Der Festfraß-Effekt bei Edelstahl-Befestigungsmitteln
Einführung
Bei der Anwendung von Edelstahl- oder Aluminumbefestigungsmitteln kann während der Montage die sogenannte „Kaltverschweißung“ (auch bekannt als Festlaufen, Festfressen oder Gewindefraß) auftreten. Wenn dem so ist, haften die Gewinde aneinander, bis keine Bewegung mehr möglich ist, was bereits während der Montage zum Bruch der Schrauben führen kann. Dies verursacht unangenehme oder sogar gefährliche Situationen, die zu Verzögerungen, Schäden oder sogar Verletzungen führen können. Falls die Schrauben während der Montage nicht brechen, sich aber eventuell deformieren oder festlaufen, bevor die korrekte Vorspannung erreicht wurde, kann dies durch Einwirken externer Kräfte auf die Verbindung zu Metallermüdung oder zu zukünftigem Versagen führen. Es ist ein beunruhigender Gedanke, sich vorzustellen, was passiert, wenn kritische Verbindungen unerwartet versagen. Selbst wenn während der Betriebszeit der Verbindung kein Versagen auftritt, kann der Festfraß Probleme bei der Demontage verursachen – und zwar dann, wenn sich die Befestigungen nicht lösen lassen. Wir bekommen regelmäßig Beschwerden von Kunden, bei denen sich nach der Prüfung herausstellt, dass die Produktqualität den Normen entspricht und die Versagensursache in der Kaltverschweißung liegt.
Was verursacht eine Kaltverschweißung?
Metalle, die sich im Kontakt miteinander bewegen, sind der Reibung ausgesetzt. Diese Reibung wird durch die rauen Metallflächen verursacht und kann zur Erwärmung und zum Verschleiß der Teile führen. Wenn der Druck auf die Kontaktflächen steigt, verstärkt sich auch die Reibung. Bei manchen Metallen kann dies zur Abnutzung der Kontaktflächen führen, weil die Reibung so hoch ist, dass die Flächen aneinander haften und die Bewegung Teile der Fläche abreibt. Dieser Effekt ist als Kaltverschweißung, Festlaufen oder Festfressen bekannt.
Bei Gewindebefestigungen (d.b. Muttern und Schrauben) wird sehr viel Druck auf die Kontaktflächen in den Gewindeseiten ausgeübt, was zur erhöhten Reibung und Haftung führt. Dies kann ein Festlaufen der Gewinde verursachen. Produkte aus austenitischem Edelstahl oder Aluminium sind gegenüber Stahlprodukten immer anfälliger für diesen Effekt, aufgrund der Tatsache, dass diese Metalle formbarer sind und aufgrund der kristallinen Atomstruktur dieser Metalle. Daher verursachen austenitische Edelstahl-Befestigungsmittel weit öfter Festfraß-Probleme als Stahl-Befestigungsmittel.
Produkte und Situationen, die das Risiko der Kaltverschweißung erhöhen können
Produkte, die eine höhere Reibung in den Gewinden erzeugen können (d.b. Befestigungsmuttern, die in den Gewinden eine Klemmfunktion ausüben) erhöhen das Kaltverschweißungsrisiko enorm, da die zusätzliche Reibung während der Bewegung viel Reibungsenergie (Wärme) auf einer sehr kleinen Fläche erzeugt. Diese Befestigungsmuttertypen sichern die Vorspannung in der Verbindung nicht, aber die Mutter bleibt auf der Schraube, weil diese nach der Selbstlösung weiterhin Druck auf die Gewinde ausüben. Diese Muttertypen lösen sich aufgrund der Reibung in den Gewinden nicht, bis sie die Fläche des Klemmmaterials erreicht haben. Jede Drehung des Gewindes bedeutet Bewegung unter Reibung und ein größeres Kaltverschweißungsrisiko. Es ist zu empfehlen, verschiedenen Befestigungstypen in Kombination zu verwenden, die unterschiedliche Prinzipien nutzen, um Kaltverschweißungsprobleme zu vermeiden, wenn keine besonderen Schmiermaßnahmen getroffen worden sind.
Die Ergebnisse von Kaltverschweißung in einer Edelstahlmutter
Schraubverbindungen, die aufgrund von Öffnungen zwischen den zu verbindenden Teilen zum Schließen viel Gewindebewegung benötigen, stellen ebenfalls ein erhöhtes Festfraß-Risiko dar. Dasselbe gilt für Verbindungen, die „weiche“ Teile wie Dichtungen oder Federelemente enthalten (d.b. Federringe, Federscheiben, Spiralfedern und weiche Dichtungen aus Gummi oder Kunststoff). Diese Elemente verursachen außerdem einen längeren Bewegungsweg unter Reibung, wenn Gewindebefestigungsmittel verwendet werden.
Eine Flanschverbindung mit einer weichen Dichtung.
Wie kann man Kaltverschweißungs-Effekte minimieren?
Achten Sie immer darauf, dass die Produkte sauber, frei von Graten, Metallpartikeln, Spänen, Sand, Staub usw. sind und dass eine lokale Reibung durch beschädigte Schraubgewinde oder gerissene Bauteile vermieden wird.
Eine geringere axiale Verschiebung der Gewinde bedeutet ein geringeres Festfraß-Risiko. Steife Verbindungen, bei denen nur eine kleine Rotation benötigt wird, um die Vorspannung zu liefern, bedeuten daher ein geringeres Festfraß-Risiko als elastischere Verbindungen mit weichen oder federnden Elementen, bei denen eine größere axiale Verschiebung notwendig ist, um die benötigte Vorspannung zu erzielen.
Langsame und gleichmäßige Drehung der Gewinde-Befestigungen ist ebenso zu empfehlen und vermeiden Sie Schlag- und Druckwerkzeuge. Dies verringert die Folgen der Reibung in der Gewindeverbindung.
Die Kombination zweier verschiedener Typen aus austenitischem Edelstahl wie AISI 304 und AISI 316 wird oft als eine Methode betrachtet, das Kaltverschweißungs-Risiko zu reduzieren, aber da beide eine vergleichbare Oberflächenrauigkeit und Atomstruktur aufweisen, hat dies üblicherweise keinen positiven Effekt auf dieses Risiko. Beide Typen haben eine austenitische Metallstruktur und ein hohes Kaltverschweißungs-Risiko.
Gerollte Gewinde sind im Vergleich zu geschnittenen Gewinden hinsichtlich des Festfraßes zu bevorzugen, da das Rollen eine geringere Rauigkeit der Fläche bewirkt (die meisten der gängigen Edelstahlschrauben und Bolzen haben gerollte Gewinde).
Produkte, die Reibung aktiv reduzieren, wie Schmiermittel mit einem hohen Druckwiderstand, helfen in der Regel gegen Kaltverschweißung. Manche Hersteller von Schmiermitteln produzieren spezielle Anti-Kaltverschweißungs-Beschichtungen mit Schmiereigenschaften.
Neben den Schmiermitteln, die Sie selbst anbringen müssen, gibt es auch Anti-Kaltverschweißungs-Beschichtungen mit Schmiereigenschaften. Diese können vorher angewendet werden und liefern eine nicht haftende, trockene Anti-Reibungsschicht. Dies spart Montagezeit und weil die Oberflächenschicht trocken ist, ist sie weniger anfällig für Verschmutzung durch Kleinpartikel als klebrige, fettige Schmiermittel.
Schlussfolgerung
Indem der Montage von Edelstahl- oder Aluminium-Befestigungsmitteln mehr Aufmerksamkeit gewidmet wird und indem Situationen vermieden werden, welche die Reibung im Gewinde erhöhen, können viele Probleme verhindert werden. Dies steigert die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Gewindeverbindungen.