DE202009011665U1 - Stainless steel drilling screw - Google Patents
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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.A stainless steel drilling screw, characterized in that the screw has at least one hard drill bit and one hard thread forming zone and is made of one piece of austenitic, martensitic or ferritic stainless steel or duplex stainless steel, at least the drill bit and thread forming zone being case hardened.
Description
Auf der Grundlage der metallographischen Struktur kann nichtrostender Edelstahl in vier Gruppen unterteilt werden: Ferritischer Edelstahl, martensitischer Edelstahl, austenitischer Edelstahl und Duplex-Edelstahl.On The basis of the metallographic structure may be more stainless Stainless steel can be divided into four groups: Ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, austenitic stainless steel and duplex stainless steel.
Duplex-Edelstahl ist eine Kombination aus ferritischem und austenitischem Edelstahl – daher auch austenoferritisch genannt.Duplex stainless steel is a combination of ferritic and austenitic stainless steel - therefore too austenoferritic called.
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.ferritic and martensitic stainless steels also summarized under the name "chrome steels". Austenitic stainless steels and duplex stainless steels are assigned to the category of chromium-nickel steels because of the main alloying elements.
Ferritischer Edelstahl:Ferritic stainless steel:
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.These steels contain chromium as the only main alloying element. They are chromium steels with a maximum carbon content of about 0.1%. To pass through strong carbide formers such as titanium or niobium also allow higher C contents. you here speaks of stabilized steels. The chrome steels are naturally first once by conversion hardening not curable.
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.conventional Transformation hardening: hardening usually takes place in the three steps heating, holding at hardening temperature and quenching. By the warming if you want a conversion of the cubic-body-centered lattice into the cubic-face-centered Reach austenite lattice. The vacant space in the crystal center is occupied by a carbon atom. Is the component now very fast quenched, the carbon atom in the crystal center has no Time to diffuse out of the grid. This will make the crystal lattice heavily distorted - it Martensite was created. Prerequisite, however, is that sufficient Carbon as alloying element or an alternative alloying element as nitrogen is present. Furthermore, the material may, as it austenitic stainless steel is not the case at room temperature austenitic, otherwise no martensite formation can take place.
Die ferritischen Edelstähle enthalten zwischen 11% und 17% Chrom, keinen Nickel und sind magnetisch.The ferritic stainless steels contain between 11% and 17% chromium, no nickel and are magnetic.
Martensitischer Edelstahl:Martensitic stainless steel:
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.As the ferritic varieties, these stainless steels contain chromium as Main ingredient. Unlike the ferritic steels have these chrome steels a carbon content that is significantly higher. Thanks to their carbon and chromium content, this is the only group of stainless steels of which qualities hardened can be. The corrosion resistance is therefore limited acceptable.
Austenitischer Edelstahl:Austenitic stainless steel:
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.This is the most important group of stainless steels. They contain next to chrome also nickel as the main alloying element and are not magnetic. The advantage of nickel is that it gives the resistance improved against corrosion. The corrosion resistance of austenitic stainless steels is higher as that of stainless ferritic or martensitic stainless steels. By the Nickel content, the austenitic qualities are also better to work as the chrome steels. Of the classic chrome nickel steel, which developed after the first world war was, the alloy is 18/8 (18% chromium and 8% nickel). The second, very often used Alloy is the quality AISI 316 (18/10 / 2.5) with 18% chromium, 10% nickel and 2.5% molybdenum. This Stainless steel is characterized by its resistance to pitting corrosion by different acids and against sea air. But the nickel content also causes them Material group is still austenitic at room temperature. A conventional one hardening by structural transformation is therefore not possible.
Duplex-Edelstahl (austenoferritisch):Duplex stainless steel (austenoferritic):
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.This Type Chrome nickel steel has gained in influence in recent years. Because of its ferritic-austenitic structure, it is also duplex steel called. The chromium content is between 24 and 27%, the nickel content between 4.5 and 7% and the molybdenum content between 2 and 6%. The properties of the duplex steel come in the form of a higher strength and greater resistance to Corrosion, thanks to the high chromium and molybdenum content, to advantage. By but the low nickel content makes it more difficult to work as austenitic stainless steel.
Bohrschrauben:Self drilling:
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.Drilling screws have proven to be economical fastening technology in many areas enforced because they save the pre-drilling operation. With hardened Drilling screws can structural steels from above 10 mm thickness be pierced, then immediately furrowed the thread and the screw is attached.
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.Screws that are used in outdoor areas and are exposed to strong weather conditions and moisture, high demands are made on their corrosion resistance. For drilling screws made of stainless V2A or V4A grades were initially in the basic structure not sufficient hardness - at least on the screw surface. Screws made of stainless steel are due to their heat treatment properties for drilling in z. As structural steels can not be used without additional measures, although the corrosion properties represent a permanent safety factor for the screw.
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.Around to meet the demands of the market were due to this previously described material-technical situation Drilling screws made of stainless steel, which in terms of their production very costly are or were - or they possessed at least one serious disadvantage.
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.One basic manufacturing principle, all variants are not necessarily closer cast-specified, follows the production of a two-piece screw. The two parts are z. B. welded together. In a Variant for welding takes place the connection by jamming the two sections together. This principle is associated with a lot of procedural effort in that not just the only additional step is to split two parts together to weld. The weld must z. B. in addition be reworked before a drill bit and the thread attached can be. The drill bit and the thread forming area exist in one execution made of carbon steel, the z. B. was finally cured by induction or flame hardening.
In einer weiteren Version wurde der Kohlenstoffstahl durch martensitischen nichtrostenden Stahl ersetzt. Martensitischer nichtrostender Edelstahl neigt jedoch beim Schweißen leichter zu Härterissen.In Another version was the carbon steel by martensitic replaced stainless steel. Martensitic stainless steel tips however, during welding easier to harden.
Aufgrund der großen Anzahl von Arbeitsschritten ist die Herstellung einer solchen Schraube kostenintensiv.by virtue of the big Number of steps, the production of such a screw is costly.
Das zweite grundlegende Herstellungsverfahren verfolgt vom Grundsatz die Herstellung einer nichtrostenden Edelstahl-Bohrschraube aus einem einzigen Stück.The second basic manufacturing process followed by the principle the production of a stainless steel self-drilling screw a single piece.
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.In In this direction solutions have been developed on the one hand, which the drill bit and the thread forming area by surface engineering activities in terms of their hardness increase. Essentially, these are procedures that are included in relatively low temperature (max 600 ° C) expire and the loss prevent corrosion resistance (should). However, all procedures mean that the hard surface layer of only shallow depth. At these low layer thicknesses achieve the Drilling screws do not have high drilling depths. One is also a loss at work hardening caused by the manufacturing process of the screw was generated and wanted. In addition, the manufacturing process Such a layer is extremely tedious. So can a treatment period quite 8 days to complete - such. B. when 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.At the Kolsterising diffuses large quantities at low temperatures (<300 ° C) Carbon in the surface one. The carbon does not form carbides, as it is dissolved in the interstices. The big ones Amounts of carbon in the surface generate compressive stresses and thus the ultimately high hardnesses above 1000 HV - however with only a small layer thickness. The procedure lasts up to a week. The corrosion resistance the material is retained.
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.Similar stored is the plasma carburizing. A layer thickness of 10 μm (= 0.01 mm) in plasma carburizing at a temperature of 350 ° C in 42 hours with a V2A material achieved. The low layer thicknesses in conjunction with the relative soft base material make this method for this application as Self-drilling screw unsuitable.
Grundsätzlich findet die Plasmaaufkohlung im μm-Bereich statt. Nach äußerst langer Aufkohlungszeit sind max. 0,2 mm realisierbar.Basically finds Plasma carburization in the μm range instead of. After a very long time Carburization time is max. 0.2 mm can be realized.
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.The primary The problem is the passive layer, which hinders carburizing. By z. As a Vorsputtern the surface is activated and cleaned, so that a carburizing possible becomes. However, plasma treatments ultimately have the disadvantage of low achievable drilling depth with self-drilling screws.
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.martensitic Although stainless steel offers the desired effect in terms of of the production process, however, offers in comparison to austenitic qualities only a limited Corrosion resistance. Through previously proven surface engineering activities let yourself achieve a comparatively small improvement. These measures But again mean additional effort. You are currently developing in this Steel sector very intense the steels further. This is documented by z. B. with the use of the term the "supermartensitic Steels ", however the success tends to improve their weldability Stainless steels. The corrosion resistance The Supermart site is often referred to as "acceptable".
Ist der Kohlenstoffgehalt zu gering, wird keine ausreichende Härte erzielt. Ist der Kohlenstoffgehalt zu hoch, ist die Fertigung der Schraube sehr schwierig umzusetzen.is the carbon content is too low, sufficient hardness is not achieved. If the carbon content is too high, the production of the screw very difficult to implement.
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.In Another development was the screw only in the field of Drill and the thread forming area hardened. The screw itself is made but made of martensitic stainless steel.
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.Other known in the art, such as. B. boriding, hard chrome plating, chemically nickel plating, chromium plating so far fail at one or several of the following essential conditions such as suitability for mass-produced items from a process engineering point of view as well as under cost aspects (technical Process costs and process duration), environmental friendliness of Coating, technological suitability of the procedure for self-drilling screws in terms of achievable layer thickness and taking into account the strength of the base material of the self-drilling screw. At the last Aspect occurs at this property, despite extremely hard layers of quite over 1000 HV, due to the small layer thickness of the so-called "eggshell effect", which the layer is pressed in and thus becomes ineffective. The coating or layer can their Strength properties not in the application as a drilling screw contribute.
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.Ultimately So far, it has not been possible to develop a self-drilling screw, the consists of a single stainless material, the drill bit as well the thread forming area for Drilling in structural steel for deep holes (> 10 mm) is sufficiently hard and, to the extent necessary, resistant to corrosion. Furthermore that the corrosion resistance at least in the screw head and threaded area, if intended, austenitic or austenoferritischem material is achieved and that the screw with a few steps or a short Production duration, including a possibly incurred heat treatment produced can be.
Diesen Problemstellungen soll mit der Edelstahl-Bohrschraube entgegengewirkt werden:These problems should be with the Countered stainless steel drilling screw:
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.A Framework condition of this invention is that the stainless steel drill screw made of a single wire section, since this is the hitherto simplest and most economical form of production for screws represents. Most screw manufactures are on this approach with appropriate standardized Equipment aligned.
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.screw made of carbon steel are made of a wire section, usually in the order upset screw head, attach drill bit and thread rolling, made. Two- and multi-part screws on the other hand, significantly more, slower and sometimes more elaborate operations are produced, followed by a heat treatment - at least for the Drill bit and the thread forming section. As a rule, comes the heat treatment a case hardening, Induction hardening, flame hardening or reimbursement to carry.
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.starting point and base of this utility model is therefore made of a stainless steel drill a single wire section. All four are already there material groupings of stainless steels (ferritic, austenitic, martensitic or austenitic-critical) as usable Starting material conceivable.
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.
- 1.) Partial carburizing or Carbonitirieren with reduced C level
- 2.) Partial or complete embroidering of the screw surface at high temperatures (> 880 ° C) in a vacuum oven.
Zu 1.)To 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.In Variant 1 learn the screws after their actual production a partial case hardening. Protective additives for hardening can be a galvanic coating with copper or nickel or varnish-like or pasty Hardness stabilizers.
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.Of the Carbon content in the edge zone is as much as possible during case hardening set low - at least but at 0.2% by weight in the peripheral zone of the area of the screw to be hardened. In dependence of carbon concentration in the peripheral zone and the resulting resulting microstructure situation, may possibly even saved a normally required starting process become.
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.One Problem with the carburizing of stainless steels represents the material protective against corrosion attacks Passive layer, which is the diffusion of carbon in the Material surface inhibits. After a pickling process would be Although the passive layer destroyed - a few However, atomic layers are formed after a very short time by the atmospheric Oxygen again.
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.At the usual The passive layer is gas carburized by the presence of oxygen in the oven atmosphere permanently renewed unless you use a shielding gas by no oxygen is present. In addition, an appropriate Temperature needed, which the passive layer in the heat treatment process reduced.
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.In the vacuum furnace there is also the possibility of a heat treatment of steel. The heat Transmission in vacuum, due to the absence of air, only by radiation. Due to the missing in the vacuum oxidation possibility, the surface remains metallically clean. As a rule, vacuum furnaces can reach temperatures of up to 1250 ° C, while furnaces with a protective gas atmosphere can usually only be heated up to 1050 ° C. In vacuum furnaces, moreover, the effect of harmful residual gas constituents is much smaller than in any inert gas furnace. The quenching of the hard material takes place in the vacuum chamber by means of an overpressure gas quenching, if not so rugged cooling is desired - otherwise remain the conventional cooling media.
Ebenso sind in Vakuumöfen Aufkohlungsprozesse durchführbar. Für den nicht aufzukohlenden Teil der Schraube werden speziell für Vakuumöfen hergestellte Härteschutzmittel benötigt.As well are in vacuum ovens Carburizing processes feasible. For the non-carburizing part of the screw are specially made for vacuum furnaces Protective additives for hardening needed.
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.At the Carburizing in a vacuum, the carburizing drill bit and the Thread forming zone used in a vacuum oven. Because the carbon transition is very high at low pressure carburizing, carburizing is not permanent, but it is cyclically switched between carburization and diffusion. At very low pressures from Z. For example, 0.1-0.3 Millibar pure hydrocarbons form the furnace atmosphere. In stainless stainless steels are propane gas or even better acetylene the most suitable hydrocarbons here, in particular acetylene in conjunction with the oven vacuum on the Passive layer has a strong reducing effect. In the phase of diffusion one lowers the furnace pressure either or one rinses the furnace with low pressures Inert gas (nitrogen or noble gases). But they will not be new Hydrocarbons added to the furnace atmosphere. In low pressure vacuum carburizing processes is in the edge zone of a stainless material 1.4301 a Carbon concentration of up to 2 wt .-% feasible. The corrosion resistance however, drilling tip and thread forming area are almost completely lost.
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 a plasma system would be by an appropriate pretreatment (sputtering) of the screw surface, which reduces the passive layer, this problem does not exist, However, in such systems only small layer thicknesses or Penetration depths on the screws, as with relatively low temperatures the heat treatment process is operated. This process technology is therefore no real alternative.
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.In Salzbadhärteanlagen the passive layer does not hinder carbon diffusion, Alone the contact to oxygen during the treatment process is not given. The passive layer is used in the treatment Connection with the process temperature reduced. It is with such heat treatment Surface hardness values of over 450 HV achievable. It can thicknesses be achieved by several tenths of a millimeter - depending on Treatment duration. The carbon level is also in the salt bath controllable. This is the hardness values on the surface significantly over the screw the hardness values a z. B. 8.8 screw made of carbon steel.
Feste Aufkohlungsmittel sind allein aufgrund der zu wärmebehandelnden Mengen nicht relevant.firm Carburizers are not alone due to the amounts to be heat treated 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.One Another, more serious problem, especially when carburizing austenitic stainless steel, is the formation of chromium carbides. At high temperatures have the elements chromium and carbon have a very high affinity to each other. These two elements form carbides and separate at the grain boundaries from. That embrittles the component. Depending on the alloy you get different Results concerning the uniformity of carburizing. Especially the presence of nickel, titanium and vanadium complicate this Process. In low-pressure vacuum carburizing processes tend to achieve better results.
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.By Reduction of the carbon level during carburization becomes a supersaturation significantly reduced in the matrix. The achieved hardness is although consequently lower, but for the application - technologically considered - completely sufficient, there still hardness values on the surface be achieved, the larger or equal to the level of an 8.8 screw. The usual process time of the heat treatment from 4-8 Hours of treatment is accordingly in corresponding applications still capable of improvement. The reduced C-level, depending on characteristics and other material alloy, but still has it for The drill bit and the threaded die result in corrosion resistance there does not slip to the level of a carbon steel.
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.The partial hardening the drill bit and the thread forming area requires a covering of the remaining screw section with hardness protection agents. The market offers z. B. topcoats. Such paints need one certain drying time. After curing, the largest part at the oil quenching or the subsequent one obligatory washing away again. A relatively new variant in this segment as a hardness protection cover are sol-gel coatings.
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.Depending on the application, the base material and the heat treatment carried out, a treatment of the surface is recommended for the screw following the heat treatment. B. by Blasting and / or pickling and passivating.
Durch die Wärmebehandlung wird die Kaltverfestigung der Schraube zwar reduziert, aber die Bohrspitze und die ersten Gewindegänge sind hart.By the heat treatment Although the work hardening of the screw is reduced, but the drill bit and the first threads are tough.
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.For this However, there is the alternative that the screws accordingly charged with the drill bit pointing downwards, without having previously Protective additives for hardening has been applied. You dive the screws then only in one Location - you use So not the depth of the oven - in a Salzbadaufkohlungstiegel and thus can be the work hardening of the non-hardening Screw area at the expense of a certain heat transfer zone and lower throughput.
Zu 2.)To 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.This Process does not represent nitriding in the known framework, as it is is not a low temperature process. While at increasing solubility of chromium lower for carbon this will rise for Nitrogen on.
Die Legierungselemente Mangan und Molybdän beeinflussen die Löslichkeit für Stickstoff positiv, während die Legierungselemente Kohlenstoff, Nickel und Silizium negativ einwirken.The Alloy elements Manganese and molybdenum influence the solubility for nitrogen positive while the alloying elements carbon, nickel and silicon negative act.
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.It When embroidering the edge zone, temperatures of preferably more than 1050 ° C. (up to approx. 1150 ° C) in a vacuum atmosphere needed. During the treatment process, atomic nitrogen diffuses into the screw surface one. The nitrogen content in the embroidered edge zone is approximately at Max. 0.7% by weight. By following the heat treatment subsequent rapid cooling down the otherwise occurring excretion of nitrides is prevented. Nitrides have a corrosive effect. By the in the surface in dissolved Form present Nitrogen, the corrosion resistance is significantly improved - both in acidic as well as in chlorous environment.
Eine mögliche Doppelhärtung verfeinert das Gefüge.A possible double hardening refines the texture.
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.Basically in the case of peripheral nitriding of stainless steels, the material structure following the heat treatment distinguished. For martensitic stainless steels - z. B. a 1.4021 is an increase in surface strength to more than 600 HV achievable. Even at a depth of about 0.5 mm depending on martensitic stainless material still values of 550 HV1 to achieve. The corrosion resistance does not go back, but is even increased. This material can after a such heat treatment the corrosion resistance quite be better than a conventional screw austenitic material 1.4301. The penetration depth of the nitrogen can be up to 3 mm and thus the increase the strength. For however, such high penetration depths are not required. In practice are likely Heat treatment times of about 4-5 Hours be the rule.
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.As well gets at the ferritic grades by an analogous heat treatment followed by Quenching martensite formed in the embroidered edge zone - accompanying with the improvement of corrosion resistance. This martensite has a nitrogen atom instead of the carbon atom in the microstructure.
Ein geeigneter und sehr verbreiteter Werkstoff wäre z. B. ein 1.4016.One suitable and very common material would be z. For example, a 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.at austenitic stainless steels and duplex steels however, nitrogen does not cause martensite formation, because the material is still austenitic at room temperature. Both austenitic stainless steels - eg. B. a 1.4571 Surface hardness of approx. 300-400 HV achieved. However, here too, the penetration depth can be several millimeters be. For duplex steels is the hardness increase tends to be similar in comparison to austenitic good ones, because the resulting structure after the heat treatment is basically the same. The hardness increase arises from the compaction of the edge zone with nitrogen atoms. The different hardness increase after the heat treatment results from the alloying elements of these stainless grades. But here, too, the corrosion resistance decreases due to the heat treatment to.
Vorteile der Edelstahl-Bohrschraube:Advantages of the stainless steel drilling screw:
- 1. Herstellung der Schraube aus einem Stück nichtrostendem Edelstahl und damit verbunden einfache Fertigungsprozesse1. Making the screw from a piece of stainless Stainless steel and associated simple manufacturing processes
- 2. Gute Korrosionsbeständigkeit – zumindest im Bereich des Schraubenkopfes und im tragenden Gewindeteil2. Good corrosion resistance - at least in the area of the screw head and in the supporting threaded part
- 3. Hohe Bohrtiefen der Bohrschraube durch harte und entsprechend starke bzw. dicke Oberflächen – zumindest im Bereich der Bohrspitze und der Gewindeformzone3. High drilling depths of the drilling screw through hard and corresponding strong or thick surfaces - at least in the area of the drill bit and the thread forming zone
- 4. Vergleichsweise kurze Wärmebehandlungsdauer4. Comparatively short heat treatment time
Somit stellt die Edelstahl-Bohrschraube eine sehr nutzbringende Verbesserung dar.Consequently makes the stainless steel drill screw a very beneficial improvement represents.
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