Zugfestigkeitsklassen von Edelstahlschrauben und Muttern

Die Zugfestigkeit von Stahl und Edelstahl ist ein entscheidender Parameter, wenn es um die Belastbarkeit und Sicherheit von Schraubverbindungen geht. Sie setzt sich bei Stahlschrauben aus zwei Kennzahlen zusammen, mit denen die Zugfestigkeit und die Streckgrenze einfach ermittelt werden kann. Edelstahlschrauben und Edelstahlmuttern werden hingegen ab einer bestimmten Größe mit einer Buchstaben-Zahlen-Kombination (z.B. A4-80) gekennzeichnet. Die vor dem Bindestrich angeordnete Buchstaben -Zahlen-Kombination ordnet die so gekennzeichnete Schraube einer Werkstoffgruppe und Stahlgruppe zu und gibt somit Auskunft über die grundlegenden Materialeigenschaften der Schraube. Die rechts vom Bindestrich stehende Zahl 80 gibt die Festigkeitsklasse an. In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie Sie mithilfe der Festigkeitsklasse von Schrauben aus Edelstahl deren Einsatzgrenzen ermitteln können und geben einen Überblick über die Belastbarkeit typischer Festigkeitsklassen.

Was ist die Zugfestigkeit?

Die Zugfestigkeit beschreibt den maximalen mechanischen Spannungswert, den ein Material ertragen kann, bevor es bricht. Dies wird meist in Megapascal (MPa) oder in Newton pro Quadratmillimeter (N/mm²) angegeben. Für Befestigungselemente ist die Zugfestigkeit besonders wichtig, da sie die maximale Last bestimmt, die das Element aufnehmen kann, ohne zu versagen.

Formel zur Berechnung der Zugfestigkeit

Zur Berechnung der Zugfestigkeit gibt es keine allgemeingültige Zugfestigkeitsformel, da sie von verschiedenen Bedingungen abhängt (Material, Legierungszusammensetzung und Verarbeitung). In der Regel wird die Zugfestigkeit empirisch durch Materialprüfung ermittelt und anschließend in Zugfestigkeitstabellen für Schrauben und Edelstahl in Materialdatenblättern oder Normen zusammengefasst. Es ist jedoch möglich, die Spannung zu berechnen, die ein Material erfährt, wenn es einer Zugbelastung ausgesetzt ist. Die allgemeine Formel für die Spannung (σ) in einem Material unter Zugbelastung lautet:

wobei:

• σ = die Spannung in Pascal (Pa)
• F = die auf das Material wirkende Zugkraft in Newton (N)
• A = die Querschnittsfläche des Materials, die der Zugkraft ausgesetzt ist, in Quadratmetern (m²).

Um die Zugfestigkeit von z.B. Stahl und Edelstahl zu bestimmen, kann die maximale Zugkraft (F) und der kleinste Querschnittsbereich (A) verwendet werden, an dem das Material getestet wurde. Die Zugfestigkeit wird normalerweise in Megapascal (MPa) angegeben.

Überblick über Edelstähle

Edelstahl ist ein Oberbegriff für circa 120 verschiedene Sorten nichtrostenden Stahls. Die einzelnen Legierungen dienen unterschiedlichen Zwecken und Anwendungsfällen. In jedem Fall ist aber Chrom, ggf. auch Nickel enthalten, welche für die Rostfreiheit verantwortlich sind. Die Elemente reagieren mit Sauerstoff aus der Luft, um eine dünne, schützende Oxidschicht auf der Oberfläche des Stahls zu bilden. Diese Oxidschicht wird als Passivschicht bezeichnet und verhindert, dass weiterer Sauerstoff mit dem darunter liegenden Eisen in Kontakt kommt, wodurch Korrosion und Rostbildung vermieden werden. Im Vergleich zu niedrig legierten Stählen oder Baustahl ist die Edelstahl-Zugfestigkeit verhältnismäßig hoch. Edelstahl 1.4301 hat z.B. eine Zugfestigkeit von 500 - 700 N/mm² (im Vergleich: für herkömmlichen Baustahl liegt die Zugfestigkeit bei 300 - 590 N/mm²). Für Edelstähle gelten die DIN 17440 und DIN EN ISO 3506. Es gibt folgende Hauptkategorien von Edelstählen.

Austenitische Edelstähle

Diese Edelstähle zeichnen sich durch ihren hohen Chrom- und Nickelgehalt aus, normalerweise über 16 % Chrom und über 8 % Nickel. Sie sind nicht magnetisch und weisen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit sowie gute Schweißbarkeit auf. Der Buchstabe A in der Bezeichnung eines Edelstahls, wie z.B. V2A, zeigt an, dass es sich um einen austenitischen Edelstahl handelt.

Ferritische Edelstähle

Ferritische Edelstähle enthalten einen hohen Chromanteil, aber nur wenig oder gar kein Nickel. Sie sind magnetisch und bieten gute Korrosionsbeständigkeit in nicht aggressiven Umgebungen. Der Buchstabe F wird in der Bezeichnung von Edelstählen verwendet, um anzuzeigen, dass es sich um ferritische Edelstähle handelt.

Martensitische Edelstähle

Martensitische Edelstähle zeichnen sich durch ihren hohen Kohlenstoffgehalt und moderate bis hohe Chromgehalte aus. Sie sind magnetisch und haben eine ausgezeichnete Härte und Verschleißfestigkeit. Martensitische Edelstähle werden oft in Messern und Werkzeugen verwendet. In der Bezeichnung von martensitischen Edelstählen weist der Buchstabe C auf den Kohlenstoffgehalt hin.

Duplex-Edelstähle

Duplex-Edelstähle haben eine Mischung aus austenitischer und ferritischer Struktur in ihrer Legierung. Sie bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit und sind besonders in Umgebungen mit hohen Chloridkonzentrationen, wie in der chemischen Industrie und in Meerwasseranwendungen, nützlich.

Edelstahlschrauben und -muttern

Edelstahlschrauben und -muttern sind für ihre robuste Korrosionsbeständigkeit bekannt. Es ist dennoch möglich, dass auch Edelstahl Rost ansetzen kann, z.B. durch Fremdrost durch Kontakt mit rostenden Metallen. Die Festigkeitsklasse von Schrauben gibt Auskunft darüber, wie viel Last sie tragen können.

Zugfestigkeit von Edelstahlschrauben

Die Zugfestigkeit von Edelstahlschrauben wird als Festigkeitsklasse angegeben. Die Festigkeitsklasse ist eine Kombination aus Zugfestigkeit sowie der Streckgrenze der Zugfestigkeit:

Unterhalb der Streckgrenze kehrt das Material nach Verformung in seinen Ausgangszustand zurück, oberhalb der Streckgrenze bleibt die Verformung bestehen. Statt der Streckgrenze wird häufig aber auch die 0,2 %-Dehngrenze angegeben, da die Streckgrenze nicht immer eindeutig im Zugversuch identifizierbar ist. Diese beschreibt die Spannung, bei der die bleibende Dehnung nach Entlastung 0,2 % entspricht. Als Hilfestellung gibt es für die Schrauben-Festigkeitsklassen Tabellen. Die Angabe der Zugfestigkeit von Schrauben in kg in Tabellen war früher üblich, heute wird sie jedoch vorrangig in Pascal (Megapascal) oder Newton (pro Quadratmillimeter) angegeben.

Die Festigkeitsklasse hat einen direkten Einfluss auf das maximal auf die Schraube oder Mutter aufbringbare Anzugsmoment. Bei der Auswahl der richtigen Edelstahlschraube oder Mutter sollte daher vorher geprüft werden, welches Anzugsmoment für die sichere Montage benötigt wird und ob die Festigkeitsklasse dieses Anzugsmoment zulässt.

Neben der Festigkeitsklasse, hier im Beispiel 80, wird durch die Kennzeichnung A4, die Werkstoffgruppe und Stahlsorte der Edelstahlschraube oder Mutter ausgewiesen. Sie bezieht sich auf die chemische Zusammensetzung des Edelstahls und den damit verbundenen Eigenschaften der Rostbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Säuren. A2 bezeichnet z.B. einen austenitischen Edelstahl mit bestimmten Chrom- und Nickelanteilen. Edelstahl mit der Kennzeichnung A4 ist zusätzlich noch säure- bzw. meerwasserresistent.

Bei MISUMI gibt es ein breites Angebot an Edelstahlschrauben verschiedenster Festigkeitsklassen.

Zugfestigkeit von Edelstahlmuttern

Die Klassifizierung von Muttern ist etwas weniger spezifisch als die von Schrauben, da sie oft in Kombination mit Schrauben verwendet werden und daher hauptsächlich auf die Schraube abgestimmt sein sollten. Generell sind Muttern aus Edelstahl oft so konzipiert, dass sie der gleichen oder einer höheren Zugfestigkeitsklasse entsprechen wie die zugehörige Schraube.

Die mechanischen Eigenschaften von Edelstahlmuttern werden ebenso wie Stahlmuttern durch Festigkeitsklassen und durch die garantierte Belastungsspannung ausgedrückt, die der Festigkeitsklassifizierung der gepaarten Schraube entspricht.

Da Edelstahlmuttern mit passenden Edelstahlschrauben verwendet werden, wird die Materialstärke einer Edelstahlmutter in der Regel von der Materialstärke einer Schraube aus demselben Material bestimmt. Aufgrund dieser Übereinstimmung wird oft angenommen, dass es bei der Verwendung einer Kombination aus Edelstahlschrauben und Muttern kein Scherversagen an den Gewinden geben wird. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass bei niedrigen Muttern mit nur wenigen ineinandergreifenden Gewindegängen Vorsicht geboten ist, um Scherversagen an den Gewinden zu vermeiden.

Edelstahl-Zugfestigkeit-Tabelle

In der untenstehenden Tabelle finden Sie eine Übersicht über die Zugfestigkeit von verschiedenen Edelstahlsorten. Die angegebenen Werte stellen allgemeine Richtwerte dar und können je nach Herstellungsprozess, Wärmebehandlung und spezifischer Legierung leicht variieren. Es ist ratsam, Materialdatenblätter und technischen Spezifikationen zu konsultieren, um detaillierte Informationen für Ihre Anforderungen zu erhalten.

• Die Zahl in der Festigkeitsklasse entspricht 1/10 des Nennwerts der Mindestzugfestigkeit.
• Beispiel: Die Festigkeitsklasse A2-50 für austenitische Materialien bezeichnet ein Material mit einer Zugfestigkeit von 500 N/mm², einer Streckgrenze von 210 N/mm² und eine Bruchdehnung von 0,6 d.
• Rostfreie Stähle werden in Typen eingeteilt (austenitisch, martensitisch und ferritisch), und für martensitischen Stahl werden Festigkeitsklassen auf der Grundlage von Unterschieden in der Wärmebehandlung bestimmt.

Link zu weiteren Blogartikeln über Schrauben

Wenn Sie tiefer in das Thema Schrauben einsteigen wollen, finden Sie weitere Informationen in folgenden Blogartikeln:

• Berechnung von Scherfestigkeiten und Zugfestigkeiten bei Schrauben
• Berechnung von Anzugsdrehmomenten bei Schrauben - Welche Rolle spielt die Nachgiebigkeit