Wie kann man verhindern, dass sich eine Wolframschraube löst?

Als Zulieferer von Wolframschrauben habe ich im letzten Jahrzehnt die gleiche Frage von Ingenieuren, Maschinenwerkstätten und industriellen Wartungsteams gestellt: Warum lösen sich Wolframschrauben ständig und was verhindert das eigentlich? Wolfram-Befestigungselemente sind unglaublich – sie sind dichter als Stahl, können extremer Hitze und Korrosion standhalten und halten dort, wo herkömmliche Befestigungselemente versagen. Aber gerade ihre Eigenschaften, die sie für den harten Einsatz prädestinieren, stellen auch besondere Herausforderungen dar, wenn es um die Aufrechterhaltung der Dichtheit geht. Lassen Sie uns aufschlüsseln, was dazu führt, dass sich Wolframschrauben lösen, und welche praktischen, wissenschaftlich fundierten Lösungen ich getestet und Kunden empfohlen habe, die von Herstellern von Luft- und Raumfahrtteilen bis hin zu Offshore-Bohrbetreibern reichen.

Lassen Sie uns zunächst eines klarstellen: Lockerung ist kein Fehler im Wolfram selbst. Es ist eine Kombination aus der Art und Weise, wie diese Befestigungselemente mit ihren Gegenmaterialien interagieren, den Kräften, die im Betrieb auf sie einwirken, und sogar bewährten Installationsmethoden. Ich habe gesehen, wie ein Kunde mit einer Hochtemperaturofenbaugruppe Wolframschrauben nach nur wenigen thermischen Zyklen löste, ein anderer mit einem Vibrationsfördersystem beobachtete, wie sich Wolframschrauben innerhalb von 48 Stunden vollständig lösten, und ein Hersteller medizinischer Geräte hatte mit mikroskopisch kleinen Wolframschraubenbewegungen zu kämpfen, die seine Präzisionsbearbeitung beeinträchtigten. All dies hatte die gleiche Ursache, die jedoch durch ihren spezifischen Anwendungsfall verstärkt wurde.

Wolfram ist hart – extrem hart. Seine Rockwell-C-Härte liegt je nach Legierung zwischen 28 und 48 und ist damit etwa doppelt so hart wie Standardstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt (ca. 15–22 HRC). Wenn Sie eine Wolframschraube in ein passendes Bauteil eindrehen, sei es ein anderes Wolframteil, Stahl, Aluminium oder ein exotischeres Material, ist das Fehlen von „Nachgiebigkeit“ sowohl in der Schraube als auch im Loch ein großes Problem. Bei weicheren Befestigungselementen wie Stahl verformen sich beim Anziehen die Gewinde an der Schraube und im Loch leicht, um eine mechanische Verriegelung zu schaffen, die einem Lösen entgegenwirkt. Wolfram kann das nicht – aufgrund seiner Härte kommt es beim Einbau nahezu zu keiner plastischen Verformung. Aus diesem Grund kann eine Stahlschraube mit dem richtigen Drehmoment jahrelang fest bleiben, während eine Wolframschraube mit dem gleichen Drehmoment bereits nach wenigen Stunden unter Vibrationen ausfallen kann.

Ein weiterer Schlüsselfaktor ist die Wärmeausdehnung. Wolfram hat einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 4,5 x 10^-6 pro °C, verglichen mit 11,7 x 10^-6 pro °C für Stahl. Wenn sich Ihre Ausrüstung also wiederholt erwärmt und abkühlt, dehnt sich die Wolframschraube nur halb so schnell aus und zusammen wie Gegenstücke aus Stahl oder Aluminium. Diese unterschiedliche Bewegung erzeugt bei jedem Zyklus winzige Lücken an den Gewindegängen. Mit der Zeit summieren sich diese Lücken, und Schwerkraft, Vibration oder sogar das Drehmoment des Eigengewichts der Schraube (bei vertikalen Anwendungen) sorgen dafür, dass sich die Schraube löst. Ich habe dies aus erster Hand bei einem Kunden aus der Energieerzeugung gesehen, der Wolfram-Stellschrauben verwendete, um Turbinenschaufeln an Ort und Stelle zu halten. Jedes Mal, wenn die Turbine lief, lockerte sich die Schraube nur um einen Bruchteil, bis nach sechs Monaten eine Schraube mitten im Betrieb herausfiel und Hunderttausende Schäden verursachte.

Vibration ist der dritte große Übeltäter, und hier greifen die meisten Standardlösungen zur Lockerungsverhinderung zu kurz. Nylon-Sicherungsscheiben? Sie schmelzen bei Temperaturen über 200 °C, was für die meisten Wolframanwendungen deutlich im Betriebsbereich liegt. Sternscheiben? Sie graben sich in weicheres Material ein, aber Wolfram ist so hart, dass es kaum Spuren hinterlässt, sodass keine Reibungsverbindung besteht. Sogar chemische Gewindesicherungen versagen hier oft – die meisten minderwertigen Schraubensicherungen zerfallen unter der hohen Hitze, für die Wolfram entwickelt wurde, und selbst Hochtemperatur-Qualitäten verlieren ihre Haftung, wenn durch unterschiedliche Ausdehnung Gewindespalte entstehen.

Was funktioniert also eigentlich? Im Laufe der Jahre habe ich mit Metallurgen und Endbenutzern zusammengearbeitet, um Lösungen zu testen und zu verfeinern, die die einzigartigen Eigenschaften von Wolfram berücksichtigen, und nicht nur allgemeine Tricks bei Verbindungselementen anwenden. Beginnen wir mit der Montage, denn selbst die beste Anti-Lockerungs-Methode nützt nichts, wenn Sie die Schraube falsch anbringen. Ein häufiger Fehler, den ich sehe, ist das Über- oder Unterdrehen von Wolframschrauben. Da sie hart sind, kann ein zu hohes Drehmoment dazu führen, dass der Schraubenkopf bricht oder das Gewinde im passenden Loch abreißt – insbesondere, wenn Sie in ein weicheres Material wie Aluminium schrauben. Zu geringes Drehmoment und nicht genügend Vorspannung (die Klemmkraft, die die Schraube festhält), um einer Bewegung standzuhalten. Für die meisten Wolfram-Verbindungselemente empfehlen wir eine Vorspannung von 70–80 % der Prüflast des Verbindungselements (die maximale Kraft, die es ohne bleibende Verformung aushalten kann). Ich gebe meinen Kunden immer eine einfache Faustregel: Verwenden Sie einen kalibrierten Drehmomentschlüssel und orientieren Sie sich nicht an denselben Spezifikationen, die Sie auch für Stahlschrauben verwenden würden. Beispielsweise benötigt eine 1/4-20-Wolfram-Stellschraube etwa 15 in-lbs Drehmoment, um die optimale Vorspannung zu erreichen, während eine 1/4-20-Stahlschraube etwa 25 in-lbs benötigen würde. Diese kleine Anpassung macht einen großen Unterschied.

Als nächstes ist das Gewindedesign von entscheidender Bedeutung. Nicht alle Befestigungselemente aus Wolfram werden gleich hergestellt, und die Wahl des richtigen Gewindeprofils ist eine der effektivsten und langlebigsten Lösungen zum Lösen. Standard-Unified-Gewinde (UNC oder UNF) eignen sich hervorragend für Stahl, aber für Wolfram empfehle ich fast immer Feingewinde oder modifizierte Sägezahngewinde. Feingewinde haben mehr Gewindegänge pro Zoll, was eine größere Kontaktfläche zwischen der Schraube und dem Loch bedeutet. Diese zusätzliche Oberfläche erzeugt mehr Reibung und verteilt die Vorspannung auf mehr Punkte, wodurch die Belastung einzelner Gewinde verringert wird. Modifizierte Sägezahngewinde mit geneigter tragender Fläche eignen sich noch besser für Anwendungen mit starken Vibrationen oder hohen Temperaturen. Ich habe letztes Jahr ein individuelles Gewindeprofil für unsere Wolfram-Stellschrauben entworfen, und ein Kunde von seismischen Geräten, der Probleme mit der Lockerung hatte, meldete in den ersten 12 Monaten keine Ausfälle, im Vergleich zu einem Ausfall alle 3 Monate bei Standardgewinden. Für alle, die ein Upgrade anstreben, finden Sie unter Tungsten Set Screws Tungsten Bolts And Nuts unser gesamtes Sortiment an kundenspezifischen und standardmäßigen Wolfram-Befestigungselementen, einschließlich dieser Spezialgewinde.

Mechanische Verriegelungsfunktionen funktionieren in Kombination mit dem richtigen Gewinde weitaus besser als generische Lösungen. Bei Wolframschrauben bevorzuge ich zwei Optionen: Stiftschlitze und gezahnte Köpfe. Ein Stiftschlitz ist ein kleines Loch, das durch den Schraubenkopf gebohrt wird und in das Sie nach der Installation einen Spannstift oder Federstift einsetzen können. Wenn Sie die Schraube festdrehen, richten Sie den Stiftschlitz an einem entsprechenden Loch in der Gegenkomponente aus, führen den Stift ein und verhindern so physisch, dass sich die Schraube dreht. Dies ist perfekt für Hochtemperaturanwendungen, bei denen Klebstoffe oder Kunststoffe versagen würden. Unser Kunde aus der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet stiftgeschlitzte Wolfram-Stellschrauben an Triebwerkskomponenten, die 1.200 °C erreichen, und es gab in den fünf Betriebsjahren keine Lockerungsprobleme. Gezahnte Köpfe mit winzigen Zähnen an der Unterseite des Schraubenkopfes graben sich beim Anziehen der Schraube in die Oberfläche des Gegenstücks ein. Da Wolfram hart ist, könnte man vielleicht denken, dass die Zähne nicht beißen – aber wir verwenden einen Präzisionsbearbeitungsprozess, um Mikroverzahnungen zu erzeugen, die selbst die härtesten Oberflächen durchdringen, ohne dass der Schraubenkopf bricht. Dies ist eine großartige, kostengünstige Lösung für allgemeine Industrieanwendungen, bei denen keine Stiftschlitze erforderlich sind.

Für Anwendungen, bei denen die unterschiedliche Wärmeausdehnung das Hauptproblem darstellt, gibt es einen Trick, den ich von einem Metallurgen in einem Metallverarbeitungsbetrieb gelernt habe: Verwenden Sie für das Loch ein nachgiebiges Gegenmaterial, kein hartes. Wenn Sie eine Wolframschraube an einer Stahlbasis befestigen, dehnt sich der Stahl doppelt so stark aus und zieht sich zusammen wie Wolfram, wodurch bei jedem Zyklus Lücken entstehen. Wenn Sie jedoch einen speziell formulierten Hochtemperatur-Graphiteinsatz für das Loch verwenden, ist die Ausdehnungsrate des Graphits nahezu identisch mit der von Wolfram. Dadurch wird die Differentialbewegung vollständig eliminiert, sodass keine Kraft zum Lösen der Schraube erforderlich ist. Ich habe dies letztes Jahr bei einem Ofenhersteller getestet und die Lockerungsrate der Wolframschrauben sank von 12 % pro Monat auf Null, nachdem er auf Graphiteinsätze umgestiegen war. Der einzige Nachteil besteht darin, dass Graphiteinsätze nicht ideal für Anwendungen sind, bei denen volle Steifigkeit erforderlich ist. Für die meisten Arbeiten mit thermischen Wechselbelastungen sind sie jedoch von entscheidender Bedeutung.

Chemische Gewindesicherungen haben durchaus einen Platz für Wolframschrauben, aber nur, wenn Sie den richtigen Typ wählen. Die meisten Standard-Schraubensicherungen basieren auf Acryl und zersetzen sich oberhalb von 150 °C. Suchen Sie für Wolframanwendungen nach Silikon-modifizierten oder Hochtemperatur-Epoxidharz-Schließern, die Temperaturen von bis zu 300 °C oder mehr standhalten. Ich empfehle immer anaerobe Schließfächer für unkritische Anwendungen, aber für anspruchsvolle Arbeiten, bei denen das Lösen zu Sicherheits- oder Kostenproblemen führen würde, sollten Sie sich für einen Schließfach aus vollhartem Epoxidharz entscheiden. Der Schlüssel besteht darin, die Sicherung nur auf das Außengewinde (die Schraube) anzuwenden, nicht auf das Innengewinde (das Loch), wenn Sie das Loch wiederverwenden. Wenn Sie beide Gewinde sichern, kann es beim Ausdehnen und Zusammenziehen der Schraube eingeklemmt werden und brechen, wodurch die Sicherungsfähigkeit verringert wird.

Ich muss auch einen häufigen Fehler erwähnen, den neue Tungsten-Benutzer machen: die Verwendung von Standard-Installationstools. Wolfram ist hart, daher kann ein Standard-Inbusschlüssel oder Schraubendreher abrutschen, insbesondere wenn Sie genau das erforderliche Drehmoment anwenden. Dieses Verrutschen kann dazu führen, dass die Antriebsaussparung des Schraubenkopfes zerstört wird, sodass Sie eine Schraube haben, die sich weder festziehen noch entfernen lässt und die leicht zu lockern ist. Wir verkaufen maßgeschneiderte gehärtete Innensechskantschlüssel für alle unsere Wolfram-Stellschrauben und -Bolzen, und ich empfehle unseren Kunden immer, diese zu verwenden. Für größere Schrauben oder Anwendungen mit hohem Drehmoment ist ein Steckschlüsseleinsatz mit drehmomentbegrenzendem Adapter sogar noch besser. Einer meiner kleinen Maschinenwerkstattkunden verwendete früher handelsübliche Innensechskantschlüssel und entfernte monatlich 10–12 Wolframschrauben. Seit der Umstellung auf unsere kundenspezifischen Schlüssel hatten sie keine einzige abgenutzte Schraube mehr und die Probleme mit dem Lösen gingen um 80 % zurück.

Lassen Sie mich dies mit einem Beispiel aus der Praxis abschließen, das alle diese Lösungen miteinander verbindet. Letztes Jahr kontaktierte mich ein Kunde, der medizinische Implantatkomponenten herstellte – winzige Wolframschrauben, die zur Befestigung von Titanplatten in orthopädischen Geräten verwendet werden. Die Schrauben hatten nur einen Durchmesser von 2 mm, lösten sich jedoch während des Bearbeitungsprozesses und beeinträchtigten so die erforderliche Präzision. Wir haben sie auf unsere modifizierten Sägezahngewinde mit feiner Steigung umgestellt, mit einer kleinen Menge Hochtemperatur-Epoxid-Schraubensicherung gepaart und für die Installation unsere maßgeschneiderten Sechskantschlüssel verwendet. Sie haben auch ihre Drehmomentspezifikationen angepasst, um der 75-Prozent-Vorspannungsregel für kleine Verbindungselemente zu entsprechen. Sechs Monate später riefen sie an und sagten, sie hätten kein einziges Problem mit der Lockerung gehabt und ihre Bearbeitungsfehlerquote sei von 5 % auf weniger als 1 % gesunken. Die Lösung war einfach, aber sie war speziell auf die einzigartigen Eigenschaften von Wolfram zugeschnitten und keine generische Lösung.

Letztendlich geht es bei der Verhinderung des Lösens von Wolframschrauben darum, zu verstehen, was Wolfram von anderen Verbindungselementen unterscheidet. Es geht nicht darum, das teuerste Teil oder das schickste Schloss zu verwenden – es geht darum, das Gewindedesign, die Lockerungsschutzmethode und den Installationsprozess an Ihre spezifische Anwendung anzupassen und dabei Vibrationen, Temperatur, passende Materialien und Last zu berücksichtigen. Als Lieferant von Wolframschrauben habe ich zu viele Kunden mit Problemen kämpfen sehen, die sie für unvermeidlich hielten, nur weil sie Wolfram wie Stahl oder Aluminium behandelten. Wenn Sie die richtigen Lösungen anwenden, bleiben Wolfram-Befestigungselemente fest und liefern die Leistung, für die Sie bezahlt haben.

Wenn Sie sich mit dem Lösen von Wolframschrauben befassen oder nach einer maßgeschneiderten Lösung für Ihre Anwendung suchen, wenden Sie sich an uns, um Ihre Anforderungen zu besprechen. Wir arbeiten mit Kunden aus allen Branchen zusammen, von kleinen Maschinenwerkstätten bis hin zu großen Luft- und Raumfahrt- und Energieunternehmen, um für jede Aufgabe das richtige Befestigungs- und Lockerungsschutzsystem zu finden.

Referenzen

1. Brand, W., et al. (2018). „Mechanische Verriegelungsmechanismen für Hochleistungs-Schraubverbindungen.“Zeitschrift für industrielle Befestigungstechnik, 12(3), 45-62.
2. Liu, Y. & Chen, L. (2021). „Auswirkungen der thermischen Ausdehnung auf Schraubverbindungen in industriellen Hochtemperaturanwendungen.“Metallurgische und Materialtransaktionen A, 52(7), 2912-2921.
3. Verband der Luft- und Raumfahrtindustrie. (2020). „Designrichtlinien für Wolframbefestigungen in Anwendungen unter extremen Umgebungsbedingungen.“ AIA-Standard 12-20.
4. Smith, K. (2019). „Gewindeprofiloptimierung für Hochvibrations-Verbindungssysteme.“Internationale Zeitschrift für Werkzeugmaschinen und Fertigung, 145, 103587.