Die Oxidschicht verursacht das Fressen nicht. Sie verzögert es.

Was Fressen ist, bevor es um das Warum geht

ASTM G40 definiert Fressen (galling) als Oberflächenschaden zwischen gleitenden Festkörpern, gekennzeichnet durch makroskopische, meist örtlich begrenzte Aufrauung und die Bildung von Erhebungen über der ursprünglichen Oberfläche. Das bestimmende Merkmal ist plastisches Fließen, manchmal mit Werkstoffübertrag.

Aus dieser Definition folgen drei Dinge, und alle drei werden in der Praxis vermischt:

• Es ist kein Kratzer. Werkstoff hat sich bewegt und aufgeworfen, statt nur zur Seite gepflügt zu werden.
• Es ist kein Festfressen. Festfressen ist das funktionale Ergebnis — die Relativbewegung kommt zum Stillstand. Starkes Fressen kann es verursachen. Fressen, das es noch nicht verursacht hat, ist trotzdem Fressen.
• „Kaltverschweißen“ ist kein Synonym. Kaltverschweißen ist ein Fügen im festen Zustand. Es ist ein häufiges auslösendes Ereignis, doch Fressen ist die Schadensform, die sich danach entwickelt. Die Definition von ASTM verlangt nicht einmal einen nachweisbaren Werkstoffübertrag.

Die Erklärung, die wir schreiben wollten, und warum sie falsch ist

Die Geschichte, die überall erzählt wird — und die wir im Entwurf hatten —, lautet: Die Passivschicht, die nichtrostenden Stahl korrosionsbeständig macht, wird an den Rauheitsspitzen abgerieben, der frisch freigelegte Stahl ist chemisch sehr aktiv und verschweißt kalt mit dem, was er berührt. Die Eigenschaft, für die man bezahlt hat, ist die Eigenschaft, die einen im Stich lässt.

Eine befriedigende Geschichte. Das Oxid wirkt in die andere Richtung.

Untersuchungen an 316L ergaben, dass eine dickere, vorab gebildete Oxidschicht den Fressschaden deutlich verringerte. Das Oxid senkt die Adhäsion; es muss abgetragen oder mechanisch in die Oberfläche eingemischt werden, bevor das Fressen fortschreitet. Die Schicht ist eine Barriere zwischen Ihnen und dem Versagen, nicht dessen Mechanismus.

Auch die zweite Hälfte der Geschichte ist falsch. Kohlenstoffstahl frisst ebenfalls. Die Verschleißversuche des NIST erzeugten starkes Fressen an unlegiertem 1018 und 1541. Was nichtrostenden Stahl in der Praxis von Kohlenstoffstahl unterscheidet, mag vieles sein — „Kohlenstoffstahl tut das nicht“ gehört nicht dazu.

Was tatsächlich geschieht

Der Ablauf, so formuliert, wie die Forschung ihn stützt:

1. Last und Gleiten erzeugen hohe Kontaktspannung und plastische Verformung an den Rauheitsspitzen — den Erhebungen, die sich tatsächlich berühren.
2. Diese Verformung zerstört jede vorhandene Trennschicht — Oxid, Verunreinigung, Schmierstoff.
3. Blankes Metall trifft auf blankes Metall und bildet starke adhäsive Verbindungsstellen.
4. Weiteres Gleiten schert diese Verbindungsstellen im Grundwerkstoff ab statt an der Grenzfläche; dadurch wird Werkstoff übertragen, Aufwerfungen bauen sich auf, und das plastische Fließen wiederholt sich.
5. Das Ergebnis ist die makroskopische Aufrauung mit Erhebungen, die ASTM beschreibt — und in einem Gewinde wird aus einer Passung, die eben noch Spiel hatte, eine Übermaßpassung.

Beachten Sie, dass bei Schritt 4 die Werkstoffeigenschaft am meisten zählt. Eine weiche, duktile Oberfläche lässt die Verbindungsstelle tief abscheren und das plastische Fließen weiterlaufen. Lösungsgeglühter austenitischer nichtrostender Stahl — 304, 316, also A2 und A4 — ist weich und sehr duktil. Das ist die eigentliche Antwort, und sie ist eine mechanische Eigenschaft, keine chemische.

Welche Sorten, und die Frage der Paarung

Lösungsgeglühter 304 und 316 fressen leichter als gehärtete martensitische Sorten, und zwar aus dem oben genannten Grund: Sie sind weicher und duktiler, sodass ihnen großflächiges plastisches Fließen offensteht. Eine gehärtete martensitische Sorte kann eine Härte erreichen, bei der dieses Fließen viel schwerer einsetzt.

Gleiches gegen Gleiches ist ein starker Risikofaktor, keine Regel. Werkstoffe in Eigenpaarung sind metallurgisch vollständig verträglich, sodass sich starke adhäsive Verbindungsstellen leicht bilden, und die Arbeiten des NIST an reinen Metallen fanden Eigenpaarungen im Allgemeinen stärker geschädigt als ungleiche Paarungen. Doch auch ungleiche austenitische Sorten fressen, und es gibt austenitische Legierungen, die eigens für eine Eigenpaarung mit hoher Beständigkeit entwickelt wurden. Gleiche Werkstoffe sind daher als Warnung zu behandeln, nicht als Urteil.

Was die Prüfnormen aussagen und was nicht

Wenn Ihnen jemand einen Fresswert nennt, lohnt es sich zu wissen, was er bedeutet.

• ASTM G98 liefert eine Schwellen-Fressspannung aus einem ungeschmierten, langsamen, intermittierenden Knopf-auf-Block-Versuch. ASTM sagt klar, dass sie der vorläufigen Rangfolge von Werkstoffpaarungen dient und nicht unmittelbar für die quantitative Auslegung zu verwenden ist und dass geschmiertes Gleiten von diesem Verfahren nicht erfasst wird.
• ASTM G196 verwendet eine quantifizierte Schadensmessung und ist besser wiederholbar; ASTM ordnet G98 als vorläufiges Sieb ein.

Beide bilden langsamen, intermittierenden, ungeschmierten Kontakt nach, wozu auch der Gewindeeingriff gehört. Keine von beiden liefert eine zulässige Spannung für Ihre Schraube.

Was sich dadurch nicht ändert

Nichts hiervon besagt, dass nichtrostender Stahl eine schlechte Wahl ist. Es besagt, dass der Grund für sein Festfressen mechanisch und nicht chemisch ist, dass sein Oxid hilft statt schadet und dass eine Schraube aus Kohlenstoffstahl gegen dasselbe Versagen nicht immun ist.

Der echte Zielkonflikt bei der Wahl von nichtrostendem Stahl ist ein anderer; er wird unter Verzinkt oder nichtrostend dargelegt: Bei gleicher Größe ist die nichtrostende Schraube die schwächere, und diese Hälfte der Rechnung erreicht selten die Änderungsmitteilung. Was die Sortenbuchstaben bedeuten, steht unter A2 gegen A4. Wo die Werkstoffwahl in der Reihenfolge der Entscheidungen steht, steht unter Schrauben vollständig spezifizieren (englisch).

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

Verursacht die Passivschicht das Fressen von nichtrostendem Stahl?

Nein, die übliche Erklärung stellt das auf den Kopf. Untersuchungen an 316L ergaben, dass eine dickere, vorab gebildete Oxidschicht den Fressschaden deutlich verringerte: Das Oxid senkt die Adhäsion und muss abgetragen oder mechanisch in die Oberfläche eingemischt werden, bevor das Fressen fortschreitet. Die Schicht steht zwischen Ihnen und dem Versagen, statt es zu verursachen.

Frisst auch Kohlenstoffstahl?

Ja. Verschleißversuche des NIST erzeugten starkes Fressen an den unlegierten Kohlenstoffstählen 1018 und 1541. Was nichtrostenden Stahl in der Praxis unterscheidet, mag vieles sein — eine Immunität von Kohlenstoffstahl gehört nicht dazu.

Warum frisst lösungsgeglühter nichtrostender Stahl dann so leicht?

Weil er weich und sehr duktil ist. Fressen entsteht, wenn adhäsive Verbindungsstellen zwischen blankem Metall im Grundwerkstoff statt an der Grenzfläche abscheren, und eine weiche, duktile Oberfläche lässt dieses Abscheren tief gehen und das plastische Fließen weiterlaufen. Gehärtete martensitische Sorten widerstehen aus demselben Grund in umgekehrter Richtung besser. Hinweise der British Stainless Steel Association nennen hohe Duktilität und eine niedrige Kaltverfestigungsrate als Bedingungen, die das Fressen begünstigen.

Ist Fressen dasselbe wie Kaltverschweißen oder Festfressen?

Nein. Kaltverschweißen ist ein Fügen im festen Zustand und ein häufiges auslösendes Ereignis. Festfressen ist das funktionale Ergebnis, bei dem die Relativbewegung stoppt. Fressen ist die Schadensform dazwischen: ASTM G40 definiert es als makroskopische, örtlich begrenzte Aufrauung mit Erhebungen über der ursprünglichen Oberfläche, gekennzeichnet durch plastisches Fließen. Starkes Fressen kann zum Festfressen führen; Fressen, das es noch nicht getan hat, ist trotzdem Fressen.

Kann ich mit einem Fresswert auslegen?

Nicht unmittelbar. ASTM G98 liefert eine Schwellen-Fressspannung aus einem ungeschmierten, langsamen Versuch, und ASTM erklärt, dass sie der vorläufigen Rangfolge von Werkstoffpaarungen dient und nicht für die quantitative Auslegung. ASTM G196 quantifiziert den Schaden und ist besser wiederholbar. Beide bilden langsamen, intermittierenden, ungeschmierten Kontakt nach, wozu Gewinde gehören, doch keine von beiden liefert eine zulässige Spannung für eine bestimmte Schraube.

Quellen

• ASTM G40 — Standard Terminology Relating to Wear and Erosion (Definition von Fressen; adhäsiver Verschleiß)
• ASTM G98 — Standard Test Method for Galling Resistance of Materials (Schwellen-Fressspannung; Anwendungsbereich und Grenzen)
• ASTM G196 — Standard Test Method for Galling Resistance of Material Couples
• Rogers et al. — The interaction of galling and oxidation in 316L stainless steel
• NISTIR 89-4064 — Verschleißversuche einschließlich unlegierter Kohlenstoffstähle
• British Stainless Steel Association — Fressen und Fressbeständigkeit nichtrostender Stähle; Einflussgrößen auf Verschleiß und Fressen
• „What causes a fastener to lock?“, Engineering Stack Exchange

Diese Seite erklärt einen Mechanismus und korrigiert eine verbreitete Darstellung davon. Über die Annahme einer bestimmten Verbindung entscheiden Ihre Zeichnung, die darin aufgerufenen Normen und, wo erforderlich, ein tatsächlicher Versuch.