DE3421523C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Stiftes für einen Befestiger, wobei der Stift eine Vielzahl von kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten identischer Struktur aufweist und mit einer in die Nuten einzupressenden Hülse verwendbar ist, wobei eine dieser Nuten als Sollbruchstelle dient, so daß eine überschüssige Länge des Stiftes im wesentlichen an dem Ende dieser Hülse abtrennbar ist, wobei der Stift aus einem weichen Kohlenstoffstahl besteht, der einen Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,30 bis ungefähr 0,60 Gew.-% aufweist, wobei ein Rohling gewünschter Länge von einer kalibrierten Stahlstange abgeschnitten wird und an ihm ein vergrößerter Stiftkopf und eine Reihe von kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten geformt werden.

Wie in den US-Patentschriften 42 08 943 und 43 42 529 erläutert ist, weisen derartige Befestiger einen Stift mit kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten sowie eine Hülse auf, die in diese Nuten kaltfließend eingedrückt werden kann. Die Nutenkontur ist dabei so gewählt, daß eine der Nuten, sofern sie sich am Ende der Hülse befindet, als Sollbruchstelle fungieren kann. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei Stiften aus Eisenwerkstoffen die Schwankungen der Materialeigenschaften und/oder Verarbeitungsbedingungen zu einer Unsicherheit hinsichtlich der Riß- bzw. Bruchstelle führen können. Ist der Werkstoff zu spröde, kann der Stift an mehreren Stellen außerhalb der Hülse oder auch schon brechen, wenn die Hülse noch nicht vollständig auf ihn aufgepreßt worden ist. Andererseits kann der Werkstoff eine Mikrostruktur aufweisen, die eine erhebliche Streckung erlaubt, bevor der Stift schließlich abreißt, so daß die Trennstelle in der Hülse liegt oder sich über mehrere Nuten erstreckt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Stiftes für einen Befestiger der eingangs umrissenen Art anzugeben, wobei der Stift etwa in seiner endgültigen Gestalt herzustellen und dann wärmezubehandeln ist, um ihm eine gewünschte Mikrostruktur zu erteilen, so daß der Riß dann regelmäßiger in einer gewählten Nut erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stift nach dem Formvorgang normalisiert wird, indem

• a) der Stift bei einer Temperatur von ungefähr 871 bis 982°C in einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre während einer Zeitlänge geglüht wird, die ausreichend ist, um den Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Stiftes auf einen Kohlenstoffgehalt anzureichern, der wenigstens gleich demjenigen des Stiftkernes ist, und den Stift zu austenitisieren, und daß
• b) dieser austenisierte Stift in Luft oder Inertgas-Atmosphäre von ungefähr 38 bis 204°C gekühlt wird, was ausreicht, den Stift mit einer im wesentlichen homogenen Mikrostruktur zu erzeugen, die vorwiegend aus grobkörnigen Perlitkolonien in einer Matrix aus voreutektoidischem Ferrit besteht, so daß die scheinbare Korngröße der Perlitkolonien allgemein in einem Bereich von ungefähr ASTM 1 bis ungefähr ASTM 5 beträgt und die Härte an der Oberfläche des Stiftes wenigstens gleich derjenigen des Stiftkernes ist, um somit das Reißen an der Nut zu unterstützen, welches als Bruchstelle dienen soll.

Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Stift besteht eine gewünschte Mikrostruktur aus im wesentlichen aus Perlit bestehenden Kolonien mit einer entlang deren Grenzen verteilten voreutektoidischen Ferrit-Grundmasse. Der Anteil und die Dicke des voreutektoidischen Ferrits lassen sich so einstellen, daß man die erwünschte Duktilität des Stifts erhält. Es hat sich herausgestellt, daß die grobkörnigem Stahl eigene geringere Menge an voreutektoidischem Ferrit für die Stiftfunktion günstiger ist. Die Größe der Perlitkolonien (bzw. die scheinbare Größe) des Austenitkorns) ist im allgemeinen gröber als ASTM 5 und liegt allgemein in einem Bereich von etwa ASTM 1 bis etwa ASTM 5. Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch einen Befestiger mit einem Stift und einer Hülse, wobei zwei Werkstücke sowie ein angesetztes Setzwerkzeug dargestellt sind;

Fig. 2 ist eine Fig. 1 entsprechende Darstellung und zeigt den Befestiger nach dem Setzen,

Fig. 3 ist ein Gefügebild (Vergrößerung 100×) einer Ausführungsform der Mikrostruktur und zeigt Perlitkolonien mit einer feinteiligen voreutektoidischen Ferrit-Grundmasse;

Fig. 4 zeigt an einem Flußdiagramm die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Befestiger 10 mit einem Stift 12 gezeigt, der an einem Ende einen Kopf 14 sowie einen langgestreckten Schaft 16 aufweist. Der Stift 12 hat einen äußeren Abschnitt 18 mit einer Vielzahl von Zugnuten 20 und einen inneren Abschnitt 23 mit kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten 22. Sowohl die kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten 22 als auch die Zugnuten 20 können so ausgeführt sein, wie dies in der US-PS 43 42 529 erläutert ist.

Der Stift 12 wird in fluchtende Öffnungen 24, 26 in zwei Werkstücken 28 bzw. 30 eingesetzt, die mit dem Befestiger 10 aneinander festgelegt werden sollen. Eine mit einem Flansch versehene Hülle 32 wird so auf den Schaft 16 aufgesetzt, daß der Flansch am Werkstück 30 anliegt.

Ein Setzwerkzeug 34 weist einen Amboß 36 auf. Eine Vielzahl von Greifbacken 38 kann an die Zugnuten 20 angesetzt und vom Amboß 36 weg rückwärts bewegt werden. Beim Betätigen des Werkzeugs 34 bewegen sich die Backen 38 vom Amboß 36 hinweg und greifen in die Zugnuten 20 ein, so daß eine Zugkraft auf den Stift 12 gegen die Hülse 32 aufgebracht wird. Während die Zugwirkung des Werkzeugs 34 anhält, drückt der Amboß 36 die Hülse in die kombinierte Sperr- und Sollbruchnuten 22 (vergl. Fig. 2). Bei weiterer Betätigung des Werkzeugs 34 reißt der Schaft schließlich in einer Nut 22 a ab, welche die äußerste Nut ist, die als erste mit dem Material der Hülse 32 ausgefüllt wird.

Dabei hat bei aus Eisenwerkstoffen bestehenden Stiften 12 die Mikrostruktur einen wesentlichen Einfluß auf die Regelmäßigkeit der Rißstelle in der gewünschten Kombinationsnut 22. Besteht die Mikrostruktur hauptsächlich aus Perlit (genauer: Perlitkolonien) mit nur schwach entwickelter oder gar ohne voreutektoidische Grundmasse, bewirken die Eigenschaften des Stifts, daß die Rißstelle nicht eindeutig ist und/oder die Hülse 32 nur teilweise in die Nuten eingepreßt wird. Enthält andererseits die Mikrostruktur einen zu hohen Anteil der Ferrit-Grundmasse, wird die Duktilität zu hoch, so daß der Stift sich in der Hülse 32 stark einschnürt und dann in der Hülse und/oder über mehrere Nuten verteilt reißt. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei dem Ferrit an den Grenzen der Perlitkolonien um eine voreutektoidische Ferrit-Grundmasse (Netzwerk) handelt, und zwar im Gegensatz zu dem Ferrit in den Perlitkolonien, die auch Zementit (Fe₃C) enthalten.

Die Stifte 12 werden zum Erreichen einer Mikrostruktur behandelt, die grobkörnige Perlitkolonien in einer voreutektoidischen Ferrit-Grundmasse auf eine Weise enthält, daß der Stift 12 nicht vollständig unnachgiebig ist, aber auch vor dem Riß nicht übermäßig stark verformt werden kann. In Fig. 3 ist ein Gefügebild dieser erwünschten Struktur gezeigt. In Fig. 3 sind die grobkörnigen Perlitkolonien mit dem Buchstaben P bezeichnet; die dünnen weißen Grenzlinien F zeigen den voreutektoidischen Ferrit. Das Gefügebild nach Fig. 3 stammt aus einem Längsschnitt des inneren Abschnitts 23 (mit den kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten 22) des Stifts 12 etwa beim halben Wurzelradius des Stifts (etwa in der Mitte zwischen der Wurzel und der Achse des Stifts 12). Der Werkstoff war AISI-1541-Stahl mit einer Härte von HRC 26 und einer Korngröße von ASTM 4. Es wurde mit 3% Nital geätzt; die ursprüngliche Aufnahme wurde mit 100facher Vergrößerung hergestellt, und die Fig. 3 ist 1,75fach vergrößert.

Die Mikrostruktur des fertigen Stifts 12 soll daher vorwiegend aus grobkörnigen Perlitkolonien in einer feinteiligen Grundmasse aus voreutektoidischem Ferrit bestehen. Um dieses Gefüge zu erreichen, geht man vorteilhaft von einem nur minimal geseigerten Knüppel aus. Um ein Ausgangswerkstück mit einem allgemein gleichmäßigen bzw. homogenen Gefüge zu erreichen, wird der Stahl stranggegossen, wobei beim Gießen und nachfolgendem Warmwalzen übliche Grobkornverfahrensweisen angewendet werden. Bei dieser Verfahrensweise wird die Ausbildung eines feinkörnigen Gefüges in der fertigen Stange verhindert. Beispielsweise wird der Stahl siliziumberuhigt (zwecks Desoxidation); desoxidiert man ihn durch Aluminium, fördert das Rest-Aluminium ein feinkörniges Gefüge.

Das Flußdiagramm nach Fig. 4 zeigt die verschiedenen Stufen des Verfahrens zur Herstellung des Stifts 12. Zunächst sei jedoch auf die Zusammensetzung des Knüppelmaterials eingegangen.

Für die angegebenen Stifte werden Stähle mit mittlerem C-Anteil verwendet, beispielsweise SAE (AISI) 1541 oder SAE (AISI) 1340. Bei dem Werkstoff handelt es sich folglich um einen Stahl mit mittlerem C-Anteil in folgender Zusammensetzung (jeweils Gewichtsprozente):

Kohlenstoff
etwa 0,3 bis etwa 0,6%
Mangan	etwa 0,9 bis etwa 2,0%
Phosphor	etwa 0,05% (maximal)
Schwefel	etwa 0,05% (maximal)
Silizium	etwa 0,1 bis etwa 0,6%
Eisen	Rest

Gemeinsam mit dem Eisen bildet der Kohlenstoff den harten Anteil des Werkstoffs; das Mangan trägt zur besseren Härtbarkeit bei. Der Manganbereich stellt die gewünschte Menge für die unterschiedlichen Durchmesser des Stifts - von etwa 4,75 mm bis etwa 19 mm) - dar. Für größere Stiftdurchmesser wird der Mangananteil allgemein im oberen Teil des angegebenen Bereichs liegen, für kleinere Stiftdurchmesser im unteren Teil. Andere herkömmliche Legierungselemente lassen sich anstelle des oder gemeinsam mit dem Mangan verwenden - beispielsweise Molybdän, Chrom oder Vanadium. Da Phosphor und Schwefel unerwünschte Verunreinigungen sind, stellen die angegebenen Mengenanteile allgemein Obergrenzen dar. Silizium liegt aus der Si-Beruhigung bei der Knüppelherstellung vor und unterbildet das Kornwachstum nicht wesentlich. Silizium dient der Desoxidation des Stahls bei seiner Entstehung und verursacht selbst kein Kornwachstum; jedoch unterbildet es das Kornwachstum nicht auf die gleiche Weise wie andere Desoxidationsmittel wie beispielsweise Aluminium usw., die, wenn man sie in Lösung läßt, ein unerwünscht feinkörniges Mikrogefüge verursachen.

Wie im Flußdiagramm nach Fig. 4 gezeigt ist, wird in der Gußstufe ein Knüppel im Strangguß nach herkömmlichen Grobkornverfahren (beispielsweise mit Siliziumberuhigung) hergestellt. Der Knüppel ist in seiner Mikrostruktur homogen; die Zeilenseigerung (d. h. die Ausbildung von Längszeilen von Perlit, Mangan, Silizium usw.) ist minimiert.

Danach wird der Knüppel zu Stangen kleineren Durchmessers warm ausgewalzt. An dieser Stelle läßt sich die Mikrostruktur für den fertigen Stift optimieren. Der Anteil des voreutektoidischen Ferrits läßt sich, falls erwünscht, durch Herstellen eines Grobgefüges reduzieren. Die Mikrostruktur besteht daher vorwiegend aus grobkörnigen Perlitkolonien mit einer Austenitkorngröße von etwa ASTM 1 bis etwa ASTM 5, die in einer Grundmasse von voreutektoidischem Ferrit verteilt sind.

Das Entkolben des Knüppels und der Stange läßt sich gering halten, was auch die mechanischen Eigenschaften des fertigen Stiftes verbessert. Soll die Stange geglüht werden, um das nachfolgende Anformen des Kopfes und das Walzen zu erleichtern, braucht die voreutektoidische Ferrit-Grundmasse nicht so sorgfältig eingestellt zu werden, desgleichen braucht auch die Entkohlung der Stangenoberfläche bzw. der darunterliegenden Schichten nicht so sorgfältig gesteuert zu werden. Auf jeden Fall lassen sich die gewünschten Eigenschaften bei der nachfolgenden Wärmebehandlung des mit dem Kopf versehenen und gewalzten Stifts erreichen. Es ist jedoch von Vorteil, wenn diese Eigenschaften bereits in der Stange teilweise vorliegen, da sie sich dann in der nachfolgenden Wärmebehandlung leichter vervollständigen lassen.

In bestimmten Fällen wird die Stange geglüht, um die nachfolgende Formgebung - beispielsweise Anformen des Kopfes - zu erleichtern. Die Stange wird also im Glühschritt, wo sie auf eine Temperatur von etwa 650°C bis etwa 760°C erwärmt wird, bis zur Ausbildung des Kugelkorns behandelt. In einer Anwendungsform wurde die Stange etwa 28 Stunden auf Glühtemperatur gehalten. In einigen Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, die Temperatur zeitlich zyklisch zu führen - beispielsweise zwischen etwa 749°C und etwa 693°C. Die geglühte Stange wird ofengekühlt und hat eine gewünschte Rockwell-Härte von etwa HRB 85 bis etwa HRB 95, um die Kopfanform- und Walzbehandlung zu erleichtern.

Im Reinigungs- und Entzunderungsschritt wird der Oxidbelag entfernt, während im Kalibrierschritt die entzunderte Stange - beispielsweise durch Ziehen - auf den gewünschten Durchmesser gebracht wird.

Danach werden Rohlinge der gewünschten Länge von der kalibrierten Stange abgeschnitten und an sie der vergrößerte Kopf 14 angeformt. In die mit dem Kopf versehenen Rohlinge werden dann die kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten 22 sowie die Zugnuten 20 eingewalzt. Der Stift 12 hat nun im wesentlichen seine endgültige Form und Gestalt, aber infolge des Glühens und der Entkohlung der Oberfläche und der angrenzenden Schichten in der Stange noch nicht die gewünschte Mikrostruktur. Würde man den Stift 12 nun einfach normalglühen, um die gewünschte Mikrostruktur und Härte einzustellen, ohne das Material an der Oberfläche wieder aufzukohlen, würde an und nahe den Oberflächen des Stifts 12 Ferrit im Überschuß, dagegen aber zu wenig härterer Perlit vorliegen. Der Stift wäre also an der Oberfläche weicher als zum Inneren hin. Das Mikrogefüge an und nahe der Oberfläche des Stifts 12 ist jedoch für die Bruch- bzw. Rißkontrolle wesentlich, da, um ein zuverlässiges Rißverhalten zu erreichen, die Oberfläche der Sperrnut die beim Eindrücken der Hülse auf sie ausgeübte Kraft vollständig übertragen muß. Ist sie zu weich, gibt sie teilweise nach und kann dann die volle Last nicht mehr weitergeben. Ein Ferritüberschuß ist also an und nahe der Oberfläche des Stifts 12 unerwünscht.

Um dem Stift 12 an und nahe der Oberfläche die gewünschte Härte und auch die gewünschte Mikrostruktur zu erteilen, wird er in einem Normalglühschritt gehärtet, in dem auch das Wiederaufkohlen stattfindet.

Nach dem herkömmlichen Entfetten werden die Stifte 12 in einer Aufkohl-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 870°C bis etwa 980°C normalisiert. In einer bestimmten Anwendung wurden die Stifte 12 etwa eineinhalb Stunden auf Austenitisierungstemperatur gehalten. Dabei werden die Stifte 12 so lange auf dieser Temperatur gehalten, daß der Stahl wieder aufkohlt und austenitisiert. Um den an und nahe der Oberfläche verlorenen Kohlenstoff wieder einzubringen, wird der Taupunkt der Ofenatmosphäre etwa auf -3,9°C bis etwa 1,7°C gehalten, damit sich an und nahe der Oberfläche ein Kohlenstoffgehalt von etwa 0,4 bis etwa 0,6% einstellt. In einem System wurde ein Taupunkt von etwa -3,3°C im Normalisierungsofen verwendet. Auf diese Weise zeigt dann der Bereich an und nahe der Oberfläche des Stifts 12 eine Härte mindestens gleich der des Stiftkerns. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften des Kerns denen der Oberfläche angleichen, so daß die Bruch- bzw. Rißbildung kontrolliert erfolgen kann. Während also die Mikrostruktur an der Stiftoberfläche und in den angrenzenden Schichten wesentlich ist, soll die endgültige Mikrostruktur zwischen der Oberfläche und dem Kern, d. h. sowohl nach Härte als auch Mikrostruktur, komplementär sein. Es wird darauf verwiesen, daß an diesem Punkt die Seigerung zu Längszeilen wirkungsvoll auf einem Minimum gehalten worden ist.

Danach werden die Stifte 12 bei einer Temperatur von etwa 38°C bis etwa 204°C in Luft oder in einer Inertgas-Atmosphäre wie beispielsweise Stickstoff gekühlt. Die Kühltemperatur und -geschwindigkeit hängen von der Härtbarkeit des Werkstoffs ab. Nachdem die Stifte 12 weit genug abgekühlt sind (auf weniger als etwa 540°C), lassen sie sich in einer Flüssigkeit weiter abschrecken. Die endgültige gewünschte Rockwell-Härte für die Stifte 12 liegt im Bereich von HRC 19 bis etwa HRC 29.

Der Normalisierungsschritt läßt sich abhängig vom Werkstoff modifizieren, d. h. vom erwünschten Ausmaß des Wiederaufkohlens und der gewünschten endgültigen Härte.

Nach dem Normalglühen kann wahlweise angelassen werden, um die endgültige Härte des fertigen Stifts einzustellen. Typische Temperaturen hierzu liegen zwischen etwa 204°C und etwa 538°C. Die Rockwell-Härte der angelassenen Stifte bleibt im Bereich von etwa HRC 19 bis etwa HRC 29.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen eines Stiftes für einen Befestiger, wobei der Stift eine Vielzahl von kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten identischer Struktur aufweist und mit einer in die Nuten einzupressenden Hülse verwendbar ist, wobei eine dieser Nuten als Sollbruchstelle dient, so daß eine überschüssige Länge des Stiftes im wesentlichen an dem Ende dieser Hülse abtrennbar ist, wobei der Stift aus einem weichen Kohlenstoffstahl besteht, der einen Kohlenstoffgehalt von 0,30 bis 0,60 Gew.-% aufweist, wobei ein Rohling gewünschter Länge von einer kalibrierten Stahlstange abgeschnitten wird und an ihm ein vergrößerter Stiftkopf und eine Reihe von kombinierten Sperr- und Sollbruchnuten geformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift nach dem Formvorgang normalisiert wird, indem

• a) der Stift bei einer Temperatur von 871 bis 982°C in einer mit Kohlenstoff angereicherten Atmosphäre während einer Zeitlänge geglüht wird, die ausreichend ist, um den Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Stiftes auf einen Kohlenstoffgehalt anzureichern, der wenigstens gleich demjenigen des Stiftkernes ist, und den Stift zu austenitisieren, und daß
• b) dieser austenitisierte Stift in Luft oder Inertgas-Atmosphäre von 38 bis 204°C gekühlt wird, was ausreicht, den Stift mit einer im wesentlichen homogenen Mikrostruktur zu erzeugen, die vorwiegend aus grobkörnigen Perlitkolonien in einer Matrix aus voreutektoidischem Ferrit besteht, so daß die scheinbare Korngröße der Perlitkolonien allgemein in einem Bereich von ASTM 1 bis ASTM 5 beträgt und die Härte an der Oberfläche des Stiftes wenigstens gleich derjenigen des Stiftkernes ist, um somit das Reißen an der Nut zu unterstützen, welche als Bruchstelle dienen soll.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift so hergestellt wird, daß er eine Härte in dem Bereich von 19 HRC bis 29 HRC aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kalibrierte Stahlstange durch Stranggießen hergestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kalibrierte Stahlstange mit Silizium beruhigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Wiederaufkohlen der Taupunkt der normalisierenden Ofenatmosphäre auf -3,9°C bis 1,7°C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederaufkohlatmosphäre einen Kohlenstoffgehalt an oder nahe der Oberfläche von 0,4% bis 0,6% erzeugt.