DE4232115C2

DE4232115C2 - Verwendung eines austenitischen Stahls als hochbelastbares Befestigungselement

Info

Publication number: DE4232115C2
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: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: DE4232115A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines austenitischen Stahls. Die Erfindung geht von einem hochbelastbaren Cr-Mn-Stahl 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 bis 18, beschrieben werden. Ein solcher Stahl hat folgende Zusammensetzung:
0,001 bis 0,06 Gew.-% C, 0,01 bis 1,5 Gew.-% Ni, 0,001 bis 0,5 Gew.-% Si, 0,1 bis 3 Gew.-% Mo, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 15 bis 20 Gew.-% Mn.

Zur Herstellung von Befestigungselementen werden die Möglichkeiten austenitischer Werkstoffe zur Kaltaushärtung jedoch nicht optimal genutzt. Um eine höhere Bruchsicherheit von Befestigungselementen zu gewährlei sten, wird üblicherweise ihr Durchmesser erhöht. Damit nimmt aber auch das Gewicht zu, was für viele Anwendungen, ebenso wie die Durchmesser vergrößerung, nachteilig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für Befestigungselemente zu finden, der eine gleichmäßige Festigkeit über seine Gesamtlänge besitzt, so daß bei einem möglichst geringen Gewicht eine hohe Festigkeit an bruchgefährdeten Zonen vorhanden ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkma len.

Der Gegenstand des Anspruchs 1 weist die Vorteile auf, daß Befesti gungselemente eine erhöhte Bruchfestigkeit bzw. eine erhöhte Lebens dauer aufweisen, welche im Vergleich zu herkömmlichen Befestigungsele menten 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 Festigkeitssteigerung 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 reifen 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 Bruchstellen 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 Materials so abgewandelt, daß es nach dem Ziehen die in diesem Verarbeitungsschritt 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 das Material noch nicht reißt, verformt werden. 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 entsprechend 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 ver festigen, 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 Hämmerma schine 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 geringeren 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 Quer schnittsverminderung 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 zylindri schen Schaftes vorzugsweise durch eine Wärmebehandlung vorgenommen. Dabei wird der zu härtende Teil so hoch erhitzt - beispielsweise auf 700°C für 30 Minuten - daß eine Ausscheidungshärtung 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. Verwendung eines austenitischen Stahls, bestehend aus 0,001 bis 0,06 Gew.-% C, 0,001 bis 1,5 Gew.-% Ni, 0,001 bis 0,05 Gew.-% Si, 0,1 bis 3 Gew.-% Mo, 15 bis 20 Gew.-% Cr, 15 bis 20 Gew.-% Mn und 0,2 bis 2 Gew.-% N und Eisen als Rest, als Werkstoff für Befestigungselemente, die einer Kaltverformung von 20 bis 80% unterworfen werden.

2. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 für eine Kopfschraube.

3. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 für einen Stehbolzen.

4. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 für einen Scherbolzen.

5. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 für einen Paßstift.

6. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 als Niet.

7. Verwendung eines austenitischen Stahls nach Anspruch 1 als Schraubenmutter.

8. Verwendung eines austenitischen Stahls nach einem der vorher gehenden Ansprüche für die Verwendung bei Temperaturen bis 600°C und hohen Anorderungen an die Standfestigkeit.