DE19815670C2 - Selbstgewindeformende Schraube aus korrosionsbeständigem Material - Google Patents
Selbstgewindeformende Schraube aus korrosionsbeständigem MaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine selbstgewindeformende Schraube aus korrosionsbestän
digem austenitischem Stahl, mit einem durch Kaltumformung gebildeten und an
schließend gehärteten, als Formzone dienenden Schaftabschnitt sowie ein Verfahren
zu ihrer Herstellung.
Eine derartige Schraube ist aus der DE 32 35 447 A1 bekannt. Durch die Kaltumfor
mung des die Formzone bildenden Schaftabschnitts wird das austenitische Gefüge
verfestigt und erhält außerdem durch Bildung von Umform-Martensit eine höhere Här
te, ohne dass die Korrosionsbeständigkeit des Materials leidet. Weil aber die von der
Kaltverfestigung bewirkte Härtesteigerung nicht ausreicht, mit dieser Schraube ein
ausreichendes Gegengewinde beispielsweise in hochfestem Blech zu formen und
ggf. zuvor das Kernloch zu bohren, ist dort vorgesehen, die Formzone einer Einsatzhärtung
unter Aufkohlen oder Aufsticken zu unterwerfen. Diese muss dabei nicht nur
auf eine Temperatur von 800 bis 900°C bzw. 500 bis 600°C erwärmt, sondern vor
allem über eine längere Zeit - mindestens einige Minuten - auf dieser Temperatur
gehalten werden, worauf abgeschreckt bzw. abgekühlt wird. Eine solche thermische
Belastung der Formzone - und damit auf Grund Wärmeleitung der ganzen Schraube
- macht jedoch die mit dem Kaltumformen einhergehende Härtung der Formzone
wieder rückgängig. Diese bekannte Schraube bezieht die Härte ihrer Formzone mithin
nur aus der Einsatzhärtung, was jedoch auf Kosten der Korrosionsbeständigkeit geht.
Es ist ferner aus der US 5,186,688 A bekannt, eine durch Kaltumformung hergestellte
Schraube aus austenitischem Stahl einer Ausscheidungshärtung zu unterwerfen. Die
Erwärmung erfolgt im Ofen bei 500°C über 2 Stunden. Dabei kommt es zur Ausschei
dung die Festigkeit grundsätzlich steigernder intermetallischer Phasen (vgl. ICS
Handbuch, 2. Ausg. 1997, S. 239), die jedoch - wie festgestellt wurde - während der
langen Wärmebehandlung an die Korngrenzen diffundieren, dadurch den Stahl ver
spröden fassen und innerhalb des Gefügekorns nicht mehr für die Korrosionsbestän
digkeit zur Verfügung stehen.
Auch der sonstige Stand der Technik bestätigt die allgemeine Auffassung der Fach
welt, dass sich gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Härte gegenseitig ausschlie
ßen.
Demzufolge konnte das der Erfindung zugrunde liegende Problem, nämlich eine
selbstgewindefurchende Schraube zu schaffen, die zum Einschrauben in Stahl großer
Härte geeignet und gleichzeitig korrosionsbeständig ist sowie wirtschaftlich herge
stellt werden kann, bisher nicht befriedigend gelöst werden.
Die erfindungsgemäße Lösung des Problems besteht in einer Schraube der eingangs
angegebenen Gattung, bei der nur die Formzone durch induktive Erwärmung aus
scheidungsgehärtet ist. Es hat sich gezeigt, dass die sehr kurzzeitige Erwärmung der
Formzone in dieser zwar zur Ausscheidung intermetallischer Phasen führt, diese aber
keine Zeit haben, an die Korngrenzen zu diffundieren. Sie bleiben vielmehr im Gefüge
verteilt und hindern dessen innere Beweglichkeit, was eine entsprechend starke und
gleichmäßige Festigkeitserhöhung der Formzone bedeutet, ohne dass deren Sprö
digkeit nennenswert zunimmt. Die hohe Korrosionsbeständigkeit der Schraube bleibt
in der Formzone im wesentlichen und im übrigen in vollem Umfang erhalten.
Die Formzone kann neben der Gewindeformzone zusätzlich eine lochbildende Spitze
umfassen, so dass kein Vorbohren erforderlich ist. Die lochbildende Spitze kann eine
Bohrspitze sein, sie kann aber auch Teil einer fließlochformenden Schraube sein, die
ebenfalls das für die Verschraubung erforderliche Loch selbst erzeugt. Im Unterschied
zur Bohrschraube mit einer Bohrspitze wird das Loch jedoch nicht unter Spanbildung
geschnitten, sondern durch Materialumformung erzeugt. Dabei entsteht um das Loch
ein Materialwulst, der ebenfalls mit einem Innengewinde versehen zur Ausreißfestig
keit der Schraubverbindung beiträgt.
Ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße Schraube zeichnet sich dadurch
aus, dass die Schraube zunächst durch Pressen und Walzen oder durch Gewinde
rollen oder -schneiden oder auf andere bekannte Weise geformt und mit einer Gewin
deformzone sowie ggf. einer lochbildenden Spitze versehen wird, und dass sie an
schließend in der Gewindeformzone sowie ggf. der lochbildenden Spitze durch induk
tive Erwärmung partiell ausscheidungsgehärtet wird.
Die Schraube wird vorzugsweise aus einem Werkstoff gefertigt, der einen hohen Ge
halt an interstitiell gelöstem Stickstoff (N) aufweist. Folgender Bereich der chemischen
Werkstoffzusammensetzung wird bevorzugt:
0,01-0,12% C
1-20% Mn
0-3% Mo
15-25% Cr
0-15% Ni
0,1-0,9% N
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15-25% Cr
0-15% Ni
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Durch die Ausscheidungsbehandlung werden Nitride und/oder in geringem Umfang
Carbide ausgeschieden. Dadurch wird die erwünschte Härtesteigerung - vornehm
lich in den bereits durch die mechanische Umformung verfestigten und umgewan
delten Gefügebereichen - ausgelöst.
Durch eine Begrenzung des Kohlenstoff-Gehaltes wird die Chromcarbid-Bildung, die
sich bevorzugt auf den Korngrenzen einstellt, bewußt gering gehalten, denn die
Chromcarbid-Bildung würde die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Korrosion
steigern.
Alternativ bieten sich für die Fertigung von selbstgewindeformenden Schrauben mit
nachfolgender partieller Ausscheidungshärtung Werkstoffe an, die beispielsweise
bis zu 1,5% Bor enthalten. Dabei werden bei Verwendung eines borhaltigen
Werkstoffes während der Wärmebehandlung Boride ausgeschieden. Gegebenenfalls
könnten auch Vanadin-, Niob- oder Titan-legierte Werkstoffe verarbeitet werden.
Schrauben dieser Werkstoff-Varianten erzielen eine Härtesteigerung aufgrund der
Wärmebehandlung durch die Bildung von Vanadin-, Niob oder Titan-Carbidphasen.
Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren
näher erläutert werden. Diese zeigen:
Fig. 1 eine selbstgewindeformende Schraube mit Linsenkopf;
Fig. 2 eine selbstgewindeformende Schraube mit Sechskantkopf und Formnuten;
Fig. 3 eine Bohrschraube;
Fig. 4 eine Bohrschraube mit fließlochformendem Schaftanschnitt;
Fig. 5 eine fließlochformende Schraube mit Formnuten; und
Fig. 6 eine alternative fließlochformende Schraube ohne Formnuten.
Die selbstgewindeformende Schraube 10 aus Fig. 1 weist einen Schaft 12 auf, der
mit einem Außengewinde 14 versehen ist und an einem Ende von einem Schrau
benkopf 16 begrenzt ist. Ein Schaftabschnitt am kopffernen Ende des Schaftes 12
bildet eine Gewindeformzone 18. Diese bildet auch die Formzone der Schraube 10.
Im Bereich dieser Gewindeformzone 18 ist die Schraube 10 ausscheidungsgehärtet,
so dass sie dort eine größere Festigkeit besitzt als ein Werkstück, in das die Schrau
be 10 hineingeschraubt wird. Ein solches Werkstück muss lediglich ein Loch auf
weisen, jedoch kein Innengewinde, denn dieses wird beim Einschrauben der
Schraube 10 von deren Gewindeformzone 18 in dem Loch des Werkstücks ge
formt.
Genau wie die selbstgewindeformende Schraube 10 aus Fig. 1 umfasst die selbst
gewindeformende Schraube 20 aus Fig. 2 einen Schaft 22, der an einem Ende von
einem Sechskantkopf 24 begrenzt ist. Der Schaft 22 ist mit einem Außengewinde
26 ausgestattet, das gegenüber demjenigen der Schraube 10 aus Fig. 1 zusätzlich
Formnuten. 28 aufweist. Diese unterstützen das Gewindeformen und werden von
V-förmigen Kerben in den Flanken des Gewindes 26 gebildet, die in einer recht
winklig zu den Gewindeflanken verlaufenden Formnut-Längsrichtung hintereinander
ausgerichtet sind. Auch bei der Schraube 20 aus Fig. 2 bildet ein Abschnitt des
Schaftes 22 an dessen kopffernen Ende eine Gewindeformzone 30, die gleichzeitig
die Formzone der Schraube 20 ist. Beim Einschrauben der Schraube 20 in ein vor
gebohrtes Loch wird in diesem ein Innengewinde geformt, wie dies auch bei der
Schraube 10 aus Fig. 1 der Fall ist. Bei der Schraube 20 wird dieser Vorgang
jedoch auch durch die Formnuten 28 unterstützt.
Fig. 3 zeigt eine Bohrschraube 40, die genau wie die Schraube 20 aus Fig. 2 einen
von einem Kopf 42 begrenzten Schaft 44 aufweist, der mit einem mit Formnuten
46 aufweisenden Außengewinde 48 versehen ist. Am kopffernen Ende ist der
Schaft mit einer Bohrspitze 50 ausgestattet. Deren Schneiden 52 machen es
möglich, daß sich die Schraube 40 beim Einschrauben in ein Werkstück ohne Loch
ihr Loch selbst bohrt. In diesem selbstgebohrten Loch formt die Schraube 40 dann
mit einem der Bohrspitze 50 nahen, als Gewindeformzone 54 dienenden Abschnitt
des mit dem Außengewinde 48 versehenen Schaftes 44 selbst ein Gegengewinde.
Die Bohrspitze 50 sowie die Gewindeformzone 54 bilden zusammen eine Formzone
56, in der die Schraube 40 ausscheidungsgehärtet ist. Im restlichen Teil ist die
Schraube 40 nicht ausscheidungsgehärtet. Dadurch besitzt die Schraube 40 in der
Formzone 56 die zum Bohren und Gewindeformen erforderliche Härte und im
übrigen die gewünschte Zähigkeit mit unverminderter Korrosionsbeständigkeit.
Bei der selbstgewindeformenden Schraube 60 in Fig. 4, die ebenfalls einen von
einem Kopf 62 begrenzten Schaft 64 mit einer Bohrspitze 66 am kopffernen
Schaftende aufweist, ist zusätzlich ein fließlochformender Schaftabschnitt 68
zwischen der Bohrspitze 66 und dem mit einem Außengewinde 70 versehenen
Schaftabschnitt vorhanden. Die Bohrspitze 66, der fließlochformende Schaftab
schnitt 68 und ein diesem naher, als Gewindeformzone 71 dienender Abschnitt des
mit einem Außengewinde 70 versehenen Schaftes 64 bilden zusammen eine
Formzone 72. Die Schraube 60 ist nur im Bereich der Formzone 72 ausscheidungs
gehärtet. Beim Einschrauben der Schraube 60 in ein Werkstück ohne Loch bohrt
sich die Schraube 60 mit ihrer Bohrspitze 66 zunächst ein Loch, welches dann von
dem fließlochformenden Schaftabschnitt 68 unter Bildung eines Wulstes um das
Bohrloch erweitert wird. Bei einer Durchgangsbohrung verlängert sich durch die
Wulstbildung deren Länge. Beim weiteren Einschrauben der Schraube 60 formt
diese sowohl im Bohrloch als auch im Wulst ein zum Außengewinde 70 der
Schraube 60 kompatibles Innengewinde. Da sich dieses Innengewinde auch in dem
gebildeten Wulst fortsetzt, hat es mehr tragende Windungen als dies der Fall wäre,
wenn die Bohrung in dem Werkstück nur von einer Bohrspitze geschnitten und
nicht durch Fließlochformen erweitert worden wäre.
In Fig. 5 ist eine Schraube 80 mit einem Kopf 81 abgebildet, die anstelle einer
Bohrspitze eine fließlochformende Spitze 82 an einem Ende eines Schraubenschaf
tes 84 aufweist, die für den Einsatz in vorgebohrten Blechen geeignet ist. Der
Schaft 84 ist außerdem mit einem mit Formnuten 86 versehenen Außengewinde
88 ausgestattet. Ein der fließlochformenden Spitze 82 naher Abschnitt des mit dem
Außengewinde 88 versehenen Schaftes 84 dient als Gewindeformzone 90. Die
fließlochformende Spitze 82 sowie die Gewindeformzone 90 bilden zusammen eine
Formzone 92, in deren Bereich die Schraube 80 ausscheidungsgehärtet ist. Beim
Einschrauben der Schraube 80 in ein Werkstück ohne Loch wird in diesem zu
nächst von der fließlochformenden Spitze 82 ein Loch geformt, und zwar durch
reine Materialumformung, bei der keine Späne geschnitten werden, sondern das
ursprünglich im Bereich der Bohrung befindliche Material zu einem Wulst um das
Bohrloch verdrängt wird. Von der Gewindeformzone 90 wird dann auf den Innen
flächen an der Bohrung einschließlich des Wulstes ein zum Außengewinde 88 der
Schraube 80 kompatibles Innengewinde geformt. Die Formnuten 86 unterstützen
dies.
Fig. 6 zeigt eine selbstgewindeformende und lochbildende Schraube 100 mit einem
Kopf 101, deren mit einem Außengewinde 102 versehener Schaft 104 auf einer
Seite in einer fließlochformenden Spitze 106 endet. Die fließlochformende Spitze
106 sowie ein dieser naher, als Gewindeformzone 107 dienender Abschnitt des mit
dem Außengewinde 102 versehenen Schaftes 104 bilden zusammen die aus
scheidungsgehärtete Formzone 108. Beim Einschrauben in ein Werkstück verhält
sich die Schraube 100 aus Fig. 6 ähnlich wie die Schraube 80 aus Fig. 5, jedoch
ist die fließlochformende Spitze 106 der Schraube 100 auch für den Einsatz in
Verbindung mit Blechen geeignet, die nicht vorgebohrt sind.
Alle in den Fig. 1 bis 6 gezeigten selbstgewindeformenden Schrauben 10, 20,
40, 60, 80 und 100 werden dadurch hergestellt, dass ein Drahtabschnitt durch
Pressen und Walzen zunächst in die gewünschte Form gebracht wird und dadurch
im Bereich der Gewindeflanken eine Vickers-Härte von < 350 HV 0,5 erhält. An
schließend wird die geformte Schraube ausscheidungsgehärtet, wobei die höchste
Härtesteigerung in den Werkstoffbereichen größter Umformung stattfindet. Die
Formzone der Schraube erhält dabei eine Vickers-Härte < 420 HV 0,5 und bei
optimierten Umformbedingungen eine Vickers-Härte < 500 HV 0,5.
Grundsätzlich kann das Ausscheidungshärten durch Warmauslagern der gesamten
Schraube bei konventioneller Ofenerwärmung geschehen. Ausscheidungsfähige
Edelstähle werden dabei in einem Zeitraum zwischen 1 und 48 Stunden mit Tempe
raturen zwischen 200 und 600°C behandelt. Bei steigender Temperatur nimmt die
für die Wärmebehandlung erforderliche Zeit ab. Je nach Werkstoffzusammen
setzung steigt jedoch die Gefahr der Chromverarmung und damit Anfälligkeit
insbesondere gegenüber interkristalliner Korrosion. Diese Behandlung ist relativ
kostenintensiv.
Günstiger als diese konventionelle Wärmebehandlung ist das gezielte Einbringen
von Wärme in den am höchsten beanspruchten Schaftabschnitten (Formzone 18,
30, 56, 72, 92, 108) durch induktive Erwärmung. Dabei wird jeweils nur die
Formzone 18, 30, 56, 72, 92, 108 ausscheidungsgehärtet. Durch eine solche
induktive Erwärmung können die Prozesszeiten von mehreren Stunden auf Sekun
den bis Minuten reduziert werden. Außerdem besteht nur in den der Ausschei
dungshärtung unterzogenen Bereichen der Schraube 10, 20, 40, 60, 80 oder 100
die Gefahr der Chromverarmung. Infolge der Ausscheidungshärtung kommt es
nämlich auch zu einer Ausscheidung von Kohlenstoff, der mit dem korrosions
hemmenden Chrom im Gefüge Chromcarbide bildet, die selbst nicht korrosions
hemmend sind. Infolge dieser Chromcarbidbildung auf den Korngrenzen kommt es
zu einer Chromverarmung im Gefüge, die die Korrosionsbeständigkeit des Stahls
abnehmen läßt und die Anfälligkeit gegenüber interkristalliner Korrosion steigert.
Bei einer partiellen Ausscheidungshärtung ist die Chromverarmung auf den Bereich
der Formzone 8, 30, 56, 72, 92, 108 begrenzt. Die partielle Ausscheidungshärtung
begünstigt deshalb auch die Korrosionseigenschaften einer selbstgewindeformenden
Schraube und insbesondere einer Bohrschraube. Der Chromverarmung kann
außerdem - wie einleitend erwähnt wurde - durch solche Legierungsanteile wie
Vanadium, Niob oder Titan entgegengewirkt werden.
Nach dem Ausscheidungshärten der Formzone 18, 30, 56, 72, 92, 108 der
Schraube 10, 20, 40, 60, 80 bzw. 100 wird die Schraube mit einer reibungsver
mindernden Beschichtung versehen, um auf diese Weise die zwischen der Schrau
be und dem Material, in das sie hineingeschraubt wird, herrschenden Reibungs
kräfte zu vermindern.
Claims (8)
1. Selbstgewindeformende Schraube aus korrosionsbeständigem austeniti
schem Stahl, mit einem durch Kaltumformung gebildeten und anschließend
gehärteten, als Formzone (18, 30, 56, 72, 92, 108) dienenden Schaft
abschnitt,
dadurch gekennzeichnet, dass nur die Formzone (18, 20, 56, 72, 92, 108)
durch induktive Erwärmung ausscheidungsgehärtet ist.
2. Schraube nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Formzone (18, 30, 56, 72, 92, 108)
zusätzlich eine lochbildende Spitze (50, 66, 82, 106) umfasst.
3. Schraube nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch eine chemische Zusammensetzung des Stahls von
0,01-0,12% C
1-20% Mn
0-3% Mo
15-25% Cr
0-15% Ni
0,1-0,9% N.
0,01-0,12% C
1-20% Mn
0-3% Mo
15-25% Cr
0-15% Ni
0,1-0,9% N.
4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (10, 20, 40, 60, 80, 100) zumin
dest auch über die Nitridphase ausscheidungsgehärtet ist.
5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl der Schraube (10, 20, 40, 60, 80,
100) auch Bor enthält und zumindest auch über die Borid-Phase ausschei
dungsgehärtet ist.
6. Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahl der Schraube (10, 20, 40, 60, 80,
100) Vanadium, Niob und/oder Titan beigefügt ist.
7. Schraube nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube durch Bildung von Vanadium-,
Niob- und/oder Titancarbid ausscheidungsgehärtet ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Schraube nach einem der Ansprüche
1-7, bei dem die Schraube zunächst durch Pressen und Walzen oder durch
Gewinderollen oder -schneiden oder auf andere bekannte Weise geformt und
mit einer Gewindeformzone sowie ggf. einer lochbildenden Spitze versehen
wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube anschließend in der Gewinde
formzone sowie ggf. der lochbildenden Spitze durch induktive Erwärmung
partiell ausscheidungsgehärtet wird.
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