DE102012216117A1 - Method for producing a self-tapping screw - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube, bei dem ein Rohling aus einem martensitisch härtbaren Stahl bereitgestellt wird, aus dem Rohling eine Schraubenform mit einem Schraubenschaft und einem am Schraubenschaft angeordneten Schneidgewinde gefertigt wird, und die Schraubenform anschliessend bei einer Temperatur grösser 900°C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre gehärtet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine selbstschneidende Schraube.The invention relates to a method for producing a self-tapping screw in which a blank made of a martensitic hardenable steel is provided, from the blank a helical shape with a screw shank and a screw shaft arranged on the cutting thread is made, and the helical shape then at a temperature greater than 900 ° C is cured in a nitrogen-containing gas atmosphere. The invention further relates to a self-tapping screw.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube, insbesondere für harte mineralische Substrate, beispielsweise für Beton, und eine solche selbstschneidende Schraube.The invention relates to a method for producing a self-tapping screw, in particular for hard mineral substrates, for example for concrete, and such a self-tapping screw.
Schrauben aus austenitischen oder ferritischen Stählen oder aus Mehrphasenstählen können zwar vergleichsweise korrosionsbeständig ausgeführt werden, häufig sind sie jedoch nicht ausreichend hart und verschleissbeständig, um in harten, abrasiven Untergründen wie Beton selbstbohrend und/oder gewindeschneidend angewandt zu werden. Es ist daher, beispielsweise aus der
Bestimmte Typen von martensitischen Stählen können zwar die zum Schneiden von Beton erforderlichen Härten erreichen, sind aber dann in der Regel nur mässig korrosionsbeständig. Beispielsweise aus der
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube und eine selbstschneidende Schraube anzugeben, die bei niedrigen Herstellungskosten und einfacher Fertigung eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit, eine besonders hohe Zuverlässigkeit, und insbesondere ein besonders gutes Setz- und Lastabtragverhalten gewährleisten.The object of the invention is to provide a method for producing a self-tapping screw and a self-tapping screw, which ensure a particularly good corrosion resistance, a particularly high reliability, and in particular a particularly good setting and Lastabtragverhalten at low cost and ease of manufacture.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Schraube mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a manufacturing method with the features of
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube ist vorgesehen, dass ein Rohling aus einem martensitisch härtbaren Stahl bereitgestellt wird, aus dem Rohling eine Schraubenform mit einem Schraubenschaft und einem am Schraubenschaft angeordneten Schneidgewinde gefertigt wird, und die Schraubenform anschliessend bei einer Temperatur grösser 900°C, insbesondere grösser 1000°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1200°C, in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre gehärtet wird.In a method according to the invention for producing a self-tapping screw, it is provided that a blank of a martensitic hardenable steel is provided, from the blank a helical shape with a screw shank and a cutting thread arranged on the screw shank is produced, and then the helical shape at a temperature greater than 900 ° C, in particular greater than 1000 ° C, preferably between 1000 ° C and 1200 ° C, is cured in a nitrogen-containing gas atmosphere.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, bei der Herstellung von selbstschneidenden Schrauben einen martensitisch härtbaren Stahl einzusetzen, der in einem Hochtemperaturhärtungsverfahren unter Stickstoffatmosphäre gehärtet wird. Dieser thermochemische Prozess führt zu einer Aufstickung der Randzone und damit verbunden zu einer gegenüber dem Grundwerkstoff erhöhten Härte. Die erfindungsgemässe Verfahrensführung hat im Zusammenhang mit selbstschneidenden Schrauben unter anderem zwei wesentliche Vorteile:
- – Im Gegensatz zum Niedrigtemperaturhärten, mit dem sich nur relativ dünne Randschichten erzeugen lassen, können mit dem erfindungsgemässen Hochtemperaturverfahren Randschichtdicken im Bereich einiger 100 μm ohne besonderen Zusatzaufwand realisiert werden. Es können also Schichtdicken erzeugt werden, die in der Grössenordnung der Querschnittsabmessungen typischer Schneidgewinde liegen, und daher kann ein ausreichendes Verschleissvolumen (typischerweise > 0,2 mm) realisiert werden. Unerwünschte Deformationen des Schneidgewindes beim selbstschneidenden Einschrauben können somit vermieden werden, so dass ein besonders gutes Setzverhalten gegeben ist. Der Grund für die vergleichsweise grossen Schichtdicken wird darin gesehen, dass es bei den erfindungsgemäss vorgesehenen Temperaturen an der Metalloberfläche zu einer Dissoziierung des molekularen Stickstoffs in Einzelatome kommt, welche durch die bei hohen Temperaturen rasch vonstattengehenden Diffusionsvorgänge vergleichsweise gut in den Stahl eindiffundieren können.
- – Mit dem erfindungsgemässen Hochtemperaturverfahren kann die Korrosionsbeständigkeit des Grundwerkstoffs erhöht werden. Dies erlaubt es, mässig korrosionsbeständige aber relativ harte Grundwerkstoffe einzusetzen, mit denen die Schneidhaltigkeit weiter verbessert werden kann. Der Grund für die vergleichsweise grosse erreichbare Korrosionsbeständigkeit wird darin gesehen, dass der Stickstoff nicht in Form von Nitriden, sondern im Eisengitter gelöst vorliegt.
- In contrast to low-temperature curing, with which only relatively thin edge layers can be produced, edge layer thicknesses in the range of a few 100 .mu.m can be realized without any special additional expenditure with the high-temperature process according to the invention. It is thus possible to produce layer thicknesses which are of the order of magnitude of the cross-sectional dimensions of typical cutting threads and therefore a sufficient wear volume (typically> 0.2 mm) can be realized. Unwanted deformations of the cutting thread during self-tapping screwing can thus be avoided, so that a particularly good setting behavior is given. The reason for the comparatively large layer thicknesses is seen in the fact that at the temperatures provided according to the invention at the metal surface a dissociation of the molecular nitrogen into single atoms occurs, which can diffuse comparatively well into the steel due to the diffusion processes which take place rapidly at high temperatures.
- - With the inventive high-temperature process, the corrosion resistance of the base material can be increased. This makes it possible to use moderately corrosion-resistant but relatively hard base materials, with which the cutting strength can be further improved. The reason for the comparatively large achievable corrosion resistance is seen in the fact that the nitrogen is present not dissolved in the form of nitrides, but in the iron grid.
Die Erfindung kann es insbesondere ermöglichen, einstückige korrosionsbeständige und schneidhaltige selbstschneidende Schrauben für die Verwendung in harten und/oder abrasiven Untergründen herzustellen. Die Korrosionsbeständigkeit ist dabei ausreichend hoch für die Verwendung im Aussenbereich oder im feuchten Innenbereich und die Schneidhaltigkeit ist ausreichend für das Schneiden eines Gewindes in mineralischen Untergründen (z.B. Beton, Vollziegel, ...) bzw. in Stahluntergründen. Derartige Schrauben können erfindungsgemäss auch ohne Fügeoperation einstückig, d.h. als "monolithische Schrauben", hergestellt werden. In particular, the invention may enable one-piece corrosion-resistant and self-tapping screws to be made for use in hard and / or abrasive substrates. The corrosion resistance is sufficiently high for use outdoors or in wet indoor areas and the cutting edge is sufficient for cutting a thread in mineral substrates (eg concrete, solid brick, ...) or in steel substrates. According to the invention, such screws can also be produced in one piece without joining operation, ie as "monolithic screws".
Besonders bevorzugt ist es, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Kohlenstoffgehalt kleiner 0,07% aufweist. Durch die Verwendung solcher Weichmartensite kann eine besonders gute Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung und eine besonders hohe Kernduktilität erreicht werden. Dies wiederum erlaubt einen besonders guten Lastabtrag. Da erfindungsgemäss die Randhärte durch Aufsticken vergrössert ist, kann die relativ geringe Kernhärte (Kernzugfestigkeit der Schaube beispielsweise kleiner 1100 MPa), die sich bei kleinen Kohlenstoffgehalten ergibt, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Schneidhaltigkeit realisiert werden.It is particularly preferred that the steel of the blank and thus preferably also the finished screw has a carbon content of less than 0.07%. By using such Weichmartensite a particularly good resistance to hydrogen embrittlement and a particularly high Kernduktilität can be achieved. This in turn allows a particularly good load transfer. Since, according to the invention, the edge hardness is increased by embroidering, the relatively low core hardness (core tensile strength of the thread, for example, less than 1100 MPa), which results at low carbon contents, can be realized without significant impairment of the cutting edge strength.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Kohlenstoffgehalt grösser 0,02%, insbesondere grösser oder gleich 0,03% aufweist. Die damit einhergehende Kernhärte kann gewährleisten, dass die beim Eindrehen der Schraube in Beton auftretenden relativ grossen Drehmomente zuverlässig übertragen werden können.Furthermore, it is advantageous that the steel of the blank and thus preferably also the finished screw has a carbon content greater than 0.02%, in particular greater than or equal to 0.03%. The associated core hardness can ensure that the relatively large torques occurring when screwing in the screw in concrete can be reliably transmitted.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Stahl des Rohlings einen Chromgehalt grösser 12% und/oder einen Nickelgehalt grösser 2,5% aufweist. Hiermit kann, auch bei den genannten relativ niedrigen Kohlenstoffgehalten, eine besonders umfassende martensitische Gefügestruktur realisiert werden. Daneben wird auch die Korrosionsbeständigkeit sowie die Zähigkeit weiter verbessert.A development of the invention consists in that the steel of the blank has a chromium content greater than 12% and / or a nickel content greater than 2.5%. Hereby, even with the mentioned relatively low carbon contents, a particularly comprehensive martensitic microstructure can be realized. In addition, the corrosion resistance and toughness is further improved.
Weiterhin ist es zweckmässig, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Molybdängehalt grösser 0,3% aufweist. Durch Zulegieren von Molybdän kann die Beständigkeit in chloridhaltiger Umgebung weiter erhöht werden.Furthermore, it is expedient that the steel of the blank and thus preferably also the finished screw has a molybdenum content greater than 0.3%. The addition of molybdenum can further increase the resistance in a chloride-containing environment.
Soweit in der vorliegenden Anmeldung prozentuale Mengenangaben enthalten sind, kann es sich in fachüblicher Weise hierbei insbesondere um Massenprozentangaben handeln.Insofar as percentages of quantities are contained in the present application, these may in particular be mass percentages in the usual way.
Beispielsweise kann der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch der fertigen Schraube X3CrNiMo13-4 (1.4313) sein. Dieser verbindet gute Tieftemperaturzähigkeit mit hoher Festigkeit. Insbesondere kann eine Tieftemperaturzähigkeit von grösser 27J (ISO-V) bei –20°C vorgesehen sein.For example, the steel of the blank, and thus preferably also of the finished screw, may be X3CrNiMo13-4 (1.4313). This combines good low-temperature toughness with high strength. In particular, a low temperature toughness of greater than 27J (ISO-V) at -20 ° C may be provided.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schraubenform ein Drehangriffsmittel zum, vorzugsweise formschlüssigen, Übertragen eines Drehmoments auf den Schraubenschaft aufweist. Vorzugsweise wird die Schraubenform mitsamt dem Drehangriffsmittel, insbesondere bei der erfindungsgemässen Temperatur und in der erfindungsgemässen stickstoffhaltigen Gasatmosphäre, gehärtet. Gemäss dieser Ausführungsform wird auch das Drehangriffsmittel der Schraube aus dem martensitisch härtbaren Stahl gefertigt und anschliessend hochtemperaturgehärtet. Die Schraube ist also vorzugsweise einstückig ausgebildet, und zwar insbesondere einschliesslich des Drehangriffsmittels. Das Drehangriffsmittel kann insbesondere einen Aussenmehrkant oder einen Innenmehrkant aufweisen. Beispielsweise kann das Drehangriffsmittel ein Schraubenkopf mit einem Aussenmehrkant oder einem Innenmehrkant sein.Furthermore, it is preferred that the helical shape has a rotary engagement means for, preferably form-fitting, transmitting a torque to the screw shaft. Preferably, the helical shape is cured together with the rotary control means, in particular at the temperature according to the invention and in the nitrogen-containing gas atmosphere according to the invention. According to this embodiment, the rotary engagement means of the screw is also made of the martensitic hardenable steel and then high temperature hardened. The screw is therefore preferably formed in one piece, in particular including the rotary engagement means. The rotary grip means may in particular comprise an external polygon or an internal polygon. For example, the rotary engagement means may be a screw head with an external polygon or a polygon socket.
Geeigneterweise wird die Schraubenform am Ende des Härteprozesses so schnell abgeschreckt, dass eine Nitridausscheidung vermieden wird. Hierdurch kann die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit noch weiter verbessert werden. Beim Abschrecken wird auch das martensitische Gefüge metastabil konserviert.Suitably, the helical shape is quenched so rapidly at the end of the hardening process that nitride precipitation is avoided. As a result, the strength and the corrosion resistance can be further improved. During quenching, the martensitic structure is conserved metastable.
Weiterhin ist es erfindungsgemäss, dass die Schraubenform im Anschluss an das Härten und gegebenenfalls an das Abschrecken angelassen wird, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 150°C und 450°C. Durch das Anlassen kann ein Restaustenitanteil im Martensit reduziert werden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Festigkeit auswirkt. Darüber hinaus erhöht sich die Duktilität der Schraube.Furthermore, it is according to the invention that the helical shape is tempered after curing and optionally quenching, preferably in a temperature range between 150 ° C and 450 ° C. Tempering can reduce the residual austenite content in the martensite, which also has an advantageous effect on the strength. In addition, the ductility of the screw increases.
Beispielsweise im Hinblick auf den Fertigungsaufwand ist es vorteilhaft, dass die Schraubenform aus dem Rohling durch Kaltumformen geformt wird. Das Schneidgewinde kann vorzugsweise durch Walzen geformt werden. Das Lastangriffsmittel und/oder der Schraubenkopf kann durch Stauchen geformt werden. Der Rohling kann insbesondere ein Drahtabschnitt sein.For example, in view of the production cost, it is advantageous that the helical shape is formed from the blank by cold forming. The cutting thread may preferably be formed by rolling. The load application means and / or the screw head can be formed by upsetting. The blank may in particular be a wire section.
Es ist ferner bevorzugt, dass vor dem Härten in der stickstoffhaltigen Gasatmosphäre zumindest ein Bereich der Schraubenform mit einer diffusionshemmenden Barriere abgedeckt wird. Durch lokales Abdecken von Schraubenbereichen mit diffusionshemmenden Barrieren (z.B. Schichten) kann die aufstickende Wirkung gezielt auf bestimmte Bereiche beschränkt werden, wodurch das Produkt noch weiter hinsichtlich Duktilität und/oder Härte optimiert werden kann. Beispielsweise kann das Drehangriffsmittel und vorzugsweise auch der Schaftbereich unmittelbar unterhalb des Drehangriffsmittels mit einer solchen diffusionshemmenden Barriere abgedeckt werden.It is further preferred that, prior to curing in the nitrogen-containing gas atmosphere, at least a portion of the helical shape is covered with a diffusion-inhibiting barrier. By locally covering screw areas with diffusion-inhibiting barriers (eg layers), the embroidering effect can be targeted to specific areas be limited, whereby the product can be further optimized in terms of ductility and / or hardness. For example, the rotary engagement means and preferably also the shaft region immediately below the rotary engagement means can be covered with such a diffusion-inhibiting barrier.
Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens können Oberflächenhärten von grösser 600 HV, was etwa einer Zugfestigkeit von grösser 1800 MPa entspricht, erreicht werden. Im Anschluss an das erfindungsgemässe Härten in der stickstoffhaltigen Gasatmosphäre, aber auch vor dem erfindungsgemässen Härten, können zusätzliche thermische Vergütungsprozesses am Rohling oder an der Schraubenform vorgesehen werden.Surface hardnesses of greater than 600 HV, which corresponds approximately to a tensile strength of greater than 1800 MPa, can be achieved by means of the process according to the invention. Following the inventive curing in the nitrogen-containing gas atmosphere, but also before the inventive curing, additional thermal treatment process on the blank or on the helical shape can be provided.
Die Erfindung betrifft auch eine Schraube, die mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt ist.The invention also relates to a screw which is produced by means of the method according to the invention.
Das Verhältnis des Aussendurchmessers des Schneidgewindes zur Gewindesteigung des Schneidgewindes kann im Bereich von 1 bis 2, insbesondere im Bereich von 1,2 bis 1,45 liegen. Dies sind typische Gewindedimensionen für Schrauben, die zum selbstschneidenden Eindrehen in mineralische Substrate wie z.B. Beton vorgesehen sind. Unter der Steigung kann insbesondere der axiale Abstand aufeinander folgender Windungen eines Gewindegangs verstanden werden.The ratio of the outer diameter of the cutting thread to the thread pitch of the cutting thread can be in the range of 1 to 2, in particular in the range of 1.2 to 1.45. These are typical thread sizes for screws suitable for self-tapping into mineral substrates such as e.g. Concrete are provided. Under the slope can be understood in particular the axial distance of successive turns of a thread.
Nach der Erfindung kann auch ein Betonsubstrat mit einer Bohrung vorgesehen sein, in die eine erfindungsgemässe Schraube eingedreht ist, wobei im Betonsubstrat eine Negativform zum Schneidgewinde der Schraube gebildet ist. Demgemäss ist die Schraube unter Bildung eines Gegengewindes selbstschneidend in die Bohrung im Betonsubstrat eingedreht.According to the invention, a concrete substrate may be provided with a bore into which a screw according to the invention is screwed, wherein in the concrete substrate, a negative mold to the cutting thread of the screw is formed. Accordingly, the screw is self-tapping screwed into the bore in the concrete substrate to form a counter-thread.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den beiliegenden Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen schematisch:The invention will be explained in more detail below with reference to preferred embodiments, which are shown schematically in the accompanying figures. In the figures show schematically:
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäss hergestellten Schraube, die als Betonschraube ausgebildet ist, ist in
Die Schraube
Der Schraubenschaft
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