Legierungselemente

Aluminium (Al): Leichtbau-Verbindungstechnik und Desoxidation in Schraubenstählen

Aluminium (Dichte 2,7 g/cm³) ist rund 65 % leichter als Stahl und eignet sich damit für gewichtsoptimierte Sonderschrauben in Luft- und Raumfahrt, Motorsport und Medizintechnik. Typische Legierungen für Verbindungselemente sind EN AW-6082 und EN AW-7075 mit Festigkeiten bis 570 MPa.

In der Stahlmetallurgie ist Al das wichtigste Desoxidationsmittel. In Borstählen für Schrauben der Klassen 8.8 und 10.9 übernimmt vor allem Titan die Stickstoffabbindung (siehe Bor). Aluminium fördert Feinkornbildung, bildet harte Nitride (Basis für Nitrierstähle) und erhöht als Ferritbildner die Zunderbeständigkeit in hitzebeständigen Stählen.

Aluminiumschrauben in Stahlkonstruktionen sind durch Kontaktkorrosion gefährdet: Al ist deutlich unedler als Stahl und wird bei Elektrolytkontakt bevorzugt angegriffen. Isolierende Zwischenlagen oder geeignete Beschichtungen (Eloxieren) sind erforderlich. Einsatztemperatur max. ~150–200 °C; darüber sinken die Kennwerte durch Überalterung.

Antimon (Sb): Stahlschädling und Versprödungsrisiko bei hochfesten Schrauben

Antimon ist ein Spurenelement, das als Stahlschädling die Zähigkeit erniedrigt und das Gamma-Gebiet einschnürt. In der Verbindungstechnik ist Sb bei hochfesten Schrauben der Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9 relevant, da es gemeinsam mit P, Sn und As die Anlassversprödung (Temper Embrittlement) fördert.

Diese Versprödung tritt bei langsamer Abkühlung im Bereich 350–550 °C auf und führt zu einem starken Abfall der Kerbschlagzähigkeit. Das ist kritisch für Flanschverbindungen im Anlagenbau bei tiefen Temperaturen. Der Watanabe-Faktor J = (Si + Mn)(P + Sn) × 10⁴ erfasst Sb nicht; Antimon geht in den Bruscato-Faktor X = (10 P + 5 Sb + 4 Sn + As) / 100 ein (Gehalte in ppm).

Die gängigen Werkstoffnormen für Schraubenstähle (EN 10263, EN 10269) begrenzen Sb nicht ausdrücklich. Für kritische Anwendungen, etwa in der Reaktortechnik, werden Grenzwerte projektspezifisch vereinbart, häufig über den Bruscato-Faktor.

Arsen (As): Spurenelement und Stahlschädling in der Verbindungstechnik

Arsen zeigt starke Seigerungsneigung, setzt die Zähigkeit herab, erhöht die Anlasssprödigkeit und beeinträchtigt die Schweißbarkeit. Wie Phosphor reichert sich As an Korngrenzen an. Die Beseitigung durch Diffusionsglühen ist schwieriger als bei P.

In hochfesten Schrauben (10.9, 12.9) wirkt As gemeinsam mit Sb, Sn und P als Treiber der Anlassversprödung, die zu sprödem Versagen unter Betriebslast führen kann. EN 10263 und EN 10269 begrenzen As nicht ausdrücklich; Grenzwerte werden bei Bedarf projektspezifisch vereinbart. Arsen verstärkt außerdem die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung bei galvanisch beschichteten Schrauben ≥10.9.

Bei warmumgeformten Sonderverbindungselementen kann erhöhter As-Gehalt die Verformbarkeit und Oberflächenqualität negativ beeinflussen. Regulatorisch sind Arsenverbindungen unter REACH als SVHC gelistet.

Beryllium (Be): Funkenarme und federelastische Sonderschrauben aus CuBe-Legierungen

Beryllium ist vor allem als Legierungsbestandteil in Kupfer-Beryllium-Bronzen (CuBe2) für die Verbindungstechnik bedeutsam. CuBe-Legierungen sind aus drei Gründen relevant: funkenarme Verbindungselemente für explosionsgefährdete Bereiche (Bergbau, Chemie, Öl-/Gasindustrie; die Eignung ist im Explosionsschutzkonzept zu bewerten), gute Federeigenschaften durch Ausscheidungshärtung (Kontaktfedern, Sicherungsringe) und Einsatz in medizintechnischen Präzisionsbauteilen (Ni-Be-Legierungen).

Im Stahl wirkt Be stark desoxidierend, hat hohe Schwefel-Affinität und ermöglicht Ausscheidungshärtung bei gleichzeitig verengtem Gamma-Bereich.

Arbeitsschutzhinweis: Bei mechanischer Bearbeitung entsteht lungengängiger Staub, der Berylliose verursacht (AGW: 0,06 µg/m³). Sicherheitsdatenblätter und Bearbeitungshinweise sind bei der Beschaffung anzufordern.

Blei (Pb): Zerspanungshilfe in Automatenstählen, eingeschränkt durch RoHS und REACH

Blei (0,2–0,5 %) verbessert die Zerspanbarkeit durch fein verteilte, weiche Einschlüsse, die als Spanbrecher wirken. In der Verbindungstechnik war Pb in Automatenstählen (11SMnPb30, 11SMnPb37) für Sonderschrauben, Muttern und Präzisionsdrehteile auf CNC-Drehautomaten verbreitet.

RoHS (2011/65/EU) beschränkt Pb auf max. 0,1 Gew.-% in Elektro-/Elektronikgeräten. Für Blei als Legierungselement in Stahl für Bearbeitungszwecke gilt eine Ausnahme bis 0,35 Gew.-% (Anhang III, Nr. 6(a)); sie ist befristet und wird regelmäßig überprüft. Blei steht seit 2018 als Element auf der REACH-Kandidatenliste. Verbindungselemente aus bleihaltigem Automatenstahl (> 0,1 % Pb) unterliegen der Informationspflicht nach Art. 33 REACH und der SCIP-Meldung. Bleifreie Alternativen wie Bismut-legierte Automatenstähle (11SMnBi30) bieten vergleichbare Zerspanbarkeit.

Blei verschlechtert Schweißbarkeit und Warmverformbarkeit und ist kein klassisches Legierungselement. Die mechanischen Eigenschaften werden kaum beeinflusst.

Bor (B): Mikrolegierung für hochfeste Schraubenstähle der Klassen 8.8 und 10.9

Bor ist das wichtigste Mikrolegierungselement der Schraubenindustrie: Bereits 0,0008–0,005 % steigern die Durchhärtbarkeit so wirksam, dass teurere Elemente wie Ni, Mo oder Cr teilweise eingespart werden. Borstähle (20MnB4, 32CrB4, 33MnCrB5-2 nach EN 10263-4) sind die Standardwerkstoffe für Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9.

Voraussetzung: Stickstoff muss durch Titan abgebunden werden, damit Bor nicht als unwirksames BN vorliegt. Auf das Ti/N-Verhältnis (stöchiometrisch mindestens ca. 3,4) kommt es deshalb an. In 18/8-CrNi-Stählen ermöglicht B Ausscheidungshärtungen auf höhere Streckgrenze. Bor hat hohen Neutronenabsorptions-Querschnitt (Reaktortechnik) und verbessert Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, vermindert aber die Schweißbarkeit.

Bei der Kaltstauchung (dem Standardverfahren für Schrauben) zeigen Borstähle gutes Umformverhalten.

Cer (Ce): Seltene Erden für Stahlreinheit und hitzebeständige Verbindungselemente

Cer (Schmelzpunkt ~795 °C) gehört zu den Seltenen Erden und wird als Mischmetall (50–70 % Ce plus La, Nd, Pr) eingesetzt. In der Stahlmetallurgie wirkt Ce stark desoxidierend und entschwefelnd, verbessert die Warmverformbarkeit und erhöht die Zunderbeständigkeit hitzebeständiger Stähle. Ce modifiziert nichtmetallische Einschlüsse zu kugeliger Form. Das ist vorteilhaft für die Ermüdungsfestigkeit. Fe-Ce-Legierungen (~70 % Ce) sind pyrophor (Zündsteine); Ce findet auch in GGG-Gusseisen Verwendung.

Für die Verbindungstechnik ist Cer kein typisches Legierungselement für Standardschrauben. Die Relevanz liegt in der Verbesserung der Stahlreinheit (Sulfidmorphologie) und bei hitzebeständigen Verbindungselementen, z. B. Schrauben für Abgaskrümmer oder Turbinenkomponenten, wo Ce-haltige zunderbeständige Stähle die Lebensdauer erhöhen.

Chrom (Cr): Grundlage der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahlschrauben

Chrom (Schmelzpunkt ~1907 °C) ist das wichtigste Legierungselement für korrosionsbeständige Verbindungselemente. Ab ~10,5 % Cr bildet sich eine selbstheilende Passivschicht. DIN EN ISO 3506 ordnet nichtrostende Schrauben nach Gefüge (austenitisch A, martensitisch C, ferritisch F, Duplex D); bei den Austeniten unterscheidet Molybdän A4 von A2: A2 (z. B. 1.4301, ~18 % Cr) für Standardanwendungen, A4 (z. B. 1.4401, ~17 % Cr + Mo) für erhöhte Chloridbeständigkeit in maritimen und Offshore-Umgebungen.

Die Lochfraßbeständigkeit beschreibt der PREN-Wert: PREN = %Cr + 3,3 × %Mo + 16 × %N. Meerwasseranwendungen fordern typisch PREN ≥ 40 (z. B. Super-Duplex 1.4410).

In Vergütungsstählen für hochfeste Schrauben (34CrMo4, 42CrMo4 nach EN 10263) verbessert Cr Härtbarkeit, Verschleißfestigkeit und Anlassbeständigkeit. Cr ist starker Karbidbildner und setzt die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit herab.

Kalzium (Ca): Desoxidationsmittel und Reinheitsoptimierer für Schraubenstähle

Kalzium (Schmelzpunkt ~842 °C) wird als Silico-Kalzium (SiCa) zur Desoxidation eingesetzt und erhöht die Zunderbeständigkeit von Heizleiterwerkstoffen.

Für die Verbindungstechnik ist Ca kein direktes Legierungselement, hat aber indirekte Bedeutung: Durch Ca-Behandlung (Calcium Treatment) werden harte Tonerde-Einschlüsse (Al₂O₃) in kugelige Calciumaluminate umgewandelt; der Schwefel wird als wenig verformbares (Ca,Mn)S gebunden, sodass sich beim Walzen keine langgestreckten MnS-Zeilen bilden. Dies verbessert die Isotropie der mechanischen Eigenschaften. Das ist besonders relevant für quer beanspruchte Verbindungselemente, bei denen langgestreckte MnS-Zeilen die Querzugeigenschaften und Ermüdungsfestigkeit vermindern würden.

Bei hochfesten Schrauben ≥10.9 unter dynamischer Belastung kann Ca-Behandlung den Reinheitsgrad signifikant verbessern und die Schraubenlebensdauer erhöhen.

Kobalt (Co): Superlegierungen für Hochtemperatur-Verbindungselemente

Kobalt (Schmelzpunkt ~1495 °C) bildet keine Karbide, hemmt Kornwachstum, verbessert Anlassbeständigkeit und Warmfestigkeit stark. Es ist zentral in Schnellstählen, Warmarbeitsstählen und Dauermagnetlegierungen. Unter Neutronenbestrahlung bildet sich radioaktives ⁶⁰Co. Deshalb ist Kobalt in Reaktorstählen unerwünscht.

Für die Verbindungstechnik ist Co kein Element in Standard-Schraubenstählen, aber wichtig bei Hochtemperatur-Verbindungselementen: Co-haltige Hochtemperaturlegierungen wie Haynes 25 und die Nickelbasislegierung Waspaloy (mit Co-Anteil) werden für Turbinenschrauben und Triebwerksbolzen eingesetzt, die 600–1000 °C standhalten müssen.

Kobalt fällt nicht unter die EU-Konfliktmineralien-Verordnung 2017/821 (sie gilt für Zinn, Tantal, Wolfram und Gold); in der Lieferkette wird Kobalt aber häufig nach dem OECD-Leitfaden und mit dem RMI-Meldeformular für weitere Rohstoffe (EMRT) abgefragt. Der Kobaltpreis ist hochvolatil (LME-Handel) und beeinflusst die Kosten Co-haltiger Sonderverbindungselemente direkt.

Kohlenstoff (C): Das bestimmende Element für Festigkeitsklassen von Schrauben

Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement im Stahl und bestimmt maßgeblich die Festigkeitsklasse nach DIN EN ISO 898-1: Klasse 8.8 erfordert typisch 0,15–0,40 % C, Klasse 12.9 benötigt 0,30–0,50 % C. Mit steigendem C-Gehalt steigen Festigkeit und Härtbarkeit, während Dehnung, Schweißbarkeit und Kaltstauchbarkeit sinken.

Bei der Kaltumformung muss der C-Gehalt passen: Zu wenig ergibt unzureichende Festigkeit, zu viel verschlechtert die Kaltstauchbarkeit. Höhere C-Gehalte erhöhen die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung (HE) bei galvanisch beschichteten Schrauben ≥10.9. Die Schweißbarkeit wird über den Kohlenstoffäquivalent-Wert (CEV) beurteilt.

In austenitischen Edelstahlschrauben (A2/A4) fördert C über 0,03 % interkristalline Korrosion, wenn das Bauteil geschweißt oder im Sensibilisierungsbereich betrieben wird; dann werden „L“-Sorten (z. B. 1.4404) oder stabilisierte Sorten (z. B. 1.4571) eingesetzt.

Kupfer (Cu): Witterungsbeständigkeit, Kontaktkorrosion und Schrottbegleiter

Kupfer (Schmelzpunkt 1084 °C) reichert sich unter der Zunderschicht an und verursacht Oberflächenempfindlichkeit bei Warmverformung. Kupfer wird daher teils als Stahlschädling eingestuft. Gleichzeitig erhöht Cu Streckgrenze und Härtbarkeit, verbessert die Witterungsbeständigkeit in un- und schwachlegierten Stählen und bei Gehalten >1 % die Säurebeständigkeit.

In der Verbindungstechnik relevant: CuNi-Legierungen für Schiffbau-Verbindungselemente, Cu-haltige wetterfeste Stähle nach EN 10025-5 für Außenverbindungen an Infrastrukturbauwerken. Kritisch ist die Kontaktkorrosion: Cu-haltige Werkstoffe in Kontakt mit verzinkten Schrauben führen zu beschleunigtem Zinkabtrag.

Cu als Verunreinigung in Schrottstählen (Elektrostahl) beeinträchtigt die Qualität von Massenverbindungselementen, da Cu nicht durch Frischen entfernbar ist. Der Cu-Gehalt beeinflusst auch die Feuerverzinkbarkeit.

Magnesium (Mg): Ultraleichte Verbindungselemente und Desoxidationsmittel

Magnesium (Schmelzpunkt ~650 °C) wird in der Stahlmetallurgie zur Desoxidation und Entschwefelung eingesetzt. In Gusseisen erzeugt Mg Kugelgraphit (GGG) mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften.

Als Werkstoff (Dichte 1,74 g/cm³, 78 % leichter als Stahl) ermöglicht Mg ultraleichte Verbindungselemente für Automotive und Aerospace. Das Problem ist die Korrosion: Mg ist sehr unedel und äußerst anfällig für galvanische Korrosion bei Kontakt mit nahezu allen anderen Metallen. Beschichtung und Isolierung sind Pflicht. Einsatztemperatur max. ~120–150 °C.

Mg ist außerdem Legierungselement in Al-Knetlegierungen (AlMg-Serien), die auch für Al-Verbindungselemente relevant sind.

Mangan (Mn): Standardlegierungselement in nahezu allen Schraubenstählen

Mangan (Schmelzpunkt ~1246 °C) ist neben Kohlenstoff das wichtigste Legierungselement in Schraubenstählen (typisch 0,30–1,65 %). Es desoxidiert den Stahl und bindet Schwefel als MnS, wodurch Rotbruch verhindert wird. Mn erhöht Härtbarkeit und Durchhärtung, was bei Durchmessern ab M20 wichtig wird.

Bei >12 % Mn entstehen austenitische Stähle mit extremer Kaltverfestigung (Hadfield-Stahl) für verschleißfeste Sonderverbindungselemente. Ab ≥18 % ist der Stahl auch nach Kaltverformung nicht magnetisierbar. Die 200er-Serie der CrMn-Edelstähle nutzt erhöhte Mn-Gehalte als teilweisen Nickelersatz. Sie sind preisgünstiger als A2, haben aber eine eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit.

In Automatenstählen (11SMn30) sorgt Mn für kontrollierte MnS-Einschlüsse als Spanbrecher. Mn steigert Streckgrenze und Festigkeit und wirkt günstig auf Schmied- und Schweißbarkeit.

Molybdän (Mo): Legierungselement in Vergütungsstählen für hochfeste Schrauben und in A4

Molybdän (Schmelzpunkt ~2623 °C) ist in den wichtigsten Vergütungsstählen für hochfeste Schrauben (34CrMo4, 42CrMo4) und im Edelstahl A4 enthalten. Mo verbessert Härtbarkeit, verringert Anlassversprödung, fördert Feinkornbildung und erhöht Warmfestigkeit. Es ist starker Karbidbildner und Ferritbildner.

In Edelstahl-Verbindungselementen ist Mo das Unterscheidungsmerkmal zwischen A2 und A4: 1.4401/1.4404 (A4) enthalten 2–3 % Mo für erhöhte Chloridbeständigkeit. Mo fließt direkt in den PREN-Wert ein und ist das maßgebliche Auswahlkriterium für Edelstahlschrauben in maritimen, chemischen und Offshore-Umgebungen.

Mo sichert die Durchhärtung bei größeren Durchmessern (≥M20) in den Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9. Für Flanschschrauben im Anlagenbau (EN 10269) liefert Mo die erforderliche Warmfestigkeit.

Nickel (Ni): Austenitbildner in Edelstahlschrauben und Kostentreiber in der Beschaffung

Nickel (Schmelzpunkt ~1455 °C) stabilisiert das austenitische Gefüge der A2- und A4-Edelstahlschrauben nach DIN EN ISO 3506. A2-Schrauben (1.4301) enthalten 8–10,5 % Ni, A4-Schrauben (1.4401) 10–13 % Ni. Nickel erhöht Zähigkeit, insbesondere bei tiefen Temperaturen. Das ist relevant für kryogene Verbindungselemente in der LNG-Technik.

Wo klassische Edelstähle nicht reichen, kommen Ni-Basislegierungen zum Einsatz: Inconel 718 (2.4668, Richtwert bis ca. 600 °C), Monel 400 (Säurebeständigkeit), Hastelloy C-276 (sehr breite Korrosionsbeständigkeit, v. a. reduzierende und chloridhaltige Medien; nicht für stark oxidierende Medien). Duplex-Edelstähle (1.4462, ~5 % Ni) bieten höhere Festigkeit bei reduziertem Ni-Gehalt und sind damit eine wirtschaftliche Alternative.

Die EU-Nickelrichtlinie (REACH Annex XVII) begrenzt Ni-Freisetzung bei Hautkontakt. Das betrifft Verbindungselemente in Konsumgütern und Medizintechnik.

Niob (Nb) und Tantal (Ta): Stabilisatoren gegen interkristalline Korrosion in Edelstahlschrauben

Niob (Schmelzpunkt ~2477 °C) und Tantal (~3017 °C) sind sehr starke Karbidbildner und Ferritbildner. Niob ist für die Verbindungstechnik deutlich relevanter: Als Stabilisator verhindert Nb interkristalline Korrosion (IK), indem es Kohlenstoff bevorzugt als NbC bindet, bevor schädliche Chromkarbide entstehen. Der Nb-stabilisierte Stahl 1.4550 (AISI 347) ist die Alternative zu 1.4301 für geschweißte Edelstahlverbindungen in Chemie und Petrochemie.

In mikrolegierten Schraubenstählen dient Nb in Kleinstmengen (0,01–0,05 %) zur Feinkornbildung und Streckgrenzen-Erhöhung durch Nb(C,N)-Ausscheidungen. Niob erhöht Warmfestigkeit und Zeitstandfestigkeit; Tantal hat hohen Neutronenabsorptions-Querschnitt (daher in Reaktorstählen nur Ta-armes Nb).

Tantal ist für Standard-Verbindungstechnik praktisch irrelevant. Es wird nur in der Nukleartechnik und für Sonderbefestigungen im Chemieapparatebau eingesetzt.

Phosphor (P): Kritischer Spurengehalt und Qualitätsindikator für Schraubenstähle

Phosphor (Schmelzpunkt ~44 °C) ist einer der am strengsten überwachten Spurengehalte in Schraubenstählen. Er zeigt starke Seigerungsneigung, erhöht die Anlassversprödung und verursacht Kaltbrüchigkeit. DIN EN ISO 898-1 und EN 10263 begrenzen P typisch auf ≤0,025 % für Klassen 10.9 und 12.9.

Besonders kritisch: Das Zusammenwirken von P mit Sn, Sb und As bei der Anlassversprödung (Temper Embrittlement). Der J-Faktor (Watanabe) und X-Faktor (Bruscato) bewerten diese Summeneffekte für sicherheitsrelevante Schraubenverbindungen. P verstärkt zudem die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung (HE).

In schwachlegierten Baustählen (~0,1 % C) kann P positiv wirken: Festigkeitserhöhung und verbesserte Witterungsbeständigkeit. In austenitischen CrNi-Stählen bewirkt P Streckgrenzenerhöhung.

Sauerstoff (O): Stahlreinheit und Ermüdungsfestigkeit von Schraubenverbindungen

Sauerstoff (Schmelzpunkt −218,79 °C) ist ein Stahlschädling, der Zähigkeit und Alterungsbeständigkeit verschlechtert, Rotbruch verursacht und Holzfaserbruch begünstigt.

Für die Verbindungstechnik bildet O nichtmetallische oxidische Einschlüsse (Al₂O₃, SiO₂), die als Spannungskonzentratoren wirken und die Ermüdungsfestigkeit dynamisch beanspruchter Schraubenverbindungen erheblich reduzieren. Bei nach VDI 2230 ausgelegten Verbindungen unter wechselnder Betriebslast bestimmt der Reinheitsgrad die Lebensdauer wesentlich mit.

Bei hochfesten Schrauben ≥10.9 steigt die Empfindlichkeit gegenüber Einschlüssen, da höhere Spannungsniveaus bereits an kleinen Defekten Rissinitiierung verursachen. Der Reinheitsgrad wird nach DIN EN 10247 (früher DIN 50602) oder ISO 4967 bewertet. Vakuumentgasung (VD/VOD) senkt den O-Gehalt deutlich.

Schwefel (S): Zerspanbarkeit vs. Zähigkeit bei Schraubenstählen

Schwefel (Schmelzpunkt ~115 °C) ist ein Stahlschädling mit stärkster Seigerung. FeS verursacht Rotbruch; S verschlechtert die Zähigkeit. DIN EN ISO 898-1 und EN 10263 begrenzen S typisch auf ≤0,025–0,035 %. MnS-Einschlüsse werden bei Warmumformung zu Zeilen ausgewalzt. Das ist kritisch für nicht rein axial beanspruchte Schrauben.

Gleichzeitig ist S in Automatenstählen (11SMn30 nach EN 10087) für Dreh-Verbindungselemente unverzichtbar: Erhöhter S-Gehalt ermöglicht hohe Zerspanungsleistung bei Sonderschrauben, Gewindestiften und Präzisionsdrehteilen. MnS-Einschlüsse wirken als Spanbrecher.

Silizium (Si): Desoxidation, Federstähle und der Sandelin-Effekt beim Feuerverzinken

Silizium (Schmelzpunkt 1414 °C) ist in nahezu allen Schraubenstählen mit 0,15–0,40 % enthalten. Es wirkt desoxidierend, erhöht Festigkeit und Verschleißfestigkeit und steigert besonders die Elastizitätsgrenze. Deshalb steckt es in Federstählen für Federschrauben, Spannstifte und Tellerfederscheiben. Höhere Si-Gehalte erhöhen Zunder- und Säurebeständigkeit.

Für Einkäufer zählt vor allem der Sandelin-Effekt beim Feuerverzinken: Si-Gehalte von etwa 0,04–0,14 % bilden beim Stückverzinken übermäßig dicke, spröde und grau-matte Zinkschichten. Das beeinträchtigt Maßhaltigkeit, Gewindegängigkeit und Optik. Für feuerverzinkte Schrauben (DIN EN ISO 10684) sollte Si höchstens 0,04 % oder 0,14–0,25 % betragen; oberhalb von 0,25 % wachsen die Schichten wieder stark.

Si beeinflusst den Umformwiderstand bei der Kaltstauchung, was für die Prozessauslegung relevant ist. In Edelstahlschrauben (A2/A4) liegt Si typisch bei ≤1,0 %.

Stickstoff (N): Festigkeitssteigerer in Edelstahlschrauben und Schadensmechanismus in Kaltumformung

Stickstoff (Schmelzpunkt −210 °C) hat eine Doppelrolle: Als Stahlschädling vermindert N die Zähigkeit, verursacht Alterung und Blausprödigkeit (300–350 °C). Als Legierungselement stabilisiert N Austenit, erhöht Festigkeit und Warmfestigkeit und ermöglicht höchste Oberflächenhärten beim Nitrieren.

In Edelstahl-Verbindungselementen ist N gezielt eingesetzt: Sorten wie 1.4439 und 1.4529 nutzen N-Zusätze für höhere Festigkeitsklassen (70/80 nach DIN EN ISO 3506). In Duplex-Schrauben (1.4462, 1.4410) ist N als Austenitbildner und Festigkeitssteigerer unverzichtbar (~450–550 MPa Streckgrenze). N fließt mit Faktor 16 in den PREN-Wert ein und verstärkt die Lochfraßbeständigkeit überproportional.

In der Kaltstauchung kann erhöhter N-Gehalt Umformbarkeit verschlechtern. In Borstählen wird N durch Ti abgebunden.

Titan (Ti): Stabilisator, Leichtbauwerkstoff und Medizintechnik-Schrauben

Titan (Schmelzpunkt ~1668 °C) hat dreifache Bedeutung: In Borstählen (20MnB4, 33MnCrB5-2) bindet Ti Stickstoff als TiN, damit Bor seine Härtbarkeitswirkung entfaltet. Das Ti/N-Verhältnis muss deshalb stimmen. Als Stabilisator verhindert Ti in 1.4541 (AISI 321) interkristalline Korrosion bei geschweißten Edelstahlverbindungen.

Als eigenständiger Werkstoff bietet Ti6Al4V (Grade 5) Zugfestigkeiten von 900–1200 MPa bei nur 4,43 g/cm³ und ist damit 43 % leichter als Stahl. Titanschrauben kommen in Luft-/Raumfahrt (Strukturbefestigungen), Motorsport, Medizintechnik (Implantatschrauben, biokompatibel) und Offshore zum Einsatz. Spezifikation z. B. nach ASTM F468 (Verbindungselemente aus Nichteisenmetallen) oder AMS-Spezifikationen, Halbzeug nach ASTM B348.

Ti-Beschichtungen (TiN, TiAlN) werden als Hartstoffschichten auf Werkzeugen für die Schraubenherstellung und auf verschleißfesten Gewindebolzen eingesetzt.

Vanadium (V): Mikrolegierungselement für Feinstähle und verschleißfeste Verbindungselemente

Vanadium (Schmelzpunkt ~1910 °C) ist ein starker Karbidbildner, der Verschleißwiderstand, Warmfestigkeit und Anlassbeständigkeit erhöht. In Kleinstmengen (0,02–0,15 %) bewirkt V in Schraubenstählen Feinkornbildung und Ausscheidungshärtung durch V(C,N)-Partikel. So steigt die Streckgrenze ohne aufwändige Vergütung (Controlled Cooling aus Umformwärme).

Warmfeste Schraubenstähle nach EN 10269 wie 21CrMoV5-7 (1.7709) und 40CrMoV4-6 (1.7711) nutzen V für die Anlass- und Warmfestigkeit (Richtwerte siehe Werkstoffübersicht). Vanadium erhöht die Elastizitätsgrenze bei Federstählen.

Indirekt relevant: V-legierte Werkzeugstähle für Kaltstauch-Matrizen und Gewindewalzbacken erhöhen die Werkzeugstandzeit erheblich.

Wasserstoff (H): Wasserstoffversprödung (Hydrogen Embrittlement) bei hochfesten Schrauben

Wasserstoff (Schmelzpunkt −259,14 °C) ist der gefährlichste Stahlschädling in der Verbindungstechnik. Die Wasserstoffversprödung (HE) ist die häufigste Ursache für verzögertes sprödes Versagen hochfester Schrauben ≥10.9: Die Schraube versagt Stunden bis Tage nach Montage unter statischer Last und ohne Vorwarnung.

Hauptursache: Galvanische Beschichtungsprozesse (Verzinken, Kadmieren), bei denen Wasserstoff freigesetzt wird und in den Stahl diffundiert. Weitere Quellen: Beizprozesse, kathodischer Korrosionsschutz.

Prävention: • Tempern nach galvanischer Beschichtung: typisch 180–230 °C, so früh wie möglich nach dem Beschichten und vor dem Passivieren (DIN EN ISO 4042) • Härte beachten: Das Risiko steigt ab ca. 320 HV (Festigkeitsklasse 10.9); 12.9 (39–44 HRC) nur mit besonderen Maßnahmen galvanisch beschichten (DIN EN ISO 4042) • Alternative: Zinklamellenbeschichtung (GEOMET®, Delta-Protekt®) statt galvanisch, ohne verfahrensbedingten Wasserstoffeintrag • Vorbeugung: DIN 50969-1; Prüfung: DIN 50969-2, DIN EN ISO 15330, ASTM F1940

Wolfram (W): Werkzeugwerkstoff für die Schraubenherstellung und Sonderlegierungen

Wolfram (Schmelzpunkt ~3422 °C) erhöht Zugfestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit. Als starker Karbidbildner bildet W extrem harte Karbide für Warmfestigkeit und Verschleißfestigkeit. Damit ist Wolfram zentral in Schnellarbeitsstählen (z. B. HS6-5-2) und Warmarbeitsstählen.

Für die Verbindungstechnik ist W kein typisches Schraubenstahl-Legierungselement, hat aber erhebliche indirekte Bedeutung: WC-Hartmetall und W-legierte Werkzeugstähle (Kaltstauch-Matrizen, Gewindewalzbacken, Stempel, Schnittwerkzeuge) bestimmen in der Schraubenherstellung Produktivität, Maßhaltigkeit und Oberflächenqualität.

In Sonderanwendungen dienen Wolfram-Schwermetalllegierungen (W-Ni-Fe) als hochdichte Verbindungselemente, etwa als Beschwerungsschrauben, wo maximale Dichte auf kleinstem Raum gefordert ist.

Zinn (Sn): Versprödungstreiber bei hochfesten Schrauben und Qualitätsrisiko aus Schrottstählen

Zinn (Schmelzpunkt ~232 °C) reichert sich an Korngrenzen an und erhöht die Anlassversprödung (Temper Embrittlement). Bei Schrauben 10.9 und 12.9 kann dies zu sprödem Versagen führen. Die Kombination Sn + P + Sb + As potenziert die Wirkung; J-Faktor (Watanabe) und X-Faktor (Bruscato) bewerten diese Summeneffekte.

Sn beeinträchtigt zudem die Warmverformbarkeit, was für warmumgeformte Sonderbolzen relevant ist. Als nicht ausfrischbares Element ist Sn ein zunehmendes Problem bei Schrottstahl: Verzinnte Altmetalle (Weißblech) erhöhen den Sn-Gehalt im Recyclingstahl.

Zinn wird in Standard-Werkstoffzeugnissen häufig nicht ausgewiesen.

Zirconium (Zr): Sonderlegierungselement für Automatenstähle und Nukleartechnik

Zirconium (Schmelzpunkt ~1855 °C) wird zur Desoxidation, Denitrierung und Entschwefelung eingesetzt. Es ist starker Karbidbildner und verengt den Gamma-Bereich. Zr-Zusätze in schwefelhaltigen Automatenstählen verbessern die Sulfidbildung und vermeiden Rotbruch, was für Automatenstahl-Drehverbindungselemente relevant ist. Zirconium erhöht die Lebensdauer von Heizleiterwerkstoffen.

Für Standard-Verbindungstechnik ist Zr kein gängiges Element. Relevanz besteht in zwei Nischenbereichen: Sulfidmodifikation in Automatenstählen für Dreh-Sonderschrauben (verbesserte Oberflächenqualität und Querzugeigenschaften) und Zirconiumlegierungen (Zircaloy-2/-4) in der Nukleartechnik, wo der geringe Neutronenabsorptions-Querschnitt den Ausschlag gibt.