DE202014007106U1

DE202014007106U1 - Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl

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Publication number: DE202014007106U1
Application number: DE202014007106.3U
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Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2014-09-26
Anticipated expiration: 2024-09-02

Abstract

Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube aus einem Stück nichtrostendem Duplexstahl besteht und wenigstens hinsichtlich der Bohrspitze und der Gewindeformzone eine signifikant höhere Härte besitzt als das Ausgangsmaterial.

Description

Nichtrostender Edelstahl wird hinsichtlich seines Gefüges aktuell in vier Gruppen unterteilt: Ferritischer Edelstahl, martensitischer Edelstahl, austenitischer Edelstahl und Duplex-Edelstahl.
Duplex-Edelstahl kombiniert ferritische und austenitische Gefügebestandteile und wird daher auch austenoferritisch genannt. Duplexstähle haben in den vergangenen Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen, da sie einen deutlich niedrigeren Legierungszuschlag besitzen als austenitische Edelstähle. Zudem besitzen Duplexstähle ausgezeichnete Festigkeits- und Korrosionseigenschaften, die denen der Austenite überlegen ist.
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.
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 durch Umwandlungshärten gehärtet werden können. Die Korrosionsbeständigkeit ist jedoch nur eingeschränkt annehmbar.
Austenitischer Edelstahl:
Dies ist aktuell die wichtigste Gruppe der Edelstähle. Ihre Hauptlegierungselemente sind Chrom und Nickel. Die Korrosionsbeständigkeit von austenitischen nichtrostenden Edelstählen ist höher als die von nichtrostendenen ferritischen oder martensitischen Edelstählen. Der Nickelgehalt bei den Austeniten bewirkt, dass das Gefüge 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.
Eine Wärmebehandlung durch Umwandlungshärten und damit eine Härtesteigerung im Grundmaterial ist bei diesen Edelstählen nicht möglich.
Gängige Werkstoffnummern im Bereich der Duplexstähle sind z. B. 1.4462, 1.4362 und 1.4482.
Grundsätzlich sind bei ferritischen, austenitischen und austenoferritischen Edelstählen Wärmebehandlungen nach deren Verarbeitung z. B. zu Schrauben durch ein Lösungsglühen nicht zielführend, da die Kaltverfestigung im Material durch die hohen Verfahrenstemperaturen aufgelöst wird und das Material sich hinsichtlich seiner Festigkeiten nicht verbessert, sondern verschlechtert. Drähte aus Duplexstähle bringen zwar eine höhere Härte im Anlieferungszustand mit sich als beispielsweise austenitische Edelstähle, jedoch ist für den angedachten Anwendungsfall die Härte mit rund 300 HV zu gering. Speziell bei Duplexstählen besteht durch Wärmebehandlungen im Bereich von 600–900°C das Risiko der Erzeugung von Sigma-Phasen im Grundgefüge. Je länger die Haltezeit in diesem Temperaturbereich ist, umso größer ist das Risiko. Dieser Temperaturbereich muss daher möglichst schnell durchlaufen werden. Die Sigma-Phase kann unter dem Mikroskop an Schliffen, die mit Ätzmittel nach Groesbeck 15 Minuten geätzt wurden, sichtbar gemacht werden. Die Sigma-Phase bildet sich bei diesen Stählen vorzugsweise aus Delta-Ferrit und ist nicht nur hart und spröde, sondern entzieht der Matrix Chrom und Molybdän, was eine deutliche Verschlechterung – je nach Ausprägung – der Korrosionsbeständigkeit bedeutet. Durch Lösungsglühen kann eine Sigma-Phase zwar aufgelöst werden, jedoch geht die Kaltverfestigung im Material verloren.
Die Legierungselemente Molybdän, Titan und Silizium begünstigen die Bildung der Sigma-Phase. Hingegen verringern Stickstoff und Kohlenstoff das Bilden der Sigma-Phase.
Bohrschrauben (selbstbohrende Schrauben)/Gewindefurchende Schrauben:
Bohrschrauben haben sich in vielen Bereichen als wirtschaftliche Befestigungstechnik durchgesetzt, da ein Vorbohren entfällt. Zudem ist gegenüber Gewindeschneidschrauben die Rüttelfestigkeit höher, da hier ein toleranzfreier Klemmsitz erzeugt wird. Gehärtete Bohrschrauben erreichen Bohrtiefen in Stahlträgern von über 10 mm, wobei anschließend sofort das Gewinde gefurcht und die Schraube befestigt wird.
An Schrauben, die in Außenbereichen eingesetzt werden, werden mitunter hohe Anforderungen an deren Korrosionsbeständigkeit gestellt. Bohrschrauben aus nichtrostenden V2A- oder V4A-Qualitäten besitzen hingegen keine ausreichende Härte, um, wie oben beschrieben, verarbeitet zu werden.
Um den Forderungen des Marktes Rechnung zu tragen wurden, aufgrund dieser Situation, Bohrschrauben aus Edelstahl entwickelt, die hinsichtlich ihrer Herstellung sehr aufwändig sind. Je nach Anwendung sind sie sogar vorgeschrieben sind.
Ein grundlegendes Herstellungsprinzip, sämtliche Varianten dazu nicht unbedingt näher ausspezifiziert, 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. Der Verfahrensaufwand dieser Methodik insofern hoch, 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 z. B. aus Kohlenstoffstahl, der durch Induktions- oder Flammhärten anschließend gehärtet wird. In einer weiteren Version wurde der Kohlenstoffstahl durch martensitischen, nichtrostenden Stahl ersetzt. Aufgrund der großen Anzahl von Arbeitsschritten ist die Herstellung einer solchen Schraube kostenintensiv. Die Höhe des Kohlenstoffgehaltes des Bohrabschnittes ist begrenzt, da sich dieser Teil der Schraube und der nichtrostende Teil ansonsten nicht oder nur schwierig miteinander verschweißen lassen.
Das zweite grundlegende Herstellungsprinzip verfolgt 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. In der Regel handelt es sich dabei um Verfahren, die bei relativ niedriger Temperatur ablaufen und dadurch den Verlust der Korrosionsbeständigkeit möglichst verhindern oder minimieren 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. Einhergehend verliert der Werkstoff seine gewonnene Kaltverfestigung, die durch den Herstellungsprozess der Schraube erzeugt wurde und gewollt ist. Hinzu kommt, dass der Herstellungsprozess solch dünner Schichten oftmals sehr 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. Grundsätzlich findet die Plasmaaufkohlung im μm-Bereich statt. Nach äußerst langer Aufkohlungszeit sind max. 0,2 mm realisierbar. Höhere Aufkohlungstiefen werden durch die Passivschicht der nichtrostenden Stähle nicht erreicht. Durch z. B. Vorsputtern wird die Oberfläche aktiviert und gereinigt, so dass ein Aufkohlen im gewissen Rahmen möglich wird. Plasmabehandlungen besitzen aber letztlich den Nachteil der geringen Schichtdicke und damit der geringen erzielbaren Bohrtiefe bei Bohrschrauben.
Martensitischer nichtrostender Edelstahl bietet zwar den gewünschten Effekt hinsichtlich des Fertigungsablaufes, bietet jedoch im Vergleich zu austenitischen Güten nur eine eingeschränkte Korrosionsbeständigkeit. Der z. B. martensitische Edelstahl unter der Werkstoffnummer 1.4418 erzielt nach dem Härten eine Festigkeit von 1250 N/mm² – das sind in etwa 390 HV.
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. Es besteht aber das Problem der beschränkten Korrosionsbeständigkeit.
Andere in der Technik bekannte Verfahren wie z. B. Borieren, Hartverchromen, chemisch Vernickeln, Inchromieren, Plasmanitrieren, Gasnitrieren, Salzbadnitrieren, Carbonitrieren, Nitrocarburieren, Aufsticken etc. scheitern bislang aufgrund der Herstellungprozesse, der hohen Kosten, mangelnder Umweltfreundlichkeit oder Defiziten im Anwendungsfall.
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.
Diesen Problemstellungen soll mit der Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl entgegengewirkt werden:
Die wesentliche Rahmenbedingung dieser Erfindung ist, dass die Edelstahl-Bohrschraube aus einem einzigen Drahtabschnitt gefertigt wird, da dies nach dem Stand der Technik die einfachste und wirtschaftlichste Fertigungsform für Schrauben darstellt. So werden beispielsweise verzinkte Bohrschrauben gefertigt.
Herkömmliche, einteilige Schrauben aus Kohlenstoffstahl werden aus einem Drahtabschnitt, üblicherweise in der Fertigungsfolge Schraubenkopf stauchen, Bohrspitze anbringen und Gewindewalzen, hergestellt.
Zweiteilige Schrauben hingegen werden in bedeutend mehr, langsameren und zum Teil aufwändigeren respektive schwieriger zu beherrschenden Arbeitsgängen hergestellt, gefolgt von einer Wärmebehandlung – zumindest für die Bohrspitze und den gewindeformenden Abschnitt.
Basis dieses Gebrauchsmusters ist daher eine Edelstahl-Bohrschraube aus nichtrostendem Duplexstahl herzustellen, wobei die Schraube aus nur einem Drahtabschnitt besteht und die Schraube nach ihrer Herstellung durch einen vergleichsweise einfach zu beherrschenden weiteren Arbeitsgang einer Wärmebehandlung gefertigt wird. Vorzugsweise bedient man sich des Werkstoffs 1.4462, da dieser hervorragende Korrosionseigenschaften mit sich bringt. Damit sind zunächst zusätzliche Investitionen in Maschinen- und Anlagentechnik nicht zwingend notwendig.
Für die sich an die Fertigung der Schraube anschließende Wärmebehandlung ergeben sich folgende Varianten – ggf. auch in Kombination:

1.) Glühen
2.) Glühen + Verschleißschutzschicht.
3.) Tiefkühlen

Zu 1.)
In der Variante 1 erfahren die Schrauben nach ihrer eigentlichen Herstellung eine vollständige oder alternativ eine partielle Wärmebehandlung. Nach der Wärmebehandlung kann unmittelbar ein Abkühlen an Luft oder mit Unterstützung von Abschreckmedien wie z. B. Härteöl, Polymer, Helium oder Wasser erfolgen.
Bei der vollständigen Wärmebehandlung der Bohrschraube sind z. B. herkömmliche Mehrzweckkammer- oder Anlassöfen, Vakuumöfen oder Bandanlagen einsetzbar.
Bei der partiellen Wärmebehandlung kommen z. B. Induktionsanlagen zum Tragen.
Durch die Wärmebehandlung erfährt die Schraube vollständig bzw. in der gewünschten Wärmebehandlungszone eine Härtesteigerung. Im Randbereich sind für den Werkstoff unter der Werkstoffnummer 1.4462 Härten von > 400 HV1 bzw. > 420 HV 0,3 (Kern: ca. 320 HV1) erreichbar.
Zum Vergleich: Handelsübliche Bohrschrauben mit Festigkeiten von ca. 320 HV 0,3 sind bekannt, die für Bleche mit Festigkeiten von bis zu 125 N/mm² eingesetzt werden. Allein schon im Kern liegen die Härtewerte der Bohrschraube bei Verwendung des Duplexstahls 1.4462 bei ca. 300–320 HV1.
Die Wärmebehandlung der Bohrschraube aus Duplexstahl beinhaltet eine Glühbehandlung unter Schutzgas oder im Vakuumofen mit einer Haltezeit von ca. 30–90 Minuten. Die Behandlungstemperaturen liegen im Bereich von 525–600°C. Der Wärmebehandlungsprozess muss nicht zwingend unter Schutzgas oder im Vakuum stattfinden, jedoch ergibt sich wenigstens der Vorteil einer metallisch blanken Oberfläche. Nachbehandlungen an der Oberfläche der Bohrschrauben können unter Beachtung dieser Rahmenbedingung reduziert oder gar eingespart werden.
Höhere Temperaturen als 600°C sind aufgrund der Gefahr von Sigmaphasen-Ausscheidungen oder z. B. übermäßiger Karbidbildung nicht sinnvoll. Niedrigere Temperaturen als 525°C sind hingegen wegen des Risikos der Bildung der Alpha-Strich-Phase, auch bekannt als 475-Grad-Versprödung, zu vermeiden. Es verbleibt somit ein Temperaturfenster für Wärmebehandlungen von 75°C.
Diese Erläuterungen gelten auch für andere nichtrostende Duplexstähle wie den Werkstoff 1.4362. Im Anlieferungszustand liegt die Festigkeit mit ca. 840 MPa (= ca. 260 HV) ca. 30–100 MPa unter der eines 1.4462. Durch eine wie oben beschriebene Wärmebehandlung ist die Festigkeit im Randbereich eines 1.4362 auf > 350 HV1 steigerungsfähig.
Es ist aus der Literatur bekannt, dass ein Spannungsarmglühen bei nichtrostenden Duplexstählen nicht erforderlich sei. Es wird sogar darauf hingewiesen, dass eine Wärmebehandlung schädlich sein kann, weil bei der Erwärmung eine Versprödung durch intermetallische Phasen oder die 475°C-Versprödung auftreten kann. Sowohl die Zähigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit könnten dadurch möglicherweise beeinträchtigt werden. Wärmebehandlungen werden daher oberhalb von 315°C bei nichtrostenden Duplexstählen als nachteilig für Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eingestuft. Moderne Duplexstähle sind diesbezüglich jedoch abgestimmt. Entsprechend existierende ZTA-Diagramme belegen die Tatsache des oben genannten Temperaturfensters.
Stickstoff als Legierungselement hat in nichtrostenden Edelstählen an den Korngrenzen ggf. das Vorhandensein von Chromnitriden zur Folge. In größeren Volumenanteilen besteht die Gefahr, dass die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinträchtigt wird. Stähle mit höheren Stickstoffgehalten (z. B. 1.4462) wirken der Bildung von Chromnitriden entgegen. Ferner ist der C-Gehalt durch die entsprechende Verfahrenstechnik bei der Herstellung der Stähle auf ein Minimum reduziert. Die Bildung von Karbiden hat daher in der Praxis kaum eine Bedeutung mehr.
Durch die genannte relativ kurze Haltezeit und Temperaturführung im Bereich von 525–600°C wirkt sich die Wärmebehandlung hinsichtlich der Sigma-Phase oder sonstiger intermetallischer Phasen als auch unter Beachtung der Einflussnahme auf die Korrosionsbeständigkeit nach derzeitigem Stand nicht so aus, dass der Anwendungsfall nachhaltig gefährdet ist.
Zu 2.)
Grundsätzlich ist bei den Verschleißschutzschichten darauf zu achten, dass die Behandlungszeiten aus Kosten- und aus werkstofftechnischen (Versprödungsgefahr) Gründen nicht zu lange andauern, sofern die Verfahrenstemperatur bei > 315°C liegen.
Kolsterisieren: Die Forderungen nach Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit sowie Steigerung der Verschleißfestigkeit durch Erhöhung der Randhärte werden beim Kolsterisieren mittels eines Diffusionsverfahrens bei niedriger Temperatur (< 300°C) erzeugt. Hierbei werden große Mengen Kohlenstoff eindiffundiert. Der Kohlenstoff wird in Zwischengitterplätzen gelöst und bildet keine Carbide. Aufgrund der großen Mengen Kohlenstoff kommt es zu Druckspannungen in der Oberfläche, die eine sehr hohe Oberflächenhärte von > 1000 HV 0,05 erzeugen. Beim Kolsterisieren ist ein spezielles Verfahren (Duplex-Behandlung) für Duplexstähle in der Praxis geläufig.
Plasmanitrieren: Das Plasmanitrieren ist ein Verfahren, dass bei Temperaturen von 350–570°C stattfindet. Da Nitrierschichten die Korrosionsbeständigkeit nichtrostender Edelstähle reduzieren, ist darauf zu achten, dass nur die Bohrspitze und der gewindeformende Teil behandelt werden. Der restliche Teil der Schraube muss vor der Behandlung z. B. mittels Pasten abgedeckt werden. Gleiches gilt für andere Schichten, die die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflussen.
PVD- und CVD-Schichten: Es sind dünne Beschichtungen dieser Art bekannt, die bei Temperaturen von teils unter 300°C aus der Dampfphase abgeschieden werden und dabei eine reibungs- und verschleißmindernde Wirkung besitzen.
Zu 3.)
Tiefkühlen z. B. in flüssigem Stickstoff: In der Praxis wird Tiefkühlen üblicherweise verwendet, um nach einer Wärmebehandlung vorhandenen Restaustenit im festen Zustand umzuwandeln in Martensit.
Bei Duplexstählen ist das Tiefkühlen speziell für den austenitischen Phasenteil von Bedeutung um Gefügeveränderungen herbeizuführen. Im Kern kann durch Tiefkühlen eines 1.4462 – je nach Charge – die Härte auf über 350 HV1 gesteigert werden.
Zusammenfassung der Vorteile der Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl:

1. Herstellung der Schraube aus einem Stück nichtrostendem Duplex-Edelstahl und damit verbunden einfache Fertigungsprozesse.
2. Sehr gute Korrosionsbeständigkeit
3. Hohe Bohrtiefen der Bohrschraube – ggf. zusätzlich durch harte und verschleißfeste Oberflächen unterstützt.
4. Vergleichsweise kurze Wärmebehandlungsdauer.

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

Claims

Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube aus einem Stück nichtrostendem Duplexstahl besteht und wenigstens hinsichtlich der Bohrspitze und der Gewindeformzone eine signifikant höhere Härte besitzt als das Ausgangsmaterial.
Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube vollständig oder teilweise wärmebehandelt ist.
Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl nach Schutzanspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die wärmebehandelte Zone zusätzlich mit einer weiteren harten Randschicht versehen sein kann.
Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl nach Schutzanspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ die harte Randschicht einhergehend mit der Wärmebehandlung des Schraubenabschnittes oder der gesamten Schraube erfolgt.
Edelstahl-Bohrschraube aus Duplexstahl nach Schutzanspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ die gesamte Schraube oder der betreffende Schraubenabschnitt nach der Wärmebehandlung eine nochmals höhere Festigkeit wenigstens im Kerngefüge durch Tiefkühlen erhält.