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Schraubensicherung

Auf Nummer sicher – mit der richtigen Schraubensicherung zu guten Verbindungen

Schraubverbindungen sorgen für festen Halt nicht nur im Maschinen- und Fahrzeugbau. Damit die Verbindungen auch dauerhaft kraftschlüssig bleiben, werden  Schraubensicherungen eingesetzt. Klebstoffe und Schraubenbeschichtungen übernehmen hier eine wichtige Funktion.

Warum muss eine Schraube gesichert werden?

Ein ICE nach Basel verliert in voller Fahrt auf der ICE-Schnellstrecke bei Montabauer zwischen Frankfurt und Köln eine Türe. Und diese knallt in einen Zug der Gegenrichtung. Der Einschlag verletzte Fahrgäste.Schuld war lediglich eine einzelne lose Stellmutter in der Türverriegelung des Zuges.

Regelmäßig passieren hierzulande Schäden wegen gelockerter Schrauben und Muttern.

Warum versagen Schraubenverbindungen?

Zwischen mittels Schraube und Mutter verspannten Teilen genügt normalerweise der Reibungswiderstand, um eine Schraubverbindung mit den vorhandenen  Klemmkräften ausreichend zu sichern. Selbst bei dynamischer Belastung kommen die Schrauben oft ohne Sicherung aus, wenn die Klemmlänge ausreichend gewählt wurde (Richtwert >5d). Doch bei Unterschreiten der von der Schraubengröße abhängigen Mindestklemmlänge oder durch statische und vor allem dynamische Belastungen (z.B. durch Vibration, Querlasten, Relativbewegungen in der Trennfuge oder Setzen der Verbindung) kann es zum ungewollten Lockern bzw. Lösen einer Schraubenverbindung kommen. Und damit zum Verlust der Klemmkraft als Wirkprinzip der Schraubverbindung. Dann führt das Gleiten unter den Kopf bzw. im Gewinde zum Lösen der Schraube.

Klassen bei Schraubensicherungen

Schraubensicherungen sollen den Verlust der Vorspannkraft wegen Kriechen, Setzen (Lockern) und dynamischer Belastung abwenden.

Grundsätzlich werden dabei unterschieden:

  • Losdrehsicherung, verhindert das selbständige Lösen der Verbindung, indem sie die Relativbewegung zwischen den Verbindungselementen abwendet und dadurch das Absinken der Vorspannkraft – dabei sollen mindestens 80 Prozent der Vorspannkraft erhalten bleiben. (z. B. mittel Klebstoff oder Ripp-Schrauben).
  • Verliersicherung: Sie lassen ein teilweises Losdrehen zu, verhindern aber, dass sich selbständig Bestandteile einer Schraubverbindung gänzlich lösen und die Verbindung zerfällt. Die Vorspannkraft einer Schraubverbindung lässt sich so allerdings nicht aufrechterhalten. Das Ziel: Die Schraube soll nach dem Lösen der Verbindung unverlierbar bleiben. Beispiele sind etwa Sicherheitsverkleidungen an Maschinen, die für Wartungsmaßnahmen abgenommen werden müssen und nur mittels eines Werkzeuges zu lösen sind. Beispiele für Verliersicherungen sind Halsschrauben in konischer Scheibe bzw. Buchse oder der ScrewClip.
  • Setzsicherung: Setzsicherungen erhöhen die Elastizität der Verbindung, kompensieren Kriech- und Setzbeträge und gleichen so Setzvorgänge (Lockern) aus. Solche Sicherungen funktionieren meist nach dem Prinzip einer Druckfeder. So lässt sich die Vorspannkraft weitestgehend aufrechterhalten. Und einem Lösen der Verbindung wird entgegengewirkt.

Technische Lösungen für Schraubensicherungen

Bei den Lösungen der Schraubensicherungen unterscheidet man

  • kraftschlüssige Sicherungen (z. B. Federringe, Federscheiben, Sperrkantscheiben)
  • formschlüssige Sicherungen (selbstsichernde Muttern, wie z. B. Sechskantmuttern mit Klemmteil, Kronenmutter mit Splint, Sperrzahnschrauben und -muttern Sicherungsbleche mit Lappen, Rippscheiben)
  • stoffschlüssige Sicherungen (z. B. Schraubensicherungslack, Klebstoff).

Unwirksame Schraubensicherungen

Nach DIN Norm sind einige Sicherungen heute jedoch nicht mehr zulässig, weil die Aufrechterhaltung der Vorspannung einer Schraubverbindung nicht unter allen Umständen gewährleistet ist. Dazu zählen:

  • Muttern mit untergelegtem Federring, Federscheiben Zahnscheiben
  • Fächerscheiben
  • Sicherungsbleche -näpfe oder -muttern oder auch Kronenmuttern.

Der Grund: Mit diesen herkömmlichen Methoden werden nur auf max. 40 Prozent der Oberfläche Losdrehkräfte absorbiert. Sie können aber gegebenenfalls noch als Verliersicherung eingesetzt werden, da sie ein vollständiges Auseinanderfallen der Schraubverbindung verhindern.

Schraubensicherung durch Klebstoffe

Bewährt vor allem als Losdrehsicherung, aber auch als Setzsicherung haben sich daher heute vor allem Klebstoffsicherungen: In den Spalt zwischen Außen- und Innengewinde wird dabei während der Montage Klebstoff eingebracht. Er härtet dort aus und verhindert Bewegungen im Gewinde durch seine Adhäsionskraft an der Oberfläche sowie Kohäsionskräfte innerhalb des Klebstoffes.

Um die gewünschte Vorspannkraft einer Schraubenverbindung zu sichern, werden meist anaerobe Klebstoffe eingesetzt. Es handelt sich um flüssige, einkomponentige Produkte, die unter Luftsauerstoffabschluss (anaerob) und bei Metallkontakt aushärten. Neben dem

Luftabschluss benötigt diese Klebstoffart Eisen- oder Kupferionen, um sich dann zu Duromeren zu verfestigen. Mit ihnen lassen sich demgemäß hohe Festigkeiten mit guter Temperaturbeständigkeit erreichen.

Scotch-Weld TL 43 von 3M ist z.B. solch ein mittel- bis hochfester anaerober Klebstoff zur Sicherung der Schraubverbindung, der gleichzeitig vor Korrosion schützt. Sein definiertes Losbrechmoment ermöglicht auch eine spätere leichte Demontage der Teile ohne deren Beschädigung.

Bei der Wahl des anaeroben Klebstoffes sind auch immer die gewünschte Demontierbarkeit der Verbindung und ihre Beständigkeit in Bezug auf Temperatur, Druck, Medien zu berücksichtigen.

Mittelfeste oder hochfeste Verbindung?

Vor der Anwendung sollte z.B. klar sein, ob die Schraubverbindung später noch einmal gelöst werden muss. Die Verbindungsfestigkeit kann nämlich durch die Klebstoffzusammensetzung vorher auf die jeweilige Anwendung (dauer- bzw. hochfest oder wieder lösbare Verbindung – mittelfest) angepasst werden. Hochfeste Schraubensicherungen lösen sich später nur durch Hitze wieder (z.B. mittels Lötkolben oder kleiner Gasflamme). Bisweilen werden dazu Temperaturen von 300 bis 400 °C benötigt. Mittelfeste Schraubensicherungen lassen sich mit entsprechender Kraft auch so wieder lösen. Bisweilen hilft es aber auch hier, erstmal zu erwärmen.

Eingebaute Klebstoffdichtung

Klebstoffe kommen neben ihrer fügenden Aufgabe oft gleichzeitig Dichtfunktionen zu. Da die Gewindegänge komplett damit ausgefüllt sind, wird bei 100%igem Oberflächenkontakt gleichzeitig auch jede Korrosion (z.B. Passungsrost) vermieden. Und Durchgangsgewinde werden gleichzeitig gedichtet, was Leckagen verhindert. Außerdem sind Klebstoff-Sicherungen im ausgehärteten Zustand sehr beständig gegen Öle, Lösemittel und Feuchtigkeit. All diese Eigenschaften schätzt man unter anderem im Fahrzeugbau, wenn es zum Beispiel um die Montage von Motoren oder Getrieben geht. Dort werden solche Sicherungen beispielsweise beim Getriebeeinbau als Flüssigdichtungen verwendet.

Mit mikroverkapseltem Klebstoff beschichtete Schraube

Eine weitere Praktik, das Lockern von Schrauben zu verhindern, ist eine Beschichtung mit mikroverkapseltem Klebstoff herstellerseits. Nach der Beschichtung bleibt der Klebstoff zunächst inaktiv. Bis die dünnwandigen Mikrokugeln dann beim Einschrauben zerstört werden und den Klebstoff freigeben. Dann füllt der Klebstoff den Raum zwischen Innen- und Außengewinde vollständig aus. 3M Scotch Grip 2353 ist z.B. ein solcher mikroverkapselter Epoxidharz-Schraubensicherungs-Klebstoff, der speziell für die Vorbeschichtung von Schrauben entwickelt wurde. Nach vollständiger Härtung stellt der Klebstoff eine zuverlässige Schraubensicherung gegen selbsttätiges Losdrehen bis zu einer Temperatur von 110° C dar. Die Schraubenbeschichtung findet Anwendung etwa im bei Sicherheitsbauteilen sowie im Fahrzeugbau. Weiteres Plus: der beschichtete Schraube lässt sich ohne bedeutenden Wirkungsverlust mehrfach verwenden.

Profitipp

Die beste Schrauben-Klebstoffsicherung hält nicht, wenn Öl und Fett auf den Gewinden sitzt. Dazu vorher am besten Mutter und Schraube mit Schnellreiniger / Bremsenreiniger aus der Dose einsprühen und in Küchenkrepp solange drehen, bis keine schwarzen Streifen mehr sichtbar sind.