DE19815670C2

DE19815670C2 - Selbstgewindeformende Schraube aus korrosionsbeständigem Material

Info

Publication number: DE19815670C2
Application number: DE19815670A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Friederich; Reinhard Schmoock
Original assignee: Ejot Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Ejot Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1997-04-10
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: DE19815670A1; DE29706372U1

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

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

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.

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.