Zinklamellenschraube und brünierte Mutter: nicht eine Frage, sondern drei

Frage eins: Greifen sie sich gegenseitig an?

Meist nicht in der befürchteten Weise, und es lohnt sich, den Grund zu verstehen, statt ihn auswendig zu lernen.

Brünieren ist eine Konversionsschicht – ein aus dem Stahl selbst gewachsenes Oxid, überwiegend Magnetit, und kein anderes Metall, das darüber gelegt wird. Die Schicht ist dünn und in der Regel durchlässig, weshalb sie normalerweise geölt oder gewachst wird. Elektrochemisch identisch mit blankem Stahl ist sie dadurch nicht: Der Film erhöht dennoch die Impedanz und begrenzt, wie schnell sich der Stahl darunter auflöst, und eine Nachbehandlung fügt weiteren Schutz hinzu. Weit weniger geschützt als ein beschichtetes Teil, aber nicht ungeschützt.

Und Zink ist gegenüber Stahl anodisch. Wo beide nass und leitend verbunden sind, opfert sich das Zink zuerst und hält den Stahl intakt. Das ist derselbe Mechanismus, der Zink auf einer Schraube überhaupt sinnvoll macht.

Hier hören die meisten Erklärungen auf, und hier sollte diese nicht aufhören, denn „Zink schützt Stahl“ ist eine Aussage über ein Elementpaar, nicht über Ihre Verbindung. Damit das Zink der Schraube eine bestimmte Stelle der Mutter schützt, muss mehreres zugleich zutreffen: Beide müssen elektrisch verbunden sein; ein durchgehender Elektrolyt muss sie überbrücken; der Überzug muss leitfähiges, noch aktives Zink zum Abgeben haben; und der Schutzstrom muss diese Stelle gegen Abstand, Flächenverhältnis und Polarisation tatsächlich erreichen.

Die ehrliche Fassung ist also enger als die übliche. Die Schraube wird nicht von der Mutter aufgezehrt, und ein Teil ihres Zinks wird womöglich dafür verbraucht, Bereiche der Mutter statt sich selbst zu schützen – ein Kostenfaktor, kein Bonus. Wie viel, hängt vom Flächenverhältnis ab; darum geht es auf der Seite zur Kontaktkorrosion.

Das versieht auch eine Rechnung, die Sie vielleicht angestellt haben, mit einem Vorbehalt. Die Lebensdauer einer Beschichtung als Dicke geteilt durch Korrosionsrate zu schätzen, setzt voraus, dass der Überzug nur sich selbst schützen muss. Wo er mehr abdeckt, ist die Schätzung zu optimistisch – um einen Betrag, der von Ihrer Geometrie abhängt und den niemand für Sie gemessen hat.

Frage zwei: Welches Teil bestimmt die Lebensdauer der Verbindung?

Das ist die Frage, die eigentlich gemeint war, und die Antwort ist unverblümt: Eine Baugruppe ist nur so gut geschützt wie ihr am schlechtesten geschütztes Teil. Nicht der Mittelwert aus beiden. In der Korrosion wird nicht gemittelt – Rost beginnt dort, wo der Schutz zuerst aufgebraucht ist, und eine rot verfärbte Verbindung ist eine rot verfärbte Verbindung, egal welche Hälfte angefangen hat.

Die eigentliche Frage ist also, wodurch eine brünierte Mutter tatsächlich geschützt ist. Dazu lese man die Norm, die die Beschichtung definiert. ISO 11408:1999 beginnt mit einer Aufzählung, wofür Brünieren gedacht ist:

Schwarzoxidschichten können verwendet werden, um die Reibung zwischen gleitenden oder tragenden Flächen zu vermindern, für dekorative Zwecke oder um die Lichtreflexion zu verringern. (sinngemäß übersetzt)

Korrosionsschutz steht nicht auf dieser Liste. Das ist auch kein Versehen, denn der Anwendungsbereich sagt es anschließend ausdrücklich:

Unter schwach korrosiven Bedingungen wird selbst mit Konservierungsbehandlung nur ein sehr begrenzter Korrosionsschutz erreicht. (sinngemäß übersetzt)

Lesen Sie das genau, denn es sagt zwei Dinge zugleich. Sehr begrenzter Schutz, und das nur unter schwach korrosiven Bedingungen, und das ist das Urteil mit bereits aufgebrachtem Öl oder Wachs. Beachten Sie, was es trotzdem nicht sagt: sehr begrenzt heißt nicht keiner, und der Oxidfilm bietet durchaus etwas Widerstand. Es geht nicht darum, dass eine brünierte Mutter blanker Stahl wäre – sondern darum, dass sie weit weniger geschützt ist als die Schraube, und das Öl diese Lücke nicht schließt.

Damit ist es entschieden. Setzen Sie eine brünierte Mutter auf eine beschichtete Schraube, und die Mutter bestimmt. Was Sie für die Schraube bezahlt haben, ist jetzt durch das billigste Bauteil der Verbindung begrenzt. Das ist derselbe Fehlertyp wie Oberflächen nach Adjektiven zu vergleichen: Der Name hat Ihnen die Farbe verraten, nicht den Schutz.

Frage drei: Was ist mit dem Anziehdrehmoment passiert?

Diese Frage geht als Erste schief, weil sie am Tag der Montage schiefgeht und nicht im dritten Jahr – und nach ihr fragt niemand.

Drehmoment wird nicht zu Klemmkraft. Der größte Teil wird von der Reibung im Gewinde und unter dem Kopf verbraucht, und nur der Rest zieht die Verbindung zusammen. Ändern Sie die Beschichtung auf einer der beiden Kontaktflächen, und Sie haben diese Aufteilung geändert. Ein Drehmomentwert, der bei einem passenden Paar die richtige Vorspannkraft erzeugt hat, erzeugt sie bei einem gemischten nicht, und an der Verbindung sieht dabei nichts anders aus. Der Mechanismus wird auf der Seite zu Drehmoment und Klemmkraft erläutert, deren Kernaussage hier direkt gilt: Der Reibungskoeffizient ist keine Eigenschaft der Schraube, sondern eine Eigenschaft der Paarung. Gemischte Beschichtungen ändern die Paarung.

Darauf kommt noch eine besondere Falle. ISO 11408 führt den Reibungskoeffizienten unter den Dingen auf, die der Besteller anfordern muss – neben Verschleißbeständigkeit und Oxalsäurebeständigkeit, in dem Abschnitt über zusätzliche Angaben an den Lieferanten. Er ist optional.

Bei einer normalen Brünierbestellung hängt also kein vereinbarter Reibungswert an den Teilen. Das heißt nicht, dass er nicht zu bekommen wäre – ein Lieferant kann Prozess- oder Chargendaten haben oder den Versuch durchführen können. Aber es ist eine Frage, die Sie stellen müssen, und keine Zahl, die mit der Ware kommt, und sie vor der Fertigung zu stellen ist weit billiger als danach. Andernfalls ermitteln Sie ihn durch Versuch an der tatsächlichen Paarung.

Was zu tun ist

• Gleichen Sie die Beschichtungen an, wenn Sie können. Die billigste Lösung ist meist, die Mutter zu spezifizieren, statt zu akzeptieren, was in der Kiste kam – Muttern sind ein kleinerer Posten als das Problem, das sie verursachen.
• Wenn Sie sie nicht angleichen können, legen Sie fest, welches Teil bestimmt, und schreiben Sie es auf. Eine undokumentierte gemischte Verbindung wird später zum Streitpunkt; eine dokumentierte wird zu einer Entscheidung, die Sie vertreten können.
• Ermitteln Sie den Drehmomentwert an der tatsächlichen Paarung neu. Übernehmen Sie keine Zahl von einer anderen Kombination, und akzeptieren Sie keine aus einem Katalog, der nicht sagt, an welcher Paarung sie gemessen wurde.
• Behandeln Sie jede Lebensdauerschätzung der Beschichtung als optimistisch, bis Sie wissen, wie viel blanke Fläche die Opferschicht abdecken soll.
• Nennen Sie in der Anfrage, wofür die Verbindung dient. Die meisten Probleme mit gemischten Beschichtungen entstehen, weil die Mutter getrennt von der Schraube beschafft wurde, von jemandem, dem niemand gesagt hat, womit die Schraube beschichtet ist – das ist ein Spezifikationsproblem, bevor es ein chemisches ist.

Und die allgemeine Fassung, um die es in dieser ganzen Reihe geht: Die Oberfläche ist eine Entscheidung in einer Abfolge (englisch), keine Zeile, die man am Ende ausfüllt. Eine Beschichtung, die ohne Blick auf das Gegenstück gewählt wurde, ist erst halb gewählt.

Verwandte Themen

• Die Reihenfolge beim Spezifizieren einer Schraube (englisch) – wo die Entscheidung über die Oberfläche steht
• Kontaktkorrosion – das Flächenverhältnis, das bestimmt, wie schnell das Zink verbraucht wird
• Wie lange hält die Beschichtung – die Schätzung, die durch diese Seite optimistisch wird
• Drehmoment und Klemmkraft – warum Reibung zur Paarung gehört
• „Sehr gut“ und „gut“ – warum der Name der Beschichtung nicht der Schutz ist
• Eine Oberfläche wählen – die Entscheidung, die dieser vorausgeht
• Was in eine Anfrage für Verbindungselemente gehört – wo die Fehlpaarung meist entsteht

Dieser Beitrag behandelt Schritt 5: Oberfläche. Die vollständige Reihenfolge lautet Grundwerkstoff, Gewinde, Kopf, Antrieb, Oberfläche und Dokumentation. Warum eine andere Reihenfolge Nacharbeit verursacht, erläutert der englische Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Kann ich eine verzinkte Schraube mit einer brünierten Mutter verwenden?

Mechanisch ja, und sie zerstören sich nicht gegenseitig. Aber Sie haben drei Dinge auf einmal geändert. Das Zink ist gegenüber dem Stahl unter der Brünierung anodisch, schützt also die Mutter ebenso wie sich selbst und wird schneller verbraucht. Die Mutter ist das am schlechtesten geschützte Teil und bestimmt damit die Lebensdauer der Verbindung. Und die Reibung hat sich geändert, sodass Ihr Drehmomentwert nicht mehr die frühere Vorspannkraft erzeugt.

Ist Brünieren eine Korrosionsschutzschicht?

Nicht nach ISO 11408, die als Zwecke Reibungsminderung, Dekoration und verminderte Lichtreflexion nennt und dann feststellt, dass unter schwach korrosiven Bedingungen selbst mit Konservierungsbehandlung nur ein sehr begrenzter Korrosionsschutz erreicht wird. Für die Gebrauchsdauer behandeln Sie ein brüniertes Teil annähernd wie blanken Stahl.

Wenn das Zink auch die Mutter schützt, ist das nicht gut?

Es ist der Mechanismus bei der Arbeit, und es ist trotzdem ein Kostenfaktor, denn Opferschutz ist Verbrauch. Zink, das für die Mutter verbraucht wird, fehlt der Schraube, und wie schnell es verbraucht wird, bestimmt das Flächenverhältnis – kleine Anode, große Kathode, schnell.

Ändern gemischte Beschichtungen meine Drehmomentvorgabe?

Ja, und meist als Erstes. Reibung gehört zur Paarung, nicht zur Schraube, sodass die Änderung einer Hälfte bestimmt, wie viel Ihres Drehmoments zu Klemmkraft wird. ISO 11408 macht den Reibungskoeffizienten zu einer optionalen Bestellerforderung, sodass es bei einer normalen Bestellung diese Zahl nicht gibt.

Sind gelb verzinkte Muttern auf einer Zinklamellenschraube auch ein Problem?

Ein anderes und viel kleineres. Beides sind echte Korrosionsschutzschichten, die Frage lautet also, ob sie auf demselben Niveau schützen, und nicht, ob eine überhaupt schützt. Vergleichen Sie Schichtdicke und Passivierung. Die Reibungsfrage gilt weiterhin.