Verbindungselemente: Parameter-Schnellreferenz nach ISO 898-1 und ISO 3506

1. Wie diese Referenz zu nutzen ist: zuerst drei Konventionen

Verbindungselementdaten haben ein gemeinsames Problem. Diese stehen alle in den Normen, aber über sieben oder acht verteilt; wer eine Zahl braucht, sucht eine halbe Stunde oder kopiert eine Tabelle unbekannter Herkunft, die niemand auf eine Ausgabe oder einen Größenbereich zurückführen kann.

Diese Referenz sammelt die in der Fertigung am häufigsten verwendeten Parameter, geordnet nach Festigkeit → Gewinde → Toleranz → Werkstoff → Beschichtung, mit Norm und Ausgabe zu jeder Tabelle. Vorab drei Konventionen — wer sie falsch hat, liest jede folgende Tabelle falsch:

2. Die neun Festigkeitsklassen (ISO 898-1, Tabelle 3)

Das ist die Grundlage von allem Weiteren. Die Tabelle sammelt die Kernwerte aus ISO 898-1:2013, Tabelle 3, für Regelgewinde M1.6 bis M39 und Feingewinde M8×1 bis M39×3. Die Norm schließt Gewindestifte aus; diese behandelt ISO 898-5.

Einiges ist beim Lesen festzuhalten:

• Klasse 3.6 wurde in der Ausgabe 2009 zurückgezogen. Die aktuelle Liste umfasst neun: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Eine Zeichnung, die noch 3.6 zeigt, zitiert eine sehr alte Norm.
• 4.8, 5.8 und 6.8 sind kaltverfestigte Klassen. Die Festigkeit stammt aus der Kaltverfestigung beim Stauchen, ohne Vergüten, deshalb schreibt die Norm keine Bruchdehnung am bearbeiteten Prüfstab vor. Bewertet wird stattdessen die Bruchdehnung A_f am ganzen Prüfquerschnitt — 0,24d, 0,22d und 0,20d der Ausgangslänge — zusammen mit der Prüfspannung R_pf am ganzen Prüfquerschnitt von 0,0048d. Die Striche in der Dehnungszeile sind keine Auslassung; die Bewertungsmethode ist eine andere.
• Klasse 9.8 wird leicht übersehen. Die Mindestzugfestigkeit entspricht 8.8 auf höherem Niveau (900 MPa gegen 830 MPa), ihre Dehngrenze liegt aber deutlich höher (720 MPa gegen 660 MPa); die 9 in der Kennzeichnung steht für R_p0.2,nom = 900 MPa. Die Klasse eignet sich für Verbindungen, die Festigkeit ohne das extreme Streckgrenzenverhältnis von 10.9 brauchen, und stellt etwas geringere Anforderungen an die Durchhärtbarkeit.
• 8.8, 9.8 und 10.9 tragen gegenüber 12.9 eine verborgene Hürde. Diese Klassen müssen vergütet werden, mit einer Anlasstemperatur nicht unter 425 °C. Für 12.9 verbietet die Norm zusätzlich eine metallurgisch sichtbare, phosphorreiche weiße Randschicht; ihre Entfernung muss vor der Wärmebehandlung erfolgen.

3. Eine Festigkeitsklasse lesen

Die Kennzeichnung ist nicht willkürlich. Zwei Regeln erzeugen sie: die Zahl vor dem Punkt × 100 = Nennzugfestigkeit R_m,nom, und die Zahl nach dem Punkt ÷ 10 = Nennstreckgrenzenverhältnis R_p0.2,nom / R_m,nom.

Über die zwei Ziffern hinaus hat das vollständige Kennzeichnungssystem mehrere Zusätze, die am Produkt oder an der Verpackung angebracht werden:

• Linksgewinde ergänzt LH nach der Klassenkennzeichnung, etwa 8.8 LH.
• Muttern werden mit einer einzelnen Zahl gekennzeichnet, 8, 10 oder 12, ohne Dezimalpunkt.
• Edelstahl funktioniert völlig anders: Stahlgruppe plus Festigkeitsklasse, etwa A2-70 oder A4-80, behandelt in Abschnitt 9.

Am direktesten lässt sich eine Klasse an der Kopfkennzeichnung ablesen. Stahlschrauben tragen die Klassenziffern normalerweise bei Sechskantköpfen auf der Kopfoberseite, bei Innensechskantköpfen seitlich eingeprägt. Die „Zifferblatt“-Konvention unterscheidet die Herstellerzeichen — das Zeichen des Herstellers sitzt an einer definierten Position auf dem Zifferblatt und bildet mit den Klassenziffern die vollständige Identifikation. Für die Zeichnung ist „Klasse plus Normnummer“ die sicherste Form, zum Beispiel ISO 4017-M12×40-8.8.

4. Spannungsquerschnitt A_s und Mindestbruchkraft

Jede Festigkeitsrechnung beginnt bei einer Größe: dem Nennspannungsquerschnitt A_s des Gewindes. Er ist nicht der Kreis des Außendurchmessers, sondern ein Ersatzquerschnitt aus Flanken- und Kerndurchmesser, etwa 20–25 % kleiner als der Nennkreis. Mit A_s ist die Mindestbruchkraft eine Zeile:

Spannungsquerschnitte für gängige Regelgewinde, mit Mindestbruchkraft für die vier meistverwendeten Klassen, gerundet auf hundert Newton:

Zwei Einschränkungen:

• Bei Klasse 8.8 über 16 mm ist R_m,min 830 MPa statt 800 MPa. Die Spalte 8.8 oben verwendet 800 MPa und ist damit konservativ; der reale Wert ist bei großen Größen etwas höher.
• Feuerverzinkte Teile müssen abgemindert werden. Feuerverzinkte Verbindungselemente mit Gewindetoleranz 6az nach ISO 965-4 haben eine nach ISO 10684 reduzierte Mindestbruchkraft. Die obige Tabelle gilt für sie nicht.

5. Prüfkraft der Mutter und Klassenpaarung

Muttern werden nicht auf Zugfestigkeit geprüft, sondern auf Prüfkraft: Unter der festgelegten Prüfspannung darf die Mutter weder überdrehen noch brechen. Der Zweck ist, dass die Schraube bricht, bevor die Mutter überdreht, damit das Versagen vorhersagbar ist.

Zwei Regeln, die es zu merken lohnt:

• Eine Mutter darf eine höhere Klasse haben als ihre Schraube; niedriger nie. Ist sie niedriger, wechselt das Versagensbild vom Schraubenbruch zum Gewindeabriss — plötzlich, oft über die ganze Gewindelänge, ohne Vorwarnung.
• Flache Muttern verwenden eine reduzierte Prüfspannung. Muttern mit Nennhöhe zwischen 0,5d und 0,8d haben ein eigenes Kennzeichnungssystem und eigene Prüfspannungen, etwa Klasse 04 mit 380 MPa und Klasse 05 mit 500 MPa. Diese Muttern dürfen die Werte einer Mutter in Standardhöhe nicht übernehmen und eignen sich nur für leichte Lasten oder beengte Bauräume.

6. Härte: drei Skalen, die nicht vergleichbar sind

Für Verbindungselemente werden drei Härteprüfverfahren verwendet: Vickers HV über den gesamten Bereich, Brinell HBW für weichere Werkstoffe und Rockwell HRB oder HRC, HRB für weich und HRC für hart. ISO 18265 gibt die Umwertungen an, stellt aber ausdrücklich fest, dass sie nur für Kohlenstoffstahl, niedriglegierten Stahl und Stahlguss im warmgeformten oder wärmebehandelten Zustand gelten; hochlegierte und kaltverfestigte Stähle, einschließlich der Klassen 6.8, A2 und A4, weichen erheblich ab.

Aus den Beziehungen nach ISO 18265 zusammengestellt und gerundet; die Zugfestigkeitsspalte ist reiner Richtwert und wird nicht für ein Urteil verwendet.

Der praktische Punkt: ISO 898-1 legt HV-Grenzen für jede Klasse fest und nennt zusätzlich entsprechende HRB- oder HRC-Bänder. Für die Abnahme ist HV zu bevorzugen, da es den weitesten Bereich abdeckt. Bei HRB oder HRC ist zu prüfen, ob das Teil im sinnvollen Band dieser Skala liegt — Klasse 12.9 lässt sich auf HRB nicht messen. Die Norm begrenzt außerdem, wie weit die Oberflächenhärte die Kernhärte übersteigen darf, gemessen als Differenz in HV 0.3, womit Aufkohlung und Entkohlung nachgewiesen werden.

7. Gewindegrenzmaße und Toleranzklassen

Außengewinde verwenden normalerweise die Toleranzklasse 6g, früher mit 6h bezeichnet; Innengewinde verwenden 6H. Die folgenden Außen- und Flankendurchmesser sind Grenzmaße für Außengewinde und können nach ISO 965-1 und -2 direkt auf der Zeichnung oder für die Prüfung verwendet werden.

Beschichtung verbraucht Toleranz. Galvanische Abscheidung hat eine Dicke, und ein bis an die Obergrenze des 6g-Feldes gefertigtes Gewinde passt nach dem Verzinken möglicherweise nicht; umgekehrt kann eine zu dicke Schicht ein Innengewinde festsetzen. Deshalb verlangt ISO 4042, das Grundabmaß vor dem Verzinken entsprechend der Schichtdicke zu verschieben, wie in Abschnitt 12 beschrieben. Wie viel Aufmaß vor dem Verzinken zu lassen ist, gehört als Beschichtungscode auf die Zeichnung, wobei der Lieferant es nach der Norm aufteilt. Wird es weggelassen, ist bei Fertigungsproblemen keine Verantwortung zuzuordnen.

8. Kernlöcher und Durchgangslöcher

Kernlochgröße vor dem Gewindeschneiden und Durchgangslochgröße für die Schraube sind die zwei in Konstruktion und Montage am häufigsten nachgeschlagenen Zahlen. Zu beachten ist, dass die Kernlochgröße von Steigung und Gewindeform abhängt, nicht von der Festigkeitsklasse — sie darf nie aus der Schraubenklasse abgeleitet werden.

Kernlochbohrerdurchmesser für gängige Regelgewinde

⚠ Diese Werte gelten nur für das Gewindeschneiden ins volle Material. Wird ein Einsatz wie ein Drahtgewindeeinsatz eingebaut, muss das Loch auf das zugehörige STI-Maß erweitert und mit einem dafür vorgesehenen Gewindebohrer geschnitten werden: Für M6 × 1.0 beträgt der Kernlochbohrer 5,0 mm, das Loch für den Einsatz etwa 6,3 mm. Beides darf nie verwechselt werden.

Durchgangslöcher nach ISO 273

Welches Band zu verwenden ist, hängt von der Montagegenauigkeit und dem verspannten Werkstoff ab. Fein dient der engen Lagefixierung mit kontrolliertem Spiel; grob eignet sich für Schweißkonstruktionen und lackierte Teile, die größere Lagetoleranzen der Bohrungen aufnehmen müssen.

9. Verbindungselemente aus Edelstahl: ein anderes System

Edelstahl lässt sich nicht gegen Stahl-Festigkeitsklassen nachschlagen. ISO 3506 verwendet eine zweiteilige Kennzeichnung aus Stahlgruppe und Festigkeitsklasse, etwa A2-70 oder A4-80. Die Gruppe bezeichnet die Zusammensetzungsfamilie, die Zahl das Festigkeitsniveau.

Die Dehnung von Edelstahl ist ein Wert am ganzen Prüfquerschnitt, ausgedrückt als Vielfaches von d, nicht an einem bearbeiteten Prüfstab gemessen. Das ist nicht dasselbe wie der A-Wert von Kohlenstoffstahl, und beide dürfen nicht direkt verglichen werden.

Kleine Edelstahlschrauben werden zudem häufig über das Mindestbruchdrehmoment M_B,min nach ISO 3506 abgenommen:

Das erste Auswahlkriterium für die Gruppe ist die Umgebung, nicht die Festigkeit. A2 und A4 unterscheiden sich vor allem im Molybdän: A4 enthält es und widersteht Lochfraß durch Chlorid und Säuren deutlich besser. Küsten-, Chemie- und chloridhaltige Reinigungsumgebungen sollten auf A4, die 316-Familie, gehen. Wer A2-70 allein nach der Festigkeit wählt, kann binnen Monaten Rostflecken sehen.

10. Verbindungselemente aus Nichteisenmetallen

Aluminiumschrauben werden eingesetzt, wo Gewicht zählt, wo Kontaktkorrosion vermieden werden muss oder wo das Verbindungselement zum verspannten Werkstoff passen soll. Die Festigkeit liegt weit unter Stahl, die Auslegung muss daher mit der realen R_p0.2 des Aluminiums rechnen und darf keine Stahl-Drehmomentwerte übernehmen.

Zwei Sicherheitshinweise. Kupferreiche 2xxx-Legierungen wie 2017A sind empfindlich gegen Spannungsrisskorrosion und verlangen Sorgfalt bei Nässe oder Chlorid. 7xxx-Legierungen müssen im überalterten Zustand wie T73 verwendet werden, weil unteraltertes T6 bei hoher Spannung SRK-Risiko birgt. Aluminium hat etwa ein Drittel des E-Moduls von Stahl, rund 70 GPa, es verformt sich bei gleichem Drehmoment also viel stärker, was das Anziehen nach Gefühl bei Aluminium besonders gefährlich macht.

11. Grenzen der chemischen Zusammensetzung

Eine Festigkeitsklasse ist nicht nur eine mechanische Einstufung; sie impliziert auch eine Reihe von Zusammensetzungsgrenzen, was eine nützliche Gegenprobe ist, ob eine Lieferung wirklich Klasse 8.8 ist. Aus ISO 898-1, Tabelle 2:

Grenzen, die leicht übersehen werden:

• Ab Klasse 8.8 fallen die P- und S-Grenzen von 0,05/0,06 auf 0,025/0,025. Gewöhnlicher Kohlenstoffbaustahl kann das oft nicht erfüllen, was erklärt, warum viele „8.8-Schrauben aus einfachem 45-Stahl“ schon an der Zusammensetzung nicht normgerecht sind.
• Bor ist auf 0,003 % begrenzt für die Klassen 8.8, 9.8, 10.9 und 12.9.
• Legierter Stahl hat eine Definition. Er muss mindestens eines von Cr 0,30 %, Ni 0,30 %, Mo 0,20 % oder V 0,10 % enthalten, und bei mehreren Zusätzen muss der Gesamtlegierungsgehalt mindestens 70 % der Summe der einzelnen Mindestgehalte betragen.
• Klasse 10.9 schränkt niedriggekohlte Sorten ein. Die Mindestanlasstemperatur von 425 °C schließt einige niedriglegierte Stähle wie 20MnTiB aus, die Klasse 10.9 nur mit niedrigerer Anlasstemperatur erreichen.

12. Grenzen der Schichtdicke und die Wasserstoffgrenze

Dickere Schicht ist nicht besser. ISO 4042 legt Obergrenzen der Schichtdicke aus der Toleranzlage des Gewindes fest, damit das Gewinde nach dem Verzinken noch montierbar ist. Übliche Obergrenzen für Außengewinde in 6g:

Nur ein Auszug; die tatsächlichen Werte variieren mit Toleranzlage und Nennlänge, daher vor der Bearbeitung die Tabelle in ISO 4042 heranziehen. Gewinde in den Toleranzklassen f und e erlauben dickere Schichten.

Die Wasserstoffversprödung ist der größte Ausfallgrund bei verzinkten hochfesten Teilen. ISO 4042 beschreibt sie klar:

• Risikoschwelle: Verbindungselemente aus Werkstoff mit R_m ≥ 1.000 MPa, etwa 320 HV und mehr, die unter Zugspannung stehen und galvanisch abgeschieden werden, sind durch Wasserstoffversprödung gefährdet.
• Risikominderung: Eine Wärmebehandlung, ein Tempern nach dem Beizen oder Verzinken senkt das Bruchrisiko, kann die Versprödung aber nicht ausschließen. Für Klasse 10.9 und höher, ab 320 HV, empfiehlt die Norm daher anorganische Zinkbeschichtungen oder mechanische Verzinkung, Verfahren, die keinen Wasserstoff erzeugen.
• Ist Verzinken unvermeidbar: so bald wie möglich nach dem Verzinken tempern, normalerweise innerhalb von vier Stunden, bei 200–230 °C und unterhalb der Anlasstemperatur, typischerweise 4–24 Stunden.

Mit anderen Worten: Für hochfeste Teile ein wasserstofffreies Verfahren wählen, statt zu verzinken und danach zu versuchen, es zu reparieren. Das ist eine Entscheidung in der Konstruktionsphase, keine, die die Fertigung retten kann.

13. Einheitenumrechnung

14. Die fünf Fallen dieses Handbuchs

15. Normen und Referenzen

• ISO 898-1:2013, Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl, Teil 1: Schrauben und Gewindebolzen mit festgelegten Festigkeitsklassen — Regelgewinde und Feingewinde: mechanische und physikalische Eigenschaften der neun Klassen, Tabelle 3; Werkstoff und chemische Zusammensetzung, Tabelle 2; Spannungsquerschnitt und Mindestbruchkraft; Prüfkraft; Kennzeichnungssystem.
• ISO 898-2, Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen, Teil 2: Muttern mit festgelegten Festigkeitsklassen: Prüfkraft der Mutter, Muttern der Bauart 1 und 2, Prüfspannung für flache Muttern.
• ISO 3506-1 und -2, Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus nichtrostenden Stählen: Gruppen A1 bis A5, Festigkeitsklassen 50, 70 und 80, Mindestbruchdrehmoment.
• ISO 965-1, -2 und -4, Metrisches ISO-Gewinde — Toleranzen: Toleranzklassen und Grenzmaße 6g und 6H; 6az für feuerverzinkte Teile.
• ISO 4042, Verbindungselemente — Galvanische Überzugssysteme: Obergrenzen der Schichtdicke gegenüber der Gewindetoleranz, Risikoschwelle der Wasserstoffversprödung und Anforderungen an das Tempern.
• ISO 18265, Metallische Werkstoffe — Umwertung von Härtewerten: Vergleiche zwischen Vickers, Brinell und Rockwell, mit der Angabe der anwendbaren Werkstoffe.
• ISO 273, Verbindungselemente — Durchgangslöcher für Schrauben: Durchgangsdurchmesser fein H12, mittel H13 und grob H14.
• ISO 10684, Verbindungselemente — Feuerverzinkte Überzüge: Korrektur der Mindestbruchkraft für feuerverzinkte Teile.
• ISO 898-5, Gewindestifte und ähnliche Verbindungselemente mit Gewinde: die aus ISO 898-1 ausgeschlossenen Verbindungselemente mit Gewinde.
• ISO 724 und ISO 262, Metrisches ISO-Gewinde — Grundabmessungen und Ausgewählte Größen für Schrauben, Bolzen und Muttern: Grundabmessungen des Gewindes und die Auswahlreihen für Regel- und Feingewinde.