CN1260450A - 经局部热处理和淬火的螺钉 - Google Patents

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Abstract

碳钢螺钉通过有选择地热处理和骤冷具有一个或多个已被局部淬火的部分。在一个优选实施方案中,螺钉头上半段被局部淬火,以便在用驱动工具施加扭矩时防止或减小损坏。在另一个实施方案中,螺钉尖被局部淬火,以便更有效地刺入基材。优选的是局部受热部分经历局部骤冷以减小或避免变形。

Description

经局部热处理和淬火的螺钉
本发明涉及为了提供所需性质和行为而局部淬火的碳钢螺钉和类似的紧固件以及这种局部淬火螺钉的制造方法。
具有局部淬火部分的不锈钢螺钉在授权给Tanczyn的美国专利第3,376,780号已经公开。Tanczyn所揭示的不锈钢螺钉具有局部淬火的螺牙和适合插入螺丝刀的局部淬火的头部。这些区域比螺钉的其余部分硬。这种不锈钢螺钉包含不超过0.20wt％(重量百分比，下同)的碳，10-25wt％的铬、5-20wt％的镍、1-5wt％的铜和0.25-2.5wt％的铝。淬火是这样完成的：在大约700-900°F下冷加工不锈钢和在1050-1250°F下时效淬火。这种淬火在冷加工最大的区域中是最大的。
授权给Bjorklund等人的美国专利第4,295,351号揭示了一种螺牙已局部淬火的不锈钢螺钉。其局部淬火是在形成螺纹期间在零下温度通过侵蚀性冷加工紧固件的料坯来实现的。另一种局部淬火的不锈钢螺钉是在授权给Hallengren的美国专利第4,289,006号中揭示的。
授权给Hallowell，Jr.的美国专利第2,229,565号揭示一种头部局部淬火的凹头螺钉。该螺钉的头部被迅速加热到升高的温度。然后，整个螺钉骤冷，以使其头部淬火。最终该螺钉头部可以具有高达大约48-50的洛氏硬度(Rc)，而其余部分具有较低的Rc，大约为30-35。
授权给Janusz等人的美国专利第5,755,542号揭示一种在螺杆下端有局部淬火的螺纹和局部淬火的螺钉尖的螺钉。授权给Janusz的美国专利第5,605,423号揭示一种在其下端有局部淬火的螺纹并且有局部淬火的尖的双端螺栓。
某些标准的碳钢螺钉(其头部有一字形凹槽)和十字头螺钉(其头部有十字形凹槽)只能暴露在来自驱动工具(例如螺丝刀)的有限的驱动扭矩下。当头部凹槽暴露在过大的驱动力下时，该凹槽变大并被损坏，以致驱动工具不能再与该凹槽咬合。
已经有人考虑给螺钉头部淬火以便增强该凹槽。但是，这种淬火可能引起螺钉头和上半段变得过脆，以致(1)在施加过大的扭转力时由于螺钉位移引起螺钉头断裂；(2)氢脆(如果螺钉是电镀的)以及(3)头部突然破碎，这是由于被螺钉紧定的基材热胀冷缩产生不能借助螺钉伸长缓解的应力引起的。再者，在局部淬火时头部局部加热有可能在(温度分布处于变化中的)整个螺钉被暴露在骤冷流体中时导致螺钉变形。
本发明的目标是一种头部内具有差分硬度分布(a defferentialhardness profile)的局部淬火的碳钢螺钉。螺钉具有头部、在头部下面的螺杆部分和下端部分(即螺钉尖部分)。该头部具有顶面、底面、中心区、外轮缘、以及在中心区内适合与驱动工具咬合的至少一条凹槽。本发明还包括螺钉尖局部淬火的螺钉，该螺钉尖有利于螺钉最初插入基材。
按照本发明，头部的中心区和顶面被局部淬火，以致接近头部顶面的中心区比头部的底部以及毗邻的螺杆部分更硬。换言之，在顶部定义凹槽的边缘和壁面被局部淬火，以提供强度和硬度以及减少由驱动工具引起的损坏。而头部的底部和毗邻的螺杆保持比较柔韧和比较易弯曲状态，以致在施加高扭矩或高应力(如剪切应力)时头部不会与螺杆断开。
本发明还包括给头部的中心区和接近顶面的部分局部淬火的方法。热源(它可以是火焰喷口)直接施加于螺钉头的顶部和中心区，使那个区域的温度达到大约1400°F。在螺钉头的顶部和中心区所达到的最高温度高于在螺钉头的底部即毗邻螺杆部分所达到的温度。然后，使该螺钉选择性骤冷以减少或防止变形。差分骤冷(differential quenching)是这样完成的，即将骤冷流体直接对准螺钉头顶部的中心，以便在最热的区域实现最有效的骤冷。然后，可以让骤冷流体从螺钉头部流向需要较少骤冷的其余部分。
本发明包括类似的有选择地热处理和骤冷螺钉尖以引起局部淬火的技术。
图1是依据本发明头部区域已被局部淬火的螺钉的剖视图。
图2是图1所示螺钉的俯视图。
图3是依据本发明另一实施方案的螺钉的俯视图。
图4说明可以按照本发明局部淬火的钻刃螺钉。
图5说明可以按照本发明局部淬火的六角头螺钉。
图6是用于制造局部淬火螺钉的加热装置的示意图。
图7-11是沿着图6中的7-7、8-8、9-9、10-10和11-11线剖开的剖视图。
参照图1，本发明的碳钢螺钉10具有头部12、在头部下面的螺杆部分14和在螺杆部分一端与头部相对的螺钉尖16。众多具有牙尖20和牙间槽24的螺牙或螺纹18缠绕着螺杆部分14和螺钉尖16。
参照图1-3，头部12具有顶面24、底部26、中心区28和外轮缘30。中心区28包括适合容纳标准螺丝刀或类似的驱动工具的一字形凹槽32或适合容纳PhillipsTM螺丝刀或为十字形凹槽设计的类似的驱动工具的一对交叉的凹槽32和34。
每个凹槽都是由一对对置的通常直立的壁面36和38定义的，这对壁面与顶面24相交于边缘40和42，并且与槽底44相交于交线41和43。槽深是边缘40和42与槽底44之间的距离。槽底44实际上位于螺钉头12的下面并且毗邻螺杆14，如图1所示槽深大于螺钉头的厚度。另外，槽底44可以与螺钉头12的底部26大体持平，或者可以在螺钉头12的底部的上方，在后一种情况下凹槽32(或凹槽32和34)完全定位在头部12之内。
为了在头部12内形成差分硬度分布，本发明的螺钉10是经过局部淬火的。火焰喷口或其它热源直接施加在临近中心区的上表面24，以致在接近中心的最高点(即凹槽32的边缘40和42，或槽32和34)处这种加热最强烈。边缘40和42被加热到至少大约1400°F、优选1500-2000°F、更优选1600-1800°F的温度。这种加热使受热区(在边缘40和42上和周围)从铁素体的珠光体金相结构转变成奥氏体金相结构。这种加热是非常直接的，并且持续的时间周期相当短足以使螺钉头12的底部26以及螺杆14的毗邻部分不经历这种转变。
然后，通过将骤冷流体直接引向螺钉10的头部12中经历过最强烈加热的部分。骤冷流体可以是水或另一种液体或气体，并且可以通过倾注、喷淋、用空气加速的喷淋或其它方法直接施加到临近中心区28的上表面24上。然后，在螺钉头上施加的骤冷流体向下流动，以便使该螺钉经历较轻加热的部分接受较轻的骤冷冲击。局部骤冷使最灼热部分(在边缘40和42的边缘或周围)从奥氏体金相结构转变成经过淬火但未回火的马氏体金相结构。螺钉头12的底部26和螺杆14的毗邻部分基本上保持处于铁素体的珠光体状态，这是一种比较柔韧且比较易弯曲的状态。通过使螺钉头12最灼热部分的局部骤冷程度比温度较低的部分更大，使骤冷引起的螺钉变形最小。
骤冷流体可以具有大约40-200°F、优选大约50-150°F、更优选大约60-100°F的温度。自来水或其它的生产用水是适用的。其它骤冷介质可以包括油类或气体。所需的骤冷时间不超过30秒，可以是大约3-10秒。为了便于干燥，螺钉头在骤冷之后还可以轻微加热。
经局部淬火得到的碳钢螺钉在其头部内具有至少大约为10个洛氏硬度(Rockwell“C”，即Rc)单位的硬度差。在螺钉头12的中心附近的边缘40和42应当具有至少为大约45、优选至少为大约50、更优选至少为大约55的洛氏硬度(Rc)。螺钉头12的底部26和螺杆14的上半段应当具有不大于大约35的Rc。
螺钉头12的其余部分的洛氏硬度值可能比较接近边缘40和42的洛氏硬度或比较接近底部26的洛氏硬度，取决于它们对这两者之一的接近程度。例如，凹槽32(或凹槽32和34)的壁面36和38在接近顶面和接近中心的地方可能具有至少大约为45的洛氏硬度，而在接近槽底44的交线41和43的地方可能具有大约为35或更低的洛氏硬度。槽底44可能具有大约为35或更低的洛氏硬度。上表面24在接近边缘和接近中心的部分可能具有至少大约为45的洛氏硬度，而接近轮缘30的部分可能有或可能没有较低的洛氏硬度。
通过以这种方式给螺钉头12局部淬火，提供具有附加的强度和硬度的凹槽32，这将在螺丝刀或类似的工具施加高扭矩时减少变形和损坏。通过让底部26、头部12和毗邻的螺杆14保持比较柔韧，使由于高扭矩或高应力引起螺钉头断裂的概率得以降低。本发明对于屋面螺钉和具有长螺杆和/或被拧入难钻基材的其它螺钉是特别有用的，因为这些螺钉通常要经受在屋面上所经历的极大温度变化引起的高剪切应力。
螺钉10应当由碳含量相当低的低碳钢构成。适当的碳含量可以基于钢材重量分布在大约0.08％-0.50％范围内，其优选范围从大约0.18％至0.35％。碳含量应当足以有利于通过热处理给钢材淬火，而且该含量应当不足以有利于螺钉在冷锻、倒棱或螺纹辊压期间的冷作硬化。换言之，本发明的螺钉10是通过有选择地加热硬化的并且优选不是冷作硬化的。
在图4所示的另一个实施方案中，依据本发明局部淬火的螺钉可以是钻尖螺钉。一种类型的钻尖螺钉60包括六角头部62、包括单头或多头螺纹66的螺杆64和能用于打孔并至少能使一部分螺钉60钻入基材的钻尖68。头部62可以利用上述技术在其外表面上局部淬火以期获得改善的强度和完整性。此外，螺钉尖68和在螺钉尖68上方包括头几道螺纹66的一部分67螺杆64可以通过有选择地热处理提高硬度，以有利于螺钉60最初刺入基材和最初的螺纹攻入。屋面紧定螺钉可以在螺钉尖和该尖的上方淬火，以便越过在基材上钻孔的要求直接用螺钉攻螺纹。
参照图4，螺钉60的末端段67(作为螺杆64毗邻螺钉尖的下半段定义的)可以与螺钉尖68一起局部淬火，其方法是直接将火焰喷口或其它热源施于末端段67和尖68。将末端段67和尖68加热到至少大约1400°F、优选大约1500-2000°F、更优选大约1600-1800°F。有选择地加热使末端段67和尖68从铁素体的珠光体金相结构转变成奥氏体金相结构。然后，通过浸渍或直接将骤冷流体射向末端段67和尖68使它们局部骤冷。这种局部骤冷(它围绕着螺钉引起均匀地冷却，但沿着螺钉长度产生差分骤冷)在未回火但坚硬的受热区中使奥氏体金相结构转变成马氏体金相结构。骤冷流体可以是水，并且可以按前面针对头部陈述的温度和骤冷时间施加骤冷流体。
螺钉60的末端段67和螺钉尖68应当通过淬火达到至少大约为45、优选至少大约为50、更优选至少大约为55的洛氏硬度值。螺杆64在末端段67上方未经处理部分可以具有至少比经淬火的末端段低10个单位的洛氏硬度Rc，其洛氏硬度值为大约35或更低、或许是25或更低。
然后，螺杆的淬火段67可以回火，以便得到介于大约35-45的硬度值(Rc)，该硬度值高于起始Rc值但低于局部淬火值。回火是这样完成的，即将局部淬火段67再次加热到大约600-1100°F，优选大约750-1000°F。优选的是螺钉尖68不回火，而是让它保持其最高硬度。螺纹66也可以表面淬火(即在其外表面淬火)，以便在螺钉攻入基材时减少损坏。这在长自攻螺钉用于紧定屋面的情况下是特别有用的。
在另一个实施方案中，局部淬火的螺钉可以是六角头螺钉，它具有适合接受驱动工具的六角形头部。参照图5，螺钉70具有带顶面76的头部74。头部74还有由六个矩形平面82组成的六角形外表面80。在所示实施方案中，固定垫片84定位在头部74和螺钉的长螺杆86之间。
按照本发明，可以利用上述技术给六角头螺钉70的选定部分淬火。接纳驱动工具的头顶部分72可以局部淬火，以便提供较好的耐磨损性。通过给头部的六个面82淬火，可以在使用套筒式驱动工具时由于改进的相互作用使螺钉与驱动工具的性能得到增强。
再者，图4所示的钻刃螺钉和图5所示的六角头螺钉都可以用具有上述碳含量的碳钢制造。未经淬火的螺钉部分可以具有大约35或更低的Rc值。局部淬火部分可以具有至少大约为45、优选至少大约为50、更优选至少大约为55的Rc值。
头部和末端段可以采用不同的方法分别进行局部淬火，或者可以采用单一的整体工艺进行处理。图6-11图解说明用于热处理的装置100，它适合连续处理众多螺钉的选定部分。参照图6，装置100包括传输机构102，它与螺钉传送带104合作并且按箭头106所指方向移动该传送带，其中所述螺钉传送带可以是扁节链。螺钉101(它可以有不同的长度)被支撑在其各自头部12下面的传送带104中。
螺钉101在传送带104被运送通过第一加热组件108，该组件包括众多火焰喷灯110和热电偶112。如图7所示，组件108中的火焰喷灯110用于将每个螺钉101的下端46和尖16加热到最优选的温度(1600-1800°F)。火焰114仅仅施加给这些螺钉的选定部分。排风罩117带走多余的热量。
当螺钉101被进一步输送超出第一加热组件108范围时，就利用冷却组件116使每个螺钉101的下端和尖骤冷。如图8所示，该冷却组件将水幕117、或加工油、或另一种冷却流体分别施加到每个螺钉的受热部分上。该受热部分优选被冷却到150°F或更低的温度。
第一加热组件以及接下来的冷却可以使每个螺钉下端和尖的洛氏硬度Rc从低于35(或许低于25)的起始值增加到大约为45或更高(或许大约为50或更高)的数值。人们可能希望在保持螺钉尖具有高硬度的同时将下端的螺纹软化到中等硬度。这种被称为“回火”的软化可以这样完成，即让每个螺钉经过淬火的螺纹段46通过第二加热组件120。第二加热组件120可以包括众多比较小的火焰喷灯122，如图9所示，该喷灯仅仅将每个螺钉的下端46加热到大约750-1000°F的温度(正象热电偶传感器123所确定的那样)，而不给螺钉尖加热。这个二次加热步骤将螺钉的下半段46软化到中等洛氏硬度值(大约为35-45Rc)。
当螺钉101被进一步输送时，利用具有一个或多个火焰喷灯126和热电偶127的第三加热组件124对头部12进行有选择地热处理。如图10所示，第三加热组件124中的喷灯将火焰的热量有选择地对准头部12。该头部最优选被加热到大约1600-1800°F。然后，利用冷却组件128使头部12局部骤冷，如图11所示，冷却组件将水或另一种骤冷流体直接引向头部12。如此处理的头部可以具有大约为45或更高(或许大约为50或更高)的洛氏硬度值。然后，螺钉101可以离开装置100，以便包装或其它用途。
尽管在此介绍的本发明的实施方案在目前看来是优选的，但是不脱离本发明的精神和范围可以进行各种各样的修改和改进。本发明的范围是通过权利要求书指出的，并且所有落进等价方案的意义和范围内的变化都倾向于被纳入其中。

Claims (27)

1.一种局部淬火的碳钢螺钉，包括钉头、螺杆部分和螺钉尖，其中螺杆部分具有与螺钉头相邻的第一端，和与螺杆的第二端相邻的螺钉尖；
所述螺钉头包括顶面、底部、中心区、外轮缘和在中心区内用于容纳驱动工具的凹槽；
所述螺钉头在中心区顶部具有马氏体金相结构，而在底部具有铁素体的珠光体金相结构。
2.根据权利要求1的螺钉，其中螺杆部分具有铁素体的珠光体金相结构。
3.根据权利要求1的螺钉，其中螺杆部分在其第一端具有铁素体的珠光体金相结构、在其第二端具有马氏体金相结构，而螺钉尖具有马氏体金相结构。
4.根据权利要求1的螺钉，其钢材中包括大约0.15-0.50重量百分比的碳。
5.根据权利要求1的螺钉，其钢材中包括大约0.18-0.35重量百分比的碳。
6.一种经局部淬火的碳钢螺钉，包括钉头、螺杆部分和螺钉尖，其中螺杆部分具有与螺钉头相邻的第一端和与螺钉尖相邻的第二端；
所述螺钉头包括局部淬火的上半段和未淬火的下半段；
螺杆部分包括未淬火的上半段。
7.根据权利要求6的螺钉，其中螺钉尖也被局部淬火。
8.根据权利要求7的螺钉，其中螺杆部分进一步包括经局部淬火的下半段。
9.根据权利要求7的螺钉，其中经局部淬火的螺钉尖的洛氏硬度至少是大约45。
10.根据权利要求9的螺钉，其中洛氏硬度至少是大约50。
11.根据权利要求8的螺钉，其中螺杆部分的局部淬火段的洛氏硬度至少是35-45。
12.一种经局部淬火的碳钢螺钉，包括钉头、螺杆部分和螺钉尖，其中螺杆部分具有与螺钉头相邻的第一端和与螺钉尖相邻的第二端；
其中螺钉的某个或多个部分是经过局部淬火的，其方法是通过热处理升高温度然后骤冷使其洛氏硬度至少比未经局部淬火的其余部分高大约10个洛氏硬度单位。
13.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉头的上半段是经过局部淬火的。
14.根据权利要求13的螺钉，其中螺钉头的下半段未经局部淬火。
15.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉尖是经过局部淬火的。
16.根据权利要求15的螺钉，其中螺杆部分的第二端首先被局部淬火、然后回火。
17.根据权利要求12的螺钉，其中升高的温度至少是大约1400°F。
18.根据权利要求12的螺钉，其中升高的温度至少是大约1500-2000°F。
19.根据权利要求12的螺钉，其中升高的温度至少是大约1600-1800°F。
20.根据权利要求12的螺钉，其中局部淬火部分是经过局部骤冷的。
21.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉头包括一字形凹槽，其上半段是经淬火的。
22.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉头包括彼此交叉的十字形凹槽，其上半段是经淬火的。
23.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉头包括六角头。
24.根据权利要求23的螺钉，其中六角头包括淬火的凹陷区。
25.根据权利要求23的螺钉，其中六角头包括淬火的外表面。
26.根据权利要求12的螺钉，其中螺钉尖包括淬火的钻尖。
27.根据权利要求12的螺钉，其中螺杆部分包括表面淬火的螺纹。
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