DE69107067T2 - Schraube aus hartem rostfreiem austenitischem Stahl. - Google Patents
Schraube aus hartem rostfreiem austenitischem Stahl.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine harte Schraube aus austenitischem rostfreiem Stahl von der die Oberflächenschicht als harte nitrierte Schicht gebildet ist und dann durch einen Metallüberzug oder einen Kunstharzüberzug überdeckt ist.
- Generell sind viele Arten von Schrauben auf dem Mark erhältlich, zum Beispiel eine Schneidschraube (selbstschneidende Schraube), eine selbstbohrende Schraube und eine Trockenwandschraube zur Befestigung einer Gipsplatte, einer wärmebeständigen Platte oder dergleichen an einem Basismaterial, wie einer Leichtbaueisen- und Stahltafel oder -Platte. Bei Benutzung einer Schneidschraube wird im Basismaterial ein Bohrloch gebildet, von dem der Durchmesser kleiner ist als der der Schneidschraube und die Schneidschraube wird hierin eingeschraubt, während bei Benutzung der selbstbohrenden Schraube und der Trockenwandschraube eine solche Bohrung überhaupt nicht gebildet wird, sondern ein Bohrteil des Schraubenendes oder eine Schneide selbst das Basismaterial zum Einschrauben vorbohren kann. Diese Art von Material umfaßt üblicher Weise einen zementierten Stahl von Eisen oder dergleichen und rostfreie Stahlmaterialien. Von den rostfreien Stahlmaterialien wird insbesondere ein martensitischer, der kein Nickel enthält, viel verwendet. Schrauben aus diesen Materialien werden selten so verwendet wie sie sind, jedoch solche bei denen verschiedene Arten von Überzügen durchgeführt wurden. Selbst wenn sie jedoch mit Überzug versehen sind gibt es einige Nachteile, weil sie dazu neigen Rost zu verursachen oder sie haben einen geringen Korrosionwiderstand gegen Säuren, wie Schwefelsäure und Salpetersäure und sauren Regen.
- Ein austenitisches Stahlmaterial, welches 7 bis 19 Gew. % Nickel enthält, wird neben dem oben erwähnten martensitischem rostfreien Stahlmaterial verwendet. Die Oberfläche dieser Art von rostfreiem Stahl erhält eine passive Oberflächenschicht, damit er hohe Antikorrosionseigenschaften hat, so daß er verwendet wird wie er ist, ohne einen Überzug vorzusehen. Da jedoch diese Art vom austenitischem Stahl grundsätzlich eine geringe Oberflächenhärte hat, gibt es starke Einschränkungen in der Festigkeit, wenn er für die vorgenannten verschiedenen Zwecke eingesetzt wird.
- Die Erfinder der vorliegenden Erfindung entwickelten ein Verfahren, um die Oberflächenhärte zu erhöhen, durch Nitrierung der Oberfläche von austenitischem rostfreien Stahl zur Bildung einer nitrierten Schicht, um die obengenannten Nachteile zu verbessern. Für dieses Verfahren wurde eine japanische Patentanmeldung Nr. 1-177 660 (richtig JP 177 660/899)angemeldet. Auf diese Weise hat rostfreier Stahl eine große Oberflächenhärte. Wenn jedoch der austenitische rostfreie Stahl für die obengenannten Zwecke verwendet wird, hat dies Nachteile, weil es lange Zeit zum Bohren erfordert, weil der Kopfteil einer Schraube zerstört wird und/oder der Schraubenkopf bricht oder nachgibt und auch weil sich Rost auf der nitrierten Schicht der Oberfläche bildet.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Probleme, wie lange Bohrzeit, dadurch zu lösen, daß an der Oberflächenschicht einer Schraube aus austenitischem rostfreien Stahl eine nitrierte Schicht gebildet wird, um ihr eine hohe Oberflächenhärte zu geben, und durch Bildung eines Metallüberzuges oder eines Kunstharzüberzuges auf der nitrierten Oberflächenschicht, um Glattheit zu verleihen.
- Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung eine harte Schraube aus austenitischem rostfreien Stahl vor, bei der die Oberflächenschicht des Schraubenkörpers aus austenitischem rostfreien Stahl als nitrierte Schicht ausgebildet ist und die nitrierte Oberflächenschicht durch einen Metallüberzug oder einen Kunstharzüberzug überdeckt ist.
- Mit anderen Worten, hat die Schraube aus austenitischem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Oberflächenhärte, indem die Oberflächenschicht als nitrierte Schicht ausgebildet ist. Sie bietet hohe Festigkeitseigenschaften, wenn sie für die verschiedenen geforderten Zwecke von Schrauben verwendet wird. Zusätzlich kann sie mit der erreichten Glattheit, die sich aus dem Metallüberzug oder dem Kunstharzüberzug ergibt, weil die nitrierte Schicht durch einen Metallüberzugsfilm oder einen Kunstharzfilm überdeckt ist, realisiert werden, um die Bohrzeit wesentlich zu verkürzen. Die Schraube gemäß dieser Erfindung hat den Vorteil, daß das Vorhandensein des Metallüberzuges oder des Kunstharzüberzuges Rost an ihrer nitrierten Oberfläche selbst verhindert. Dadurch rostet die Schraube nicht, selbst wenn sie für lange Zeit in einer Feuchtigkeit enthaltenden Atmosphäre gehalten oder plaziert wird. Daneben wird ein weiterer Vorteil dadurch erreicht, daß es möglich ist, den selben Glanz wie rostfreier Stahl zu geben, wenn die Oberfläche der nitrierten Schicht mit einem Metallüberzug versehen wird.
- Figur 1 zeigt eine Ansicht des Aufbaues eines Hitzebehandlungsofens, der bei dieser Erfindung benutzt wird,
- Figur 2 zeigt eine chematische Darstellung einer elektronenmikroskopischen Aufnahme (Vergrößerung: 500) des Querschnittes eines Teiles der Gewinderippe von einem der Beispiele,
- Figur 3, 4 und 5 zeigen erklärende Ansichten von Schrauben gemäß der Erfindung.
- Ein Hitzebehandlungsofen, wie er in einem Beispiel verwendet wird, wird zunächst vorbereitet. Dieser Ofen 1, wie er in Figur 1 gezeigt ist, ist ein Tiefofen umfassend einen inneren Behälter 4, der von einem Erhitzer 3 umgeben ist, welcher innerhalb eines äußeren Gehäuses 2 mit einer darin eingesetzten Gaseinlaßleitung 5 und einer Auslaßleitung 6 angeordnet ist. Die Gasversorgung erfolgt von Zylindern 15 und 16 über Mengenmesser 17, ein Ventil 10 usw. Die innere Atmosphäre wird durch einen Ventilator 8 bewegt, der von einem Motor 7 angetrieben wird. Die in einem Metallcontainer 11 angeordneten Werkstücke 10 werden in den Ofen eingebracht. In Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 13 eine Vakuumpumpe und 14 einen Schadstoffabscheider. Ein Fluor oder Fluorid enthaltendes Reaktionsgas, zum Beispiel ein Mischgas, bestehend aus NF&sub3; und N&sub2; wird in den Ofen eingeleitet und zusammen mit den Werkstücken auf eine bestimmte Reaktionstemperatur erhitzt. Bei Temperaturen von 250 bis 400 ºC entwickelt NF&sub3; Fluor im naszierenden Zustand, wodurch organische und anorganische Verunreinigungen an der Stahloberfläche hiervon entfernt werden und zur gleichen Zeit reagiert dieses Fluor mit den Basiselementen Fe und Chrom an der Stahlwerkstückoberfläche und/oder mit Oxiden, die an der Stahlwerkstückoberfläche auftreten, wie FeO, Fe&sub3;O &sub4; und Cr&sub2;O&sub3;. Als Ergebnis wird eine sehr dünne fluorierte Schicht, enthaltend solche Verbindungen wie FeF&sub2;, FeF&sub3;, CrF&sub2; und CrF&sub4; in der Metallverbindung an der Oberfläche gebildet, zum Beispiel wie folgt:
- FeO + 2F -> FeF&sub2; + 1/2 O&sub2;,
- CrO&sub3; + 4F -> 2CrF&sub2; + 3/2 O&sub2;
- Diese Reaktionen wandeln die oxidierte Schicht an der Werkstückoberfläche in eine fluorierte Schicht um. Zur gleichen Zeit wird O&sub2;, welches an der Oberfläche adsorbiert ist, entfernt. Dort wo O&sub2;, H&sub2; und H&sub2;O abwesend sind, ist eine solche fluorierte Schicht bei Temperaturen bis zu 600 ºC stabil und kann vermutlich die Bildung einer oxidierten Schicht an der Metallbasis und die Adsorbtion von O&sub2; daran bis zum darauffolgenden Schritt der Nitrierung verhindern. Die fluorierte Schicht wird nicht nur an der Oberfläche der Werkstücke 10, sondern auch an der Ofenmaterialoberfläche gebildet, so daß die stabile fluorierte Schicht die Beschädigung der Ofenmaterialoberfläche wegen ihrer Schutzwirkung minimiert.
- Die so mit Fluor oder Fluorid enthaltendem Reaktionsgas behandelten Werkstücke werden dann auf eine Nitriertemperatur von 480 bis 700 ºC erhitzt. Nach Zugabe von NH&sub3; oder einem Mischgas, bestehend aus NH&sub3; und eine Kohlenstoffquellengas (das heißt RX-Gas) wird in diesem erhitzten Zustand die fluorierte Schicht durch Reduktion oder Zerstörung mit H&sub2; oder Spuren von Wasser (vor der Einleitung des RX-Gases wird ein Mischgas, bestehend aus N&sub2; + H&sub2; in den Ofen eingeleitet) entfernt, um der Oberfläche des Werkstückes eine aktive Metallbasis zu geben.
- Nach der Bildung einer solchen aktiven Metallbasis werden N-Atome darauf adsorbiert, treten dann in die Metallstruktur ein und diffundieren darin und als Ergebnis wird eine Verbindungsschicht (eine nitrierte Schicht) an der Oberfläche gebildet, die Nitride wie CrN, Fe&sub2;N, Fe&sub3;N und Fe&sub4;N enthält. Dann wird hierauf der Metallüberzug oder Kunstharzüberzug gebildet. Als Metallüberzug gibt es verschiedene Metallüberzüge, wie zum Beispiel einen galvanischen Überzug, einen Nickel-Zink-Überzug oder einen Zinn- Überzug. Die Dicke des Überzuges wird auf 25 um bis 1 um, vorzugsweise 5 ± 3 um festgesetzt. Der Überzug kann gebildet werden durch Kombination einer der obengenannten verschiedenen Metallüberzüge mit einem Glanz-Chromat-Film. Als Kunstharzüberzug gibt es einen Fluor-Kunstharz-Überzug, einen Vinylchlorid-Kunstharz-Überzug und einen thermoplastischen Kunstharzüberzug, wie zum Beispiel einen Polyolefin-Überzug, zum Beispiel Polyethylen, Polypropylen oder dergleichen. Die Dicke des Uberzugs wird auf 25 um bis 1 um, vorzugsweise 3 ± 2 um festgesetzt. Daneben kann auch eine wärmehärtbarer Kunstharzüberzug, wie ein Phenolharz und ein Epoxyharz verwendet werden. Diese Kunstharzüberzüge werden zum Beispiel durch Eintauchen der Schraubenkörper in die Kunstharzlösung oder durch Aufsprühen von Kunstharz auf die Schraube und Trocknung durch Erhitzung, gebildet.
- Unter Verwendung des oben erwähnten Erhitzungsofens wird ein Schraubenkörper wie folgt behandelt.
- Selbstbohrende Schrauben wurden aus SUS 305 rostfreiem Stahl als Werkstücke wurden mit Trichloroethylen gereinigt, dann in den in Figur 1 gezeigten Hitzebehandlungsofen 1 gebracht und während 15 Minuten bei 300 ºC in einer N&sub2;-Gasatmosphäre, enthaltend 2 Gew. NF&sub3;, gehalten, dann auf 700 ºC erhitzt und die Nitrierungsbehandlung wurde an den Werkstücken während 5 Stunden durchgeführt, während ein Mischgas, bestehend aus 50 % NH3 + 50 % N&sub2; in den Ofen eingeleitet wurde. Die Werkstücke wurden dann luftgekühlt und aus dem Ofen herausgenommen.
- Die nitrierte Schicht an jedem der so erhaltenen Werkstücke war gleichmäßig in der Dicke. Die Oberflächenhärte war 700 bis 800 Hv, während der Basismaterialteil eine Härte von 270 bis 290 Hv hatte.
- Die durch die obige Methode erhaltenen nitrierten Muster wurden als nächstes in einen Zink-Kesselofen (nicht gezeigt) gebracht, ein Überzug, bestehend aus einer Verzinkung und einem glänzenden Chromatfilm wurde auf jedem Muster gebildet. In diesem Fall wurde die Dicke des Überzuges auf 5 um festgesetzt.
- Dann wurden die erhaltenen Muster in eine zusammengesetzte Überzugsflüssigkeit, enthaltend organische Überzugsflüssigkeit, enthaltend Si-O-R-Gruppe und anorganische Überzugsflüssigkeit, getaucht, um einen Überzugsfilm mit einer Dicke von 5 um zu bilden.
- Figur 2 zeigt ein Schraubengewinde des Musters (selbstbohrende Schraube), welches die gebildeten Mehrschichten aufweist. Der Metallüberzug C wurde gebildet auf der nitrierten Schicht B. Das Bezugszeichen A bezeichnet eine Metallbasis.
- Ein Schraubtest von 2.3t und 1.6t gegenüber einem kaltgewalzten Stahlblech SPCC wurde unter Verwendung von zehn so erhaltenen Mustern durchgeführt.
- Der gleiche Test wurde unter Verwendung von zehn Mustern an einem Vergleichsbeispiel, bei dem die Muster nur nitriert waren, durchgeführt. Der Schraubtest basierte auf JIS (Japanische Industrienorm). Tabelle 1 Vergleichsmuster (nur nitrierte Schrauben) Muster gem. der vorliegenden Erfindung 10 Schrauben wurden in s festgeschraubt 7 von 10 wurden in 4,5 - 6,5 s (Köpfe von 3 wurden zerstört)
- Bei diesem Beispiel wurden SUS 316-Trockenwandschrauben an Stelle von selbstschneidenden Schrauben im Beispiel 1 benutzt. Nachdem die Nitrierung wie im Beispiel 1 durchgeführt war, wurden die Schrauben mit einem Nickel-Zink- Überzug und einem glänzenden Chromatfilm versehen und dann in eine zusammengesetzte Überzugsflüssigkeit, bestehend aus organischer Überzugsflüssigkeit, enthaltend Si-O-R- Gruppe und anorganische Überzugsflüssigkeit. Ein neutraler Salzsprühtest wurde an den so erhaltenen Schrauben und an Vergleichsmusterschrauben, die nur nitriert waren, durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2 Vergleichsmuster (nur nitrierte Schrauben) Muster gem vorliegender Erfindung roter Rost nach 4 h weißer Rost nach 480 h
- Die gemäß vorliegender Erfindung erhaltenen Artikel wurden einem Test mit kochender 5 %iger H&sub2;SO&sub4; ausgesetzt. Die Tatsache, daß die Abreicherung 8g/m²h war, das heißt, daß der Grad der Abreicherung relativ gering war, wurde bewiesen.
- Dieselbe Art von selbstbohrenden Schrauben, wie sie beim Beispiel 1 benutzt wurden, wurden benutzt und auf ihnen wie beim Beispiel 1 eine nitrierte Schicht gebildet. Eine Dispersionsflüssigkeit, welche aus feinstverteiltem feinen Pulver von Polytetrafluoroethylen (PTFE) in Naphtha (Konzentration 10 Gew.%) wurde vorbereitet. Dann wurden die selbstbohrenden Schrauben mit darauf gebildeten nitrierten Schicht in die Dispersionsflüssigkeit getaucht und das Naphtha- Lösungsmittel verdampft und dann in einen Hitzebehandlungsofen (nicht gezeigt) gebracht und bei 360 bis 380 ºC ausgehärtet, um einen Kunstharzüberzug mit einer Dicke von 5 um zu bilden.
- Die erhaltenen Artikel wurden bei diesem Beispiel einem Schraubtest basierend auf JIS und einem neutralen Salzsprühtest unterworfen, wobei dieselben Resultate erreicht wurden wie bei den Artikeln in den Beispielen 1 und 2.
- Bei den oben erwähnten Beispielen wurde die Vorbehandlung immer mit NF&sub3;-Gas vor der Nitrierung durchgeführt, aber BF&sub3;, CF&sub4;, HF, SF&sub6;, F&sub2;, C&sub2;F&sub6;, WF&sub6;, CHF&sub3;, SiF&sub4; oder dergleichen allein oder in ihrer Mischung können an Stelle von NF&sub3; und können auch zusammen mit NF&sub3; verwendet werden. Zusätzlich zu den oben genannten Gasen, wie das Fluor oder Fluorid enthaltende Gas F&sub2;, welches durch Spalten von Verbindungen, welche F enthalten, wie BF&sub3;, CF&sub4;, HF, SF&sub6;, C&sub2;F&sub6;, WF&sub6;, CHF&sub3;, SiF&sub4; mittels eines thermalen Spaltapparates gebildet wird, können verwendet werden. Wenn die Verbindung wie BF&sub3;, welches zu spalten ist, verwendet wird, wird ein Spaltapparat vor oder in der Nähe des Erhitzungsofens angeordnet, um die Verbindung thermal zu spalten. Dann wird das abgespaltene und produzierte F&sub2; mit N2 gemischt und die Mischung in den Ofen eingeleitet. Fluor oder Fluorid enthaltendes Gas, welches bei vorliegender Erfindung verwendet wird, schließt das produzierte F&sub2;, welches, wie oben erwähnt, durch Spaltung erhalten wurde ein. Das rostfreie Stahlmaterial wird erhitzt und gehalten bei 150 bis 600 ºC, vorzugsweise 300 bis 500 ºC in einer solchen Fluor oder Fluorid enthaltenden Atmosphäre um die Materialoberfläche vorzubehandeln (Gaskonzentration: 0,05 bis 20 Gew.%, vorzugsweise 2 bis 7 Gew.%, besser noch 3 bis 5 Gew.%) und dann wird das Material nitriert (oder carbonitriert) mit allgemein bekanntem Nitriergas, zum Beispiel Ammoniak. Es ist jedoch möglich, eine nitrierte Schicht direkt ohne Vorbehandlung des Materials mit Fluor oder Fluorid enthaltendem Gas, wie NF&sub3;, wie es oben beschrieben wurde, zu bilden. Obwohl bei den Beispielen der Metallüberzug durch einen Nickel-Zink-Überzug, welches eine Galvanisierung ist, und einen glänzenden Chromatfilm gebildet ist, kann eine stromlose Überzugsbildung durchgeführt werden an Stelle der elektrolytischen Ni-Zn-Überzugsbildung. An Stelle des glänzenden Chromatfilms ist es möglich, einen Metallüberzug nur durch Ni-Zn-Überzugsbildung, Zn-Überzugsbildung, Verzinnung oder stromlose Ni-Zn-Überzugsbildung herzustellen. Als Verfahren zur Überzugsbildung werden Verfahren wie Galvanisierung, Heißtauchen und stromlose Überzugsbildung weitverbreitet verwendet. Als Kunstharzüberzug können nicht nur einfache Schichten, sondern auch zusammengesetzte oder Mehrfachschichten, in welchen zwei Arten von Kunstharzschichten aufgebracht werden, gebildet werden. Als Harz für die Bildung des Überzuges können nicht nur Homopolymere, sondern auch Copolymere der vorgenannten Kunstharze verwendet werden.
- Wie oben erwähnt, wird bei der Schraube aus austenitsichem rostfreien Stahl gemäß der Erfindung ihre Oberflächenschicht als nitrierte Schicht gebildet, wodurch die Oberflächenhärte extrem hoch ist, um beim Schrauben vorzüglich und angemessen zu sein. Insbesondere ist die Oberflächenschicht durch einen Metallüberzug überdeckt welcher es ermöglicht, eine bemerkenswerte Verbesserung der Schraubeigenschaft durch eine Wirkung der Glattheit des Metallüberzugs zu verwirklichen. Weiterhin wird die nitrierte Schicht, welche darauf leicht rosten kann, von der umgebenen Luft abgeschlossen, um hierdurch Rostbildung zu verhindern, wenn das rostfreie Stahl werkstück für lange Zeit in einer feuchten Atmosphäre gehalten oder plaziert wird. Da ferner dem Werkstück durch den Metallüberzug Glanz gegeben wird, ist das Erscheinungsbild der Schraube wie ein rostfreies Stahlmaterial.
Claims (6)
1. Harte Schraube aus austenitischem rostfreiem Stahl
(20), (21), (22), dadurch gekennzeichnet, daß ihre
Oberflächenschicht als nitrierte Schicht gebildet
ist und dann durch einen Metallüberzug (plating coat)
oder einen Kunstharzüberzug überdeckt ist.
2. Schraube (20), (21), (22) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Metallüberzug ein
zusammengesetzter Überzug ist, der einen glänzenden
Chromatfilm auf einem Metallüberzug aus Zink, Nickel oder
Zinn umfaßt.
3. Schraube (20), (21), (22) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Metallüberzug von
1 um bis 25 um, vorzugsweise von 2 um bis 8 um,
dick ist.
4. Schraube (20), (21), (22) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kunstharzüberzug von 1 um
bis 25 um, vorzugsweise von 1 um bis 5 um, dick ist.
5. Verfahren zur Herstellung einer harten Schraube aus
austenitischem rostfreien Stahl, umfassend die
Nitirerung der Oberfläche einer Schraube aus
austenitischem rostfreien Stahl und aufbringen eines
Metallüberzuges oder eines Kunstharzüberzuges auf
die nitrierte Schicht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß ein zusammengesetzter Überzug, umfassend einen
ersten Metallüberzug aus Nickel, Zink oder Zinn,
gefolgt von einem zweiten Überzug aus einem
glänzenden Chromatfilm, aufgebracht wird.
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Owner name: DAIDO HOXAN INC., SAPPORO, JP |
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