WO2007036215A1 - Bolzen oder schraube hoher festigkeit und verfahren zur herstellung einer solchen schraube oder eines solchen bolzens - Google Patents

Bolzen oder schraube hoher festigkeit und verfahren zur herstellung einer solchen schraube oder eines solchen bolzens Download PDF

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Josef Esser
Rudolf Dillenburger
Günter Roth
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Acument Gmbh & Co. Ohg
Saarstahl Ag
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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese

Definitions

  • the present invention relates to a bolt or screw of high strength and a manufacturing method suitable therefor.
  • the closest prior art to this invention results from EP 1 273 670 A1 or US Pat. No. 6,605,166 B2.
  • a high strength bolt having strength values of 1200 N / mm 2 or more which consists of a steel with the following additives: carbon, silicon, manganese, phosphorus and sulfur. According to the known prior art it is imperative, however, to subject the corresponding bolt after shaping or preparation of a heat treatment at temperatures between 100 and 400 0 C, which is commonly referred to as "aging", respectively.
  • the object of the present invention is therefore to provide a screw or a bolt, the corresponding achieved 900 m above and beyond, without requiring a heat treatment after production or forming and specify a suitable manufacturing process.
  • the scatter of the strength values should not be as large as in the prior art.
  • this object is achieved in that the bolt or screw is made of steel, the additional max. 0.05% by weight of nickel (all future percentages always refer to percent by weight), max. 0.15% of copper and up to 0.01% of aluminum and wherein the raw steel wire from which the bolt or screw is made, cooled after hot rolling in the glowing state controlled by blowing air (this method is used in the industry commonly referred to as "patent air") and then rolled up.
  • this material can be used to produce without any heat treatment a bolt or screw which has strength values which correspond to those of bolts or screws according to the prior art only after the expensive one Heat treatment could achieve.
  • this object is achieved by a method in which such a screw or such a bolt high strength is made of a steel with the above aggregates, wherein the steel additionally a maximum of 0.05% nickel, a maximum of 0.15% copper and 0.01% aluminum are added and a steel wire is made of this steel, which is controlled by the hot rolling in the glowing state by blowing air cooled ("air Patented") and only then rolled up, wherein for the preparation of the screw or bolt exclusively process steps of cold forming (cold forming of the head; Rolling the thread) without any heat treatment.
  • air Patented air cooled
  • the steel additionally contains a maximum of 0.005% boron.
  • the steel then has a better elongation at break.
  • bolts and screws having a strength of around or even more than 900 MPa are produced from a steel which contains the following additives (the figures relate to percentages by weight in each case):
  • Molybdenum up to 0.05%
  • the steel may additionally contain up to 0.005% of boron.
  • the wire constituting the raw material for the production of the bolts or bolts after being hot-rolled as usual in the hot state, is subjected to a special treatment to be performed with the metallurgical specialist. expression of the "Luftpatent Schl" is called. In this case, the wire is cooled cooled after hot rolling by blowing with air before it is rolled up.
  • a further advantage of the present invention is that the scattering of the strength values of the screws or bolts according to the invention is considerably lower than in the heat-treated parts according to the prior art. Namely, during the heat treatment strictly necessary according to the prior art, the respective parameters such as temperature, treatment time, and atmospheric composition in the oven for aging may fluctuate. However, these parameters have a very significant influence on the subsequent strength of the finished product.
  • the variation in strength of parts made according to the prior art is usually + 75 MPa. Based on the desired strength value of 900 MPa, this is a tolerance of more than 10%. A tolerance of ⁇ 50 MPa or even less is to be realized according to the prior art only with great difficulty and at great expense.
  • Screws or bolts according to the present invention which thus did not have to be subjected to a heat treatment process, achieve such a small scattering of the strength values.
  • Erfindungsgeraäß is thus provided with a much cheaper manufacturing process, a screw or a bolt, which has the same high strength, as the prior art, but in addition has the advantage that the strength values can be maintained more accurately and the scattering is considerably lower.
  • the elongation at break of the bolt or the screw can be significantly improved if 20 to 50 ppm, preferably 30 to 50 ppm, boron are added to the steel.
  • a higher durability of the threaded shaft is achieved in the screws without heat treatment compared to aged screws.
  • the reason for this lies in the partially reduced compressive residual stresses that were previously introduced during thread rolling in the screw material.

Abstract

Bolzen oder Schraube hoher Festigkeit, hergestellt aus einem Stahl mit folgenden Zuschlagstoffen in Gewichts-%: C: 0,45 bis 0,9 % Si: 0,1 bis 0,3 % Mn: 0,4 bis 0,9 % P: max. 0,025 % S: max. 0,025 % Cr: max. 0,3 % Mo: max. 0,05 % wobei der Stahl zusätzlich maximal 0,05 % Ni, maximal 0,15 % Cu und maximal 0,01 % Al enthält und der Bolzen oder die Schraube aus einem Stahldraht, der nach dem Warmwalzen in glühendem Zustand durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt ('patentiert') und dann erst aufgerollt worden ist, ausschließlich durch Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes, Walzen des Gewindes) ohne jede Wärmebehandlung hergestellt ist sowie Herstellungsverfahren dazu.

Description

Textron Verbindungstechnik GmbH & Co. oHG, Augustenthaler
Straße 87, 56567 Neuwied, DE und
Saarstahl AG, Bismarckstraße 57-59, 66333 Völklingen, DE
Bolzen oder Schraube hoher Festigkeit und Verfahren zur Herstellung einer solchen Schraube oder eines solchen Bolzens.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bolzen oder eine Schraube hoher Festigkeit sowie ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren. Der zu dieser Erfindung nächst gelegene Stand der Technik ergibt sich aus der EP 1 273 670 Al bzw. der US 6, 605,166 B2.
Gemäß diesem Stand der_ Technik ist ein ho.chfester .Bolzen mit Festigkeitswerten von 1200 N/mm2 oder mehr bekannt, der aus einem Stahl mit folgenden Zuschlagstoffen besteht: Kohlenstoff, Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel. Gemäß dem bekannten Stand der Technik ist es aber unbedingt erforderlich, den entsprechenden Bolzen nach der Formung oder Herstellung einer Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 100 und 4000C zu unterziehen, die üblicherweise als "Altern" bezeichnet wird.
Die Wärmebehandlung des fertigen Erzeugnisses führt zu erheblichen Nachteilen: Es entstehen zusätzliche Bearbeitungskosten, es wird sehr viel Energie verbraucht, es kann zu erheblichen Streuungen in den Festigkeitswerten kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schraube oder einen Bolzen zu schaffen, der entsprechende Festig- keitswerte von 900 MPa und darüber hinaus erreicht, ohne einer Wärmebehandlung nach der Herstellung bzw. dem Umformen zu bedürfen sowie ein dafür geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben. Zusätzlich sollte die Streuung der Festigkeitswerte nicht so groß sein wie im Stand der Technik.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Bolzen oder die Schraube aus Stahl hergestellt ist, der zusätzlich max. 0,05 Gew.-% Nickel (alle künftigen Prozentangaben beziehen sich stets auf Gewichtsprozent), max. 0,15 % Kupfer und bis zu 0,01 % Aluminium enthält und wobei der Roh- Stahldraht, aus dem der Bolzen oder die Schraube hergestellt ist, nach dem Warmwalzen in glühendem Zustand durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt (dieses Verfahren wird in der Industrie üblicherweise als "Luft patentieren" bezeichnet) und dann erst aufgerollt worden ist. Aus diesem Material kann erfindungsgemäß ausschließlich durch Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes, Walzen des Gewindes) ohne jede Wärmebehandlung ein Bolzen oder eine Schraube hergestellt werden, die Festigkeitswerte aufweist, die denjenigen entsprechen, wie sie Bolzen oder Schrauben gemäß dem Stand der Technik nur nach der aufwendigen Wärmebehandlung erreichen konnten.
Weiter wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine solche Schraube oder ein solcher Bolzen hoher Festigkeit aus einem Stahl mit den oben genannten Zuschlagsstoffen hergestellt wird, wobei dem Stahl zusätzlich maximal 0,05 % Nickel, maximal 0,15 % Kupfer und maximal 0,01 % Aluminium zugefügt werden und ein Stahldraht aus diesem Stahl hergestellt wird, der nach dem Warmwalzen in glühendem Zustand durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt ("luftpatentiert") wird und erst dann aufgerollt wird, wobei zur Herstellung der Schraube oder des Bolzens ausschließlich Verfahrensschritte der Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes; Walzen des Gewindes) ohne jede Wärmebehandlung durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird also erheblich Fertigungsaufwand und E- nergie eingespart, erfindungsgemäße Teile weisen erheblich geringere Streuungen in den Festigkeitswerten auf.
Besonders bevorzugt ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn der Stahl zusätzlich maximal 0,005 % Bor enthält. Der Stahl weist dann nämlich eine bessere Bruchdehnung auf.
Erfindungsgemäß werden Bolzen und Schrauben mit einer Festigkeit um oder sogar über 900 MPa aus einem Stahl hergestellt, der folgende Zuschlagstoffe enthält (die Angaben beziehen sich jeweils auf Gewichtsprozent) :
Kohlenstoff: 0,45 bis 0,9 %
Silizium: 0,1 bis 0,3 %
Mangan: 0,4 bis 0,9 %
Phosphor: bis zu 0,025 %
Schwefel: bis zu 0,025 %
Chrom: bis zu 0,3 %
Nickel: bis zu 0,05 %
Molybdän: bis zu 0,05 %
Kupfer: bis zu 0,15 %
Aluminium: bis zu 0,01 %.
Vorzugsweise kann der Stahl zusätzlich bis zu 0,005 % Bor enthalten. Um die hohe Festigkeit zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Draht, der den Rohstoff für die Herstellung der Schrauben oder Bolzen bildet, nachdem er wie üblich im glühenden Zustand warmgewalzt worden ist, einer besonderen Behandlung unterzogen wird, die mit dem metallurgischen Fach- ausdruck des "Luftpatentierens" bezeichnet wird. Dabei wird der Draht nach dem Warmwalzen durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt, bevor er aufgerollt wird.
Aus einem solchermaßen behandelten Stahl mit den oben genannten Zuschlagstoffen kann dann erfindungsgemäß ausschließlich durch Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes, Walzen des oder der Gewinde) ohne jede Wärmebehandlung ein Bolzen oder eine Schraube hergestellt werden, deren Festigkeit um oder über 900 N/mm2 liegt.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Streuung der Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Schrauben oder Bolzen erheblich geringer ist, als bei den wärmebehandelten Teilen gemäß dem Stand der Technik. Während der gemäß dem Stand der Technik unbedingt erforderlichen Wärmebehandlung können nämlich die entsprechenden Parameter, wie Temperatur, Behandlungszeit und Atmosphärenzusammensetzung, in dem Ofen, der zum Altern dient, schwanken. Diese Parameter haben aber einen ganz erheblichen Einfluss auf die spätere Festigkeit des fertigen Produkts . Die Schwankungsbreite der Festigkeit bei Teilen, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind, liegt üblicherweise bei + 75 MPa. Bezogen auf den angestrebten Festigkeitswert von 900 MPa ist dies eine Toleranz von über 10%. Eine Toleranz von ± 50 MPa oder noch darunter ist gemäß dem Stand der Technik nur sehr schwer und mit großem Kostenaufwand zu realisieren.
Schrauben oder Bolzen gemäß der vorliegenden Erfindung, die also keinem Wärmebehandlungsprozess unterworfen werden mussten, erreichen eine solch geringe Streuung der Festigkeitswerte . Erfindungsgeraäß wird somit mit einem wesentlich kostengünstigeren Herstellungsverfahren eine Schraube oder ein Bolzen geschaffen, der eine gleich hohe Festigkeit aufweist, wie der Stand der Technik, jedoch zusätzlich den Vorteil hat, dass die Festigkeitswerte genauer eingehalten werden können und die Streuung erheblich geringer ist.
Weiterhin kann erfindungsgemäß die Bruchdehnung des Bolzens oder der Schraube erheblich verbessert werden, wenn 20 bis 50 ppm, vorzugsweise 30 bis 50 ppm, Bor dem Stahl beigemischt sind.
Erfindungsgemäß wird bei den Schrauben ohne Wärmebehandlung im Vergleich zu gealterten Schrauben eine höhere Dauerhaltbarkeit des Gewindeschaftes erzielt . Die Begründung hierfür liegt in den beim Altern teilweise reduzierten Druckeigenspannungen, die vorher beim Gewindewalzen in den Schraubenwerkstoff eingebracht wurden.

Claims

05.09.2006 Be-au TEX-80-PCTTextron Verbindungstechnik GmbH & Co. oHG, AugustenthalerStraße 87, 56567 Neuwied, DE undSaarstahl AG, Bismarckstraße 57-59, 66333 Völklingen, DEPATENTANSPRUCHE
1. Bolzen oder Schraube hoher Festigkeit, hergestellt aus einem Stahl mit folgenden Zuschlagstoffen in Gewichts-%: C: 0,45 bis 0,9 % Si: 0,1 bis 0,3 % Mn: 0,4 bis 0,9 % P: max. 0,025 % S : max . 0,025 % Cr : max . 0,3 % Mo: max. 0,05 % dadurch, gekennzeichnet, dass der Stahl zusätzlich maximal 0,05 % Ni, maximal 0,15 % Cu und maximal 0,01 % Al enthält und der Bolzen oder die Schraube aus einem Stahldraht, der nach dem Warmwalzen in glühendem Zustand durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt ("patentiert") und dann erst aufgerollt worden ist, ausschließlich durch Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes, Walzen des Gewindes) ohne jede Wärmebehandlung hergestellt ist .
2. Bolzen oder Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl zusätzlich maximal 0,005 % Bor enthält.
3. Verfahren zur Herstellung eines Bolzens oder einer Schraube hoher Festigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen oder die Schraube aus einem Stahldraht hergestellt wird, der nach dem Warmwalzen in glühendem Zustand durch Anblasen mit Luft kontrolliert abgekühlt ("patentiert") und dann erst aufgerollt wird, wobei der Bolzen oder die Schraube ausschließlich durch Kaltumformung (Kaltformen des Kopfes, Walzens des Gewindes) ohne jede Wärmebehandlung hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahldraht aus einem Stahl hergestellt wird, der folgende Zusatzstoffe enthält (Angaben jeweils in Gewichts-%) :
C: 0,45 bis 0,09 %
Figure imgf000008_0001
Mn: 0,4 bis 0,9 %
P: max. 0,025 %
S: max. 0,025 %
Cr : max. 0,3 %
Mo : max . 0,05 %
Ni: max. 0,05 %
Cu: max. 0,15 %
Al: max. 0,01 %.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Stahl zusätzlich max. 0,005 % Bor zugesetzt werden.
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