CN103148076A - 具有高屈服极限比的超高强度螺钉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度螺钉(2)、特别是超高强度螺钉(2)，具有至少1400N/mm²的抗拉强度R_m并且具有贝式体组织，所述螺钉具有至少0.95的屈服极限比。因而它涉及新强度级14.10、15.10、16.10或17.10的螺钉(2)。高的屈服极限比通过螺钉(2)的热处理实现。

Description

具有高屈服极限比的超高强度螺钉

技术领域

本发明涉及一种高强度螺钉、一种具有高强度螺钉和结构件的螺钉连接以及一种用于制造高强度螺钉的方法。

背景技术

由德国专利申请DE102008041391A1已公开了具有贝式体组织的超高强度螺钉、具有这种螺钉和结构件的螺钉连接以及用于制造这种螺钉的方法。这种贝式体组织通过中间阶段调质处理产生并基本上在螺钉的整个横截面上延伸。因此所述螺钉具有至少1.400N/mm²的抗拉强度R_m。通过贝式体组织，所述螺钉就具有极其高的强度值并结合有最大的韧度值。所述螺钉特别是具有小于90％并最好小于80％的屈服极限比(屈强比)。

另外的现有技术被描述在上述德国专利申请DE102008041391A1的“现有技术”段落中。

在上述德国专利申请DE102008041391A1的审查程序中公开了其他的现有技术。在此涉及的是文献DE2817628C2，DE1758287A，DE1558505A，DE2326882A，DE69807297T2，JP09263875A日本专利摘要，DE102005004712A1以及在“DerKonstrukteur4”，1986，40、42、44页中的“超弹性范围内的连接元件“配合-应变-螺钉”-多次旋拧”。

发明内容

本发明的任务是，提供具有高延展性的高强度螺钉，其很好地适用于多次拧紧。

本发明的任务按照本发明借助独立权利要求的特征方案被解决。

另外优选的本发明结构方案由从属权利要求中获得。

本发明涉及具有贝式体组织的高强度螺钉，其具有至少0.95的屈服极限比。

此外本发明涉及具有这种高强度螺钉和结构件的螺钉连接，所述结构件与高强度螺钉螺接。

本发明也涉及用于制造强度螺钉的方法，在该方法中，具有贝式体组织的螺钉被如此热处理，以至于所述螺钉获得至少0.95的屈服极限比。

屈服极限比：屈服极限比被理解为0.2％-屈服极限R_p0.2与抗拉强度R_m之比。

高强度螺钉：高强度螺钉被理解为具有至少800N/mm²抗拉强度R_m的螺钉。迄今在现有技术中高强度螺钉基本被理解为强度级8.8、10.9和12.9的螺钉。

超高强度螺钉：超高强度螺钉被理解为具有至少1400N/mm²抗拉强度R_m的螺钉。

均匀应变：均匀应变被理解为在拉力试验中当给螺钉施加与抗拉强度R_m匹配的负荷下相对初始长度的塑性的长度变化。因此均匀应变说明，所述螺钉在这个区域中不缩颈，而是均匀地延展。

所述新型螺钉具有至少0.95的屈服极限比。在约1的屈服极限比情况下所述屈服极限大致相应于强度极限，其中，在此说成弹性/理想塑性的特性。所述螺钉被塑化加工并然后在进一步拧紧直至断裂时实际上不再获得强化。这种螺钉最佳地适用于所述螺钉连接通过屈服极限可控的拧紧方法以及用接合扭矩+转角之方法的拧紧。

大于1的屈服极限比意味着，所述螺钉在达到屈服极限时具有其最大强度和预应力并且所述预应力然后又稍微下降到常数水平(见图3)。然而在通过扭矩和转角的拧紧情况下这种稍微的下降是毫无问题的。

具有高屈服极限比的所述新螺钉还特别好地适合于一种屈服极限控制式拧紧方法。在这种拧紧方法中由螺钉工具持续地监视扭矩/转角曲线中斜率的变化。因为这个斜率在屈服极限点与霍克直线偏离，因此所述屈服极限点可以通过这个变化被探测。但在现有技术中这个探测是实际上不可能的或是很难实现的，因为所应用的材料不具有突出的屈服极限并因此从霍克直线至塑性区域中的过渡只是比较缓慢并且无特点地进行。在本发明的螺钉大致1的新屈服极限比情况下这个过渡此时是明显可识别的并因此即使在比较恶劣的工作条件下也是可单义和清晰地探测的。

所述新螺钉很接近于弹性/埋想塑性的特性并同时具有高度的变形能力。基于这种高的屈服极限比和好的变形能力就能实现螺钉强度及变形能力并因此最大可能预应力一种几乎完全的利用。此外可以的是，在多次的重复拧紧中施加仅具有较小的塑性变形的最大可达到的预应力。因此螺钉的这种全部变形能力甚至在多次超弹性拧紧性况下也可提供用于重复拧紧。

在拧紧具有高强度螺钉的螺钉连接情况下在实践中通常规定，所述螺钉连接的第一和第二拧紧应以相同的拧紧规定实施。当在具有屈服极限比例如0.8的公知螺钉的现有技术中应用两次或更多次这个拧紧规定时，则会导致问题。第一可能性在于，使螺钉连接拧紧至离开弹性区域后的塑性平台中。因此在下一次拧紧中被达到这相同的预应力，但是由于第一次拧紧时出现的冷作硬化则在相同转角情况下发生所述螺钉更大的塑化加工。换句话说这个第二次拧紧进一步往右地终止在这表明塑性变形的水平直线上。亦即所述平台中提供的变形能力的一部分已经被耗用，因此其要么在第二拧紧中已经或在随后的拧紧中导致所述螺钉的缩颈或失效。第二可能性在于，所述螺钉连接的拧紧在到达所述塑性平台之前被结束。如果人们遵守这源于第一拧紧的拧紧规定的话，因此则在多次拧紧情况下产生不同的预应力，这同样是不希望的。但为了最佳地利用螺钉强度必要的是，将螺钉拧紧到明显地超过所述屈服极限。

现在通过至少0.95、特别在0.97和1.05之间并优选在0.99和1.03之间的该新型螺钉的这个高屈服极限比，即使在多次拧紧所述螺钉连接情况下也可靠地实现相同确定的预应力。这个高屈服极限比意味着在应力-应变-曲线中清晰的并在线性-弹性区域(“霍克直线”)和塑性区域之间过渡中的弯曲。这个清晰的转弯可以被可靠地探测。

本新型高强度螺钉具有一种贝式体组织，其特别是至少部分地通过中间阶段调质处理而产生。所述贝式体组织在同样很高延展性下导致很高的抗拉强度。这个高延展性或韧性使贝式体组织明显区别于马氏体组织，其在现有技术中以公知方式通过硬化与接着退火被制造。在中间阶段调质时所述硬化不是通过基于奥氏体相的快速冷却而是通过贝式体阶段中等温的组织转变实现的。在此所述部件、特别是螺钉在等温的温度下停留在盐浴中，直至从奥氏体到贝式体的组织转变在整个横截面上结束。在马氏体硬化时必需的退火过程能够以优选方式省去。因此淬硬畸变的趋势也被减小。

借助贝式体化使得向马氏体组织的直接转变被省去并因此省去具有高晶格应力的晶格转变。这就意味着，具有贝式体组织的结构件具有极其高强度值并结合有最大韧性值的显著特点。贝式体组织的其他细节和优点请参考本申请人的德国专利申请DE102008041391A1。

所述高的屈服极限比特别是在中间阶段调质以后通过确定的方法步骤被实现。在第一变型方案中，与此相关的第一方法步骤在于螺钉的冷成形，因此材料中的位错密度被提高。这个冷成形可以特别涉及轴向的拉伸应力(“拉伸”)。但也可以是组合的拉伸-和扭转应力作为冷成形。在此重要的是，这种被施加的变形要导致材料中位错密度的一定程度的提高。

在随后的或单独的方法步骤中，在比较低的温度下实施螺钉的热处理。所述热处理能在材料中实现晶隙式分离之合金元素-特别如C，B和N-的分离和扩散，其聚集在所述位错的延展区域中并阻止这种位错运动。因此阻力被提高并实现更高的屈服极限。在此，所述抗拉强度R_m是不被改变的或只有稍稍改变(特别被提高约5％)，因此所述0.2-屈服极限R_p0.2的提高基本上有助于希望的屈服极限比的提高。所述热处理可以特别在100℃与400℃之间，优选在120℃与250℃之间的温度下及例如在处理时间为0.5-50小时的条件下实现。热处理的持续时间取决于材料状态、化学组分和希望的强度。

在用于实现所述高屈服极限的制造方法的另一变型方案中省去了跟随在中间阶段调质后的冷成形步骤。但又实施螺钉的热处理，其中，该螺钉特别在350℃与600℃之间，优选在400℃与550℃之间的温度下及例如在处理时间为0.5-2小时的条件下进行。所述热处理在这种情况下由于较高的处理温度一方面导致由于位错愈合造成的抗拉强度减小并另一方面实现所述合金元素例如Cr，Mo，Mn，Ni和V，Nb或Ti之碳化物的分离，这将导致所述位错运动的阻碍并因此使屈服极限提高或至少反作用于由于位错愈合导致的屈服极限减小。因此所希望的屈服极限比的提高在这个方法中由于抗拉强度的下降而在几乎不变的屈服极限情况下被实现。

无论所述第二热处理是否在中间连接冷成形的情况下实施，其也可以有利地结合另外的制造螺钉的方法步骤-特别可以例如结合反正要实施的表面涂层，所述表面涂层由于工艺限制而要求热处理例如为了涂层材料的汽化或煅烧。这种表面处理另外被用于提高防腐性能。

所述螺钉特别是具有至少0.5％，优选至少0.6％的均匀应变。这个意味着，应力-应变-曲线中的平台被构造为比较长并因此能在屈服极限以上在无螺钉缩颈及失效的情况下多次拧紧所述螺钉连接。因而即使在第二，第三，第四，第五(次)等的螺钉连接拧紧中也可以很好实现相同定义的预紧力。

高强度螺钉以公知方式通过冷成形被制造，其中为此采用的原料一般被称之“线材”。对本新型高强度螺钉应用的线材可以由可冷成形加工的未调质处理的钢构成并具有约0.2％-0.6％的碳含量。所述钢可以具有总共大于约1.1％的合金组分，特别是Cr，Mo，Mn，Ni，V，Nb或Ti。

所述螺钉可被设置为具有抗拉强度R_m为至少1400N/mm²的超高强度螺钉。这种具有新屈服极限比的超高强度螺钉因而即使在多次拧紧情况下也能再现地提供极高的预紧力。因此这种螺钉按照一般的标称习惯应被编列为又被定义的强度级：14.10、15.10、16.10、17.10或更高级。

所述螺钉可以具有抗磨漆或润滑介质形式的涂层，其中，其具有特别实MoS，MoS₂，石墨，聚乙烯或另外的聚合物作为润滑介质。替换地，所述螺钉可以被磷化处理或浸油处理。这种涂层即使在多次拧紧情况下也提供均匀的摩擦系数，因此该比例即使在多次拧紧情况下也是一致的。

所述螺钉可以具有较小份额的、小于15％的马氏体。这个特征(根据该特征所述高强度螺钉具有贝式体组织)并不意味着比较小份额的其他组织-例如马氏体或残余奥氏体-就背离该特征的实现。所述贝式体组织最好主要由下贝式体构成并且既可以包含上贝式体组织份额又可以包含下贝式体组织份额或者包含粒状贝式体组织份额。另外马氏体可以按目的要求被调节为较小的份额，也就是说特别小于约15％的份额、约10％或更小的份额、在8％和11％之间的份额或在约3％和5％之间的份额。这些份额涉及在螺钉的平均横截面面积中马氏体的单位面积份额。通过马氏体份额使得抗拉强度被提高，其中所述贝式体份额保持在足够地高，以便实现希望的高延展性。

用于制造高强度螺钉的新型方法具有如下步骤：

-制造贝式体组织，

-如此热处理所述螺钉，以至于螺钉获得至少0.95的屈服极限比。

在这个第二方法步骤以前，必要时可以实施另外的方法步骤，其中例如通过轴向上拉伸实现所述螺钉的冷成形。另外的方法步骤是螺纹制造。这可以在不同的时间点上实施，正如下面还要被详细描述的那样。

本发明优选的扩展结构方案在权利要求书、说明书和附图中表明。在说明书概述中所称的、特征和多个特征组合的优点仅仅是示例性的并且可以选择性地或累加地发生作用，所述优点不必强制地由本发明具体实施例实现。因此所附权利要求的技术主题没被修改的话，则关于原始申请文件和专利的公开内容适合于如下：另外的特征可从附图-特别是描述的几何结构和多个结构件彼此间相关尺寸设置以及其相对结构配置和作用连接-中获得。本发明不同具体实施例特征方案或不同权利要求特征方案的组合同样是能够不同于被选用的权利要求引用关系的并且因此具有启示。这还涉及这类特征，其被描述在单个附图中或在其说明中被提及。这些特征也可以与不同权利要求的特征相组合设置。同样在权利要求书中记载的特征对于本发明的另外具体实施例可以省去。

在权利要求书和说明书中所述的特征关于其数目应被如此理解，即刚好存在这个数目或比这个数目大的数目，不必明白地应用副词“至少”。因此例如当谈及一个或一种元件时，其应被如此理解，即，刚好一个元件、两个元件或多个元件都是存在的。相反，当应给出特征的精确数目时，则在相应特征的前面使用形容词“刚好”。

附图说明

下面借助附图中描述的优选具体实施例进一步解释和描述本发明。

图1示出所述新的具有高强度螺钉和结构件的螺钉连接的第一具体实施例，

图2示出所述新的螺钉连接第一示例性具体实施例和现有技术比较的示意的应力-应变-曲线图，

图3示出所述新的螺钉连接第二示例性具体实施例示意的应力-应变-曲线图，

图4示出按图1新的螺钉连接在多次拧紧情况下示意的应力-应变-曲线图，

图5示出新的、用于制造新螺钉之方法的第一示例性具体实施例的流程图，

图6示出新的、用于制造新螺钉之方法的第二示例性具体实施例的流程图。

具体实施方式

图1示出具有高强度螺钉2以及第一结构件3和第二结构件4的螺钉连接1的第一实施例。螺钉2具有头部5、杆区段6和带外螺纹8的螺纹区段7。第一结构件3具有孔9并且第二结构件4具有孔10。孔10具有与螺钉2的外螺纹8适配的内螺纹11。通过相互啮合的螺纹8、11和螺钉2的头部5的头部支承面12实现了对于可靠的螺钉连接1所必需的夹紧力。

螺钉2涉及超高强度的、具有抗拉强度至少1400N/mm²的螺钉。螺钉2具有特别是通过中间阶段调质处理而产生的贝式体组织，贝式体组织基本上在螺钉2的整个横截面上延伸。螺钉2可以首先在训练拧紧的框架内被拧紧，其中螺钉2被拧紧直至超过它屈服极限。因此为了最终形成螺钉连接1，所述螺钉连接1的第二次拧紧至少实现达到由训练拧紧造成的提高的屈服极限。

图2示出本发明螺钉连接1示例性的第一实施例和现有技术一般螺钉连接作比较的示意性应力-应变-曲线图。在此，本发明螺钉连接1以实线引导时候粗的曲线被标志以参考标号13，同时现有技术螺钉连接之以虚线引导示出的曲线被标志以参考标号14。

在现有技术的螺钉连接情况下存在一般的曲线变化，也就是说在离开所述霍克直线15以后跟随着在比较大的转角或比较大的应变上延伸的过渡区域，直至达到塑性的平台16。在此，所述0.2％-屈服极限R_p0.2和抗拉强度R_m显著区别在于，存在约0.8或最大0.9的屈服极限比。接下来的在进一步拧紧螺钉连接时的平台16只具有比较短的延伸并在缩颈点17中终止。最后，在进一步拧紧螺钉连接的情况下这将导致失效。

如在图2描述中可良好看出的，本发明的曲线走向13明显区别于现有技术14。霍克直线15具有较长的延伸并且由于所述屈服极限比计为约1的事实而在比较清晰的转折点18中过渡到平台16中。因而所述0.2％-屈服点R_po.2和抗拉强度R_m具有大致相同的值。所述平台16具有相比现有技术14长很多的水平延伸并然后在缩颈点19中终止。平台16的这种比较大的长度意味着，所述新型螺钉2具有在应力不变的情况下比较大的塑性变形能力。由此造成的均匀应变可以特别是为至少0.5％并优选特别是为至少0.6％。

图3示出本发明的新螺钉连接1的示例性第二实施例的示意性应力-应变-曲线图。和图1具体实施例的差别是这里存在一种情况，其中，屈服极限R_θ位于抗拉强度R_m以上。因此从霍克直线15至平台16的过渡不同于图1地延伸，其中可以看出，此处还提供比较长的平台16。

图4示出所述新的、图1中螺钉连接1在以转角拧紧的多次拧紧或以拧紧扭矩和转角组合的拧紧情况下示意的应力-应变-曲线图。在本实施例中描述了五个依次进行的拧紧过程(“拧紧”)。可以看出，在拧紧所述螺钉连接1直达所述0.2％-屈服极限R_po.2并超过以后则产生不变的螺钉2预应力，其中在第一次拧紧(最左边的向上箭头)和随后的松开(最左边的向下箭头)后在第二次拧紧(从左边第二个向上箭头)时只在较大转角情况下才达到R_m和R_p0.2。因此在这个意义上说已被耗用一部分的平台16。于是在第三，第四，第五次等的拧紧时发生相应的情况。但和现有技术相对比，R_m和R_po.2分别在一较小的转角情况下就被达到并且每次拧紧只耗用较小部分的平台16。由于这种高均匀应变所述螺钉2还具有足够的潜力，以便在以不变的拧紧规定多次拧紧情况下也能提供不变的预应力。在屈服极限控制的拧紧方法情况下-其中过渡点在本发明螺钉情况下可被很好地探测-所述拧紧和松开曲线也显著紧密聚集，因此螺钉可以实际上不受限制地经常被多次地拧紧。

图5示出所述新的制造螺钉2方法的示例性第一实施例的流程方框图。在流程方框图内通过左侧和右侧不同的说明描述了部分的变型方案。原料是一种未被调质处理的具有约0.2-0.5％碳含量的冷成形钢。所述钢既可以是未经退火处理的也可以是经退火处理的(例如通过球形渗碳体(化)退火“GKZ-退火”)。在拧紧之后紧接着冷成形。接着可以进行螺纹加工或者在省略这个步骤的情况下作为下一步骤产生贝式体组织(这特别是通过中间阶段调质处理进行)。如果还没有进行螺纹加工，则它在下步骤中被实现。接着实施另外的冷成形，例如通过拉伸。最后进行热处理，特别是在约100℃与400℃之间的温度下。

图6示出所述新的、用于制造螺钉2之方法的第二示例性具体实施例的流程方框图。在这种情况下所述冷成形钢具有总共大于约1.1％的合金元素。在此，可特别地涉及Cr，Mo，Mn，NiV，Nb和Ti。然后下一方法步骤则如在图5实施例中那样地进行。与其区别在于省去了例如通过拉伸进行的冷成形步骤，并且取而代之地直接实施热处理，然而所述热处理在此却在较高的温度下被实现。该温度可以特别地为约在350℃与600℃之间。如果通过冷成形的螺纹加工此前还未被实现的话，则它就在此后进行。

参考符号表

1     螺钉连接

2     螺钉

3     结构件

4     结构件

5     头部

6     杆区段

7     螺纹区段

8     外螺纹

9     孔

10    孔

11    内螺纹

12    头部支承面

13    本发明

14    现有技术

15    霍克直线

16    平台

17    缩颈点

18    转折点

19    缩颈点。

Claims (19)

1.高强度螺钉(2)，具有贝式体组织，其特征在于，所述螺钉(2)具有至少0.95的屈服极限比。

2.按权利要求1的螺钉(2)，其特征在于，所述贝式体组织至少部分地通过中间阶段调质而产生。

3.按权利要求2的螺钉(2)，其特征在于，所述贝式体组织基本上在螺钉(2)整个横截面上延伸。

4.按权利要求2或3的螺钉(2)，其特征在于，所述屈服极限比在中间阶段调质以后通过螺钉(2)的冷成形和紧接着的热处理实现。

5.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)的冷成形涉及轴向上的拉伸并且所述螺钉(2)的热处理在100℃与400℃之间的温度、特别是120℃与250℃之间的温度下进行。

6.按权利要求2或3的螺钉(2)，其特征在于，所述屈服极限比在中间阶段调质以后通过螺钉(2)在350℃与600℃之间的温度、特别是400℃与550℃之间温度下的热处理实现。

7.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述屈服极限比处于0.97和1.05之间，特别是在0.99和1.03之间。

8.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)具有至少0.5％、特别是至少0.6％的均匀应变。

9.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)由一种线材制造，所述线材由可冷成形的未调质的钢构成并且具有0.2％至0.6％的碳含量。

10.按权利要求9的螺钉(2)，其特征在于，所述钢具有总共大于1.1％的合金份额，特别是Cr，Mo，Mn，NiV，Nb和Ti。

11.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)构造为超高强度的螺钉，具有至少1400N/mm²的抗拉强度R_m。

12.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)具有抗磨漆或润滑介质形式的涂层，其具有特别是MoS，MoS₂，石墨，聚乙烯或其他聚合物作为润滑介质，或者

所述螺钉(2)被磷化处理和被浸油处理。

13.按权利要求4的螺钉(2)，其特征在于，所述螺钉(2)具有较小份额的小于15％的马氏体。

14.一种用于制造高强度螺钉(2)的方法，具有以下步骤：

将具有贝式体组织的螺钉(2)如此热处理，使得所述螺钉(2)获得至少0.95的屈服极限比。

15.按权利要求14的方法，其特征在于，至少部分地通过中间阶段调质产生所述贝式体组织。

16.按权利要求15的方法，其特征在于，所述贝式体组织基本上在螺钉(2)的整个横截面上延伸。

17.按权利要求16的方法，其特征在于，所述屈服极限比在中间阶段调质以后通过螺钉(2)的冷成形和紧接着的热处理实现。

18.按权利要求17的方法，其特征在于，所述螺钉(2)的冷成形涉及轴向上的拉伸并且所述螺钉(2)的热处理在100℃与400℃之间、特别在120℃与250℃之间的温度下进行。

19.按权利要求15或16的方法，其特征在于，所述屈服极限比在中间阶段调质以后通过螺钉(2)在350℃与600℃之间、特别400℃与550℃之间温度下的热处理实现。

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