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wt-online - Ausgabe 08-2001, S. 526

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Schmierung, Maschinenelemente

Die Schmierung von Schrauben

Grundlegendes Ziel bei der Anwendung einer Schraube ist es, die Kraftübertragung in einem Bauteil über den Reibschluss der verspannten Bauteile zu gewährleisten und nicht über die Scherbeanspruchung der Schraube. Damit sollte von vornherein klargestellt sein, dass die Schraube nicht als ein hochwertigerer Niet, Stift oder gar Splint missbraucht wird. Dem Co¹lombschen Gesetz entsprechend ist die übertragbare Kraft in einer Verschraubung direkt proportional zur erreichten Klemmkraft und von der zwischen den verspannten Bauteilen vorherrschenden Reibzahl abhängig.Im Bild
1 ist an einer Flanschverschraubung die übertragbare Kraft als Moment (Mt) in Abhängigkeit von der Anzahl der Schrauben (n) und der erzielten Vorspannung (Fv) dargestellt. Das Bild zeigt aber auch gleich die konstruktiven Möglichkeiten und kaufmännischen Aspekte bei so einem "einfachen" Bauteil. Denn unter der Voraussetzung einer gleichbleibenden Reibzahl in den Flanschflächen ist die Klemmkraft oder Vorspannkraft (Fv) zum einen von der Schraubendimension und deren Werkstoffgüte und zum anderen vom Anzugs- und Montagemoment MA sowie der vorherrschenden Reibung zwischen Muttern- und Bolzengewinde abhängig. Die notwendige Anzahl und die Dimension der Schrauben bestimmen daher die Baugröße und nehmen somit Einfluss auf die Konstruktion. Schraubendimension und -anzahl sowie der zugrundegelegte Schraubenwerkstoff sind Kostenfaktoren, die in die Wirtschaftlichkeitsrechnung eingehen. Welche Auswirkungen die Reibung in der Schraubverbindung nach sich zieht, ist im Bild
2, dem Ma-Fv-Diagramm ersichtlich. Der Einfachheit halber ist in diesem Diagramm als dicke Linie nur die 90%ige Streckgrenze einer 8.8 Schraubenqualität eingezeichnet. Höhere Schraubenqualitäten liegen parallel hierzu oberhalb dieser Linie und niedrigere Schraubenqualitäten dementsprechend parallel unterhalb dieser Linie. Der Schnittpunkt eines Reibstrahles mit dem Anzugsmoment (vertikale Linie) oder der Vorspannung (horizontale Linie) in der direkten Umgebung der Qualitätslinie bedeutet eine optimale Montage der Schraube. Zur optimalen Ausnutzung der Schraube gehört jetzt noch die richtige Reibzahl (Wunsch ist 0,12
µ
0 und allgemein akzeptiert 0,1 bis 0,18). Auswirkungen der reibungsbeeinflussenden Schraubenwerkstoffe oder Schraubenüberzüge beziehungsweise gezielt aufgebrachter Schmierfilme sind dem Diagramm ebenso zu entnehmen. Da die Reibung dimensionsunabhängig ist, sind die Verhältnisse einer M-10-Schraubverbindung auch auf kleinere und größere Dimensionen direkt übertragbar. Nebenbei sei bemerkt, dass auch mit der Momentenreduzierung Energiekosten eingespart werden können.

Die Reibzahl in der Schraubverbindung kann sowohl in gewissem Umfang durch die Materialkombination einschließlich galvanischer Oberflächen von Muttern- und Schraubengewinde beeinflusst werden als auch durch nachträgliche Anwendung von unterschiedlichen Schmiermitteln oder schmierwirksamen Überzügen. Bestimmende Faktoren für die Auswahl des geeigneten Schmiermittels sind neben der geforderten Reibzahl auch Gesichtspunkte der Montagestreuung, des Korrosionsschutzes und der Demontierbarkeit nach längerem Einsatz bei hohen Temperaturen in widriger Umgebungsatmosphäre. Aufgrund langjähriger Erfahrung können daher die Gewindeschmierstoffe in die drei Gruppen Pasten, Gleitfilme und Gleitlacke (auch bekannt unter Anti-Friction-Coatings) aufgeteilt werden.

Beim Thema Pastenschmierung sei vorweg davor gewarnt, so genannte "Montagepasten" für die Schmierung von Befestigungsgewinden ohne deren genaue Kenntnis und Auswirkungen zu verwenden. Die Gefahr einer Überbeanspruchung der Schraube durch die üblicherweise sehr niedrigen Reibzahlen ist beinahe programmiert. Bei den speziellen Schrauben- und Gewindepasten, oftmals als "Antiseize-Pasten" bezeichnet, wird hingegen vom Hersteller eine Reibzahl angestrebt, die in der Größenordnung einer phosphatiert, geölten Schraubenoberfläche (zirka 0,12) liegt und von den meisten Konstrukteuren als Grundlage zur Berechnung angewendet wird. Das heißt, das Streckgrenz-Gefühl des Monteur-Oberarmmuskels muss nicht sensibilisiert werden. Diese Pasten sollen einerseits bei der Montage eine Beschädigung der Gewindeoberfläche durch Fressen vermeiden und andererseits eine leichte Demontage auch nach längeren Zeiten selbst bei höchsten Temperaturen und korrosiven Umgebungseinflüssen gewährleisten. Diese Gewindepasten haben oberflächentrennende Eigenschaften, die bis in den Schmelzbereich des Schraubenwerkstoffes hin wirksam sind und bieten gleichzeitig durch ihre gewindeausfüllende Konsistenz eine Abdichtung gegenüber dem Eindringen von korrosiven Medien. Je nach Temperaturbeaufschlagung, aber auch abhängig vom vorhandenen Schraubenwerkstoff, stehen Schrauben- und Hochtemperaturpasten der unterschiedlichsten Zusammensetzung zur Verfügung.In Bild
3 ist das Zusammenspiel von Temperatur, Pastenwirkstoff und Verhältnis von Lösemoment (Ml) zu Anzugsmoment (Ma) dargestellt. Bei extremen Temperatureinsätzen muss man also durchaus mit einem im Vergleich zum Anzugsmoment höheren Lösemoment rechnen. Doch sobald die Vorspannung auf 0 ist, kann problemlos von Hand weiter demontiert werden.

Gleitbeschichtungen, meist basierend auf wässrigen Wachsdispersionen, sind prädestiniert für die kostengünstige Behandlung von Gewindeteilen als Massengut. Diese Schmiermittel sind ausgezeichnete und unerlässliche Hilfsmittel zur Gewährleistung gleichbleibender Montagevoraussetzungen bei hochwertigen Verschraubungen. Seit der Verbannung von Cadmiumbeschichtungen sind sie unerlässlich für korrosionsschützende galvanische Überzüge wie Zink, Zink-Eisen, Zink-Nickel und so weiter, um die geforderten Reibzahlen zu erreichen. Auch bei gewindeformenden Schrauben, die immer mehr Anwendung finden, sind diese Gleitbeschichtungen unverzichtbarer Bestandteil der Verschraubungstechnologie.In Bild
4 ist die Anwendung solcher Gleitmittel an einer gewindeformenden Schraube dargestellt. Ein Fressen im Gewinde während des Gewindeform-Vorganges hat meist ein Versagen im Erreichen der geforderten Vorspannung zur Folge, da das eingestellte Montagemoment bereits ohne Erzielung jeglicher Klemmkraft erreicht wird. Selbst bei nichtgewindeformenden Verschraubungsvorgängen, also bei einer Standardverschraubung, sind duktile (zäh-elastische) Werkstoffe (zum Beispiel austenitische, aber hochlegierte, überwiegend nichtrostende Stähle) bei der Montage in bezug auf Fresserscheinungen enorm gefährdet. Spätere Demontageprobleme sind dann praktisch vorprogrammiert. Diese Gleitbeschichtungen finden in großem Umfang Berücksichtigung in den Lieferbedingungen für Schrauben und Gewindeteile für die Automobil- und deren Zulieferindustrie. Des Weiteren sind sie unverzichtbarer Bestandteil von Spanplatten- und Holzschrauben. Die unkomplizierte Handhabung dieser Gleitbeschichtung beeinflusst den Wirtschaftlichkeitsfaktor sehr positiv.

Bei den Gleitlackbeschichtungen werden die unterschiedlichsten Festschmierstoffe mit Hilfe von aushärtenden Lacken auf den Schraubenoberflächen fixiert. Sie erzeugen meist auch unter extremen Belastungen äußerst niedrige Reibzahlen. Daher sollten sie nur bei kontrollierten Verschraubungsfällen, bei denen die Reibzahl berücksichtigt wurde und wird, eingesetzt werden. Diese Gleitlacke werden, wie Bild
5 zeigt, häufig nur ganz gezielt und partiell aufgetragen. Im Bild ist es die konische Kopfauflage, die mit einem Gleitlack behandelt ist, um nur dort wirksam zu werden. Sehr niedrige Reibzahlen in Schraubverbindungen können aber auch zu Schraubensicherungsproblemen durch Beeinträchtigung der Selbsthemmung führen. Wie in Bild
5 weiter zu sehen ist, wurde diesem Problem durch eine mikroverkapselte Klebevorbeschichtung Rechnung getragen.Auf Gleitlackbeschichtungen wird immer dann zurückgegriffen, wenn es um Langzeit- oder Lebensdauerschmierungen geht oder mehrmalige Wiederverwendung vorgesehen ist. Des Weiteren kann mit diesen Lackbeschichtungen auch ein Korrosionsschutz-Überzug geschaffen werden. Eine besondere Stellung nehmen hier die "Zink-Lamellen-Beschichtungen" ein, die zur Reduzierung und Nivellierung der Reibzahl teilweise auch Festschmierstoffe enthalten. Deren primäres Augenmerk liegt jedoch auf dem Korrosionsschutz. Die notwendige Reibzahleinstellung erfolgt durch ein Top-Coating mit einem Gleitfilm. Gleitlacke bedürfen in sehr vielen Fällen einer Warm
aushärtung, um die geforderte Abriebfestigkeit und Medienbeständigkeit zu erreichen. Partialbeschichtungen können naturgemäß nicht mehr in einem Tauchzentrifugierverfahren appliziert werden und sind daher wirtschaftlich nur bei entsprechend eingerichteten Beschichtern durchführbar.

Obwohl die dreierlei Schraubenschmierstoffarten sich in ihrer Leistung zum Teil überschneiden, ist die richtige Auswahl sehr stark vom Verschraubungsfall abhängig. Wie eingangs bereits erwähnt, sollen die Ausführungen auch nur einen Überblick über die Möglichkeiten und Auswirkungen einer gezielten Schraubenschmierung darstellen. Was einerseits an Kosten für den Schmierstoff aufgebracht wird, wird andererseits durch Einsparungen bei Schraubenmaterial, Schraubendimension, Betriebssicherheit und Handhabung wieder mehr als wettgemacht.

Autor:
Hertneck, A.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 08-2001, Seite 526
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