TW201905340A - 馬氏體硬化鋼和其應用，尤其用於製造螺釘 - Google Patents

馬氏體硬化鋼和其應用，尤其用於製造螺釘

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Abstract

本發明關於一種包含0.07至0.14重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量%的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%的錳的鋼和其用於製造螺釘的應用。

Description

馬氏體硬化鋼和其應用，尤其用於製造螺釘
本發明關於一種用於由毛坯製造成型體、尤其經硬化的成型體的方法、鋼、該鋼用於製造螺釘的應用和螺釘。
對於鋼金屬應用的混凝土螺釘和自攻螺釘通常期望的材料概念是，至少在螺釘的部分區域中具有高度表面硬度；具有高度芯部韌性；對一般腐蝕、穿孔腐蝕的高度抵抗力以及由氯化物或氫引起的脆化和良好的塑性成型性。根據EP 2204244 A1以及名稱為“Hilti HUS-HR”的混凝土螺釘，這藉由硬金屬切割元件實現，硬金屬切割元件在螺釘的頂端區域中焊接到螺釘螺紋上，其中，螺釘在其他情況下可由與1.4401相當的奧氏體的A4不鏽鋼構成。但是，這種螺釘僅可相對複雜地製造。
在鋼金屬應用的不鏽鋼自攻螺釘的領域中已知所謂的雙金屬螺釘，雙金屬螺釘的特徵是，在螺釘基體上，即在由A2或A4奧氏體不鏽鋼(與1.4301或1.4401相當)構成的頭部和桿部上焊接由硬化的碳素鋼構成的栓。栓在焊接和成型之後藉助局部熱處理進行硬化。這種螺釘也僅可相對複雜地製造。
DE4033706 A1描述一種用於藉由將0.2至0.8重量%的氮向內擴散到邊緣層中提高幾乎最終成型的構件的經硬化的邊緣層的抗腐蝕能力的熱處理方法，該構件由具有小於0.4重量%的碳的馬氏體不鏽鋼構成。但是DE4033706 A1沒有教導螺釘的應用且尤其DE4033706 A1沒有涉及鋼的化學組分與用於螺 釘應用的熱處理參數的協調。
DE19626833A1描述一種用於在由不鏽鋼構成的構件中經由鐵素體-馬氏體芯部產生高度耐腐蝕的馬氏體邊緣層的方法。如此限定鋼的化學組分，使得存在鐵素體-馬氏體結構且在1050℃至1150℃的溫度下藉助氮進行表面淬硬之後在芯部中的鐵素體含量在40和90體積%之間且芯部硬度小於300HV30。但是沒有教導該方法應用於螺釘。
DE102013108018A1描述一種由不鏽鋼，例如1.4113構成的螺釘，其中，鋼基本沒有鎳，其中，邊緣層由於滲氮熱處理在1000℃至1200℃下具有相對於其餘結構增加的溶解氮的含量，且其中，螺釘在邊緣層中具有馬氏體結構以及在其他部分具有鐵素體結構。
WO14040995 A1描述一種用於製造自攻混凝土螺釘，在其中，由尤其碳含量小於0.07%的馬氏體硬化鋼構成的毛坯在大於900℃的溫度下在含氮的整體氣氛中進行硬化。
TW201418549 A描述一種具有包括0.26至0.40%的碳、12至14%的鉻、0至0.6%的鎳和0至1%的錳的鋼的螺釘。
藉由鏈接：https：//online.unileoben.ac.at/mu_online/wbAbs.showThesis？pThesisNr=61746&pOrgNr=1調取的內容指出，藉助高溫氣體滲氮方法在邊緣滲氮且具有14%的鉻的馬氏體鋼尤其適用於作為用於固定元件的材料。
本發明的目的是，提供一種用於由鋼毛坯以及相應的鋼製造成型體、尤其螺釘形狀的方法，藉助該方法在製造費用特別低且生產可靠性高的情況下，實現了尤其對於螺釘應用 在邊緣層硬度、芯部韌性和耐腐蝕性、對氫和氯化物引起的脆性的耐受性和可加工性，特別是可成形性方面的特別有利組合。此外，本發明的目的是，提供這種鋼的應用以及具有這種鋼的螺釘，藉助該應用和螺釘可實現上述優點。
根據本發明該目的藉由具有請求項1的特徵的方法、具有請求項8的特徵的鋼、根據請求項9所述的這種鋼在製造螺釘方面的應用和根據請求項10所述的螺釘實現。較佳的實施方式在附屬項中給出。
根據本發明的方法用於製造成型體，較佳為螺釘形狀且使用毛坯，該毛坯具有包括0.07至0.14重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量%的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%的錳的鋼。此外，鋼可具有其他的鋼通常有的摻雜物，例如釩(特別是<0.2重量%)；鈮(特別是<0.2重量%)；鈦(特別是<0.2重量%)及/或矽(特別是<0.5重量%)。其餘為鐵和不可避免的雜質，例如特別是分別<0.02重量%的硫及/或磷。術語“重量%”可以通常方式按重量百分比來理解。尤其，鋼可稱為馬氏體硬化不鏽鋼。較佳鋼具有0.08至0.12重量%的碳。
本發明基於以下思想，即，馬氏體不鏽鋼可為最好的候選者，從而滿足鋼在用於螺釘方面，尤其自攻螺釘方面可能出現的部分相衝突的要求。為了滿足在高度表面硬度和足夠的硬化深度、良好的抗腐蝕性、良好的韌性和對氯化氫或氫引起的脆化的高度抵抗性方面的各種要求，鋼的化學組分(特別是關於合金組分碳，鉻，鉬，鎳和錳)以及對於設定屬性所需的多級熱處理必須仔細地彼此協調一致，多級熱處理包括高溫氣體滲氮、氣相淬火、(深度/低溫)致冷、回火(Anlassen)以及可選的局部感應硬化。迄今為止根據先前技術的概念通常基於對螺釘 來說馬氏體不鏽鋼的化學組分與熱處理的不利組合的情況，因此通常不能同時充分滿足螺釘所需的所有特性。
可達到的硬度與馬氏體不鏽鋼相關，例如在典型的調製鋼中通常主要與碳含量相關。隨著碳含量的增加，硬度提高，但是其中在此必須考慮對於氫脆化敏感度較高且韌性較低的方面。由此，類似1.4108的鋼在腐蝕條件下通常不適用於螺釘。雖然含碳量為0.25-0.35重量%的這種氮合金鋼具有足夠高的表面硬度和良好的抗穿孔腐蝕性，但它們通常非常脆並且對氫脆化比較敏感。
在軟的馬氏體鋼中，碳含量降低(<0.1重量%的C)，並由穩定奧氏體的鎳代替。因此，與含碳量較高的馬氏體相比，通常韌性較高，但同時硬度稍低。鋼級1.4313(X3CrNiMo13-4)是軟的馬氏體鋼組的代表。這種類型的馬氏體不鏽鋼通常也有限地適合用於螺釘，因為鋼通常僅具有相對低的表面硬度，並且通常對於螺釘應用來說具有的耐腐蝕性仍然過低。
馬氏體不鏽鋼提供以下方案，藉由用氮代替碳來進行表面硬化，有針對性地設定對於不鏽鋼螺釘要求的高邊緣硬度和同時較低的芯部硬度(相當於良好的韌性和高度的抗氯化物或氫引起的脆化性)的組合以及良好的耐腐蝕性。在構件中進行這種表面硬化時溶解的氮提高了表面硬度，耐腐蝕性和邊緣層的內應力。由於在構件的邊緣層中溶解的氮，該熱處理方法也被稱為“溶液滲氮”(solution nitriding)。
本發明包括一種鋼，其化學組分基於合金組分碳(0.07-0.14重量%，較佳0.08-0.12重量%)，鉻(13-15重量%)，鉬(1.3-1.7重量%)，鎳(1.5-2.0重量%)和錳(1.0-1.5重量%，較佳1.2重量%)的組合。
在本發明中已經認識到，對於這種鋼以及尤其與鋼匹配的較佳多階段熱處理，可獲得對於螺釘，但原則上也對於其他構件特別有利的性能分布。如下面詳細解釋的那樣，這尤其可基於在熱處理期間的奧氏體化以及由於δ鐵素體含量的結構穩定化。尤其是，可以實現這樣的性能分布，即，毛坯的良好的成形性，高的表面硬度為580HV0.3或更高，最大芯部硬度為450HV0.3或更低，對在芯部中的一般腐蝕和穿孔腐蝕的高耐受性(藉由17或更高的PRE指數表示)和對在邊緣區中的一般腐蝕和穿孔腐蝕的高耐受性(由23或更高的PRE指數表示)，在芯部中具有高的韌性(特別是由於低的碳含量和穩定的δ鐵素體的結合，從而在熱處理中的粗晶粒生長受到抑制)，並且對氯化物或氫引起的脆化的高度抵抗性。具體地，鋼可尤其在以下方面是有利的。
1)由於鋼的碳含量，芯部硬度最大為450 HV0.3或更低。
2)由於碳、鉻、鉬、鎳和錳的含量獲得以下特徵。
a)可實現相對高的PRE指數(耐點蝕當量)，較佳17或更高，但是沒有離開馬氏體或馬氏體-鐵素體結構的狀態範圍。
b)鋼可非常好地加工成半成品，如輥壓金屬絲或經拉伸的裸線。輥壓金屬絲和裸線具有好的冷成型性，較佳地，藉由屈服強度Rp 0.2<650N/mm2表示，這尤其對於在冷成型方法中、較佳藉助輥壓方法製造螺釘是有利的。
c)在溫度範圍為1000℃和1150℃之間、較佳在1030℃和1100℃之間進行表面硬化時，可在毛坯的芯部區域中設定主要為奧氏體的結構(較佳在70%-95%之間)，該結構具有為 5%~30%的少量的δ鐵素體含量，其中，該5%~30%的δ鐵素體含量可在所述溫度下具有穩定結構的效果且由此可抑制晶粒粗化，這對韌性是有利的。δ鐵素體含量可有意地限制在最高30%，因為在較高的δ鐵素體含量下韌性可能會再次下降。70%-95%的奧氏體結構含量具有高碳溶解度，從而有效地抑制了鉻碳化物的形成和相關的相對高的晶間腐蝕敏感性。較佳地，可提供10%至15%的δ鐵素體含量，對應於90%至85%之間的奧氏體含量。
d)在所述溫度範圍中藉由滲氮進行表面硬化時，可在毛坯的邊緣區中設定主要為奧氏體的結構，該結構具有對碳和氮的高度溶解性，從而有效地抑制了碳化鉻或氮化鉻的形成以及相關的對晶間腐蝕的相對較高的敏感性。
e)在熱處理之後，在毛坯的芯部區域中可以存在具有在5%-30%(較佳10%-15%)範圍內的少量δ鐵素體的主要為馬氏體的結構。δ鐵素體含量可有意地限制在最高30%，因為在較高的δ鐵素體含量下韌性可能會再次下降。
f)在熱處理之後可在毛坯的邊緣區中存在主要為馬氏體的結構，從而可實現高度硬化。
因此有利地，在根據本發明的方法中設置藉助來自氣相的氮對毛坯進行表面硬化的步驟，較佳在1000℃和1150℃之間，特別較佳在1030℃和1100℃之間的溫度下及/或在0.05bar和0.3bar之間，特別較佳在0.10bar和0.20bar之間的氮氣分壓下進行，較佳在對毛坯加工的步驟之後進行。藉由藉助氮的這種表面硬化(僅或如下所述可選地與碳結合地)可以尤其對於螺釘應用特別有利的方式有針對性地對毛坯的邊緣區進行改良。尤其在1000℃和1150℃之間表面硬化時可在此時奧氏體的基本結構的邊緣區中溶解氮。關於根據本發明的鋼，可藉由這種表面硬 化實現在距離表面0.15-0.30mm(這對混凝土螺釘可為尤其有利)或0.1-0.15mm(這對自攻螺釘可為尤其有利)處的極限硬度為550 HV0.3的情況下，表面硬度為580 HV0.3或更高。這又可確保即使在混凝土和鋼筋中有裂紋時也有良好的抗螺紋磨損性能，這又允許螺栓的高度承載能力。此外，溶解的氮將在邊緣區中的PRE指數局部地提高到23或更高且由此明顯改善了抗穿孔腐蝕的能力，較佳提高到與1.4401鋼類似的水平。尤其也將“擊穿電勢”的電化學測量值提高到與1.4401鋼類似的水平。氮氣分壓的0.3bar或0.20bar的上限是由於可以有效抑制含鉻及/或含氮的沉澱物的形成，這在抗腐蝕方面是有利的。氮氣分壓的0.05bar或0.10bar的下限是由於只有從該壓力開始才發揮氮的顯著效果。在表面硬化的步驟中設置的氣氛可為純氮氣或混合氣體，該混合氣體在給定溫度下具有等效的氮活性。尤其在低壓熔爐中進行該過程時，可設置純的氮氣氛圍。在大氣壓熔爐中可例如藉助稀有氣體進行稀釋。
適宜地可設置成，使藉助來自氣相的氮氣對毛坯進行表面硬化與藉助來自氣相的碳對毛坯進行滲碳相結合。因此，除了氮含量的增加之外，由於來自氣相的碳向內擴散，還可以增加碳含量。該實施方式基於這樣的認識，即，在碳和氮同時可用的情況下，兩種元素的溶解度可以同時增加，其中，在避免碳化物和氮化物的同時，以較高的氮含量可以進一步有利地提高硬度和耐腐蝕性。為了藉助來自氣相的氮氣對毛坯進行表面硬化並結合藉助來自氣相的碳對毛坯進行滲碳，例如可以將氣態的含氮和含碳的介質彼此分開地並交替地引入到處理室中。可替代地，可以使用提供碳和氮的混合氣體(例如，乙炔，C2H2以及N2)。
尤其該方法可具有步驟“加工毛坯”。在該步驟中，可使毛坯形成為成型體的形式。該加工例如可包含在毛坯上構造螺紋。尤其加工毛坯可包括對毛坯的無切削式成型，尤其冷成型，較佳輥壓。特別較佳的是，對毛坯進行表面硬化的步驟緊接著加工毛坯的步驟來進行。因此毛坯在硬化之前進行加工。在時間上在加工之後進行表面硬化可簡化加工且使得產品特性特別均勻。
在表面硬化步驟之後，適宜地可進行對毛坯的低溫致冷，較佳在低於零下80℃的溫度下，特別較佳在零下150℃的溫度下進行，且接下來較佳在150℃和500℃之間的溫度下、特別較佳在200℃和250℃之間的溫度下及/或保持時間在1小時和5小時之間對毛坯進行回火。由此可設定更高的硬度及/或韌性，但是沒有減小抗腐蝕性。
適宜地，在方法開始時毛坯為線材形狀，即，毛坯是線材形狀的半成品，這可進一步降低費用。
如多次所述，本發明特別適用於製造螺釘。因此特別較佳的是，成型體是螺釘形狀，較佳具有螺桿和佈置在螺桿上的螺紋。螺釘形狀可在該方法結束時形成成品螺釘的一部分或較佳整個螺釘，即，較佳設置單體的螺釘。
尤其可對螺釘形狀的頂端區域進行局部感應硬化且較佳在此之後對螺釘形狀進行低溫致冷。藉由在螺釘頂端的感應硬化可實現局部地將硬度提高至580-700 HV0.3，但是沒有損害在螺釘的故障關鍵區域中的韌性，例如在頭部、頭部下側及/或桿區域中的韌性。
本發明也涉及所述鋼，即，包含0.07至0.14重量%，較佳0.08至0.12重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量% 的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%，較佳1.2重量%的錳的鋼。
本發明也涉及根據本發明的鋼用於製造螺釘的應用及/或螺釘，螺釘至少部分地具有根據本發明的鋼及/或該螺釘可以根據本發明的方法獲得。螺釘可較佳為自攻螺釘。螺釘例如可為混凝土螺釘，即，用於切入混凝土中的螺釘，或用於板材的自攻螺釘。較佳地，螺釘是一體式螺釘。
螺釘的螺紋的外直徑與螺紋的螺距的比例可在1至2的範圍中，尤其在1.2至1.45的範圍中。這是用於自切地旋入礦物基礎，例如混凝土中的螺釘的典型螺紋尺寸。螺距可尤其理解為螺紋的連續圈的軸向距離。根據本發明，混凝土基礎也可以設置有孔，根據本發明的螺釘被旋入該孔中，其中，在混凝土基礎中形成與螺釘的切割螺紋相對的凹形形狀(Negativform)。因此，螺釘藉由自切方式旋入混凝土基體的孔中從而形成配合螺紋。
較佳地，該鋼根據本發明包含0.08至0.12重量%的碳，由此可尤其在螺釘應用方面實現更有利的材料特性。
結合根據本發明的方法、根據本發明的鋼、根據本發明的應用或根據本發明的螺釘所述的特徵不應限於這些類別，而是也可使用在相應其他的類別中，即，方法、鋼、應用或螺釘的類別。
10‧‧‧螺釘
15‧‧‧驅動部
20‧‧‧螺桿
21‧‧‧螺紋
28‧‧‧支撐螺紋
50‧‧‧基礎
53‧‧‧安裝件
d‧‧‧外直徑
p‧‧‧螺距
下面根據在圖式中示意性描述的較佳實施例詳細闡述本發明，其中，下面示出的實施例的各個特徵在本發明中原則上可單個地或任意結合地實現。在圖式中示意性地示出圖1和圖2。
圖1示出了根據本發明的製造方法的示意性流程圖。
圖2示出了根據本發明的螺釘的示意圖，該螺釘在根據本發明的製造方法中製成。
圖1示意性地示出了根據本發明的製造方法的可能的實施方式的步驟順序。首先，在步驟1中提供較佳線材形的毛坯，毛坯由包含0.07至0.14重量%，較佳0.08至0.12重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量%的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%的錳的鋼製成。此外，鋼可具有其他的鋼通常有的摻雜物，例如釩(特別是<0.2重量%)；鈮(特別是<0.2重量%)；鈦(特別是<0.2重量%)及/或矽(特別是<0.5重量%)。其餘為鐵和不可避免的雜質，例如特別是分別<0.02重量%的硫及/或磷。
然後在步驟2中加工毛坯，例如進行成型，較佳進行輥壓，且在此使毛坯形成成型體的形狀，尤其具有螺桿20和設置在螺桿20上的螺紋21的螺釘形狀。可選地，螺釘形狀也可具有設置在螺桿20上的轉動驅動部15，例如螺釘頭。在這種情況下，除了輥壓，加工步驟2也可包括對毛坯的墩鍛。
然後在步驟3中在大於900℃，尤其在1000℃和1150℃之間，特別較佳在1030℃和1100℃之間的溫度下在含氮的氣氛下對構造成螺釘形狀的毛坯進行硬化，其中，氣氛的氮氣分壓較佳在0.05bar和0.6bar之間，較佳小於0.3bar，且特別較佳小於0.20bar。可選地，整個氣氛也可包含碳。
然後在步驟4中對構造成螺釘形狀的毛坯進行淬火，尤其氣體淬火。
在接下來的步驟5中，在低於零下80℃，例如在零 下150℃下對構造成螺釘形狀的毛坯進行致冷處理。
最後在步驟6中對構造成螺釘形狀的毛坯進行回火，較佳在150℃和500℃之間，特別較佳在200℃和250℃的溫度範圍中及/或在1小時和5小時之間的保持時間中進行回火。
可選地，在接下來的步驟7中在構造成螺釘形狀的毛坯的頂端區域上進行局部的較佳感應的硬化且較佳接下來對構造成螺釘形狀的毛坯進行致冷。
在圖2中示出了根據本發明製造的螺釘的一種實施例，該螺釘構造成混凝土螺釘。
螺釘10具有圓柱形的螺桿20，在螺桿的端部上設有六邊形螺釘頭，六邊形螺釘頭形成轉動驅動部15。構造成切割螺紋的螺紋21沿著螺桿20延伸，螺紋具有外直徑d和螺距p。可選地，也可在螺桿20上設置直徑較小的支撐螺紋28。
螺釘的螺桿20旋入礦物基礎50中，尤其混凝土基礎中的孔中，其中，構造成切割螺紋的螺紋21在旋入時在基礎50中自由切割出對應的螺紋。螺桿20穿過安裝件53中的孔，安裝件藉由構造成螺釘頭的旋轉驅動部15固定在基礎50上。

Claims (11)

  1. 一種用於由毛坯製造成型體的方法，前述毛坯具有如下的鋼：前述鋼包含0.07至0.14重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量%的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%的錳。
  2. 如請求項1所記載之方法，其中步驟(3)：較佳在1000℃和1150℃之間的溫度下及/或在0.05bar和0.3bar之間的氮氣分壓下，用來自氣相的氮對前述毛坯進行表面硬化。
  3. 如請求項2所記載之方法，其中用來自氣相的氮對前述毛坯進行表面硬化與用來自氣相的碳對前述毛坯進行滲碳結合地進行。
  4. 如請求項2或3所記載之方法，其中步驟(2)：加工前述毛坯；其中在前述加工毛坯的步驟(2)隨後進行對前述毛坯表面硬化的步驟(3)。
  5. 如前述請求項中任一項所記載之方法，其中步驟(5，6)：在低於零下80℃的溫度下對前述毛坯進行致冷且隨後在150℃和500℃之間的溫度下對前述毛坯進行回火。
  6. 如前述請求項中任一項所記載之方法，其中前述成型體是螺釘形狀。
  7. 如請求項6所記載之方法，其中步驟(7)：對前述螺釘形狀的頂端區域進行局部的感應硬化。
  8. 一種鋼，其包含0.07至0.14重量%的碳；13至15重量%的鉻；1.3至1.7重量%的鉬；1.5至2.0重量%的鎳和1.0至1.5重量%的錳。
  9. 一種如請求項8所記載之鋼的用於製造螺釘(10)的應用。
  10. 一種螺釘(10)，其中前述螺釘至少部分地具有如請求項8所記 載之鋼及/或前述螺釘能夠在如請求項1至7中任一項所記載之方法中獲得。
  11. 如請求項10所記載之螺釘(10)，其中前述螺釘(10)的螺紋(21)的外直徑(d)相對於前述螺紋(21)的螺距(p)的比例在1至2的範圍中，尤其在1.2至1.45的範圍中。
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