Warum ist die gemeinsame Verwendung von Edelstahlschrauben und -muttern unter bestimmten Bedingungen nicht zu empfehlen?

In der industriellen Montage und Anlageninstandhaltung gilt schon seit langem die Aussage, dass „Edelstahlschrauben nicht mit Edelstahlmuttern verwendet werden sollten“. Es ist wichtig zu betonen, dass es sich hierbei nicht um ein absolutes Tabu handelt, sondern vielmehr um eine Zusammenfassung der technischen Erfahrungen hinsichtlich Ausfallrisiken unter bestimmten Arbeitsbedingungen. Das Kernproblem ist das „Knebelphänomen“ von Verbindungselementen aus Edelstahl.

 

In Anwendungen wie Kryo-Rohrleitungsflanschen, Druckbehältern und chemischen Geräten kommt es bei der Demontage oft zu starkem Drehwiderstand oder sogar zu der völligen Unmöglichkeit, sie zu entfernen, wenn Edelstahlschrauben und -muttern über einen langen Zeitraum unter hohen Vorspannungsbedingungen im Einsatz waren.

 

Dieses Problem tritt besonders deutlich bei statischer Belastung, fehlender Schmierung und gleichen Materialpaarungsbedingungen auf.

 

 

Aus materialwissenschaftlicher Sicht weist Edelstahl eine gute Duktilität und eine geringe Oberflächenhärte auf. Beim Anziehen von Edelstahlschrauben und -muttern wird der Passivierungsfilm auf der Gewindekontaktfläche unter der kombinierten Wirkung von hohem Druck und Reibungswärme leicht zerstört, und die freigelegte Metallmatrix erfährt dann eine mikroskopische Adhäsion. Mit fortschreitender Rotation tritt diese Adhäsion immer wieder auf und wird abgeschert, was schließlich zu einer lokalen „Kaltverschweißung“ der Gewindegänge führt.

 

Darüber hinaus unterliegen die Verbindungselemente im Langzeiteinsatz unter Belastung einer leichten plastischen Verformung, wodurch die Schraubverbindungen noch fester werden und der Reibungseffekt noch verstärkt wird. Bei der Demontage im Rückwärtsgang muss neben der herkömmlichen Reibungskraft auch der zusätzliche Widerstand durch Materialadhäsion und Strukturverformung überwunden werden, was die Demontage deutlich erschwert.

 

 

Um die Gefahr des Festfressens von Verbindungselementen aus Edelstahl zu verringern, werden in der Ingenieurpraxis häufig folgende Methoden angewendet:

 

Erstens kann die Adhäsionswahrscheinlichkeit durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien verringert werden, z. B. durch die Verwendung von Edelstahlschrauben mit Kupfermuttern oder oberflächenbehandelten Muttern, wodurch die Adhäsionsbedingungen desselben Materials auf Materialebene aufgehoben werden.

 

Zweitens ist das Schmieren der Gewindeoberfläche vor der Montage eine der effektivsten Methoden. Zu den üblichen Schmiermitteln gehören Fett, Graphit, Molybdändisulfid, Anti-{1}Seize-Mittel oder Wachsimprägnierung. Durch diese Maßnahmen kann der Reibungskoeffizient deutlich gesenkt und der Temperaturanstieg unterdrückt werden.

 

Zweitens sollten in Umgebungen mit hohen{0}Temperaturen oder hoher{1}}Belastung vorzugsweise spezielle Anti-{2}}Anti-Seize-Mittel verwendet werden, um ein Sintern oder Haftungsversagen unter erhöhten Temperaturbedingungen zu verhindern.

 

 

Im Vergleich zu Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl sind Verbindungselemente aus Edelstahl anfälliger für Blockierungen, vor allem aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften. Am Beispiel von gewöhnlichem Edelstahl ist seine Härte im Allgemeinen geringer als die von Kohlenstoffstahl der Güteklasse 8,8, aber seine Duktilität ist besser. Wenn die Gewindeoberfläche beschädigt ist, bildet Edelstahl schnell einen neuen Oxidfilm, um Korrosion zu verhindern. Während des Anziehens wird dieser Oxidfilm jedoch kontinuierlich zerstört und regeneriert, wodurch eine Kettenreaktion aus „Zerstörung-Adhäsion-Scherung-Wieder-Adhäsion“ entsteht, die letztendlich zur Blockierung führt.

 

Dieses Phänomen tritt besonders häufig bei Verbindungselementen aus Edelstahl, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen auf, während seine Wahrscheinlichkeit bei Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl mit höherer Härte und geringerer Duktilität relativ gering ist.

 

 

In der Praxis sind Verriegelungsprobleme häufig nicht auf einen einzigen Faktor zurückzuführen, sondern auf mehrere Bedienungsfehler. Beispielsweise können nicht übereinstimmende mechanische Eigenschaften von Schrauben und Muttern, das Vorhandensein von Graten oder Metallspänen auf der Gewindeoberfläche oder übermäßiger Kraftaufwand oder eine zu hohe Anzugsgeschwindigkeit bei der Installation das Risiko eines Festfressens erheblich erhöhen.

 

Bei der Verwendung eines elektrischen Schraubenschlüssels zum Hochgeschwindigkeits-Anziehen steigt die Temperatur des Gewindepaares in kurzer Zeit stark an, was eine der typischen Ursachen für ein plötzliches Festfressen istVerbindungselemente aus Edelstahl. Darüber hinaus kann es auch zu einer lokalen Spannungskonzentration kommen, wenn die Mutter nicht senkrecht zur Schraubenachse gehalten wird oder keine Unterlegscheibe oder Federscheibe verwendet wird, was wiederum zum Festfressen führt.