Wie wählt man den Werkstoff einer Spezialschraube?
Gehen Sie von der einen Eigenschaft aus, an der die Standardschraube scheitert — Festigkeit, Temperatur, Magnetismus, chemischer Angriff oder Fressen — und wählen Sie allein danach aus. Prüfen Sie anschließend, dass die übrigen Eigenschaften nicht zum neuen Schwachpunkt werden. NBKs Programm ist breit genug, dass die Optimierung einer Eigenschaft die anderen selten kostet.
Festigkeit: Wie viel mehr Sie wirklich bekommen
Standard-Edelstahl ist nicht fest. A4-70 (SUS316L) erreicht 700 N/mm² Zugfestigkeit, die Klasse A2-70 ebenso — weshalb so viele Edelstahlkonstruktionen im Durchmesser überdimensioniert sind, um das auszugleichen.
NBKs hochfester Edelstahl SNSX besteht aus SUS316L HiMo: reduzierter Kohlenstoff, mehr Chrom, Nickel und Molybdän. Es gibt ihn in Klasse 8.8 (800 N/mm² Zugfestigkeit, 640 N/mm² Streckgrenze) und Klasse 10.9 (1.000 bzw. 900). Er bleibt unmagnetisch und behält auch heiß eine brauchbare Streckgrenze: 448 N/mm² bei 600 °C für 8.8 und 765 N/mm² für 10.9.
Entscheidend ist nicht die Zahl, sondern was sie einbringt. NBK nennt das Rechenbeispiel: Der Wechsel auf hochfesten Edelstahl erlaubte an einem Flansch M4 statt M6 bei gleicher Klemmkraft — und der Flansch selbst schrumpfte von ⌀80 mm auf ⌀75 mm und von 10 mm auf 7,5 mm Dicke. Festigkeit je Schraube wird zu Bauraum und Gewicht in der Maschine.
Zugfestigkeit und Magnetismus bei Raumtemperatur
| Schraube / Werkstoff | Zugfestigkeit | 0,2-%-Dehngrenze | Magnetisch? |
|---|---|---|---|
| SNSX-109 — SUS316L HiMo, Klasse 10.9 | 1.000 N/mm² | 900 N/mm² | Nein |
| SNSX-88 — SUS316L HiMo, Klasse 8.8 | 800 N/mm² | 640 N/mm² | Nein |
| SNSTG — Titan Ti-6Al-4V | ≥ 895 N/mm² | ≥ 825 N/mm² | Nein (µ 1,0002) |
| SNSL — SUS316L, A4-70 | 700 N/mm² | 450 N/mm² | Nein |
| SNHDS — Duplex UNS S31803 | ≥ 620 N/mm² | ≥ 450 N/mm² | Ja |
| SNSJ — SUS310S | 520 N/mm² | 205 N/mm² | Nein |
| SNST — Reintitan (Grade 2) | 340–510 N/mm² | ≥ 215 N/mm² | Nein (µ 1,0001) |
NBK weist darauf hin, dass diese mechanischen Kennwerte „nur als Referenz dienen, nicht garantiert“ sind. Titan Ti-6Al-4V wiegt zudem rund 60 % von Edelstahl. Quelle: NBK-Produktkatalog, Abschnitt „Special screws“, S. 621–626, 633–634.
Zugfestigkeit bei Temperatur
| Werkstoff | 200 °C | 500 °C | 800 °C |
|---|---|---|---|
| Molybdän (SNSM) | 590 N/mm² | 450 N/mm² | 290 N/mm² |
| SUS310S (SNSJ) | 580 N/mm² | 500 N/mm² | 200 N/mm² |
| Inconel-600-äquiv. (SNSI) | 560 N/mm² | 530 N/mm² | 200 N/mm² |
| SUS316L | 560 N/mm² | 500 N/mm² | 250 N/mm² |
| SUS304 | 500 N/mm² | 420 N/mm² | 160 N/mm² |
| Kohlenstoffstahl | 450 N/mm² | 230 N/mm² | 40 N/mm² |
Bei 1.000 °C bleiben nur zwei übrig: Molybdän mit 210 N/mm² und Inconel 600 mit 70. Keramik (Al₂O₃ 99,5 %) und SiC-Schrauben haben eine Dauergebrauchstemperatur von 1.500 °C, sind aber spröde. Quelle: NBK-Produktkatalog, Abschnitt „Special screws“, S. 553–554.
Unmagnetisch: „Edelstahl“ ist keine Antwort
Austenitischer Edelstahl gilt oft als unmagnetisch — für eine Kühlschranktür stimmt das. Für einen Elektronenstrahl nicht: Die Kaltverformung beim Gewindewalzen erhöht die Permeabilität, und die von NBK gemessene Klasse A2 liegt bei µ 1,4 — genug, um den Strahl im REM oder Ionenimplanter abzulenken oder in der Nähe eines MRT-Magneten zum Geschoss zu werden.
Titan und Phosphorbronze spielen in einer anderen Liga: Amplitudenpermeabilität 1,0001 bei einer gemessenen magnetischen Flussdichte von 0 T, während A2-Edelstahl 5 × 10⁻⁵ T zeigt. NBK hat beides mit einem F.W.-Bell-5080-Gauss-/Teslameter im Gleichfeldmodus gemessen, 5 mm vom Prüfling entfernt.
Und denken Sie an das Werkzeug. NBK bietet Innensechskantschlüssel aus Titan (SKHTG) und einen CFRTP-Rollgabelschlüssel (SKMWCP-200) genau deshalb, weil in der Nähe eines MRT-Magneten „Werkzeuge stark vom Magnetfeld angezogen werden und eine Gefahr darstellen“. Eine unmagnetische Schraube, die im MRT-Raum mit einem Stahlschlüssel montiert wird, ist ein gelöstes Problem, ersetzt durch ein schlimmeres.
Amplitudenpermeabilität
| Werkstoff | Amplitudenpermeabilität µ | NBK-Schrauben |
|---|---|---|
| Reintitan (TB340C / TW270) | 1,0001 | SNST, SNPT, SNFT, SVST |
| Phosphorbronze (C5191) | 1,0001 | SNSP |
| Ti-6Al-4V (64-Titan) | 1,0002 | SNSTG |
| SUSXM7 (A2-Edelstahl, Referenz) | 1,4 | — |
Gemessen mit F.W.-Bell-5080-Gauss-/Teslameter im Gleichfeldmodus, Sonde 5 mm vom Prüfling. Quelle: NBK-Produktkatalog, Abschnitt „Special screws“, S. 555–556, 633–634.
Chemikalien: eine Rangfolge, kein Versprechen
NBK veröffentlicht keine universelle Korrosionstabelle — zu Recht: Die Beständigkeit hängt von Konzentration, Temperatur und Dauer ab. Veröffentlicht wird eine Rangfolge, und genau die brauchen Sie für eine Vorauswahl.
Metalle, absteigend nach Beständigkeit: MAT21 → Hastelloy-C-22-äquiv. → Hastelloy-C-276-äquiv. → Monel-400-äquiv. → Titan → Inconel-600-äquiv. → Duplex-Edelstahl → SUS316L HiMo → SUS310S.
Kunststoffe, absteigend: PTFE → PFA → PVDF → H-PVC → PP → PEEK.
Zwei Datenpunkte lohnen sich zu merken. In Schwefelsäure bei 50 °C korrodiert SUS304 mit 1,08 mm/Jahr bei 3 % Konzentration, während SUS316/316L bei 0 liegt — und die Güte SNSX HiMo bleibt sowohl bei 3 % als auch bei 10 % bei 0. Und Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃ 99,5 %) übersteht kochende 98-%-Schwefelsäure, kochende 70-%-Salpetersäure und kochende 35-%-Salzsäure — wird aber von Kaliumfluorid bei 90 °C stark angegriffen. Es gibt keinen universell beständigen Werkstoff; es gibt nur den richtigen für Ihre Chemie.
Die Regel über allem: Vorspannkraft, nicht Drehmoment
Eine Schraube hält nicht durch Drehmoment. Sie hält durch die Axialkraft, die das Drehmoment erzeugt — und wie viel Ihres Drehmoments zu Axialkraft wird, hängt fast vollständig von der Gewindereibung ab.
NBK hat es an derselben Schraube gemessen: Zylinderschraube M5, Klasse A2-70, angezogen mit 5 N·m. Unbehandelt erzeugt sie 2,3 kN Klemmkraft. Dieselbe Schraube mit Niedertemperatur-Schwarzchrom erzeugt 9,2 kN. Die vierfache Vorspannung bei gleicher Schlüsseleinstellung — weil der Reibwert eingebrochen ist.
Das wirkt in beide Richtungen und ist deshalb ebenso Warnung wie Vorteil. Wer eine beschichtete Schraube einsetzt und das Drehmoment der unbeschichteten beibehält, kann die Verbindung über die Streckgrenze treiben. NBK nennt die Regel: Für Klasse A2-70 beträgt die 0,2-%-Dehngrenze 450 N/mm², und „es wird empfohlen, mit einer Axialkraft zu arbeiten, bei der die Spannung beim Anziehen 70 % oder weniger“ davon beträgt. Oberfläche geändert heißt Drehmoment neu berechnet.
Auch der Mechanismus lohnt sich: „Hauptursache des Fressens ist die Reibungswärme an der Gewindeflanke beim Anziehen.“ Wer die Reibung senkt, senkt die Wärme — deshalb verhindern dieselben Behandlungen, die die Vorspannung erhöhen, auch das Fressen.
Gleiche Schraube, gleiche 5 N·m — andere Oberfläche
| Oberflächenbehandlung | Axialkraft | Spannung beim Anziehen |
|---|---|---|
| Keine | 2,3 kN | 146 N/mm² |
| Goldbeschichtung (SNSS-AUS) | 4,3 kN | 273 N/mm² |
| Fluorbeschichtung (SNSS-FC) | 5,0 kN | 317 N/mm² |
| Molybdändisulfid (SNSS-MO) | 6,7 kN | 425 N/mm² |
| PTFE-Beschichtung (SNSS-TF) | 8,7 kN | 552 N/mm² |
| Niedertemp.-Schwarzchrom (SNSS-RY) | 9,2 kN | 584 N/mm² |
Prüfling: Edelstahl-Zylinderschraube M5 × 25, Klasse A2-70, angezogen mit 5 N·m. Beachten Sie: Die letzten beiden überschreiten 70 % der Dehngrenze von 450 N/mm² — bei diesem Moment liegen sie über NBKs eigener Empfehlung. Quelle: NBK-Produktkatalog, Abschnitt „Special screws“, S. 671–672.
Erst die Eigenschaft, dann die Schraube
Hochfeste Schrauben
Hochfeste Schrauben aus Titan Grade 5, SUS316L, Chrom-Molybdän-Stahl, Aluminium und RENY-Kunststoff, die kleinere Bauformen bei gleicher Verbindungsfestigkeit ermöglichen.
Hitzebeständige Schrauben
Schrauben für Einsatztemperaturen weit über 200 °C: SUS316L, Molybdän, Keramik, Vespel, Hastelloy und Inconel für Öfen, Plasma und Hochtemperatur-Prozessanlagen.
Unmagnetische Schrauben
Schrauben mit niedriger Permeabilität aus Titan, SUS316L HiMo, Tantal, Phosphorbronze und Messing für MRT, Kryotechnik, Halbleiter und magnetische Präzisionsinstrumente.
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