NO803332L - Fremgangsmaate til fremstilling av festeelementer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av festeelementer og mere spesielt til den type festeelementer som har et hode og en stangformet del.

Det er ikke overraskende at festeelementer med høy styrke eller bolter er fordelaktig, særlig hvis de i tillegg til høy strekkfasthet eller strekkstyrke er seige, korro-sjonsmotstandsdyktige, motstandsdyktige mot belastningskorro-sjonssprekkdannelse, og lett koldsmibare (formbare), med minimal verktøyslitasje, alt ved lave kostnader. For en ingeniør/konstruktør er disse egenskaper oversettbare til økede utmattningsverdier, mindre lettvektsfesteelement, økende klembelastninger, øket skjærstyrke og høyere belast-ningsbærekapasitet pr. festeelement.

En klasse av materiale som vanligvis benyttes for festeelementer er rustfritt stål av AISI 300-serier. Disse ståltyper har utmerket formbarhet og korrosjonsmotstand, og er i stort omfang tilgjengelig til godtagbare kostnader.

I realiteten har de alle de ovenfor nevnte fordeler med ett unntak, dvs. den kommersielt tilgjenge strekkstyrke, er,

selv om den er høy, ikke større enn ca. 966 Mpa (megapaskal). Denne ulempe fremkommer på grunn av at rustfrie stål av 300-seriene ikke kan herdes og således gjøres sterkere ved billig varmebehandlingsrutiner. Istedenfor blir styrken oppnådd ved mekanisk bearbeidelse som opptrer under ekstruder ingen av stangdelen av bolten under kaldsmiing og ved å gå ut fra en kaldtrukket tråd. Uheldigvis vil kaldtrekking av utgangstråden bare kunne benyttes i begrenset utstrekning da den er ledsaget av en reduksjon i duktilitet, og en stigning i flytespenningen for tråden, som resulterer i vanskeligheter i stuking av bolthodene og øket formslitasje. I lys av disse begrensninger for benyttelsen av kaldtrekking av på grunn av at styrking ved ekstrudering nødvendig-vis må være begrenset av prosesstrinn, kan AISI 300-rustfrie stål bare bli gjort sterkere opptil 966 Mpa, ihvertfall ved de teknikker som idag er kommersielt tilgjengelige.

En hensikt med foreliggende oppfinnelse er derfor

å tilveiebringe fremgangsmåte for fremstilling av festeele-

menter av AISI 300 eller AISI 200 rustfritt stål, hvor strekkstyrken er større enn ca.. 966 Mpa i stangdelen, mens stukingen av hodedelen opptrer,under betingelse med relativt lav flytespenning, hvorved det minimaliseres problemer med sprekkdannelser og reduksjon av formens levetid.

En slik fremgangsmåte for fremstilling av et festeelement med et hode og en stangdel av en bit som består i det vesentlige av rustfritt stål av AISI 200 eller 300-seriene, med en Md-^Q-temperatur i området mellom ca. -50°C og ca. 50°C er blitt tilveiebragt, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved følgende trinn: (a) at biten kjøles til en temperatur på minst ca. 50°C under Md3Q-temperaturen for rustfritt stål - 30°C, (b) ekstrudering av en del av den kjølte bit for å tilveiebringe stangdelen mens samtidig den gjenværende del av den kjølte bit oppvarmes i området fra- c. Md30-30°C til ca. 500?C, (c) stuking av den oppvarmede del for å tilveiebringe hodet.

Festeelementet med et hode og en stangdel kan med få unntak bli sidestilt med en vanlig bolt, enten gjenget eller ugjenget tilstand. Andre festeelementer som er på-tenkt her er skruer og nagler. Fremgangsmåten er også særlig egnet for tilforming av aksisymmetriske komponenter hvor høy styrke er ønsket i stangdelen, mens.hodedelen ikke er styrkebegrenset. Eksempler på slike komponenter er forskjellige typer tapper, aksler og plungerstempler.

AlSI-seriene av typen 200 og 300 av rustfritt stål er beskrevet i "Steel Product Manual: Stainless and Heat Resisting Steels", utgitt av "the American Iron and Steel Institute (AISI)", Washington D.C., 1974. Rustfrie stål.som omtalt her er austenittiske og ihvertfall til å begynne med har de en Md3ø-temperatur ikke høyere enn ca. 50°C (dvs. + 50°C), og ikke lavere enn ca. -50°C, og en Ms-temperatur ikke høyere enn -100°C. Rustfrie stål av AlSI-typen, så som 301, 302, 302 HQ, 303, 303 Se, 304, 304 L, 316, 316 L, 321, 347, 384 og 385 er foretrukket for oppfinnelsen.

Uttrykket "austenittisk" omfatter den krystallinske mikrostruktur leger ingen, som er betegnet som austenittisk når mikrostrukturen har en kubisk flatesentrert struktur. Den andre mikrostruktur som foreligger er en kubisk kom-sentrert struktur som betegnes som martensittisk eller.martensitt.

Md^g-temperaturen er angitt som den temperatur ved hvilken etter en virkeliq belastning i strekk på 30% prøve av rustfritt stål inneholder 50% martensitt. Virkelig strekk er definert som det naturlige logaritme av forholdet mellom sluttlengden av staven eller tråden, delt med dens utgangs-lengde før mekanisk deformasjon. Md30~temperaturen kan bestemmes med vanlig strekk.styrkeprøving gjennomført ved forskjellig temperatur.

Eksempler på bestemmelse av Md3Q-temperaturen på forskjellige austenittiske rustfrie stål, er angitt i en artikkel: "Formation of Martensite in Austenitic Stainless Steels" av T. Angel, Journal of the Iron and Steel Institute, mai 1954, side 165-174. Denne artikkel inneholder også en formel for beregning av Md3n-temperaturen ut fra stålets kjemiske sammensetning:

hvor mengdene i firkantparentesene angir vekt-% av det element som er tilstede. Denne formel kan benyttes som en hensiktsmessig rettesnor for Md3Q-temperaturen. Når Md3n-temperaturen til et rustfritt stål er angitt her, vises det bestandig til utgangs-Md3Q-temperaturen for rustfritt stål før behandlingen med fremgangsmåten.

Ms-temperaturen er definert som temperaturen ved hvilken mart-ensittisk omforming begynner å finne sted spontant, dvs. uten utøvelse av mekanisk deformasjon. Ms-temperaturen kan også bestemmes ved vanlige prøver.

Noen eksempler på Md^n-temperaturer er følgende:

301, 302, 304 og 304 L ståltypene har lys-temperaturer under -196°C.

Fysikalske egenskaper som er relevante for foreliggende oppfinnelse innbefatter de for styrke og seighet. Styrkeegenskapene kan lett bestemmes fra en enkel uniaksial strekkprøve som beskrevet i ASTM standard metode E-8.

Denne metode er angitt i del 10 av 1974 årboken av ASTM Standards, publisert av "the Amierican Scociety for Testing and Materials", Philadelphis, Pa. Resultatene av denne prøven på et material kan oppsummeres ved angivelse av konvensjonell flytegrense, strekkstyrke og total forlengelse av materialet: (a) flytespenningen er den belastning ved hvilken materialet har et spesielt angitt begrensende avvik fra pro-porsjonaliteten mellom belastning og trekking eller tøyning. I det følgende er begrensningsavviket bestemt ved hjelp av forskyvningsmetoden, med en spesifisert 0,2 % -strekking. (b) strekkstyrken er den maksimale strekkbelast-ning som materialet er i stand til å tåle. Strekkstyrken er forholdet mellom maksimal belastning under strekkprøve gjennomført til brudd, mot det opprinnelige tverrsnitt av prøven, og (c) den totale forlengelse er økningen i målt lengde for en strekkprøve som utprøves til brudd, uttrykt som en %-andel av den opprinnelige tilmålte lengde. Det er generelt antatt at når flyttegrense og strekkstyrke på metallisk materiale økes ved hjelp av metallurgiske proses-ser, vil den totale forlengelse avta.

Uttrykket "bit" blir benyttet for å beskrive metallemner som benyttes ved fremgangsmåten. Det er generelt et sylindrisk utformet metallstykke som er skåret fra en tråd eller en stav med en diameter noe mellom den maksimale hodediameter og den maksimale stangdiameter til det ferdige festeelement, og en lengde på noe mellom halvdelen av lengden og den hele lengde til det ferdige festeelement. Valget av diameter og lengde vil være avhengig av flatere-duksjonen og forlengelsen som skal utøves ved ekstruderings-trinn og graden av stuking under hodedannelsestrinnet. Tråden eller staven som benyttes som kilde for biten kan være utelukkende i glødet tilstand, men er fortrinnsvis trukket ved en temperatur i området mellom ca. 15°C og ca. 25°C, for å gi en flatereduksjon på opptil ca. 20%. For-håndtrekking av tråden eller staven forbedrer smøringen, reduksjon i den første arbeidsherding ved kryogen temperatur (Ludering-effekten), og letter således kryoekstrudering, og øker søylestyrken på utgangsbiten og reduserer derved risikoen for utbuling under kryo-ekstrudering.

Temperaturen ved hvilken trinn (a) gjennomføres

er minst ca. 50°C under utgangs-Md3Q-temperaturen for rustfritt stål -30°C. Disse temperaturer kan oppnås ved gjen-nomføring av dette trinn i flytende nitrogen (kokepunkt -196°C), flytende oksygen (kokepunkt -183°C), flytende argon (kokepunkt -186°C), flytende neon (kokepunkt -246°C), flytende hydrogen (kokepunkt -252°C) eller flytende helium (kokepunkt -269°C). Flytende nitrogen er foretrukket. En blanding av tørris og metanol, etanol eller aceton har et kokepunkt på ca. -79°C. og kan også benyttes. Jo lavere temperaturen er, jo mindre strekk er nødvendig for hver % forbedring i strekkstyrken. Det skal bemerkes her at deformasjonen innfører energi materialt og dette bevirker en stigning i temperaturen.

Den kjølte bit blir så ekstrudert som angitt i trinn (b) . Uttrykket "ekstrudering" (mere beskrivende, fremre ekstruder ing) blir her benyttet for å angi deforma-sjonsprosessen ved hvilken en del av den sylindriske metall-bit tvinges ved kompresjon til å strømme gjennom en egnet formet åpning i en form, for å gi et produkt et mindre men jevnt tverrsnitt. Formen i hvilken ekstrudering finner sted, er av vanlig utforming, og kan fremstilles av verktøy-stål eller volframkarbid. I uttrykk for lengden til en sylindrisk bit som målt langs sylinderaksen kan den del som er ekstrudert variere innenfor brede grenser i avhengighet av at den endelige ønskede form for den kaldklinkede del. Det endelige forhold mellom hodediameter og stangdiameter vil imidlertid vanligvis være mindre enn 3. Reduksjonen i flaten for den ekstruderte del, nå stangen, er ca. 10 - ca. 30%, og fortrinnsvis ca. 15 - ca. 25%. Under kryo-ekstruderingen, vil minst ca. 20% av stangmikrostrukturen omdannes til martensitt og resultere i vesentlig herding. Videre vil den varme som dannes i stangdelen under deforma-sjonsarbeidet, varmen fra oppvarmingen av austenitt til martensitt, varme fremkommer også ved friksjon ved grense-flatene mellom materiale og form. Ved gjennomføring av trinn (b) bør hodedelen av biten vaniigvis være innesluttet i et konisk verktøy. Dette koniske verktøy tvinger stangdelen inn i ekstruderingsformen, og er understøttet for å forhindre hodedelen i å bule ut. En delstuking kan finne sted. I ethvert tilfelle vil hodedelen til biten være i utmerket termisk kontakt med det koniske verktøy og stangdelen av bolten. Den varme som dannes i stangdelen passerer til den gjenblivende del av biten ved ledning,

og sammen med varme som oppnås under overføringen fra ekstruder ingsf ormen til stukeformen, øker temperaturen til hodedelen av biten til en temperatur i området mellom ca. Md30- 30°C og ca. 50°C. Det er klart at temperaturen til hodedelen av biten kan økes over dette området ved kunstig tilførsel av varme til det koniske verktøy, som tvinger stangdelen inn i ekstruderingsformen, eller ved tilførsel av varme til hodedelen av biten, mens den passerer fra ekstruder ingsf ormen til stukeformen. Denne ytterligere oppvarming vil være særlig hensiktsmessig på vanskelig formbare hodeformer (så som et avtrappet hode) hvor maksimal duktilitet og mykhet kreves i hodedelen av biten for å unngå

sprekkdannelse under formingen, og for å oppnå en egnet levetid på verktøyet. Den maksimale temperatur til hvilke hodedelen av biten kan oppvarmes, er ca. 500°C, bestemt av stabiliteten for martensitt i stangdelen. Det er funnet at ingen mykning eller omdanning av martensitt som er tildannet under kryo-ekstruderingstrinnet finner sted opptil ca. 500°C. Det foretrukkede område er ca. 0°C - ca. 500°C. Det skal forstås for fagmannen at det er mere dyrt å arbeide mellom 50°C og 500°C enn mellom 0°C og 50°C på grunn av kostnadene for tilførsel av varme utenfra. Derfor vil vanlige hode-typer vanligvis bli fremstilt i det nedre området, uten ytre oppvarming. Ser man bort fra kostnadene, er det ingen hindring i å benytte de høyere temperaturer.

Temperaturen til hvilken den kjølte stangs temperatur stiger under ekstrudering vil være avhengig av temperaturen til hvilken den ble kjølt i trinn (a). Den varme som dannes under kryo-ekstruderingstrinnet er vanligvis tilstrekkelig til å drive temperaturen for stangdelen opp til ca. mellom 150°C og ca. 250°C, for en 20% flatereduksjon, dvs. en stang til -196°C i trinn (a) kan heve temperaturen til 20°C i trinn (b). Trinn (c) blir så gjennomført ved stuking av den gjenblivende del for å tilveiebringe eller tilforme hode på festeelement. Uttrykket "stuking" eller "klinking" blir her benyttet for å angi en deformasjons-prosess hvor metallet utsettes for kompresjonsdeformasjon med et blåsetrykk eller et jevnt trykk generelt i retning av aksen til biten for å forstørre tverrsnittsarealet over en del av lengden. Stukeformene er av vanlig utforming, og kan fremstilles av verktøystål eller volframkarbid. Ved en typisk progressiv klinkeoperasjon ble AISI 304 rustfrie stålbiter med diameter på 6,35 mm adlet med 150 biter pr. minutt, hvorved bitene var kjølt (trinn (a)) til -123°C,

og med bearbeidelse ved 27°C, idet den gjennomsnittlige hodetemperatur før klinkingen (dvs. etter trinn (b), men før trinn (c)) i den andre formen er ca.-13°C. I ethvert tilfelle vil stukingen eller klinkingen finne sted ved over Md3Q-30°C for legering fra hvilken biten er fremstilt.

Lite martensitt, mindre enn ca 20%, dannes i hodedelen under stukingen, resulterer i en moderat deformasjonsher-ding og høy duktilitet. Således vil den ferdige bolt ha en sammensatt struktur, en mere martensittisk stangdel med høy styrke og seighet,og en mere austenistisk hodedel. Ved enhver hastighet vil martensitt-innholdet i stangdelen være minst ca. 20% høyere enn martensitt-innholdet i hodedelen. Styrken, dvs. strekkstyrken ligger i området mellom ca. 1034 Mpa og ca. 1724 Mpa.

Etter trinn (c) er det foretrukket at det ferdige festeelement eller bolt eldes for optimalisert styrke. Elding gjennomføres på vanlig måte ved en temperatur i området mellom ca. 400°C og ca. 450°C. Eldingstiden kan variere fra ca. 30 minutter til ca. 10 timer, og ligger fortrinnsvis i området mellom ca. 30 minutter og ca. 2,5 timer. Vanlig prøving blir benyttet for å bestemme temperaturen og tiden, som gir den høyeste strekkstyrke og flytegrense.

Det skal bemerkes at eldingen har en tendens til å forbedre flytegrensen mere enn strekkstyrken, og for at legeringen skal nå de høyeste styrkenivåer, kan eldingen gjennomføres til et punkt hvor flytegrensen tilnærmet er lik strekkstyrken.

Når bolten utsettes for elding vil strekkstyrken for stangdelen økes med en størrelse i området mellom ca. 138 Mpa og ca. 345 Mpa, mens hodedelen er konstant i styrke eller blir noe mykere. Denne styrkingseffekt er den ytterligere fordel ved kryo-ekstruderingsprosessen.

Oppfinnelsen er i det følgende nærmere illustrert ved hjelp av et eksempel:

EKSEMPEL.

I dette eksempel blir det fremstilt en bolt av

et rustfritt' stål av type AISI 304 L, i form av en sylindrisk bit på en progressiv klinkeanordning. Materialets kjemiske sammensetning er (vekt-%): C: 0,017

Mn: 0,55

P: <0,04

S: 0,006

Si: 0,54

Cr: 18.8

Ni: 8,3

Fe: balanse

En glødet stang av dette material blir vanligvis trukket ved romtemperatur med ca. 30% flatereduksjon som resulterer i en tråd med en diameter på 5,59. mm, med en flytegrense på 883 Mpa og en strekkstyrke på 1062 Mpa.

Uttrykket "progressiv klinkeanordning" angir en vanlig fastformsmaskin med to eller flere separate stasjoner for de forskjellige trinn i operasjonen. Biten ble automa-tisk overført fra en stasjon til den neste, og maskinen kan utøve en eller flere ekstruder inger og stukinger på biten. De fleste progressive klinkeanordninger som benyttes ved

høy hastighetsproduksjon blir matet med oppviklet tråd.

Den oppviklede tråd blir matet inn i maskinen fra materul-ler, og det første trinn er avkuttingstrinn, som tilveie-bringer sylinderiske biter, som hver har en lengde på

33,0 mm og en diameter på 5,59 mm. Bitene blir så kjølt med flytende nitrogen til -196°C som i trinn (a). Maskinene, stemplene og formene har alle en temperatur på ca. 27°C, (romtemperatur). Bitene blir så ført gjennom en ekstruder-ingesform (trinn (b)) hvor 62% av lengden (20,3 mm) ekstru-deres for å tilveiebringe en stangdiameter på 5 mm, med en reduksjon i flate på 20% og en stanglengde på 25,4 mm. Slaghastigheten er 127 mm pr. sekund, og det benyttes en volframkarbidekstruderingsform. Smøremiddelet som benyttes under kryo-ekstruderingen er vanlig tørt smøremiddel for rustfritt stål, som f.eks. en blanding av kalsiumstearat og kalk. Etter trinn (b) og før trinn (c) blir hodetempera-turen øket til over 0°C. Bitene blir så ført gjennom stukingsformen i hvilken hodet tilformes, og den sammensatte konstruksjon har en stangdiameter på 5,0 mm og en hode-

diameter på 8,4 mm. Boltene ble utsatt for elding i 2 timer ved 450°C.

Av kritisk betydning for riktig mekanisk virkning for den sammensatte bolt som var fremstilt ved fremgangsmåten er at overgangen mellom kryo-ekstrudért med høy styrke og hode med lavere styrke skal være tilstrekkelig skarp til at den ferdige bolt kan bære belastninger som svarer til stang-delens styrke uten permanent deformasjon i overgangsområdet nær hodet. En kryo-ekstrudert bit (etter trinn (b)) blir skåret i lengderetning langs sentrum, og hårdheten blir målt langs senterlinjen. Den gjennomsnittlige hårdhet for stangdelen er 44 på Rockwell C-skalaen, svarende til en strekkstyrke på 1338 Mpa. Overgangsområdet er mindre enn 0,76 mm langt, og er i det vesentlige bestemt av den koniske vin-kel til ekstruderingsformen (12°). Dette indikerer at meget korte overføringsområder kan oppnås på enkel måte.

Etter eldring i 2 timer ved 450°C når stangdelen en hårdhet på 51 på Rockwell C-skalaen svarende til en strekkstyrke på 1758 Mpa.

Det er funnet at festeelementer fremstilt ved denne fremgangsmåte gir høy styrke når det utsettes for ASTM-testen som er nevnt ovenfor, idet styrken går opp mot ca. 1035 Mpa, og det oppnås også stor seighet.

Claims (10)

1. En fremgangsmåte for fremstilling av et festeelement med en hodedel og en stangdel fra en bit som består i det vesentlige av rustfritt stål av AISI 200 eller 300-seriene, med en Md3Q -temperatur i området mellom ca. -50°C og ca. 50°C, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter følgende trinn: (a) kjøling av biten til en temperatur på minst ca. 50°C under Md3Q -temperatur til rustfritt stål -30°C, (b) ekstrudering av en del av den kjølte bit for å tilveiebringe stangdelen mens det samtidig oppvarmes den gjenblivende del av den kjølte bit til en temperatur i området fra ca. Md30 -30°C til ca. 500°C, og (c) stuking av den oppvarmede del for å tilveiebringe hodet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det etter trinn (c) foretas en elding av festeelementet til en temperatur i området mellom ca. 400°C og ca. 450°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at temperaturen i trinn (a) er mindre enn ca. -100°C, og at den gjenblivende del i trinn (b) oppvarmes til en temperatur i området mellom ca. 0°C og ca. 500°C.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at biten som benyttes i trinn (a) er fremstilt av tråd eller stav som er trukket ved en temperatur i området mellom ca. 20°C og ca. 200°C for å tilveiebringe en reduksjon i flaten på ca. 5% til ca. 50%.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakteri sert ved at det rustfrie stål er fra AISI 300-ser iene.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det rustfrie stål er fra AISI 300-ser iene.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at det rustfrie stål er fra AISI 300-seriene.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det rustfrie stål er fra AISI 300-seriene.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinn (c) gjennomføres ved en temperatur på minst ca. utgangs Md-^Q for rustfritt stål -ca.30°C på en slik måte at mindre enn ca. 20% martensitt dannes i hodet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at trinn (c) gjennomføres ved en temperatur på minst ca. utgangs Md3 ø for rustfritt stål -ca.30°C på en slik måte at mindre enn ca. 20% martensitt dannes i hodet.