Festigkeitsklassen
Festigkeitsklassen kennzeichnen die mechanischen Eigenschaften von Schrauben, Muttern und anderen Verbindungselementen. Anhand der Kennzeichnung lässt sich erkennen, welcher Zugbelastung ein Verbindungselement standhalten kann und ab welcher Spannung eine dauerhafte Verformung zu erwarten ist.
Bei Schrauben aus unlegiertem oder legiertem Stahl werden Festigkeitsklassen beispielsweise als 4.6, 8.8, 10.9 oder 12.9 angegeben. Grundlage hierfür ist die Norm DIN EN ISO 898-1.
Bedeutung der Festigkeitsklasse
Die Festigkeitsklasse einer Stahlschraube besteht aus zwei Zahlen, die durch einen Punkt getrennt werden.
Beispiel:
8.8
Die erste Zahl beschreibt die Mindestzugfestigkeit. Die zweite Zahl gibt das Verhältnis zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit an.
Erste Zahl: Zugfestigkeit
Die erste Zahl wird mit 100 multipliziert:
8 × 100 = 800 N/mm²
Eine Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 besitzt somit eine nominelle Mindestzugfestigkeit von 800 N/mm².
Zweite Zahl: Streckgrenzenverhältnis
Die zweite Zahl gibt das Verhältnis der Streckgrenze zur Zugfestigkeit in Zehnteln an:
8 ÷ 10 = 0,8
Die Streckgrenze ergibt sich damit aus:
800 N/mm² × 0,8 = 640 N/mm²
Eine Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 besitzt demnach:
- eine nominelle Mindestzugfestigkeit von 800 N/mm²,
- eine nominelle Streckgrenze von 640 N/mm².
Zugfestigkeit
Die Zugfestigkeit wird mit Rm bezeichnet und in Newton pro Quadratmillimeter angegeben.
Sie beschreibt die maximale Zugspannung, die ein Werkstoff aufnehmen kann, bevor er bricht. Wird die zulässige Belastung überschritten, kann sich die Schraube zunächst verformen und anschließend reißen.
Ein Wert von 800 N/mm² bedeutet, dass ein theoretischer Materialquerschnitt von einem Quadratmillimeter mit bis zu 800 Newton belastet werden kann.
Streckgrenze
Die Streckgrenze bezeichnet die Spannung, ab der sich der Werkstoff dauerhaft plastisch verformt. Unterhalb dieser Grenze kehrt das Material nach der Entlastung weitgehend in seine ursprüngliche Form zurück.
Wird die Streckgrenze überschritten, kann eine Schraube länger werden oder sich dauerhaft verformen, obwohl sie noch nicht gebrochen ist.
Bei hochfesten Schrauben wird häufig die sogenannte 0,2-%-Dehngrenze Rp0,2 verwendet, weil bei diesen Werkstoffen keine deutlich ausgeprägte Streckgrenze vorhanden ist.
Übersicht gebräuchlicher Festigkeitsklassen
| Festigkeitsklasse | Nominelle Mindestzugfestigkeit Rm | Nominelle Streck- beziehungsweise Dehngrenze |
|---|---|---|
| 4.6 | 400 N/mm² | 240 N/mm² |
| 4.8 | 400 N/mm² | 320 N/mm² |
| 5.6 | 500 N/mm² | 300 N/mm² |
| 5.8 | 500 N/mm² | 400 N/mm² |
| 6.8 | 600 N/mm² | 480 N/mm² |
| 8.8 | 800 N/mm² | 640 N/mm² |
| 9.8 | 900 N/mm² | 720 N/mm² |
| 10.9 | 1.000 N/mm² | 900 N/mm² |
| 12.9 | 1.200 N/mm² | 1.080 N/mm² |
Die tatsächlich vorgeschriebenen Mindestwerte können abhängig von Gewindedurchmesser, Herstellungsverfahren und Normausgabe geringfügig von den rechnerischen Nennwerten abweichen.
Festigkeitsklasse 4.6
Schrauben der Festigkeitsklasse 4.6 besitzen eine vergleichsweise geringe Festigkeit und eine gute Verformbarkeit. Sie werden vor allem für einfache, wenig belastete Verbindungen eingesetzt.
Typische Anwendungen sind:
- leichte Konstruktionen,
- Abdeckungen,
- einfache Halterungen,
- Verbindungen ohne hohe Vorspannkraft.
Festigkeitsklasse 8.8
Die Festigkeitsklasse 8.8 ist im Maschinen- und Anlagenbau besonders verbreitet. Sie bietet ein gutes Verhältnis zwischen Festigkeit, Verfügbarkeit und Kosten.
Typische Anwendungen sind:
- Maschinenbauteile,
- Stahlkonstruktionen,
- Vorrichtungen,
- Fahrzeugbau,
- allgemeine hoch belastete Schraubverbindungen.
Festigkeitsklasse 10.9
Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 werden für hoch belastete Verbindungen eingesetzt. Sie ermöglichen höhere Vorspannkräfte als Schrauben der Klasse 8.8.
Typische Einsatzbereiche sind:
- Maschinenbau,
- Fahrzeugtechnik,
- Werkzeugmaschinen,
- Spannvorrichtungen,
- hoch belastete Flanschverbindungen.
Aufgrund der höheren Festigkeit müssen das vorgeschriebene Anziehdrehmoment und die Qualität der Gegenbauteile besonders beachtet werden.
Festigkeitsklasse 12.9
Die Festigkeitsklasse 12.9 gehört zu den höchsten gebräuchlichen Festigkeitsklassen für Stahlschrauben. Sie wird häufig bei Innensechskantschrauben und hoch belasteten Maschinenelementen verwendet.
Typische Anwendungen sind:
- Werkzeug- und Formenbau,
- Werkzeugmaschinen,
- Spannsysteme,
- hoch belastete Maschinenelemente,
- Anwendungen mit begrenztem Bauraum.
Schrauben der Klasse 12.9 besitzen eine hohe Festigkeit, reagieren jedoch empfindlicher auf Kerben, Korrosion, falsche Montage und ungeeignete Oberflächenbehandlungen.
Festigkeitsklassen von Muttern
Muttern werden normalerweise mit einer einzelnen Zahl gekennzeichnet, beispielsweise:
- 5
- 6
- 8
- 10
- 12
Die Festigkeitsklasse der Mutter gibt an, mit welcher Schraubenfestigkeitsklasse sie kombiniert werden kann. Eine Mutter der Klasse 8 ist grundsätzlich für eine passende Schraube bis zur Festigkeitsklasse 8.8 vorgesehen.
| Schraubenklasse | Übliche passende Mutternklasse |
|---|---|
| 4.6 und 4.8 | 4 oder 5 |
| 5.6 und 5.8 | 5 |
| 6.8 | 6 |
| 8.8 | 8 |
| 10.9 | 10 |
| 12.9 | 12 |
Die Auswahl muss zusätzlich zur Gewindegröße, Mutternhöhe und geltenden Produktnorm passen. Dünne Muttern können beispielsweise mit 04 oder 05 gekennzeichnet sein und besitzen aufgrund ihrer geringeren Höhe eine niedrigere Belastbarkeit.
Die mechanischen Eigenschaften von Muttern mit festgelegten Festigkeitsklassen werden in ISO 898-2 beschrieben.
Kennzeichnung auf Schrauben
Die Festigkeitsklasse befindet sich normalerweise auf dem Schraubenkopf. Zusätzlich kann der Kopf mit dem Herstellerzeichen versehen sein.
Bei einer Sechskantschraube der Klasse 8.8 sind daher häufig folgende Kennzeichnungen vorhanden:
- Herstellerkennzeichen,
- Festigkeitsklasse 8.8.
Sehr kleine Schrauben oder bestimmte Schraubenformen können von der Kennzeichnungspflicht ausgenommen sein.
Edelstahl-Schrauben
Bei Schrauben aus nichtrostendem Stahl wird ein anderes Kennzeichnungssystem verwendet. Typische Bezeichnungen sind:
- A2-50
- A2-70
- A2-80
- A4-70
- A4-80
Der Buchstabe und die erste Zahl kennzeichnen die Werkstoffgruppe. Die Zahl hinter dem Bindestrich beschreibt die Mindestzugfestigkeit in Zehnteln.
Beispiel:
A4-80
Die Schraube besteht aus einem nichtrostenden Stahl der Gruppe A4 und besitzt eine Mindestzugfestigkeit von 800 N/mm².
Eine Edelstahlschraube A4-80 ist trotz gleicher rechnerischer Zugfestigkeit nicht automatisch mit einer Stahlschraube 8.8 gleichzusetzen. Werkstoffverhalten, Streckgrenze, Korrosionsbeständigkeit, Reibwerte und zulässige Vorspannkräfte unterscheiden sich.
Festigkeitsklasse und Härte
Eine höhere Festigkeitsklasse bedeutet normalerweise auch eine höhere Härte. Festigkeit und Härte sind jedoch nicht identisch.
Die Festigkeit beschreibt den Widerstand gegen mechanische Belastung. Die Härte beschreibt den Widerstand gegen das Eindringen eines härteren Körpers.
Eine besonders harte Schraube ist daher nicht automatisch für jede Anwendung besser geeignet. Mit zunehmender Härte können Kerbempfindlichkeit und Sprödbruchgefahr steigen.
Auswahl der richtigen Festigkeitsklasse
Bei der Auswahl einer Schraube müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:
- auftretende Zug- und Querkräfte,
- erforderliche Vorspannkraft,
- Gewindegröße,
- Werkstoff der verschraubten Bauteile,
- Einschraubtiefe,
- Temperatur,
- Korrosionsbelastung,
- dynamische oder wechselnde Belastung,
- Oberflächenbeschichtung,
- geeignetes Anziehdrehmoment.
Eine Schraube mit höherer Festigkeitsklasse verbessert die Verbindung nicht automatisch. Ist beispielsweise das Innengewinde in Aluminium zu kurz, kann das Gewinde bereits ausreißen, bevor die höhere Schraubenfestigkeit ausgenutzt wird.
Bedeutung des Anziehdrehmoments
Das Anziehdrehmoment erzeugt die Vorspannkraft der Schraubverbindung. Es hängt nicht nur von der Festigkeitsklasse ab, sondern auch von:
- Gewindegröße und Gewindesteigung,
- Reibung im Gewinde,
- Reibung unter dem Schraubenkopf,
- Schmierung,
- Beschichtung,
- Auflagefläche,
- verwendeten Sicherungselementen.
Deshalb darf das Anziehdrehmoment nicht allein anhand der Festigkeitsklasse festgelegt werden. Tabellenwerte gelten immer nur für bestimmte Reibungsbedingungen.
Verwechslungsgefahr
Festigkeitsklassen dürfen nicht mit Werkstoffbezeichnungen verwechselt werden.
Die Kennzeichnung 10.9 beschreibt mechanische Eigenschaften, aber keine konkrete Stahlsorte. Verschiedene geeignete Stähle und Wärmebehandlungen können dieselbe Festigkeitsklasse erreichen.
Ebenso enthält die Festigkeitsklasse keine direkte Aussage über:
- Korrosionsbeständigkeit,
- Schweißbarkeit,
- Dauerfestigkeit,
- Temperaturbeständigkeit,
- chemische Zusammensetzung,
- Eignung für Querbelastungen.
Zusammenfassung
Festigkeitsklassen ermöglichen eine schnelle Beurteilung der mechanischen Belastbarkeit von Schrauben und Muttern. Bei einer Schraube der Klasse 8.8 steht die erste Zahl für eine nominelle Mindestzugfestigkeit von 800 N/mm². Die zweite Zahl beschreibt das Verhältnis zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit. Daraus ergibt sich eine nominelle Streckgrenze von 640 N/mm².
Für eine sichere Schraubverbindung genügt es jedoch nicht, ausschließlich eine möglichst hohe Festigkeitsklasse zu wählen. Schraube, Mutter, Innengewinde, Einschraubtiefe, Vorspannkraft, Reibung und Betriebsbelastung müssen gemeinsam betrachtet werden.
Normative Grundlage für Schrauben, Gewindestifte und Bolzen aus Kohlenstoff- beziehungsweise legiertem Stahl ist derzeit ISO 898-1:2013; eine Überarbeitung befindet sich in Vorbereitung. Für Muttern gilt ISO 898-2:2022. ISO 898-1, ISO 898-2