Festigkeitsklassen im Vergleich: 8.8, 10.9, 12.9, A2-70 und A4-80

1. Eine Festigkeitsklasse lesen

Die auf einem Schraubenkopf eingeprägten Zahlen sind in ISO 898-1 für Kohlenstoffstahl und in ISO 3506-1 für Edelstahl definiert. Beide Codes zu verstehen, ist die Hälfte der Auswahlarbeit.

1.1 Kohlenstoff- und legierter Stahl: 8.8, 10.9, 12.9

Für 8.8:

• Die 8 vor dem Punkt: Zugfestigkeit Rm = 8 × 100 = 800 MPa
• Die 0,8 dahinter: Streckgrenzenverhältnis Re/Rm = 0,8, also Re = 800 × 0,8 = 640 MPa

1.2 Edelstahl: A2-70, A4-80

Format A2-70:

• A2: Stahlgruppe. A1 = Automatenstahlgüte, A2 = Familie 304 (18 % Cr, 8 % Ni), A3 = 321, A4 = Familie 316 mit Molybdän, A5 = 316L.
• 70: Zugfestigkeit = 70 × 10 = 700 MPa.

2. Kohlenstoff- und legierter Stahl gegenüber Edelstahl

2.1 Chemische Zusammensetzung

2.2 Unterschiedliche Verfestigungsmechanismen

Kohlenstoff- und legierter Stahl werden durch Wärmebehandlung verfestigt. Vergüten wandelt Martensit in Vergütungssorbit um und hebt die Festigkeit deutlich an. Die Klassen 8.8, 10.9 und 12.9 sind sämtlich vergütet.

Edelstahl wird durch Kaltverformung verfestigt. Austenitischer Edelstahl lässt sich nicht durch Abschrecken härten — Erwärmen macht ihn weich —, die Festigkeit entsteht daher aus der Kornverformung beim Kaltumformen und Ziehen. A2-70 ist fester als A2-50, weil es stärker kaltverformt wurde.

2.3 Woher die Korrosionsbeständigkeit kommt

Kohlenstoff- und legierter Stahl benötigen eine Beschichtung:

• Galvanische Verzinkung: 8–12 μm, 72–100 Stunden Salzsprühtest.
• Geomet (Zinklamelle): 500–1.000 Stunden.
• Zink-Nickel: 720–1.000 Stunden; der Standard im Automobilfahrwerk.

Edelstahl enthält 18 % Chrom und bildet einen selbstheilenden Passivfilm aus Cr₂O₃, benötigt also keine Beschichtung, um Atmosphäre, Süßwasser und schwachen Säuren zu widerstehen. Das Molybdän in 316 erhöht die Chloridbeständigkeit für Meerwasser und Küstenluft.

3. Mechanische Eigenschaften im Vergleich

Zylinderschraube M10×50, gleiche Abmessung, unterschiedliche Werkstoffe:

4. A2, A4 oder A5 wählen

4.1 A2-70 (304): der Standard für 80 %

A2-70 ist schlicht kaltumgeformter 304. Er widersteht:

• allgemeinen Innenraumbedingungen (Gerätegehäuse, Schaltschränke, Elektronik)
• Süßwasser (Kühltürme, Pumpen)
• schwachen Säuren und Laugen (Lebensmittelverarbeitung, pharmazeutische Anlagen)
• nicht küstennaher Außenanwendung (Stadtmöbel im Binnenland)

A2-70 ist nicht geeignet für:

• weniger als 5 km von der Küste entfernt: Chlorid zerstört den Passivfilm von 304 und verursacht Lochfraß. A4-70 (316) verwenden.
• Schwimmbäder, Chemikalien, Bleichmittel: Die Chloridbelastung ist selbst für 316 zu hoch; Duplex oder Inconel verwenden.
• Lebensmittelkontakt mit Salzlake oder Sojasauce: A4-70 oder A4-80.

4.2 A4-70 / A4-80 (316): Meerwasser und aggressive Umgebung

316 enthält 2,2 % Molybdän und erreicht damit etwa die dreifache Lochfraßbeständigkeit von 304. Typische A4-Anwendungen:

• Schiffe, Häfen, Offshore-Plattformen
• küstennahe Gebäude und Brückengeländer
• Lebensmittelmaschinen mit Salzlake, Soja oder Essig
• medizinische Geräte, die Desinfektionsmitteln und Körperflüssigkeiten ausgesetzt sind
• Technik in Schwimmbädern

A4-70 ist kaltumgeformt, A4-80 kaltverfestigt: 14 % fester bei etwas geringerer Duktilität. A4-70 deckt die meisten Anwendungen ab; A4-80 nur wählen, wenn die höhere Vorspannkraft benötigt wird.

4.3 Darüber hinaus: A5-80 (316L) und Duplex

316L ist die kohlenstoffarme Variante (C ≤ 0,03 %), die nach dem Schweißen beständig gegen interkristalline Korrosion ist; geschweißte Edelstahlkonstruktionen sollten daher A5 vorgeben. Duplex 2205 hat die doppelte Korrosionsbeständigkeit von 316 bei fünffachem Preis und bleibt auf Chemieanlagen und Offshore-Wind beschränkt.

5. 8.8, 10.9 oder 12.9 wählen

5.1 Klasse 8.8: das Arbeitspferd

Klasse 8.8 ist der industrielle Standard: fest genug, günstig, zäh und nicht spröde. Achtzig Prozent der Stahlkonstruktionen, Maschinenmontagen und des allgemeinen Maschinenbaus arbeiten damit. Werkstoff ist ML35 aus mittlerem Kohlenstoffstahl, kaltumgeformt, anschließend vergütet, ausgeführt in blau-weißer Verzinkung, gelber Verzinkung oder Geomet.

5.2 Klasse 10.9: hohe Festigkeit

Wenn eine kleinere Schraube mehr Last tragen muss — Radnaben, Pleuel, Robotergelenke —, ist 10.9 aus 42CrMo oder SCM440 die Wahl. Diese Klasse ist der optimale Kompromiss: 30 % fester als 8.8 bei besserer Zähigkeit und Ermüdungslebensdauer als 12.9. Etwa 90 % der hochfesten Automobilschrauben sind 10.9.

5.3 Klasse 12.9: mit Vorsicht behandeln

12.9 ist mit 1.220 MPa die höchste handelsübliche Klasse, jedoch mit drei Problemen:

1. Wasserstoffversprödung. Je höher die Festigkeit, desto größer das Risiko. Eine 12.9-Schraube, die ohne ausreichende Wärmebehandlung beschichtet wurde, kann Stunden bis Tage nach der Montage brechen. ASTM F1941 verlangt eine Wärmebehandlung bei 230 °C über vier Stunden nach dem Beschichten.
2. Sprödigkeit. Der Werkstoff versagt nahezu ohne plastische Vorankündigung, was ein Sicherheitsproblem darstellt.
3. Schlechtere Ermüdungslebensdauer. Höhere Festigkeit bedeutet schärfere Spannungskonzentration am Gewindegrund, sodass die Dauerfestigkeit tatsächlich unter der von 10.9 liegt.

Der einzige echte Anwendungsfall für 12.9 ist eine bauraumbegrenzte Verbindung, in der der Durchmesser nicht wachsen kann, die Last aber die Tragfähigkeit von 10.9 übersteigt. Andernfalls ist 10.9 die sicherere Vorgabe.

6. Kaltverschweißung vermeiden

Dies ist das schmerzhafteste Problem bei Edelstahl. Zwei Edelstahlflächen, die unter Druck, Wärme und ohne Schmierung gleiten, verschweißen an den Mikrokontakten und reißen wieder auf — die Mutter frisst auf halbem Weg auf der Schraube und muss aufgetrennt werden.

6.1 Warum Edelstahl zur Kaltverschweißung neigt

Der Passivfilm ist außerordentlich dünn. Sobald er aufreißt, berührt frisches Metall unter hohem Druck frisches Metall und verschweißt. Kohlenstoffstahl trägt Oxid- und Schmierfilme, die den Effekt begrenzen.

6.2 Vorbeugung

1. Unterschiedliche Güten für Schraube und Mutter verwenden: A2-Schraube mit A4-Mutter oder 304 mit 316. Ungleiche chemische Zusammensetzung verschweißt weniger leicht.
2. Anti-Seize auftragen: Verbindungen auf MoS₂-, Kupfer- oder Nickelbasis. Dies ist die wirksamste Einzelmaßnahme.
3. Den Antrieb langsamer stellen: niedrige Drehzahl am Maschinenwerkzeug statt Vollgas.
4. Eine losere Gewindepassung verwenden: 6g/6H statt einer Presspassung.
5. Nie trocken montieren: etwas Öl oder Gewindefett vor der Montage auf das Gewinde.

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8. Entscheidungsbaum

1. Über 425 °C?
   • Ja: Inconel 718 oder ein warmfester legierter Stahl.
   • Nein: weiter.
2. Ist die Umgebung korrosiv?
   • Binnenland, innen, trocken: Klasse 8.8 verzinkt.
   • Außen, feucht: A2-70.
   • Küste, Chlorid, Lebensmittel: A4-70 (316).
   • Chemie, aggressiv: A4-80 oder Duplex.
3. Wie hoch ist die Last?
   • normal: 8.8 Kohlenstoffstahl.
   • hohe Last, begrenzter Bauraum: 10.9 legierter Stahl.
   • extreme Last bei minimaler Abmessung: 12.9, mit Vorsicht.
4. Schlagbeanspruchung oder niedrige Temperatur?
   • Ja: 10.9 gegenüber 12.9 bevorzugen; bei Edelstahl A4-80.
   • Nein: wie oben.

9. Häufige Missverständnisse

10. Häufige Fragen

F1. Lässt sich 304 mit bloßem Auge von 316 unterscheiden?

Nein. Eine Molybdat-Prüfflüssigkeit färbt sich auf 201/304 rot und bleibt auf 316 klar. Die optische Emissionsspektroskopie ist eindeutig.

F2. Warum brechen Schrauben der Klasse 12.9 von selbst?

Wasserstoffversprödung. Wasserstoff aus dem Beschichtungsbad diffundiert in den Stahl und sammelt sich am Gewindegrund, was zu verzögertem Bruch führt. Nach dem Beschichten vier Stunden bei 230 °C temperieren.

F3. Lassen sich Edelstahlschrauben an Motoren verwenden?

Grundsätzlich nicht. Abgastemperaturen über 500 °C, bei denen 304 und 316 stark an Festigkeit verlieren. Für Abgas-Verbindungselemente werden Inconel 718 oder warmfester legierter Stahl verwendet.

F4. Was ist fester, A2-70 oder 8.8?

8.8 mit 800 MPa gegenüber 700 MPa, also ist 8.8 um 14 % fester. Zu beachten sind die unterschiedlichen Streckgrenzenverhältnisse (0,64 bei A2-70, 0,80 bei 8.8), sodass die tatsächliche Tragfähigkeit von der Verbindung abhängt.

F5. Welches Drehmoment für eine M10 der Klasse 12.9?

Etwa 65–75 N·m bei 90 % der Streckgrenze und μ = 0,14. Die Tabellen nach ISO 898-2 prüfen, statt sich auf Gewohnheit zu verlassen.

F6. Lassen sich verzinkte Schrauben im Freien verwenden?

Blau-weiße Verzinkung rostet im Freien innerhalb von ein bis zwei Jahren. Geomet hält fünf bis zehn Jahre. Für küstennahe Außenanwendungen A4-70 oder Zink-Nickel vorgeben.

F7. Wie oft lässt sich eine Edelstahlschraube wiederverwenden?

Fünf- bis zehnmal. Jede Montage verschleißt den Passivfilm und erhöht das Risiko der Kaltverschweißung. Bei kritischen Verbindungen das Gewinde jedes Mal prüfen.

F8. Woran ist zu erkennen, dass eine Schraube wirklich 12.9 ist?

Originalteile tragen „12.9“ und das Herstellerzeichen. Fehlende, verwaschene oder verdächtig weiche Teile sind oft umetikettierte 8.8. Kritische Anwendungen erfordern Spektrometrie und Härteprüfung an Stichproben.

F9. Welche Klasse hat eine Titanschraube?

Ti-6Al-4V erreicht etwa 900 MPa bei 60 % der Dichte von Stahl und damit die höchste spezifische Festigkeit. Die Legierung liegt außerhalb von ISO 898 und wird über die Werkstoffnorm festgelegt, für Luftfahrt, Motorsport und Robotik, wo jedes Gramm zählt.

F10. Was passiert bei Edelstahlschrauben in Aluminiumteilen?

Kontaktkorrosion. Aluminium ist anodisch und korrodiert in feuchter Umgebung schneller. Isolierfett, eine Isolierscheibe oder ein Aluminium-Verbindungselement lösen das Problem.