Die Festigkeitsklasse sagt nicht, dass die Schraube Kälte übersteht

Wo die Eigenschaften gemessen wurden

ISO 898-1 ermittelt ihre mechanischen Eigenschaften bei 10 bis 35 °C, und die Norm sagt ausdrücklich, dass ein normgerechtes Verbindungselement diese Eigenschaften bei höheren oder tieferen Temperaturen nicht unbedingt behält. „Es ist eine echte 10.9“ ist also eine Aussage über eine Prüfung bei Raumtemperatur.

Drei Bedingungen für diese Klausel

Die Kerbschlaganforderung existiert, ist aber stark eingeschränkt, und diese Einschränkungen machen sie im gewöhnlichen Einkauf fast unsichtbar:

1. Sie gilt nur bedingt. Die Prüfung wird nur durchgeführt, wenn die betreffende Produktnorm sie verlangt oder Hersteller und Käufer sie vereinbaren.
2. Sie hat eine Mindestgröße. Die Proben werden aus dem fertigen Produkt herausgearbeitet, und das Verbindungselement muss d ≥ 16 mm bei einer Gesamtlänge von mindestens 55 mm haben. Unter M16 reicht das Material oft gar nicht für eine Normprobe — bei den meisten kleinen Schrauben lässt sich die Klausel also nicht anwenden, selbst wenn man es will.
3. Für 12.9 gibt es keinen Wert. In Tabelle 3 ist der Wert für 12.9 als in Untersuchung gekennzeichnet. Ausgerechnet der höchsten gängigen Klasse ordnet die Norm keine Zahl zu.

Warum Stahl spröde wird, vorsichtig formuliert

Ferritische Stähle zeigen einen Übergang vom zähen zum spröden Verhalten: Mit sinkender Temperatur wird die Versetzungsbewegung schwieriger, und Spaltbruch kann sich bei geringerer Spannung durchsetzen. Kubisch-flächenzentrierter austenitischer nichtrostender Stahl zeigt in der Regel keinen vergleichbar scharfen Übergang.

Zwei Korrekturen an der üblichen Kurzformel. Erstens ist eine vergütete Schraube nicht einfach „krz-Stahl“: 8.8, 10.9 und 12.9 bestehen normalerweise aus angelassenem Martensit, der streng genommen raumzentriert tetragonal ist, während Perlit und Bainit mehrphasig sind. Zweitens ist die Übergangstemperatur keine Werkstoffkonstante. Sie hängt von ihrer Definition ab — eine Energieschwelle, 50 % Scherbruchanteil oder die laterale Breitung liefern jeweils andere Zahlen —, und sie verschiebt sich mit Zusammensetzung, Korn- und Paketgröße, Kerbschärfe, Probendicke, Belastungsgeschwindigkeit, Entnahmerichtung und vorheriger Kaltverformung.

Ist 12.9 in der Kälte schlechter als 8.8?

Meist geht der Trend in diese Richtung, und er ist an den Bruchdehnungswerten der Norm selbst ablesbar — etwa 12 % für 8.8, 9 % für 10.9, 8 % für 12.9. Weniger plastische Reserve bedeutet weniger Toleranz gegenüber einem Riss, einer Kerbe, einem Wasserstoffproblem oder einer Unregelmäßigkeit in der Wärmebehandlung; es ist derselbe Zielkonflikt wie bei der Frage, was die Klassenzahlen tatsächlich bedeuten.

Aber es ist ein Trend, keine Rangregel. Wer Verbindungselemente nach Festigkeitsklasse sortiert, hat sie damit nicht nach Übergangstemperatur sortiert. Zusammensetzung, Reinheitsgrad des Stahls, Korngröße und Anlasszustand können die Reihenfolge umkehren, und ein für Tieftemperatureinsatz ausgelegter legierter Stahl kann zäher sein als eine handelsübliche 8.8.

Austenitischer nichtrostender Stahl ist die übliche Antwort, mit echten Ausnahmen

ISO 3506-1 sagt, dass austenitische nichtrostende Schrauben und Stiftschrauben bis −196 °C verwendet werden können. Das ist eine Angabe auf Werkstoffebene, kein Nachweis, dass ein bestimmtes Los in der Kälte qualifiziert wurde — eine Unterscheidung, die man beibehalten sollte, denn es ist dieselbe wie bei der Festigkeitsklasse oben.

Und „Austenit wird nicht spröde“ ist zu stark. Die Zähigkeit kann dennoch durch Kaltverformung sinken; metastabile Sorten wie 304 und manche 316 können bei Kaltverformung oder Umformung α′-Martensit bilden; Wasserstoffumgebungen verspröden auch austenitische Stähle; und in Schweißverbindungen können Oxideinschlüsse und δ-Ferrit die Bruchzähigkeit bei kryogenen Temperaturen stark verringern. Sigma-Phase, thermische Alterung und Sensibilisierung wirken ebenso.

Die Festigkeitsfrage ist wieder eine eigene — austenitische Sorten sind kein gleichwertiger Ersatz für eine 10.9, weshalb die Kennzeichnung A2/A4 auch eine Festigkeitsangabe trägt.

Die Spezifikationen, die Kälte tatsächlich behandeln

Wo tiefe Temperaturen wirklich eine Rolle spielen, ist die Antwort eine Spezifikation für Schraubenverbindungen, keine Festigkeitsklasse:

Diese Tabelle hat zwei Fallen. L7M ist eine härtebegrenzte Sorte, keine „kältere L7“ — sie existiert vor allem für Sauergas-Einsatz, und ihre Prüftemperatur ist höher. Und B8 allein ist keine vollständige Bezeichnung: Es braucht eine Klasse, 1, 1A oder kaltverfestigt 2. Außerdem befreit A320 Schraubenverbindungen mit d ≤ 12,5 mm von der Kerbschlagprüfung, sofern keine Zusatzanforderung festgelegt ist.

Ab welcher Temperatur sollte man sich Sorgen machen?

Es gibt keine einzelne Schwelle, die für alle Verbindungselemente gilt, und eine zu erfinden wäre das Gefährlichste, was diese Seite tun könnte. Schwellen gibt es innerhalb bestimmter Normen für bestimmte Ausrüstung. Das deutlichste Beispiel sind Flanschverbindungen von Druckgeräten nach EN 1515-4: bei einer tiefsten Metalltemperatur von −10 °C oder darüber 40 J bei Raumtemperatur; unter −10 °C 40 J bei einer Prüftemperatur gleich oder unter der Metalltemperatur; unter −160 °C Prüfung bei −196 °C. Das ist eine Regel für Flanschschrauben unter der Druckgeräterichtlinie (PED), keine allgemeine Regel für Schrauben.

Zur Einordnung der Temperaturen, um die es in der taiwanischen Kühlkette tatsächlich geht: Gekühlte Lebensmittel werden bei 7 °C oder darunter gehalten, gefrorene bei −18 °C oder darunter, und Schockgefrieranlagen können −40 °C oder darunter erreichen. Das sind Lebensmitteltemperaturen, nicht die tiefste Auslegungs-Metalltemperatur Ihrer Verbindungselemente — Metall in Verdampfernähe, Abtauzyklen und außenliegende Bauteile liegen woanders.

Dieser Beitrag behandelt Schritt 1: Grundwerkstoff. 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

Sagt ISO 898-1 etwas über die Zähigkeit bei tiefen Temperaturen?

Ja, aber bedingt, und das wird in beide Richtungen falsch wiedergegeben. Tabelle 3 legt für die Klassen 5.6, 8.8, 9.8 und 10.9 eine Mindest-Kerbschlagarbeit (Charpy-V) von 27 J bei −20 °C fest. Die Prüfung wird jedoch nur durchgeführt, wenn die Produktnorm sie verlangt oder Hersteller und Käufer sie vereinbaren, die Probe muss aus einem fertigen Verbindungselement mit mindestens 16 mm Durchmesser und 55 mm Länge herausgearbeitet werden, und für Klasse 12.9 ist der Wert in der Tabelle als in Untersuchung gekennzeichnet. Die Klasse beweist also nicht, dass ein Los in der Kälte geprüft wurde, aber die Norm schweigt auch nicht.

Versagt eine 12.9 in der Kälte eher als eine 8.8?

Der Trend geht meist in diese Richtung und zeigt sich in den Bruchdehnungswerten der Norm — etwa 12 % für 8.8, 9 % für 10.9 und 8 % für 12.9 —, höhere Klassen haben also weniger plastische Reserve und weniger Toleranz gegenüber Rissen, Kerben, Wasserstoff oder Unregelmäßigkeiten in der Wärmebehandlung. Es ist aber ein Trend, keine Rangregel. Die Übergangstemperatur hängt von Zusammensetzung, Reinheitsgrad, Korn- und Paketgröße und Anlasszustand ab, sodass ein für Tieftemperatureinsatz ausgelegter legierter Stahl eine handelsübliche 8.8 übertreffen kann.

Kann ich für Kälteanwendungen einfach A2 oder A4 verwenden?

Oft ja, und ISO 3506-1 sagt, dass austenitische nichtrostende Verbindungselemente bis −196 °C verwendet werden können, doch es gelten zwei Vorbehalte. Das ist eine Angabe auf Werkstoffebene und kein Nachweis, dass ein bestimmtes Los bei dieser Temperatur qualifiziert wurde, und austenitischer nichtrostender Stahl ist nicht immun: Kaltverformung senkt die Zähigkeit, metastabile Sorten wie 304 und manche 316 können bei Umformung Alpha-Strich-Martensit bilden, Wasserstoffumgebungen verspröden ihn, und Oxideinschlüsse oder Delta-Ferrit in Schweißnähten können die kryogene Bruchzähigkeit stark verringern. Die Festigkeit ist eine eigene Frage, da austenitische Sorten eine 10.9 nicht gleichwertig ersetzen.

Unter welcher Temperatur muss ich mir Sorgen machen?

Es gibt keine einzelne Schwelle für alle Verbindungselemente, und jede als universell angebotene Zahl sollte als erfunden gelten. Schwellen gibt es in bestimmten Normen für bestimmte Ausrüstung — EN 1515-4 für Flanschverbindungen von Druckgeräten verlangt 40 J bei Raumtemperatur bis zu einer tiefsten Metalltemperatur von −10 °C, darunter 40 J bei einer Prüftemperatur gleich oder unter der Metalltemperatur und unter −160 °C eine Prüfung bei −196 °C. Die nützliche Frage ist, wie hoch die tiefste Auslegungs-Metalltemperatur der Verbindung ist und ob die Spezifikation, nach der Sie einkaufen, diese Temperatur überhaupt behandelt.

Quellen

• ISO 898-1:2013 — Eigenschaften ermittelt bei 10–35 °C; Abschnitt 9.14, Bedingungen der Kerbschlagprüfung; Tabelle 3, KV-Werte
• ISO 3506-1:2020 — Anhang A.3, Einsatz austenitischer nichtrostender Verbindungselemente bei tiefen Temperaturen
• ASTM A320/A320M — Schraubenverbindungen aus legiertem und nichtrostendem Stahl für den Einsatz bei tiefen Temperaturen
• EN 10269 — Stähle und Nickellegierungen für Befestigungselemente für den Einsatz bei erhöhten und/oder tiefen Temperaturen

Die Einzelheiten der Abschnitte von ASTM A320 wurden an der Ausgabe von 2022 geprüft; die aktuelle Ausgabe für den Einkauf ist A320/A320M-26, und ein Vertrag sollte gegen diesen Text geprüft werden. Die Schwellen von EN 1515-4 gelten nur für Flanschverbindungen von Druckgeräten und sind keine allgemeine Regel für Verbindungselemente. Die Werte zur taiwanischen Kühlkette sind Lebensmitteltemperaturen aus den einschlägigen Hygiene- und Schlachthofvorschriften, keine tiefsten Auslegungs-Metalltemperaturen.