Prüfung von Schrauben nach DIN EN ISO 898-1, ASTM F606-1, DIN EN ISO 3506-1

Bei der Prüfung von Schrauben nach DIN EN ISO 898-1, ASTM F606-1, DIN EN ISO 3506-1 werden mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchverlängerung oder Härte bestimmt. 

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.

Gebrochene Schraube

Festigkeitsklassen

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.

Begrifflichkeiten

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.

Zugversuch an Schrauben

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. Dabei 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.

Prüfvorrichtung für die Prüfung von Schrauben
Probenhalter für die Prüfung von Schrauben nach DIN EN ISO 898-1, ASTM F606-1, DIN EN ISO 3506-1

Prüfkraftversuch an Schrauben

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.

Prüfvorrichtung für die Prüfung von Schrauben nach DIN EN ISO 898-1, ASTM F606-1, DIN EN ISO 3506-1

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.

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.

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.

Kerbschlagversuch an Schrauben

Zweck des Kerbschlagversuchs 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. ISO 148-1 (Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy) beschreibt das Prüfverfahren.

Passende Produkte für die Zugprüfung von Schrauben

Entscheidendbei der Dimensionierung einer Prüfmaschine sind Größeund Festigkeit der zu prüfenden Schrauben.

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 Längenänderungsaufnehmer benötigt. Bei der Zugprüfung an abgedrehten Schrauben sind alle typischen Extensometer einsetzbar, von berührenden Ausführungen wie der makroXtens bis hin zum berührungslosen Modell videoXtens.
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