CN107664151A - 具有去硬层的高强螺栓 - Google Patents

Abstract

一种高强螺栓(2)，其具有带螺纹(8)的螺纹区段(7)。该螺纹区段(7)具有去硬层(18)，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层(17)，该外边缘层具有与螺栓(2)的核心(16)相比减小的硬度。

Description

具有去硬层的高强螺栓

技术领域

本发明涉及一种具有螺纹区段的高强螺栓，该螺纹区段带有螺纹。

背景技术

由欧洲专利申请EP 2 594 653 A1已知一种超强螺栓。

发明内容

本发明的任务在于提供一种高强螺栓，该螺栓在滚压螺纹时能够以小的工具磨损制造。

根据本发明，本发明的任务通过独立权利要求的特征解决。

本发明的优选的其他构型可从从属权利要求得到。

本发明涉及一种高强螺栓，其具有带螺纹的螺纹区段。螺纹区段具有去硬层，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层，该外边缘层具有与螺栓的核心相比减小的硬度。

本发明还涉及一种用于制造高强螺栓的方法，具有以下步骤：

-通过成型制造具有头部和杆部的毛坯，

-对该毛坯进行热处理，以达到提高的硬度，

-至少在杆部的轴向长度的一部分中减小毛坯的硬度，以产生去硬层该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层，该外边缘层具有与螺栓的核心相比减小的硬度，

-通过在杆部的与头部隔开间距的区域中成型螺纹来制成螺纹区段。

这些方法步骤以给出的顺序执行。但也可能的是，在这些方法步骤之间执行其他步骤。

高强螺栓理解为一螺栓，该螺栓具有的抗拉强度Rm为至少800牛顿/平方毫米。高强螺栓基本上理解为强度等级为8.8、10.9和12.9的螺栓。但根据本发明的高强螺栓也可涉及超强螺栓，其具有的抗拉强度Rm为至少1400牛顿/平方毫米。即，根据本发明的“高强”螺栓至少是高强螺栓，但也能够是超强螺栓。

新的所述高强螺栓可涉及一螺栓，该螺栓的核心是超强螺栓，但该螺栓的外边缘区域仅属于高强螺栓。该新螺栓因而也可用在以下情况中，其中迄今仅使用强度等级为10.9或更低的螺栓。

未确定的专业术语“去硬层”在本申请中看成螺栓的在横截面中看的外边缘层，该外边缘层具有与螺栓的核心相比减小的硬度。术语“去硬”在此表示硬度已减小。其尤其不表示：已将之前执行的硬化完全消退。

通过完成螺栓横截面上的限定的硬度曲线和强度曲线，本发明使得能实现在保持螺栓的高承载力不变的情况下在螺栓的热处理过的杆部上在成型技术上制造螺纹。同时由此可通过在螺纹区域中滚压时引起的压力残余应力获得螺栓的优秀的耐久性。由此防止在制造螺纹时由于在高强状态或超强状态中成型而造成的材料过载。

通过螺纹区域中的新去硬层，不会由于由成型过程造成的材料过载而发生开裂。为制造螺纹所需的滚压力被减小。由此得到减小的工具磨损。

通过外边缘区域中的减小的硬度，新螺栓也具有对氢引起的应力裂纹腐蚀的更高的抗性。

去硬层的径向内边界流动地(flieβend)延伸。但该径向内边界可限定为：在那里存在硬度值，该硬度值相当于核心的硬度值的96％至99％之间，尤其是98％。

螺栓具有纵向中轴线。这是以下轴线：在拧紧和松脱螺栓连接时将螺栓围绕该轴线扭转。螺栓的螺纹区段的螺纹具有高度H，该高度相当于尖锐地切出的假想轮廓区段(牙型区段)的高度。螺纹具有：绕纵向中轴线盘绕的螺纹牙顶，该螺纹牙顶具有直径d；和绕纵长轴线盘绕的螺纹牙底，该螺纹牙底具有直径d3。去硬层具有的深度为T1，该深度沿着绕纵向中轴线盘绕的螺纹牙顶存在并且在垂直于纵向中轴线的径向上直至螺纹牙底的两个相邻的并且错开360°地布置的部位之间的假想轴向连线地进行测量。T1的定义在观察图2时更容易理解。去硬层具有沿着螺栓的纵向中轴线变化的深度T。对应的深度T与在对应区域中是存在螺纹牙顶还是螺纹牙底还是无螺纹区域有关。去硬层的变化的深度T由制造螺纹时的成型过程产生。因而深度T1的定义用于确定去硬层在完全确定的区域中的深度T，以可将该深度在数值大小上给出。

另一定义在于，所述核心要理解为螺栓的在横截面中看的内部区域，该内部区域延伸直至核心直径dk＝d/4。核心的硬度在此要理解为核心的直径dk之内的硬度的平均值。

去硬层的硬度可理解为去硬层之内的硬度的平均值。提供该定义的原因是因为在去硬层的沿径向的不同部位上存在不同的硬度。去硬层在其径向内部区域中比在其径向外部区域中更硬。即，硬度从外向内增大。

上面定义的深度T1可处于0.1毫米至3毫米之间，尤其是处于0.2毫米至2.8毫米之间。

螺栓的螺纹区段的螺纹可具有以下值对中的一个值对：

-高度H：0.4毫米至0.7毫米；深度T1：0.25毫米至1.8毫米，或

-高度H：0.71毫米至1.0毫米；深度T1：0.25毫米至2.7毫米，或

-高度H：1.01毫米至1.5毫米；深度T1：0.2毫米至2.7毫米，或

-高度H：1.51毫米至2.0毫米；深度T1：0.2毫米至2.7毫米，或

-高度H：2.01毫米至2.5毫米；深度T1：0.15毫米至3.0毫米，或

-高度H：2.51毫米至4.0毫米；深度T1：0.15毫米至4.0毫米。

去硬层可在外部具有300HV至450HV，尤其是从320HV直至380HV的硬度。核心可具有400HV至650HV，尤其是450HV直至570HV的硬度。去硬层和核心的硬度值在此这样相互匹配，使得去硬层具有与核心相比较小的硬度。在该意义上，核心尤其具有400HV直至650HV，尤其是450HV至570HV的硬度并且去硬层在外部具有300HV至380HV的硬度。外部在此要理解为去硬层的径向外部区域。

去硬层的硬度在外部可相对于核心的硬度减小至少7％，尤其10％至50％之间，尤其20％至40％之间。

去硬层的硬度的平均值可相对于核心的硬度减小至少5％，尤其7％至45％之间，尤其10％至35％之间。

去硬层在外部可具有940牛顿/平方毫米至1400牛顿/平方毫米之间的，尤其1000牛顿/平方毫米至1200牛顿/平方毫米之间的抗拉强度。核心可具有1300牛顿/平方毫米至2500牛顿/平方毫米之间的，尤其1400牛顿/平方毫米至1850牛顿/平方毫米之间的抗拉强度。去硬层和核心的强度值相互协调，使得去硬层具有比核心小的强度。即，核心可尤其具有1300牛顿/平方毫米至2000牛顿/平方毫米之间的，尤其1400牛顿/平方毫米至1850牛顿/平方毫米之间的抗拉强度，而去硬层在外部可具有1000牛顿/平方毫米至1200牛顿/平方毫米之间的抗拉强度。

除了螺纹区段之外，螺栓也具有头部。螺栓可附加地具有没有螺纹的杆部区段。

没有螺纹的杆部区段同样可具有去硬层，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层，该外边缘层具有与螺栓的核心相比减小的硬度。即去硬层的上述优点不仅可应用于螺纹区段，而且也可应用于没有螺纹的杆部区段。去硬层在此可或者在杆部区段的整个长度上延伸或仅在该长度的一部分上延伸。去硬层在此也可在头部承放过渡面上-即在螺栓的头部的头部承放面和没有螺纹的杆部区段之间的过渡面上延伸。

在上述用于制造高强螺栓的方法中，硬度的减小可通过毛坯的感应加热实现。这尤其借助通电线圈实现，该通电线圈承受电磁交变场并且在螺栓毛坯的材料中产生涡流。因为涡流与原电流沿相反的方向流动，所以形成热量。

在毛坯的感应加热之后可以进行毛坯的冷却。这在以下情况下尤其有利：钢或边缘层的加热被限制到低于奥氏体转变的开始温度Ac1的一温度，该温度处于500℃至750℃之间，尤其是600℃至723℃之间。通过加热和冷却的步骤的协调，实现硬度和强度按希望减小。所述冷却尤其通过温度为约10℃至约50℃的水实现。冷却可在约0.05秒至30秒之间的、尤其在约0.1秒至10秒之间的时间段期间进行。

所述感应加热可通过20kHz至500kHz之间的、尤其是约100kHz至400kHz之间的频率进行。

所述感应加热可在约0.05秒至30秒之间的时间段，尤其是约0.1秒至10秒之间的时间段期间进行。

但通过加热毛坯实现的硬度减小例如也可通过激光进行。在该加热之后尤其也可进行受调节的冷却，以实现去硬层的硬度按希望减小。

在上述的所有方法步骤中，螺栓能够具有一个或多个上述特征。

所述热处理尤其可涉及贝氏体化。用于制造螺纹区段的成型尤其可涉及滚压或轧制。尤其可涉及冷成型。

所述新的高强螺栓可具有贝氏体组织，该贝氏体组织尤其至少部分地通过贝氏体化产生。贝氏体组织导致在极高的延展性的同时获得极高的抗拉强度。贝氏体组织与马氏体组织的主要区别就在于该高的延展性或韧性，马氏体组织在现有技术中以已知的方式通过以随后的回火进行硬化来产生。取而代之地，在等温淬火的情况下，硬化通过以快冷方式由奥氏体阶段通过等温组织转变变成贝氏体阶段来实现。在此，所述部件，尤其是螺栓，在等温温度的情况下停留在盐池中，直至在整个横截面上的从奥氏体至贝氏体的组织转变结束。在马氏体硬化时所需的回火过程优选可取消。由此也减小硬化变形的倾向。

为制造高强螺栓所用的原材料通常称为“钢丝”(Draht)。为新的高强螺栓所用的钢丝可由可冷成型的未调质的钢构成并且具有的碳含量为约0.2％至0.6％之间或约0.2％至0.5％之间。所述钢可具有合金成分，尤其是Cr，Mo，Mn，Ni，V，Nb或Ti，所述合金成分尤其是在整体上多于约1.1％。

本发明的有利构型由权利要求书、说明书和附图得到。特征以及多个特征的组合的在说明书中提到的优点仅仅是示例性的并且可替代地或累加地起作用，而不必强制由根据本发明的实施方式得到这些优点。在并不由此改变权利要求主题的情况下，对于原始申请文件和专利的公开内容方面而言：可在附图中得到其他特征，尤其是示出的几何结构和多个构件相对彼此的尺寸以及其相互布置和作用连接。本发明的不同的实施方式的特征的组合或不同权利要求的特征的组合在与权利要求的引用关系有偏差的情况下同样是可能的并且由此得到启示。这也涉及在单独的附图中示出的或在其描述中提到的特征。这些特征也可与不同权利要求的特征结合。对于其他实施方式而言同样可取消在权利要求中举出的特征。

在权利要求书和说明书中提到的特征在其数量方面要这样理解，存在刚好所述数量或比提到的数量更多的数量，而在此无需精确地使用副词“至少”。即，例如涉及一个螺纹区段时要理解为，存在刚好一个螺纹区段、两个螺纹区段或更多个螺纹区段。这些特征可通过其他特征补充或者可以是由其形成相应产品的唯一特征。

权利要求书中包含的附图标记对权利要求的保护范围不构成限制。它们仅用于使权利要求易于理解的目的。

附图说明

在后面根据在附图中示出的优选实施例进一步解释和描述本发明。

图1示出具有新高强螺栓的螺栓连接结构的(部分)纵剖图。

图2示出螺栓的一部分的纵剖图。

图3示出螺栓在螺纹区段中的横截面上的硬度的变过。

图4示出螺栓在所述杆部区段中的横截面上的硬度的变化。

图5以表格形式示出在不同的螺栓尺寸的情况下去硬层的示例值。

具体实施方式

图1示出螺栓连接结构1的实施例，其具有新的高强螺栓2以及第一构件3和第二构件4。螺栓2具有头部5，没有螺纹的杆部区段6和带有构造为外螺纹的螺纹8的螺纹区段7。第一构件3具有孔9而第二构件4具有孔10。孔10具有与螺栓2的外螺纹相对应的内螺纹11。通过相互配合的螺纹8、11和螺栓2的头部5的头部承放面12获得紧固的螺栓连接结构1所需的夹紧力。

螺栓2涉及高强螺栓，其具有的抗拉强度为至少800牛顿/平方毫米，尤其涉及超强螺栓，其具有的抗拉强度为至少1400牛顿/平方毫米。螺栓2具有尤其通过等温淬火产生的贝氏体组织，该贝氏体组织基本上在螺栓2的整个横截面上延伸。

图2示出具有纵向中轴线13的高强螺栓2的横截面。螺纹8通常还具有绕纵向中轴线13盘绕的螺纹牙顶14和同样绕纵向中轴线13盘绕的螺纹牙底15。可涉及公制螺纹8或其他螺纹8。

螺栓2具有核心16，该核心在纵向中轴线13的区域中以及在包围该区域的径向区域中在线19和20之间延伸。

在螺栓2的与核心16径向远离的区域中存在边缘层17。边缘层17根据本发明地构造为去硬层18，该去硬层与螺栓2的核心16相比具有减小的硬度，该减小的硬度事后产生。去硬层18的径向外边界通过螺栓2的外表面形成。去硬层18的径向内边界流动地延伸。但该径向内边界在这里通过线21标记。

在本示例中，去硬层18不仅在螺纹区段7上延伸，而且也在杆部区段6上延伸。在杆部区段6中，去硬层18的深度T2在线21和螺栓2的外表面之间存在。

在螺纹区段7中，去硬层18同样延伸至螺栓2的外表面。但标出的深度T1仅表示去硬层18的深度的一部分。深度T1沿着绕纵向中轴线13盘绕的螺纹牙顶14存在并且沿垂直于纵向中轴线13的径向方向直至螺纹牙底15的两个相邻的并且错开360°地布置的部位之间的假想轴向连线22地进行测量。

图3示出螺栓2在螺纹区段7中的横截面上的硬度的变化。图3中给出的变量的含义为：

d＝螺纹的外直径

dk＝螺栓的核心的直径

HK＝螺栓的核心的硬度

HR＝边缘层(去硬层)的硬度

ΔHK＝螺栓的核心中的硬度差

T1＝螺纹区段中的边缘层的深度(的部分)

图4示出螺栓2在杆部区段6中的横截面上的硬度。附加于图3存在的变量具有以下含义：

ds＝螺栓的杆部直径

T2＝杆部区段中的边缘层的深度

图5以表格形式示出在不同大小的螺栓2的情况下去硬层18的示例值。在图5中附加地给出的变量具有以下含义：

P＝螺纹的螺距

H＝假想的尖锐地切出的轮廓三角形的高度

附图标记列表

1 螺栓连接结构

2 螺栓

3 构件

4 构件

5 头部

6 杆部区段

7 螺纹区段

8 螺纹

9 孔

10 孔

11 内螺纹

12 头部承放面

13 纵向中轴线

14 螺纹牙顶

15 螺纹牙底

16 核心

17 边缘层

18 去硬层

19 线

20 线

21 线

22 连线

23 线

Claims (15)

1.一种高强螺栓(2)，其具有带螺纹(8)的螺纹区段(7)，其特征在于，所述螺纹区段(7)具有去硬层(18)，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层(17)，该外边缘层具有与该螺栓(2)的核心(16)相比减小的硬度。

2.根据权利要求1所述的螺栓(2)，其特征在于，

该螺栓(2)具有纵向中轴线(13)，

所述螺纹(8)具有高度H，该高度相当于假想的、尖锐地切出的轮廓区段的高度，

所述螺纹(8)具有：绕所述纵向中轴线(13)盘绕的螺纹牙顶(14)，该螺纹牙顶的直径为d；和绕所述纵向中轴线(13)盘绕的螺纹牙底(15)，该螺纹牙底的直径为d3，并且

所述去硬层(18)具有深度T1，该深度沿着绕所述纵向中轴线(13)盘绕的螺纹牙顶(14)存在并且沿垂直于所述纵向中轴线(13)的径向方向直至螺纹牙底(15)的两个相邻的并且错开360°地布置的部位之间的假想轴向连线(22)地进行测量。

3.根据权利要求2所述的螺栓(2)，其特征在于，

所述核心(16)是所述螺栓(2)的在横截面中看的内部区域，该内部区域延伸直至该核心的直径dk＝d/4，并且

所述核心(16)的硬度为该核心的所述直径dk之内的硬度的平均值。

4.根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，其特征在于，所述去硬层(18)的硬度是所述去硬层(18)之内的硬度的平均值。

5.根据权利要求2至4之一所述的螺栓(2)，其特征在于，所述深度T1处于0.1毫米至3.0毫米之间，尤其是处于0.2毫米至2.8毫米之间。

6.根据权利要求2至4之一所述的螺栓(2)，其特征在于，所述螺纹(8)具有以下值对中的一个值对：

-高度H：0.4毫米至0.7毫米；深度T1：0.25毫米至1.8毫米，或

-高度H：0.71毫米至1.0毫米；深度T1：0.25毫米至2.7毫米，或

-高度H：1.01毫米至1.5毫米；深度T1：0.2毫米至2.7毫米，或

-高度H：1.51毫米至2.0毫米；深度T1：0.2毫米至2.7毫米，或

-高度H：2.01毫米至2.5毫米；深度T1：0.15毫米至3.0毫米，或

-高度H：2.51毫米至4.0毫米；深度T1：0.15毫米至4.0毫米。

7.根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，其特征在于，

所述核心(16)具有的硬度为400HV至650HV，尤其是450HV至570HV，并且

所述去硬层(18)在外部具有的硬度为300HV至380HV。

8.根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，其特征在于，所述去硬层(18)的硬度在外部相对于所述核心(16)的硬度减小至少7％，尤其是10％至50％之间，尤其是20％至40％之间。

9.根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，其特征在于，

所述核心(16)具有1300牛顿/平方毫米至2500牛顿/平方毫米之间的、尤其是1400牛顿/平方毫米至1850牛顿/平方毫米之间的抗拉强度，并且

所述去硬层(18)在外部具有1000牛顿/平方毫米至1200牛顿/平方毫米之间的抗拉强度。

10.根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，其特征在于，还包括头部(5)和没有螺纹的杆部区段(6)，其中，所述杆部区段(6)具有去硬层(18)，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层(17)，该外边缘层具有与所述螺栓(1)的核心(16)相比减小的硬度。

11.根据权利要求10所述的螺栓(2)，其特征在于，所述去硬层(18)

-并不在所述杆部区段(6)的整个长度上延伸，或

-在所述杆部区段(6)的整个长度上以及在头部承放过渡面上延伸。

12.一种用于制造高强螺栓(2)的方法，该高强螺栓尤其是根据前述权利要求之一所述的螺栓(2)，具有以下步骤：

-通过成型来制造具有头部(5)和杆部的毛坯，

-对该毛坯进行热处理，以实现提高的硬度，

-至少在杆部的轴向长度的一部分中减小毛坯的硬度，以产生去硬层(18)，该去硬层构造为在横截面中看的外边缘层(17)，该外边缘层具有与所述螺栓(2)的核心(16)相比减小的硬度，以及

-通过在所述杆部的与所述头部(5)隔开间距的区域中成型螺纹(8)来制成螺纹区段(7)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，硬度的所述减小通过对所述毛坯进行感应加热来进行。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述感应加热

-以约20kHz至500kHz之间的、尤其是约100kHz至400kHz之间的频率进行，和/或

-在约0.05秒至30秒之间的，尤其是在约0.1秒至10秒之间的时间段期间进行。

15.根据权利要求12至14之一所述的方法，其特征在于，硬度的所述减小通过以激光对所述毛坯进行加热来进行。