Dipl. Ing (FH) Axel Hertneck: Die Schmierung von Schrauben (VTH 224)

Die vorliegenden Ausführungen sollen einen Überblick über die Bedingungen, Möglichkeiten und Auswirkungen einer gezielten Schraubenschmierung geben. Dabei geht es unter anderem um die Einteilung der Gewindeschmierstoffe in die drei Gruppen Pasten, Gleitfilme und Gleitlacke. Dazu wird erläutert, in welchen Bereichen die jeweiligen Schraubenschmiermittel zum Einsatz kommen und wie sie praktisch angewendet werden. Auch Probleme bei der Anwendung werden angesprochen.

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 Coùlombschen 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 (Bild 1 Übertragbares Moment) ist an einer Flanschverschraubung die übertragbare Kraft als Moment (Mt) in Abhängigkeit von der Anzahl der Schrauben (n) und der erzielten Vorspannung (Fv) dargestellt. Dieses Bild zeigt aber auch gleich die konstruktiven Möglichkeiten bzw. kaufmännischen Aspekte bei so einem „simplen” Bauteil. Denn unter der Voraussetzung einer gleichbleibenden Reibzahl in den Flanschflächen ist die Klemmkraft bzw. Vorspannkraft (Fv) zum einen von der Schraubendimension und deren Werkstoffgüte und zum anderen vom Anzugs- bzw. 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 90prozentige 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) bzw. der Vorspannung (horizontale Linie) in der direkten Umgebung der Qualitätslinie bedeutet eine optimale Montage der vorhandenen Schraube.
Zur optimalen Ausnutzung der Schraube gehört jetzt noch die richtige Reibzahl (Wunsch ist 0,12 ± 0 und allgemein akzeptiert 0,1 bis 0,18). Auswirkungen der reibungsbeeinflussenden Schraubenwerkstoffe oder Schraubenüberzüge bzw. gezielt aufgebrachter Schmierfilme sind dem Diagramm ebenso zu entnehmen. Da die Reibung dimensionsunabhängig ist, sind die Verhältnisse einer M-10-Schraubverbindung auch auf kleinere bzw. größere Dimensionen direkt übertragbar. Nebenbei sei bemerkt, daß auch mit der Momentenreduzierung Energiekosten eingespart werden können.
Reibzahlbeeinflussung
Die Reibzahl in der Schraubverbindung kann sowohl in gewissem Umfang durch die Materialkombination incl. galvanischer Oberflächen von Muttern- und Schraubengewinde beeinflußt werden, als auch durch nachträgliche Anwendung von unterschiedlichen Schmiermitteln bzw. 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.
Pastenschmierung
Beim Thema Pastenschmierung sei vorweg davor gewarnt, sogenannte 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- bzw. Gewindepasten, oftmals als Antiseize-Pasten bezeichnet, wird hingegen vom Hersteller eine Reibzahl angestrebt, die in der Größenordnung einer phosphatiert, geölten Schraubenoberfläche (ca. 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 besitzen 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- bzw. 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
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 usw., 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 in der Regel 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 (z.B. austenitische, aber hochlegierte, überwiegend nichtrostende Stähle) bei der Montage in bezug auf Freßerscheinungen stark gefährdet. Spätere Demontageprobleme sind dann programmiert. Diese Gleitbeschichtungen finden in großem Umfang Berücksichtigung in den Lieferbedingungen für Schrauben und Gewindeteile für die Automobil- bzw. deren Zulieferindustrie. Des weiteren sind sie unverzichtbarer Bestandteil von Spanplatten- und Holzschrauben. Die unkomplizierte Handhabung dieser Gleitbeschichtung beeinflußt den Wirtschaftlichkeitsfaktor sehr positiv.
Gleitlackbeschichtungen
Bei den Gleitlackbeschichtungen werden die unterschiedlichsten Festschmierstoffe mit Hilfe von aushärtenden Lacken auf den Schraubenoberflächen fixiert. Sie erzeugen in der Regel 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 (Schraube mit partieller Gleitlackbeschichtung) zeigt, häufig nur ganz gezielt und partiell aufgetragen. Im vorliegenden 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- bzw. 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 sogenannten 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 Warmaushärtung, um die geforderte Abriebfestigkeit bzw. 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, sollten 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: Dipl. Ing (FH) Axel Hertneck, OKS Spezialschmierstoffe, München
VTH Verband technischer Handel e.V.
Prinz-Georg-Straße 106, 40479 Düsseldorf