EP1694878A1 - Durch kaltwalzen geformte befestigungsschraube mit selbstfurchendem gewinde - Google Patents

Durch kaltwalzen geformte befestigungsschraube mit selbstfurchendem gewinde

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EP1694878A1
EP1694878A1 EP04791045A EP04791045A EP1694878A1 EP 1694878 A1 EP1694878 A1 EP 1694878A1 EP 04791045 A EP04791045 A EP 04791045A EP 04791045 A EP04791045 A EP 04791045A EP 1694878 A1 EP1694878 A1 EP 1694878A1
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percent
screw
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maximum
added
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Withdrawn
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EP04791045A
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Heinrich Friederich
Reinhard Schmoock
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Ejot GmbH and Co KG
Original Assignee
Ejot GmbH and Co KG
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Publication date
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    • C21D7/10—Modifying the physical properties of iron or steel by deformation by cold working of the whole cross-section, e.g. of concrete reinforcing bars

Definitions

  • the invention relates to a cold-formed fastening screw made of low-alloy carbon steel with a large degree of deformation in accordance with a ratio of outer diameter / core diameter> 1.2 and a ratio of pitch / outer diameter> 0.23 with self-tapping thread for screwing in, in particular in plastics.
  • Such a fastening screw is shown and described, for example, in European Patent 948719.
  • this screw is cold rolled, there is a large degree of deformation, according to the ratio of outer diameter / core diameter given in claim 1 of this patent specification from 1.2 to 1.4 and the ratio of pitch / outer diameter from 0.23 to 0.41.
  • the ratio of outer diameter / core diameter is 1.25 to 1.65 and the ratio of pitch / outer diameter is 0.24 to 0.53.
  • the material of this screw and its manufacturing process, namely cold rolling and tempering, is briefly mentioned in the European patent specification (see column 4, lines 39 to 49).
  • German patent specification 27 54 870 discloses a fastening screw formed by cold rolling, in which there is also a high degree of deformation due to the ratio of outer diameter / core diameter of 1.85 and the ratio of pitch / outer diameter of 0.45.
  • Cold rolling and carbon steel with a carbon content of up to 0.35 percent by weight are mentioned in the document about the manufacturing process of the screw.
  • the screws after cold working are subjected to carbon nitriding to increase the carbon content on the surface of the screw (known application method) and then subjected to direct quenching and a tempering process.
  • carbon nitriding to increase the carbon content on the surface of the screw (known application method)
  • direct quenching and a tempering process On page 5, middle column, it is additionally explained with reference to Figure 4 that the insert-tempered screws have a higher risk of breakage than the screws tempered only to 10.9 quality.
  • the tempering of the screws ie their heating, quenching and tempering, was and is the essential feature of the manufacturing process of such screws.
  • the object of the invention is to improve the strength of the screws discussed at the outset and to simplify their manufacturing process. According to the invention, this is done by a screw material of a screw made of steel with a ferritic structure and other components with a carbon content that is substantially higher than the carbon contained in the ferrite, this mixed structure having a carbon content of max. 0.42 percent by weight and a maximum grain size corresponding to at least 2000 grains / mm, preferably at least 3000 grains / mm, with internal stresses maintained by the cold rolling and maintained.
  • the invention is based above all on the surprising finding that the internal stresses impressed in the screw material during cold rolling, which run axially in the screw, form an axial compressive internal stress (contraction stress), which is used when the screw screwed into a plastic material is loaded in order to be more dynamic Stress on the screw connection (vibrating stress) to increase the fatigue strength of the connection, since the residual compressive stress maintained runs in the opposite direction to the external tensile stresses that occur during operation.
  • This effect of maintaining the impressed residual stresses or compressive residual stresses which has proven to be decisive for the special resistance of the screw according to the invention, results from the deliberate avoidance of subsequent tempering, i.e.
  • parts of spherically molded cementite, lamellar pearlite, bainite or martensite can expediently be used either individually or in combination.
  • the ratio of the carbon content in the ferritic structure and in the other constituents can advantageously be selected at about 1:10.
  • the grain size of the grains plays an important role in that the effect of resistance formation due to the cold deformation is particularly great when the maximum grain size is below a value which is at least 2000 grains / mm, preferably at least 3000 grains mm 2 (DIN EN ISO 643, for USA ASTM E 112).
  • the screw material can advantageously be further improved by admixtures with regard to its strength properties.
  • the following options are available for adding admixtures to the screw material individually or in any combination. These are manganese in 0.6 to 2.0 percent by weight, silicon in a maximum of 1.2 percent by weight, chromium in a maximum of 2 percent by weight, molybdenum in a maximum of 1 percent by weight, vanadium in a maximum of 0.5 percent by weight, boron in a maximum of 0.008 percent by weight, Niobium in a maximum of 0.15 percent by weight and titanium in a maximum of 0.3 percent by weight.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube aus niedrig legiertem Kohlenstoffstahl mit grossem Umformgrad gemäss einem Verhältnis Aussendurchmesser/Kerndurchmesser >1,2 und einem Verhältnis von Steigung/Aussendurchmesser >0,23 mit selbstfurchendem Gewinde für das Einschrauben insbesondere in Kunststoffe. Das Schraubenmaterial einer Schraube aus Stahl von ferritischem Gefüge enthält weitere Bestandteile mit gegenüber dem im Ferrit enthaltenen Kohlenstoff wesentlich höheren Kohlenstoffgehalt, wobei dieses Mischgefüge einen Kohlenstoffgehalt von max.0,42 Gewichtsprozenten und eine maximale Korngrösse entsprechend mindestens 2000 Körner/mm<2>, vorzugsweise mindestens 3000 Körner/mm<2>, mit durch das Kaltwalzen eingeprägten, aufrechterhaltenen Eigenspannungen aufweist.

Description

Durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube mit selbstfurchendem Gewinde
Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube aus niedrig legiertem Kohlenstoffstahl mit großem Umformgrad gemäß einem Verhältnis Außendurchmesser/Kerndurchmesser >1,2 und einem Verhältnis von Steigung/Außendurchmesser >0,23 mit selbstfurchendem Gewinde für das Einschrauben insbesondere in Kunststoffe.
Eine derartige Befestigungsschraube ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift 948719 dargestellt und beschrieben. Beim Kaltwalzen dieser Schraube ergibt sich ein großer Umformgrad, gemäß dem im Anspruch 1 dieser Patentschrift angegebenen Verhältnis von Außendurchmesser/Kerndurchmesser 1,2 bis 1,4 und das Verhältnis von Steigung/ Außendurchmesser 0,23 bis 0,41 ist. Gemäß Anspruch 2 der zitierten europäischen Patentschrift beträgt das Verhältnis von Außendurchmesser/Kerndurchmesser 1,25 bis 1,65 und das Verhältnis von Steigung/ Außendurchmesser 0,24 bis 0,53. Das Material dieser Schraube und deren Herstellungsverfahren, nämlich das Kaltwalzen und das Vergüten, ist in der europäischen Patentschrift kurz angesprochen (siehe Spalte 4, Zeilen 39 bis 49).
Weiterhin ist in der deutschen Patentschrift 27 54 870 eine durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube offenbart, bei der ebenfalls ein großer Umformungsgrad vorliegt, und zwar aufgrund des Verhältnisses Außendurchmesser/Kerndurchmesser von 1,85 und des Verhältnisses von Steigung/ Außen-durchmesser von 0,45. Über das Herstellungsverfahren der Schraube ist in der Schrift das Kaltwalzen und als Ausgangsmaterial Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,35 Gewichtsprozent erwähnt.
Eine grundlegende Erläuterung des Herstellungsverfahrens der vorstehend beschriebenen durch Kaltwalzen geformten Befestigungsschraube ist in der Schriftenreihe "EJOT FORUM 2, technische Aufsätze vom September 1990" enthalten. In dieser Veröffentlichung wird auf Seite 2, mittlere Spalte, auf eine für die Herstellung derartiger Schrauben verwendete Vergütungsanlage Bezug genommen, mit der Schrauben auf die Werkstoffqualität 10.9 vergütet werden. Unter Vergütung wird in diesem Zusammenhang die Wärmebehandlung von Kohlenstoffstahl verstanden, wozu in einer Tabelle (siehe Seite 7) ausgeführt wird, dass der Kohlenstoffstahl gegebenenfalls mit Zusätzen abgeschreckt (nach Erwärmen) und angelassen wird. Darüber hinaus hat man gemäß Seite 4, mittlere Spalte zur Erhöhung der Festigkeit Stahlschrauben einsatzvergütet, d.h. die Schrauben nach der Kaltverformung (Kaltwalzen) einem Karbonnitrieren zur Erhöhung des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche der Schraube (bekanntes Einsatzverfahren) und danach der Direktabschreckung und einem Anlassvorgang ausgesetzt. Auf Seite 5, mittlere Spalte, wird ergänzend unter Hinweis auf Bild 4 erläutert, dass die einsatzvergüteten Schrauben eine höhere Bruchgefahr aufweisen als die nur auf 10.9-Qualität vergüteten Schrauben. In jedem Falle wird also dargelegt, dass die Vergütung der Schrauben, d.h. deren Erwärmung, Abschreckung und Anlassen das wesentliche Merkmal des Herstellungsprozesses derartiger Schrauben war und ist.
Diese Lehre der Herstellung der hier behandelten Schrauben, nämlich die Anwendung des aus Erhitzung, Abschreckung und Anlassen bestehenden Vergütungsverfahrens, wird weiterhin in dem Artikel "Verbindungs- Trüffelschweine", veröffentlicht in KEM 1994 April, Seite 92, bestätigt. In diesem Artikel wird auf Seite 92 erklärt: "Auch gewindefurchende Schrauben für Xunststoffverbmdungen werden aus Stahl einsatzvergütet oder bestehen aus rostfreiem Stahl". Abgesehen von rostfreiem Stahl, der ein hochlegierter Stahl ist und als solcher nicht mit einem niedrig legierten Kohlenstoffstahl verglichen werden kann und infolgedessen auch nicht vergütet wird, läuft die Literaturstelle wie der vorstehend behandelte Aufsatz darauf hinaus, gewindefurchende Schrauben für Kunststoffverbindungen aus Stahl herzustellen und anschließend zu vergüten, also dem Prozess mindestens der Erwärmung mit nachfolgender Abschreckung und des Anlassens auszusetzen, um damit den Anforderungen der Praxis zu genügen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs behandelten Schrauben hinsichtlich ihrer Festigkeit zu verbessern und ihren Herstellungsprozess zu vereinfachen. Erfindungsgemäß geschieht dies durch ein Schraubenmaterial einer Schraube aus Stahl von ferritischem Gefüge und weiteren Bestandteilen mit gegenüber dem im Ferrit enthaltenen Kohlenstoff wesentlich höheren Kohlenstoffgehalt, wobei dieses Mischgefüge einen Kohlenstoffgehalt von max. 0,42 Gewichtsprozenten und eine maximale Korngröße entsprechend mindestens 2000 Körner/mm , vorzugsweise mindestens 3000 Körner/mm , mit durch das Kaltwalzen eingeprägten, aufrechterhaltenen Eigenspannungen aufweist.
Die Erfindung beruht vor allem auf der überraschenden Erkenntnis, dass die beim Kaltwalzen im Schraubenmaterial eingeprägten Eigenspannungen, die axial in der Schraube verlaufen, eine axiale Druckeigenspannung (Kontraktionsspannung) bilden, die bei der Belastung der in ein Kunststoffmaterial eingedrehten Schraube ausgenutzt wird, um bei dynamischer Beanspruchung der Schraubverbindung (schwingende Beanspruchung) die Dauerfestigkeit der Verbindung zu erhöhen, da die aufrecht erhaltene Druckeigenspannung zu den im Betrieb auftretenden äußeren Zugspannungen entgegengesetzt verläuft. Dieser Effekt der Erhaltung der eingeprägten Eigenspannungen bzw. Druckeigenspannungen, der sich als entscheidend für die besondere Widerstandsfähigkeit der erfmdungsgemäßen Schraube herausgestellt hat, ergibt sich durch bewusste Vermeidung einer nachträglichen Vergütung, d.h. Erwärmung, Abschrecken und Anlassen der kaltgewalzten Schraube, die, was bisher völlig übersehen worden ist, die vorstehend als besonders nützlich sich zeigende Eigenspannung beseitigen würde. Mit der unmittelbaren Beendigung des Herstellungsprozesses der erfindungsgemäßen Schrauben nach dem Kaltwalzen ohne weitere Warmbehandlung im Sinne der Vergütung ergibt sich damit eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses, der darüber hinaus, wie gesagt, zu einer besonderen Festigkeit der Schraube führt.
Als weitere Bestandteile der erfmdungsgemäßen Befestigungsschraube kann man zweckmäßig wahlweise einzeln oder in Kombination Anteile von kugelig eingeformtem Zementit, lamellarem Perlit, Bainit oder Martensit verwenden. Das Verhältnis des Kohlenstoffgehalts im ferritischen Gefüge und in den weiteren Bestandteilen kann man vorteilhaft mit etwa 1 :10 wählen. Beim Kaltwalzen werden die Körner des Mischgefüges durch Kaltverformung gestreckt, wobei sich in ihnen eine Kontraktionsspannung aufbaut, die, wenn sie nicht durch nachträgliches Vergüten aufgehoben wird, sich besonders sinnvoll als Widerstandskraft gegen äußere Krafteinwirkung auf die Schraube im Verbund ausnutzen lässt. Dabei spielt die Korngröße der Körner insofern eine wichtige Rolle, als der Effekt der Widerstandsbildung aufgrund der Kaltverformung dann besonders groß ist, wenn die maximale Korngröße unter einem Wert liegt, der sich bei mindestens 2000 Körnern/mm , vorzugsweise mindestens 3000 Körnern mm2, ergibt (DIN EN ISO 643, für USA ASTM E 112).
Vorteilhaft kann man das Schraubenmaterial durch Beimengungen hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften weiterhin verbessern. Hierfür bestehen folgende Möglichkeiten, Beimengungen einzeln oder in beliebiger Kombination dem Schraubenmaterial beizufügen. Es handelt sich dabei um Mangan in 0,6 bis 2,0 Gewichtsprozenten, Silizium in maximal 1,2 Gewichtsprozenten, Chrom in maximal 2 Gewichtsprozenten, Molybdän in maximal 1 Gewichtsprozent, Vanadium in maximal 0,5 Gewichtsprozenten, Bor in maximal 0,008 Gewichtsprozenten, Niob in maximal 0,15 Gewichtsprozenten und Titan in maximal 0,3 Gewichtsprozenten.

Claims

Patentansprüche
1. Durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube aus niedrig legiertem Kohlenstoffstahl mit großem Umformgrad gemäß einem Verhältnis Außendurchmesser/Kerndurchmesser >1,2 und einem Verhältnis von Steigung/ Außendurchmesser >0,23 mit selbstfurchendem Gewinde für das Einschrauben insbesondere in Kunststoffe, gekennzeichnet durch ein Schraubenmaterial einer Schraube aus Stahl von ferritischem Gefüge und weiteren Bestandteilen mit gegenüber dem im Ferrit enthaltenen Kohlenstoff wesentlich höheren Kohlenstoffgehalt, wobei dieses Mischgefüge einen Kohlenstoffgehalt von max. 0,42 Gewichtsprozenten und eine maximale Korngröße entsprechend mindestens 2000 Körner/mm , vorzugsweise mindestens 3000 Körner/mm , mit durch das Kaltwalzen eingeprägten, aufrechterhaltenen Eigenspannungen aufweist.
2. Befestigungsschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Bestandteile wahlweise einzeln oder in Kombination Anteile von kugelig eingeformtem Zementit, lamellarem Perlit, Bainit oder Martensit sind.
3. Befestigungsschraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Mangan in 0,60-2,0 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Silizium in maximal 1,2 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
5. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Chrom in maximal 2 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
6. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Molybdän in maximal 1 Gewichtsprozent beigefügt ist.
7. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Vanadium in maximal 0,5 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
8. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Bor in maximal 0,008 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
9. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Niob in maximal 0,15 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
10. Befestigungsschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schraubenmaterial Titan in maximal 0,3 Gewichtsprozenten beigefügt ist.
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