2. Rost- und säurebeständige Verbindungselemente

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1 2. Rost- und säurebeständige Verbindungselemente 2.1 Mechanische Eigenschaften Für Schrauben und Muttern aus Edelstahl gilt die IN EN ISO Es gibt eine Vielzahl von nichtrostenden Stählen, die in die drei Stahlgruppen ustenitisch, Ferritisch und Martensitisch untergliedert werden, wobei der austenitische Stahl die größte Verbreitung gefunden hat. eispiel: 2 70 ustenitischer Stahl 2 Legierungstyp innerhalb der Gruppe 70 Zugfestigkeit mindestens 700 MPa, kaltverfestigt ie Stahlgruppen und die Festigkeitsklassen werden mit einer vierstelligen uchstaben- und Ziffernfolge bezeichnet. Stahlgruppe ustenitisch Martensitisch Ferritisch Stahlsorte F1 Festigkeitsklassen Schrauben, Muttern Typ 1 Niedrige Muttern weich kaltverfestigt hochfest weich vergütet weich vergütet vergütet weich kaltverfestigt Unterscheidungsmerkmale austenitischer Stahlsorten (nach ISO 3506) Stahlgruppe hemische Zusammensetzung in (Maximalwerte, soweit nicht andere ngaben gemacht sind) Si Mn P S r Mo Ni u 1 0,12 1 6,5 0,2 0,15 0, ,7 5 1,75 2,25 2 0, ,05 0, , ,045 0, , ,045 0, , , ,045 0, ,5 2 3, und 5 stabilisiert gegen Interkristalline Korrosion durch Zusätze von Titan, Niob oder Tantal. hemische Zusammensetzung austenitischer Stähle (nach ISO 3506) 1758

2 ie wichtigsten nichtrostenden Stähle und ihre Zusammensetzung Werkstoffbezeichnung Werkstoff- Nr. Si Mn 1 X 8 r Ni S , 1,0 2,0 17,0 19,0 8 S 0,15 0,35 2 X 5 r Ni ,07 1,0 2,0 17,0,0 8,5 X 2 r Ni ,03 1,0 2,0 17,0,0 12,5 X 8 r Ni Ti 19/ ,07 1,0 2,0 17,0,0, X 6 r Ni Ti , 1,0 2,0 17,0 19,0 9,0 11,5 Ti 5 X 4 X 5 r Ni Mo ,07 1,0 2,0 16,5 18,5 2,0 2,5,5 13,5 X 2 r Ni Mo ,03 1,0 2,0 16,5 18,5 2,0 2, X 6 r Ni Mo Ti , 1,0 2,0 16,5 18,5 2,0 2,5,5 13,5 Ti 5 X Tab. 15: Gängige nicht rostende Stähle und ihre chemische Zusammensetzung r Mo Ni ltri Stahlsorte 1 ie Stahlsorte 1 ist speziell für die spanende earbeitung bestimmt. urch den hohen Schwefelgehalt haben die Stähle dieser Stahlsorte eine geringere Korrosionsbeständigkeit als entsprechende Stähle mit einem normalen Schwefelgehalt. Stahlsorte 2 ie Stähle der Sorte 2 sind die am häufigsten eingesetzten nichtrostenden Stähle. Sie werden für Kücheneinrichtungen und pparate für die chemische Industrie verwendet. ie Stähle dieser Stahlsorte sind nicht geeignet für die Verwendung in nichtoxidierender Säure und chloridhaltigen Medien, z.. in Schwimmbädern und Meerwasser. Stahlsorte 5 ie Stähle der Sorte 5 sind stabilisierte säurebeständige Stähle mit Eigenschaften der Stähle der Sorte 4 (siehe auch 3) Festigkeitseinteilung von Edelstahlschrauben In der IN EN ISO 3506 sind die für Verbindungselemente empfohlenen Stahlsorten zusammengestellt. Es wird vor- wiegend austenitischer Stahl 2 verwendet. ei erhöhten Korrosionsbeanspruchungen werden hingegen hrom-nickel-stähle aus der Stahlsorte 4 verwendet. Für die uslegung von Schraubenverbindungen aus austenitischem Stahl sind die mechanischen Festigkeitswerte der nachfolgenden Tabelle 17 zugrunde zu legen. Stahlsorte 3 ie Stähle der Sorte 3 sind durch Zusätze von Titan, eventuell Niob, Tantal stabilisierte nichtrostende Stähle mit den Eigenschaften der Stähle 2 (stabilisiert gegen interkristalline Korrosion z.. nach dem Schweißen). Stahlsorte 4 ie Stähle der Sorte 4 sind säurebeständige Stähle, die Mo-legiert sind und eine erheblich bessere Korrosionsbeständigkeit aufweisen. 4 wird in großem Umfang in der Zellstoffindustrie verwendet, da diese Stahlsorte für e Schwefelsäuren entwickelt wurde (daher die ezeichnung säurebeständig ), und ist in gewissem Maße auch für chloridhaltige Umgebung geeignet. 4 wird ferner häufig in der Lebensmittelindustrie und in Schiffswerften verwendet. 1759

3 Mechanische Eigenschaften von Schrauben der austenitischen Stahlgruppen ustenitisch 1, 2 3, 4 und 5 Stahlgruppe Stahlsorte Festigkeitsklasse urchmesserbereich Schrauben Zugfestigkeit 1) R m MPamin. 0,2-ehngrenze R p 0,2 1) MPamin. 50 M ,6 d 70 < M24 3) ,4 d 80 < M24 3) ,3 d ruchdehnung 2) mm min. 1) ie Zugspannung ist bezogen auf den Spannungsquerschnitt berechnet (siehe nhang oder IN EN ISO ). 2) ie ruchdehnung ist nach an der jeweiligen Länge der Schraube und nicht an abgedrehten Proben zu bestimmen. d ist der Nenndurchmesser. 3) Für Verbindungselemente mit Gewinde-Nenndurchmesser d > 24 mm müssen die mechanischen Eigenschaften zwischen nwender undhersteller vereinbart werden. Sie müssen mit der Stahlsorte und Festigkeitsklasse nach dieser Tabelle gekennzeichnet werden. Tab. 16: uszug aus IN EN ISO ie estimmung der Streckgrenze R p0,2 erfolgt gemäß der IN EN ISO im Zugversuch an ganzen Schrauben, da die Fertigkeitseigenschaften zum Teil durch Kaltverformung erzielt werden Streckgrenzlasten für Schaftschrauben ie austenitischen hrom-nickel-stähle sind nicht härtbar. Eine höhere Streckgrenze erreicht man nur durch Kaltverfestigung, die als Folge des Kaltumformens (z.. Gewindewalzen) entsteht. In Tabelle 17 sind Streckgrenzlasten für Schaftschrauben nach IN EN ISO 3506 zu entnehmen. Nenndurchmesser Festigkeitsklasse Streckgrenzlasten austenitischer Stähle nach IN EN ISO und 4 in N M M M M M M M M M M Tab. 17: Streckgrenzlasten für Schaftschrauben nach IN EN ISO nhaltswerte für nziehdrehmomente für Schrauben siehe Kapitel Korrosionsbeständigkeit von 2 und 4 ie nichtrostenden und säurebeständigen Stähle wie 2 und 4 fn unter die Kategorie des aktiven Korrosionsschutzes. Rostfreie Edelstähle enthalten mindestens 16 hrom (r) und sind beständig gegen oxidierende ngriffsmittel. Höhere r-gehalte und weitere Legierungsbestandteile wie Nickel (Ni), Molybdän (Mo), Titan (Ti) oder Niob (Nb) verbessern die Korrosionsbeständigkeit. iese Zusätze beeinflussen auch die mechanischen Eigenschaften. ndere Legierungsbestandteile werden nur zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, z.. Stickstoff (N), oder der spanabhebenden earbeitbarkeit, z.. Schwefel (S), zugesetzt. Verbindungselemente aus austenitischen Stählen sind im allgemeinen nicht magnetisierbar, jedoch kann eine gewisse Magnetisierbarkeit nach der Kaltumformung vorhanden sein. ie Korrosionsbeständigkeit wird jedoch davon nicht beeinflusst. ie Magnetisierung durch Kaltverfestigung kann soweit gehen, dass das Stahlteil an einem Magnet haften bleibt. Edelstahl bildet unter Sauerstoffeinwirkung eine stabile Oxidschicht (Passivschicht). iese Passivschicht schützt das Metall vor Korrosion. 1760

4 abei ist zu beachten, dass in der Praxis eine Reihe unterschiedlicher Korrosionsarten auftreten. Im folgenden sind die häufigsten Korrosionsarten bei rostfreiem Edelstahl aufgeführt und in nachstehender bbildung J beispielhaft dargestellt: blagerungen und Rost können usgangspunkte von Lochkorrosion sein. eshalb sind Verbindungselemente regelmäßig von Rückständen und blagerungen zu reinigen. ie austenitischen Stähle wie 2 und 4 sind gegen Lochfraß beständiger als ferritische hrom-stähle. Einteilung des eständigkeitsgrades in verschiedene Gruppen a Flächenabtragende Korrosion, Lochfraß b Kontaktkorrosion c Spannungsrisskorrosion d mechanische Einwirkungen bb. K: arstellung der häufigsten Korrosionsarten bei Schraubenverbindungen Flächen- und abtragende Korrosion ei der gleichmäßigen Flächenkorrosion, auch abtragende Korrosion genannt, wird die Oberfläche gleichmäßig abgetragen. iese Korrosionsart kann durch eine sorgfältige Werkstoffauswahl verhindert werden. ufgrund von Laborversuchen haben Herstellerwerke eständigkeitstabellen veröffentlicht, welche Hinweise über das Verhalten der Stahlsorten bei verschiedenen Temperaturen und Konzentrationen in den einzelnen Medien geben (siehe bschnitt 2.2.5) Lochfraß Lochkorrosion zeigt sich durch einen flächigen Korrosionsabtrag mit zusätzlicher Mulden- und Lochbildung. Hierbei wird die Passivschicht örtlich durchbrochen. ei Edelstahl Rostfrei in Kontakt mit chlorhaltigem Wirkmedium kommt es auch zu inigem Lochfraß mit nadelstichartigen Einkerbungen in den Werkstoff. uch eständigkeitsgrad eurteilung vollkommen beständig praktisch beständig 0,1 1,0 wenig beständig 1,0 unbeständig > Tab. 22 Gewichtsverlust in g/m 2 h < 0, Kontaktkorrosion Kontaktkorrosion entsteht, wenn zwei auteile unterschiedlicher Zusammensetzung sich in metallischem Kontakt befinden und Feuchtigkeit in Form eines Elektrolyten vorhanden ist. Hierbei wird das unedlere Element angegriffen und zerstört. Um Kontaktkorrosion zu verhindern, sollten folgende Punkte beachtet werden: Isolierung der Met an der Kontaktstelle, z.. durch Gummi, Kunststoffe oder nstriche, damit kein Kontaktstrom fließen kann. Nach Möglichkeit ungleiche Werkstoffpaarungen vermeiden. ls eispiel sollten Schrauben, Muttern und Scheiben den zu verbindenden auteilen angepasst werden. Kontaktvermeidung der Verbindung mit einem elektrolytischen Wirkmedium. siehe auch Kap Spannungsrisskorrosion iese Korrosionsart entsteht in der Regel bei in Industrieatmosphäre eingesetzten auteilen, die unter starker mechanischer Zug- und iegebelastung stehen. uch durch Schweißen entstandene Eigenspannungen können zu Spannungsrisskorrosion führen. 1761

5 esonders empfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion sind austenitische Stähle in chlorhaltiger tmosphäre. er Einfluss der Temperatur ist hierbei erheblich. ls kritische Temperatur sind 50 zu nennen und 4 in Verbindung mit korrosiven Medien In der folgenden Tabelle wird ein Überblick über die eständigkeit von 2 und 4 in Verbindung mit verschiedenen korrosiven Medien gegeben. ie angegebenen Werte dienen nur als nhaltspunkte, bieten aber dennoch gute Vergleichsmöglichkeiten. Übersicht über die chemische eständigkeit von 2 und 4 Schrauben ngriffsmittel Konzentration Temperatur in eständigkeitsgrad 2 ceton Äthyläther Äthylalkohol meisensäure mmoniak enzin jeder rt enzoesäure enzol ier lausäure lut onderlösung 98 hlor: trock. Gas feuchtes Gas 1762 hloroform hromsäure rein 50 rein Entwickler (photogr.) Essigsäure Fettsäure technisch Fruchtsäfte Gerbsäure Glycerin konz. Industrieluft Kaliumpermanganat Kalkmilch Kohlendioxid Kupferazetat Kupfernitrat Kupfersulfat Magnesiumsulfat ca. 26 eständigkeitsgrad 4

6 ngriffsmittel Konzentration Temperatur in eständigkeitsgrad 2 Meerwasser Methylalkohol Milchsäure 1,5 Natriumkarbonat kalt gesättigt Natriumhydroxid 50 1 Natriumnitrat Natriumperchlorat Natriumsulfat kalt gesättigt Obst Öle (mineral. u. pflanzl.) Oxalsäure 50 Petroleum Phenol rein Phosphorsäure konz. Quecksilber bis 50 Quecksilbernitrat Salicylsäure Salpetersäure bis Salzsäure 0,2 2 bis 1 Schwefelsäure bis bis 70 > , Schwefelige Säure wässrige Lösung Schwefeldioxyd Teer heiß Wein und heiß eständigkeitsgrad

7 ngriffsmittel Konzentration Temperatur in eständigkeitsgrad 2 Weinsäure bis über 0 bis Zitronensaft Zitronensäure bis 50 Zuckerlösung eständigkeitsgrad Entstehung von Fremdrost Fremdrost sind festhaftende Partikel eines Kohlenstoffstahls ( normaler Stahl ) auf der Edelstahloberfläche, die sich durch Einwirkung von Sauerstoff in Rost umwandeln. Werden diese Stellen nicht gereinigt und entfernt, kann dieser Rost auch bei Edelstahl elektrochemische Lochfraßkorrosion hervorrufen. Fremdrost kann entstehen durch: Kontakt von Gegenständen, die rosten, mit einer Edelstahloberfläche. Funkenflug bei rbeiten mit einem Winkelschleifer oder Schleifstaub oder bei Schweißarbeiten. btropfen von rostdurchsetztem Wasser auf Edelstahloberfläche. enutzung von Werkzeugen, mit denen im Vorfeld Kohlenstoffstahl bearbeitet wurde. 1764

8 Herkunfszeichen Stahlgruppe Festigkeitsklasse lternative Kennzeichnung für Zylinderschrauben mit Innensechskante Kennzeichnung von Schrauben, die aufgrund ihrer Geometrie die nforderungen an die Zug- oder Torsionsfestigkeit nicht erfüllen z.. niedrige Zylinderköpfe bb. L: uszug aus IN EN ISO Kennzeichnung von nichtrostenden Schrauben und Muttern ie Kennzeichnung von nichtrostenden Schrauben und Muttern muss die Stahlgruppe und die Festigkeitsklasse sowie das Herstellerkennzeichen enthalten. Kennzeichnung von Schrauben nach IN EN ISO Sechskantschrauben und Zylinderschrauben mit Innensechskant ab Nenndurchmesser M5 sind entsprechend dem ezeichnungssystem deutlich zu kennzeichnen. ie Kennzeichnung sollte nach Möglichkeit auf dem Schraubenkopf angebracht sein. Kennzeichnung von Muttern nach IN EN ISO Muttern mit Gewinde-Nenndurchmesser ab 5 mm sind entsprechend dem ezeichnungssystem deutlich zu kennzeichnen. Eine Kennzeichnung auf nur einer uflagefläche ist zulässig und darf nur vertieft angebracht sein. Wahlweise ist auch eine Kennzeichnung auf den Schlüsselflächen zulässig Festigkeitsklasse nur bei Muttern geringer Festigkeit (siehe bschnitt 3.2.3) bb. M: uszug aus IN EN ISO