Schrauben sind in vielen Konstruktionen sehr wichtig. Sie halten die Bauteile zusammen. Nicht alle Schrauben werden auf die gleiche Weise hergestellt. Manche werden aus einem Metallblock geschnitten. Andere entstehen durch ein Schmiedeverfahren. Geschmiedete Bolzen Für wichtige Aufgaben sind sie deutlich besser geeignet. Wir werden uns ansehen, was Schmiedeschrauben sind und wie sie hergestellt werden. Außerdem werden wir erfahren, warum sie so viel stabiler sind als andere Schrauben.

1. Was sind Schmiedebolzen?

Geschmiedete Schrauben sind Verbindungselemente, die durch Umformen von massivem Metall im heißen Zustand hergestellt werden. Dieser Prozess wird als Schmieden bezeichnet. Das Grundprinzip ist einfach:

1. Die Arbeiter erhitzen ein Stück Metall, zum Beispiel eine Stahlstange, bis es sehr heiß (rotglühend) ist.

2. Anschließend formen Arbeiter das heiße Metall durch Hämmern oder Pressen grob zu einem Schraubenkopf. Dies ist der Schmiedevorgang.

3. Nach dem Schmieden wird das Rohteil durch maschinelle Bearbeitung fertiggestellt.

Schmieden verändert die innere Struktur des Metalls. Dadurch wird die Schraube deutlich fester. Geschmiedete Schrauben eignen sich besonders gut für große BolzenGroße Bolzen benötigen eine hohe Festigkeit, um enorme Lasten zu halten.

2. Warum geschmiedete Schrauben stärker sind

Geschmiedete Schrauben sind stets fester als Schrauben, die durch Schneiden (Zerspanen) oder Gießen (Gießen von flüssigem Metall in eine Form) hergestellt werden. Diese Festigkeit resultiert aus der Faserrichtung des Metalls.

Kornfluss: Metall besteht aus winzigen Kristallstrukturen, den sogenannten Körnern. Beim Walzen eines Metallstabs richten sich diese Körner in Richtung des Stabs aus. Diesen Vorgang nennt man Faserverlauf.

Schmieden verändert den Fluss: Beim Schmieden wird das Metall gepresst und geformt, wodurch die Faserrichtung den Konturen von Schraubenkopf und -körper folgt. Der Materialfluss wird kontinuierlich.

Bearbeitete Schrauben: Beim Abtrennen eines Schraubenkopfes aus einem Metallstab wird die Faserrichtung an den Ecken durchtrennt und gebrochen. Dadurch entstehen Schwachstellen.

Geschmiedete Bolzen: Der durchgehende, ununterbrochene Faserverlauf wirkt wie eine natürliche innere Faser. Diese Faser ist an den Belastungspunkten, wie beispielsweise am Übergang zwischen Kopf und Schaft, am stärksten. Dadurch ist sie deutlich ermüdungs- und stoßfester.

Einfach gesagt: Durch das Schmieden wird die innere Festigkeit des Metalls an die Form des Bolzens angepasst. Dies verleiht dem Bolzen eine höhere Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit und Schlagfestigkeit.

3. Herstellungsprozess von Schmiedebolzen (Schritt für Schritt)

Die Herstellung einer geschmiedeten Schraube ist ein mehrstufiger Prozess. Er beginnt mit Rohmaterial und endet mit einem fertigen, hochfesten Verbindungselement.

Schritt 1: Rohmaterialvorbereitung (Materialauswahl): Die Arbeiter wählen einen stabilen Metallstab oder Draht aus. Dieses Material muss bestimmten Normen (wie ASTM oder DIN) entsprechen. Das Rohmaterial wird in Stücke geschnitten. Jedes Stück hat die richtige Länge für einen fertigen Bolzen.

Schritt 2: Erhitzen (Das Feuer): Die zugeschnittenen Metallstücke werden in einen Ofen gegeben und auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt. Diese Temperatur liegt üblicherweise zwischen 950∘C und 1250∘CDas Metall muss heiß genug sein, um plastisch (weich und leicht formbar) zu werden, aber nicht so heiß, dass es schmilzt. Dies wird als Warmumformtemperatur bezeichnet.

Schritt 3: Schmieden (Formen des Schraubenkopfes): Das heiße Metallstück wird in eine Schmiedemaschine transportiert. Die Maschine formt das Metall mithilfe von enormem Druck oder Schlagkraft (wie ein großer Hammer oder eine Presse). Das Metall wird in die Matrize gepresst, um den Schraubenkopf zu formen. Dies kann eine sechseckige oder eine quadratische Form ergeben. Dieser Schmiedeschritt gewährleistet einen gleichmäßigen Faserverlauf im Schraubenkopf. Dieser Schritt wird auch als Stauchen bezeichnet. Er erzeugt den Schraubenrohling.

Schritt 4: Wärmebehandlung (Festigkeitssteigerung): Nach dem Schmieden wird der Bolzenrohling abgekühlt. Um seine Festigkeit zu erhöhen, wird er einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese umfasst das Härten und Anlassen. Dadurch wird der Stahl deutlich härter und fester. Der Bolzen erhält so seine endgültigen, hohen mechanischen Eigenschaften.

Schritt 5: Nachbearbeitung: Der Bolzenrohling hat nun die richtige Form und Festigkeit. Er ist aber noch rau. Mithilfe präziser Bearbeitungsmethoden wird die Oberfläche geglättet, um die exakten Abmessungen des Bolzenkopfes sicherzustellen. Dabei wird überschüssiges Material entfernt, das beim Schmieden ausgetreten ist.

Schritt 6: Gewindeschneiden: Der Schaft (Körper) der Schraube muss ein Gewinde aufweisen. Dieses wird üblicherweise durch Gewindewalzen hergestellt. Gewindewalzen ist dem Gewindeschneiden vorzuziehen. Dabei werden mit harten Walzwerkzeugen die Gewindegänge in das Metall gerollt. Dieser Walzprozess durchtrennt nicht die Faserrichtung. Stattdessen wird die Faserrichtung in Richtung der Gewindegänge gelenkt, wodurch die Gewinde selbst fester und ermüdungsbeständiger werden.

Schritt 7: Endbearbeitung. Abschließend kann die Schraube eine Oberflächenbeschichtung erhalten. Diese Beschichtung schützt die Schraube vor Rost und Korrosion. Gängige Oberflächenbehandlungen sind Verzinken, Feuerverzinken oder PTFE (Teflon)-BeschichtungNach dem Beschichten werden die Bolzen geprüft und verpackt.

4. Gängige Werkstoffe für Schmiedeschrauben

Geschmiedete Schrauben können aus vielen verschiedenen Metallen hergestellt werden. Die Materialwahl hängt vom Einsatzort der Schraube ab.

Kohlenstoffstahl und legierter Stahl: Dies ist die gebräuchlichste Gruppe. Beispiele hierfür sind SAE Grade 5, Grade 8 und ASTM A193 B7. Diese Werkstoffe werden dort eingesetzt, wo hohe Festigkeit erforderlich ist, beispielsweise bei Rohrleitungen und im Bauwesen.

Rostfreier Stahl: Sie werden dort eingesetzt, wo die Schraube eine hohe Beständigkeit gegen Rost und Chemikalien erfordern. Beispiele hierfür sind die Werkstoffe 304 und 316. Sie finden häufig Anwendung in der Lebensmittelverarbeitung und im maritimen Bereich.

Hochlegierte Nickellegierungen / Superlegierungen: Sie werden in extremen Umgebungen (sehr hohe Temperaturen oder extreme Korrosion) eingesetzt. Beispiele hierfür sind Inconel 718, Monel und Hastelloy. Diese Werkstoffe finden Verwendung in Strahltriebwerken und chemischen Reaktoren.

Schmieden eignet sich gut für all diese Werkstoffe. Es holt das beste Festigkeitspotenzial aus jedem einzelnen heraus.

5. Mechanische Festigkeit von Schmiedebolzen

Geschmiedete Schrauben werden anhand ihrer garantierten Festigkeit klassifiziert. Sie haben spezifische Werte für die Belastung, der sie standhalten können.

Zugfestigkeit: Dies ist die maximale Zugkraft, die die Schraube aushält, bevor sie bricht. Geschmiedete Schrauben, insbesondere solche aus wärmebehandeltem legiertem Stahl (wie ASTM A193 B7), weisen oft eine hohe Zugfestigkeit auf (z. B. 125,000 psi oder mehr).

Streckgrenze: An diesem Punkt beginnt die Schraube, sich dauerhaft zu dehnen oder zu verformen. Eine hohe Streckgrenze bedeutet, dass die Schraube enormen Belastungen standhält, ohne beschädigt zu werden.

Ermüdungsbeständigkeit: Dies ist die Fähigkeit der Schraube, wiederholten Belastungs- und Entlastungszyklen (wie in einer Vibrationsmaschine) standzuhalten. Aufgrund des kontinuierlichen Faserverlaufs sind geschmiedete Schrauben deutlich ermüdungsbeständiger als gefräste Schrauben.

6. Anwendungsbereiche von Schmiedeschrauben (Industrieorientiert)

Geschmiedete Schrauben werden für Anwendungen gewählt, bei denen ein Versagen kostspielig oder gefährlich ist. Sie sind die Befestigungselemente der Wahl für hochbelastete und stark beanspruchte Anwendungen.

Öl und Gas / Petrochemie: Sie werden in Hochdruckleitungen, Ventilen und Flanschen eingesetzt. Diese Bauteile benötigen Schrauben, die hohem Druck und stark korrosiven Chemikalien standhalten.

Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Wird in Flugzeugstrukturen, Fahrwerken und Triebwerksaufhängungen verwendet. Hier sind das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die Zuverlässigkeit von größter Bedeutung.

Bau und Schwermaschinen:Sie werden in Stahlkonstruktionen, Brücken und großen Kränen eingesetzt. Die Bolzen müssen hohen statischen Lasten und ständigen Bewegungen standhalten.

Energieerzeugung:Sie werden in Dampfturbinen, Reaktoren und Hochtemperaturkesseln eingesetzt. Die Schrauben müssen auch in sehr heißen Umgebungen ihre Festigkeit behalten.

7. Maßgefertigte Schrauben in Übergröße

Wenn eine Standardschraube nicht ausreicht, benötigen Unternehmen maßgeschneiderte Bolzen Schmieden ist die wichtigste Methode zur Herstellung dieser Spezialbolzen.

Bedarf an Anpassung: Große Industrieprojekte haben oft spezielle Anforderungen. Sie benötigen möglicherweise eine Schraube, die besonders lang ist, eine spezielle Kopfform hat oder aus einer seltenen Legierung besteht.

Schmieden ist flexibel: Schmieden ermöglicht es Herstellern, Rohlinge in nahezu jeder Größe und Form herzustellen. Es ist einfacher und kostengünstiger, einen großen, speziellen Schraubenkopf zu schmieden, als ihn aus einem massiven Metallblock herauszuschneiden.

Garantierte Stärke: Schmieden gewährleistet, dass selbst diese großen, kundenspezifischen Schrauben die erforderliche hohe Festigkeit aufweisen. Je größer die Schraube, desto wichtiger ist ein ununterbrochener Faserverlauf für die Sicherheit. Schmieden garantiert diese entscheidende Festigkeit für die größten Verbindungselemente. Es ist die beste Methode, um große Abmessungen, kundenspezifisches Design und garantierte mechanische Leistung zu vereinen.

Fazit

Geschmiedete Schrauben gelten als Goldstandard für hochbelastbare Verbindungen. Sie werden nicht einfach nur zugeschnitten, sondern unter Hitze und Druck geformt. Dadurch entsteht ein durchgehendes, ununterbrochenes Fasergefüge im Inneren des Metalls. Diese innere Struktur ist das Geheimnis ihrer überragenden Zugfestigkeit und Dauerfestigkeit.

Von riesigen Rohrleitungen bis hin zu leistungsstarken Triebwerken – Schmiedeschrauben bieten die notwendige Festigkeit und Zuverlässigkeit. Wenn der Ausfall einer Schraube katastrophale Folgen haben könnte, gewährleistet das Schmiedeverfahren maximale Leistung. Bei Anwendungen mit hoher Belastung, Sonderanfertigungen oder hohen Temperaturen ist die Schmiedeschraube das unverzichtbare Verbindungselement.