Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Ermüdungsverhalten zyklisch beanspruchter Schrauben mit zinkbasiertem Korrosionsschutz

Das Forschungsziel besteht in der Quantifizierung des Einflusses verschiedener zinkbasierter Korrosionsschutzsysteme auf die zyklische Beanspruchbarkeit hochfester, hoch vorgespannter Schraubenverbindungen. Der Fokus liegt auf mikromechanischen Vorgängen in der Randzone der Schraube, der Analyse der Eigenspannungen in Verbindung mit den mechanischen Eigenschaften der Randschicht, der Lastverteilung im eingeschraubten Gewindebereich und auf Anrisszeitpunkt und Rissfortschrittsverhalten. Berücksichtigt werden folgende marktrelevante Korrosionsschutzsysteme: Galvanisch Zink, Galvanisch Zink-Nickel, Hochtemperaturfeuerverzinkung, Zinklamellen-Beschichtung und Zinküberzüge mit erhöhtem Aluminiumanteil.

Der Lösungsweg kombiniert experimentelle Untersuchung an Kerbproben und Schraubenverbindungen mit begleitender Werkstoffanalytik und ergänzenden rechnerischen Abschätzungen mit Hilfe der FEM. Die Schadensmechanismen werden gezielt an Rundproben mit einer einzelnen Kerbe untersucht. Die Erkenntnisse sollen an ausgewählten Schraubenverbindungen validiert werden. Die Ergebnisse umfassen Basisdaten in Form von Wöhlerdiagrammen, mechanischen Kennwerten von Grundwerkstoff und Schichtsystemen, chemischen Zusammensetzungen und Gefügeanalysen sowie Eigenspannungsverläufen. Aus allen Informationen wird ein mechanismenbasiertes Versagensmodell abgeleitet.

Der Nutzen für KMU liegt im Erkenntnisgewinn hinsichtlich der Signifikanz verschiedener Einflüsse und hinsichtlich der Mechanismen, die zum Versagen von beschichteten Schraubenverbindungen unter Schwingbeanspruchung führen. Daraus ergeben sich Möglichkeiten zur zielgerichteten Reaktion (z. B. Prozessoptimierungen), was schließlich zur Produktverbesserung und zu einer Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit führt. Die Erarbeitung von Vorschlägen zur normativen Umsetzung der Forschungsergebnisse führt zu einer Erhöhung der Sicherheit von baulichen Anlagen, indem Schäden durch verbesserte Auslegungskonzepte vermieden werden.

Ergebniszusammenfassung:

Ermüdungsversuche an Schraube-Mutter-Verbindungen mit einem definierten Basecoat zeigen, dass die Wahl des Schmierstoffes die Lebensdauer und die Beanspruchbarkeit positiv beeinflusst. Finite Elemente Simulationen bestätigen die Hypothese, dass eine geringere Gewindereibung ein Wechselgleiten der Kontaktpartner leichter ermöglicht und die resultierende lokale Spannungs-Dehnungs-Hysterese kleiner ist. Die im Experiment beobachteten Lebensdauerunterschiede sind auf eine durch die Gewindeschmierung verschobene Anrisslastspielzahl zu höheren Lebensdauern und einer verlängerten Rissfortschrittsphase für kriechfähige Schmierstoffe zurückführbar. Festschmierstoffe wie Fette, die die Kontaktpartner vollständig trennen können, verschieben den Anriss zu den spätesten Zeitpunkten dieses Vergleiches. Flüssigschmierstoffe wie Öl verzögern den Rissfortschritt am meisten. Der negative Einfluss des Oberflächensystem auf die Beanspruchbarkeit konnte anhand von Ermüdungsversuchen an Kerbproben für die 7 Oberflächensysteme gegenüber einer unbeschichteten blank vergüteten Referenz abgeleitet werden. In der Zeitfestigkeit muss die Lebensdauer lastunabhängig ca. 30-40 % für galv. Systeme und Zinklamellensysteme gleichermaßen abgemindert werden. Die dauerhaft ertragbare Beanspruchbarkeit hingegen um 8%. Anhand von Versuchen mit Wechselstrompotentialsonde, Bruchflächenmarkierung und Frequenzanalyse können Arissunterschiede abgeleitet werden, die denen der Bruchlastspielzahlen entsprechen. Im Schraube-Mutter-Versuch ist die Lebensdauerabminderung lastabhängig, da die Gewindereibung Einfluss nimmt. Durch Schmierung mit Fett können diese ausgeglichen werden. Der Anriss erfolgt später und der Rissfortschritt ist verlängert. Eine modifizierte Bemessung (Nk = 1 Mio) in Anlehnung an VDI 2230 ermöglicht eine konservative Abschätzung der Zeitfestigkeit und eine optimierte Auslegung der Dauerfestigkeit (+15 %).