Die Kiste lag die Nacht bei minus zwanzig Grad, und Ihr Drehmomentwert wusste es nicht

Der Versuch

Kumar, Persson, Sherrington und Glavatskih prüften vier Zinklamellensysteme aus dem Automobilbau an M10-Schrauben, kraftgesteuert auf 25 kN, maßen Gewinde- und Kopfreibmoment getrennt und berechneten die Reibung nach den Beziehungen von Kellermann–Klein. Mindestens fünf neue Verbindungen aus Schraube, Mutter und Platte je Bedingung.

Es ist nicht die Lagerdauer, und die Arbeit sagt das klar

Die verlockende Version dieser Geschichte lautet: „Beschichtete Schrauben altern im Lager, also nach Alter neu qualifizieren.“ Die Daten stützen das nicht.

• Der Effekt von Wärme und Feuchte ist viel kleiner — etwa 10 % bis 15 % beim Drehmoment bei fester Vorspannkraft, keine Halbierung
• Und er sättigt schnell. Zn-Lamelle 2 fiel nach zwei Tagen um 13 % und zeigte bis dreißig keine weitere signifikante Abnahme. Zn-Lamelle 1 änderte sich zwei Tage lang kaum, fiel bis sieben und flachte dann ab
• „Je länger es liegt, desto niedriger die Reibung“ ist nicht belegt. Zn-Lamelle 2 tendierte bei weiterer Auslagerung leicht nach oben; zwei andere verliefen nicht monoton, wobei die Autoren wahrscheinliche Ausreißer benannten. Jede Formulierung schien einen Sättigungspunkt zu erreichen

Die Variable ist Kondenswasser

Das Kälteergebnis ist das große, und die kalten Teile wurden nicht kalt angezogen. Sie kamen in einen Raum mit 21–23 °C und wurden binnen einer halben Stunde angezogen — in dem Zeitfenster, in dem eine kalte Stahloberfläche Wasser aus warmer Luft zieht. Die Autoren beobachteten Kondenswasser auf den Schrauben, und in diesem Zustand ist es plausibel, dass druckgestützte Wassertaschen Mischreibung erzeugen.

Warum das nicht durch „Drehmoment streut ohnehin um ±25 %“ abgedeckt ist

Der naheliegende Einwand: Drehmomentsteuerung hat ohnehin eine große Unsicherheit — der Anziehfaktor beziffert sie —, warum sollten weitere 10 % oder 30 % zählen?

Was die Arbeit nicht belegt

Das ist wichtig, weil der Mechanismus der Teil ist, der am ehesten als Tatsache weitererzählt wird.

• Beobachtet: Kondenswasser auf kalten Schrauben; unterschiedliche Morphologie, Porosität und Härte-Tiefen-Profile der Beschichtungen; unterschiedliches Reibverhalten je Beschichtung
• Plausibel, aber nicht bewiesen: druckgestützte Wassertaschen, die nach Kältelagerung Mischreibung erzeugen
• Spekulativ: zusätzliches Zinkoxid, das sich bei warm-feuchter Lagerung durch Wasserdiffusion bildet und die Reibung senkt. Eine Identifizierung neuen ZnO per XRD oder XPS wurde nicht berichtet. Die Autoren schreiben „wahrscheinlich“ und nennen es die wahrscheinlichste Erklärung
• Nicht gezeigt: dass die Lagerung die Nanohärte verändert. Die Härteprofile unterschieden sich zwischen den Beschichtungen und korrelierten mit deren Verhalten; das ist nicht dieselbe Aussage. Die Arbeit sagt, der Grund sei „nicht ganz klar“
• Vermengt: Der Warmversuch kombinierte 40 °C mit >95 % r. F., Temperatur und Feuchte sind also nicht trennbar. Der Kälteeffekt lässt sich nicht von der Kondensation beim Wiedererwärmen trennen

Belastbar ist daher nur eine enge Aussage: Die Lagerumgebung kann den Grenzflächenzustand so weit verändern, dass sich die Reibung wesentlich verschiebt, und der Effekt unterscheidet sich je nach Beschichtungsformulierung. Alles Genauere ist die Hypothese der Arbeit, nicht ihr Ergebnis.

Was zu tun ist

1. Kalten Bestand auf Hallentemperatur kommen lassen, bevor er verschraubt wird, und Kondenswasser abtrocknen lassen. Das ist die billigste Gegenmaßnahme und sie trifft den größten Effekt in den Daten.
2. Ist die Verbindung drehmomentgesteuert und wichtig, das in der Einkaufsspezifikation sagen. ISO 10683 und ISO 4042 behandeln die Lagerung bereits als funktionale Anforderung; sie zu benennen ist keine ungewöhnliche Forderung.
3. Die Beschichtungsbezeichnung nicht als Reibungsspezifikation behandeln. Vier Zinklamellensysteme in einer Studie reichten bei gleicher Behandlung von −19 % bis −47 % Änderung der Kopfreibung. Für diesen Zweck sind sie nicht austauschbar — und der Reibungswert gehört auf die Zeichnung, wie die Reibung, die ein Drehmomentwert voraussetzt, darlegt.
4. Wenn die Vorspannkraft wirklich zählt, sie nicht mehr aus dem Drehmoment ableiten. Drehwinkel- oder streckgrenzgesteuertes Anziehen oder direkte Messung — derselbe Schluss, zu dem der Anziehfaktor aus anderer Richtung kommt.
5. Nicht allein nach Kalenderalter neu qualifizieren. Die Daten stützen keine Lagerfristregel für die Reibung, und eine nicht gestützte Regel wird ignoriert, sobald sie zum ersten Mal unbequem ist.

Quellen

• Mayank Kumar, Erik Persson, Ian Sherrington und Sergei Glavatskih, ‘Changes in friction of zinc flake coated threaded fasteners due to humidity, temperature and storage duration’, Tribology International 170, 2022, Artikel 107498, DOI 10.1016/j.triboint.2022.107498 — vier Zinklamellensysteme an M10-Schrauben, kraftgesteuert auf 25 kN, Reibungsauswertung nach Kellermann–Klein, mindestens fünf Verbindungen je Bedingung. Kältelagerung einen Tag bei −20 °C; warm-feucht 40 °C und ≥95 % r. F. für 2 bis 30 Tage; alle innerhalb von 30 Minuten nach Entnahme aus der Kammer angezogen
• ISO 4042 — galvanische Überzugssysteme für Verbindungselemente; warnt, dass Wasser, Kondensation und Staub während der Lagerung die Drehmoment- und Klemmkrafteigenschaften beeinträchtigen können
• ISO 10683 — nichtelektrolytisch aufgebrachte Zinklamellenüberzugssysteme für Verbindungselemente; funktionale Lageranforderungen, ohne allgemeine zahlenmäßige Lagerfrist für die Reibung

Die Beschichtungsformulierungen dieser Studie waren kommerzielle Systeme mit vertraulicher Zusammensetzung, Verallgemeinerungen auf Formulierungsebene sind daher begrenzt. Die Freigabe einer bestimmten Verbindung richtet sich nach Ihrer Zeichnung und Ihren eigenen Prüfungen.

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

Verändert die Lagerung wirklich die Reibung beschichteter Schrauben?

Sie kann es, und zwar spürbar. In einer Studie von 2022 an vier Zinklamellensystemen aus dem Automobilbau brauchten Schrauben, die einen Tag bei minus 20 Grad gelagert und innerhalb von 30 Minuten nach der Entnahme angezogen wurden, 11 % bis 30 % weniger Drehmoment für dieselbe Klemmkraft von 25 kN, bei um 19 % bis 47 % niedrigeren Kopfreibungszahlen als in der Raumreferenz. Warm-feuchte Lagerung bei 40 Grad und über 95 % relativer Feuchte ergab einen kleineren Effekt von etwa 10 % bis 15 % beim Drehmoment bei fester Vorspannkraft.

Haben beschichtete Schrauben also eine Reibungs-Lagerfrist?

Das zeigen die Daten nicht. Der warm-feuchte Effekt sättigte schnell, der größte Teil der Änderung trat innerhalb von zwei bis sieben Tagen ein und bis dreißig Tage kam wenig hinzu, und er verlief nicht bei jeder Beschichtung monoton. Ein System tendierte bei längerer Auslagerung leicht nach oben. Die Studie lief außerdem nur dreißig Tage plus einen einzigen kalten Tag, kann also keine Aussage über monatelange gewöhnliche Lageralterung stützen, und weder ISO 4042 noch ISO 10683 legt eine allgemeine zahlenmäßige Lagerfrist für die Reibung fest.

Was verursacht es tatsächlich?

Ehrlich gesagt ist der Mechanismus nicht geklärt. Kondenswasser auf kalten Schrauben wurde direkt beobachtet, und druckgestützte Wassertaschen, die Mischreibung erzeugen, sind eine plausible Erklärung für das Kälteergebnis. Die Vermutung, dass sich bei warm-feuchter Lagerung durch Wasserdiffusion zusätzliches Zinkoxid bildet, ist ausdrücklich als wahrscheinlichste Erklärung formuliert, nicht als Messergebnis, und eine Identifizierung neuen Zinkoxids per XRD oder XPS wurde nicht berichtet. Die Autoren schreiben, der Grund sei nicht ganz klar.

Spielt das eine Rolle, wenn die Drehmomentsteuerung ohnehin plus/minus 25 % streut?

Ja, weil Streuung und eine Verschiebung des Mittelwerts verschiedene Probleme sind. Die plus/minus 25 % sind eine Auslegungsunsicherheit, um die man die Verbindung dimensioniert, damit auch die ungünstigste Ecke des Bandes zulässig bleibt. Eine lagerungsbedingte Reibungsänderung verbreitert dieses Band nicht, sie verschiebt es, und die systematische Verschiebung kommt zur bereits berücksichtigten Montagestreuung hinzu. Auch die Richtung ist ungünstig: Weniger Reibung bei gleichem Drehmoment ergibt mehr Vorspannkraft als beabsichtigt.

Was ist die praktische Gegenmaßnahme?

Kalten Bestand auf Hallentemperatur kommen und Kondenswasser abtrocknen lassen, bevor er verschraubt wird, denn der größte Effekt in den Daten kam von kalten Teilen, die binnen einer halben Stunde nach dem Eintreffen in einem warmen Raum angezogen wurden. Darüber hinaus die Lageranforderung in der Einkaufsspezifikation nennen, die Beschichtungsbezeichnung nicht als Reibungsspezifikation behandeln, da vier Zinklamellensysteme bei gleicher Behandlung von minus 19 % bis minus 47 % reichten, und bei Verbindungen, bei denen die Vorspannkraft wirklich zählt, Drehwinkel- oder streckgrenzgesteuertes Anziehen oder direkte Messung verwenden, statt die Vorspannkraft aus dem Drehmoment abzuleiten.