DE19540848A1 - Schraube und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube aus rostfreiem Stahl mit harter Spitze, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Mit den Fortschritten auf dem Gebiet des Korrosionsschutzes von Stahlblechen haben sich die Anforderungen an die Korro­ sionsbeständigkeit von Schrauben erhöht. An Schrauben, die im Außenbereich eingesetzt werden und starken Witterungsein­ flüssen und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen bezüglich der Korrosionsbeständigkeit ge­ stellt. Bei selbstbohrenden und/oder selbstschneidenden Schrauben stieß man dabei auf das Problem, daß die auf dem Gebiet der Schraubenherstellung bekannten rostfreien Stähle, z. B. V2A- oder V4A-Stahl, nicht die für eine selbstbohrende bzw. selbstschneidende Schraubenspitze erforderliche Härte aufwiesen.

Es ist eine Schraube bekannt, die einen ersten Schaftab­ schnitt aus austenitischem rostfreiem Stahl aufweist, der mit dem Schraubenkopf einstückig ist und an seinem freien Ende mit einem zweiten gehärteten Schaftabschnitt aus einem aufgekohlten Stahl verschweißt ist, dessen freies Ende oder Spitze einen Bohrabschnitt bildet (DE 43 10 938 A1). Bei der bekannten Schraube sind jeweils zwei Materialien mit deut­ lich unterschiedlicher Korrosionsbeständigkeit verbunden. Dementsprechend kann diese Schraube die hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit nur unzureichend erfüllen.

Ferner ist eine Schraube aus austenitischem rostfreiem Stahl bekannt (EP 0 523 298 B1), deren Schaft durch Nitrieren ge­ härtet und zum Korrosionsschutz mit einem vor Korrosion schützenden Metall- oder Kunststoffüberzug versehen wird. Dieser schützende Überzug ist erforderlich, weil die Korro­ sionsbeständigkeit des austenitischen Stahls durch die Ni­ trierschicht stark beeinträchtigt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schraube mit harter Spit­ ze zu schaffen, welche eine bessere Korrosionsbeständigkeit auch im harten Spitzenabschnitt aufweist. Ferner soll mit der Erfindung ein einfaches Herstellverfahren für eine sol­ che Schraube angegeben werden.

Diese Aufgaben werden mit einer Schraube nach Anspruch 1 und einem Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.

Erfindungsgemäß werden zwei Materialien mit in etwa gleich guter Korrosionsbeständigkeit, aber unterschiedlicher Härte verwendet, wobei das weichere Material für denjenigen Be­ reich der Schraube verwendet wird, in dem der Umformungsgrad groß ist, nämlich für ersten Schaftabschnitt umfassend den Kopf der Schraube, während das härtere Material für denjeni­ gen Bereich der Schraube verwendet wird, in dem der Umfor­ mungsgrad geringer, die erforderliche Härte jedoch größer ist, nämlich den zweiten Schaftabschnitt umfassend die Spit­ ze der Schraube. Dadurch kann die Spitze wesentlich härter ausgelegt werden, als wenn die Schraube insgesamt aus einem einzigen Material gefertigt würde.

Das Material des zweiten Schaftabschnittes ist ausreichend duktil, um durch Kaltumformung eine Bohrspitze und/oder ein Gewinde herzustellen. Nach dem Auslagerungs-Härteprozeß erreicht das Material bei ungeminderter Korrosionsbeständig­ keit eine ausreichend hohe Gebrauchshärte.

Als für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet hat sich zur Herstellung des zweiten Schaftabschnittes eine an sich bekannte Legierung gemäß Anspruch 4, insbesondere gemäß An­ spruch 5, herausgestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nur eine relativ geringe Auslagerungstemperatur, vorzugsweise ca. 475°C. Damit kann im Spitzenbereich der Schraube die für die Funk­ tion der Schraube notwendige Oberflächenhärte von bis zu 720 HV erreicht werden, während die für den Einsatz der Schraube erforderliche Flexibilität des Materials in ausreichendem Maße erhalten bleibt.

Da erfindungsgemäß zwei Materialien verbunden werden, die eine ähnlich gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, treten die vom Stand der Technik her bekannten Nachteile bei der Verbindung von austenitischen Materialien mit kohlenstoff­ reichen oder aufgekohlten Stählen, z. B. Verspröden der Schweißnaht oder Aufkohlen des austenitischen Schraubenteils bei der Wärmebehandlung, nicht auf. Der mit Gewinde versehe­ ne Schaftbereich ist über seine gesamte Länge korrosionsbe­ ständig. Aufwendiges Nacharbeiten, wie die Bearbeitung der Schweißnaht vor dem Gewindewalzen oder die Oberflächenbe­ handlung der angeschweißten Spitze, entfallen.

Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Werkstoffkombina­ tion wird weiterhin erreicht, daß die - vorzugsweise durch Widerstandspreßschweißen - gebildete Verbindungsnaht eine homogene, nicht versprödende Aufschmelzzone bildet, die kei­ nerlei Nacharbeit mehr erfordert.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen mit weite­ ren Einzelheiten näher erläutert. Dabei sind die Fig. 1 bis 3 schematische Darstellungen verschiedener Stadien des er­ findungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b einen ersten Schaftabschnitt und einen zweiten damit zu verschweißenden Schaftabschnitt,

Fig. 2a und 2b die Vorgänge des Zusammenfügens und Verschweißens der beiden Schaftabschnitte, und

Fig. 3 die fertige Schraube.

Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraube geht man von einem Schraubenrohling 1 aus einem austenitischen rostfreien Stahl, vorzugsweise V2A- oder V4A-Stahl, aus, der schematisch in Fig. 1a gezeigt ist. Dieser Schraubenrohling hat einen Schaftabschnitt 3 mit einem Kopf 2 am einen Ende und mit einer Stirnfläche 3a am anderen, freien Ende. Ein zweiter Schaftabschnitt 5 in Gestalt eines Rundstabes wird aus einem korrosionsbeständigen martensitisch aushärtbaren Stahl (vgl. Fig. 1b) bereitgestellt, der die Schraubenspitze bilden soll und gleichen Durchmesser wie der erste Schaftabschnitt 3 des Schraubenrohlings sowie ein Ende 5a hat. Als Material für den Rundstab 5 ist ein martensitischer Stahl verwendet, der η-Ni₃Ti-Ausscheidungen im Martensit enthält, die dem Material Festigkeit verleihen. Vorzugsweise enthält ein solcher Stahl etwa 12% Cr und etwa 9% Ni sowie ungefähr 1% Ti, dies bei einem Kohlenstoffgehalt von vor­ zugsweise unter 0,01%. Der Stahl kann vorteilhafterweise weiterhin noch Molybdän in einem Anteil von etwa 4% enthal­ ten. Besonders gute Ergebnisse wurden mit der Legierung 1XRK91 (V) erzielt, die 0,004% C; 0,05% Si; 0,17% Mn; 0,002% S; 11,7% Cr; 9,1% Ni; 4,1% Mo; 2,0% Cu und 1,0% Ti aufweist. Prozentangaben in der Beschreibung und den Ansprechen bezie­ hen sich immer auf Gewichtsprozente.

Die beiden zu verschweißenden Enden 3a bzw. 5a werden ange­ fast, um Platz für eine Schweißnaht innerhalb des Schaft­ durchmessers zu schaffen, und dann durch Preßschweißen, vor­ zugsweise durch Widerstandspreßschweißen oder Reibschweißen, miteinander verschweißt. Dabei bildet sich zwischen den bei­ den Schaftabschnitten 3 und 5 wegen der im Durchmesser re­ duzierten Schweißnaht eine Aufschmelzzone 10 ohne vorstehen­ den Schweißgrat, so daß ein Nachbearbeiten der Schweißstelle entfällt.

Danach wird in dem nunmehr aus den beiden unlösbar verbunde­ nen Schaftabschnitten 3 und 5 gebildeten Schaft ein Gewinde gewalzt. Je nach Zweckbestimmung wird das Gewinde in dem austenitischen und/oder martensitischen Schaftabschnitt aus­ gebildete wobei insbesondere in dem harten martensitischen Schaftabschnitt ein selbstschneidendes Gewinde hergestellt werden kann, so daß mit der Schraube ein Gewinde im Aufnah­ mewerkstoff geschnitten werden kann. Das Gewinde der Schrau­ be kann insbesondere so ausgestaltet sein, wie dies in der internationalen Patentanmeldung WO94/25763 und der Europäi­ schen Patentanmeldung EP 0 623 759 A2 ausführlich beschrie­ ben ist. Auf diese Druckschriften wird Bezug genommen.

In diesem Herstellungsstadium kann gegebenenfalls auch eine Bohrspitze an dem Schraubenschaft angeschmiedet oder an der Schraubenspitze ausgeformt werden.

Danach wird die Schraube bei ca. 475°C ausgelagert. Dabei erfährt der vordere Schaftabschnitt 5 eine Auslagerungshär­ tung. Wegen der geringen Auslagerungstemperatur bleibt dabei die Kaltverfestigung des austenitischen Schaftteils 3 im wesentlichen erhalten. Sofern der vordere Schaftabschnitt 5 nach dem Verschweißen keine erhebliche Verformung mehr er­ fährt, kann die Schraubenspitze 5 auch vor dem Anschweißen wärmebehandelt werden, wodurch die Gefahr einer Verringerung der Kaltverfestigung des austenitischen Schraubenteils 3 vollständig vermieden wird.

Die erfindungsgemäße Schraube findet eine Vielzahl von An­ wendungen insbesondere auf dem Gebiet der Bautechnik beispielsweise als dübellose Schraube zum Einschrauben in Mauerwerk oder Beton. Schaft und Gewinde der erfindungsgemä­ ßen Schraube können weitgehend frei gestaltet werden. Der Schaftabschnitt aus austenitischem Stahl kann z. B. verkürzt und im Extremfall auch ganz weggelassen werden, so daß der martensitische Schaftabschnitt 5 direkt an dem Schraubenkopf 2 angeschweißt ist.

Claims (11)

1. Schraube aus rostfreiem Stahl mit harter Spitze, deren Schaft einen ersten, den Schraubenkopf aufweisenden Schaftabschnitt (3) aus austenitischem Stahl und einen zweiten, die Schraubenspitze aufweisenden Schaftab­ schnitt (5) aus martensitaushärtendem Stahl hat, wobei die beiden Schaftabschnitte (3, 5) miteinander ver­ schweißt sind und wobei mindestens der zweite Schaftab­ schnitt (3, 5) mit einem Gewinde versehen ist.

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens die Schraubenspitze bohrend und/oder gewindeschneidend ausgebildet ist.

3. Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der martensitaushärtende Stahl einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,01% aufweist.

4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der martensitaushär­ tende Stahl ungefähr 12% Cr, 9% Ni, 4% Mo und 1% Ti enthält.

5. Schraube nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der martensitaushärtende Stahl enthält: 0,004% c; 0,05% Si; 0,17% Mn; 0,002% S; 11,7% Cr; 9,1% Ni; 4,1% Mo; 2,0% Cu; 1,0% Ti.

6. Verfahren zum Herstellen einer Schraube, welches die folgenden Schritte umfaßt:

• a) Herstellen eines ersten Schraubenschaftes aus einem austenitischen rostfreien Stahl,
• b) Herstellen eines zweiten Schaftabschnitts aus einem martensitaushärtenden rostfreien Stahl,
• c) Verschweißen der beiden Schaftabschnitte,
• d) Formen eines Gewindes auf mindestens dem zweiten Schaftabschnitt,
• e) Härten des zweiten Schaftabschnittes durch Aus­ lagern.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Anfasen der zu verschweißenden Enden der beiden Schaftabschnitte, derart, daß beim Verschweißen keine vorstehende Schweißnaht entsteht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaftabschnitte durch Wider­ standspreßschweißen oder durch Reibschweißen verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ge­ kennzeichnet durch Anschmieden einer Bohr­ spitze an dem zweiten Schaftabschnitt nach dem Ver­ schweißen der beiden Schaftabschnitte.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ge­ kennzeichnet durch Walzen des Gewindes auf dem zweiten Schaftabschnitt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslagerungshärten nach dem Gewindeformen bei ungefähr 475°C durchgeführt wird.