ISO 898-1, ISO 3506-1, ASTM F606: Schraubenprüfung
Die Normen ISO 898-1, ISO 3506-1 und ASTM F606 beschreiben die Schraubenprüfung von Stahlschrauben und deren mechanische und physikalische Eigenschaften wie beispielsweise Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchverlängerung oder Härte.
- ISO 898-1 legt die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl fest (Schrauben mit festgelegten Festigkeitsklassen - Regelgewinde und Feingewinde)
- ISO 3506-1 legt die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen aus korrosionsbeständigen nichtrostenden Stählen fest (Schrauben mit festgelegten Stahlsorten und Festigkeitsklassen)
- ASTM F606: Standard Test Methods for Determining the Mechanical Properties of Externally and Internally Threaded Fasteners, Washers, Direct Tension Indicators, and Rivets
Als eine der wichtigsten Verbindungselemente sind Schrauben nicht nur in der Industrie allgegenwärtig, sondern auch im Alltag. Sie ermöglichen den Bau komplexer Maschinen und Anlagen genauso wie Fahrzeugen und Gebäuden. Da sich mechanische Spannungen an solchen Verbindungsstellen konzentrieren, ist die Integrität von Schrauben extrem wichtig. Daher unterliegen Schrauben und Muttern strengen Sicherheitsanforderungen.
Übersicht der Prüfverfahren Festigkeitsklassen Zugversuch Prüfkraftversuch Kopfschlagprüfung Härteprüfung Torsionsprüfung Kerbschagbiegeversuch Prüfsysteme
Schraubenprüfung nach ISO 898-1
In der folgenden Tabelle steht eine Übersicht der in ISO 898-1 festgelegten mechanischen Prüfverfahren.
Bei den verschiedenen mechanischen Prüfverfahren wird zwischen fertigen und ganzen Schrauben sowie zwischen Schrauben mit voller und reduzierter Belastbarkeit unterschieden.
Fertige Schrauben sind Schrauben, bei denen die Herstellungsprozesse abgeschlossen sind. Sie sind also „fertig“ hergestellte Schrauben.
Ganze Schrauben sind fertige Schrauben, bei denen der Schaftdurchmesser „ganz“ erhalten bleibt. Man spricht auch von Vollschaftschrauben. Diese Bezeichnung schließt Dünn- und Dehnschaftschrauben sowie Hohlschrauben aus.
Schrauben mit reduzierter Belastbarkeit sind meist aufgrund ihrer Kopfgeometrie (sogenannte Schwachkopfschrauben) nicht voll belastbar wie Schrauben typischer Geometrie derselben Festigkeitsklasse. Solche Schrauben werden mit einer führenden Null gekennzeichnet.
| Abschnitt der ISO 898-1 | Prüfverfahren | Zu bestimmende mechanische Eigenschaften | Schrauben bzw. Probentyp |
|---|---|---|---|
| 9.1 | Schrägzugversuch | Zugfestigkeit | fertige Schrauben mit Kopf (d.h. keine Stiftschrauben) |
| 9.2 | Zugversuch | Zugfestigkeit | fertige Schrauben |
| 9.3 | Dehngrenze, Bruchverlängerung | ganze Schrauben | |
| 9.4 | Zugfestigkeit | Schrauben mit reduzierter Belastbarkeit | |
| 9.5 | Schrauben mit Dehnschaft | ||
| 9.6 | Prüfkraftversuch | Spannung unter Prüfkraft, bleibende Verlängerung | fertige Schrauben |
| 9.7 | Zugversuch | Zugfestigkeit, Streckgrenze/Dehngrenze, Bruchdehnung, Brucheinschnürung | abgedrehte Schrauben |
| 9.8 | Kopfschlagversuch | Kopfzähigkeit | Schrauben mit Kopf |
| 9.9 | Härteprüfung | Härte nach Vickers, Brinell oder Rockwell | alle Schrauben, aber insbesondere Schrauben, die zu klein für den Zugversuch sind |
| 9.10 | Entkohlungsprüfung | Oberflächenhärte (HV 0,3) | Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 – 12.9 |
| 9.11 | Aufkohlungsprüfung | ||
| 9.12 | Wiederanlassversuch | ||
| 9.13 | Torsionsversuch | Bruchdrehmoment | alle Schrauben außer Dehnschaftschrauben |
| 9.14 | Kerbschlagbiegeversuche | Kerbschlagarbeit | spanend hergestellte Proben aus Schrauben mit Durchmesser ≥ 16 mm |
Festigkeitsklassen Schrauben
Festigkeitsklassen von Schrauben werden mit zwei Zahlen angegeben, die durch einen Punkt getrennt sind. Die Zahl links vom Punkt ist die Zugfestigkeit in MPa dividiert durch 100. Die Zahl rechts vom Punkt gibt das Zehnfache des Streckgrenzen- oder Dehngrenzenverhältnisses an.
Beispielsweise hätte eine Schraube der Festigkeitsklasse 9.8 folgende Nennwerte:
- Nennzugfestigkeit: Rm = 9 × 100 MPa = 900 MPa
- Streckgrenzenverhältnis: Re/Rm = 8 ÷ 10 = 0,8
- Streckgrenze: Re = 0,8 × 900 MPa = 720 MPa
Festigkeitsklasse einer Mutter wird durch eine einzige Zahl definiert, die der höchsten Festigkeitsklasse einer Schraube entspricht, mit der die Mutter gepaart werden darf. Eine Mutter der Festigkeitsklasse 9 darf z.B. mit einer Schraube bis zur Festigkeit 9.8 gepaart werden.
Übersicht Festigkeitsklassen Schrauben
| Werkstoffkennwert | 3.6 | 4.6 | 4.8 | 5.6 | 5.8 | 6.8 | 8.8 | 9.8 | 10.9 | 12.9 |
Streckgrenze Re | 180 | 240 | 320 | 300 | 400 | 480 | 640 | 720 | 900 | 1080 |
| Zugfestigkeit Rm (N/mm²) | 330 | 400 | 420 | 500 | 520 | 600 | 830 | 900 | 1040 | 1220 |
Zugversuch an Schrauben nach ISO 898-1, ISO 3506-1, ASTM F606
Schrauben sind Bauteile, die auf ihre industrielle Anwendung hin sehr genau ausgesucht und präzise in die Konstruktion eingepasst werden. Dazu ist es auch für die Sicherheit der Schraubverbindung unumgänglich, den elastischen Zugmodul und die Grenzen der elastischen Beanspruchung in Zugversuchen genau zu bestimmen. Denn hieraus werden die Grenzkräfte für eine sichere Schraubverbindung festgelegt.
Der Zugversuch in all seinen Varianten (Abschnitte 9.1-5 und 9.7) muss nach ISO 6892-1 durchgeführt werden. Besonderheiten für den Zugversuch an Schrauben werden in den Normen ISO 898-1, ISO 3506-1 oder ASTM F606 behandelt. Beispielsweise darf die Prüfgeschwindigkeit 25 mm/min nicht überschreiten. Zusätzlich gilt bei der Bestimmung der Streckgrenze bzw. Dehngrenze eine maximale Prüfgeschwindigkeit von 10 mm/min.
Für ganze Schrauben dürfen die in Abschnitten 9.2 und 9.3 definierten Prüfungen zur Bestimmung der Dehngrenze, Zugfestigkeit und Bruchverlängerung in einem Zugversuch kombiniert werden.
Schraubenprüfung: Probenhalter für Zugversuche an Schrauben nach ISO 898-1
Schraubenprüfung: Zugversuch an Schrauben nach ISO 898-1
Prüfequipment für die Zugprüfung von Schrauben nach ISO 898-1, ISO 3506-1
Entscheidend bei der Dimensionierung einer Prüfmaschine sind Größe und Festigkeit der zu prüfenden Schrauben. Für Schrauben ab einem Gewinde M8 empfehlen wir eine Prüfmaschine für große Prüfkräfte (ab Fmax 600 kN). Ab einem Gewinde M12 wird eine maximale Kraft von 1200 kN benötigt, ab Gewinde M18 sogar eine Prüfmaschine mit 2.500 kN Maximalkraft.
Der Einsatz von gehärteten Probenaufnahmen erlaubt eine effiziente Prüfung von sowohl fertigen Schrauben als auch abgedrehten Schrauben und Gewindestiften. Die Probe wird mit einer passenden Probenaufnahme in den von vorne frei zugänglichen Probenhalter eingeschoben und zentriert sich in der Zugachse von selbst. Für den Schrägzugversuch sind schräge Kopfaufnahmen in Winkelabstufungen von 4°,6° und 10° verfügbar.
Für die Bestimmung der Dehngrenzen wird ein Extensometer benötigt. Bei der Zugprüfung an abgedrehten Schrauben sind alle typischen Extensometer einsetzbar, von berührenden Ausführungen wie der makroXtens bis hin zum berührungslosen Modell videoXtens.
Zum Einspannen der Probe in der Prüfmaschine kommen Probenhalter für Schraubenprüfung mit entsprechenden Kopf- und Gewindeaufnahmen zum Einsatz. Dabei ist sichergestellt, dass die in der Norm vorgegebenen Mindestprobenlänge eingehalten werden.
Prüfkraftversuch an Schrauben nach ISO 898-1
Der Prüfkraftversuch (Abschnitt 9.6) ist ein Zugversuch, der nur bis zu reiner vorgesehenen Prüfkraft durchgeführt wird. Die genaue Prüfkraft hängt vom Gewinde, Schraubendurchmesser und von der Festigkeitsklasse ab. Diese sind in ISO 898-1 tabellarisch aufgeführt.
Beim Aufbringen der Prüfkraft darf eine Prüfgeschwindigkeit von 3 mm/min nicht überschreiten werden. Die Kraft wird 15 Sekunden lang gehalten und der Test ist bestanden, wenn die Schraube nach dem Versuch keine plastische Dehnung innerhalb der zulässigen Messunsicherheit von ±12,5 μm aufweist.
Kopfschlagprüfung an Schrauben
Bei der Kopfschlagprüfung wird die Schraube wird schräg in einen vorgebohrten festen Block eingeführt. Durch schlagartige Beanspruchung wird der Schraubenkopf um einen definierten Winkel gebogen und darf anschließend keine Anzeichen von Rissen aufweisen. Dieser Versuch wird vorwiegend an Schrauben durchgeführt, die zu kurz für den Schrägzugversuch sind.
Der Kerbschlagbiegeversuch findet bei der Schraubenprüfung nur Anwendung, wenn er in einer Produktnorm gefordert wird oder zwischen dem Hersteller und dem Kunden vereinbart wird.
Härteprüfung an Schrauben
Zur Bestimmung der Härte sind die Verfahren nach Vickers (ISO 6507-1), Brinell (ISO 6506-1) oder Rockwell (ISO 6508-1) zulässig.
Für die Härteprüfung nach Vickers gilt eine Mindestlaststufe von HV 10. Die Härteprüfung nach Brinell wird hauptsächlich mit HBW 1/30 oder HBW 2,5/187,5 durchgeführt. Bei der Härteprüfung nach Rockwell wird Skala B (HRB) für Schrauben der Festigkeitsklassen 4.6 – 6.8 und Skala C (HRC) für die der Festigkeitsklassen 8.8 – 12.9 verwendet. Im Schiedsfall muss die Vickers-Härteprüfung als Referenz angewendet werden.
Die Härte wird entweder am Querschnitt oder an der Oberfläche gemessen. Im ersten Fall wird eine Querschnittsprobe aus dem Gewindebereich entnommen. Eindrücke werden in der Nähe der Schraubenachse gemacht und die resultierende Härte wird auch Kernhärte genannt. Wenn die Härte an der Oberfläche gemessen wird, muss dies an einer ebenen Fläche (z.B. am Kopf, an der Kuppe oder am gewindefreien Schaft) nach Entfernung aller Beschichtungen erfolgen.
Beim Wiederanlassversuch wird die Vickershärte vor und nach einer Wärmebehandlung gemessen. Dabei darf sich die Härte um nicht mehr als 20 Vickerseinheiten verringern.
Beim Ent- und Aufkohlungsversuch wird die Härte nach Vickers mit einer Prüfkraft von 2,942 N (HV 0,3) an einem Längsschliff durch die Gewindeachse gemessen.Es wird in der Gewindezone an drei definierten Stellen mit unterschiedlichem Abstand zur Oberfläche geprüft. Zu kleine bzw. zu große Differenzen in den Messwerten deuten auf eine Ent- bzw. Aufkohlung.
Torsionsprüfung an Schrauben
Beim Torsionsversuch wird das Bruchdrehmoment bestimmt. Die Anforderungen und das Verfahren sind in ISO 898-7 (Torsionsversuch und Mindest-Bruchdrehmomente für Schrauben) beschrieben.
Kerbschlagbiegeversuch an Schrauben
Zweck des Kerbschlagbiegeversuchs ist es, die Belastbarkeit des Schraubenmaterials bei tiefer Temperatur zuprüfen. Da eine Charpy V-Kerb-Probe aus der Schraube geschnitten werden muss, muss der Nenndurchmesser mindestens 16 mm betragen. Die Norm ISO 148-1 Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy beschreibt das Prüfverfahren.
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