Von PD Dr. Ralph Hellmig, Leiter F&E Schraube, EJOT GmbH & Co. KG

Wer sich schon des Öfteren die Frage gestellt hat, wie es möglich ist, kostengünstig höchstfeste Bleche oder Gussmaterialien mittels Direktverschraubung zu verbinden, ohne das Risiko einzugehen, dass Schrauben aufgrund einer Wasserstoffversprödung reißen können, findet die Antwort darauf in einer Neuentwicklung von EJOT namens duoHARDtip®

Bekanntermaßen muss eine Schraube, wenn mit ihr ein Gewinde in einen Werkstoff direkt gefurcht werden soll, eine deutlich höhere Festigkeit als dieser aufweisen. Für weiche Einschraubmaterialien wird diese Eigenschaft der Schraube leicht erreicht. Soll aber in höherfeste Werkstoffe verschraubt werden (zum Beispiel Bleche mit Festigkeiten von 600 MPa bis circa 1200 MPa), müssen auch die Schrauben eine sehr hohe Festigkeit aufweisen.

Eine hohe Schraubenfestigkeit ließ sich bisher jedoch nur mit Nachteilen erkaufen, welche für die Anwendung Risiken mit sich bringen. So weisen Schrauben, welche aus kostengünstigem Kohlenstoffstahl produziert werden, bei Festigkeiten oberhalb von circa 1000 MPa die Gefahr eines wasserstoffinduzierten Sprödbruchs auf. Solche Verbindungselemente können unvorhersehbar brechen, wenn es zu einer Überlagerung eines hochfesten Schraubenwerkstoffzustands mit hoher Vorspannung sowie einem kritischen Wasserstoffgehalt kommt. Da man in der Anwendung eine Wasserstoffbeladung nicht ausschließen kann, sind solche Schrauben, insbesondere mit galvanischen Oberflächensystemen, von kritischen Anwendungen ausgeschlossen.

Einen Ausweg aus diesem Dilemma bietet die innovative Verbindungslösung duoHARDtip®, einem Werkstoffkonzept, welches das oben beschriebene Problem vermeidet. Der Kern dieser Entwicklung ist die Herstellung einer Schraube, welche im Bereich von Kopf, Schaft und tragenden Gewindeflanken einer Festigkeit von 10.9 oder 8.8 entspricht, also nach dem aktuellen Stand der Technik keiner besonderen Gefährdung durch Wasserstoffsprödbruch ausgesetzt ist. Um nun aber in höchstfeste Bleche furchen zu können, wird diese Schraube mit einer ausgeklügelten Prozesstechnik und einer besonders harten Furchspitze versehen, welche nach dem Furchprozess nicht mehr belastet wird und daher auch nicht durch einen möglichen späteren Wasserstoffeintrag abbrechen kann.

Die Spitze sowie die ersten furchenden Gewindegänge erhalten durch das besondere Härtungsverfahren typischerweise Festigkeiten von mehr als 700 HV. Genug, um in höchstfesten Blechen oder Gusswerkstoffen ein Gewinde problemlos furchen zu können. Abbildung 1 zeigt die Härtezonen einer duoHARDtip® Schraube im Querschliff. Die unterschiedlichen Zonen im Gefüge sind gut zu erkennen. Insbesondere der höchstfeste Furchbereich weist neben einer hohen Kernhärte einen besonders gehärteten Randbereich auf, um eine maximale Stabilität der Gewindeflanken für den Gewindefurchprozess zu gewährleisten.

Diese einzigartige Werkstoffkombination lässt sich auf verschiedene Typen gewindeformender Schrauben für höchstfeste Materialien übertragen. So kann das duoHARDtip® Konzept zum Beispiel für SHEETtracs® Schrauben, welche zur prozesssicheren Verschraubung dünner Bleche dienen, eingesetzt werden. Für die Verschraubung massiver Bleche und Gussmaterialien bietet sich der Einsatz entsprechend präparierter Spiralform® Schrauben an, welche ein metrisch kompatibles Gewinde in diesen Werkstoffen erzeugen, so dass im Reparaturfall die verwendete gewindefurchende Schraube durch eine passende metrische Schraube ersetzt werden kann.

Abbildung 2 zeigt beispielhaft duoHARDtip Spiralform® Schrauben der Abmessung M5 x 16, welche in ein 1,6 mm starkes Blech des Werkstoffs MSW 1200 direkt verschraubt wurden. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine prozesssichere Verschraubung möglich ist. In hauseigenen Versuchen konnten prozesssichere Verschraubungen in die Blechsorten RA/K 40-70, S700, CP-W 800, CP-W 1000, HSD 600 und MSW 1200 bei Blechdicken bis zu 3 mm nachgewiesen werden. Ebenfalls gelang es, in Stahl-Gusswerkstoffe (GJL und GJS) bis zu einer Festigkeit von 260 HB sichere Verschraubungen auszuführen.

Ein großer Vorteil der Direktverschraubung ist die damit verbundene Kostenersparnis. So erfordert die Verwendung einer metrischen Schraube eine deutlich aufwändigere Präparation der Verbindungsstelle, da entsprechende Löcher im Einschraubwerkstoff noch mit einem Gewinde versehen und vor einer Ver-schraubung gereinigt werden müssen. Auch beim Einsatz von Schweißmuttern in Verbindung mit höherfesten Blechen sind neben dem Anschweißen noch Reinigungsschritte vorzunehmen. Somit lässt sich die Anzahl der Arbeitsschritte durch die Direktverschraubung deutlich reduzieren, da lediglich vorgefertigte Löcher im Einschraubmaterial benötigt werden.

Einsatzmöglichkeiten für duoHARDtip® lassen sich überall dort finden, wo höchstfeste Stähle verbaut werden. So werden zum Beispiel im Automobilbau Querträger, B-Säulenverstärkungen, Stoßfänger, Sitzschienen, Bestandteile des Aufprallschutzes oder Wellentunnel aus derartigen Materialien gefertigt. Auch im Stahlgussbereich ergeben sich interessante Anwendungsfelder, zum Beispiel bei Trägern oder Turboladergehäusen.

Das von EJOT entwickelte, neuartige Werkstoffkonzept ermöglicht die Herstellung von galvanisch beschichteten, höchstfesten Verbindungselementen, welche für die Direktverschraubung in höchstfeste Blech- und Gussmaterialien geeignet sind, ohne die Gefahr der Wasserstoffversprödung einzugehen. Dabei handelt es sich um Verbindungselemente, welche im tragenden Bereich sowohl im Kern als auch in den Gewindeflanken einer Festigkeitsklasse von 10.9 oder 8.8 entsprechen. Dieses ist verbunden mit einer besonders gehärteten Spitze, welche den üblicherweise einsatz- oder induktivgehärteten Spitzen klar überlegen ist. Daraus ergibt sich eine Kombination, welche einzigartig am Markt ist.

(Quelle: OEM & Lieferant, Ausgabe 2/2016)