Die Schmierung von Schrauben

Die vorliegenden Ausführungen geben einen Überblick über Bedingungen, Möglichkeiten und Auswirkungen einer gezielten Schraubenschmierung. 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.

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 Coulombschen Gesetz entsprechend ist die übertragbare Kraft in einer Verschraubung direkt proportional zur erreichten Klemmkraft und von der zwischen den verspannten Bauteilen vorherrschenden Reibzahl abhängig. Bild 1 zeigt an einer Flanschverschraubung die übertragbare Kraft als Moment (Mt) in Abhängigkeit von der Anzahl der Schrauben (n) und der erzielten Vorspannung (Fv). Dieses Bild zeigt aber auch die konstruktiven Möglichkeiten bzw. kaufmännischen Aspekte bei einem so „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 Werkstoff sind Kostenfaktoren, die in die Wirtschaftlichkeitsrechnung eingehen. Welche Auswirkungen die Reibung in der Schraubverbindung nach sich zieht, zeigt Bild 2. 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, niedrigere 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 Ausnut-zung 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 inkl. 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 (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 phosphatierten, 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 sind sie unverzichtbarer Bestandteil der Verschraubungstechnologie. Bild 4 zeigt die Anwendung solcher Gleitmittel an einer gewindeformenden Schraube. 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 und 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. Daneben sind sie unverzichtbarer Bestandteil von Spanplatten und Holzschrauben. Ihre unkomplizierte Handhabung beeinflußt den Wirtschaftlichkeitsfaktor sehr positiv.

Gleitlackbeschichtungen

Bei den Gleitlackbeschichtungen werden die unterschiedlichen Festschmierstoffe mit Hilfe aushärtender Lacke 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, eingesetzt werden. Diese Gleitlacke werden, wie Bild 5 zeigt, häufig nur ganz gezielt und partiell aufgetragen. Hier 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 Bild 5 weiter zeigt, trug eine mikroverkapselte Klebevorbeschichtung diesem Problem Rechnung.
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 drei 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.