CN111742067A - 具有马氏体可硬化钢的双金属螺钉 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产具有端头元件和驱动元件的双金属螺钉的方法，其中，提供第一坯件，该第一坯件包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢，并且该端头元件由该第一坯件制成。本发明还涉及一种具有端头元件和驱动元件的双金属螺钉，其中该端头元件和该驱动元件具有不同的材料组成，并且其中该端头元件至少在一些区域内包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢。

Description

具有马氏体可硬化钢的双金属螺钉
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于生产具有端头元件和驱动元件的双金属螺钉的方法，并且还涉及一种根据权利要求8的前序部分所述的具有端头元件和驱动元件的双金属螺钉，该端头元件和该驱动元件具有不同的材料组成。
背景技术
对于钢-金属应用的混凝土螺钉和自攻螺钉，通常需要具有以下性质的材料概念：高的表面硬度(至少在螺钉的一些区域)，高的芯部韧性，对一般性腐蚀、点腐蚀和氯或氢引起的脆化的高耐受性，以及良好的塑性成型性。根据EP 2204244 A1和以名称“Hilti HUS-HR”提供的混凝土螺钉，这是通过焊接到螺钉端头区域中的螺钉螺纹上的硬质金属切削元件来实现的，该螺钉的其他部分由奥氏体A4不锈钢(相当于1.4401)制成。
在用于钢-金属应用的不锈钢自攻螺钉领域中，所谓的双金属螺钉是已知的，其突出之处特点在于：由可硬化碳钢制成的短柱形端头元件焊接在由奥氏体不锈钢A2或A4钢(与1.4301或1.4401可比)制成的驱动元件上，即轴的前部和后部。在焊接和成型后，通过局部热处理使此短柱硬化。
DE 4033706 A1描述了一种热处理工艺，该工艺通过将按重量计0.2％至0.8％的氮扩散到近净形部件的硬化表面层中来提高该表面层的耐腐蚀性，该部件由具有按重量计小于0.4％的碳的马氏体不锈钢制成。然而，DE 4033706 A1没有教导在螺钉中的应用，并且特别地，DE 4033706 A1没有涉及在螺钉中的应用中将钢的化学组成与热处理参数匹配。
DE 19626833 A1描述了一种用于在由不锈钢制成的部件中在铁素体-马氏体芯部上生产高度耐腐蚀的马氏体表面层的方法。限制钢的化学组成，其方式为使得存在铁素体-马氏体结构，并在1050℃-1150℃的温度下用氮进行表面硬化后，芯部中的铁素体含量为按体积计在40％与90％之间，并且芯部硬度小于300HV30。再次，没有教导该方法在螺钉中的应用。
DE 102013108018 A1描述了一种由不锈钢(例如1.4113)制成的螺钉，该钢基本上不含镍，由于在1000℃-1200℃下进行氮化热处理，与该结构的其余部分相比，表面层具有增加的溶解氮含量，并且该螺钉在该表面层中具有马氏体结构，而在其他部分具有铁素体结构。
WO 14040995 A1描述了一种用于生产自攻混凝土螺钉的方法，其中，将由马氏体可硬化钢(特别地具有小于0.07％的碳含量)制成的坯件在含氮气氛中在大于900℃的温度下进行硬化。
TW 201418549 A描述了一种双金属螺钉，其端头元件包含马氏体钢，该马氏体钢包含0.26％至0.40％的碳、12％至14％的铬、0％至0.6％的镍和0％至1％的锰。
申请号为17177789.9的欧洲专利申请描述了一种钢用于生产螺钉型件的用途，该钢具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰，该螺钉型件能够在工艺结束时形成成品螺钉的一部分。
可通过以下链接获得摘要：
https://online.unileoben.ac.at/mu_online/wbAbs.showThesis？pThesisNr＝61746&pOrgNr＝1
其指示了通过高温气体氮化工艺进行了表面氮化且具有14％铬的马氏体钢可能特别适合用作紧固元件的材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于生产双金属螺钉的方法，利用该方法可以以特别低的生产费用获得特别有效的、易于组装的且耐腐蚀的双金属螺钉。本发明的另一个目的是提供一种具有上述优点的双金属螺钉。
根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的方法和根据权利要求8所述的螺钉来实现。优选的实施例在从属权利要求中详述。
根据本发明的方法是用于生产双金属螺钉，也就是说，其中的前端头元件和后驱动元件具有不同的材料组成的螺钉。为了制造端头元件，使用第一坯件，该第一坯件包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的比例的钢。该第一坯件优选由此钢组成。另外，该第一坯件的钢可以包含钢中惯用的其他元素，例如钒(特别地按重量计<0.2％)、铌(特别地按重量计<0.2％)、钛(特别地按重量计<0.2％)和/或硅(特别地按重量计<0.5％)。其余部分是铁和不可避免的杂质，例如硫和/或磷，特别地在每种情况下为按重量计<0.02％。以“按重量计％”给出的数字可以理解为意指惯用意义上的重量百分比。特别地，该第一坯件的钢可以被称为马氏体可硬化的不锈钢。该钢优选具有重量比例为按重量计0.08％至0.12％的碳。
本发明的第一个基本思想可以在以下事实中看出，即，马氏体不锈钢可能是满足在螺钉、特别是自攻螺钉的端头区域中使用的钢的有时相冲突的要求的很有前途的候选材料。为了满足关于高表面硬度和足够的硬化深度、良好的耐腐蚀性、良好的韧性以及对氯或氢引起的脆化的高耐受性的多样要求，将钢的化学组成(特别是关于合金化成分碳、铬、钼、镍和锰)和设定特性分布所需的多级热处理(包括高温气体氮化、气相淬火、低温冷却、回火和任选的局部感应硬化)精心匹配。
本发明包括在第一坯件(即，用于制造双金属螺钉的端头元件)中使用基于以下组合的化学组成的钢：合金成分碳(按重量计0.07％-0.14％、优选按重量计0.08％-0.12％)、铬(按重量计13％-15％)、钼(按重量计1.3％-1.7％)、镍(按重量计1.5％-2.0％)和锰(按重量计1.0％-1.5％、优选按重量计1.2％)。
在本发明的范围内，已经认识到，用此钢、尤其结合与该钢匹配的热处理(优选地在多个阶段中)，可以获得对双金属螺钉(特别是混凝土螺钉)的端头区域特别有利的特性分布，特别是考虑到自攻螺钉的端头区域通常负责在基底中的大部分切削工作以及将载荷引入基底深处。
如下文详细解释的，此有利的特性分布可以特别地基于奥氏体化，其中在热处理过程中通过δ铁素体含量使结构稳定。特别地，已经可以产生具有如下突出之处的特性分布：良好的可成型性、580HV0.3或更高的高表面硬度、450HV0.3或更低的最大芯部硬度、芯部中对一般腐蚀和点腐蚀的高耐受性(由17或更高的PRE指数表示)和表面区域中对一般腐蚀和点腐蚀的高耐受性(由23或更高的PRE指数表示)、芯部中高的韧性(特别是由于低的碳含量和稳定的δ铁素体的组合，这使得抑制了热处理中的粗晶粒生长)和对氯或氢引起的脆化的高耐受性。具体地，第一坯件中使用的钢在以下方面是特别有利的：
1)由于钢的碳含量，芯部硬度最大为450HV0.3或更低。
2)由碳、铬、钼、镍和锰的含量得到以下结果：
a)在不离开马氏体或马氏体-铁素体结构的状态范围的情况下，可以获得相对较高的PRE指数(等效的耐点腐蚀性)，优选17或更高。
b)该钢易于加工成半成品形式，例如线材或拉制裸线。线材和裸线二者都具有良好的冷成型性，优选由<650N/mm2的屈服强度Rp 0.2表示，这对螺纹成型的冷成型工艺、优选轧制工艺特别有利。
c)在1000℃与1150℃之间、优选在1030℃与1100℃之间的温度范围内进行表面硬化，在第一坯件的芯部区域中可以形成具有5％-30％的小比例δ铁素体的主要奥氏体结构(优选在70％-95％之间)，此5％-30％的δ铁素体含量可以在所述温度下对该结构具有稳定作用，并且因此抵消晶粒粗化，这可以对韧性特性具有有利影响。可以有意将δ铁素体含量限制为最大30％，因为δ铁素体含量越高，韧性可能再次降低。70％-95％的奥氏体结构比例具有高的碳溶解度，从而有效地抵消了铬碳化物的形成以及相关的相对高的晶间腐蚀敏感性。对应于在90％与85％之间的奥氏体含量，可以优选提供在10％与15％之间的δ铁素体含量。
d)在采用氮扩散在上述温度范围内进行表面硬化期间，在第一坯件的表面区域上可以建立主要为奥氏体的结构，其具有高的碳和氮的溶解度，从而有效地抵消了铬碳化物或铬氮化物的形成以及相关的铬结合和/或相对高的晶间腐蚀敏感性。
e)在热处理后，第一坯件的芯部区域中可能存在主要为马氏体的结构，具有5％-30％(优选10％-15％)的小比例δ铁素体。可以有意将δ铁素体含量限制为最大30％，因为δ铁素体含量越高，韧性可能再次降低。
f)在热处理之后，第一坯件的表面区域中可能存在主要为马氏体的结构，从而可以实现高度硬化。
g)可以比较容易地将第一坯件与第二坯件连结在一起。
h)由于其有利的腐蚀行为，由第一坯件制成的端头元件可以永久地有助于载荷传递，从而可以获得特别大的有效螺钉长度。
因此，在根据本发明的方法中，优选在1000℃与1150℃之间、特别优选在1030℃与1100℃之间的温度和/或在0.05巴与0.3巴之间、特别优选在0.10巴与0.20巴之间的氮分压下，优选在第一坯件上进行螺纹成型的步骤之后，有利地提供了用来自气相的氮对第一坯件进行表面硬化的步骤。通过用氮(单独或如下文解释的，任选地与碳组合)进行这种表面硬化，第一坯件的表面区域可以以特别有利的方式进行特别改性，特别是用于螺钉端头。特别地，在1000℃与1150℃之间进行表面硬化期间，氮可以溶解在当时的奥氏体结构的表面区域中。关于根据本发明的钢，通过这种表面硬化，在与表面0.15mm-0.30mm(对于混凝土螺钉可以是特别有利的)或0.1mm-0.15mm(对于自攻螺钉可以是特别有利的)的距离处达到580HV0.3或更高的表面硬度(极限硬度为550HV0.3)和/或达到350-400HV0.3的芯部硬度。即使在混凝土和钢筋上开槽时，此表面硬度又可以确保良好的耐螺纹磨损性，这进而能够使螺钉具有高的承载能力。另外，溶解的氮可以使表面区域的PRE指数局部增加到23或更高，并且从而显著提高耐点腐蚀性，优选提高到与1.4401钢可比的水平。特别地，“突破电位”这个电化学被测量也可以达到与1.4401钢的被测量可比的水平。0.3巴或0.20巴的氮分压的上限是由于以下事实：因此可以有效地抵消含铬和/或含氮沉淀物的形成，这在耐腐蚀性方面是有利的。0.05巴或0.10巴的氮分压的下限是由于以下事实：氮仅从此压力起才具有显著的作用。在表面硬化步骤中提供的气氛可以是纯氮或在给定温度下具有相当氮活性的气体混合物。特别地，如果该工艺在低压炉中进行，则可以提供纯氮气氛。在大气压炉中，可以例如用稀有气体进行稀释。
特别地，可以在第一坯件中实现完全的马氏体转变。
可以方便地规定，用来自气相的氮对第一坯件进行表面硬化与用来自气相的碳对该第一坯件进行渗碳是组合进行的。除了氮含量的增加之外，还可以提供由于碳从气相扩散而导致的碳含量的增加。此设计基于以下认识：在碳和氮同时可用的情况下，碳化物和氮化物的避免可以同时增加两种元素的溶解度，同时伴随更高的氮含量，这允许实现硬度和耐腐蚀性的进一步有利的增加。为了使用来自气相的氮对第一坯件进行表面硬化与用来自气相的碳对该第一坯件进行渗碳组合进行，例如可以将气态含氮和含碳介质彼此分开并交替地引入处理室中。可替代地，可以使用提供碳和氮二者的气体混合物(例如，乙炔(C2H2)连同N2)。
特别地，该方法可以包括“在第一坯件上进行螺纹成型”的步骤。在此步骤中，可以将螺纹形状附到第一坯件上。特别地，在第一坯件上进行螺纹成型可以包括第一坯件的非切削成型，特别是冷成型，优选轧制。特别优选地，对第一坯料进行表面硬化的步骤在对该第一坯料进行螺纹成型的步骤之后。因此，在硬化之前在第一坯件上形成螺纹。在螺纹成型后进行表面硬化允许简化螺纹成型并且特别地获得均匀的产品特性。
在对第一坯件进行表面硬化的步骤之后，可以方便地进行该第一坯件的冻结步骤，优选地在低于-80℃的温度下、特别优选在-150℃的温度下，并且然后对该第一坯件进行回火，特别地在低于270℃的温度、优选在150℃与500℃之间的温度下、特别优选在200℃与250℃之间的温度下和/或在1小时与5小时之间的保持时间下。结果是，可以设定甚至更高的硬度和/或韧性，而不降低耐腐蚀性。
特别地，对第一坯件进行淬火的步骤可以设置在对该第一坯件进行表面硬化的步骤与对该第一坯件进行冻结的步骤之间。
方便地，在该方法开始时，第一坯件呈线材形式，也就是说，它是线形半成品，这可以进一步减少费用。
方便地，可以提供包含双相钢或奥氏体不锈钢的第二坯件，并且驱动元件由该第二坯件制成。这种钢可以特别适用于驱动元件，特别是在生产费用、腐蚀特性和负载特性方面。例如，第二坯件包含的钢可以是A2、A4、双相钢、1.4401、1.4404、1.4362、1.4301或1.4578钢。
方便地，在该方法开始时，第二坯件呈线材形式，也就是说，它是线形半成品，这可以进一步减少费用。特别地，该方法可以包括“在第二坯件上进行螺纹成型”的步骤。在此步骤中，可以将螺纹形状附到第二坯件上。方便地，在将第一坯件与第二坯件连结在一起之前，进行在第一坯件上的螺纹成型步骤和/或在第二坯件上的螺纹成型步骤。
方便地通过激光焊接或电阻焊接将第一坯件和第二坯件连结在一起。
本发明还涉及一种双金属螺钉，该双金属螺钉特别地根据本发明的方法可以获得和/或获得。双金属螺钉由端头元件和驱动元件形成，该端头元件和该驱动元件具有不同的材料组成。该双金属螺钉的突出之处在于以下事实：端头元件至少在一些区域内包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢。另外，此钢可以包含钢中惯用的其他元素，例如钒(特别地按重量计<0.2％)、铌(特别地按重量计<0.2％)、钛(特别地按重量计<0.2％)和/或硅(特别地按重量计<0.5％)。其余部分是铁和不可避免的杂质，例如硫和/或磷，特别地在每种情况下为按重量计<0.02％。以“按重量计％”给出的数字可以理解为意指惯用意义上的重量百分比。该钢优选具有重量比例为按重量计0.08％至0.12％的碳。端头元件的钢可以特别地用来自气相的氮进行表面硬化和/或渗碳。特别地，端头元件的钢可以是马氏体可硬化的不锈钢。
使用这种螺钉，可以在一种产品中实现上述钢的优点。
方便地，驱动元件可以至少在一些区域内包含双相钢或奥氏体不锈钢。这种钢可以特别适用于驱动元件，特别是在生产费用、腐蚀特性和负载特性方面。例如，所述驱动元件的钢可以是A2、A4、双相钢、1.4401、1.4404、1.4362、1.4301或1.4578钢。
关于用于生产双金属螺钉的方法所解释的特征也可以用于双金属螺钉，并且相反地，关于双金属螺钉所解释的特征也可以用于生产双金属螺钉的方法。特别地，双金属螺钉可以用所述方法来制造，也就是说，双金属螺钉可以是所述方法的产品。特别地，关于该方法和螺钉所述的钢可以是相同的。
双金属螺钉的插入端设置在端头元件上。驱动元件特别地具有用于旋转双金属螺钉的旋转驱动，例如具有外部多边形结构或内部多边形结构的螺钉头。特别地，驱动元件和端头元件可以一起形成双金属螺钉的轴。驱动元件和端头元件优选具有连续的螺纹。
双金属螺钉可以优选地是自攻双金属螺钉。特别地，它可以是混凝土螺钉，也就是说，用于切削到混凝土中的螺钉。
该双金属螺钉的螺纹的外直径与该螺纹的螺距的比率可以在从1至2的范围内，特别是在从1.2至1.45的范围内。这些是打算自攻式拧入矿物基底(例如像混凝土)中的螺钉的典型螺纹尺寸。螺距特别地可以理解为意指螺纹的连续圈之间的轴向距离。根据本发明，还可以提供具有孔的混凝土基底，根据本发明的双金属螺钉被拧入该孔中，其中在混凝土基底中形成相对于双金属螺钉的切削螺纹而言的负形形式。因此，双金属螺钉已经以自攻的方式拧入混凝土基底的孔中以形成反螺纹。
附图说明
下文基于优选的示例性实施例更详细地解释本发明，这些实施例在附图中示意性地示出，而下文描述的示例性实施例的各个特征原则上可以在本发明的范围内单独或以任何组合实施。示意性地示出该图：
图1：根据本发明的生产方法的示意性流程图。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的方法的可能实施例的流程图，该方法用于生产具有端头元件41和驱动元件42的双金属螺钉40。
为了获得端头元件41，在步骤1中提供第一坯件31、优选线材形第一坯件31，该第一坯件由包含按重量计0.07％至0.14％、优选按重量计0.08％至0.12％的碳，按重量计13％至15％的铬，按重量计1.3％至1.7％的钼，按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢制成。另外，该钢可以包含钢中惯用的其他元素，例如钒(特别地按重量计<0.2％)、铌(特别地按重量计<0.2％)、钛(特别地按重量计<0.2％)和/或硅(特别地按重量计<0.5％)。其余部分是铁和不可避免的杂质，例如硫和/或磷，特别地在每种情况下为按重量计<0.02％。
之后在步骤2中在第一坯件31上进行螺纹成型，从而在第一坯件31上形成外螺纹区段。螺纹成型可以特别地是螺纹轧制。
然后在步骤3中将第一坯件31切成一定长度，并在步骤4中进行清洗。
在随后的步骤5中，使呈螺钉形式的第一坯件31在含氮气氛中在高于900℃、特别是在1000℃与1150℃之间、特别优选在1030℃与1100℃之间的温度下硬化，该气氛的氮分压优选在0.05巴与0.6巴之间、优选小于0.3巴并且特别优选小于0.20巴。该气氛还可以任选地包含碳。此后，仍在步骤5中，将第一坯件31淬火，特别是气体淬火，然后冻结，特别是在低于-80°的温度下(例如在-150℃下)，并且最后回火，优选地是在150℃与500℃之间、特别优选地在200℃与250℃之间的温度范围内和/或以1小时与5小时之间的保持时间。
为了获得驱动元件42，在步骤11中提供由双相钢或奥氏体不锈钢制成的第二坯件32，优选线材形第二坯件32。
然后，在步骤12中，然后例如通过镦锻在第二坯件32上形成头部。该头部可以在成品双金属螺钉40上形成旋转驱动46。
之后在步骤13中在第二坯件32上进行螺纹成型，由此在该第二坯件32上形成外螺纹区段。螺纹成型可以特别地是螺纹轧制。
然后在步骤14中清洗第二坯件32。
在步骤21中，将第一坯件31设置在第二坯件32的前方并将其带到使第一坯件31接触第二坯件32并且第一坯件31上的外螺纹区段形成第二坯件32上的外螺纹区段的延伸部的位置。
然后，在步骤22中，例如通过激光焊接或电阻焊接将第一坯件31和第二坯件32连结在一起。
在步骤23中，可以任选地使包含第一坯件31和第二坯件32的复合材料钝化。
最后，获得23所示的双金属螺钉40，其具有不同材料的金属端头元件41和金属驱动元件42，该端头元件41是从该第一坯件31获得的，并且该驱动元件42是从该第二坯件32获得的。双金属螺钉40具有圆柱形的螺钉轴45，在该螺钉轴的端部设有六角螺钉头，形成旋转驱动件46。螺钉轴45由驱动元件42和端头元件41联合形成，并且旋转驱动件46位于该驱动元件42的后端区域处。在螺钉轴45的长度上，形成为切削螺纹的螺纹47沿着驱动元件42和端头元件41延伸，该螺纹具有外直径d和螺距p。
双金属螺钉40的螺钉轴45可以拧入矿物基底(特别是混凝土基底)中的孔中，形成为切削螺纹的螺纹47能够在拧入时在基底中切削出相应的螺纹。

Claims (10)

1.一种用于生产具有端头元件(41)和驱动元件(42)的双金属螺钉(40)的方法，
其特征在于，提供第一坯件(31)，该第一坯件包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢，并且该端头元件(41)由该第一坯件(31)制成。
2.如权利要求1所述的方法，
其特征为以下步骤：
优选在1000℃与1150℃之间的温度和/或0.05巴与0.3巴之间的氮分压下，用来自气相的氮对该第一坯件(31)进行表面硬化。
3.如权利要求2所述的方法，
其特征在于，
用来自气相的氮对该第一坯件(31)进行表面硬化与用来自气相的碳对该第一坯件(31)进行渗碳是组合地进行的。
4.如权利要求2和3之一所述的方法，
其特征为以下步骤：
-在该第一坯件(31)上进行螺纹成型，
对该第一坯件(31)进行表面硬化的步骤是在该第一坯件(31)上进行螺纹成型的步骤之后。
5.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征为以下步骤：
在低于-80℃的温度下使该第一坯件(31)冻结，并且然后在150℃与500℃之间的温度下使该坯件回火。
6.如前述权利要求之一所述的方法，
其特征在于，
提供包含双相钢或奥氏体不锈钢的第二坯件(32)，并且该驱动元件(42)由该第二坯件(32)制成。
7.如权利要求6所述的方法，
其特征在于，
通过激光焊接或电阻焊接将该第一坯件(31)和该第二坯件(32)连结在一起。
8.一种具有端头元件(41)和驱动元件(42)的双金属螺钉(40)，该端头元件(41)和该驱动元件(42)具有不同的材料组成，
其特征在于，
该端头元件(41)至少在一些区域内包含具有按重量计0.07％至0.14％的碳、按重量计13％至15％的铬、按重量计1.3％至1.7％的钼、按重量计1.5％至2.0％的镍和按重量计1.0％至1.5％的锰的钢。
9.如权利要求8所述的双金属螺钉(40)，
其特征在于，
该驱动元件(42)至少在一些区域内包含双相钢或奥氏体不锈钢。
10.如权利要求8和9之一所述的双金属螺钉(40)，
其特征在于，
该双金属螺钉(40)的螺纹(47)的外直径(d)与该螺纹(47)的螺距(p)的比率在从1至2的范围内、特别地在从1.2至1.45的范围内。
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