DE1817205B1

DE1817205B1 - Verfahren zur Herstellung eines Bolzens hoher Korrosionsbestaendigkeit und Zugfestigkeit

Info

Publication number: DE1817205B1
Application number: DE19681817205
Authority: DE
Inventors: Takao Yamazaki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-01-22
Filing date: 1968-12-27
Publication date: 1970-07-30
Also published as: US3560272A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bolzen bzw. Schrauben u. dgl. mit hoher Zugfestigkeit, die mechanische Festigkeit mit ausgezeichneter Korrosionswiderstandsfähigkeit bei Belastung verbinden. Außerdem betrifft die Erfindung durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Bolzen bzw. Schrauben u. dgl. mit hoher Zugfestigkeit, die nachfolgend der Einfachheit halber allgemein als Bolzen bezeichnet werden.

Das Hauptziel der Erfindung ist es, die solcherart von Bolzen anhaftenden schwerwiegenden Nachteile dadurch zu beseitigen, daß deren unter Belastung auftretende Korrosionswiderstandsfähigkeit bedeutend verbessert wird.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit den Zeichnungen durch die nachfolgende Beschreibung weiter verdeutlicht.

F i g. 1 zeigt eine Teilansicht einer Testvorrichtung zur Untersuchung der Korrosionswiderstandsfähigkeit von belasteten Bolzen hoher Zugfestigkeit, und

F i g. 2 zeigt eine Teilansicht einer Testvorrichtung zur Untersuchung des zeitabhängigen Bruchverhaltens bzw. des Bruchverhaltens unter Dauerbeanspruchung.

Bolzen hoher Zugfestigkeit haben heutzutage im allgemeinen mechanische Eigenschaften, wie sie in Tabelle 1 nachfolgend aufgeführt sind und die beispielsweise den japanischen Industrienormen (JIS) entsprechen. Der in der Tabelle unter der Nomenklatur 13 T aufgeführte Gegenstand gilt bezüglich der Festigkeit als der beste.

Tabelle

Bezeichnung	Zugfestigkeit kg/mm²	Streckgrenze kg/mm²	Dehnung %	Einschnürung 0/ /0	Härte (Rockwell)
7 T 1 Stück 9 T 2 Stücke 11 T 3 Stücke 13 T 4 Stücke	70 90 110 130	70 95 110	>14 >14 >14 >14.	>35 >35 >35 >35	RB95~Rc30 Rc 26 ~ Rc 35 Rc 33 ~ Rc 40 Rc 36-Rc 45

Im allgemeinen jedoch muß die Zugfestigkeit von Bolzen zur Verwendung bei Brücken großer Spannweite und ähnlichem wesentlich höher sein als die in der obenstehenden Tabelle aufgeführte, und bei vielen anderen Verwendungsarten verursacht selbst der unter der Bezeichnung 13 T aufgeführte Bolzen sehr hoher Zugfestigkeit durch Bruch im Bereich seines Kopfes Schwierigkeiten dadurch, daß der Kopf wegen der unter Belastung zu geringen Korrosionswiderstandsfähigkeit abbricht.

In jüngster Zeit wurden verschiedene Versuche und Studien zur Lösung der bei hochfesten Bolzen auftretenden Schwierigkeiten unternommen.

Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Erhöhung der Festigkeit von Bolzen, Schrauben u. dgl. Das Verfahren umfaßt die Entkohlung der Oberflächenschicht, das Abschrecken und die nachfolgende Wärmebehandlung. Das angestrebte Ziel wird dadurch erreicht, daß die Oberflächenschicht des Bolzens bis zu einer Tiefe von 0,2 bis 0,3 mm entkohlt wird und daß der Bolzen anschließend 10 bis 60 Minuten bei 850 bis 1000° C erwärrnt, abgeschreckt und bei 200 bis 550⁰C angelassen wird.

Die verbesserte mechanische Festigkeit und die bei Belastung auftretende Korrosionswiderstandsfähigkeit eines nach dem erwähnten Verfahren hergestellten hochzugfesten Bolzens wird durch das nachfolgende Beispiel unter Bezug auf die F i g. 1 und 2 sowie auf die Tabellen 2 bis 4 weiter veranschaulicht.

Ein gemäß Tabelle 2 zusammengesetzter Stahl wurde in einem 50-kg-Hochfrequenzofen geschmolzen und zu Stahlstäben von etwa 9,5 bis 16 mm Durchmessern warmgewalzt.

C Si Mn
0,43 0,53 0,73

Tabelle 2

P S Fe

0,029 0,022 Restgehalt

65 Die warmgewalzten Stahlstäbe hatten eine Länge von etwa 400 mm und waren an Teilen ihres äußeren Umfangs mit Schraubengewinde versehen. Die Oberflächenschicht einiger der Proben wurde dadurch entkohlt, daß diese Proben für etwa 1,5 Stunden bei einer Temperatur von 840° C in ein Gasgemisch aus Propan und Luft gehalten wurden, daß ein Mischungsverhältnis von 1:3,2 — bezogen auf das Volumen — aufwies. Dadurch wurde die Oberfläche auf einer Schichtdicke von etwa 0,2 bis etwa 0,3 mm entkohlt. Die übrigen Proben wurden nicht entkohlt. Sämtliche Proben wurden für 10 bis 60 Minuten bei einer Temperatur von 850 bis 1000° C erwärmt und in Wasser von Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend für 30 bis 60 Minuten bei 200 bis 550° C einer Nachbehandlung durch Wärme unterzogen". Die so vorbereiteten Proben wurden auf Korrosionswiderstandsfähigkeit bei Belastung und auf zeitabhängiges Bruchverhalten untersucht.

Der Versuch zur Bestimmung des Korrosionswiderstandes unter Belastung wurde gemäß den Bedingungen nach Tabelle 3 unternommen. Dieser Test ist für Stahlmaterialien zur Verwendung in Spannbeton allgemein bekannt.

Tabelle 3 . Versuchsbedingungen

Testlösung:

Ca(NOa)₂ (87%) + NH₄NO₃ (3%) + H₂O (10%), Versuchstemperatur:

115 ± 5° C,
Versuchsbeanspruchung:

⁷/i2 der Zugfestigkeit,
Versuchsdurchführung:

Bestimmung der Zeit bis zum Bruch der Probe.

Die verwendete Versuchsvorrichtung zur Bestimmung der Korrosionswiderstandsfähigkeit unter Be-

lastung ist in F i g. 1 dargestellt. Gummistöpsel 2 und 2' halten die Probe 1 in die Testlösung 3 in einem Behälter 7 eingetaucht, der auf einer Heizvorrichtung 4 angeordnet ist. Nachdem eine bestimmte Zugbeanspruchung mittels einer Zugprüfyorrichtung aufgebracht wurde, wobei der Kopf der Probe am Ende e eines Halters 10 gehalten wird, wird das mit Schraubgewinde versehene Ende der Probe mittels einer gerändelten Mutter 11 am Ende e' des Halters 10 festgespannt. Ein Thermometer 5 ist in den Behälter eingesetzt, und ein Kondensator 6 ist am Oberteil der Vorrichtung vorgesehen, um den aus der Testlösung 3 beim Sieden austretenden Wasserdampf zu kondensieren und in die Lösung 3 zurückzuführen.

Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse werden die folgenden Kriterien verwendet. Beträgt die Zeit bis zum Bruch 24 Stunden oder weniger, so werden für die Verwendung der Bolzen sehr genaue Begrenzungsvorschriften und eng begrenzte Uberwachungsbedingunen notwendig sein. Beträgt die Zeit bis zum Bruch 24 bis 48 Stunden so sollten einige Begrenzungsvorschriften und einige Uberwachungsbedingungen beachtet werden. Beträgt die Zeit bis zum Bruch 48 bis 72 Stunden so sind keine einschränkenden Bedingungen notwendig, und wenn die Zeit bis zum Bruch 72 Stunden überschreitet, so können die Bolzen als ausgezeichnet bezeichnet werden.

Die Versuchsergebnisse bezüglich der mechanischen Eigenschaften der Proben, deren Oberflächenschicht entkohlt wurde, sind in Tabelle 4 dargestellt, und die Versuchsergebnisse bezüglich der Korrosionswiderstandsfähigkeit unter Belastung stellen sich für alle Proben wie folgt dar: Die Proben hatten eine entkohlte Oberflächenschicht von etwa 0,2 mm Tiefe und zeigten selbst bei einer über 72 Stunden hinausgehenden Versuchszeit keinen Bruch, während diejenigen Proben, bei denen keine Entkohlungsbehandlung vorgenommen worden war, bereits nach 2 bis 4 Stunden brachen.

Tabelle 4

Zugfestigkeit
kg/mm²

über 143

Dehnung

(Meßlänge gleich
8 χ dem Durchmesser)

Versuche zur Bestimmung des zeitabhängigen Bruchverhaltens wurden ebenfalls mit Proben derselben Zusammensetzung durchgeführt, die auf dieselbe Weise hergestellt worden waren, wie jene, deren Korrosions Widerstandsfähigkeit bei Belastung durch die obigen Versuche ermittelt wurde.

Die zur Bestimmung des Zeit-Bruch-Verhaltens verwendete Versuchsanordnung ist in F i g. 2 dargestellt. Die Probe 1' wird in eine H₂SO₄-Lösung3' mit dem pH-Wert 1 eingetaucht. Eine Zugbeanspruchung von 70% der Zugfestigkeit von Probe Γ wird in Richtung des Pfeiles mittels einer Zugprüfvorrichtung (nicht dargestellt) aufgebracht. Ein Kathodenstrom von 1,7 mA/cm² wurde durch Probe Γ geleitet. In einem die Probe Γ lecksicher umgebenden Gummibehälter 9 ist die Lösung enthalten, in die eine Platinanode 8 eintaucht.

Die Zeiten bis zum Bruch der Proben waren wie folgt: Die Proben, die mit der entkohlten Oberflächenschicht mit einer Dicke von etwa 0,2 mm versehen waren, brachen selbst nach 50 Stunden noch nicht, während die Proben, die einer entkohlenden Behandlung nicht unterzogen worden waren, bereits nach 0,4 bis 2 Stunden brachen.

Die oben beschriebenen Versuchsergebnisse bezüglich der Korrosionswiderstandsfähigkeit bei Belastung und des zeitabhängigen Bruchverhaltens stimmen mit vielen anderen Versuchsergebnissen überein, die an Proben mit den folgenden verschiedenen Zusammensetzungen durchgeführt wurden:

	Si	Mn	P	Tabelle	5	Cr	Ni	Mo	Fe
C	0,15 bis 2,5%	0,5 bis 1,5%	<0,03%	S	2% und weniger	1% und weniger	1% und weniger	Rest
0,15 bis 0,5%			<0,03%

Aus den erhaltenen Versuchsergebnissen ist ersichtlich, daß die Korrosionswiderstandsfähigkeit bei Belastung und das Zeit-Bruch-Verhalten durch das erfindungsgemäße Verfahren ganz wesentlich verbessert werden. Ein Vergleich der Testergebnisse für diejenigen Versuchsstücke, auf die das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewendet wurde, mit dem Versuchsergebnis derjenigen Proben, auf die das Verfahren der Abschreckung und nachfolgenden Wärmebehandlung des Materials nach einer Entkohlung der Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe von etwa 0,2 mm angewendet wurde, zeigt, daß die Versuchsstücke, deren Oberflächenschicht entkohlt wurde, selbst nach mehr als 72 Stunden eines Versuches zur Ermittlung der Korrosionswiderstandsfähigkeit unter Belastung nicht brechen. Desgleichen zeigt sich für dieselben Proben in Zeit-Bruch-Versuchen selbst nach mehr als 50 Stunden kein Bruch. Weiterhin weist Tabelle 4 aus, daß die erfindungsgemäß behandelten Proben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften haben.

Versuche haben gezeigt, daß es bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Rolle spielt, ob ein Teil oder die gesamte äußere Oberfläche des Materials mit Gewinde versehen ist und die Oberflächenschicht nach dem Aufbringen des Gewindes entkohlt wird, worauf das entkohlte Stück abgeschreckt und einer Wärmebehandlung unterzogen wird, oder ob die entkohlte Oberflächenschicht des Stahlmaterials mit Gewinde versehen und dann abgeschreckt und wärmebehandelt wird. Beide Arten von Verfahrensschritten ergeben dieselben verbesserten Ergebnisse.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde es möglich, Bolzen hoher Zugbeanspruchung so auszubilden, daß sie die an sie gestellten hohen Anforderungen in befriedigender Weise erfüllen können.

Claims

ί 817 205 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und zur Erhöhung der Festigkeit von Bolzen, Schrauben u. dgl., die aus Stahl bestehen, der 0,15 bis 0,50% Kohlenstoff, 0,15 bis 2,5% Silicium, 0,5 bis 1,5% Mangan, 0 bis 0,03% Phosphor und weniger als 0,03% Schwefel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen, die Schraube oder ein ähnliches Teil in an sich bekannter Weise bis auf eine Schichttiefe von 0,2 bis 0,3 mm entkohlt wird, 10 bis 60 Minuten bei 850 bis 1000⁰C erwärmt, auf Raum

temperatur abgeschreckt und 30 bis 60 Minuten bei 200 bis 550⁰C angelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkohlung über eine Zeit von 1,5 Stunden bei 840° C in einem Propan-Luft-Gemisch in einem Volumenverhältnis von 1:3,2 durchgeführt wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf einen Stahl, der 0,15 bis 0,50% Kohlenstoff, 0,15 bis 2,5% Silicium, 0,5 bis 1,5% Mangan, 0 bis 0,03% Phosphor, weniger als 0,03% Schwefel, 0 bis 2% Chrom, 0 bis 1% Nickel, 0 bis 1% Molybdän, Rest Eisen und herstellungsbedingte Verunreinigungen enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen