Nach der Wärmebehandlung gewalzt: Eine dieser Zahlen ist negativ

Der Versuch und was „Vorspannkraft“ darin bedeutete

Stephens und Mitautoren verglichen Schrauben, die vor der Wärmebehandlung gewalzt wurden (RBHT), mit solchen, die danach gewalzt wurden (RAHT), auf fünf Vorspannstufen und erstellten für jede Stufe Wöhlerlinien. Dieser Aufbau ist der Grund, warum sich die Studie lohnt: Die meisten Ermüdungsvergleiche wählen eine Mittelspannung und hören dann auf.

Die Tabelle, aus der die Verkaufszahl stammt

Bevor Sie danach handeln: Die Einschränkungen sind real

Dieser Teil entscheidet darüber, ob Sie die Tabelle verwenden können, deshalb steht er nicht versteckt am Ende.

• Die Regelgewinde-Gruppe war mit Störfaktoren behaftet. Andere Walzwerkzeuge, um 5–15 % abweichende Grundradien, ungewöhnliche Eigenspannungen und Überwalzungen in den RAHT-Proben mit Regelgewinde. Ein Teil des Ergebnisses beim Regelgewinde könnte auf die Fertigung zurückgehen, nicht auf die Reihenfolge der Prozessschritte
• Der Unterschied zwischen Fein- und Regelgewinde bei 1 % ist nicht als signifikant belegt. +158 % gegenüber +147 % wurden nie einem Hypothesentest unterzogen
• Die Größenordnungen sind nicht allgemeingültig. Eine spätere Studie an Schrauben M8 der Festigkeitsklasse 10.9 fand bei R ≈ 0.8 nur etwa 9 % Verbesserung durch RAHT
• Die veröffentlichten Werte unterscheiden sich je nach Fassung. Die Kurzfassungen bei SAE und JAI nennen „69 bis 30 %“; die spätere ASTM-STP-Tabelle nennt 67 %, 50 % und 40 % bei nominal 50, 75 und 90 %. Das ist als Rundung oder überarbeitete Auswertung zu lesen, nicht als Scheingenauigkeit

Was all das übersteht, ist die Form, nicht die Zahlen: Der RAHT-Vorteil ist fast ohne Vorspannkraft am größten und nimmt mit steigender Vorspannkraft ab, und die Autoren nennen das als Ergebnis, statt es der Schlussfolgerung des Lesers zu überlassen.

Die Eigenspannungswerte werden eher falsch zitiert als falsch gemessen

RAHT wirkt, indem der Gewindegrund nach dem Härten kaltverfestigt wird; dadurch bleiben Druckeigenspannungen genau dort, wo sonst Ermüdungsrisse beginnen würden. Die kursierenden Zahlen sind echte Messungen — von Dingen, die dann ungenau beschrieben werden.

Das Tempern, nicht die Beschichtung

Es gibt eine Studie, die oft als „Oberflächenbehandlung hebt den RAHT-Vorteil auf“ zusammengefasst wird. Diese Zusammenfassung ist auf eine Weise falsch, die eine Korrektur verdient, denn sie zeigt auf Ihrer Zeichnung auf die falsche Stelle.

Was die Normen liefern und was nicht

• ISO 898-1 verlangt kein RAHT, und was nützlicher ist: Sie legt ausdrücklich überhaupt keine Ermüdungsfestigkeit fest. Eine hohe Festigkeitsklasse erkauft kein Ermüdungsverhalten — das ist eine gesonderte Anforderung, die Sie angeben müssen
• Sie erkennt an, dass Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung die Oberflächenhärte erhöhen kann, schreibt die Fertigungsreihenfolge aber nicht vor
• Auch die Luftfahrt ist keine pauschale Regel. Gewindeprofilnormen wie AS8879 legen die Geometrie fest; erst die Beschaffungs- oder Produktspezifikation schreibt das Verfahren vor
• Es gibt keine allgemeingültige Grenze für Größe oder Härte. Übliches Gewindewalzen liegt bei etwa 32 HRC; spezielle Walzwerkzeuge und Verfahren der Luftfahrt walzen etwa 38–40 HRC und mehr. Durchmesser, Steigung, Duktilität, Werkzeugwerkstoff, Walzkraft und vertretbare Standzeit spielen alle eine Rolle
• Der Mehrpreis von 20–40 % ist eine Branchenschätzung, die im ASTM-Aufsatz genannt und seither wiederholt wird. Einen herstellerneutralen Kostendatensatz dahinter konnten wir nicht finden

Wann lohnt es sich also, das vorzuschreiben?

1. Wenn die Verbindung ermüdungskritisch und nur gering vorgespannt ist. Dort ist der gemessene Vorteil am größten, und das ist ein realer Konstruktionsfall — nicht jede Verbindung wird hoch angezogen.
2. Nicht als allgemeine Aufwertung einer gut vorgespannten Verbindung, und schon gar nicht bei Regelgewinde, wo diese Studie bei Betriebsvorspannung keinen verlässlichen Vorteil fand.
3. Fragen Sie, was nach dem Walzen geschieht. Werden die Teile galvanisiert und getempert oder wird eine Beschichtung thermisch ausgehärtet, erfährt die Eigenspannung, die Sie kaufen, diese Wärme. Lassen Sie sich die Reihenfolge und die Temperaturen nennen, nicht nur den Verfahrensnamen.
4. Geben Sie die Ermüdung als Anforderung an, wenn Sie sie brauchen, denn die Festigkeitsklasse deckt sie nicht ab. ISO 898-1 sagt das selbst.
5. Klären Sie zuerst die Frage der Vorspannkraft. Das Ermüdungsverhalten wird hier von der Mittelspannung bestimmt; das Verspannungsschaubild und wie gut Ihr Verfahren die Vorspannkraft beherrscht, sind für die meisten Verbindungen wichtiger als die Walzreihenfolge.

Die vorgelagerte Frage — überhaupt gewalzt oder geschnitten — behandelt gewalzt oder geschnitten.

Quellen

• R. I. Stephens, N. J. Bradley, N. J. Horn, J. J. Gradman, J. M. Arkema und C. S. Borgwardt, ‘Fatigue of High Strength Bolts Rolled Before or After Heat Treatment with Five Different Preload Levels’, SAE Technical Paper 2005-01-1321, 2005, DOI 10.4271/2005-01-1321
• N. J. Bradley und Mitautoren, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Fine Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(4), 2006, JAI13069, DOI 10.1520/JAI13069
• R. I. Stephens und Mitautoren, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on the Fatigue Resistance of High Strength Coarse Thread Bolts for Multiple Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(3), 2006, JAI13075, DOI 10.1520/JAI13075
• N. J. Horn und R. I. Stephens, ‘Influence of Cold Rolling Threads Before or After Heat Treatment on High Strength Bolts for Different Fatigue Preload Conditions’, Journal of ASTM International 3(1), 2006, JAI12551, DOI 10.1520/JAI12551
• Marcelo und Mitautoren, 2011 — M8, Festigkeitsklasse 10.9, etwa 9 % Verbesserung durch RAHT bei R ≈ 0.8
• ISO 898-1 — mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen; legt Festigkeitsklassen fest und ausdrücklich keine Ermüdungsfestigkeit. AS8879 — Geometrie des Gewindeprofils, keine Verfahrensanforderung

Die Abnahme für eine bestimmte Verbindung richtet sich nach Ihrer Zeichnung und Ihren eigenen Prüfungen.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 2: Gewinde. 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

Lohnt sich Gewindewalzen nach der Wärmebehandlung?

Das hängt fast ausschließlich davon ab, wie hoch die Verbindung vorgespannt ist. In der Studie mit fünf Vorspannstufen von Stephens und Mitautoren gewannen die RAHT-Schrauben mit Feingewinde bei 1 % Vorspannkraft 158 % an Dauerfestigkeit für zehn Millionen Lastwechsel, bei nominal 90 % aber nur etwa 40 %. Die Proben mit Regelgewinde gewannen 8 % bei nominal 50 %, minus 9 % bei 75 % und 0 % bei 90 % – also kein verlässlicher Vorteil bei den Vorspannkräften, die die Autoren als repräsentativ für die Praxis beschreiben.

Was bedeutet 1 % Vorspannkraft in diesen Versuchen?

Es ist die fest eingestellte minimale axiale Prüfspannung, festgelegt auf 1 % von etwa 1100 MPa, der mittleren Prüfspannung der vor der Wärmebehandlung gewalzten Schrauben. Das Spannungsverhältnis lag unter 0,05; die Schraube erfuhr also noch zyklischen Zug, hatte aber praktisch keine Montagevorspannung. Den Wert von 158 % ohne diesen Zusammenhang zu zitieren, würde ihn für jeden verfälschen, der eine angezogene Verbindung auslegt.

Warum beziehen sich die Prozentangaben auf die andere Gruppe?

Weil die Studie die mittlere RBHT-Prüfspannung als gemeinsame Bezugsgröße für alle Proben verwendete. Die RAHT-Schrauben hatten eine um etwa 10 % niedrigere Prüfspannung; die Nennstufen 1, 50, 75, 90 und 100 % entsprechen daher ungefähr 1,1, 55, 83, 100 und 110 % der eigenen Prüfspannung der RAHT-Schrauben. Bei nominal 90 % lagen die RAHT-Schrauben bereits etwa bei ihrer eigenen Prüfspannung.

Hebt eine galvanische Beschichtung den Vorteil des Walzens nach der Wärmebehandlung auf?

Das ist eine Fehllesung. Die meist zitierte Studie untersuchte die Temperaturbeanspruchung nach dem Walzen, wie sie beim Aushärten metallorganischer Beschichtungen und beim Tempern zur Wasserstoffentsprödung nach dem Galvanisieren auftritt; der betrachtete Mechanismus ist der thermische Abbau der Eigenspannungen aus der Kaltverfestigung. Sie belegt nicht, dass die Chemie der Beschichtung selbst den Vorteil aufhebt, und es ist ein anderer Mechanismus als die Wasserstoffversprödung, auch wenn dasselbe Tempern für beides relevant ist.

Bedeutet eine hohe Festigkeitsklasse gutes Ermüdungsverhalten?

Nein. ISO 898-1 legt Klassen mechanischer und physikalischer Eigenschaften fest und ausdrücklich keine Ermüdungsfestigkeit. Wenn die Ermüdung für Ihre Verbindung wichtig ist, muss sie als gesonderte Anforderung angegeben werden; bestimmt wird sie von Fertigungsreihenfolge, Zustand des Gewindegrunds und Vorspannkraft, nicht von der Kennzahl der Festigkeitsklasse.