DE202009011665U1

DE202009011665U1 - Edelstahl-Bohrschraube

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Publication number: DE202009011665U1
Application number: DE200920011665
Authority: DE
Original assignee: ROETTGERS CHRISTOPH; Rottgers Christoph
Current assignee: ROETTGERS CHRISTOPH; Rottgers Christoph
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2019-08-28

Abstract

Edelstahl-Bohrschraube, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube wenigstens eine harte Bohrspitze und eine harte Gewindeformzone besitzt und aus einem Stück austenitischem, martensitischem oder ferritischem nichtrostenden Stahl oder nichtrostendem Duplexstahl besteht, wobei wenigstens die Bohrspitze und Gewindeformzone einsatzgehärtet sind.

Description

Auf der Grundlage der metallographischen Struktur kann nichtrostender Edelstahl in vier Gruppen unterteilt werden: Ferritischer Edelstahl, martensitischer Edelstahl, austenitischer Edelstahl und Duplex-Edelstahl.
Duplex-Edelstahl ist eine Kombination aus ferritischem und austenitischem Edelstahl – daher auch austenoferritisch genannt.
Ferritische und martensitische Edelstähle werden auch unter der Bezeichnung „Chromstähle” zusammengefasst. Austenitische Edelstähle und Duplex-Edelstähle werden aufgrund der Hauptlegierungselemente der Kategorie der Chromnickelstähle zugeordnet.
Ferritischer Edelstahl:
Diese Stähle enthalten als einziges Hauptlegierungselement Chrom. Es sind Chromstähle mit einem maximalen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,1%. Durch hinzulegieren von starken Karbidbildnern wie Titan oder Niob sind auch höhere C-Gehalte möglich. Man spricht hier von stabilisierten Stählen. Die Chromstähle sind von Natur aus zunächst einmal durch Umwandlungshärten nicht härtbar.
Herkömmliches Umwandlungshärten: Härten vollzieht sich in der Regel in den drei Schritten Erwärmen, Halten auf Härtetemperatur und Abschrecken. Durch die Erwärmung will man eine Umwandlung des kubisch-raumzentrierten Gitters in das kubisch-flächenzentrierte Austenit-Gitter erreichen. Der frei werdende Platz in der Kristallmitte wird von einem Kohlenstoffatom besetzt. Wird das Bauteil nun sehr rasch abgeschreckt, hat das Kohlenstoffatom in der Kristallmitte keine Zeit, um aus dem Gitter herauszudiffundieren. Dadurch wird das Kristallgitter stark verzerrt – es ist Martensit entstanden. Voraussetzung ist allerdings, dass ausreichend Kohlenstoff als Legierungselement bzw. ein alternatives Legierungselement wie Stickstoff vorhanden ist. Ferner darf der Werkstoff, wie es beim austenitischen Edelstahl der Fall ist, bei Raumtemperatur nicht austenitisch sein, da sonst keine Martensitbildung erfolgen kann.
Die ferritischen Edelstähle enthalten zwischen 11% und 17% Chrom, keinen Nickel und sind magnetisch.
Martensitischer Edelstahl:
Wie die ferritischen Sorten, enthalten diese Edelstahlsorten Chrom als Hauptbestandteil. Im Gegensatz zu den ferritischen Stählen haben diese Chromstähle einen Kohlenstoffgehalt, der deutlich höher liegt. Dank ihres Kohlenstoff- und Chromgehaltes ist dies die einzige Gruppe von Edelstählen, von welcher Qualitäten gehärtet werden können. Die Korrosionsbeständigkeit ist daher nur eingeschränkt annehmbar.
Austenitischer Edelstahl:
Dies ist die wichtigste Gruppe der Edelstähle. Sie enthalten neben Chrom auch Nickel als Hauptlegierungselement und sind nicht magnetisch. Der Vorteil von Nickel besteht darin, daß er die Beständigkeit gegen Korrosion verbessert. Die Korrosionsbeständigkeit von austenitischen nichtrostenden Edelstählen ist höher als die von nichtrostendenen ferritischen oder martensitischen Edelstählen. Durch den Nickelgehalt sind die austenitischen Qualitäten außerdem besser zu bearbeiten als die Chromstähle. Der klassische Chromnickelstahl, der nach dem ersten Weltkrieg entwickelt wurde, ist die Legierung 18/8 (18% Chrom und 8% Nickel). Die zweite, sehr häufig verwendete Legierung ist die Qualität AISI 316 (18/10/2,5) mit 18% Chrom, 10% Nickel und 2,5% Molybdän. Dieser Edelstahl ist gekennzeichnet durch seine Beständigkeit gegen Lochfraskorrosion durch verschiedene Säuren und gegen Meeresluft. Der Nickelgehalt bewirkt aber auch, dass diese Werkstoffgruppe bei Raumtemperatur noch austenitisch ist. Ein herkömmliches Härten durch Gefügeumwandlung ist daher nicht möglich.
Duplex-Edelstahl (austenoferritisch):
Dieser Typ Chromnickelstahl hat in den letzten Jahren an Einfluß gewonnen. Wegen seiner ferritischen-austenitischen Struktur wird er auch Duplexstahl genannt. Der Chromgehalt liegt zwischen 24 und 27%, der Nickelanteil zwischen 4,5 und 7% und der Molybdängehalt zwischen 2 und 6%. Die Eigenschaften des Duplexstahles kommen in Form einer höheren Festigkeit und einer größeren Beständigkeit gegen Korrosion, dank des hohen Chrom- und Molybdängehalts, zur Geltung. Durch den niedrigen Nickelanteil ist er aber schwieriger zu bearbeiten als austenitischer Edelstahl.
Bohrschrauben:
Bohrschrauben haben sich in vielen Bereichen als wirtschaftliche Befestigungstechnik durchgesetzt, da sie den Arbeitsgang des Vorbohrens sparen. Mit gehärteten Bohrschrauben können Baustähle von über 10 mm Stärke durchbohrt werden, wobei anschließend sofort das Gewinde gefurcht und die Schraube befestigt wird.
An Schrauben, die in Außenbereichen eingesetzt werden und starken Witterungseinflüssen sowie Feuchtigkeit ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an deren Korrosionsbeständigkeit gestellt. Bei Bohrschrauben aus nichtrostenden V2A- oder V4A-Qualitäten erzielte man zunächst im Grundgefüge keine ausreichenden Härten – zumindest an der Schraubenoberfläche. Schrauben aus nichtrostendem Edelstahl sind aufgrund ihrer wärmebehandlungstechnischen Eigenschaften für Bohrarbeiten in z. B. Baustähle ohne Zusatzmaßnahmen nicht einsetzbar, obwohl die Korrosionseigenschaften einen dauerhaften Sicherheitsfaktor für die Schraubverbindung darstellen.
Um den Forderungen des Marktes Rechnung zu tragen wurden aufgrund dieser zuvor beschriebenen werkstofftechnischen Ausgangssituation Bohrschrauben aus Edelstahl entwickelt, die hinsichtlich ihrer Herstellung sehr aufwändig sind bzw. waren – oder sie besaßen wenigstens einen gravierenden Nachteil.
Ein grundlegendes Herstellungsprinzip, sämtliche Varianten dazu nicht unbedingt näher gusspezifiziert, verfolgt die Produktion einer zweiteiligen Schraube. Die beiden Teile werden dabei z. B. miteinander verschweißt. In einer Variante zum Schweißen erfolgt die Verbindung durch ein Verklemmen der beiden Teilstücke miteinander. Dieses Prinzip ist mit sehr viel Verfahrensaufwand insofern verbunden, dass nicht nur der einzige Zusatzschritt darin besteht, zwei Teile miteinander zu verschweißen. Die Schweißnaht muss z. B. zusätzlich nachbearbeitet werden, bevor eine Bohrspitze und das Gewinde angebracht werden kann. Die Bohrspitze und der gewindeformende Bereich bestehen in einer Ausführung aus Kohlenstoffstahl, der z. B. durch Induktions- oder Flammhärten abschließend gehärtet wurde.
In einer weiteren Version wurde der Kohlenstoffstahl durch martensitischen nichtrostenden Stahl ersetzt. Martensitischer nichtrostender Edelstahl neigt jedoch beim Schweißen leichter zu Härterissen.
Aufgrund der großen Anzahl von Arbeitsschritten ist die Herstellung einer solchen Schraube kostenintensiv.
Das zweite grundlegende Herstellungsverfahren verfolgt vom Grundsatz die Herstellung einer nichtrostenden Edelstahl-Bohrschraube aus einem einzigen Stück.
In dieser Richtung sind auf der einen Seite Lösungen entwickelt worden, welche die Bohrspitze und den Gewindeformbereich durch oberflächentechnische Maßnahmen hinsichtlich ihrer Härte steigern. Im wesentlichen handelt es sich um Verfahren, die bei relativ niedriger Temperatur (max. 600°C) ablaufen und den Verlust der Korrosionsbeständigkeit verhindern (sollen). Allen Verfahren ist jedoch gemein, dass die harte Randschicht von nur geringer Tiefe ist. Bei diesen geringen Schichtstärken erzielen die Bohrschrauben keine hohen Bohrtiefen. Einher geht zudem ein Verlust an Kaltverfestigung, die durch den Herstellungsprozess der Schraube erzeugt wurde und gewollt ist. Hinzu kommt ferner, dass der Herstellungsprozess einer solchen Schicht extrem langwierig ist. So kann eine Behandlungsdauer durchaus 8 Tage in Anspruch nehmen – wie z. B. beim Kolsterisieren.
Beim Kolsterisieren diffundieren bei niedrigen Temperaturen (< 300°C) große Mengen Kohlenstoff in die Oberfläche ein. Der Kohlenstoff bildet keine Karbide, da er in den Zwischengitterplätzen gelöst wird. Die großen Mengen Kohlenstoff in der Oberfläche erzeugen Druckspannungen und damit die letztlich hohen Härten über 1000 HV – jedoch bei nur geringer Schichtstärke. Das Verfahren dauert bis zu einer Woche. Die Korrosionsbeständigkeit des Werkstoffes bleibt dabei erhalten.
Ähnlich gelagert ist das Plasmaaufkohlen. Eine Schichtdicke von 10 μm (= 0,01 mm) wird beim Plasmaaufkohlen bei einer Temperatur von 350°C in 42 Stunden bei einem V2A-Material erzielt. Die geringen Schichtdicken in Verbindung mit dem relativ weichen Grundwerkstoff machen dieses Verfahren für diesen Anwendungszweck als Bohrschraube ungeeignet.
Grundsätzlich findet die Plasmaaufkohlung im μm-Bereich statt. Nach äußerst langer Aufkohlungszeit sind max. 0,2 mm realisierbar.
Das primäre Problem stellt die Passivschicht dar, die das Aufkohlen behindert. Durch z. B. ein Vorsputtern wird die Oberfläche aktiviert und gereinigt, so dass ein Aufkohlen möglich wird. Plasmabehandlungen besitzen aber letztlich den Nachteil der geringen erzielbaren Bohrtiefe bei Bohrschrauben.
Martensitischer nichtrostender Edelstahl bietet zwar den gewünschten Effekt hinsichtlich des Fertigungsablaufes, bietet jedoch im Vergleich zu austenitischen Qualitäten nur eine eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit. Durch bislang erprobte oberflächentechnische Maßnahmen lässt sich eine vergleichsweise geringe Verbesserung erzielen. Diese Maßnahmen bedeuten aber wiederum Zusatzaufwand. Man entwickelt gerade in diesem Stahlsektor sehr intensiv die Stähle weiter. Man dokumentiert dies z. B. mit der Verwendung des Begriffs der „supermartensitischen Stähle”, jedoch tendieren die Erfolge eher zu einer verbesserten Schweissbarkeit dieser Edelstähle. Die Korrosionsbeständigkeit der Supermartensite wird oft nur als „annehmbar” bezeichnet.
Ist der Kohlenstoffgehalt zu gering, wird keine ausreichende Härte erzielt. Ist der Kohlenstoffgehalt zu hoch, ist die Fertigung der Schraube sehr schwierig umzusetzen.
In einer weiteren Entwicklung wurde die Schraube nur im Bereich der Bohrspitze und des Gewindeformbereichs gehärtet. Die Schraube selbst besteht aber aus martensitischem nichtrostenden Edelstahl.
Andere in der Technik bekannte Verfahren wie z. B. Borieren, Hartverchromen, chemisch Vernickeln, Inchromieren scheitern bislang an einer oder an mehreren der folgenden wesentlichen Rahmenbedingungen wie der Eignung für Massenartikel aus prozesstechnischer Sicht als auch unter Kostenaspekten (technischer Verfahrensaufwand und Verfahrensdauer), Umweltfreundlichkeit der Beschichtung, technologische Eignung des Verfahrens für Bohrschrauben hinsichtlich der erzielbaren Schichtdicke und unter Berücksichtigung der Festigkeit des Grundwerkstoffs der Bohrschraube. Beim letzten Aspekt tritt bei dieser Eigenschaft, trotz äußerst harter Schichten von durchaus über 1000 HV, durch die geringe Schichtdicke der sogenannte „Eierschaleneffekt” ein, wodurch die Schicht eingedrückt und somit wirkungslos wird. Die Beschichtung bzw. Schicht kann ihre Festigkeitseigenschaften nicht in den Anwendungsfall als Bohrschraube einbringen.
Letztlich ist es bislang nicht gelungen eine Bohrschraube zu entwickeln, die aus einem einzigen nichtrostenden Material besteht, deren Bohrspitze sowie der gewindeformende Bereich für Bohrungen in Baustahl für tiefe Bohrungen (> 10 mm) ausreichend hart und in erforderlichem Umfang weiterhin korrosionsbeständig ist. Ferner dass die Korrosionsbeständigkeit mindestens im Schraubenkopf und Gewindebereich, sofern beabsichtigt, von austenitischem oder austenoferritischem Material erreicht wird und dass die Schraube mit wenigen Arbeitsschritten bzw. einer kurzen Fertigungsdauer, eine ggf. anfallende Wärmebehandlung eingeschlossen, hergestellt werden kann.
Diesen Problemstellungen soll mit der Edelstahl-Bohrschraube entgegengewirkt werden:
Eine Rahmenbedingung dieser Erfindung ist, dass die Edelstahl-Bohrschraube aus einem einzigen Drahtabschnitt gefertigt wird, da dies die bisher einfachste und wirtschaftlichste Fertigungsform für Schrauben darstellt. Die meisten Schrauben-Fertigungen sind auf diese Vorgehensweise mit entsprechenden standardisierten Anlagen ausgerichtet.
Schrauben aus Kohlenstoffstahl werden aus einem Drahtabschnitt, üblicherweise in der Reihenfolge Schraubenkopf anstauchen, Bohrspitze anbringen und Gewindewalzen, hergestellt. Zwei- und mehrteilige Schrauben hingegen werden in bedeutend mehr, langsameren und zum Teil aufwändigeren Arbeitsgängen hergestellt, gefolgt von einer Wärmebehandlung – zumindest für die Bohrspitze und den gewindeformenden Abschnitt. Im Regelfall kommt bei der Wärmebehandlung ein Einsatzhärten, Induktionshärten, Flammhärten oder Vergüten zum Tragen.
Ausgangspunkt und Basis dieses Gebrauchsmusters ist also eine Edelstahl-Bohrsschraube aus einem einzigen Drahtabschnitt. Es sind dabei alle vier zuvor bereits genannten Werkstoffgruppierungen der nichtrostenden Edelstähle (ferritisch, austenitisch, martensitisch oder austenoferritisch) als verwendbares Ausgangsmaterial denkbar.
Für die sich an die Fertigung der Schraube anschließende Wärmebehandlung ergeben sich, unabhängig vom Ausgangswerkstoff, folgende Varianten:

1.) Partielles Aufkohlen oder Carbonitirieren mit reduziertem C-Pegel
2.) Partielles oder vollständiges Aufsticken der Schraubenoberfläche bei hohen Temperaturen (> 880°C) im Vakuumofen.

Zu 1.)
In der Variante 1 erfahren die Schrauben nach ihrer eigentlichen Herstellung eine partielle Einsatzhärtung. Härteschutzmittel können eine galvanische Beschichtung mit Kupfer oder Nickel sein oder aber lackähnliche bzw. pastöse Härteschutzmittel.
Der Kohlenstoffgehalt in der Randzone wird während des Einsatzhärtens möglichst niedrig eingestellt – mindestens jedoch bei 0,2 Gew.-% in der Randzone des zu härtenden Bereichs der Schraube. In Abhängigkeit von Kohlenstoffkonzentration in der Randzone und der sich daraus ergebenden Gefügesituation, kann unter Umständen sogar ein normalerweise erforderlicher Anlassvorgang eingespart werden.
Ein Problem beim Aufkohlen von nichtrostenden Stählen stellt die den Werkstoff gegen Korrosionsangriffe schützende Passivschicht dar, welche die Diffusion des Kohlenstoffes in die Werkstoffoberfläche hemmt. Nach einem Beizvorgang wäre die Passivschicht zwar zerstört – ein paar Atomlagen bilden sich aber bereits nach sehr kurzer Zeit durch den atmosphärischen Sauerstoff wieder.
Beim herkömmlichen Gasaufkohlen wird die Passivschicht durch Anwesenheit von Sauerstoff in der Ofenatmosphäre permanent erneuert, es sei denn man verwendet ein Schutzgas, indem kein Sauerstoff anwesend ist. Darüber hinaus wird eine entsprechende Temperatur benötigt, welche die Passivschicht im Wärmebehandlungsprozess reduziert.
Im Vakuumofen besteht ebenfalls die Möglichkeit einer Wärmebehandlung von Stahl. Die Wärmeübertragung im Vakuum erfolgt, infolge der Abwesenheit von Luft, nur durch Strahlung. Durch die im Vakuum fehlende Oxidationsmöglichkeit bleibt die Oberfläche metallisch sauber. In der Regel gehen Vakuumöfen auf Temperaturen bis zu 1250°C, während Öfen mit Schutzgasatmosphäre i. d. R. nur bis 1050°C aufheizbar sind. In Vakuumöfen ist darüber hinaus die Wirkung schädlicher Restgasbestandteile sehr viel kleiner als in jedem Schutzgasofen. Das Abschrecken des Härteguts erfolgt in der Vakuumkammer mittels einer Überdruck-Gasabschreckung, wenn nicht so schroffes Abkühlen gewünscht wird – ansonsten bleiben die herkömmlichen Abkühlmedien.
Ebenso sind in Vakuumöfen Aufkohlungsprozesse durchführbar. Für den nicht aufzukohlenden Teil der Schraube werden speziell für Vakuumöfen hergestellte Härteschutzmittel benötigt.
Beim Aufkohlen im Vakuum wird die aufzukohlende Bohrspitze sowie die Gewindeformzone in einem Vakuumofen eingesetzt. Da der Kohlenstoffübergang beim Niederdruckaufkohlen sehr hoch ist, wird nicht permanent aufgekohlt, sondern es wird zyklisch zwischen Aufkohlung und Diffusion gewechselt. Bei sehr geringen Drücken von z. B. 0,1–0,3 Millibar bilden reine Kohlenwasserstoffe die Ofenatmosphäre. Bei nichtrostenden Edelstählen sind Propangas oder besser noch Acetylen die hier geeignetsten Kohlenwasserstoffe, da insbesondere Acetylen in Verbindung mit dem Ofenvakuum auf die Passivschicht stark reduzierend wirkt. In der Phase der Diffusion senkt man den Ofendruck entweder ab oder man spült den Ofen bei geringen Drücken mit Inertgas (Stickstoff oder Edelgase). Es werden aber keine neuen Kohlenwasserstoffe der Ofenatmosphäre hinzugesetzt. In Niederdruckvakuumaufkohlungsprozessen ist in der Randzone bei einem nichtrostenden Werkstoff 1.4301 eine Kohlenstoffkonzentration von bis zu 2 Gew.-% realisierbar. Die Korrosionsbeständigkeit von Bohrspitze und Gewindeformbereich geht jedoch quasi vollständig verloren.
In einer Plasmaanlage wäre durch eine entsprechende Vorbehandlung (Sputtern) der Schraubenoberfläche, welche die Passivschicht reduziert, dieses Problem zwar nicht vorhanden, jedoch erzielt man in derartigen Anlagen nur geringe Schichtdicken bzw. Eindringtiefen an den Schrauben, da mit relativ niedrigen Temperaturen der Wärmebehandlungsprozess betrieben wird. Dieses Verfahrenstechnologie stellt daher keine wirkliche Alternative dar.
In Salzbadhärteanlagen wird durch die Passivschicht die Kohlenstoffdiffusion nicht behindert, da allein schon der Kontakt zu Sauerstoff während des Behandlungsvorganges nicht gegeben ist. Die Passivschicht wird bei der Behandlung in Verbindung mit der Prozesstemperatur reduziert. Es sind bei einer solchen Wärmebehandlung Oberflächenhärtewerte von über 450 HV erreichbar. Es können Schichtstärken von mehreren Zehntel-Millimetern erreicht werden – je nach Behandlungsdauer. Der Kohlenstoffpegel ist im Salzbad ebenfalls steuerbar. Damit liegen die Härtewerte an der Oberfläche der Schraube signifikant über den Härtewerten einer z. B. Schraube 8.8 aus Kohlenstoffstahl.
Feste Aufkohlungsmittel sind allein aufgrund der zu wärmebehandelnden Mengen nicht relevant.
Ein weiteres, gravierenderes Problem, insbesondere beim Aufkohlen austenitischer nichtrostender Edelstähle, ist die Bildung von Chromkarbiden. Bei hohen Temperaturen haben die Elemente Chrom und Kohlenstoff eine sehr hohe Affinität zueinander. Diese beiden Elemente bilden Karbide und scheiden sich an den Korngrenzen ab. Das versprödet das Bauteil. Je nach Legierung erhält man hier unterschiedliche Ergebnisse hinsichtlich der Gleichmäßigkeit des Aufkohlens. Insbesondere die Anwesenheit von Nickel, Titan und Vanadium komplizieren diesen Prozess. In Niederdruck-Vakuumaufkohlungsprozessen sind tendenziell bessere Ergebnisse erzielbar.
Durch Reduzierung des Kohlenstoffpegels beim Aufkohlen wird eine Übersättigung der Matrix signifikant reduziert. Die dabei erreichte Härte ist zwar infolgedessen geringer, jedoch für den Anwendungsfall – technologisch betrachtet – völlig ausreichend, da immer noch Härtewerte an der Oberfläche erreicht werden, die größer oder gleich dem Niveau einer 8.8-Schraube sind. Die übliche Prozesszeit der Wärmebehandlung von 4–8 Stunden Behandlungsdauer ist bei entsprechenden Anwendungen demnach noch steigerungsfähig. Der reduzierte C-Pegel, je nach Ausprägung und sonstiger Werkstofflegierung, hat dabei aber immer noch für die Bohrspitze und das Gewindeformstück zur Folge, dass die Korrosionsbeständigkeit dort nicht auf das Niveau eines Kohlenstoffstahles abrutscht.
Das partielle Härten der Bohrspitze sowie des gewindeformenden Bereichs bedingt ein Abdecken des verbleibenden Schraubenabschnitts mit Härteschutzmitteln. Der Markt bietet dazu z. B. Abdecklacke an. Solche Lacke benötigen eine gewisse Trocknungszeit. Nach dem Härtvorgang wird der größte Teil bei der Ölabschreckung oder dem anschließenden obligatorischen Waschen wieder entfernt. Eine relativ neue Variante in diesem Segment als Härteschutz-Abdeckung sind Sol-Gel-Beschichtungen.
Für die Schraube empfiehlt sich im Anschluß an die Wärmebehandlung je nach Anwendungsfall, Grundwerkstoff und durchgeführter Wärmebehandlung eine Behandlung der Oberfläche z. B. durch Strahlen und/oder Beizen und Passivieren.
Durch die Wärmebehandlung wird die Kaltverfestigung der Schraube zwar reduziert, aber die Bohrspitze und die ersten Gewindegänge sind hart.
Hierzu besteht allerdings die Alternative, dass man die Schrauben entsprechend mit der Bohrspitze nach unten zeigend chargiert, ohne dass zuvor ein Härteschutzmittel aufgebracht worden ist. Man taucht die Schrauben dann nur in einer Lage – man nutzt also nicht die Tiefe des Ofens aus – in einen Salzbadaufkohlungstiegel und kann somit die Kaltverfestigung des nicht zu härtenden Schraubenbereichs unter Inkaufnahme einer gewissen Wärmeübergangszone sowie eines geringeren Durchsatzes aufrechterhalten.
Zu 2.)
Dieses Verfahren stellt kein Nitrieren im bekannten Rahmen dar, da es sich nicht um ein Niedertemperaturverfahren handelt. Während bei steigenden Chromgehalten die Löslichkeit für Kohlenstoff geringer wird, steigt diese für Stickstoff an.
Die Legierungselemente Mangan und Molybdän beeinflussen die Löslichkeit für Stickstoff positiv, während die Legierungselemente Kohlenstoff, Nickel und Silizium negativ einwirken.
Es werden beim Aufsticken der Randzone Temperaturen von vorzugsweise über 1050°C (bis ca. 1150°C) in einer Vakuumatmosphäre benötigt. Im Behandlungsprozess diffundiert dann atomarer Stickstoff in die Schraubenoberfläche ein. Der Stickstoffgehalt in der aufgestickten Randzone liegt etwa bei max. 0,7 Gew-%. Durch das sich an die Wärmebehandlung anschließende rasche Abkühlen wird die sonst eintretende Ausscheidung von Nitriden verhindert. Nitride besitzen eine korrosionsfördernde Wirkung. Durch den in der Oberfläche in gelöster Form präsenten Stickstoff, wird der Korrosionswiderstand deutlich verbessert – sowohl in saurer als auch in chlorhaltiger Umgebung.
Eine mögliche Doppelhärtung verfeinert das Gefüge.
Grundsätzlich werden bei der Randaufstickung nichtrostender Edelstähle die Materialgefüge im Anschluß an die Wärmebehandlung unterschieden. Bei martensitischen nichtrostenden Stählen – z. B. einem 1.4021 ist dabei eine Festigkeitssteigerung an der Oberfläche auf über 600 HV erreichbar. Selbst bei einer Tiefe von ca. 0,5 mm sind je nach martensitischem nichtrostenden Werkstoff noch Werte von 550 HV1 zu erzielen. Dabei geht die Korrosionsbeständigkeit nicht zurück, sondern wird sogar noch gesteigert. Bei diesem Werkstoff kann nach einer solchen Wärmebehandlung die Korrosionsbeständigkeit durchaus besser sein als bei einer herkömmlichen Schraube aus dem austenitischen Werkstoff 1.4301. Die Eindringtiefe des Stickstoffs kann durchaus bis zu 3 mm betragen und damit einhergehend die Steigerung der Festigkeit. Für diesen Anwendungsfall sind derart hohe Eindringtiefen jedoch nicht erforderlich. In der Praxis dürften Wärmebehandlungszeiten von ca. 4–5 Stunden die Regel sein.
Ebenso wird bei den ferritischen Güten durch eine analoge Wärmebehandlung mit anschließendem Abschreckvorgang Martensit in der aufgestickten Randzone gebildet – einhergehend mit der Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit. Dieser Martensit besitzt statt des Kohlenstoffatoms im Gefügegitter ein Stickstoffatom.
Ein geeigneter und sehr verbreiteter Werkstoff wäre z. B. ein 1.4016.
Bei austenitischen nichtrostenden Stählen und Duplexstählen hingegen kommt es durch den Stickstoff allerdings nicht zur Martensitbildung, da der Werkstoff bei Raumtemperatur noch austenitisch ist. Bei den austenitischen nichtrostenden Edelstählen – z. B. einem 1.4571 werden Oberflächenhärten von ca. 300–400 HV erzielt. Jedoch auch hier kann die Eindringtiefe mehrere Millimeter betragen. Bei Duplexstählen ist die Härtezunahme tendenziell im Vergleich zu austenitischen Guten ähnlich, da das entstehende Gefüge nach der Wärmebehandlung prinzipiell gleich ist. Die Härtezunahme entsteht durch die Verdichtung der Randzone mit Stickstoffatomen. Die unterschiedliche Härtezunahme nach der Wärmebehandlung resultiert aus den Legierungselementen dieser nichtrostenden Werkstoffgüten. Aber auch hier nimmt die Korrosionsbeständigkeit durch die Wärmebehandlung zu.
Vorteile der Edelstahl-Bohrschraube:

1. Herstellung der Schraube aus einem Stück nichtrostendem Edelstahl und damit verbunden einfache Fertigungsprozesse
2. Gute Korrosionsbeständigkeit – zumindest im Bereich des Schraubenkopfes und im tragenden Gewindeteil
3. Hohe Bohrtiefen der Bohrschraube durch harte und entsprechend starke bzw. dicke Oberflächen – zumindest im Bereich der Bohrspitze und der Gewindeformzone
4. Vergleichsweise kurze Wärmebehandlungsdauer

Somit stellt die Edelstahl-Bohrschraube eine sehr nutzbringende Verbesserung dar.

Claims

Edelstahl-Bohrschraube, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube wenigstens eine harte Bohrspitze und eine harte Gewindeformzone besitzt und aus einem Stück austenitischem, martensitischem oder ferritischem nichtrostenden Stahl oder nichtrostendem Duplexstahl besteht, wobei wenigstens die Bohrspitze und Gewindeformzone einsatzgehärtet sind.
Edelstahl-Bohrschraube nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgekohlte Randzone einen Kohlenstoffanteil aufweist, der vorzugsweise im Bereich von 0,3–0,8 Gew.-% Kohlenstoff liegt.
Edelstahl-Bohrschraube nach Schutzanspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone alternativ carbonitriert ist.
Edelstahl-Bohrschraube nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randzone der Schraube alternativ mit atomarem Stickstoff unter Vakuum bei Temperaturen von über 880°C aufgestickt und optional abgeschreckt ist.