DE19540848A1 - Schraube und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Schraube und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schraube aus rostfreiem Stahl
mit harter Spitze, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Mit den Fortschritten auf dem Gebiet des Korrosionsschutzes
von Stahlblechen haben sich die Anforderungen an die Korro
sionsbeständigkeit von Schrauben erhöht. An Schrauben, die
im Außenbereich eingesetzt werden und starken Witterungsein
flüssen und/oder Feuchtigkeit ausgesetzt sind, werden hohe
Anforderungen bezüglich der Korrosionsbeständigkeit ge
stellt. Bei selbstbohrenden und/oder selbstschneidenden
Schrauben stieß man dabei auf das Problem, daß die auf dem
Gebiet der Schraubenherstellung bekannten rostfreien Stähle,
z. B. V2A- oder V4A-Stahl, nicht die für eine selbstbohrende
bzw. selbstschneidende Schraubenspitze erforderliche Härte
aufwiesen.
Es ist eine Schraube bekannt, die einen ersten Schaftab
schnitt aus austenitischem rostfreiem Stahl aufweist, der
mit dem Schraubenkopf einstückig ist und an seinem freien
Ende mit einem zweiten gehärteten Schaftabschnitt aus einem
aufgekohlten Stahl verschweißt ist, dessen freies Ende oder
Spitze einen Bohrabschnitt bildet (DE 43 10 938 A1).
Bei der
bekannten Schraube sind jeweils zwei Materialien mit deut
lich unterschiedlicher Korrosionsbeständigkeit verbunden.
Dementsprechend kann diese Schraube die hohen Anforderungen
an die Korrosionsbeständigkeit nur unzureichend erfüllen.
Ferner ist eine Schraube aus austenitischem rostfreiem Stahl
bekannt (EP 0 523 298 B1), deren Schaft durch Nitrieren ge
härtet und zum Korrosionsschutz mit einem vor Korrosion
schützenden Metall- oder Kunststoffüberzug versehen wird.
Dieser schützende Überzug ist erforderlich, weil die Korro
sionsbeständigkeit des austenitischen Stahls durch die Ni
trierschicht stark beeinträchtigt wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schraube mit harter Spit
ze zu schaffen, welche eine bessere Korrosionsbeständigkeit
auch im harten Spitzenabschnitt aufweist. Ferner soll mit
der Erfindung ein einfaches Herstellverfahren für eine sol
che Schraube angegeben werden.
Diese Aufgaben werden mit einer Schraube nach Anspruch 1 und
einem Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.
Erfindungsgemäß werden zwei Materialien mit in etwa gleich
guter Korrosionsbeständigkeit, aber unterschiedlicher Härte
verwendet, wobei das weichere Material für denjenigen Be
reich der Schraube verwendet wird, in dem der Umformungsgrad
groß ist, nämlich für ersten Schaftabschnitt umfassend den
Kopf der Schraube, während das härtere Material für denjeni
gen Bereich der Schraube verwendet wird, in dem der Umfor
mungsgrad geringer, die erforderliche Härte jedoch größer
ist, nämlich den zweiten Schaftabschnitt umfassend die Spit
ze der Schraube. Dadurch kann die Spitze wesentlich härter
ausgelegt werden, als wenn die Schraube insgesamt aus einem
einzigen Material gefertigt würde.
Das Material des zweiten Schaftabschnittes ist ausreichend
duktil, um durch Kaltumformung eine Bohrspitze und/oder ein
Gewinde herzustellen. Nach dem Auslagerungs-Härteprozeß
erreicht das Material bei ungeminderter Korrosionsbeständig
keit eine ausreichend hohe Gebrauchshärte.
Als für die Zwecke der Erfindung besonders geeignet hat sich
zur Herstellung des zweiten Schaftabschnittes eine an sich
bekannte Legierung gemäß Anspruch 4, insbesondere gemäß An
spruch 5, herausgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nur eine relativ
geringe Auslagerungstemperatur, vorzugsweise ca. 475°C.
Damit kann im Spitzenbereich der Schraube die für die Funk
tion der Schraube notwendige Oberflächenhärte von bis zu 720
HV erreicht werden, während die für den Einsatz der Schraube
erforderliche Flexibilität des Materials in ausreichendem
Maße erhalten bleibt.
Da erfindungsgemäß zwei Materialien verbunden werden, die
eine ähnlich gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, treten
die vom Stand der Technik her bekannten Nachteile bei der
Verbindung von austenitischen Materialien mit kohlenstoff
reichen oder aufgekohlten Stählen, z. B. Verspröden der
Schweißnaht oder Aufkohlen des austenitischen Schraubenteils
bei der Wärmebehandlung, nicht auf. Der mit Gewinde versehe
ne Schaftbereich ist über seine gesamte Länge korrosionsbe
ständig. Aufwendiges Nacharbeiten, wie die Bearbeitung der
Schweißnaht vor dem Gewindewalzen oder die Oberflächenbe
handlung der angeschweißten Spitze, entfallen.
Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Werkstoffkombina
tion wird weiterhin erreicht, daß die - vorzugsweise durch
Widerstandspreßschweißen - gebildete Verbindungsnaht eine
homogene, nicht versprödende Aufschmelzzone bildet, die kei
nerlei Nacharbeit mehr erfordert.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbei
spiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen mit weite
ren Einzelheiten näher erläutert. Dabei sind die Fig. 1 bis
3 schematische Darstellungen verschiedener Stadien des er
findungsgemäßen Verfahrens. Es zeigen:
Fig. 1a
und 1b einen ersten Schaftabschnitt und einen zweiten damit
zu verschweißenden Schaftabschnitt,
Fig. 2a
und 2b die Vorgänge des Zusammenfügens und Verschweißens
der beiden Schaftabschnitte, und
Fig. 3 die fertige Schraube.
Für die Herstellung einer erfindungsgemäßen Schraube geht
man von einem Schraubenrohling 1 aus einem austenitischen
rostfreien Stahl, vorzugsweise V2A- oder V4A-Stahl, aus, der
schematisch in Fig. 1a gezeigt ist. Dieser Schraubenrohling
hat einen Schaftabschnitt 3 mit einem Kopf 2 am einen Ende
und mit einer Stirnfläche 3a am anderen, freien Ende. Ein
zweiter Schaftabschnitt 5 in Gestalt eines Rundstabes wird
aus einem korrosionsbeständigen martensitisch aushärtbaren
Stahl (vgl. Fig. 1b) bereitgestellt, der die Schraubenspitze
bilden soll und gleichen Durchmesser wie der erste
Schaftabschnitt 3 des Schraubenrohlings sowie ein Ende 5a
hat. Als Material für den Rundstab 5 ist ein martensitischer
Stahl verwendet, der η-Ni₃Ti-Ausscheidungen im Martensit
enthält, die dem Material Festigkeit verleihen. Vorzugsweise
enthält ein solcher Stahl etwa 12% Cr und etwa 9% Ni sowie
ungefähr 1% Ti, dies bei einem Kohlenstoffgehalt von vor
zugsweise unter 0,01%. Der Stahl kann vorteilhafterweise
weiterhin noch Molybdän in einem Anteil von etwa 4% enthal
ten. Besonders gute Ergebnisse wurden mit der Legierung
1XRK91 (V) erzielt, die 0,004% C; 0,05% Si; 0,17% Mn; 0,002%
S; 11,7% Cr; 9,1% Ni; 4,1% Mo; 2,0% Cu und 1,0% Ti aufweist.
Prozentangaben in der Beschreibung und den Ansprechen bezie
hen sich immer auf Gewichtsprozente.
Die beiden zu verschweißenden Enden 3a bzw. 5a werden ange
fast, um Platz für eine Schweißnaht innerhalb des Schaft
durchmessers zu schaffen, und dann durch Preßschweißen, vor
zugsweise durch Widerstandspreßschweißen oder Reibschweißen,
miteinander verschweißt. Dabei bildet sich zwischen den bei
den Schaftabschnitten 3 und 5 wegen der im Durchmesser re
duzierten Schweißnaht eine Aufschmelzzone 10 ohne vorstehen
den Schweißgrat, so daß ein Nachbearbeiten der Schweißstelle
entfällt.
Danach wird in dem nunmehr aus den beiden unlösbar verbunde
nen Schaftabschnitten 3 und 5 gebildeten Schaft ein Gewinde
gewalzt. Je nach Zweckbestimmung wird das Gewinde in dem
austenitischen und/oder martensitischen Schaftabschnitt aus
gebildete wobei insbesondere in dem harten martensitischen
Schaftabschnitt ein selbstschneidendes Gewinde hergestellt
werden kann, so daß mit der Schraube ein Gewinde im Aufnah
mewerkstoff geschnitten werden kann. Das Gewinde der Schrau
be kann insbesondere so ausgestaltet sein, wie dies in der
internationalen Patentanmeldung WO94/25763 und der Europäi
schen Patentanmeldung EP 0 623 759 A2 ausführlich beschrie
ben ist. Auf diese Druckschriften wird Bezug genommen.
In diesem Herstellungsstadium kann gegebenenfalls auch eine
Bohrspitze an dem Schraubenschaft angeschmiedet oder an der
Schraubenspitze ausgeformt werden.
Danach wird die Schraube bei ca. 475°C ausgelagert. Dabei
erfährt der vordere Schaftabschnitt 5 eine Auslagerungshär
tung. Wegen der geringen Auslagerungstemperatur bleibt dabei
die Kaltverfestigung des austenitischen Schaftteils 3 im
wesentlichen erhalten. Sofern der vordere Schaftabschnitt 5
nach dem Verschweißen keine erhebliche Verformung mehr er
fährt, kann die Schraubenspitze 5 auch vor dem Anschweißen
wärmebehandelt werden, wodurch die Gefahr einer Verringerung
der Kaltverfestigung des austenitischen Schraubenteils 3
vollständig vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Schraube findet eine Vielzahl von An
wendungen insbesondere auf dem Gebiet der Bautechnik
beispielsweise als dübellose Schraube zum Einschrauben in
Mauerwerk oder Beton. Schaft und Gewinde der erfindungsgemä
ßen Schraube können weitgehend frei gestaltet werden. Der
Schaftabschnitt aus austenitischem Stahl kann z. B. verkürzt
und im Extremfall auch ganz weggelassen werden, so daß der
martensitische Schaftabschnitt 5 direkt an dem Schraubenkopf
2 angeschweißt ist.
Claims (11)
1. Schraube aus rostfreiem Stahl mit harter Spitze, deren
Schaft einen ersten, den Schraubenkopf aufweisenden
Schaftabschnitt (3) aus austenitischem Stahl und einen
zweiten, die Schraubenspitze aufweisenden Schaftab
schnitt (5) aus martensitaushärtendem Stahl hat, wobei
die beiden Schaftabschnitte (3, 5) miteinander ver
schweißt sind und wobei mindestens der zweite Schaftab
schnitt (3, 5) mit einem Gewinde versehen ist.
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens die Schraubenspitze
bohrend und/oder gewindeschneidend ausgebildet ist.
3. Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der martensitaushärtende Stahl
einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,01% aufweist.
4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der martensitaushär
tende Stahl ungefähr 12% Cr, 9% Ni, 4% Mo und 1% Ti
enthält.
5. Schraube nach Anspruch 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der martensitaushärtende Stahl
enthält: 0,004% c; 0,05% Si; 0,17% Mn; 0,002% S; 11,7%
Cr; 9,1% Ni; 4,1% Mo; 2,0% Cu; 1,0% Ti.
6. Verfahren zum Herstellen einer Schraube, welches die
folgenden Schritte umfaßt:
- a) Herstellen eines ersten Schraubenschaftes aus einem austenitischen rostfreien Stahl,
- b) Herstellen eines zweiten Schaftabschnitts aus einem martensitaushärtenden rostfreien Stahl,
- c) Verschweißen der beiden Schaftabschnitte,
- d) Formen eines Gewindes auf mindestens dem zweiten Schaftabschnitt,
- e) Härten des zweiten Schaftabschnittes durch Aus lagern.
7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet
durch Anfasen der zu verschweißenden Enden der beiden
Schaftabschnitte, derart, daß beim Verschweißen keine
vorstehende Schweißnaht entsteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaftabschnitte durch Wider
standspreßschweißen oder durch Reibschweißen verbunden
werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, ge
kennzeichnet durch Anschmieden einer Bohr
spitze an dem zweiten Schaftabschnitt nach dem Ver
schweißen der beiden Schaftabschnitte.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, ge
kennzeichnet durch Walzen des Gewindes auf
dem zweiten Schaftabschnitt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß das Auslagerungshärten
nach dem Gewindeformen bei ungefähr 475°C durchgeführt
wird.
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