Keramische Verschraubungen aus Zirkonoxid für den Einsatz unter hohen mechanischen, korrosiven und thermischen Belastungen

Überall dort, wo hohe Temperaturen und/oder aggressive chemische Einflüsse den Einsatz von Kunststoff- oder Stahlschrauben verhindern, können Schrauben und Muttern aus technischer Keramik eine mögliche Lösung sein. Natürlich gibt es auch hier klare Einsatzgrenzen, da die Festigkeit auch mit steigender Temperatur typischerweise sinkt. Zusätzlich sind die Zugspannungen (Vorspannungen durch Anzugsmomente), die das selbsttätige Lösen einer metallischen Schraube verhindern sollen, ungünstig für die keramischen Werkstoffe. Zumal auch bei Keramik wenig elastisches Formveränderungsvermögen existiert. Deshalb werden in vielen Fällen zusätzliche mechanische Schraubensicherungen gegen ein ungewolltes Lösen der Verbindung notwendig. Leider sind auch noch die bekannten Normgewinde für die Keramik kontraproduktiv in Hinblick auf Kerbspannungen.

BCE Special Ceramics -Superbolts
BCE Special Ceramics -Superbolts

Ziel des gemeinsam mit dem Fraunhofer-Zentrum HTL umgesetzten und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Projekts war es daher, eine neue Schraubverbindung bzw. ein angepasstes Gewinde zu entwickeln. Diese sollte hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen auch in stark korrosiven Umgebungen gewachsen sein und sich auch nach langen Standzeiten einfach lösen lassen. Aus Kostengründen wäre die Herstellung aus dem Preßrohling per CNC (Grünfertigung) ohne weitere Nachbearbeitungsschritte wie Schleifen am sinnvollsten. Gemeinsam haben die Projektpartner eine spezielle Gewindegeometrie entwickelt, die bei keramischen Werkstoffen zur ca. 2-fachen Zugfestigkeit eines Normgewindes führt. Außerdem gelingt es damit, die (Zug-)Last auf mehrere Gewindegänge zu verteilen, was die Zuverlässigkeit der keramischen Verbindung erhöht. Eine weitere Umsetzung gelang in der Nachstellung der sogenannten Superbolts, die das zuverlässige geplante Lösen einer Langzeitverschraubung ermöglichen.

Laufzeit: 01.06.2014 – 30.11.2016

Projektpartner:

BCE Special Ceramics GmbH, Mannheim

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau (HTL), Bayreuth