Schrauben – Alle Schraubenarten auf einen Blick

Der Esstisch, die Lesebrille oder die Dachbalken: viele alltägliche Dinge werden von Schrauben zusammengehalten. Eine Schraube ist ein Stift, auf den ein Gewinde geschnitten wurde. Zwei Werkstücke, die mit einer Schraube verbunden wurden, sind meist wieder lösbar. Diese Art der Verbindung nennt sich form- und kraftschlüssig.

In diesem Beitrag werde ich alle wichtigen Schraubenarten beschreiben und dir auch zeigen, wie Schrauben überhaupt hergestellt werden.

Geschichte der Schrauben

Schrauben gibt es definitiv schon sehr lange. Das älteste bekannte schraubenförmige Gebilde ist die Archimedische Schraube. Damit kann zum Beispiel Wasser aus einem Brunnen hochgepumpt werden. Manche Wissenschaftler behaupten sogar, diese Art des Wasserpumpens wurde schon für die hängenden Gärten Babylons genutzt. Beschrieben wird die Archimedische Schraube auf jeden Fall von dem griechischen Mathematiker Archytas von Tarent (428–350 v.u.Z.).

Als Verbindungselement wurde die Schraube auch schon im ersten Jahrhundert v.u.Z. im Mittelmeerraum. Dort wurden Schrauben aus Holz an Weinpressen eingesetzt, um die Presskraft zu verstärken.

Metallschrauben wurden in Europa schon im 15. Jahrhundert hergestellt. Allerdings war die Einzelfertigung sehr teuer. Erst ab dem 18. Jahrhundert war durch die Industrialisierung eine günstige Herstellung möglich. In dieser Zeit wurde Drehmaschine und etwas später auch der Gewindeschneidmaschine erfunden.

Die Schraubenherstellung wurde immer weiter optimiert. Während dem Zweiten Weltkrieg wurde für Gewinde dann auch ein internationaler Standard eingeführt. So konnten Werkstücke, die in den Ländern der Alliierten hergestellt wurden, auch alle mit den gleichen Verbindungsteilen verbunden werden.

Schraubenarten

Es gibt zwei verschiedene Hauptarten von Schrauben: Holzschrauben und Metallschrauben. Beide bestehen meist aus Metall, nur in seltenen Fällen aus Kunststoff. Genutzt wird dafür meist Stahl oder Messing. Auch Edelstahlschrauben sind im Handel erhältlich.

• Holzschrauben werden in Holz geschraubt und halten auch ohne ein Gegenstück. Sie sind leicht konisch und schneiden sich ihr Gegengewinde beim Eindrehen selbst ins Holz.
• Metallschrauben werden hauptsächlich im Metallgewerbe genutzt und wurden auch dort entwickelt. Diese Schrauben brauchen eine Mutter oder ein anderes Gegengewinde. Sie haben eine zylindrische Form.

Die meisten Schrauben haben einen Kopf. In diesem befinden sich meist Formelemente, die mit einem Schraubendreher oder einem Schraubenschlüssel gedreht werden können. Die Schraube wird in der Regel so weit in das Werkstück gedreht, dass der Kopf den Anschlag bildet.

Hier einmal die häufigsten Formelemente, die am Schraubenkopf zu finden sind:

• Kopf-Schlitz
• Kopf-Kreuzschlitz
• Außen-Sechskant
• Innen-Sechskant (Inbus)
• Innen-Sechsrund (Torx)
• Außen-Vierkant
• Innen-Vielzahn (XZN)
• Innen-Vierkant (Robertson, in Nordamerika)

Schrauben gibt es in allen Größen. Für Uhrwerke werden Schrauben mit einem halben Millimeter Durchmesser hergestellt. Für Maschinen und große Bauwerke werden dagegen teilweise schenkeldicke Schrauben von knapp zwei Metern Länge eingesetzt.

Sonderformen von Schrauben sind:

• Schrauben ohne Kopf: Dazu zählen Gewindestifte, Stiftschrauben oder Gewindebolzen. Gewindestifte werden häufig als Befestigung in Türgriffen genutzt.
• Blechschrauben: Auch Blechschrauben formen sich selbst ihr Gewinde. Das Gewinde auf der Schraube reicht bis zum Kopf. Meist wird damit ein Blech auf ein anderes Bauteil montiert.
• Gewindeformende Schrauben: Diese Schrauben sind etwas teurer als die normalen metrischen Ausführungen. Allerdings kann hierbei auf den Arbeitsschritt des Gewindeschneidens verzichtet werden. Diese Schrauben können in weichen Materialien sich selbst ihr Gewinde schneiden. Das passiert spanlos, denn es wird geformt. Solche geformten Gewinde sind hochwertiger, da sie besser zur Schraube passen und härter sind.
• Bohrschrauben: Diese Schrauben haben eine Spitze mit zwei Schneiden, mit denen sie Bleche und andere dünne Materialien durchbohren können. So kann auf den Arbeitsschritt des Vorbohrens verzichtet werden.
• Nagelschraube: Diese werden mit einem pneumatischen Schussgerät in das Holz geschossen. Der Vorteil zu Nägeln ist, dass sich diese Schrauben trotzdem wie normale Schrauben lösen lassen.
  
  

Funktionsweise von Schrauben

Ist eine Schraubenverbindung Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt, könnte die sich selbstständig lösen. Deshalb kann manchmal eine zusätzliche Schraubensicherung nötig sein. Das wird meist durch mitverspannte Bau- oder Formelemente oder durch Klebstoffe bewirkt.

Zusätzlich zur Selbsthemmung entsteht auch eine leichte elastische Verformung der Verbindungsteile. Dabei wird der Schraubenschaft gedehnt und das Werkstück gestaucht. Diese elastische Verformung wirkt wie eine Feder und nennt sich deshalb auch Federvorspannung.

Die Federvorspannung kann durch Kriechen an Halt verlieren. Als Kriechen wird eine langsame Verformung bezeichnet, die vom Material ausgeht. Ganz besonders bei Holzarbeiten muss die starke Kriechneigung des Holzes berücksichtigt werden.

Kriechneigung hat auch Metall, das großen Temperaturunterschieden ausgesetzt wird. In solchen Fällen werden Dehnschrauben eingesetzt. Diese Schrauben haben einen speziell langen Schaft, der als weiche Feder wirkt. Diese Verbindungsart wird zum Beispiel zwischen dem Zylinderkopf und Motorblock in Verbrennungsmotoren angewandt. So muss nicht mehr zusätzlich eine Schraubensicherung angebracht werden.

Mit dem Schraubendreher wird der Anzugs-Drehmoment übertragen. Um dabei einen bestimmten Wert zu erreichen, wird ein Drehmomentschlüssel genutzt. Das ist besonders bei Dehnschrauben nötig. Etwas Ähnliches passiert bei Radschrauben. Dort gibt die Umgebung der Felgenlöcher elastisch nach und sichert die Verbindung.

Herstellung von Schrauben

Wusstest du, dass Schrauben aus Draht hergestellt werden? Dazu gleich mehr. Kopfschrauben werden heutzutage meistens auf die folgenden zwei Arten hergestellt:

Das Kaltfließpressverfahren

Dieses Herstellungsverfahren eignet sich bei hohen Stückzahlen. Je nach Durchmesser und Länge der Schraube können so über 300 Schrauben pro Minute gefertigt werden. Allerdings können auf diese Art nur Schrauben bis zu einem Durchmesser von M36 produziert werden.

Gefertigt werden die Schrauben auf einer mehrstufigen Presse. Als Material wird Draht genutzt, der automatisch von der Spulen abgewickelt, gerade gezogen und in die Anlage geschoben wird. Auch alle anderen Vorgänge laufen komplett automatisch ab. In einem Arbeitsgang werden beispielsweise gleichzeitig der Rohling auf die richtige Länge abgeschert, der Sechskantkopf erstellt, fertig gestaucht, abgegratet und das Gewindeteil reduziert. Im zweiten Schritt wird dann das Gewinde hergestellt. Das geschieht meist spanlos – es wird eingewalzt.

Das Warmpressverfahren

Bei diesem Herstellungsverfahren werden die Schrauben auf einer Schmiedepresse geformt. Dieses Verfahren eignet sich nicht für große Stückzahlen, allerdings ist es möglich Durchmesser bis M 200 zu fertigen.

Rohmaterial für diese Fertigungsart sind Metallstangen. Zuerst werden die Stangen auf Maß gebracht und dann auf Schmiedetemperatur gebracht. Danach werden die Werkstücke in einer Presse vorgeformt. Die restlichen Arbeitsschritte sind meist alle zerspanend. Bearbeitet werden die Werkstücke mit elektrischen Schneideisen und Gewindebohrern. Große Werkstücke werden mit Drehmeißeln bearbeitet. Nur kleine Stückzahlen werden noch auf automatischen Drehmaschinen gedreht, da dies sehr teuer ist. Gewinde mit hoher Festigkeit werden spanlos auf einer Gewinderollmaschine weiterverarbeitet.

Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz

Schrauben sind oft Wind und Wetter ausgesetzt. Dafür gibt es rostfreie Schrauben. Diese werden aus nicht rostendem Stahl, Kupfer- oder Nickellegierungen, Aluminium oder Titan hergestellt. Seit einer Weile wird auch Carbon (kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff) genutzt.

Werden Schrauben allerdings aus normalem Stahl hergestellt, müssen sie anderweitig vor Korrosion geschützt werden. Dafür gibt es folgende Oberflächenbehandlungen:

• Galvanische Verzinkung: Dabei werden die Schrauben in einen Zinkelektrolyten eingetaucht. Die Oberfläche erhält dadurch so gut wie keine Struktur (im Gegensatz zu der Blumenstruktur beim Feuerverzinken). Galvanisch verzinkte Schrauben findest du im Baumarkt. Sie sind allgemein sehr viel im Gebrauch. Für den Außenbereich sind sie allerdings nur als Übergangslösung zu gebrauchen.
• Stückverzinkung (Feuerverzinkung): Bei dieser Oberflächenbehandlung werden die Schrauben einzeln in geschmolzenes Zink getaucht (bei ca. 450 °C). Dabei bildet sich eine Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber eine reine Zinkschicht. Stückverzinkte Schrauben gibt es in den Größen M8 – M64. Diese Oberflächenbehandlung ermöglicht auch den jahrzehntelangen Einsatz dieser Schrauben im Außenbereich.
• Brünierung: Die Brünierung ist keine Beschichtung, sondern eine Oberflächenbehandlung. Dabei werden die Schrauben in eine Säure, Lauge oder Salzschmelze getaucht. Dadurch bilden sich auf dem Eisen Mischoxidschichten, auch Edelrost genannt. Die Schrauben sind dann mit einer dunklen Schicht überzogen. Der Schutz vor Korrosion ist aber relativ schwach und hat eher etwas mit der Optik zu tun.
• Phosphatierung: Dabei wird auf den Schrauben eine Phosphatschicht erzeugt. Das geschieht chemisch oder elektrochemisch. Häufig gebraucht wird diese Art Schrauben bei Automotoren und im Schnellbauschrauben-Trockenbau.
• Zinklamellenüberzug: Der Zinklamellenüberzug kann auf verschiedene Art auf die Schrauben aufgebracht werden. Möglich ist die Besprühung mit einer Sprühpistole oder auch das Tauchen eines Korbes in einen Behälter mit der Beschichtung. Die Beschichtung selbst besteht aus einer Mischung von Zink- und Aluminiumlamellen. Diese Behandlung ist frei von Chrom und sehr korrosionsbeständig.
• Verzinnen: Diese Beschichtung eignet sich perfekt für die Elektroindustrie, da sich damit eine gute Weichlot-Oberfläche herstellen lässt.
• Zink-Nickel-Beschichtung: Auch diese Art des Korrosionsschutzes ist frei von Chrom und bis 300 °C temperaturbeständig. Diese Methode wird in der Automobilindustrie eingesetzt.
• Sherardisieren: Hier wird eine Zink-Eisen-Schicht aufgebracht. Die Schrauben werden erst durch Strahlen oder Beizen gereinigt und dann mit Zinkpulver und Quarzsand in eine rotierende Trommel gegeben. Das Ganze wird auf etwas über 300 °C erhitzt. Der Zink verdampft und bildet mit dem Eisen eine feste Legierung. Das Verfahren ist in Europa allerdings nicht so sehr bekannt.

Einige Oberflächenbehandlungen dienen nicht nur dem Korrosionsschutz, sondern auch zu Dekorationszwecken oder zur Verbesserung der Leitfähigkeit. Dazu gehören:

• Vergolden
• Versilbern
• Verkupfern
• Verchromen
• Vernickeln
• Messingbeschichtung

Um zu prüfen, ob eine Oberflächenbehandlung korrosionsbeständig ist, wird oft der Salzsprühtest durchgeführt. Dabei werden die Schrauben eine bestimmte Zeit lang einem ständigen Salznebel ausgesetzt. Dieser Test ist allerdings nicht mit den echten Umständen im Außenbereich zu vergleichen.

Material und Bezeichnungen von Schrauben

Schrauben bestehen meist aus Stahl. Die Palette reicht von günstigem Baustahl bis zu Edelstahl. Andere Möglichkeiten sind auch Messing und andere Legierungen. Schrauben aus Titan, Aluminium oder Kunststoff sind eher selten.

Wie alle genormte Bauteile hat auch jede Schraube seine eigene Bezeichnung und DIN-Norm. Dabei wird die Größe, die Festigkeitsklasse wie auch das Kürzel für nicht rostende Stähle angegeben. Bei Sechskant und Innensechskantschrauben wird die Festigkeitsklasse sogar auf dem Schraubenkopf angegeben.

Im Folgenden siehst du, wie die DIN-Normen für Schrauben zu verstehen sind:

Die Angabe der Festigkeitsklasse

Wozu dient denn die Angabe der Festigkeitsklasse? Daraus lassen sich die Zugfestigkeit R_m und die Streckgrenze R_e errechnen. Das sind wichtige Angaben, um herauszufinden, ob eine Schraube die bevorstehende Belastung aushält. Hier ein Beispiel für die Berechnung der beiden Größen bei der häufig vorkommenden Festigkeitsklassenangabe: 8.8

R_m: Die erste Zahl der Festigkeitsklassenangabe wird mit 100 multipliziert:

8 N/mm² × 100 = 800 N/mm² minimale Zugfestigkeit

R_e: Die beiden Zahlen der Festigkeitsklassenangabe werden miteinander multipliziert. Das Ergebnis davon wird dann noch mit 10 multipliziert:

8 × 8 N/mm² = 64 N/mm²

64 N/mm² × 10 =  640 N/mm² Mindeststreckgrenze

Hier eine Tabelle der Festigkeitsklassen und deren Aufschlüsselung in Zugfestigkeit und Streckgrenze:

Festigkeitsklasse	Zugfestigkeit Rm in N/mm²	Streckgrenze Re in N/mm²
4.6	400	240
5.6	500	300
5.8	500	400
6.8	600	480
8.8	800	640
10.9	1000	900
12.9	1200	1080

Im Baumarkt wirst du hauptsächlich die Festigkeitsklasse 4.6 finden. In der industriellen Fertigung dagegen wird meist mit der Klasse 8.8 gearbeitet. Im Rohrleitungsbau wird auf die Klassen 4.6 oder 5.8 zurückgegriffen. Diese sind dort wegen ihrer höheren Bruchdehnung vorgeschrieben.

Das Gewinde

Das Standardgewinde von Schrauben ist das metrische Gewinde. Es wird unterschieden zwischen Metrischem Regelgewinde und Metrischem Feingewinde. Das Regelgewinde hat eine festgelegte Steigung, abhängig vom Nennmaß der Schraube. Beim Feingewinde können verschiedene Steigungen gewählt werden.

Metrische Schrauben, die du beispielsweise im Baumarkt kaufen kannst, haben, wenn nicht anders angegeben, ein Regelgewinde. Möchtest du zöllige Gewinde kaufen, werden normalerweise die Gewindegänge je axialen Zoll Schraubenweg angegeben.

Hier eine Übersicht der gängigsten Gewindeformen:

• Metrisches ISO-Gewinde
• Rechts- oder Linksgewinde
• Rohrgewinde
• selbstprägende oder selbstschneidende Gewinde
• Blechschraubengewinde
• Holzschraubengewinde
• Schnellbauschraubengewinde
• zölliges Gewinde (z.B. Whitworth-Gewinde)

Es gibt auch Schrauben, die nicht über die komplette Länge ein Gewinde haben. Diese Art Schraube nennt sich Teilgewindeschraube.

Der Schraubenkopf

Für die gängigen Schraubenköpfe findet sich in jedem Supermarkt ein Schraubendreher. Damit Unbefugte bestimmte Geräte nicht öffnen können, werden immer wieder zusätzliche Schraubenköpfe erfunden. Doch schon bald ist auch dafür wieder ein Schraubendreher im Handel erhältlich.

Es gibt auch Schraubenköpfe, die zwei verschiedene Formen kombinieren. So gibt es zum Beispiel Kreuzschlitz-Schrauben mit zusätzlichem Außen-Sechskant. Auch Kreuzschlitz-Schrauben, die es ermöglichen, mit verschieden großen Schraubendrehern zu arbeiten oder Kombinationen aus Kreuzschlitz und Torx.

Hier eine Übersicht der gängigsten Schraubenkopfformen:

Schraubenkopfform	Bezeichnung	Anmerkung
Pin	Schlitz
Pin	Außen-Vierkant
Pin	Innen-Vierkant (Robertson)
Pin	Außen-Sechskant
Pin	Innen-Sechskant (Inbus)
Pin	Innen-Sechskant mit Stift
Pin	Innen-Sechsrund (Torx)
Pin	Torx mit Stift	Besonders sichererer Torx, manipulationssicher
Pin	Torx Plus
Pin	Einweg-Schlitz
Pin	Phillips (Kopf-Kreuzschlitz)
Pin	Pozidriv (Kopf-Kreuzschlitz)
Pin	Innen-Vielzahn (XZN)
Pin	Tri-Wing	Wird hauptsächlich in der Luftfahrt genutzt
Pin	Torq-Set	Wird hauptsächlich in der Luftfahrt genutzt
Pin	Pentalob	Von der Firma Apple erfunden. Wird seit dem Iphone 4 genutzt. Bei Macbooks ist es seit 2010 zu finden.
Pin	Bristol
Pin	Spanner

Schraubensicherungen

Schraubensicherungen sollen bewirken, dass sich eine Schraubenverbindung nicht von allein auf einmal lockert oder sogar löst. Das geschieht schnell durch Vibration, Korrosion oder andere Einflüsse. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Schraubenverbindung zu sichern. Hauptsächlich sind diese in drei Hauptbereiche einteilbar:

• Kraftschlüssig: Kraftschluss entsteht nur bei einer vorhandenen Normalkraft, die auf die Verbindenden Teile wirkt. Hier wird die Kraft der Haftreibung ausgenutzt. Der Kraftschluss wirkt nur so lange, wie die Gegenkraft schwächer ist. Der Kraftschluss zwischen zwei Seilen wird unterbrochen, sobald man die Seite mit Kraft auseinanderzieht. Beispiele für kraftschlüssige Verbindungen: Federringe oder Federscheiben.
• Formschlüssig: Beim Formschluss greifen zwei Verbindungsstücke so ineinander, dass sie sich sozusagen gegenseitig im Weg stehen. Auch wenn keine Kraft mehr ausgeübt wird, kann sich die Verbindung deshalb nicht lösen. Beispiele dafür sind Sicherungbleche oder Rippscheiben.
• Stoffschlüssig: Beim Stoffschluss wird die Verbindung durch molekulare oder atomare Moleküle zusammengehalten. Solch eine Verbindung lässt sich nur lösen, indem das Verbindungsmittel zerstört wird. Ein Beispiel für eine solche Schraubensicherung: Flüssigklebstoff.

Fazit

Schrauben werden also aus Draht oder dünnem Rundstahl hergestellt und es gibt sie in den verschiedensten Ausführungen. Damit du für deine Arbeit die passende findest, musst du dir z.B. darüber im Klaren sein, was sie aushalten muss. Die Angaben zu der Schrauben-Festigkeitsklasse und weitere wichtige Details findest du in der DIN-Norm.

Als Alternative bzw. in Kombination zu dieser Verbindungsart bieten sich Holzverbindungen an. Diese werden beispielsweise in Fachwerkhäusern, Carports und Dachkonstruktionen eingesetzt.

Ich hoffe, dieser Artikel hat dir einen guten „Schrauben-Überblick“ gegeben.