CN104204558A - 自攻螺丝及其应用 - Google Patents
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Abstract
所示出和说明的是一种由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成的自攻螺丝(10)，包括带有螺纹成型区域和钻孔尖端(16)的螺杆。所述螺杆(12)一件式地由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成并且至少在所述尖端的区域中设有电镀施加的薄层(20)，由此设有所述层(20)的区域比未覆层的区域硬，其中，所述薄层(20)具有珠状或柱状结构类型的表面，具有至少2μm且优选最大达30μm的层厚度，并且具有在500至1500HV0.3范围内的硬度。该自攻螺丝(16)比常规自攻螺丝能够更简单地制造，在所述常规自攻螺丝中钻孔尖端由比螺杆硬的材料制成并且与由不生锈的钢制成的螺杆焊接。因此该自攻螺丝(16)是带有硬质覆层的、由母材制成的、完全奥氏体化的自攻螺丝。所述覆层确保钻孔能力和螺纹成型。除了较低的制造成本以外，该自攻螺丝(16)的耐腐蚀性构成另一优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种自攻螺丝，该自攻螺丝由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成，该自攻螺丝包括带有螺纹成型区域和钻孔尖端或穿透尖端的螺杆。
背景技术
前面提及类型的钻孔尖端从文献DE 20 2009 011 665 U1中已知。其涉及一种螺丝，该螺丝具有至少一个硬质钻孔尖端和一个硬质螺纹成型区并且由一件式的奥氏体化的或马氏体化的或铁素体化的不生锈的钢或双相不生锈的钢制成，其中至少钻孔尖端和螺纹成型区被表面硬化。前面提及类型的自攻螺丝作为经济的固定技术普遍存在于多个领域中，这是因为其节约预钻孔的工作流程，原因在于借助淬硬的自攻螺丝将超过10mm厚的结构钢钻孔，此时紧接着立即将螺纹开槽并且固定所述螺丝。此外，在使用于外部区域中的自攻螺丝处，即例如在建筑围护结构的区域中(在该处所述自攻螺丝受到强烈的天气影响以及暴露于湿气)，提出对其抗腐蚀性的高要求。对于不生锈的V2A或V4A品质的自攻螺丝，首先在基本结构中获得不充分的硬度(至少在螺丝表面上)。由不生锈的钢制成的螺丝由于其热处理技术特性在不采取附加措施的情况下不能用于在例如结构钢中的钻孔工作，尽管耐腐特性对于螺旋连接而言是持久的安全因素。
为了兼顾市场要求，基于这种之前描述的材料技术的初始状况研发由不生锈的钢制成的自攻螺丝，该自攻螺丝关于其制造是非常耗费的或者曾经是非常耗费的或者至少曾经具有至少一个严重的缺点。
目前主要应用的基本制造原理包括两件式螺丝的生产。在此，两个部件相互焊接。这在能够施加钻孔尖部和螺纹之前是非常耗费的工艺。在一个实施形式中钻孔尖部和螺纹成型区域由碳钢制成，所述碳钢例如通过感应淬火或火焰淬火被最终硬化。
为了避免所述缺点，在前面提及的文献中，力求不生锈的不锈钢自攻螺丝由唯一的单件制成。这种特殊的不锈钢自攻螺丝具有至少一个硬质的钻孔尖端和一个硬质的螺纹成型区，所述硬质的钻孔尖端和硬质的螺纹成型区分别被表面硬化。从为此在该文献中详细说明的内容中可以看到，这种类型的制造也是耗费的。
在该文献中给出其它已知的方法，例如镀硬铬、化学镀镍、铬化，但是这些方法在一个或多个下述重要的框架条件上是失败的，如：既出于工艺技术角度又出于成本角度(技术方法耗费和方法持续时间)的对于批量产品的适合性、覆层的环境保护、用于自攻螺丝的方法在所获得的层厚度方面的技术适合性以及考虑自攻螺丝的母材的刚性。作为最后提到的方面(母材的不充分的刚性)的原因在于，尽管具有超过1000HV的极其硬质的层，但由于小的层厚度而发生所谓的“蛋壳效应”，因此该层被压入进而变得无效。因此该覆层或层不能在作为自攻螺丝的应用情况中引入其刚性特性。最后，除了在该文献中新型描述的至少钻孔尖端和螺纹成型区被表面硬化的自攻螺丝以外，至今未能研发如下的自攻螺丝，即该自攻螺丝由唯一的不生锈的材料制成，其钻孔尖端以及其用于在结构钢中钻孔的螺纹成型区域是足够硬的并且此外在所要求的范围中是抗腐蚀的。
因此此外在工业中优选给定不生锈的自攻螺丝，该自攻螺丝两件式地制成并且最后焊接。不幸的是这种类型的自攻螺丝需要高生产耗费并且其制造成本是非常高的。此外需要的是，焊接到由不生锈的材料制成的螺杆上的、由不生锈的材料制成的尖端在放置自攻螺丝之后不再接合。钻孔尖端能够随着时间的推移而生锈进而不利地影响所建立的连接。此外这种已知的两件式自攻螺丝总是设计为过大的尺寸，因为其仅被一次性地使用。但是另一方面，未由于表面硬化而获得稳定性的自攻螺丝不能一件式地制成，因为根据专业人士的一致看法，借助仅由不生锈的母材制成的紧固件不能在钢中钻孔。
虽然根据上述文献DE 20 2009 011 665 U1已存在对不生锈的一件式自攻螺丝进行覆层的可能性，但是至今为止不能研发如下的自攻螺丝，即其钻孔尖端和其用于在结构钢中钻孔的螺纹成型区域是足够硬的并且此外在所要求的范围中是抗腐蚀的。
虽然如文献DE 10 2004 054 193 A1中设想的那样能够在柔性基板上建立抗磨损的且抗高表面压力的硬质材料覆层，但是所述硬质材料覆层明显既不适用于自攻螺丝、也不预期使用在自攻螺丝中。此外，硬质材料覆层在制造时是耗费的，因为该覆层必需由至少两个形态不同的层构成，其中，直接置于基板表面上的第一层是金属的或陶瓷的硬质层，而最外层是由无定形的碳构成的硬质层。
文献EP 0 761 844 B1提供类似的解决方案，从所述解决方案中已知一种用于电镀铬的方法。该方法基于从另一文献DE 25 02 284 C2中已知的用于利用电镀镀铬槽来电镀沉积铬涂层的方法。根据该后一提到的文献，能够借助这样的镀铬槽获得具有硬度最大达约1500HV的珠状结构类型表面的、光亮的直至金属灰色的铬镀层。这种商品名称为“DURALLOY”的铬镀层的特征一方面在于高的耐磨损性，另一方面在于有利的滑动特性，因为均匀的球形表面有助于润湿性进而有助于形成稳定的油膜。前面提到的文献EP 0 761 844 B1的目的在于如下改进已知的铬涂层，即该铬涂层即使在没有润滑剂的情况下也在低摩擦系数下具有高的抗磨损性。这通过将硬质铬涂层的珠状或柱状结构类型的表面由电镀施加的黑铬填充和弄平的方式来实现。所述黑铬以至少1μm的层厚度和优选大约2μm至大约6μm的层厚度施加，由此确保下部的硬质铬层的珠状或柱状结构完全地或很大程度地被覆盖。因此这两个文献明显致力于改进润滑特性并且不致力于改进对于在自攻螺丝中使用这种覆层而言重要的耐抗性。
虽然从文献DE 199 13 273 C2和DE 199 29 090 A1中已知用于在由金属(尤其是钢)制成的工件上形成珠状铬层的方法或者用于借助润滑剂对工件进行覆层的方法，然而在这两种情况下工件被覆层，而不是能够用以对这样的工件进行切割或钻孔的工具被覆层。在此，根据前面提到的文献DE 19 929 090 A1的方法也基于在上文中已经作为文献提及的德国专利25 02 284在制造第一涂层时的方法。基于该第一涂层随后施加二硫化钼基的润滑剂，所述二硫化钼基的润滑剂填充和弄平珠状或柱状结构类型的表面。
此外从文献DE 101 21 593 A1中已知一种用于以轴承合金对工件进行覆层的方法。硬质铬层在此在工件上产生而不在切削工具上产生。因此，用于硬质铬层的其它参数是重要的。这些参数包括：珠状结构大致是规则的并且具有为至少1μm的且最大达5μm的表面粗度。然后硬质铬层被银层覆盖，所述银层弄平硬质铬层。该银层用作为对前面在不同文献中已经提及的用于改进润滑特性的二硫化钼层的替代。在当前情况下，通过用银对硬质铬层进行覆层而提供轴承合金、即轴承材料，对该轴承材料提出与对钻孔切割完全不同的要求。
最后从文献DE 32 35 447 A1中已知一种用于形成钻孔段、螺纹段和螺丝头的、由无锈的珠光体钢(Tenitstahl)制成的、冷锻的自攻螺丝。其中钻孔段和螺纹段经受表面硬化。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种可简单制造的自攻螺丝，其中尽管制造成本更低但是仍保持期望的耐腐蚀性。
基于开始提及类型的自攻螺丝，所述目的根据本发明通过下述方式得以实现：螺杆一件式地由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成并且至少在尖端的区域中设有电镀施加的薄层，由此设有所述层的区域比未覆层的区域更硬，其中，该薄层
-具有珠状或柱状结构类型的表面，
-具有至少2μm的层厚度，其中优选具有最大达30μm的层厚度，并且
-具有在500至1500HV0.3范围内的硬度。
因此本发明提供具有覆层的、完全奥氏体化的自攻螺丝。该自攻螺丝仅由母材构成。母材被奥氏体化(不生锈)。根据本发明施加的覆层确保钻孔能力和螺纹成型。而根据专业人士的意见至今为止根本不可能借助由不生锈的母材构成的紧固件来钻孔。根据本发明的自攻螺丝具有尖端，所述尖端能够借助轧制螺纹成型区域来制造。根据本发明的自攻螺丝具有比已知的两件式自攻螺丝更简单的结构，因为至少省去了焊接过程。根据本发明的自攻螺丝不再必须被成型直至无锈的区域，因为尖端在任何情况下都不生锈地构成。原则上，该自攻螺丝的任何部分都不生锈。此外，该自攻螺丝能够设计为更短的，因为其不再必须被成型直至无锈的区域。作为根据本发明的自攻螺丝的耐腐蚀性的另外的优点是更低的制造成本。
此外本发明提供一种根据权利要求1所述的自攻螺丝的应用，用于连接至少两个待相互固定的构件，其中一个构件暴露于天气中。
根据本发明的自攻螺丝和根据本发明的自攻螺丝的应用的有利设计方案构成从属权利要求的主题。
在根据本发明的自攻螺丝的一种设计方案中，尤其根据德国专利2502284，所述电镀施加的薄层是硬质铬层。在这个德国专利中提到最大达1000维氏单位的衬层硬度并且提到给出铬涂层的槽组成成分，所述铬涂层良好地适用于改进切削工具的使用寿命。但是经验示出，其不适用于自攻螺丝。也就是说，所述自攻螺丝需要更高的铬层厚度。根据本发明的自攻螺丝的(在最前方的尖端上的)最大达30μm的铬层厚度在厚度最大达1500HV0.3的范围内的情况下被证实为是足够的。根据本发明的自攻螺丝总是仅被一次性地使用，并且对于为此需要的一次性的钻孔过程而言，该铬层被证实为是耐用的。
在根据本发明的自攻螺丝的另一设计方案中，所述电镀施加的薄层具有0.5μm的固有粗度。该固有粗度对于根据本发明的自攻螺丝的所获得的良好的切削能力而言是决定性因素。
在根据本发明的自攻螺丝的另一设计方案中，所述电镀施加的薄层承受最大达3.0GPa的表面压力。表面的珠状结构扩大表面的面积并且由此降低比表面压力，使得在本发明的该设计方案中所达到的数值对于待吸收的最大达3.0GPa的表面压力是足够的。
在根据本发明的自攻螺丝的另一设计方案中，所述电镀施加的薄层承受最大达3.5MPa的动态载荷。这也是通过珠状或柱状类型的结构扩大表面而缩小比表面载荷的结果，并且此外是自攻螺丝的根据本发明的最大达30μm的较大层厚度的结果。
在根据本发明的自攻螺丝的应用的一种设计方案中，待相互固定的构件是建筑围护结构的组成部分。这是根据本发明的自攻螺丝的特别优选的使用领域，所述自攻螺丝为该使用领域特别地构成并且适用于该使用领域。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的实施例。附图中示出：
图1示出根据本发明的自攻螺丝的第一实施例的侧视图，该自攻螺丝具有钻孔尖端；
图2以放大的比例示出根据图1的自攻螺丝的钻孔尖端的细节，并且同时以放大很多的比例示出钻孔尖端在该细节区域中的表面的区域的俯视图；
图3示出根据本发明的自攻螺丝的第二实施例的侧视图，该自攻螺丝具有穿透尖端；
图4以较大的比例示出根据图3的自攻螺丝的细节，并且同时以又大很多的比例在图4a、4b和4c中示出电镀施加到钻孔尖端上的薄层的三种可能的表现形式，更确切地说在图4a中薄层表面具有向内的珠状结构，在图4b中薄层表面具有锯齿状结构，在图4c中薄层表面具有向外的珠状结构；并且
图5示出根据本发明的自攻螺丝的可能的应用的三个示例，更确切地说在图5a中示出将波纹板固定在竖直的房屋立面承载体上的情况，在图5b中示出将梯形板固定在双T型承载体上的情况，在图5c中示出建立两个彼此重合的梯形板之间的相互连接的情况。
具体实施方式
图1示出根据本发明的自攻螺丝10的第一实施例，该自攻螺丝一件式地由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成。自攻螺丝10具有螺杆12，所述螺杆带有螺纹成型区域14(即螺纹开槽区域或螺纹切削区域)并且带有钻孔尖端16以及头部18。头部18是常见的六角头。代替于此，头部18能够具有各种任意的头部形状。螺杆12在钻孔尖端16的区域中并且至少在过渡到螺纹15中的过渡部上在表面处比该自攻螺丝10的其余部分更硬地构成。这样更硬地构造表面是重要的，由此自攻螺丝10能够执行其功能，即借助钻孔尖端16钻孔然后在该孔中成型螺纹。构成该自攻螺丝的奥氏体钢或其它不生锈的钢就其本质而言对此并不适用。这样的自攻螺丝必须能够在结构钢中钻孔并且在该孔中切削螺纹。对于这个目的而言，由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成的自攻螺丝过软。
在开始引用的现有技术中找到作为用于满足该目的的示例：自攻螺丝至少在钻孔尖端的区域中被表面硬化。然而在此不能使用这种可能性来将螺杆12至少在更硬地构成的区域中至少在表面处比该螺丝的其余部分更硬地构成。
在自攻螺丝10中，螺杆12一件式地由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成并且在更硬地构成的区域中设有电镀施加的薄层20(图2)。图2以放大的比例作为细节A示出自攻螺丝10的钻孔尖端16。同时图2以明显更大的比例作为细节示出钻孔尖端16的表面。可见的是，薄层20具有珠状或柱状结构类型的表面。通过珠状或柱状结构相对于平滑的表面产生面积变大至少50％的表面。基于公式P＝F/A可以得出，当面积A变大时，该面积F的表面载荷P能够减小。测量已表明，层20具有至少2μm的并且优选最大达30μm的厚度。30μm的最大值是在钻孔尖端16的区域中在最前方的尖端处测得的。此外测量已表明，自攻螺丝10在其设有层20的区域中因此更硬地构成，其具有在500直至1500HV0.3的范围内的硬度。
在于此示出和描述的、根据本发明的自攻螺丝的该实施例中，尤其根据德国专利2502284，电镀施加的薄层20是硬质铬层。该德国申请涉及一种电镀镀铬槽和一种用于利用所述槽来电镀沉积铬涂层的方法。关于细节参见该德国专利的公开内容。但是为了澄清和为了更好地阐述本发明，在此论述一些关于该德国专利的附加观点。在该德国专利中虽然提到：如在该德国专利中的实施例中详述的槽组成成分给出铬涂层，所述铬涂层良好地适用于改进切削工具的使用寿命。然而该德国专利主要涉及所获得的铬涂层的珠状结构的使用，所述珠状结构仅取决于母材的表面质量和衬层电流密度并且具有非常有利的滑动特性。这表明根据该德国专利的铬涂层用作为轴承材料。当然，该德国专利也提出，铬涂层具有在母材上的非常良好的附着特性。根据该德国专利的说明，最大的铬层厚度在5μm至10μm的范围内。
对于本领域技术人员已知的是，当层厚度增大时，涂层对切削工具的切削棱边的耐抗性得以改进。但是本领域技术人员也已知的是，在将硬质层涂覆到软质承载体材料(如不生锈的钢)上时能够出现所谓的蛋壳效应(即硬壳软芯)，也就是说，硬质层在载荷下断裂。这尤其在使用如PVD覆层的非常硬的层时发生。在根据本发明的自攻螺丝中，这样的非常硬的层是不必要的。更重要的是层厚度和由此获得的层本身的耐抗性以及附着刚性。简单的覆层(如铬化或硬铬化)在任何情况下借助适宜的添加剂都足以能够至少一次性地使用如自攻螺丝10的工具。与专业人士的意见相反，可实现不会发生蛋壳效应的覆层。
此外测量示出，在自攻螺丝10中，电镀施加的薄层20具有0.5μm的固有粗度。对此参考图3和图4更详细地论述。
此外测量示出，在自攻螺丝10中，电镀施加的薄层20承受最大达3.0GPa的表面压力和最大达3.5MPa的动态载荷。
图3示出作为本发明的第二实施例的、具有穿透尖端36的自攻螺丝30。此外，自攻螺丝30与自攻螺丝10的区别仅在于，自攻螺丝30具有扁圆平头，所述扁圆平头具有内部工具柄(例如梅花状)(在图3中未示出)。
在图4中以放大的比例示出穿透尖端36的细节图。此外，自攻螺丝10的所有前述实施方式同样也适用于自攻螺丝30。
图4a至4c示出层20的三个可能的表现形式的细节B的剖视图，更确切地说，在图4a中层20具有向内的珠状表面，在图4b中层20具有锯齿状表面，在图4c中层20具有向外的珠状表面。根据图4c的视图的层20的表现形式被证明为是最适宜的。层20的以Rz标记的固有粗度在根据图4c的表现形式中为0.5μm。在根据图4b的表现形式中，Rz的值明显更大。
在根据图4c的表现形式中，在自攻螺丝30上实施的层厚度测量获得下述数值，所述数值在头部区域中为2μm-4μm，在螺纹区域中为3μm-6μm，并且在钻孔尖端的区域中为8μm-10μm，但是在最前方的尖端上为15μm-30μm。
自攻螺丝10或30的优选的应用是连接至少两个相互待固定的构件，其中一个构件暴露于天气中。相互待固定的构件能够是建筑围护结构的组成部分。对此的示例在图5中示出。在图5a-5c中，自攻螺丝分别以10标记。当然也能够是自攻螺丝30。两个相互待固定的构件在图5a中是竖直的房屋立面承载体40和波纹板42。在图5b中其是双T型承载体50，在图5c中其是两个梯形板54和56，各梯形板通过自攻螺丝10在其重合区域中相互固定。
德国专利2502284的公开内容是本申请的完全的内容部分。因此德国专利2502284的完整的副本作为附件I附在说明书中，所述德国专利因此解释为说明书的组成部分。
附图标记清单
10 自攻螺丝
12 螺杆
14 螺纹成型区域
15 螺纹
16 钻孔尖端
18 头部
20 层
30 自攻螺丝
36 穿透尖端
38 头部
40 房屋立面承载体
42 波纹板
50 双T型承载体
52 梯形板
54 梯形板
56 梯形板
Claims (7)
1.一种自攻螺丝，该自攻螺丝由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成，该自攻螺丝包括带有螺纹成型区域和钻孔尖端或穿透尖端的螺杆，
其特征在于，所述螺杆(12)一件式地由奥氏体钢或其它不生锈的钢制成并且至少在所述尖端的区域中设有电镀施加的薄层(20)，由此设有所述层(20)的区域比未覆层的区域硬，其中，所述薄层(20)
-具有珠状或柱状结构类型的表面，
-具有至少2μm的层厚度，其中优选具有最大达30μm的层厚度，并且
-具有在500至1500HV0.3范围内的硬度。
2.根据权利要求1所述的自攻螺丝，其特征在于，所述电镀施加的薄层(20)是硬质铬层。
3.根据权利要求1或2所述的自攻螺丝，其特征在于，所述电镀施加的薄层(20)具有0.5μm的固有粗度。
4.根据上述权利要求之一所述的自攻螺丝，其特征在于，所述电镀施加的薄层(20)承受最大达3.0GPa的表面压力。
5.根据上述权利要求之一所述的自攻螺丝，其特征在于，所述电镀施加的薄层(20)承受最大达3.5MPa的动态载荷。
6.一种根据上述权利要求之一所述的自攻螺丝(10、30)的应用，用于连接至少两个相互待固定的构件(40、42、50、52、54、56)，其中一个构件暴露于天气中。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述相互待固定的构件(40、42、50、52、54、56)是建筑围护结构的组成部分。
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