DE102016108775A1

DE102016108775A1 - Selbstschneidende Betonschraube

Info

Publication number: DE102016108775A1
Application number: DE102016108775.0A
Authority: DE
Inventors: Berthold Weichert
Original assignee: Fischerwerke GmbH and Co KG
Current assignee: Fischerwerke GmbH and Co KG
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16
Also published as: WO2017194359A1

Abstract

Die Erfindung schlägt vor, eine selbstschneidende Betonschraube (1) aus weichgeglühtem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 herzustellen und nach einem Gewindewalzen durchzuhärten und auf einen Stickstoffgehalt von mindestens 2 Massen-% an einer Oberfläche aufzusticken.

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstschneidende Betonschraube mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. „Selbstschneidend“ bedeutet, dass sich die Betonschraube bei einem Eindrehen in ein Bohrloch in einem Ankergrund aus insbesondere Beton ein Gegengewinde selbst in eine Bohrlochwand des Bohrlochs schneidet oder in anderer Weise formt. Außer Beton kommen Stein oder Mauerwerk als Ankergrund in Frage, wobei andere Ankergründe nicht ausgeschlossen sind.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2013 108 032 A1 offenbart eine selbstschneidende Betonschraube, die vollständig aus einem nichtrostenden Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4113 besteht. Es bestehen ein Schraubenschaft durchgehend von vorn bis hinten und einschließlich eines Schraubenkopfs einheitlich aus dem nichtrostenden Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4113. Nach einem Gewindewalzen wird zur Erzielung einer ausreichenden Gewindehärte der Schraubenschaft mit einer Temperatur von über 1000 °C randschichtnitriert. Mit „ausreichend“ ist eine zum Schneiden eines Gegengewindes in Beton ausreichende Härte eines Schraubengewindes gemeint. Allerdings hat sich diese Betonschraube als zu spröde herausgestellt, was sich insbesondere bei Querbelastung als negativ erweist.
Aus verschiedenen Publikationen zum Randaufsticken (z.B. "Gesteigerte Härte von rostfreien Stählen" auf www.process.vogel.de) ist bekannt, dass durch dieses Verfahren die Härte und Korrosionsfestigkeit gesteigert werden kann. 2 gibt ein typisches Diagramm derartiger Publikationen wider. Im Härtediagramm der 2 ist die Rockwell-Härte HRC über der PRE-Zahl als Maß für die Korrosionsbeständigkeit einiger ausgewählter hochlegierter Stähle aufgetragen. Die PRE-Zahl (Pitting Resistance Equivalent) ist ein Maß für die Korrosionsbeständigkeit eines hochlegierten Stahls und errechnet sich mit der Formel: PRE = %Cr + 3,3x%Mo + 16x%N. Erfahrungsgemäß weisen hochlegierte Stähle mit hoher/höherer PRE-Zahl eine hohe/höhere Korrosionsbeständigkeit als hochlegierte Stähle mit niedriger/niedrigerer PRE-Zahl auf. Die Nummern im Diagramm sind die Werkstoffnummern der ausgewählten Stähle, wobei der Punkt links unten jeweils die Härte und die PRE-Zahl des unbehandelten Stahls und der Punkt rechts oben, bei dem ein „h“ hinter der Werkstoffnummer steht, die Härte und die PRE-Zahl nach einem Härten angibt.
Für den Stahl 1.4057 der erfindungsgemäßen Betonschraube sind zusätzlich unten ein Wert mit dem Buchstaben „s“ hinter der Werkstoffnummer und rechts oben mit dem Buchstaben „N“ hinter der Werkstoffnummer eingetragen. Die entsprechenden Punkte (nicht gefüllte Kreise) und Linien (Strich-Punkt-Linien) sind also dem bekannten Diagramm zugefügt und bisher nicht bekannt. Hierauf wird im Weiteren noch eingegangen.
Wie dem Diagramm aus 2 zu entnehmen ist, gibt es nur wenige Stähle, die eine geringe Ausgangshärte vor der der Härtung aufweisen. Hohe Härte geht jedoch regelmäßig mit hoher Sprödigkeit einher und damit zu dem bereits erwähnten Problem bezüglich der Querkrafttragfähigkeit einer hieraus gefertigten Schraube. Selbst bei dem Werkstoff 1.4113, der eine eher niedrige Ausgangshärte aufweist, hat sich die gehärtete Schraube noch als zu spröde erwiesen, vermutlich weil sich das Härteverfahren über die Randschicht hinaus auch auf den Kern der Schraube auswirkt und der Kern hierdurch an Zähigkeit verliert. Einzig der Werkstoff 1.4016 hat nach dieser Darstellung noch eine vergleichbar niedrige Ausgangshärte, erreicht jedoch mangels Molybdän auch nur eine begrenzte Korrosionsbeständigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist eine selbstschneidende Betonschraube aus einem nichtrostenden Stahl vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Überraschend hat sich entgegen der genannten Veröffentlichungen gezeigt, dass mit dem Werkstoff 1.4057 ein ausreichend gutes Verhältnis aus Härte in der Randschicht, Zähigkeit im Kern und Korrosionsbeständigkeit erreichbar ist. Erfindungsgemäß besteht die selbstschneidende Betonschraube oder jedenfalls ihr Schraubenschaft aus einem nichtrostenden Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 nach europäischer Normung (EN 10088-3). Der Kurzname des Stahls ist: X17CrNi16-2. Er weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,17 % (zwischen 0,12 % und 0,22 %), einen Chromgehalt von 16 % (zwischen 15,0 % und 17,0 %) und einen Nickelgehalt von 2 % (zwischen 1,5 % und 2,5 %) auf. Die %-Angaben sind Massen-%. Der Stahl ist vorzugsweise weichgeglüht bei einer Temperatur zwischen beispielsweise 680 °C und 800 °C um seine Verformbarkeit beispielsweise für ein Gewindewalzen zu verbessern. Durch das Weichglühen verringert sich zwar eine Härte des Stahls, es verringert sich allerdings auch eine Sprödigkeit und es erhöht sich eine Zähigkeit des Stahls. Die verringerte Härte lässt sich ausgleichen bzw. eine ausreichende Härte für das Gewindeschneiden in beispielsweise Beton oder Stein lässt sich erreichen durch anschließendes Härten der Oberfläche, also einer Randschicht.
Vorzugsweise besteht die erfindungsgemäße Betonschraube insgesamt, also der komplette Schraubenschaft einschließlich eines Schraubenkopfs, sofern ein solcher vorhanden ist, aus dem Stahl 1.4057. Grundsätzlich genügt, wenn der Schraubenschaft aus dem genannten Stahl besteht. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht jedenfalls der Teil des Schraubenschafts, der ein Gewinde aufweist, unabhängig davon, ob das Gewinde zum Schneiden des Gegengewindes beiträgt oder nicht, aus dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Härten der Betonschraube bei einer Temperatur zwischen beispielsweise 950 °C und 1050 °C vor. Grundsätzlich genügt ein Oberflächenhärten des Schraubenschafts, soweit er ein Gewinde aufweist, eventuell sogar nur soweit das Gewinde zum Schneiden des Gegengewindes beiträgt. An sich genügt ein Härten des Gewindes oder nur des Teils des Gewindes, der das Gegengewinde schneidet. Wegen einer Korrosionsfestigkeit ist vorzugsweise der Schraubenschaft oder die Betonschraube über die gesamte Länge an der Oberfläche gehärtet, insbesondere wenn das Härteverfahren sich positiv auf die Korrosionsfestigkeit auswirkt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht für das Oberflächenhärten ein Aufsticken (Nitrieren oder Nitridieren) vor, also eine Erhöhung des Stickstoffgehalts an einer Oberfläche der Betonschraube zur Erhöhung der Härte. Aufgestickt wird insbesondere eine Oberfläche des Schraubenschafts, soweit der Schraubenschaft ein Gewinde aufweist oder jedenfalls der Teil des Gewindes, der das Gegengewinde in beispielsweise Beton oder Stein schneidet. Es genügt ein Aufsticken des Gewindes oder des Teils des Gewindes, der das Gegengewinde schneidet, wegen der einhergehenden Verbesserung der Korrosionsfestigkeit wird jedoch vorzugsweise die gesamte Oberfläche aufgestickt. Das Aufsticken erfolgt bei einer Ausgestaltung der Erfindung in einer reinen Stickstoffatmosphäre bei Drücken zwischen 100 mbar und einigen 100 mbar. Die Temperatur beim Aufsticken beträgt beispielsweise zwischen 1050 °C und 1150 °C. Vorzugsweise weist der Schraubenschaft an der Oberfläche einen erhöhten Stickstoffgehalt von mindestens 1%, insbesondere mindestens 1,5 % und bevorzugt mindestens 2 %, auf. Gemeint sind wie stets Massen-%. Das Aufsticken kann mehrere Stunden dauern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine selbstschneidende Betonschraube gemäß der Erfindung in Seitenansicht; und
2 ein Härtediagramm eines Stahls der Betonschraube aus 1.
Die in 1 dargestellte, erfindungsgemäße selbstschneidende Betonschraube 1 weist einen Schraubenschaft 2 mit einem Gewinde 3 und einen Schraubenkopf 4 auf. Sie ist zum Eindrehen in ein nicht gezeichnetes, zylindrisches Bohrloch in einem Ankergrund aus Beton oder Stein vorgesehen. Ankergründe aus anderen Materialien sind nicht ausgeschlossen. Beim Eindrehen in das Bohrloch schneidet oder formt in anderer Weise das Gewinde 3 ein Gegengewinde in eine Bohrlochwand.
Die Betonschraube 1 besteht im Ausführungsbeispiel vollständig aus nicht-rostendem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 nach europäischer Norm EN10088. Eine Kurzbezeichnung des Stahls ist: X17CrNi16-2. „Vollständig“ meint, dass der gesamte Schraubenschaft 2 von vorn bis hinten und der Schraubenkopf 4 aus diesem Stahl bestehen. Der Stahl ist bei einer Temperatur zwischen 680 °C und 800 °C weichgeglüht, wodurch seine Härte gegenüber ungeglühten Formen mit etwa 52 HRC auf unter 20 HRC verringert und der Stahl umformbar ist.
Nach dem Weichglühen ist an einen Rohling durch Stauchen der Schraubenkopf 4 angeformt und durch Gewindewalzen das Gewinde 3 geformt. Der Rohling ist ein Runddraht oder ein zylindrisches Stück aus dem weichgeglühten Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057.
Nach dem Anformen des Schraubenkopfs 4 und dem Walzen des Gewindes 3 ist die Betonschraube 1 bei einer Temperatur zwischen 1050 °C und 1150 °C in einer reinen Stickstoffatmosphäre bei einem Druck zwischen 100 mbar und einigen hundert mbar aufgestickt (nitriert bzw. nitridiert) und danach schnell abgeschreckt. Die Betonschraube 1 ist hierdurch randschichtgehärtet, wobei durch das Aufsticken ein Stickstoffgehalt nur an einer Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 0,2 mm bis 0,3 mm erhöht ist. Während die Oberfläche hierdurch eine Härte von etwa 56 bis 60 HRC erlangt, hat sich überraschend gezeigt, dass der Kern eine Härte von nur etwa 30 bis 35 HRC aufweist. Der Kern ist damit noch so zäh, dass die Schraube insgesamt ausreichenden zäh und damit unempfindlich gegen Querkräfte ist. Gleichzeitig ist die Härte an der Oberfläche so ausgeprägt, dass dies zum Schneiden eines Gegengewindes in Beton genügt. Der Stickstoffgehalt an der Oberfläche beträgt über 2 Massen-%. Die Bestimmung des Stickstoffgehalts erfolgt hier mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) mit einem EDX-Messsystem der Firma Oxford Instruments. Gemessen werden an je einem Flächenspektrum 2,03 % beziehungsweise 2,43 %. Das Härten erhöht eine Korrosionsbeständigkeit. Durch das Aufsticken auf einen Stickstoffgehalt von über 2 % an der Oberfläche ergibt sich rechnerisch eine PRE-Zahl von über 48 (zwischen 48,5 und 54,9). Der hohe Stickstoffgehalt an der Oberfläche der erfindungsgemäßen Betonschraube 1 ergibt die hohe PRE-Zahl und lässt entsprechend eine hohe Korrosionsbeständigkeit erwarten.
Im Härtediagramm der 2 ist für den Stahl 1.4057 der erfindungsgemäßen Betonschraube 1 zusätzlich unten mit dem Buchstaben „s“ hinter der Werkstoffnummer die Härte von unter 20 HRC in der weichgeglühten Ausgangsform und rechts oben mit dem Buchstaben „N“ hinter der Werkstoffnummer die Oberflächenhärte von über 52 HRC und die PRE-Zahl von über 48 nach dem Aufsticken eingetragen. Ohne Weiteres ist aus dem Härtediagramm der 2 zu erkennen, dass der Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 in geglühter Ausgangsform der erfindungsgemäßen selbstschneidenden Betonschraube 1 nach dem Randschichthärten eine Härte auf dem Niveau vergleichbarer hochlegierter Stähle aufweist und eine Korrosionsbeständigkeit zu erwarten ist, die weit über der Korrosionsbeständigkeit vergleichbarer hochlegierte Stähle ist.
Bezugszeichenliste

1: Betonschraube
2: Schraubenschaft
3: Gewinde
4: Schraubenkopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013108032 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 10088-3 [0007]
Norm EN10088 [0015]

Claims

Selbstschneidende Betonschraube (1) mit einem Schraubenschaft (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenschaft (2) aus nichtrostendem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 besteht.
Selbstschneidende Betonschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Gewinde (3) aufweisender Teil des Schraubenschafts (2) einstückig ist und aus dem nichtrostendem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 besteht.
Selbstschneidende Betonschraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenschaft (2) einstückig von einem zu einem anderen Ende durchgeht und aus dem nichtrostendem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4057 besteht.
Selbstschneidende Betonschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Herstellung der Betonschraube (1) verwendete Stahl im Ausgangszustand vor dem Gewindewalzen weichgeglüht ist.
Selbstschneidende Betonschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Gewinde (3) aufweisender Teil des Schraubenschafts (2) an einer Oberfläche gehärtet ist.
Selbstschneidende Betonschraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Gewinde (3) aufweisender Teil des Schraubenschafts (2) an einer Oberfläche aufgestickt ist.
Selbstschneidende Betonschraube nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ein Gewinde aufweisende Teil des Schraubenschafts (2) bei Temperaturen zwischen 1.050°C und 1.150°C aufgestickt ist.
Selbstschneidende Betonschraube nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ein Gewinde (3) aufweisende Teil des Schraubenschafts (2) an einer Oberfläche einen erhöhten Stickstoffgehalt von mindestens 1, insbesondere mindestens 1,5 und vorzugsweise mindestens 2 Massen-% aufweist.