DE4232115A1

DE4232115A1 - Hochbelastbares Befestigungselement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE4232115A1
Application number: DE19924232115
Authority: DE
Inventors: Armin Dr Rer Nat Rukwied; Klaus Dr Ing Becker
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: DE4232115C2

Description

Die Erfindung geht von einem hochbelastbaren Befestigungselement aus einem kalthärtbaren Werkstoff aus. Solche Werkstoffe sind zur Zeit im Bereich der austenitischen Stähle bekannt, wie sie in dem Lehrbuch M.O. Speidel: "Stickstofflegierte Stähle", Verlag der Schweizerischen Akademie der Werkstoffwissenschaften, 1991, S. 1-18, beschrieben werden.

Zur Herstellung von Befestigungselementen werden die Möglichkeiten zur Kaltaushärtung jedoch nicht optimal genutzt. Dies zeigt sich beispiels weise bei der Schraubenherstellung darin, daß der mit einem Gewinde versehene Teil nach dem Rollen eine erhöhte Festigkeit aufweist und der durchmessergleiche Schaft bei mechanischer Beanspruchung zum Bruch neigt. Um eine höhere Bruchsicherheit dieses Schaftes zu gewährleisten, wird üblicherweise sein Durchmesser erhöht. Damit nimmt aber auch das Gewicht der Schraube zu, was für viele Anwendungen, ebenso wie die Durchmesservergrößerung, nachteilig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, daß dieses eine gleichmäßige Festigkeit über seine Gesamtlänge erhält, so daß bei einem möglichst geringen Gewicht eine Festigkeitszunahme an bruch gefährdeten Zonen erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß Befe stigungselemente eine erhöhte Bruchfestigkeit bzw. eine erhöhte Lebensdauer aufweisen, welche im Vergleich zu herkömmlichen Befe stigungselementen nicht durch Querschnittsvergrößerung, sondern durch gezielte Festigkeitserhöhung erzielt ist.

Das Wesen der Erfindung soll zunächst an einer Stahllegierung demon striert werden. Austenitische Stähle zeichnen sich insbesondere durch die hohe Duktilität, die gute Korrosionsbeständigkeit und die Nichtma gnetisierbarkeit aus. Mit einem CrMn-Austeniten mit mindestens 0,2% Stickstoff, welcher im kubisch-flächenzentrierten Gitter gelöst ist, läßt sich durch Kaltverformung eine besonders starke Festigkeits steigerung erreichen. Die Zähigkeit nimmt bei der Kaltverformung zwar ab, liegt aber immer noch deutlich über den Werten vergleichbarer höchstfester Stähle, welche nicht mit Stickstoff legiert sind.

Bei einem Stahl mit 18 Gew.-% Mangan, 18 Gew.-% Chrom, 2 Gew.-% Molybdän und 1% Stickstoff steigt die Streckgrenze von 800 auf 1300 MPa bei einem Kaltverformungsgrad von 20%. Die Streckgrenze steigt linear mit dem Kaltverformungsgrad bis über 50% an. Diese enorme Steigerung der Festigkeit kann man sich bei Befestigungselementen dadurch zunutze machen, daß man die am stärksten beanspruchten und zum Versagen neigenden Zonen des Befestigungselementes einer bei der Herstellung stärkeren Verformung unterwirft, als die übrigen Bereiche des Befestigungselements. Dieses wird dadurch erreicht, daß das Befestigungselement bei der Herstellung an den besonders beanspruchten Stellen zunächst einen größeren Querschnitt erhält, welcher gegenüber dem übrigen Querschnitt durch eine Kaltverformung stärker reduziert wird.

Die Schwierigkeit besteht oft darin, bei vorgegebenem Materialeinsatz eine optimale Ausnutzung des Materials zu gewährleisten. Da Befe stigungselemente immer an der schwächsten Stelle zu reißen pflegen, kann das Gewicht der restlichen, an der Ausfallhäufigkeit nicht beteiligten Bereiche des Befestigungselements offenbar reduziert werden.

Um diese Materialreserve ausnutzen zu können, ist es nötig, hoch beanspruchte Teile von Befestigungselementen, wie Schrauben oder Stehbolzen, bei sparsamstem Materialeinsatz an den entscheidenden Stellen durch hohe Kaltverformung maximal zu verstärken. Dazu werden Kaltverformungsgrade von mindestens 25% bei stickstofflegierten austenitischen Stählen vorgeschlagen. Müssen bei der Herstellung unterschiedliche Verformungsgrade angewendet werden, so wird in einzelnen Bereichen höchster Kaltverformung ein Zwischenglühen notwen dig, um dort eine Versprödung des Werkstoffs zu vermeiden. Diese Absenkung der Festigkeit wird durch eine weitere Verformung wieder kompensiert, so daß bei richtiger Abstimmung das Befestigungselement im Endzustand eine über seine Länge konstante Festigkeit erhält. Die Widerstandsfähigkeit gegen Beanspruchungen, die zum Versagen des Befestigungselements führen können, soll also über die gesamte Länge konstant sein.

Die statische und dynamische Festigkeit der Befestigungselemente und die in erster Näherung homogene Verteilung der potentiellen Bruchstel len über die Länge des Befestigungselements muß selbstverständlich durch Versuchsreihen kontrolliert werden. Stellt es sich heraus, daß Bereiche mit hoher Bruchhäufigkeit auftreten, so wird bei einer zweiten Versuchsreihe der Querschnitt an dieser Stelle vergrößert und durch eine nachfolgende stärkere Kaltverformung, welche den ursprünglichen Querschnitt wieder herstellt, eine höhere Festigkeit erhalten. Die Ausfallhäufigkeit wird also nicht durch eine maßgebliche Vergrößerung des Querschnitts erreicht. Als maßgeblich wäre eine Querschnittsvergrößerung anzusehen, wenn sie 5% übersteigen würde.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ausgangs- und Endzustand beim Umformen eines Drahtes in eine Schraube;

Fig. 2 eine Spannschraube und

Fig. 3 eine Paßschraube.

Fig. 1 zeigt schematisch den Umformvorgang bei der Schraubenherstel lung. Der Kopfteil wird in einer Schmiedepresse umgeformt, wobei Schaft und Gewindeteil so eingespannt sind, daß sie sich in erster Linie nur elastisch verformen. Anschließend wird das Gewinde 3 eingerollt. Gemäß der Erfindung wird nun die übliche Ziehprozedur des Drahtes so abgewandelt, daß der Draht nach dem Ziehen die in diesem Verar beitungsschritt maximal mögliche Festigkeit erhält.

Das bedeutet, daß beim Ziehen ein möglichst hoher Verformungsgrad angestrebt wird und das Ausgangsmaterial mit der geringstmöglichen Anzahl von ohne Zwischenglühschritten bis zur Grenze hin, welche die Ziehsteine erlauben, und bei der der Draht noch nicht reißt, verformt wird. Vor dem Umformen im Gesenk wird der Kopf 1 vorzugsweise induktiv erwärmt, um ihn besser umformen zu können. Das gleiche kann vor dem Gewindeformen mit dem Teil 3 erfolgen. Dabei kann das Gewinde eingerollt werden. Damit wird erreicht, daß im Endzustand die Umformung der einzelnen Schraubenabschnitte so erfolgt, daß in jedem Abschnitt in etwa die gleiche Festigkeit herrscht. Ein Glühen des Abschnittes 3 vor dem Gewindeformen läßt sich dadurch vermeiden, daß ein Teil des Gewindes eingeschnitten wird, ohne die notwendige Tiefe bereits zu realisieren und in einem zweiten Schritt die Gewindetiefe dadurch erreicht wird, daß anschließend das Gewinde auf die nötige Tiefe gerollt wird. Würde man das Gewinde von Anfang an rollen, ohne es an der Oberfläche zu glühen, um die Kaltverfestigung wenigstens teilweise zu beseitigen, oder durch spanabhebende Verformung entspre chend verfestigte Schichten abzutragen, könnte das Gewinde nicht hergestellt werden, weil voraussetzungsgemäß bereits durch den Ziehvorgang eine optimale Härte eingestellt wurde. Andererseits könnte das Material, statt sich zu verfestigen, verspröden und reißen.

Bei einer Spannschraube nach Fig. 2 wird die Erfindung dadurch reali siert, daß der Spannteil, welcher einen geringeren Querschnitt aufweist, durch Einbringen einer normal hergestellten Schraube in eine Hämmermaschine hergestellt wird. Dabei erhält dieser Teil die maximal mögliche Festigkeit. Beim Umformen des Kopfes und beim Rollen des Gewindes werden die notwendigen Härtewerte erreicht. Wegen des geringe ren Querschnittes des Schaftes der Spannschraube muß dort jedoch die Festigkeit, welche der Härte proportional ist, größer sein als im Gewindebereich. Beim Herstellen der Spannschraube muß darauf geachtet werden, daß beim Hämmern die Schraube beispielsweise um 3% gestreckt wird. Selbstverständlich kann vor dem Hämmern die Querschnittsver minderung zunächst auch durch Abdrehen unterstützt werden. Die Durchmesserverminderung sollte allerdings vorzugsweise durch spanlose Verformung vor sich gehen.

Bei einer Paßschraube (siehe Fig. 3) wird die Verfestigung des zylindrischen Schaftes vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei wird der zu härtende Teil so hoch erhitzt - beispielsweise auf 700°C für 30 Minuten - daß eine Ausscheidungshär tung stattfindet, die Verformungsverfestigung aber nur geringfügig relaxiert.

Die Auskehlung 4 der Paßschraube (s. Fig. 3) stellt eine Schwachstelle dar. Deshalb wird diese Auskehlung vorzugsweise durch Rollen so verfestigt, daß die Bruchgefahr an Abschnitten kleineren Querschnitts entscheidend verringert werden kann. Im Idealfall wäre tatsächlich auch an dieser kritischen Stelle das Auftreten von Brüchen im Einsatz, beispielsweise im Flugzeugbau, keineswegs höher als im Bereich des glatten Schaftes 2 oder im Gewindebereich 3.

Claims

1. Hochbelastbares Befestigungselement aus einem kalthärtbaren Werkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff durch eine Kaltverformung so weit gehärtet ist, daß dadurch die Festigkeit kritischer Bruchzonen im Befestigungselement im wesentlichen ohne Querschnittserhöhung so verbessert ist, daß die Häufigkeit des Auftretens einer Bruchstelle sich gleichmäßig über die Länge des Befestigungsele ments verteilt.

2. Hochbelastbares Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungselement aus einem austenitischen Stahl besteht.

3. Hochbelastbares Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem höchstfesten CrMn-Austeniten mit einem Stickstoffgehalt von 0,2 bis 2,0 Gew.-% besteht.

4. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an hoch beanspruchten Zonen ein Kaltverformungsgrad von 20 bis 80% eingebracht ist.

5. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an hoch beanspruchten Zonen ein Kaltverformungsgrad von 35 bis 70% eingebracht wird.

6. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaltverformungsgrad an hoch beanspruchten Zonen 5 bis 30% höher gewählt ist als der Wert, welcher sich nach einem Standard-Fertigungsverfahren ergibt.

7. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Kopfschraube ausgebildet ist.

8. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Stehbolzen ausgebildet ist.

9. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Scherbolzen oder Paßstift ausgebildet ist.

10. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Niet ausgebildet ist.

11. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Kaltverformen eine über die Länge verteilte, unter schiedliche Wärmebehandlung durchgeführt ist.

12. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schraubenmutter ausgebildet ist.

13. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung durch Kaltverformung über den Querschnitt annähernd konstant ist.

14. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfestigung durch Kaltverformung an der Oberfläche ein Maximum aufweist.

15. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß weniger belastete Abschnitte des Befestigungselements durch Querschnittsverminderung und Kaltverformung bei gleicher Festigkeit wie die übrigen Abschnitte im Gewicht reduziert sind.

16. Hochbelastbares Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Verwendung bei Temperaturen bis 600°C und hohen Anforderungen an die Standfestigkeit vorgesehen ist.

17. Verfahren zum Herstellen eines hochbelastbaren Befestigungsele ments nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling nach der Halbzeugherstellung und einer üblicher weise nötigen Warmumformung und spanabhebenden Formgebung nur noch spanlos umgeformt wird, wobei die am stärksten zu verformen den Längenabschnitte zunächst durch ein Zwischenglühen duktil gemacht werden, um im Fertigzustand eine über die Länge des Befestigungselements konstante Festigkeit zu erzielen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente einer ersten Versuchsreihe nach der Herstellung einer einsatzgemäßen Prüfung unterzogen werden und die Bereiche mit hoher Bruchhäufigkeit bei der Herstellung neuer Befestigungselemente einer zweiten Versuchsreihe zunächst durch bereichsweise Querschnittsvergrößerung des Rohlings und daran anschließender Kaltverformung eine höhere Festigkeit erhalten und/oder die Bereiche, die eine höhere Zähigkeit erfordern, einem lokalen Zwischenglühen unterzogen werden, um eine homogene Ver teilung von Festigkeit und Zähigkeit über das gesamte Befe stigungselement zu erzielen.