CN110582585A - 马氏体硬化钢和其应用，尤其用于制造螺钉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含0.07至0.14重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％的锰的钢和其用于制造螺钉的应用。

Description

马氏体硬化钢和其应用，尤其用于制造螺钉
技术领域
本发明涉及一种用于由毛坯制造成型体、尤其经硬化的成型体的方法，钢，该钢用于制造螺钉的应用和螺钉。
背景技术
对于钢金属应用的混凝土螺钉和自攻螺钉通常期望的材料概念是，至少在螺钉的部分区域中具有高度表面硬度；具有高度芯部韧性；对一般腐蚀、穿孔腐蚀的高度抵抗力以及由氯化物或氢引起的脆化和良好的塑性成型性。根据EP 2204244 A1以及名称为“HiltiHUS-HR”的混凝土螺钉，这通过硬金属切割元件实现，硬金属切割元件在螺钉的顶端区域中焊接到螺钉螺纹上，其中，螺钉在其他情况下可由与1.4401相当的奥氏体的A4不锈钢构成。但是，这种螺钉仅可相对复杂地制造。
在钢金属应用的不锈钢自攻螺钉的领域中已知所谓的双金属螺钉，双金属螺钉的特征是，在螺钉基体上、即在由A2或A4奥氏体不锈钢(与1.4301或1.4401相当)构成的头部和杆部上焊接由硬化的碳素钢构成的栓。栓在焊接和成型之后借助局部热处理进行硬化。这种螺钉也仅可相对复杂地制造。
DE4033706 A1描述一种用于通过将0.2至0.8重量％的氮向内扩散到边缘层中提高几乎最终成型的构件的经硬化的边缘层的抗腐蚀能力的热处理方法，该构件由具有小于0.4重量％的碳的马氏体不锈钢构成。但是DE4033706A1没有教导螺钉的应用且尤其DE4033706 A1没有涉及钢的化学组分与用于螺钉应用的热处理参数的协调。
DE19626833A1描述一种用于在由不锈钢构成的构件中经由铁素体-马氏体芯部产生高度耐腐蚀的马氏体边缘层的方法。如此限定钢的化学组分，使得存在铁素体-马氏体结构且在1050℃-1150℃的温度下借助氮进行表面淬硬之后在芯部中的铁素体含量在40和90体积％之间且芯部硬度小于300HV30。但是没有教导该方法应用于螺钉。
DE102013108018A1描述一种由不锈钢、例如1.4113构成的螺钉，其中，钢基本没有镍，其中，边缘层由于渗氮热处理在1000-1200℃下具有相对于其余结构增加的溶解氮的含量，且其中，螺钉在边缘层中具有马氏体结构以及在其他部分具有铁素体结构。
WO14040995 A1描述一种用于制造自攻混凝土螺钉，在其中，由尤其碳含量小于0.07％的马氏体硬化钢构成的毛坯在大于900℃的温度下在含氮的整体气氛中进行硬化。
TW201418549 A描述一种具有包括0.26至0.40％的碳、12至14％的铬、0至0.6％的镍和0至1％的锰的钢的螺钉。
通过链接：
https://online.unileoben.ac.at/mu_online/wbAbs.showThesis？pThesisNr＝ 61746&pOrgNr＝1调取的内容指出，借助高温气体渗氮方法在边缘渗氮且具有14％的铬的马氏体钢尤其适用于作为用于固定元件的材料。
发明内容
本发明的目的是，提供用于由钢毛坯以及相应的钢制造成型体、尤其螺钉形状的方法，借助该方法在制造费用特别低且生产可靠性高的情况下，实现了尤其对于螺钉应用在边缘层硬度、芯部韧性和耐腐蚀性、对氢和氯化物引起的脆性的耐受性和可加工性，特别是可成形性方面的特别有利组合。此外，本发明的目的是，提供这种钢的应用以及具有这种钢的螺钉，借助该应用和螺钉可实现上述优点。
根据本发明该目的通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求8的特征的钢、根据权利要求9所述的这种钢在制造螺钉方面的应用和根据权利要求10所述的螺钉实现。优选的实施方式在从属权利要求中给出。
根据本发明的方法用于制造成型体，优选螺钉形状且使用毛坯，该毛坯具有包括0.07至0.14重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％的锰的钢。此外，钢可具有其他的钢通常有的掺杂物，例如钒(特别是<0.2重量％)；铌(特别是<0.2重量％)；钛(特别是<0.2重量％)和/或硅(特别是<0.5重量％)。其余为铁和不可避免的杂质，例如特别是分别<0.02重量％的硫和/或磷。术语“重量％”可以通常方式按重量百分比来理解。尤其，钢可称为马氏体硬化不锈钢。优选钢具有0.08至0.12重量％的碳。
本发明基于以下思想，即，马氏体不锈钢可为最好的候选者，从而满足钢在用于螺钉方面、尤其自攻螺钉方面可能出现的部分相冲突的要求。为了满足在高度表面硬度和足够的硬化深度、良好的抗腐蚀性、良好的韧性和对氯化氢或氢引起的脆化的高度抵抗性方面的各种要求，钢的化学组分(特别是关于合金组分碳，铬，钼，镍和锰)以及对于设定属性所需的多级热处理必须仔细地彼此协调一致，多级热处理包括高温气体渗氮、气相淬火、(深度/低温)致冷、回火(Anlassen)以及可选的局部感应硬化。迄今为止根据现有技术的概念通常基于对螺钉来说马氏体不锈钢的化学组分与热处理的不利组合的情况，因此通常不能同时充分满足螺钉所需的所有特性。
可达到的硬度与马氏体不锈钢相关，例如在典型的调制钢中通常主要与碳含量相关。随着碳含量的增加，硬度提高，但是其中在此必须考虑对于氢脆化敏感度较高且韧性较低的方面。由此，类似1.4108的钢在腐蚀条件下通常不适用于螺钉。虽然含碳量为0.25-0.35重量％的这种氮合金钢具有足够高的表面硬度和良好的抗穿孔腐蚀性，但它们通常非常脆并且对氢脆化比较敏感。
在软的马氏体钢中，碳含量降低(<0.1重量％的C)，并由稳定奥氏体的镍代替。因此，与含碳量较高的马氏体相比，通常韧性较高，但同时硬度稍低。钢级1.4313(X3CrNiMo13-4)是软的马氏体钢组的代表。这种类型的马氏体不锈钢通常也有限地适合用于螺钉，因为钢通常仅具有相对低的表面硬度，并且通常对于螺钉应用来说具有的耐腐蚀性仍然过低。
马氏体不锈钢提供以下方案，通过用氮代替碳来进行表面硬化，有针对性地设定对于不锈钢螺钉要求的高边缘硬度和同时较低的芯部硬度(相当于良好的韧性和高度的抗氯化物或氢引起的脆化性)的组合以及良好的耐腐蚀性。在构件中进行这种表面硬化时溶解的氮提高了表面硬度，耐腐蚀性和边缘层的内应力。由于在构件的边缘层中溶解的氮，该热处理方法也被称为“溶液渗氮”(solution nitriding)。
本发明包括一种钢，其化学组分基于合金组分碳(0.07-0.14重量％，优选0.08-0.12重量％)，铬(13-15重量％)，钼(1.3-1.7重量％)，镍(1.5-2.0重量％)和锰(1.0-1.5重量％，优选1.2重量％)的组合。
在本发明中已经认识到，对于这种钢以及尤其与钢匹配的、优选多阶段热处理，可获得对于螺钉，但原则上也对于其他构件特别有利的性能分布。如下面详细解释的那样，这尤其可基于在热处理期间的奥氏体化以及由于δ铁素体含量的结构稳定化。尤其是，可以实现这样的性能分布，即，毛坯的良好的成形性，高的表面硬度为580HV0.3或更高，最大芯部硬度为450HV0.3或更低，对在芯部中的一般腐蚀和穿孔腐蚀的高耐受性(通过17或更高的PRE指数表示)和对在边缘区中的一般腐蚀和穿孔腐蚀的高耐受性(由23或更高的PRE指数表示)，在芯部中具有高的韧性(特别是由于低的碳含量和稳定的δ铁素体的结合，从而在热处理中的粗晶粒生长受到抑制)，并且对氯化物或氢引起的脆化的高度抵抗性。具体地，钢可尤其在以下方面是有利的：
1)由于钢的碳含量，芯部硬度最大为450HV0.3或更低，
2)由于碳、铬、钼、镍和锰的含量获得以下特征：
a)可实现相对高的PRE指数(耐点蚀当量)，优选17或更高，但是没有离开马氏体或马氏体-铁素体结构的状态范围，
b)钢可非常好地加工成半成品，如辊压金属丝或经拉伸的裸线。辊压金属丝和裸线具有好的冷成型性，优选地，通过屈服强度Rp 0.2<650N/mm2表示，这尤其对于在冷成型方法中、优选借助辊压方法制造螺钉是有利的。
c)在温度范围为1000℃和1150℃之间、优选在1030℃和1100℃之间进行表面硬化时，可在毛坯的芯部区域中设定主要为奥氏体的结构(优选在70％-95％之间)，该结构具有为5％-30％的少量的δ铁素体含量，其中，该5％-30％的δ铁素体含量可在所述温度下具有稳定结构的效果且由此可抑制晶粒粗化，这对韧性是有利的。δ铁素体含量可有意地限制在最高30％，因为在较高的δ铁素体含量下韧性可能会再次下降。70％-95％的奥氏体结构含量具有高碳溶解度，从而有效地抑制了铬碳化物的形成和相关的相对高的晶间腐蚀敏感性。优选地，可提供10％至15％的δ铁素体含量，对应于90％至85％之间的奥氏体含量。
d)在所述温度范围中通过渗氮进行表面硬化时，可在毛坯的边缘区中设定主要为奥氏体的结构，该结构具有对碳和氮的高度溶解性，从而有效地抑制了碳化铬或氮化铬的形成以及相关的对晶间腐蚀的相对较高的敏感性。
e)在热处理之后，在毛坯的芯部区域中可以存在具有在5％-30％(优选10％-15％)范围内的少量δ铁素体的主要为马氏体的结构。δ铁素体含量可有意地限制在最高30％，因为在较高的δ铁素体含量下韧性可能会再次下降。
f)在热处理之后可在毛坯的边缘区中存在主要为马氏体的结构，从而可实现高度硬化。
因此有利地，在根据本发明的方法中设置借助来自气相的氮对毛坯进行表面硬化的步骤，优选在1000℃和1150℃之间、特别优选在1030℃和1100℃之间的温度下和/或在0.05bar和0.3bar之间、特别优选在0.10bar和0.20bar之间的氮气分压下进行，优选在对毛坯加工的步骤之后进行。通过借助氮的这种表面硬化(仅或如下所述可选地与碳结合地)可以尤其对于螺钉应用特别有利的方式有针对性地对毛坯的边缘区进行改良。尤其在1000和1150℃之间表面硬化时可在此时奥氏体的基本结构的边缘区中溶解氮。关于根据本发明的钢，可通过这种表面硬化实现在距离表面0.15-0.30mm(这对混凝土螺钉可为尤其有利)或0.1-0.15mm(这对自攻螺钉可为尤其有利)处的极限硬度为550HV0.3的情况下，表面硬度为580HV0.3或更高。这又可确保即使在混凝土和钢筋中有裂纹时也有良好的抗螺纹磨损性能，这又允许螺栓的高度承载能力。此外，溶解的氮将在边缘区中的PRE指数局部地提高到23或更高且由此明显改善了抗穿孔腐蚀的能力，优选提高到与1.4401钢类似的水平。尤其也将“击穿电势”的电化学测量值提高到与1.4401钢类似的水平。氮气分压的0.3bar或0.20bar的上限是由于可以有效抑制含铬和/或含氮的沉淀物的形成，这在抗腐蚀方面是有利的。氮气分压的0.05bar或0.10bar的下限是由于只有从该压力开始才发挥氮的显著效果。在表面硬化的步骤中设置的气氛可为纯氮气或混合气体，该混合气体在给定温度下具有等效的氮活性。尤其在低压熔炉中进行该过程时，可设置纯的氮气氛围。在大气压熔炉中可例如借助稀有气体进行稀释。
适宜地可设置成，使借助来自气相的氮气对毛坯进行表面硬化与借助来自气相的碳对毛坯进行渗碳相结合。因此，除了氮含量的增加之外，由于来自气相的碳向内扩散，还可以增加碳含量。该实施方式基于这样的认识，即，在碳和氮同时可用的情况下，两种元素的溶解度可以同时增加，其中，在避免碳化物和氮化物的同时，以较高的氮含量可以进一步有利地提高硬度和耐腐蚀性。为了借助来自气相的氮气对毛坯进行表面硬化并结合借助来自气相的碳对毛坯进行渗碳，例如可以将气态的含氮和含碳的介质彼此分开地并交替地引入到处理室中。可替代地，可以使用提供碳和氮的混合气体(例如，乙炔，C2H2以及N2)。
尤其该方法可具有步骤“加工毛坯”。在该步骤中，可使毛坯形成为成型体的形式。该加工例如可包含在毛坯上构造螺纹。尤其加工毛坯可包括对毛坯的无切削式成型，尤其冷成型，优选辊压。特别优选的是，对毛坯进行表面硬化的步骤紧接着加工毛坯的步骤来进行。因此毛坯在硬化之前进行加工。在时间上在加工之后进行表面硬化可简化加工且使得产品特性特别均匀。
在表面硬化步骤之后，适宜地可进行对毛坯的低温致冷，优选在低于零下80℃的温度下、特别优选在零下150℃的温度下进行，且接下来优选在150℃和500℃之间的温度下、特别优选在200℃和250℃之间的温度下和/或保持时间在1小时和5小时之间对毛坯进行回火。由此可设定更高的硬度和/或韧性，但是没有减小抗腐蚀性。
适宜地，在方法开始时毛坯为线材形状，即，毛坯是线材形状的半成品，这可进一步降低费用。
如多次所述，本发明特别适用于制造螺钉。因此特别优选的是，成型体是螺钉形状，优选具有螺杆和布置在螺杆上的螺纹。螺钉形状可在该方法结束时形成成品螺钉的一部分或优选整个螺钉，即，优选设置单体的螺钉。
尤其可对螺钉形状的顶端区域进行局部感应硬化且优选在此之后对螺钉形状进行低温致冷。通过在螺钉顶端的感应硬化可实现局部地将硬度提高至580-700HV0.3，但是没有损害在螺钉的故障关键区域中的韧性，例如在头部、头部下侧和/或杆区域中的韧性。
本发明也涉及所述钢，即，包含0.07至0.14重量％、优选0.08至0.12重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％、优选1.2重量％的锰的钢。
本发明也涉及根据本发明的钢用于制造螺钉的应用和/或螺钉，螺钉至少部分地具有根据本发明的钢和/或该螺钉可以根据本发明的方法获得。螺钉可优选为自攻螺钉。螺钉例如可为混凝土螺钉，即，用于切入混凝土中的螺钉，或用于板材的自攻螺钉。优选地，螺钉是一体式螺钉。
螺钉的螺纹的外直径与螺纹的螺距的比例可在1至2的范围中、尤其在1.2至1.45的范围中。这是用于自切地旋入矿物基础、例如混凝土中的螺钉的典型螺纹尺寸。螺距可尤其理解为螺纹的连续圈的轴向距离。根据本发明，混凝土基础也可以设置有孔，根据本发明的螺钉被旋入该孔中，其中，在混凝土基础中形成与螺钉的切割螺纹相对的凹形形状(Negativform)。因此，螺钉通过自切方式旋入混凝土基体的孔中从而形成配合螺纹。
优选地，该钢根据本发明包含0.08至0.12重量％的碳，由此可尤其在螺钉应用方面实现更有利的材料特性。
结合根据本发明的方法、根据本发明的钢、根据本发明的应用或根据本发明的螺钉所述的特征不应限于这些类别，而是也可使用在相应其他的类别中，即，方法、钢、应用或螺钉的类别。
附图说明
下面根据在附图中示意性描述的优选实施例详细阐述本发明，其中，下面示出的实施例的各个特征在本发明中原则上可单个地或任意结合地实现。
在附图中示意性地示出：
图1示出了根据本发明的制造方法的示意性流程图；以及
图2示出了根据本发明的螺钉的示意图，该螺钉在根据本发明的制造方法中制成。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的制造方法的可能的实施方式的步骤顺序。首先，在步骤1中提供优选线材形的毛坯，毛坯由包含0.07至0.14重量％、优选0.08至0.12重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％的锰的钢制成。此外，钢可具有其他的钢通常有的掺杂物，例如钒(特别是<0.2重量％)；铌(特别是<0.2重量％)；钛(特别是<0.2重量％)和/或硅(特别是<0.5重量％)。其余为铁和不可避免的杂质，例如特别是分别<0.02重量％的硫和/或磷。
然后在步骤2中加工毛坯，例如进行成型，优选进行辊压，且在此使毛坯形成成型体的形状，尤其具有螺杆20和设置在螺杆20上的螺纹21的螺钉形状。可选地，螺钉形状也可具有设置在螺杆20上的转动驱动部15，例如螺钉头。在这种情况下，除了辊压，加工步骤2也可包括对毛坯的墩锻。
然后在步骤3中在大于900℃、尤其在1000℃和1150℃之间、特别优选在1030℃和1100℃之间的温度下在含氮的气氛下对构造成螺钉形状的毛坯进行硬化，其中，气氛的氮气分压优选在0.05bar和0.6bar之间、优选小于0.3bar、且特别优选小于0.20bar。可选地，整个气氛也可包含碳。
然后在步骤4中对构造成螺钉形状的毛坯进行淬火，尤其气体淬火。
在接下来的步骤5中，在低于零下80°、例如在零下150℃下对构造成螺钉形状的毛坯进行致冷处理。
最后在步骤6中对构造成螺钉形状的毛坯进行回火，优选在150℃和500℃之间、特别优选在200℃和250℃的温度范围中和/或在1小时和5小时之间的保持时间中进行回火。
可选地，在接下来的步骤7中在构造成螺钉形状的毛坯的顶端区域上进行局部的、优选感应的硬化且优选接下来对构造成螺钉形状的毛坯进行致冷。
在图2中示出了根据本发明制造的螺钉的一种实施例，该螺钉构造成混凝土螺钉。
螺钉10具有圆柱形的螺杆20，在螺杆的端部上设有六边形螺钉头，六边形螺钉头形成转动驱动部15。构造成切割螺纹的螺纹21沿着螺杆20延伸，螺纹具有外直径d和螺距p。可选地，也可在螺杆20上设置直径较小的支撑螺纹28。
螺钉的螺杆20旋入矿物基础50中、尤其混凝土基础中的孔中，其中，构造成切割螺纹的螺纹21在旋入时在基础50中自由切割出对应的螺纹。螺杆20穿过安装件53中的孔，安装件通过构造成螺钉头的旋转驱动部15固定在基础50上。

Claims (11)

1.一种用于由毛坯制造成型体的方法，该毛坯具有如下的钢，所述钢包含0.07至0.14重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％的锰。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)：
优选在1000℃和1150℃之间的温度下和/或在0.05bar和0.3bar之间的氮气分压下，用来自气相的氮对所述毛坯进行表面硬化。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用来自气相的氮对所述毛坯进行表面硬化与用来自气相的碳对所述毛坯进行渗碳结合地进行。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于步骤(2)：
-加工所述毛坯，
其中，在加工毛坯的步骤(2)随后进行对所述毛坯表面硬化的步骤(3)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于步骤(5，6)：在低于零下80℃的温度下对所述毛坯进行致冷且随后在150℃和500℃之间的温度下对所述毛坯进行回火。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述成型体是螺钉形状。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(7)：
对所述螺钉形状的顶端区域进行局部的感应硬化。
8.一种钢，其包含0.07至0.14重量％的碳；13至15重量％的铬；1.3至1.7重量％的钼；1.5至2.0重量％的镍和1.0至1.5重量％的锰。
9.根据权利要求8所述的钢的用于制造螺钉(10)的应用。
10.一种螺钉(10)，其特征在于，所述螺钉至少部分地具有根据权利要求8所述的钢和/或所述螺钉能够在根据权利要求1至7中任一项所述的方法中获得。
11.根据权利要求10所述的螺钉(10)，其特征在于，所述螺钉(10)的螺纹(21)的外直径(d)相对于所述螺纹(21)的螺距(p)的比例在1至2的范围中、尤其在1.2至1.45的范围中。
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