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Umfassende Prüfung von hochfesten Schrauben
Hochfeste Schrauben (Typischerweise Güteklassen 8.8, 10.9, 12.9 und höher nach ISO bzw. SAE J429 Güteklassen 5, 8 usw.) sind kritische Bauteile in anspruchsvollen Anwendungen wie Stahlbau, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Schwermaschinenbau. Die Sicherstellung ihrer Integrität erfordert ein strenges, vielschichtiges Prüfverfahren, das zerstörende und zerstörungsfreie Methoden kombiniert.
- Prüfung der mechanischen Eigenschaften (zerstörend):
Härteprüfung (Rockwell-C-Skala – HRC): Eine grundlegende, schnelle Überprüfung. Die Härte korreliert stark mit der Zugfestigkeit. Eindringkörper messen den Widerstand gegen das Eindringen bei bestimmten Lasten. Die Ergebnisse müssen innerhalb des für die Festigkeitsklasse der Schraube festgelegten engen Bereichs liegen (z. B. HRC 32-39 (für Güteklasse 10.9). Abweichungen deuten auf eine unsachgemäße Wärmebehandlung (Abschrecken und Anlassen) oder auf ungeeignetes Material hin. Zur Bestimmung der Härte werden mitunter die Vickers- (HV) oder Brinell-Skala (HB) verwendet.
Zugprüfung: Die maßgebliche Prüfung zur Bestimmung der Zugfestigkeit und der Streckgrenze. Eine Bolzenprobe wird in eine Zugprüfmaschine eingespannt und axial bis zum Bruch gezogen.
Prüflastprüfung: Ein entscheidender Teiltest. Die Schraube wird mit einer festgelegten Prüflast (typischerweise 90–95 % ihrer Mindeststreckgrenze) belastet und für eine bestimmte Zeit (z. B. 10 Sekunden) gehalten. Nach Entlastung darf sie keine bleibende Verformung aufweisen (gemessen an der Längenänderung oder der Passung der Gewindelehre). Dies bestätigt, dass die Schraube den Betriebsbelastungen ohne Fließen standhält.
Zugfestigkeit (UTS): Die maximale Belastung, der die Schraube vor dem Bruch standhält. Sie muss die Mindestanforderungen für die jeweilige Festigkeitsklasse erfüllen oder übertreffen (z. B. mindestens 1040 MPa für 10.9).
Streckgrenze: Die Spannung, bei der sich die Schraube plastisch (dauerhaft) verformt. Oft als 0,2%-Dehngrenze definiert. Muss den Güteanforderungen entsprechen.
Dehnung und Querschnittsverringerung: Werden nach dem Bruch gemessen, um die Duktilität zu beurteilen – unerlässlich für die Absorption von Stoßbelastungen und die Verhinderung von Sprödbruch.
- Drehmomentabhängige Leistung (destruktiv & funktional):
Prüfung des Reibungskoeffizienten (K-Faktor): Entscheidend für eine gleichbleibende Klemmkraft. Die Prüfungen messen das Drehmoment-Vorspannungs-Verhältnis unter kontrollierten Bedingungen. Die Ergebnisse bestimmen den durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (μ) zwischen den Gewindegängen und unter der Auflagefläche von Mutter und Kopf, der für die Berechnung des Anzugsmoments unerlässlich ist.
Übliche Drehmomentprüfung (für Verriegelungsfunktionen): Misst das Drehmoment, das erforderlich ist, um eine Mutter auf eine Schraube zu schrauben. Bolzen mit einer Sicherungsvorrichtung (z. B. Nyloneinsatz, verzogenes Gewinde) vor dem Aufsetzen der Mutter. Gewährleistet die Sicherungsfunktion und deren Zuverlässigkeit.
Drehmoment-Zug-Prüfung: Misst direkt die Klemmkraft (Zugkraft), die im Bolzen bei Anlegen eines bestimmten Anzugsdrehmoments entsteht, mithilfe kalibrierter Geräte. Bestätigt die Drehmomentvorgabe zum Erreichen der erforderlichen Vorspannung.
- Metallurgische Untersuchung (zerstörend):
Mikrostrukturanalyse: Die mikroskopische Untersuchung eines polierten und geätzten Querschnitts zeigt die Kornstruktur, die Phasenverteilung (z. B. angelassener Martensit für hohe Festigkeit) und mögliche Defekte wie Entkohlung (Kohlenstoffverlust nahe der Oberfläche, der die Festigkeit verringert), übermäßige Einschlüsse oder Auswirkungen einer unsachgemäßen Wärmebehandlung. Die chemische Zusammensetzungsanalyse (z. B. Spektrometrie) bestätigt, dass die Legierung den Spezifikationen entspricht.
- Oberflächen- und Dimensionsprüfung (vorwiegend zerstörungsfrei):
Sichtprüfung: Es wird auf offensichtliche Oberflächenfehler wie Risse, Nähte, Falten, übermäßige Werkzeugspuren, Korrosion, falsche Kopfmarkierungen oder beschädigte Gewinde geachtet.
Maßprüfung: Kritische Parameter werden mit kalibrierten Messinstrumenten (Mikrometer, Messschieber, Gewindelehren, optische Komparatoren) gemessen:
Außen-/Kern-/Steigungsdurchmesser von Gewinden
Gewindesteigung und -profil
Kopfhöhe, Breite (über die Flächen)
Schaftdurchmesser
Länge
Unterkopfverrundungen Radius
Erkennung von Oberflächenfehlern:
Magnetpulverprüfung (MPI): Hochwirksam zur Erkennung von Oberflächen- und oberflächennahen Rissen in ferromagnetischen Schrauben. Magnetisierte Partikel sammeln sich an den Fehlerstellen.
Eindringprüfung (LPI): Erkennt oberflächliche Risse, Poren oder Nähte. Ein Eindringfarbstoff wird aufgetragen, dringt in die Fehler ein und wird durch einen Entwickler sichtbar gemacht.
Beschichtungsprüfung: Messung der Beschichtungsdicke (z. B. Verzinkung, Dacromet) mittels magnetischer oder Wirbelstrommessgeräte. Haftfestigkeitsprüfungen gewährleisten die Unversehrtheit der Beschichtung. Bei galvanisch verzinkten Schrauben ist nach der Verzinkung und dem Aushärten eine Wasserstoffversprödungsprüfung (Dauerbelastungsprüfung) unerlässlich, um einen verzögerten Sprödbruch auszuschließen.
- Materialrückverfolgbarkeit und Zertifizierung:
Die Prüfung des Materialprüfzeugnisses (MTC) oder der Konformitätsbescheinigung (CoC) des Herstellers ist von entscheidender Bedeutung. Dieses Dokument gewährleistet die Rückverfolgbarkeit bis zur Charge/dem Chargennamen des Materials und gibt typischerweise die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Härte) aus den vom Hersteller durchgeführten Chargenprüfungen gemäß der relevanten Norm (z. B. ASTM F568M, ISO 898-1) an.
Fazit: Die Zuverlässigkeit hochfester Schrauben erfordert eine umfassende Qualitätskontrollstrategie. Die alleinige Betrachtung von Härte oder Sichtprüfung ist unzureichend. Eine Kombination aus zerstörenden mechanischen Prüfungen (Härte, Zug-/Dehnlastprüfung), Funktionsdrehmomentprüfungen, metallurgischen Untersuchungen, strengen zerstörungsfreien Prüfungen (ZfP) von Abmessungen und Oberflächen sowie einer zuverlässigen Materialzertifizierung schafft die notwendige Sicherheit, dass diese kritischen Verbindungselemente auch unter anspruchsvollen Betriebsbelastungen sicher funktionieren. Das spezifische Prüfverfahren richtet sich nach der Kritikalität der Anwendung, den geltenden Normen und den Kundenanforderungen.