DE3235447A1

DE3235447A1 - Bohrschraube

Info

Publication number: DE3235447A1
Application number: DE19823235447
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nishinariku Osaka Shinjo
Original assignee: Shinjo Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shinjo Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1981-10-27
Filing date: 1982-09-24
Publication date: 1983-05-11
Also published as: JPS5872711A; AU8793782A

Description

Bohrschraube
Die Erfindung bezieht sich auf eine aus einem rostfreien Austenitstahl hergestellte Bohrschraube und zwar insbesondere auf eine aus einem rostfreien Austenitstahl hergestellte Bohrschraube, die selektiv gehärtet ist, um in ihrer Eigenschaft als Bohrschraube auch außerordentlich korrosionsfest zu sein.
Bislang sind Korrosionsbeständigkeit und Härte als eine Antinomie angesehen worden. Nunmehr sind korrosionsbeständige Materialien entwickelt worden fUr den Einsatz insbesondere bei Gebäuden als Aluminiumrahmen und rostbeständige Beläge. Für diese Anwendungsfälle hat sich der Einsatz von Bohrschrauben wegen der einfachen Befestigungsmöglichkeit als vorteilhaft herausgestellt. Eine Bohrschraube kann zwei Funktionen ausführen, nämlich ein Loch bohren und in dieses Loch gleichzeitig Schraubgewindegänge einschneiden, wodurch die zur Befestigung erforderliche Arbeit wesentlich erleichtert wird. Allerdings haben sich Probleme mit Hinsicht der oben angegebenen Antinomie ergeben. Falls nämlich die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird, neigt die Bohrschraube zu Brüchen, und falls die Bohrschraube ausreichend gehärtet wird, ist die Schraube gegenüber korrosivem Angriff anfällig. Um jedoch als Bohrschraube eingesetzt werden zu können, muß die Schraube eine Vickers-Härte (Hv) von 550 oder mehr besitzen, da ansonsten während des Einschraubens in harte Befestigungselemente ein Bruch der Schraube wahrscheinlich ist. Zur Behebung dieser Schwierigkeiten sind allgemein die Bohrschrauben aus abgeschrecktem Kohlenstoffstahl hergestellt worden. Allerdings ist dieser Stahl anfällig gegenüber korrosivem Angriff im Vergleich zu Aluminiumrahmen und rostbeständigen Beschichtungen.
Der korrosive Angriff konzentriert sich insbesondere auf den Kopfbereich einer Bohrschraube, weil dieser Bereich unvermeidbar der Atmosphäre ausgesetzt ist. Dadurch kommt es zwangsläufig unmittelbar nach einer kurzen Einsatzzeit bereits zu einer Korrosion. Dies geht einher mit einer Verschlechterung des äußeren Erscheinungsbildes der Bauwerke. Die Auflösung dieses Gegensatzes stellt ein Problem dar, mit dem sich moderne Baumeister beschäftigen.
Schrauben aus rostfreiem Äustenitstahl sind für sich bekannt und sind wegen ihrer korrosionsbeständigen Eigenschaft auch in weitem Umfang eingesetzt worden. Allerdings besitzt ein rostfreier austenitischer Stahl den Nachteil, daß seine Härte nicht durch Abschrecken erhöht werden kann, so daß dieser Stahl allgemein als nicht geeignet für die Verwendung bei einer Bohrschraube angesehen worden ist, die einen hohen Grad an Härte besitzen muß. Zur Behebung dieser Schwierigkeit ist die Verwendung von rostfreiem martensitischem Stahl vorgeschlagen worden, wobei Bohrschrauben aus diesem Material, wenngleich begrenzt, eingesetzt worden sind.Rostfreier Martensitstahl ist allerdings teurer als Kohlenstoffstahl und gegenüber Korrosionsangriff nicht so beständig, wie rostfreier Austenitstahl. Aufgrund dieser Nachteile haben Bohrschrauben aus rostfreiem Martensitstahl nur begrenzt Anwendung gefunden.
Aus diesen Gründen wird dann, wenn es auf die Korrosionsbeständigkeit ankommt, eine konventionelle Schraube aus rostfreiem Austenitstahl verwendet, wobei vorher ein Bohrloch durch eine elektrische Bohrmaschine eingebracht und danach die Schraube eingeschraubt wird. Schließlich wird die Schraube mit einer Mutter befestigt, die auf der Rückseite der zu befestigenden Bauteile angeordnet wird. Diese Handhabung erfordert jedoch zumindest zwei Arbeiter, von denen einer an der Vorderseite des Befestigungsbereichs und der andere an deren Rückseite arbeitet. Dies ist arbeitsintensiv und schlägt sich entsprechend in den Kosten nieder. Nachteilhaft ist diese Handhabung vor allem auch dann, wenn kein ausreichender Platz für den Arbeiter auf der Rückseite der Befestigungsstelle verfügbar ist. Dann wird es nämlich notwendig, in ein vorgeformtes Loch ein Innengewinde einzubringen. Danach wird dann die Schraube in die Schraubbohrung eingeschraubt. Der Befestigungsvorgang erfordert hierbei mehrere Schritte. Auch diese Handhabung ist arbeitsintensiv und schlägt sich entsprechend in den Kosten nieder.
Zur Behebung dieser mit dem Einsatz konventioneller Schrauben aus rostfreiem Austenitstahl verbundenen Schwierigkeiten ist es bereits vorgeschlagen worden, die Eigenschaft auszunützen, daß rostfreier Austenitstahl während der Kaltverformung härtet. Gemäß diesem Vorschlag wird dann, wenn der Bohrerabschnitt der Schraube kaltgeschmiedet wird, dieser Abschnitt weiter bei einer relativ langsamen Geschwindigkeit gedrückt, wie etwa 1 bis 6 " pro Minute. Es hat sich herausgestellt, daß dabei das austenitische Gefüge in ein martensitisches Gefüge geändert wird, welches die für eine Bohrschraube ausreichende Härte besitzt. Insbesondere wird dabei die Korrosionsbeständigkeit des Austenits wirksam beibehalten. Beschrieben ist dieses Verfahren in der Japanischen Offenlegungsschrift 17 796/80.
Allerdings ist dieses Verfahren auf experimentelle Anwendungsfälle begrenzt. Zunächst ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu gering, -um für die industrielle Massenfertigung angewendet werden zu können. Des weiteren erschwert die allmähliche Härtung die gewünschte Formgebung der Bohrschraube und verkürzt zudem die Lebensdauer der Werkzeuge. Das Verfahren bezweckt darüberhinaus die Härtung des Bohrerabschnitts alleine, wohingegen der Schraubgewindeabschnitt ungehärtet bleibt. Da jedoch der Schraubgewindeabschnitt als Schneideinrichtung dient, um die Schraubgewindegänge in das gebohrte Loch einzuschneiden, treten die Schwierigkeiten hinsichtlich Verschleiß und Zerstörung dann im Schraubgewindeabschnitt auf, wenn die Bohrschraube in das gebohrte Loch eingedreht wird, falls der Schraubgewindeabschnitt nicht ausreichend hart ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die obigen Nachteile der bekannten Bohrschrauben aus rostfreiem Austenitstahl zu beheben und eine verbesserte Bohrschraube aus rostfreiem Austenitstahl zu schaffen, bei der der Bohrerabschnitt und ein Gewindeabschnitt ausreichend hart und dennoch ausreichend korrosionsbeständig sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Bohrschraube aus rostfreiem Austenitstahl zu schaffen, die bei geringen Kosten im Rahmen einer Massenfertigung herstellbar ist. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Bohrschraube zu schaffen, bei der der Schraubkopf unabhängig von der Einsatzhärtung die Korrosionsbeständigkeit von Austenit beibehält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Nach Maßgabe der Erfindung wird eine Bohr schraube dadurch hergestellt, daß zur Bildung eines Bohrerabschnitts, eines Schraubgewindeabschnitts und eines Schraubkopfs rostfreier Austenitstahl kaltgeschmiedet wird, wobei der Bohrerabschnitt und der Gewindeabschnitt einer Einsatzhärtung unterzogen werden, bis diese Bereiche eine Härte von 550 oder mehr Hv besitzen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden der Bohrerabschnitt und der Gewindeabschnitt einer Stickstoff-Einsatzhärtung bei einer relativ geringen Temperatur, wie etwa 600 ° oder weniger unterzogen.
Im allgemeinen gibt es für die Stickstoff-Einsatzhärtung zwei Alternativen, nämlich eine gasförmige Nitrierung und eine Nitrierung auf flüssigem Wege. Bei beiden Alternativen werden Oberflächen mit einer Härte von 900 bis 1.000 Hv bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 550 OC erzeugt. Die entstehende Härte erfüllt die Bedingung einer Härte von 550 Hv für eine wirksame Bohrschraube. In vorteilhafter Weise kann die Nitrierbehandlung die Verschleißbeständigkeit und Wärmebeständigkeit der Bohrschraube verbessern. Eine Bohrschraube, und zwar insbesondere deren Gewindeabschnitt, wird einer hohen Belastung unterzogen, wenn sie zur Befestigung eingeschraubt wird. Falls der Gewindeabschnitt nicht ausreichend hart oder hitzebeständig ist, ist die Gefahr eines Bruchs oder eines Fressens sehr groß. Dies spricht für die Nitrierbehandlung von Bohrschrauben. Wenn Bohrschrauben durch Nitrierung behandelt werden, wird die Gefahr eines Bruchs und des Fressens vermieden. Die Nitrierung der Flächen der Bohrschrauben wird nur dann durchgeführt, wenn diese durch Kaltschmieden verformt worden sind. Dies hat zur Folge, daß das interne Austenitgefüge keiner Änderung unterzogen wird und seine Korrosionsbeständigkeit beibehält. Auf diese Weise besitzt die Bohrschraube die erforderliche Härte und behält die Korrosionsbeständigkeit bei.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen Fig. 1 und 2 Schemaansichten einer Bohrschraube an verschiedenen Befestigungen, Fig. 3 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Bohrschraube, Fig. 4 ein Vertikalschnitt durch die in Fig. 3 dargestellte Bohrschraube, sowie Fig. 5 und 6 die Bohrschraube sowie Diagramme zur Darstellung des Verhältnisses zwischen Härte und Tiefe der Nitrierbehandlung.
Fig. 1 zeigt die Verwendung einer Bohrschraube 1 zur Befestiyung eines Aluminiumrahmens 12 an einem Stahlprofil 11, welches an einem Aufbau 10 befestigt ist. Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 2 dargestellt, wobei dort die Bohrschraube 1 zur Befestigung einer Isolierschicht 14 und einer metallischen Außenplatte 13 an einer Metallplatte 15 dient. Die Dicken der durch die Bohrschraube 1 bewirkten Befestigungen sind mit den Buchstaben 11 und 12 bezeichnet.
In den Fig. 3 und 4 ist eine erfindungsgemäß hergestellte Bohrschraube dargestellt, die einen Schraubgewindeabschnitt 2, einen Bohrerabschnitt 3 und einen Kopf 4 besitzt. Die Bohrschraube 1 ist aus einem austenitischen rostfreien Stahl kaltgeschmiedet. Als rostfreier Stahl speziell für das Kaltschmieden kann ein Stahl verwendet werden, der 1,00 bis 4,00 Gew.-8 Kupfer zusätzlich zu den normalen Anteilen von 17,00 bis 20,00 Gew.-% Chrom, 8,00 bis 10,50 Gew.-% Nickel, 0,08 Gew.-% Kohlenstoff und Rest Eisen mit geringen Mengen an Si, Mn, P und S besitzt. Dieser spezielle rostfreie Stahl ist gemäß dem Japanischen Standard unter der Bezeichnung SUS 316J1, SUS 316JiL, SUSXM 7 bekannt. Diese Stähle sind insbesondere deswegen empfehlenswert, weil sie leicht durch Kaltschmieden verformt werden können. Ein zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bohrschraube besonders bevorzugter Stahl ist der im Handel unter der Bezeichnung JIS XM-7 (AlSi 302 Cu) bekannte Stahl. Dabei handelt es sich um einen austenitischen Stahl mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.-%: ~ 0,08 8 C, c 1,00 % Si, < 2,00 % Mn, zu 0,40 % P, <0,036 % Sg 8,5 - 10,00 % Ni, 17,00 - 19,00 % Cr, 3,00 - 4,00 % Cu und Rest Fe.
Der für die erfindungsgemäße Bohrschraube geeignete spezielle rostfreie Stahl enthält einen größeren Anteil an Kupfer und neigt weniger zur Härtung bzw. Verfestigung während der Formgebung, woraus eine bessere Verarbeitbarkeit resultiert. Ferner hat es sich herausgestellt, daß mit den speziellen rostfreien Stählen der Ubergang vom Austenit zum Martensit während der Verarbeitung sehr gering oder vernachlässigbar ist.
Wie oben angegeben, werden der Bohrerabschnitt 3 und der Schraubgewindeabschnitt 2 zur Erzeugung von harten Oberflächen 5 einer Stickstoff-Einsatzhärtung unterzogen. Es hat sich gezeigt, daß die Härte sich auf 900 bis 1.000 Hv unter der Bedingung beläuft, daß die Behandlung bei einer Temperatur im Bereich von 500 bis 550 °C durchgeführt worden ist. Diese Härte reicht aus, so daß mit dem Bohrerabschnitt 3 leicht Bohrlöcher sogar in einer Platte aus Kohlenstoffstahl eingebracht und auch der Schraubgewindeabschnitt 2 in das Bohrloch eingeschraubt und Schraubgewindegänge ohne Schwierigkeiten, wie etwa Auseinanderbrechen und Fressen, geschnitten werden können. Die Leistungsfähigkeit ist mit denen von Bohrschrauben tus Kohlenstoffstahl vergleichbar, welche einen abgeschrägten Bohrer- und Schraubgewindeabschnitt besitzen.
Gemäß den Fig. 3 und 4 ist es bei einer Stickstoff-Einsatzhärtung für den Schraubgewindeabschnitt 2 bevorzugt, daß die Behandlung eine Länge L abdeckt, welche die Dicke 11 oder 12 der durch die Bohrschraube 1 bewirkten Befestigungen ubersteigt. Der Kopf 4 ist keiner Stickstoff-Einsatzhärtung unterzogen worden, so daß die korrosionsbeständigen Eigenschaften des austenitischen rostfreien Stahls erhalten bleiben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gewindeabschnitt 2 in zwei Abschnitte 2a und 2b unterteilt, von denen der Abschnitt 2a einer Nitrierung in der oben beschriebenen Weise unterzogen wird, wohingegen der Abschnitt 2b von dieser Behandlung frei bleibt. Der Kopf 4 ist der Umgebung und somit den Umwelteinflüssen ausgesetzt. Allerdings werden Verwitterungserscheinungen durch die erhalten gebliebene korrosionsfeste Eigenschaft verhindert, wodurch die Lebensdauer des Kopfes 4 verlängert wird. Dies hat zur Folge, daß insgesamt die Bohrschraube eine lange Lebensdauer aufweist. In diesem Fall dient der unbehandelte Abschnitt 2b auch als Sperre zur Verhinderung eines klimatisch bedingten Angriffs des Abschnitts 2a und des Bohrerabschnitts 3. Um eine Stickstoff-Einsatzhärtung des Kopfes 4 und des Abschnitts 2b zu vermeiden, sind diese Flächen mit Nickel oder einem anderen geeigneten Metall galvanisiert.
Schließlich wird der gesamte Körper der Bohrschraube 1 einer galvanischen Endbehandlung unterzogen.
Anhand der Fig. 5 und 6 wird das Verhältnis zwischen Härte und Tiefe der Nitrierbehandlung erläutert: Die Angaben stammen aus einem Versuch, bei dem rostfreier Austenitstahl JIS XM-7 <AlSl 302 Cu) mit 3,34 mm Durchmesser bei Raumtemperatur zur Herstellung einer Bohrschraube mit einem effektiven Durchmesser von 4 mm und einer Länge von 16 mm unterhalb des Kopfes kaltgeschmiedet wurde.
Diese Bohrschraube wurde vorher mit Säure gereinigt, mit Wasser gewaschen und getrocknet. Dann wurde die Bohrschraube bei 570 OC in einer Stickstoffgasatmosphäre über 4 Stunden lang erhitzt, um die Stickstoff-Einsatzhärtung für den Bohrerabschnitt und den Gewindeabschnitt vorzunehmen.
Die behandelte Bohrschraube wurde längs der Linie A-A (der Gewindeabschnitt) und der Linie B-B (der Bohrerabschnitt) geschnitten, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Härte und die Tiefe der Behandlung wurden bezüglich eines jeden Abschnitts gemessen, wobei die erzielten Resultate in den Diagrammen in Fig. 6 dargestellt sind.
Daraus geht hervor, daß die Oberflächenhärte 1.000 Hv oder mehr beträgt und daß die Härte noch bis zu einer Tiefe von 0,05 mm 600 Hv beträgt. Dadurch ist sichergestellt, daß die Bohrschraube eine ausreichende Härte besitzt, so daß sie zum Bohren eines Loches und zum Einschrauben in eine Platte durch das Bohrloch verwendet werden kann. Somit kann die Bohrschraube wirksam an einer Platte aus Kohlenstoffstahl angewendet werden. Die optimale Temperatur für die Stickstoff-Einsatzhärtung reicht von 500 OC bis 600 OC, Falls die Temperatur 600 OC übersteigt, neigt die Bohrschraube zu Deformation oder Änderungen in ihrer kristallinen Struktur, so daß die Temperatur so gesteuert werden muß, daß die Temperatur nicht unnötigerweise 600 OC übersteigt. Falls andererseits die Temperatur niedriger als 500'0C ist, benötigt die Behandlung eine längere Zeitspanne, was für eine Massenproduktion unwirtschaftlich und ungeeignet ist.
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Claims

Patentansprüche Bohrschraube mit einem Bohrerabschnitt, einem Gewindeabschnitt und einem Schraubenkopf, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Bohrerabschnitt (3), der Gewindeabschnitt (2) und der Schraubenkopf (4) aus einem rostfreien Austenitstahl kaltgeschmiedet sind, wobei der Bohrerabschnitt (3) und mitdestens ein Abschnitt (2a) des Gewindeabschnitts (2) einer Einsatzhärtung bis zur Erreichung einer Oberflächenhärte von mindestens 550 Hv unterzogen sind, und daß der Austenitstahl 18,00 bis 20,00 Gew.-% Chrom, 8,00 bis 10,50 Gew.-% Nickel, 0,08 Gew.-% oder weniger Kohlenstoff, 1,00 bis 4,00 Gew.-% Kupfer und Rest Eisen enthält.
2. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gewindeabschnitt (2) aus zwei Abschnitten (2a, 2b) besteht, wobei ein erster, am Bohrerabschnitt (3) benachbarter Abschnitt (2a) einer Einsatzhärtung unterzogen und ein zweiter, dem Kopf (4) benachbarter Abschnitt (2b) frei von einer Einsatzhärtung gehalten ist, und wobei der erste Abschnitt ausreichend lang ausgebildet ist, um die Dicke der durch die Bohrschraube bewirkten Befestigungen abzudecken.
3. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzhärtung durch eine Nitrierbehandlung gebildet ist, welche bei einer Temperatur von nicht höher als etwa 600 OC durchgeführt wird.
4. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzhärtung durch eine Nitrierbehandlung bei einer Temperatur von etwa 500 OC bis etwa 600 0C gebildet ist.
5. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzhärtung durch eine Nitrierbehandlung bei einem gasförmigen oder verflüssigten Zustand bei einer Temperatur von nicht höher als etwa 600 OC gebildet ist.
6. Bohrschraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nitrierbehandlung an den Oberflächen des Bohrerabschnitts (3) und des Gewindeabschnitts (2) angewendet wird, nachdem die Oberflächen durch das Kaltschmieden anfänglich verfestigt worden sind.
7. Bohrschraube nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenkopf (4) galvanisiert ist, um eine Nitrierbehandlung des Kopfes zu unterbinden.
8. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl ferner c 1,00 Gew.-% Si, ~ 2,00 Gew.-% Mn, f 0,40 Gew.-% P sowie zu 0,03 Gew.-% S besitzt.
9. Bohrschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rostfreie Stahl folgende Bestandteile enthält, nämlich 0,08 Gew.- C, f 1,00 Gew.-% Si, :F 2,00 Gew.-% Mn,s 0,40 Gew.-% P, < 0,03 Gew.-% S, 8,5 bis 10,00 Gew.-% Ni, 17,00 bis 19,00 Gew.-* Cr, 3,00 bis 4,00 Gew.-% Cu, sowie Rest Eisen.