Durch das Gewindewalzen wird die Ermüdungsbeständigkeit von Edelstahlschrauben im Vergleich zum Schneiden von Gewinden aufgrund mehrerer Schlüsselfaktoren im Zusammenhang mit der Formung des Gewindes und den daraus resultierenden Materialeigenschaften erheblich verbessert. Hier ist eine Aufschlüsselung, wie das Gewindewalzen die Ermüdungsbeständigkeit erhöht:
Materialverstärkung durch Kaltumformung
Beim Gewinderollen handelt es sich um einen Kaltumformprozess, bei dem das Gewinde durch Druck auf die Bolzenoberfläche erzeugt wird, wodurch sich das Material plastisch in die gewünschte Gewindeform verformt. Diese Kaltumformung führt zu einer Kaltverfestigung des Edelstahls, wodurch die Härte und Festigkeit der Oberflächenschicht erhöht wird.
Die kaltgeformten Gewinde weisen höhere Druckeigenspannungen auf, was bedeutet, dass die Oberfläche unter zyklischen Belastungen (wiederholten Belastungen) weniger leicht reißt, was die Ermüdungsbeständigkeit der Schraube verbessert. Im Gegensatz dazu wird beim Schneiden von Gewinden Material entfernt, wodurch die Gewinde schwächer werden und bei wiederholter Belastung anfälliger für Risse sind.
Kein Materialabtrag = kontinuierliche Kornstruktur
Beim Gewinderollen wird kein Material von der Schraube abgetragen. Stattdessen wird das Material verdrängt, um die Fäden zu bilden. Dadurch bleibt die kontinuierliche Kornstruktur des Edelstahls erhalten, die der Kontur des Gewindes folgt.
Durch die Aufrechterhaltung dieses kontinuierlichen Kornflusses sind die gewalzten Gewinde stärker und widerstandsfähiger gegen Ermüdung. Beim Schneiden von Gewinden hingegen wird die Kornstruktur durchtrennt, wodurch Spannungskonzentrationspunkte entstehen, die im Laufe der Zeit anfälliger für Ermüdung und Ausfälle sind.
Glatte Oberfläche
Gerollte Gewinde haben im Allgemeinen eine glattere Oberflächenbeschaffenheit als geschnittene Gewinde. Die glattere Oberfläche bedeutet, dass es weniger Oberflächenfehler wie mikroskopische Kerben oder Werkzeugspuren gibt, die bei zyklischer Belastung als Spannungskonzentratoren wirken könnten.
Bei geschnittenen Gewinden hinterlässt der Bearbeitungsprozess häufig kleine Oberflächenfehler, die bei wiederholter Belastung zu Rissen und damit zu Ermüdungsversagen führen können. Gerollte Gewinde verteilen aufgrund ihrer glatteren Oberfläche die Spannung gleichmäßiger und neigen daher weniger zu Rissen.
Restdruckspannung
Durch den Gewindewalzprozess wird eine Druckeigenspannung in das Material am Gewindegrund (dem untersten Teil des Gewindes) eingebracht. Dies ist von Vorteil, da die meisten Ermüdungsausfälle an der Oberfläche beginnen und die Druckspannungen den Zugspannungen entgegenwirken, die Risse verursachen.
Bei geschnittenen Gewinden führt der Bearbeitungsprozess nicht zu diesen vorteilhaften Druckspannungen und kann im Material sogar Restzugspannungen hinterlassen, die die Entstehung und Ausbreitung von Rissen unter Ermüdungsbelastung fördern.
Reduzierte Stresskonzentration
Die durch das Gewindewalzen erzeugten glatten Übergänge und abgerundeten Konturen reduzieren Spannungskonzentrationen an kritischen Stellen wie dem Gewindegrund. Im Gegensatz dazu weisen geschnittene Gewinde oft schärfere Übergänge auf, die als Spannungserhöher wirken und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass sich in diesen Bereichen Ermüdungsrisse bilden.
Eine geringere Spannungskonzentration in gerollten Gewinden bedeutet, dass sie mehr Lastzyklen ohne Ausfall überstehen können, wodurch sie besser für Anwendungen geeignet sind, bei denen Schrauben wiederholten Belastungen und Entlastungen ausgesetzt sind.
Erhöhte Lebensdauer bei Ermüdung
Die Kombination aus glatterer Oberflächenbeschaffenheit, Druckeigenspannungen, kontinuierlichem Kornfluss und verringerten Spannungskonzentrationen in gewalzten Gewinden erhöht die Ermüdungslebensdauer erheblich Edelstahlschrauben . Dies ist besonders wichtig bei Anwendungen mit dynamischer oder zyklischer Belastung, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und im Bauingenieurwesen.
Studien haben gezeigt, dass gerollte Gewinde die Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu geschnittenen Gewinden um das Vier- bis Fünffache verlängern können, was sie zur bevorzugten Wahl für hochbeanspruchte und ermüdungskritische Anwendungen macht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Gewindewalzen die Ermüdungsbeständigkeit von Edelstahlschrauben verbessert, indem es:
Verfestigung des Materials durch Kaltumformung.
Erhaltung der durchgehenden Kornstruktur.
Erzeugt eine glattere Oberfläche mit weniger Unvollkommenheiten.
Einführung vorteilhafter Druckeigenspannungen.
Reduzierung von Spannungskonzentrationen am Gewindegrund.
Diese Faktoren machen gerollte Gewinde im Vergleich zu geschnittenen Gewinden unter zyklischen Belastungen deutlich haltbarer und verbessern so die Ermüdungsfestigkeit und Langlebigkeit von Edelstahlschrauben in anspruchsvollen Anwendungen.
