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Festigkeitsklassen von Gewindeteilen

Der Umgang mit den Festigkeitseigenschaften von Gewindeteilen, welche in Festigkeitsklassen eingeteilt werden, führt immer wieder zu Verwechslungen und zu einer fehlerhaften Festigkeitsauswahl.
Mit Hilfe der Festigkeitsklassen werden Gewindeteile nach Ihrer Qualität hinsichtlich der Festigkeit eingeteilt und benannt. Anhand der Festigkeitsklasse eines Gewindeteiles können seine jeweiligen Eigenschaften wie Zugfestigkeit Rm und die Streckgrenze Re (bzw. die 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2) sehr einfach ermittelt werden. Besonders zu beachten ist bei den im Bauwesen eingesetzten Gewindeteilen der Umstand, dass Gewindeteile aus unlegiertem oder niedrig legiertem Stahl (nicht korrosionsbeständig) und solche aus Edelstahl (korrosionsbeständig) durch zwei unterschiedliche Festigkeitsklassensysteme eingeteilt sind. Die höheren Festigkeitsklassen werden bei den beiden genannten Gruppen durch jeweils unterschiedliche Methoden erzielt.


Festigkeitsklassen bei unlegierten und
niedrig legierten Stählen

(nicht korrosionsbeständiger Stahl)

Einteilungssystem
Bei unlegierten und niedrig legierten Stählen werden die Festigkeitsklassen von Schrauben und Muttern mit den in  DIN EN 20898 festgelegten Bezeichnungssystemen angegeben. Dabei ist zu beachten, dass Muttern und Schrauben (hierzu zählen auch Gewindestangen) mit unterschiedlichen Bezeichnungssystemen gekennzeichnet werden.

Die Festigkeitsklasse der Mutter wird durch eine zwischen zwei Strichen angegebene Zahl gekennzeichnet (z.B. |5|), die 1/100 der Prüfspannung σL angibt. Diese entspricht der Mindestzugfestigkeit der Schraube, mit der die Mutter gepaart werden kann. Damit wird gewährleistet, dass die Mutter an die Festigkeit der Schraube bzw. Gewindestange angepasst ist. Auf die Angabe der Streckgrenze wird verzichtet.

Bei Schrauben wird die Festigkeit durch zwei mit einem Punkt getrennte Zahlen angegeben (z.B. 5.6). Die erste Zahl entspricht 1/100 der Mindestzugefestigkeit in N/mm². Die zweite mit 10 multipliziert ergibt das Verhältnis der Mindeststreckgrenze zur Mindestzugfestigkeit in Prozent. Für die Festigkeitsklasse 5.6 bedeutet das:

        1. Zahl = 5 = Rm / 100           →     Rm = 500 N/mm²    (Zugfestigkeit)
        2. Zahl = 6 = 10 * Re / Rm     →     Re = 300 N/mm²    (Streckgrenze)

Die Paarung von Mutter und Schraube sollte mit möglichst gleicher Festigkeitsklasse gewählt werden, z.B. Schraube 5.6 zu Mutter | 5 |. Im allgemeinen können auch Muttern einer höheren Festigkeitsklasse anstelle der passenden Mutter gleicher Festigkeitsklasse gewählt werden.
 
metallurgische Betrachtung
Schrauben höherer Festigkeit werden bei unlegierten und niedrig legierten Stählen u.a. durch das Hinzulegieren von Kohlenstoff sowie durch Vergütung erreicht. Allgemein ist zu sagen, dass Schraubenmaterialien mit höherer Festigkeitsklasse einen höheren Kohlenstoffgehalt haben als Schraubenmaterialien mit niedrigerer Festigkeitsklasse. Die zu wählende Materialsorte ist nicht genormt.

Ein höherer Kohlenstoffgehalt führt gleichzeitig zu Problemen hinsichtlich der Schweißbarkeit des Materials, da ab einem Kohlenstoffgehalt von >0,22 % ein Schweißen mit Schmelzschweißverfahren zur Zerstörung des Materials und zur Minderung dessen Tragfähigkeit führt. Das Verschweißen mittels Reibschweißen (einem Pressschweißverfahren) ist ohne Zerstörung möglich, allerdings muss  im speziellen Fall die jeweilige Materialpaarung der zu verschweißenden Stähle berücksichtigt werden. Baurechtlich hingegen ist zu beachten, dass Gewindeteile mit Ihren Festigkeitsklassen lediglich als nicht verschweißte Schrauben und Muttern bauaufsichtlich geregelt sind. Gewindeteile in Verankerungskonstruktionen hingegen sind nicht mehr als „normale“ Gewindeteile zu behandeln, sondern als Konstruktionen nach DIN 18 800 einzustufen. Aus diesem Grund können Gewindeteile aus unlegiertem und niedrig legiertem Stahl bei geschweißten Verankerungen aus zulassungstechnischen Gründen mit einer maximalen Festigkeit von 5.6 angesetzt werden.

Ein zusätzlicher Korrosionsschutz für Gewindematerialien aus unlegierten und niedrig legierten Stählen ist z.B. durch das Feuerverzinken (HTV-Verfahren) der Gewindeteile zu erlangen.


Festigkeitsklassen bei Edelstählen

(korrosionsbeständiger Stahl)

Einteilungssystem
Im Gegensatz zu unlegierten und niedrig legierten Stählen werden bei Edelstählen sowohl Muttern als auch Schrauben mit einem einheitlichen Klassifizierungssystem belegt. Edelstahlgewinde werden im Bauwesen in die Festigkeitsklassen 50, 70 und 80 eingeteilt.  Es sei hier angemerkt, dass nicht alle theoretisch möglichen Festigkeitsklassen für Edelstahl in der Praxis hergestellt werden können (siehe „metallurgische Betrachtung“). Die Festigkeitsklasse wird durch eine Zahl gekennzeichnet (z.B. 50), die 1/10 der Zugfestigkeit fu,b,k in N/mm² angibt. Die jeweilige Streckgrenze fy,b,k wird nicht über die Kennzahl angegeben, stattdessen ist sie nach zuschlagen, wie z.B. in der Zulassung nichtrostender Stähle Z-30.3-6, Tabelle 12.

metallurgische Betrachtung
Im Unterschied zu Gewindeteilen aus niedrig und unlegiertem Stahl ist bei Gewindeteilen aus Edelstahl die Festigkeitsklasse und die Materialsorte durch Ihre Kennzahl eindeutig festgelegt. Eine höhere Festigkeitsklasse durch das Hinzulegieren von einzelnen Elementen ist somit nicht möglich, da die Festlegung der genormten Materialsorte dies nicht zulässt. Stattdessen wird die höhere Festigkeit durch „Kaltverfestigung“ erlangt.

Die Kaltverfestigung ist eine ungezielt eingebrachte Formänderung des Ausgangsmaterials. Die sich während der plastischen Verformung erhöhende Versetzungsdichte führt zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass sich Gittersetzungen bei Ihrer Bewegung treffen und dadurch gegenseitig in Ihrer Bewegung behindern. Zu einer Weiterverformung ist eine größere Spannung notwendig, was sich in einer Zunahme von Dehngrenze und Härte bemerkbar macht. Die erhöhte Versetzungsdichte führt zusätzlich zu einer Erhöhung der im Kristall gespeicherten Energie. Bringt man ein kaltverfestigtes Metall lange genug in einen Temperaturbereich, in dem die „Gitterfehler“ ausheilen können, baut sich die Festigkeit des Metalles durch Rekristallisation wieder ab.

Die Kaltverfestigung ist somit ein Vorgang, der durch Umformen erreicht wird. Die zu erzielende Festigkeit ist stark abhängig von der jeweils eingesetzten Maschine. Das Material wird durch Recken oder Ziehen bis in den Verfestigungsbereich hinein verformt. Diese plastischen Verformungen bleiben nach der Entlastung erhalten, so dass bei Wiederbelastung der Übergang zwischen elastischen und plastischen Zustand ohne Fließplateau stattfindet.

Bei Schrauben und Gewindestangen sind Festigkeitsklassen > 50 i.d.R. bis zu einer Gewindegröße von M20 problemlos zu erzielen. Ab dieser Größe ist die Festigkeitsklasse abhängig von der Kraft der verwendeten Maschine zum Recken des Vormaterials. Bei Schrauben > M20 ist es empfehlenswert die Festigkeitsklasse immer mit dem Lieferanten abzuklären.
Bei der Herstellung von Gewindehülsen wird Vormaterial mit großem Außendurchmesser verwendet. Technisch ist es nicht mehr möglich ab Gewindegröße M16 Vormaterial mit den Werkstoffeigenschaften für die Festigkeitsklasse 70 herzustellen. Somit besitzen die Gewinde unserer Verankerungen die Festigkeitsklasse 50. Dieser Umstand ist vor allem beim Aufbringen des Drehmomentes beim Verschrauben zu beachten.

Zusätzlich ist zu beachten, dass die Zulassung Z-30.3-6 für „nichtrostende Stähle“ vorschreibt, dass Verbindungsmittel, an denen ein Schweißen vorgesehen ist, grundsätzlich mit der Festigkeitsklasse 50 einzustufen sind. Der Grund ist darin zu finden, dass durch das Schweißen eine eventuell vorher eingebrachte Kaltverfestigung durch die beim Schweißen wirkenden Temperaturen wieder aufgehoben wird (→ Rekristallisation).

Bei der Verwendung von Edelstahl-Gewindeteilen sollten Planer darauf achten, dass nicht jede theoretisch mögliche Festigkeitsklasse in allen Gewindegrößen herstellbar und verfügbar ist. Hier sollte man sich intensiv mit dem Hersteller abstimmen!

 
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