gewindeformungseigenschaften bei gewindefurchenden Schrauben. 

Das Innengewinde einer Sicherungsmutter kann vergleichbare Anomalien aufweisen, was 
zu einem Anfressen bei Gewindepaarungen führt. Diese Fehlerarten werden als "unsichtbare"  Fehler  eingestuft.  Fabrikanten  sind  bei  der  Herstellung  von  gewindeschneidenden und  gewindeformenden  Verbindungselementen  aus  denselben  Gründen  besonders  vorsichtig.  Das  Erzeugen  von Gewindegraten während  dem  Gewinderollen ist einer der Hauptgründe für das Auftreten einer Kaltverschweissung. 

 


BEFESTIGUNGSELEMENTE UND FESTFRESSGEFAHR BEI HOHEN TEMPERATUREN 

Gasturbinen und Dieselmotoren sind Maschinen, die typischerweise hohen Betriebstemperaturen  ausgesetzt  werden.  Hohe  Temperaturen  können  die  physischen  Eigenschaften eines Materials verändern. Infolge hoher Temperaturen kann die Freisetzung von aggressiven  Gasen  zu  Abschuppungen  auf  der  Oberfläche  von  Schrauben  und  Muttern  führen. Thermische Ausdehnung kann zu einer dauerhaften Verkrümmung führen. Unabhängig von äusseren Einflüssen muss die Vorspannung bei im Einsatz befindlichen Verbindungen stets erhalten  bleiben.  Darüber  hinaus  müssen  die  Befestigungselemente  für  Unterhalts- und Reparaturarbeiten lösbar sein. Ein Festfressen kann auch dann auftreten, wenn Befestigungs- und Befestigungsteile aus unterschiedlichen Materialen gefertigt sind.  Der Maschinenbauingenieur sollte die Einwirkungen von hohen Temperaturen bei der Auslegung von Verbindungen stets miteinbeziehen. Hohe  Temperaturen  sowie  Relaxation  sind  oft  die Quelle für ein Festfressen bei Wartungs- und Reparaturarbeiten.  Zur  Vermeidung,  dass  Gewinde  dem Festfressen unterliegen, verfügen Gewinde von hitzebeständigen  Schrauben  über  ein  erhöhtes  Gewindespiel.

VORBEUGUNG GEGEN
FESTFRESSEN HERSTELLUNGSVERFAHREN

VORBEUGUNG GEGEN FESTFRESSEN HERSTELLUNGSVERFAHREN
Grossansicht Bild
Bild 2: Hitzebeständige Verbindungselemente

Während  des  Herstellungsverfahrens  kann  der  Draht  gegen  das  Kaltverschweissen  zur Schmierung  mit  Kupfer  beschichtet  werden.  Die  Kupferbeschichtung  wirkt  als  stabiler Schmierstoff  auf  dem  Draht.  Nach  dem  Gewinderollen  wird  diese  durch  Abbeizen vom Verbindungselement entfernt. 

 


DECKSCHICHT 

Das Festfressen kann verringert oder vermieden werden, wenn das Aufliegen von Metall auf Metall in der gewählten Gewindepaarung vermieden wird. 

  • Schmierung mit "Molylub".  Feste Molybdändisulfid-Partikel verhindern die Berührung zwischen den Metallen und verringern den Abrieb. Manchmal ist die Anwendung von Schmieröl oder -pasten nicht ausreichend, um eine Festfressgefahr  vorzubeugen. 
  • Ähnliche Schmiermittel mit festen Silber-, Aluminium- oder Kupferpartikeln sind gleichermassen hilfreich. Diese Schmiermittel helfen dabei, den Reibungskoeffizienten zu verringern. Die meisten dieser Anti-Friction-Pasten, die an den Fliessbändern angewendet werden, enthalten solche Feststoff-Partikel. Schmiermittel, die Graphit enthalten, sind nicht empfehlenswert, da Kohlenstoff und Chrom bei hohen Temperaturen gefährliche Reaktionen auslösen können.
  • Ein dünnes Teflon-Abdeckband kann Schutz gegen Festfressen bieten. Bei grossen verschraubten Komponenten, wie Röhren und Ventilen, können die Gewinde dieser Teile mit einem dünnen Teflon-Abdeckband versiegelt werden.  

Beschichtungen  aus  Polyseal,  Xylan ® ,  Delta ® -Seal  oder Wachs können bei  Verbindungs-
elementen aus Edelstahl den fressenden Verschleiss ebenso verhindern.  

 


TRIBOLOGISCHE BESCHICHTUNG

Fluorpolymerbeschichtungen bestehen aus einer Mischung aus Harzen und Fluorpolymer-
Schmierstoffen. PTFE, PVDF, PFA und FEP verringern die Reibung, erhöhen den Schutz gegen Korrosion und chemische Einwirkungen, reagieren wasserabweisend und behalten die haftungsabweisenden Eigenschaften für Temperaturen von bis zu 288 ºC bei.  
 
Bei  der  ecosyn ® -lubric  Beschichtung  von  Bossard  handelt  es  sich  um  eine  tribologische 
Trockenbeschichtung für mechanische belastete Verbindungselemente und -komponenten (Schrauben, Muttern, Unterlegscheiben usw.). Die Beschichtung besteht aus einer dünnen Schicht,  die  nicht  elektrolytisch  aufgetragen  wird  und  schmierende  sowie  korrosionshemmende Eigenschaften aufweist.  
 
Die  Beschichtung  besteht  aus  einer  Verbindung  von  Fluorpolymeren  und  festen  organischen Schmierpartikeln,  die  mit  ausgewählten  synthetischen  Harzen  und  Lösungsmitteln versehen  werden.  Sie  wird  als  AF-Beschichtung  (Anti  Friction  Coating) bezeichnet,  denn sie bildet einen feinen Schutzfilm, der sämtliche Oberflächenunebenheiten ausgleicht und damit  die  Reibung  selbst  unter  extremen  Belastungen  und  Arbeitsbedingungen optimiert. Synthetische Harze verbessern die Korrosionsbeständigkeit erheblich. 
 
Eine dünne trockene Schmierstoffschicht, die fest auf der Trägerschicht haftet, bildet nach dem Aushärten einen Schutzfilm. Dieser Film dient als Tennschmierschicht, wodurch die Reibung  und  Verschleiss  zwischen  den  beiden  Reibungselementen  erheblich  verringert wird. 

Die  tribologischen  Oberflächenbeschichtungen  von  Bossard  ecosyn ® -lubric  bieten  eine  optimale Lösung für zahlreiche Anwendungen, die einen genau festgelegten Reibungskoeffizienten sowie einen effektiven Schutz gegen Verschleiss und Abrieb bieten. Die tribologischen  Eigenschaften  von  Bossard  ecosyn ® -lubric  verringern  das  Auftreten  von  Kaltver-
schweissung  bei Verbindungselementen. Oberflächenbeschichtungen  ecosyn ® -lubric helfen  auch  dabei,  die  vorgeschriebenen  Anzugsdrehmomente  beizubehalten  und  die korrekten Montagevorspannkräfte zu erreichen.  

 


ZUSAMMENFASSUNG 

Verbindungselemente  aus  Edelstahl  sind  bei  der  Montage  von  einer  möglichen  Kaltverschweissung  betroffen.  Eine  exzessive  Reibung  und  Erhitzung  während  des  Anziehens bewirkt eine Verformung der Oberflächen und führt zu einem Anfressen der Gewindepaarung. Die Verwendung von Schmiermitteln oder intelligenten Oberflächenbeschichtungslösungen,  wie  ecosyn ® -lubric  von  Bossard,  Fachkenntnisse  bei  der  Gewindeformung,  angemessene Montagedrehzahl  der  Installationswerkzeuge,  Sauberkeit  der  Teile  sowie angemessene  Verbindungsauslegung  führen  zu  einer  Verringerung  oder  einer  vollständigen Eliminierung des Festfressens.  
 
Wird  der  Vermeidung  des  Festfressens  genügend  Beachtung  geschenkt,  dann  erweisen sich  Schraubverbindungen  aus  Edelstahl  auf  Grund  ihrer  Rostbeständigkeit  und  generell höheren  Dehnbarkeit  im  Vergleich  zu  herkömmlichem  Baustahl  als  überaus  nützlicher Schraubenwerkstoff. 

 

VON PETER WITZKE, LEITER DES BOSSARD EXPERT TEAMS

Bibliografie 
 
Budinski, K. G (1991). Tribological Properties of Titanium Alloys. International Conference 
on Wear of Materials. 

Producers, C. o. (1978). Review of the Wear and Galling Characteristics of Stainless Steel. 
American Iron and Steel Institute, 2-19. 


Bewertung Ø:
   
Meine Bewertung:

Fragen und Kommentare (0)