DE10113946A1 - Selbstschneidende Schraube, insbesondere Betonschraube, aus Stahl - Google Patents

Selbstschneidende Schraube, insbesondere Betonschraube, aus Stahl

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Abstract

Eine selbstschneidende Schraube (1), insbesondere Betonschraube, aus Stahl, zum Einschrauben in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs umfaßt einen zylindrischen Kern (2) mit einem Einführende (3), ein an den Kern (2) kalt angewalztes Gewinde (7) und einen durch Kaltverformung gebildeten Schraubenkopf. Das kalt angewalzte Gewinde (7) weist ein sich vom Einführende (3) entgegen der Einschraub-Längsrichtung (5) über einen Schneid-Abschnitt (8) erstreckendes Schneid-Gewinde (9) mit Schneid-Elementen (10) und ein sich an den Schneid-Abschnitt (10) anschließenden Gewinde-Abschnitt auf. Die Schraube (1) ist nur in einem dem Einführende (3) benachbarten Abschnitt (24) gehärtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstschneidende Schraube, insbesondere eine Betonschraube, aus Stahl, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Betonschrauben sind im allgemeinen über ihre gesamte Oberfläche gehär­ tet. Während des Härtens tritt vor allem verstärkt das Problem der Wasser­ stoffversprödung auf. Der durch eine Kathodenreaktion erzeugte atomare Wasserstoff diffundiert in den erhitzten Werkstoff ein und führt bei Bil­ dung von Wasserstoffmolekülen zu inneren Spannungen und damit zu Riß­ bildung. Vor allem bei Betonschrauben mit einer Härte von mehr als 1000 N/mm2 tritt dieses Problem wegen ihrer Sprödigkeit besonders häufig auf. Durch Glühbehandlungen, wie z. B. Tempern, wird zwar erreicht, daß der molekulare Wasserstoff aus der Schraube größtenteils wieder austritt, aller­ dings ist das Resultat wegen eines Restgehalts an Wasserstoff nicht befrie­ digend. Die durch den Wasserstoff hervorgerufenen Spannungen begünsti­ gen Korrosionsreaktionen. Des weiteren weisen gehärtete Betonschrauben aufgrund ihrer hohen Härte eine geringe Zähigkeit bzw. eine hohe Sprödig­ keit auf. Beim Eindrehen einer selbstschneidenden Betonschraube in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs können in der gesamten Oberfläche der Schraube Risse entstehen, die eine Korrosion der Schraube fördern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Betonschraube der gattungsgemäßen Art dahin weiterzubilden, daß ohne Verlust der Belast­ barkeit die Korrosionsbeständigkeit bei niedrigeren Fertigungskosten ver­ bessert wird.
Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß mindestens ein wesentlicher Teil des Schneid-Abschnitts gehärtet ist. Hierdurch wird erreicht, daß der ge­ härtete Abschnitt eine ausreichende Härte zum Eindrehen der Schraube in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs aufweist. Der sich an den Schneid- Abschnitt anschließende nicht gehärtete Gewinde-Abschnitt behält seine Zähigkeit, wodurch bei Belastung verhindert wird, daß dort Risse entste­ hen, da eine Wasserstoffversprödung aufgrund des Härtens in diesem Ab­ schnitt nicht möglich ist. Des weiteren paßt der Gewinde-Abschnitt der Schraube sich besser an das durch die Schneid-Elemente vorgegebene Bohrloch-Gewinde an.
Der gehärtete Abschnitt entspricht vorteilhafterweise im wesentlichen dem Schneid-Abschnitt, der die Schneid-Elemente zur Ausbildung eines Gewin­ des in einem Bohrloch umfaßt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zei­ gen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Betonschraube mit einem gehärteten Ab­ schnitt,
Fig. 2 eine Ansicht gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht gemäß der Schnittlinie III-III in Fig. 1 und
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnitts durch den gehärte­ ten Schneid-Abschnitt.
Eine selbstschneidende Schraube 1, insbesondere eine Betonschraube, weist einen im wesentlichen zylindrischen Kern 2 mit einem Einführende 3, einer Mittellängsachse 4 und einer Einschraub-Längsrichtung 5 auf. An dem dem Einführende 3 abgewandten Ende des Kerns 2 ist ein beliebig geformter, durch Kaltverformung gebildeter Schraubenkopf 6 angedrückt, das heißt der Schraubkopf 6 ist mit dem Ende des Kerns 2 einstückig aus­ gebildet. Im Bereich des Einführendes 3 kann der Kern 2 abgefast sein. Es ist auch möglich, den Kern 2 nicht zylindrisch, sondern z. B. konisch zulau­ fend auszubilden.
Einstückig mit dem Kern 2 ist auch ein an den Kern 2 kalt angewalztes Gewinde 7 ausgebildet, welches vom Einführende 3 her entgegen der Ein­ schraub-Längsrichtung 5 entlang eines Schneid-Abschnitts 8 ein Schneid- Gewinde 9 mit Schneid-Elementen 10 und einen sich an den Schneid- Abschnitt 8 anschließenden Gewinde-Abschnitt 11 mit einem Gewinde 12 aufweist. Die axiale Länge des Schneid-Abschnitts 8 wird mit LS und die axiale Länge des Gewinde-Abschnitts 11 mit LG bezeichnet.
Damit das Gewinde 7 und der Schraubenkopf 6 durch Kaltverformung ge­ bildet werden können, darf der maximale Kohlenstoffgehalt des Schrauben- Ausgangsmaterials 0,5 Gew.% nicht übersteigen. Die Kaltverformbarkeit ist also durch den Kohlenstoffgehalt begrenzt. Bei einer Steigerung des Kohlenstoffgehaltes über diesen Wert hinaus wäre außerdem ein sicherer Einsatz der Schraube 1 aufgrund ihrer hohen Sprödigkeit nicht mehr mög­ lich.
Das Schneid-Gewinde 9 weist im wesentlichen parallel zueinander verlau­ fende Schneid-Gewinde-Flanken 13, 14 auf, die jeweils mittels einer Fase 15 bzw. 16 in den Kern 2 übergehen. Das Schneid-Gewinde 9 hat im Be­ reich seines Außenumfangs einen angenähert rechtwinkligen Querschnitt. Die Flanken 13, 14 schließen einen Winkel von 1° bis maximal 2° ein, wo­ bei die von den Fasen 15, 16 mit der Mittellängsachse 4 eingeschlossenen Winkel b zwischen 40° und 60° liegen. Das Schneid-Gewinde 9 weist ent­ lang seines Außenumfangs eine Außenfläche 17 auf, die einer Schrauben­ fläche auf einem Zylinder mit der Mittellängsachse 4 entspricht. Entlang des Außenumfanges des Schneid-Gewindes 9 sind radial nach außen hin offene Schneidkerben 18 vorgesehen, die jeweils die Form eines zum Au­ ßenumfang hin offenen Dreiecks aufweisen. Die in Richtung der Ein­ schraub-Drehrichtung 19 voreilenden Kanten 20 zwischen den Außenflä­ chen 17 und den Schneidkerben 18 bilden die Schneid-Elemente 10.
Das Gewinde 12 umfaßt Gewinde-Flanken 21, 22, die einen Winkel a ein­ schließen, für den gilt: 40° < a < 100° und insbesondere 50° < a < 80°. Das Gewinde 12 weist bei einem Mittellängsschnitt einen dreieckförmigen Querschnitt auf und läuft somit zum Außenumfang des Gewindes 12 hin spitz zu. Schneidkerben 18 sind im Gewinde 12 nicht vorgesehen.
Die Länge LS ist derart gewählt, daß sich der Schneid-Abschnitt 8 über un­ gefähr 2 Gewindegänge 23 erstreckt. Es ist möglich, das Gewinde 12 als sich in Einschraub-Längsrichtung 5 verjüngend auszubilden.
Die Schraube 1 ist nur in dem dem Einführende 3 benachbarten Abschnitt 24 induktiv gehärtet, wobei der gehärtete Abschnitt 24 im wesentlichen dem Schneid-Abschnitt 8 mit der axialen Länge LS entspricht.
Unter Induktivhärten wird die Erhitzung des Abschnitts 24 in einem Ober­ flächenbereichs 25 auf 950 bis 1050°C in das Austenitgebiet verstanden und ein anschließendes Abschrecken in Wasser, wobei die Erhitzung durch Induzierung eines Wirbelstroms, also induktiv, stattfindet. Die Dauer der Erhitzung beträgt wenige Sekunden, so daß eine Grobkornbildung verhin­ dert wird. Dabei ragt nur der zu härtende Abschnitt 24 der Schraube 1 wäh­ rend des Durchlaufs in die Härte-Anlage. Das Abschrecken erfolgt mittels einer Hochdruckbrause, so daß ein Verzug der Schraube 1 und Dampfbla­ senbildung verhindert werden kann. Durch das schnelle Abschrecken ent­ steht im Oberflächenbereich 25 teilweise Martensit.
Der Abschnitt 24 ist also nur in einem Oberflächenbereich 25 gehärtet, wo­ bei mindestens im Oberflächenbereich 25 der Schraube 1 ein Mindestgehalt von 0,35 Gewichts-% Kohlenstoff mindestens bis zu einer Tiefe T von 0,15 mm vorhanden ist. Dieser Kohlenstoffgehalt ist für eine ausreichende Härte des Schneid-Abschnitts 8 notwendig. Das Schneid-Gewinde 9 mit den Schneid-Elementen 10 ist ebenfalls gehärtet. Unterhalb des Oberflächenbe­ reichs 25 befindet sich der Kern 2, der das Ausgangsmaterial der Schraube 1 aufweist.
Bei der Verwendung von herkömmlichen, härtbaren Schrauben-Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,17 bis 0,24 Gew.% Kohlenstoff ist der be­ reits oben erwähnte Mindestgehalt von 0,35 Gew.% Kohlenstoff im Ober­ flächenbereich 25 durch Aufkohlen erreichbar. Das Aufkohlen erfolgt bei einer Härtetemperatur von 900 bis 910°C aus verfahrensökonomischen Gründen in Erdgasatmosphäre, wobei die gesamte Oberfläche der Schraube 1 aufgekohlt wird. Eine Salzbad- oder Pulveraufkohlung wäre ebenfalls möglich. Die Einsatztiefe T des Kohlenstoffs beträgt 0,15 bis 0,35 mm und vorzugsweise 0,2 bis 0,3 mm. Nach beendeter Aufkohlung weist der Ober­ flächenbereich 25 über die Tiefe T einen Kohlenstoffgehalt von 0,35 bis 1,0 Gew.% auf. Der Kohlenstoffgehalt fällt zu der Mittellängsachse 4 hin ab. Anschließend wird die Schraube 1 langsam abgekühlt, wodurch die Schraube 1 ihre Zähigkeit behält. Danach erfolgt die induktive Erhitzung des Oberflächenbereichs 25 und das Abschrecken in Wasser.
Aufgrund der Wärmebehandlung weist der Oberflächenbereich 25 die not­ wendige Härte auf, um ein Einschrauben in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs zu ermöglichen. Der Kern 2 behält seine Zähigkeit, wodurch eine hohe Dauerfestigkeit der Schraube 1 erreicht ist.
Bei einem alternativ verwendbaren härtbaren Stahl mit einem Ausgangsge­ halt von 0,35 bis 0,50 Gew.% Kohlenstoff und vorzugsweise von 0,35 bis 0,43 Gew.% Kohlenstoff ist bereits ein ausreichender Kohlenstoffgehalt in der Schraube 1 vorhanden, so daß ein Aufkohlen des Oberflächenbereichs 25 nicht notwendig ist. Mittels Induktivhärtung ist der Oberflächenbereich 25 bis zu einer Tiefe von 1 mm gehärtet. Aufgrund des höheren Kohlen­ stoffgehalts in dem Kern 2 der Schraube 1 ist der Oberflächenbereich 25 durch den Kern 2 besser getragen bzw. gestützt. Ein Eindrücken des Ober­ flächenbereichs 25 in den Kern 2 kann bei Belastung, wie z. B. bei dem Eindrehen in ein Bohrloch, aufgrund der Stützwirkung ausgeschlossen werden.
Beim Eindrehen der Schraube 1 in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs kommen zunächst die gehärteten Schneid-Elemente 10 des gehärteten Ab­ schnitts 24 in Eingriff mit der Bohrlochwand. Durch das Schneiden und Reiben des gehärteten Schneid-Gewindes 9 sowie des bereits gelösten Wandmaterials entsteht ein Innengewinde in der Bohrloch-Wand. Das In­ nengewinde in der Wand folgt nicht präzise der Kontur der Fasen 15, 16 und der Flanken 13, 14, sondern es entsteht durch Ausbrechen des spröden Wandmaterials ein kontinuierlicher Übergang im Bereich zwischen Fasen 15, 16 und den Flanken 13, 14. Wird die Schraube 1 weiter eingedreht, so kommt das Gewinde 12 in Kontakt mit dem Innengewinde der Wand. Da das Gewinde 12 nicht gehärtet ist, paßt es sich aufgrund seiner Nachgiebig­ keit den vorgegebenen Gewindegängen im Bohrloch an. Das Gewinde 12 liegt besonders gut an dem Innengewinde des Bohrlochs an, wenn die Flanken 21, 22 nicht parallel zueinander sondern einen Winkel a von unge­ fähr 50 bis 80° einschließen. Eine Rißbildung im Gewinde-Abschnitt 11 und eine daraus möglicherweise resultierende Korrosion wird vermieden, da lediglich der Abschnitts 24 gehärtet ist. Die Lebensdauer der einge­ drehten Schraube 1 ist aufgrund dessen erheblich verlängert.

Claims (10)

1. Selbstschneidende Schraube (1), insbesondere Betonschraube aus Stahl, zum Einschrauben in eine Bohrloch-Wand eines Bohrlochs umfassend
  • a) einen zylindrischen Kern (2) mit einem Einführende (3), einer Einschraub-Längsrichtung (5) und einer Mittel-Längsachse (4),
  • b) ein an den Kern (2) kalt angewalztes Gewinde (7), welches auf­ weist
    ein sich vom Einführende (3) entgegen der Einschraub- Längsrichtung (5) über einen Schneid-Abschnitt (8) er­ streckendes Schneid-Gewinde (9) mit Schneid-Elementen (10) und
    einen sich an den Schneid-Abschnitt (8) anschließenden Gewinde-Abschnitt (11),
  • c) einen durch Kaltverformung gebildeten Schraubenkopf (6), dadurch gekennzeichnet,
  • d) daß die Schraube (1) nur in einem dem Einführende (3) benach­ barten Abschnitt (24) gehärtet ist.
2. Schraube (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gehärtete Abschnitt (24) im wesentlichen dem Schneid- Abschnitt (8) entspricht.
3. Schraube (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Oberflächenbereich (25) gehärtet ist.
4. Schraube (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenbereich (25) induktiv gehärtet ist.
5. Schraube (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß mindestens im Oberflächenbereich (25) der Schraube (1) ein Min­ destgehalt von 0,35 Gewichts-% Kohlenstoff vorhanden ist.
6. Schraube (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestgehalt an Kohlenstoff mindestens bis zu einer Tiefe (T) von 0,15 mm in der Schraube (1) vorhanden ist.
7. Schraube (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (1) mindestens im Oberflächenbereich (25) bis zu ei­ nem Maximalgehalt von 1,0 Gewichts-% Kohlenstoff aufgekohlt ist.
8. Schraube (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mindestgehalt an Kohlenstoff über eine Tiefe (T) von 0,15 bis 0,35 mm und vorzugsweise von 0,2 bis 0,3 mm vorhanden ist
9. Schraube (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schraube (1) aus einem härtbaren Stahl mit einem Gehalt von 0,35 bis 0,50 Gewichts-% Kohlenstoff besteht.
10. Schraube (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (1) vorzugsweise aus einem härtbaren Stahl mit einem Gehalt von 0,35 bis 0,43 Gewichts-% Kohlenstoff besteht.
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