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Verfahren zur Herstellung hochfester Schrauben und Muttern aus unberuhigtem, kohlen- stoffarmem und unlegiertem Stahl
Hochfeste Schrauben und Muttern übertragen auch bei kleinen Abmessungen und Anschlussmassen grosse Zugkräfte. Die mögliche Gewichtsersparnis und Raumersparnis lässt die moderne Technik immer mehr hochfeste Schrauben und Muttern für hochwertige Aggregate, wie z. B. Motore, verwenden. Diese Entwicklung zwingt zu rationeller Fertigung und Automatisierung. Gegenwärtig stehen zwei Verfahrensgruppen zur Fertigung von Schrauben und Muttern zur Verfügung : a) Formgebung durch spanlos Warm- oder Kaltumformung aus vergütbaren unlegierten oder legierten Qualitäts- bzw.
Edelstählen mittleren C-Gehaltes mit anschliessendem Härten und Anlassen. b) Kaltformgebung durch Fliesspressen aus unlegierten Qualitätsstählen niedrigen oder mittleren C-Gehaltes unter Kaltverfestigung ohne thermische Vergütung. Für die niedrigeren Qualitäten werden auch unter Anwendung hoher Umformungsgrade mit Erfolg unberuhigte SMStähle niedrigen C-Gehaltes eingesetzt.
Es ist zwar auch schon ein Verfahren zum Herstellen von Schraubenbolzen hoher Festigkeit bekanntgeworden, bei dem ein Vergütungsstahl zunächst auf hohe Festigkeit vergütet und derart kaltgestaucht wird, dass der fertige Bolzen, ohne einer nachträglichen Wärmebehandlung zu bedürfen, die verlangte hohe Festigkeit aufweist.
Abgesehen davon, dass hier nur ein teuerer Vergütungsstahl zu verwenden ist, muss bei diesem Verfahren die Pressgeschwindigkeit der Kaltpresse der beabsichtigten Werkstoff-Verformung angepasst sein, damit die Verformungen ohne ein Aufplatzen oder Abschieben des Werkstoffes (Rutschkegelbildung) ertragen werden. Aus diesem Grunde hat das Verfahren in der Praxis keine Bedeutung erlangt.
Dem Bestreben, hochfeste Schrauben und Muttern nach den oben genannten beiden Verfahrensgruppen wirtschaftlich herzustellen, sind trotz weitgehender Automatisierung in der Massenfertigung Grenzen gesetzt. Bei Verwendung von Vergütungsstählen nach Verfahrensgruppe a) ist es erforderlich, das Halbzeug der beruhigt vergossenen Stähle einer kostspieligen Oberflächenbearbeitung zu unterziehen, damit die beim Kaltstauchen des Schraubenkopfes oder der Mutter auftretenden, ausserordentlich starken tangentialen Randspannungen nicht dazu führen, dass die infolge der Beruhigung an die Blockoberfläche gespülten Verunreinigungen zum Aufreissen führen.
Das gleiche gilt für die Fertigung nach der Verfahrensgruppe b), wenn Stähle mit einem C-Gehalt über 0, 12% eingesetzt werden, denn sie dürfen ebenfalls nur beruhigt vergossen werden, da sie wegen ihrer Festigkeits-Inhomogenität in unberuhigt vergossenem Zustand für Schrauben und Muttern nicht verwendbar wären.
Ein unberuhigt vergossener Stahl mit C-Gehalten unter 0, 12% weist jedoch infolge seiner Seigerung in der Aussenhaut praktisch keine Verunreinigung auf, so dass auf eine kostspielige Oberflächenbearbeitung des Halbzeuges verzichtet werden kann und der Stahl trotzdem gut kaltstauchbar ist. Aus solchen Stählen lassen sich aber trotz höchster Umformung mit dem bekannten Verfahren des Fliesspressens bei Schrauben nur verhältnismässig geringe Festigkeitssteigerungen erzielen, die in keinem Verhältnis zu dem wirtschaftlichen Aufwand stehen, da der rationellen Fertigung ausserdem Grenzen gesetzt sind durch den hohen Verschleiss der Presswerkzeuge infolge der grossen Umformunggrade.
Wollte man sich dagegen in Verbindung mit niedrigeren Umformungsgraden den an sich bekannten schwachen Vergütungseffekt von Stählen mit C-Gehalten unter 0, 12% für die rationelle Massenfertigung hochfester Schrauben und Muttern zunutze machen, so würde beim Aufheizen der kaltumgeformten Schrauben und Muttern auf Abschrecktemperatur die Rekristallisationstemperatur überschritten, die bei der Kaltfertigung erzielte Verfestigung aufgehoben und durch eine geringere Verfestigung infolge der Umwandlungshärtung ersetzt. Ausserdem würde sich eine inhomogene Festigkeitsverteilung dadurch einstellen, dass die Seigerungszone wegen ihres erhöhten C-Gehaltes eine grössere Härte annähme als die kohlenstoffarmen Randzonen.
Für Schrauben mit gebräuchlichen Gewinde- steigungen wäre die erhöhte Kernfestigkeit jedoch nicht ausnutzbar, da das Gewindeprofil
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aus den kohlenstoffarmen Randzonen gebildet würde, deren Scherfestigkeit durch eine derartige Warmbehandlung nicht angehoben werden könnte. Anderseits könnten solcherart hergestellte Muttern nicht voll ausgenutzt werden, da die kraftübertragenden Flächen und Kanten des Aussenangriffs weich blieben.
Hier setzt der Gedanke der Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, einen im technischen Sprachgebrauch als unvergütbar bezeichneten, kohlenstoffarmen, unberuhigten Massenstahl mit C-Gehalten unter 0, 12% für die rationelle Herstellung von hochfesten Schrauben brauchbar zu machen.
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen hochfester Schrauben und Muttern aus unberuhigtem, kohlenstoffarmem unlegiertem Stahl dadurch gekennzeichnet, dass ganze Ringbunde von Walzdraht auf Temperaturen ober-
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C-Gehalt über den Querschnitt aufgekohlt, aus dieser Temperatur in Öl oder Wasser abgeschreckt und sodann auf einer automatisch arbeitenden Kaltstauchpresse in Abschnitte geschnitten und diese unter Kaltverfestigung zu Schrauben oder Muttern umgeformt werden.
Im einzelnen geht man dabei erfindungsgemäss folgendermassen vor : Der Werkstoff wird als Walzdraht in Ringbünden in einer Atmosphäre mit gesteuertem C-Pegel so gasaufgekohlt, dass sich ein annähernd homogener Kohlenstoffgehalt über den gesamten Querschnitt einstellt, und aus dieser Aufkohlhitze wird in Öl oder Wasser abgeschreckt, wodurch über den Querschnitt und über die Länge eine gleichmässige Festigkeitssteigerung gewährleistet ist, die anderseits jedoch wegen des geringen C-Gehaltes nicht so gross ist, dass eine Kaltstauchbarkeit selbst unter hohen Umformungsgraden in Frage gestellt würde, und zu der sich die Festigkeitssteigerung bei der nachfolgenden Kaltumformung zu Schrauben und Muttern in an sich bekannter Weise addiert.
Auf diese Weise lassen sich mit geringem Umformungsgrad und daher rationeller als zuvor in der Verfahrensgruppe b) beschrieben, hochfeste Schrauben und Muttern mit annähernd homogener Festigkeit über den Querschnitt und das Gewindeprofil herstellen.
Das erfindungsgemässe Verfahren unterscheidet sich von den bekannten Verfahren der spanlosen Kaltumformung hochfester Schrauben und Muttern vor allem dadurch, dass unberuhigte Massenstähle verwendet werden können, die infolge der Seigerung keine Verunreinigung in der Randzone aufweisen (Speckschicht) und deren Inhomogenität bezüglich des C-Gehaltes und damit deren Festigkeit durch Gasaufkohlung ausgeglichen wird, wodurch sie einem beruhigten Stahl ähnlich werden, ohne dass sie jedoch dessen Nachteile, nämlich die in die Oberflächenzone gespülten Verunreinigungen aufweisen, die bei solchen Stählen durch aufwendige Bearbeitung (Blockdrehen, -putzen, Knüppelputzen) des Halbzeuges beseitigt werden müssen.
Anderseits unterscheidet es sich von den Verfahren der Umformtechnik, die den an sich bekannten Additionseffekt bei Aushärtung oder Umwandlungshärtung mit nachfolgender Kaltumformung ausnutzen, dadurch, dass ganze Ringbunde auf Temperaturen oberhalb Ac aufgeheizt, aufgekohlt und abgeschreckt werden, dass diese Ringbunde im "gehärteten" Zustand automatisch arbeitenden Pressen zugefüttert, in Abschnitte zerlegt und die Abschnitte in Achsrichtung verkürzend verformt werden, und dass nur Stähle mit einem C-Gehalt unter 0, 12% verwandt werden, so dass die zum Stauchen von Schraubenköpfen oder Muttern aus Runddrahtabschnitten erforderlichen hohen Umformungen bis 400% ohne Schubrissbildung auf schnell laufenden Pressen möglich sind.