Wie Stiftschrauben hergestellt werden: Ein vollständiger Leitfaden

Die Herstellung von Stiftschrauben zeigt, wie präzise die moderne Fertigung sein kann. Es handelt sich um einen fortschrittlichen technischen Bereich, der die Metallkunde mit hochtechnologischen mechanischen Verfahren kombiniert, um Teile herzustellen, die für starke Strukturen in vielen Branchen unerlässlich sind. Dieser Artikel geht über die grundlegenden Informationen hinaus und bietet einen detaillierten technischen Einblick für technische Fachleute. Wir nehmen den gesamten Prozess unter die Lupe: die grundlegende Materialwissenschaft, die die Leistung steuert, die Mechanik der Umformung und des Gewindeschneidens, die die Festigkeit erzeugt, die strengen Qualitätskontrollen, die die Zuverlässigkeit gewährleisten, und die zukünftigen Trends, die die Branche verändern. Für Ingenieure und Qualitätsexperten ist es ebenso wichtig zu verstehen, wie sich die winzigen Kornstrukturen während des Gewindewalzens verändern, wie die abschließende Größenprüfung. Dieser Leitfaden dient als umfassende Ressource, die die Wissenschaft hinter einem der wichtigsten Verbindungselemente der Technik erklärt.

Was ist eine Stiftschraube?

Bevor wir den Produktionsprozess aufschlüsseln, müssen wir uns über die technischen Begriffe klar werden. Eine Stiftschraube, oder einfach ein Stift, ist ein Befestigungselement ohne Kopf mit Außengewinde. Im Gegensatz zu einer Schraube, die an einem Ende einen Kopf hat und mit einer Mutter arbeitet, hat ein Bolzen an beiden Enden ein Gewinde. Dadurch kann er auf der einen Seite dauerhaft in einer Gewindebohrung (z. B. in einer Halterung) angebracht werden, während das andere Ende eine Mutter aufnimmt. Diese Konstruktion ist wichtig für Anwendungen, die eine präzise Ausrichtung oder häufige Demontage erfordern, ohne dass die Gewinde im Grundmaterial beschädigt werden.

Stiftschrauben werden nach ihrer Gewindeform und ihrem Verwendungszweck eingeteilt:

• Vollständig mit Gewinde Stehbolzen: Diese haben durchgehende Gewinde von Ende zu Ende. Sie werden für allgemeine Flansch- und Verschraubungsanwendungen verwendet, bei denen ein vollständiger Gewindekontakt erforderlich ist.
• Gewindebolzen: Diese haben ein kurzes Gewinde an einem Ende, das für die Montage in einer Gewindebohrung vorgesehen ist, und ein längeres Gewinde am anderen Ende zur Aufnahme einer Mutter. Die unterschiedlichen Gewindelängen sind ein wichtiger Konstruktionsaspekt.
• Doppelendige Stehbolzen: Ähnlich wie Gewindebolzen, aber beide Gewindeenden sind gleich lang und werden durch einen gewindelosen Mittelteil getrennt. Sie werden für Flanschverschraubungen oder andere Anwendungen verwendet, bei denen zwei Muttern verwendet werden.
• Schweißbolzen: Ein spezieller Typ, der zum Anschweißen an einen Grundwerkstoff bestimmt ist und eine flussmittelhaltige Spitze zur Unterstützung des Lichtbogenschweißprozesses aufweist.

Diese Komponenten sind in stark beanspruchten Umgebungen wie Öl- und Gaspipelines, Motorblöcken von Kraftfahrzeugen und großen Bauprojekten unerlässlich.

Um Klarheit in der Spezifikation zu gewährleisten, wird ein standardisiertes Bezeichnungssystem verwendet. Die Bezeichnung "M12x1,75 - 8,8" bedeutet zum Beispiel: ein metrischer Bolzen mit einem Nenndurchmesser von 12 mm, einer Grobgewindesteigung von 1,75 mm und einer Festigkeitsklasse von 8,8, die eine bestimmte mechanische Festigkeit angibt.

Technische Analyse der Materialien

Die Auswahl des Rohmaterials ist der erste und wohl auch kritischste Schritt bei der Herstellung von Schrauben. Die chemische Zusammensetzung und das Gefüge des Materials bestimmen seine mechanischen Eigenschaften, einschließlich Zugfestigkeit, Härte, Flexibilität und Beständigkeit gegen Umweltfaktoren wie Korrosion und Temperatur. Die Auswahl ist nicht zufällig, sondern eine kalkulierte Entscheidung, die auf der endgültigen Anwendung und den erforderlichen Leistungsmerkmalen des Verbindungselements basiert. Ein Ingenieur muss die Materialqualität auf die betrieblichen Anforderungen abstimmen, um die langfristige strukturelle Integrität und Sicherheit zu gewährleisten.

Kohlenstoffstähle und legierte Stähle

Kohlenstoffstähle und legierte Stähle sind aufgrund ihres ausgezeichneten Preis-Leistungs-Verhältnisses und ihrer Vielseitigkeit die Arbeitspferde der Verbindungselementeindustrie. Sie werden nach Eigenschaftsklassen (ISO 898-1) oder Güteklassen (ASTM) eingeteilt.

• Eigenschaftsklasse 8.8: Ein vergüteter Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt und einer Mindestzugfestigkeit von 800-830 MPa. Er wird häufig für hochfeste Strukturanwendungen verwendet.
• Eigenschaftsklasse 10.9: A vergütet und angelassen legierter Stahl mit einer Mindestzugfestigkeit von 1040 MPa und bietet eine höhere Festigkeit für anspruchsvollere Belastungen.
• Eigenschaftsklasse 12.9: Ein hochfester legierter Stahl, ebenfalls vergütet, mit einer Mindestzugfestigkeit von 1220 MPa für kritische, hochbelastete Anwendungen.
• ASTM A193 Grade B7: Ein Chrom-Molybdän-legierter Stahl, der häufig für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen in Flanschen und Druckbehältern verwendet wird. Er hat eine Mindestzugfestigkeit von 860 MPa und behält seine Festigkeit auch bei erhöhten Temperaturen bei.

Rostfreie Stähle

Für Anwendungen, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, sind nichtrostende Stähle die erste Wahl. Durch den Zusatz von Chrom (in der Regel >10,5%) entsteht eine schützende Oxidschicht auf der Oberfläche, die den Stahl vor Umweltschäden schützt.

• Rostfreier Stahl 304 (A2): Er gehört zur Familie der austenitischen Stähle und ist der am weitesten verbreitete rostfreie Stahl. Er bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl von atmosphärischen Umgebungen. Seine typische Zugfestigkeit liegt zwischen 500 und 700 MPa. Er ist nicht beständig gegen Chloridumgebungen.
• Rostfreier Stahl 316 (A4): Ebenfalls ein austenitischer rostfreier Stahl, jedoch mit dem Zusatz von Molybdän. Dieses Element erhöht die Beständigkeit gegen Chloride erheblich und macht ihn zum bevorzugten Material für Anwendungen in der Schifffahrt, in Küstengebieten und in der chemischen Industrie. Seine mechanische Festigkeit ist mit der von Edelstahl 304 vergleichbar.

Exotische Legierungen

In extremen Umgebungen, die durch außergewöhnlich hohe Temperaturen, aggressive chemische Korrosion oder die Notwendigkeit eines hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses gekennzeichnet sind, werden exotische Legierungen eingesetzt.

• Inconel (z. B. 625, 718): Eine Superlegierung auf Nickel-Chrom-Basis mit hervorragender Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit bei Temperaturen von bis zu 1000°C (1800°F).
• Titan: Bekannt für sein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und seine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber Chloriden. Es wird in der Luft- und Raumfahrt und in der Schifffahrt verwendet, wo das Gewicht ein kritischer Faktor ist.

Tabelle 1: Vergleichende Analyse der gebräuchlichen Bolzenschraubenmaterialien

Die Blaupause für die Fertigung

Die Umwandlung eines einfachen Stahldrahtes in ein hochintegriertes Bolzenschrauben ist ein mehrstufiger Prozess bei dem jeder Schritt genau kontrolliert wird, um auf dem letzten aufzubauen. Die Abfolge ist nicht nur darauf ausgelegt, das Teil zu formen, sondern auch seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

1. Vorbereitung des Rohmaterials

Das Verfahren beginnt mit großen Walzdrahtbunden. Dieser Walzdraht wird zunächst durch eine Reihe von Ziehsteinen gezogen, um seinen Durchmesser auf das genaue Maß zu reduzieren, das für die jeweilige Bolzengröße erforderlich ist. Mit diesem Ziehvorgang beginnt auch die Kaltverfestigung des Materials. Nach dem Ziehen kann der Draht geglüht werden - ein Wärmebehandlungsverfahren die den Stahl erweicht, innere Spannungen abbaut und seine Formbarkeit für die nachfolgenden Umformvorgänge verbessert.

2. Kaltumformung / Kneten

Für Bolzen, die ein gewindeloses Mittelteil oder eine spezielle Kragenform erfordern, ist der nächste Schritt die Kaltumformung, auch Kaltstauchen genannt. Abgeschnittene Drahtabschnitte oder Rohlinge werden in eine Maschine eingeführt, in der ein Gesenk- und Stempelsystem extremen Druck ausübt, um das Metall bei Raumtemperatur zu formen. Es handelt sich um ein Schmiedeverfahren, nicht um ein Schneidverfahren. Ein entscheidender Vorteil ist der Einfluss auf den Faserverlauf des Materials. Anstatt geschnitten zu werden, wird die innere Kornstruktur des Metalls gezwungen, den Konturen des Gesenks zu folgen, was zu einem stärkeren, haltbareren Bauteil mit höherer Ermüdungsbeständigkeit führt.

3. Gewindeherstellung: Walzen vs. Schneiden

Dies ist der kritischste Fertigungsschritt, der die endgültige Festigkeit und Zuverlässigkeit des Bolzens bestimmt. Es gibt zwei Hauptmethoden: Gewindeschneiden und Gewinderollen.

Gewindeschneiden ist ein traditionelles Bearbeitungsverfahren, bei dem ein Schneidwerkzeug Material vom Rohling abträgt, um das Gewindeprofil zu formen. Dieses Verfahren ist zwar für die Herstellung von Sondergewinden oder sehr großen Gewinden geeignet, hat aber einen erheblichen technischen Nachteil: Es schneidet durch den Faserverlauf des Materials. Dadurch entstehen Spannungskonzentrationspunkte, insbesondere am Gewindegrund, die bei wiederholter Belastung zu Ermüdungsrissen führen können.

Gewindewalzen ist ein Kaltumformverfahren. Der gewindefreie Rohling, der einen bestimmten Steigungsdurchmesser hat, wird zwischen zwei oder drei gehärteten Stahlbacken gewalzt. Diese Matrizen haben das Negativprofil des Gewindes und verdrängen unter hohem Druck das Material, um den Gewindegrund und die Gewindespitzen zu formen. Bei diesem Verfahren wird kein Material abgetragen. Stattdessen wird die Oberfläche plastisch verformt, was mehrere entscheidende Vorteile mit sich bringt:

• Der ununterbrochene Faserverlauf folgt der Fadenkontur und erhöht die Festigkeit erheblich.
• Das Verfahren erzeugt Druckeigenspannungen am Gewindegrund, die Zugbelastungen entgegenwirken und die Ermüdungslebensdauer drastisch erhöhen - im Vergleich zu geschnittenen Gewinden um bis zu 30% oder mehr.
• Durch den Rollvorgang wird die Gewindeoberfläche geglättet, was zu einer glatteren, härteren Oberfläche führt, die Reibung und Fressen reduziert.

Tabelle 2: Technischer Vergleich: Gewindewalzen vs. Gewindeschneiden

4. Wärmebehandlung

Für Bolzen aus unlegiertem und legiertem Stahl, die eine hohe Festigkeit erfordern (z. B. Klasse 8.8, 10.9, 12.9), ist eine Wärmebehandlung zwingend erforderlich. Das Verfahren umfasst in der Regel das Vergüten. Die Bolzen werden auf eine Austenitisierungstemperatur (ca. 850-900°C) erhitzt und dann schnell in Öl oder Wasser abgekühlt (abgeschreckt). Dadurch entsteht eine sehr harte, aber spröde martensitische Struktur. Um die Flexibilität und Zähigkeit wiederherzustellen, werden sie anschließend auf eine niedrigere Temperatur erwärmt und vor dem Abkühlen für eine bestimmte Zeit gehalten. In diesem letzten Schritt wird der Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit präzise gesteuert, um die gewünschte Eigenschaftsklasse zu erreichen.

5. Oberflächenveredelung und Beschichtung

Der letzte Fertigungsschritt ist das Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung. Diese dient vor allem zwei Zwecken: dem Korrosionsschutz und der Verbesserung der Reibung.

• Verzinkung: Eine weit verbreitete, kostengünstige Beschichtung, die als Opferkorrosionsschutz dient.
• Feuerverzinkung: Ein Verfahren, bei dem die Bolzen in geschmolzenes Zink getaucht werden, wodurch eine dicke, dauerhafte und äußerst korrosionsbeständige Beschichtung entsteht, die häufig für strukturelle Anwendungen im Freien verwendet wird.
• Phosphat-Beschichtung: Bietet eine leichte Korrosionsbeständigkeit und dient als hervorragende Grundlage für Schmiermittel oder Farbe und hilft, die Reibung beim Anziehen zu kontrollieren.

Sicherstellung von Integrität und Qualität

Bei kritischen Anwendungen kann der Ausfall eines einzigen Bolzens katastrophale Folgen haben. Daher ist ein strenges Qualitätssicherungsprogramm (QS) keine Option, sondern ein integraler Bestandteil der Bolzenschraubenproduktion. Ziel ist es, zu überprüfen, ob jede Charge die präzisen maßlichen, mechanischen und werkstoffspezifischen Anforderungen der internationalen Normen erfüllt.

Maßkontrolle und Sichtprüfung

Dies ist die erste Verteidigungslinie. Jede Charge von Bolzen wird einer Prüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass sie den geometrischen Spezifikationen entspricht. Dabei werden Haupt- und Nebendurchmesser, Gewindesteigung und Gesamtlänge mit Werkzeugen wie Messschiebern und Mikrometern überprüft. Für Gewindeprofile werden spezielle Go/No-Go-Gewindelehren verwendet, um die richtige Passform und Austauschbarkeit zu gewährleisten. Optische Komparatoren und moderne Bildverarbeitungssysteme können eine noch detailliertere, berührungslose Analyse der Gewindeform ermöglichen.

Prüfung mechanischer Eigenschaften

Um zu überprüfen, ob die Materialauswahl und die Wärmebehandlung erfolgreich waren, werden zerstörende Prüfungen an einer statistischen Stichprobe aus jedem Produktionslos durchgeführt. Diese Tests bestätigen die Fähigkeit des Verbindungselements, die angegebenen Lasten zu bewältigen.

• Zugversuch: Ein Bolzen wird in einer Prüfmaschine auseinandergezogen, um seine endgültige Zugfestigkeit (die maximale Spannung, der er standhalten kann) und seine Streckgrenze (die Spannung, bei der er sich dauerhaft zu verformen beginnt) zu bestimmen.
• Proof Load Test: Hierbei handelt es sich um einen kritischen, zerstörungsfreien (in seiner Absicht) Zugversuch. Der Bolzen wird einer bestimmten Belastung ausgesetzt - in der Regel etwa 90% seiner Streckgrenze - und für einen kurzen Zeitraum gehalten. Nachdem die Last entfernt wurde, darf der Bolzen keine Anzeichen einer dauerhaften Dehnung aufweisen. Mit dieser Prüfung wird nachgewiesen, dass das Befestigungselement die vorgesehene Belastung ohne Versagen aufnehmen kann.
• Härteprüfung (Rockwell/Vickers): Mit dieser Prüfung wird die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen örtlich begrenzte plastische Verformung gemessen. Sie ist eine schnelle und wirksame Methode, um den Erfolg des Wärmebehandlungsprozesses zu überprüfen, da die Härte direkt mit der Zugfestigkeit eines bestimmten Materials zusammenhängt.

Zerstörungsfreie Prüfung (NDT)

Bei Anwendungen mit hoher Integrität werden NDT-Methoden eingesetzt, um Oberflächenfehler aufzuspüren, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, wie Risse oder Nähte, die zu einem vorzeitigen Ausfall führen könnten. Die Magnetpulverprüfung (MPI) wird in der Regel für ferromagnetische Materialien wie Kohlenstoff- und legierte Stähle. Der Bolzen wird magnetisiert, und Eisenpartikel werden auf seine Oberfläche aufgebracht. Jeder Oberflächenfehler unterbricht das Magnetfeld, wodurch sich die Partikel ansammeln und den Fehler sichtbar machen.

Aus direkter praktischer Erfahrung weiß man, dass eine der gefährlichsten Versagensarten die Wasserstoffversprödung ist. Sie kann bei der Säurereinigung oder bei galvanischen Verfahren auftreten, wenn Wasserstoffatome in das Kristallgitter des Stahls diffundieren. Dadurch wird das hochfeste Material spröde und neigt zu einem plötzlichen, katastrophalen Versagen unter Last, oft weit unterhalb der Nennfestigkeit. Ein entscheidender QS-Schritt, um dies zu verhindern, ist die Durchführung eines Einbrennprozesses nach der Beschichtung (in der Regel bei 190-220 °C für mehrere Stunden), um den absorbierten Wasserstoff zu verdrängen. Die Überprüfung dieses Einbrennvorgangs durch sorgfältige Prozesskontrolle und -dokumentation ist für jeden beschichteten, hochfesten Bolzen unerlässlich. Zu den wichtigsten Normen für diese Prüfverfahren gehören ISO 898-1 für mechanische Eigenschaften und ASTM F606, die Standardprüfmethode für Verbindungselemente.

Tabelle 3: Grundlegende Qualitätskontrollprüfungen für hochfeste Stiftschrauben

Die Zukunft des Verschließens

Der Bereich der Bolzenschraubenproduktion ist nicht statisch. Sie entwickelt sich ständig weiter, angetrieben von der Nachfrage nach höherer Leistung, größerer Zuverlässigkeit und gesteigerter Fertigungseffizienz. Mehrere wichtige Trends prägen die Zukunft dieser grundlegenden Branche.

Präzision mit CNC-Bearbeitung

Während Kaltumformung und Gewindewalzen ideal für die Massenproduktion sind, bietet die CNC-Bearbeitung (Computer Numerical Control) unübertroffene Präzision und Flexibilität für Spezialanwendungen. Für Kleinserien, hochkomplexe Geometrien oder Bolzen mit sehr großem Durchmesser, bei denen Walzwerkzeuge unpraktisch sind, können CNC-Dreh- und -Fräszentren Teile mit extrem engen Toleranzen herstellen. Dies ermöglicht die Herstellung von kundenspezifischen Verbindungselementen aus exotischen Legierungen für Branchen wie Luft- und Raumfahrt und Motorsport.

Der Aufstieg der intelligenten Verbindungselemente

Eine bahnbrechende Entwicklung ist die Integration von Sensortechnik direkt in Verbindungselemente. "Intelligente" Bolzen können mit eingebetteten Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Sensoren konstruiert werden, die eine Echtzeitüberwachung der Klemmkraft in einer Schraubverbindung ermöglichen. Diese Technologie ist von unschätzbarem Wert für kritische Anwendungen wie Windturbinenblätter, Brücken und Industriemaschinen, da sie eine vorausschauende Wartung ermöglicht, indem sie einen Verlust der Vorspannung erkennt, bevor es zu einem Versagen der Verbindung kommen kann.

Industrie 4.0: Automatisierung und Daten

Die Prinzipien von Industrie 4.0 revolutionieren die Schraubenproduktion und führen die Fabriken zu datengesteuerten, automatisierten Umgebungen.

• Automatisierte optische Inspektion: Hochgeschwindigkeitskameras, gepaart mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz, können jetzt 100% der produzierten Teile prüfen und dabei Maß- oder Oberflächenfehler viel schneller und zuverlässiger erkennen als menschliche Prüfer.
• Prozessüberwachung: An Gewindewalz- und Stauchmaschinen installierte Sensoren können Kräfte, Temperaturen und Vibrationen in Echtzeit überwachen. Diese Daten können zur Vorhersage des Werkzeugverschleißes, zur automatischen Anpassung von Prozessparametern und zur Verhinderung der Produktion von nicht konformen Teilen verwendet werden.
• Vollständige Rückverfolgbarkeit: Durch die Lasermarkierung jeder Charge oder sogar einzelner Bolzen mit einer eindeutigen Kennung können die Hersteller einen vollständigen digitalen Datensatz erstellen. Dieser "digitale Faden" verknüpft ein bestimmtes Verbindungselement mit der Schmelznummer des Rohmaterials, dem Herstellungsdatum, den Maschinenparametern und allen Qualitätskontrolltest Ergebnisse, die ein noch nie dagewesenes Maß an Nachvollziehbarkeit und Rückverfolgbarkeit für kritische Komponenten bieten.

Synthese der Wissenschaft

Die Herstellung von qualitativ hochwertigen Schrauben ist alles andere als ein einfaches Herstellungsverfahren für Massenware. Es handelt sich um eine ausgeklügelte Kombination aus Werkstoffkunde, Maschinenbau und Messtechnik. Die Leistung und Zuverlässigkeit des fertigen Bauteils sind kein Zufall, sondern in jeder Phase eingebaute technische Eigenschaften. Der gesamte Prozess ist eine Kette von Abhängigkeiten: Die Wahl des Werkstoffs bestimmt die potenzielle Leistung, das Herstellungsverfahren des Gewindewalzens verbessert die inhärente Festigkeit und Ermüdungslebensdauer, und ein strenges Qualitätssicherungsprogramm prüft, ob das Endergebnis die anspruchsvollen Standards der modernen Technik erfüllt. Diese scheinbar einfachen Komponenten sind die stillen, wesentlichen Säulen, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit der kritischsten Strukturen und Maschinen der Welt gewährleisten.

• ASME - Amerikanische Gesellschaft der Maschinenbauingenieure https://www.asme.org/
• ASM International - Gesellschaft für Materialwissenschaften https://www.asminternational.org/
• ASTM International https://www.astm.org/
• Institut für industrielle Verbindungselemente (IFI) https://indfast.org/
• NFDA - Nationaler Verband der Händler von Verbindungselementen https://www.nfda-fastener.org/
• Fertigung Global https://manufacturingglobal.com/
• Fertigung.net https://www.manufacturing.net/
• Blog der Nationalen Vereinigung der Hersteller (Shopfloor) https://www.nam.org/
• Jabil Manufacturing Blog https://www.jabil.com/blog
• MacroFab Manufacturing Blog https://www.macrofab.com/blog/