Die richtige Auswahl der Oberflächenbehandlung ist bei der Konstruktion und Auswahl von Verbindungselementen von entscheidender Bedeutung. Dafür stehen verschiedenste Oberflächenbehandlungsverfahren zur VerfügungVerbindungselemente. Designer müssen wirtschaftliche und kompatible Lösungen entsprechend den Betriebsbedingungen, Korrosionsbeständigkeitsanforderungen, Montageleistung, Temperaturumgebung, Umweltschutzstandards und Kostenbudgets auswählen. Die meisten handelsüblichen Befestigungselemente bestehen aus Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl, die korrosionsanfällig sind. Selbst Verbindungselemente aus korrosionsbeständigen Materialien erfordern eine Oberflächenbehandlung, um korrosive Medien zu isolieren und Oxidation zu verzögern.
Die Beschichtungen der Befestigungselemente müssen eine starke Haftung aufweisen, dürfen sich bei der Montage und Demontage nicht ablösen und müssen eine angemessene Dicke aufweisen, die den Gewindeeingriff nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus liegt die Temperaturbeständigkeitsgrenze der meisten Beschichtungen unter der des Grundwerkstoffs Stahl; Daher muss bei der Auswahl die Betriebstemperatur berücksichtigt werden. Über das Aussehen und die Korrosionsschutzfunktionen hinaus hat die Oberflächenbehandlung großen Einfluss auf die Befestigungsleistung von Verbindungselementen, insbesondere auf die Konstanz der Drehmoment-Vorspannkraft. Professionelles Design gleicht umfassend Korrosionsbeständigkeit, Baugruppenherstellbarkeit, Betriebsstabilität und Umweltkonformität aus. In diesem Artikel werden gängige Oberflächenbehandlungsverfahren für hochfeste und korrosionsbeständige Verbindungselemente vorgestellt.
1. Elektroverzinkung
Die galvanische Verzinkung ist die am häufigsten verwendete Beschichtung für kommerzielle Verbindungselemente. Es ist kostengünstig, sieht gut aus und ist in mehreren Ausführungen erhältlich, darunter Weißzink, Gelbzink, Schwarzzink und Olivgrün. Allerdings bietet es im Vergleich zu zinkbasierten Beschichtungen eine relativ schwache Korrosionsbeständigkeit. Die Lebensdauer des neutralen Salzsprühnebels (NSS) bei herkömmlicher galvanischer Verzinkung beträgt 72 Stunden. Mit fortschrittlichen Versiegelungsmitteln kann die Salzsprühbeständigkeit mehr als 200 Stunden betragen, die Kosten sind jedoch 5 bis 8 Mal höher als bei herkömmlicher Verzinkung.
Der Galvanisierungsprozess führt leicht zu einer Wasserstoffversprödung. Dementsprechend sind hochfeste Schrauben der Güteklasse 10.9 und höher grundsätzlich von der herkömmlichen galvanischen Verzinkung ausgeschlossen. Obwohl eine Backdehydrierung möglich ist, wird der Passivierungsfilm oberhalb von 60 Grad beschädigt. Daher muss die Dehydrierung nach dem Galvanisieren und vor der Passivierung durchgeführt werden, was zu einem komplizierten Vorgang und hohen Kosten führt. Die meisten Hersteller führen die Dehydrierung nur dann durch, wenn dies ausdrücklich vom Kunden verlangt wird.
Galvanisch verzinkte Verbindungselemente weisen eine schlechte und instabile Konstanz zwischen Drehmoment und Vorspannung auf und werden daher im Allgemeinen nicht für kritische strukturelle Verbindungen verwendet. Nach dem Galvanisieren kann eine Schmiermittelbeschichtung aufgetragen werden, um die Drehmomentstabilität und die Vorspannungskonsistenz zu verbessern.
2. Phosphatieren
Phosphatieren ist kostengünstiger als galvanisches Verzinken, bietet aber eine geringere Grundkorrosionsbeständigkeit. Für einen wirksamen Schutz muss es ölabgedichtet sein. Gewöhnliches Rostschutzöl bietet nur 10 bis 20 Stunden NSS-Beständigkeit, während hochwertiges Rostschutzöl diese bei 2- bis 3-fachen Kosten auf 72 bis 96 Stunden verlängern kann.
Bei Verbindungselementen werden zwei gängige Phosphatierungsarten angewendet: Zinkphosphatierung und Manganphosphatierung. Die Zinkphosphatierung bietet eine hervorragende Schmierfähigkeit für eine präzise Montage, während die Manganphosphatierung eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit bei einem Betriebstemperaturbereich von 107 bis 204 Grad (225 bis 400 Grad F) bietet.
Der größte Vorteil der Phosphatierung ist die hervorragende Konstanz der Drehmoment-Vorspannung, die eine stabile und genaue Vorspannung der Baugruppe gewährleistet. Es wird häufig in kritischen industriellen Verbindungen wie Stahlkonstruktionsbaugruppen, Motorpleuelschrauben, Zylinderkopfschrauben, Hauptlagerbefestigungen, Schwungrad- und Radschrauben verwendet. Darüber hinaus verursacht die Phosphatierung keine Wasserstoffversprödung und ist daher die Standard-Oberflächenbehandlung für hochfeste Schrauben der Güteklasse 10.9 und höher.
3. Oxidbrünierung (Schwarzoxidbeschichtung)
Das Bläuen mit Ölversiegelung ist die kostengünstigste Oberflächenbehandlung für industrielle Verbindungselemente mit gepflegtem Erscheinungsbild, geeignet für trockene Innenräume. Der schwarze Oxidfilm selbst hat fast keine Korrosionsschutzwirkung und ist vollständig auf den Oberflächenölschutz angewiesen. Ohne Öl rostet die Oberfläche schnell. Die NSS-Beständigkeit ölversiegelter, gebläuter Verbindungselemente beträgt nur 3 bis 5 Stunden.
Gebläute Verbindungselemente weisen eine schlechte Drehmoment-Vorspannungskonsistenz auf. Das Auftragen von Schmierfett auf die Gewindeoberflächen vor der Montage kann die Eingriffsqualität und die Vorspannungsstabilität verbessern.
4. Cadmiumbeschichtung
Die Cadmiumbeschichtung bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, insbesondere eine überlegene Salzsprühleistung in Meeresumgebungen im Vergleich zu herkömmlichen Behandlungen. Allerdings ist die Abwasseraufbereitung schwierig und umweltgefährdend, da die Produktionskosten extrem hoch sind und etwa das 15- bis 20-fache der elektrolytischen Verzinkung betragen. Es wird nur für extreme Betriebsbedingungen wie Offshore-Bohrplattformen und Befestigungselemente in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt und kommt in der allgemeinen Industrie selten zum Einsatz. Die Cadmiumbeschichtung führt außerdem zu einer Wasserstoffversprödung und ist nicht für Ultra‑hochfeste Schrauben.
5. Verchromung
Chrombeschichtungen sind in atmosphärischen Umgebungen chemisch stabil und weisen eine hervorragende Glanzbeständigkeit, hohe Härte und hervorragende Verschleißfestigkeit auf. Bei Verbindungselementen wird die Verchromung meist zu dekorativen Zwecken eingesetzt. Aufgrund der mit Edelstahl vergleichbaren hohen Kosten wird es selten für anspruchsvolle Korrosionsschutzanwendungen verwendet. Es kommt nur zum Einsatz, wenn Edelstahl die Festigkeitsanforderungen nicht erfüllen kann.
Für die Verchromung sind Grundierungen aus Kupfer und Nickel erforderlich, um Haftung und Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Die Beschichtung hält hohen Temperaturen von bis zu 650 Grad (1200 Grad F) stand, Wasserstoffversprödung bleibt jedoch ein potenzielles Risiko für hochfeste Schrauben.
6. Versilberung und Vernickelung
Die Versilberung sorgt sowohl für Korrosionsbeständigkeit als auch für Feststoffschmierung. Es behält eine stabile Leistung bei Temperaturen bis zu 870 Grad (1600 Grad F) bei und verhindert effektiv Gewindeoxidation und -fressen unter Hochtemperaturbedingungen. Aus Kostengründen wird es hauptsächlich für Muttern und kleine Präzisionsschrauben in Hochtemperaturgeräten verwendet.
Die Vernickelung wird vor allem dort eingesetzt, wo sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch elektrische Leitfähigkeit erforderlich sind, beispielsweise bei Anschlussklemmen für Fahrzeugbatterien.
7. Feuerverzinkung (HDG)
Bei der Feuerverzinkung handelt es sich um eine Hochtemperatur-Thermodiffusionszinkbeschichtung mit einer Dicke von 15 bis 100 μm und ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, die häufig für schwere technische Geräte im Freien verwendet wird. Es leidet unter einer schlechten Gleichmäßigkeit der Dicke und einer starken Umweltverschmutzung, die durch Zinkrückstände und Zinkdämpfe während der Produktion verursacht wird.
Die dicke Beschichtung verursacht oft ein Verklemmen des Fadens und ein schwieriges Einrasten. Übliche Lösungen umfassen das Gewindeschneiden von Innengewinden nach dem Verzinken (was die teilweise Beschichtung beschädigt und die Korrosionsbeständigkeit verringert) oder das Vorvergrößern der Muttergewindelöcher um 0,16 bis 0,75 mm (für M5–M30) vor dem Verzinken (was die strukturelle Festigkeit leicht verringert). Das Anti-Lockerungs-Gewindedesign von Spiralock kann dieses Problem lösen, indem es dicke Beschichtungen aufnimmt und gleichzeitig die volle Korrosionsbeständigkeit und mechanische Festigkeit beibehält.
Aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur verändert sich die metallografische Struktur vonwärmebehandelte SchraubenFür Verbindungselemente der Güteklasse 10.9 und höher ist die Feuerverzinkung verboten.
8. Pulver-Zink-Diffusion
Die Zinkpulverdiffusion ist ein festkörpermetallurgischer Thermodiffusionsprozess, der gleichmäßige Beschichtungen auf komplexen Oberflächen wie Gewinden und Sacklöchern bildet. Die Beschichtungsdicke reicht von 10 bis 110 μm, wobei der Dickenfehler auf 10 % kontrolliert wird. Unter allen zinkbasierten Behandlungen bietet es die höchste Haftfestigkeit und Korrosionsstabilität ohne Umweltverschmutzung und ohne Wasserstoffversprödung, ideal für hochpräzise, hochfeste und hoch korrosionsbeständige Verbindungselemente.
9. Dacromet-Beschichtung
Dacromet (Zink-Chrom-Beschichtung) weist kein Wasserstoffversprödungsrisiko und eine hervorragende Drehmoment-Vorspannungskonsistenz auf. Es bietet eine hervorragende Salzsprühnebelbeständigkeit, Hochtemperaturstabilität und chemische Korrosionsbeständigkeit und verhindert effektiv galvanische Korrosion und oxidative Versprödung, die durch den Kontakt unterschiedlicher Metalle verursacht werden. Abgesehen von den Umweltauflagen für sechswertiges Chrom ist es eine der besten Oberflächenbehandlungen für hochfeste Verbindungselemente, die eine extreme Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Zu den gängigen Dacromet-Qualitäten gehören 9028, G917 und G980, erhältlich in den Ausführungen Silber und Schwarz. Sorte 9028 ist eine wirtschaftliche Formel für konventionellen Korrosionsschutz; G917 bietet eine hervorragende chemische Beständigkeit für komplexe Medienumgebungen; G980 bietet eine hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit für Dauerbetrieb über 200 Grad.
Dacromet erfüllt die Umweltrichtlinien ELV, WEEE und RoHS und wird häufig in der Automobil-, Haushaltsgeräte- und Bauindustrie eingesetzt. Es eignet sich für Hochtemperatur- und stark korrosive Komponenten wie Hitzeschilde von Automobilabgasen, Kühler, Fahrwerksteile, Gaszähler und Schiffsausrüstung.
