DE69709503T2 - Befestigungselement mit Gewinde und Verfahren zur Verbesserung von Materialermüdung - Google Patents
Befestigungselement mit Gewinde und Verfahren zur Verbesserung von MaterialermüdungInfo
- Publication number
- DE69709503T2 DE69709503T2 DE69709503T DE69709503T DE69709503T2 DE 69709503 T2 DE69709503 T2 DE 69709503T2 DE 69709503 T DE69709503 T DE 69709503T DE 69709503 T DE69709503 T DE 69709503T DE 69709503 T2 DE69709503 T2 DE 69709503T2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- threads
- shaft
- case hardened
- threaded portion
- region
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 title description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 31
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 11
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 11
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 9
- 235000019589 hardness Nutrition 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 5
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 3
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000007542 hardness measurement Methods 0.000 description 2
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N cadmium nickel Chemical compound [Ni].[Cd] OJIJEKBXJYRIBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
- F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
- F16B31/06—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts having regard to possibility of fatigue rupture
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
- C21D1/10—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S411/00—Expanded, threaded, driven, headed, tool-deformed, or locked-threaded fastener
- Y10S411/916—Bolt having tension feature
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen und deren Komponenten. Mehr im Besonderen bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Verbessern der ermüdungsfreien Lebensdauer von Kompressor- und Turbinenrotor-Stutzen und -Bolzen durch Einsatzhärten spezifischer Regionen solcher Bolzen einschließlich eines begrenzten Abschnittes ihrer Gewinde.
- Gasturbinen-Kompressor- und -Rotor-Teile, wie Befestigungselemente mit Gewinde, die zum Befestigen von Scheiben und Bolzenschäften miteinander zur Bildung einer Gasturbinen-Rotorbaueinheit benutzt werden, bestehen typischerweise aus martensitischen Legierungen, wie Typ 422, oder austenitischen Legierungen höherer Festigkeit. Bei der Herstellung aus martensitischen Stählen weisen solche Teile genügende Festigkeit auf, um die statischen mechanischen und dynamischen Belastungen auszuhalten, die während des Betriebes vieler Gasturbinen auftreten. Teile aus martensitischem Stahl haben jedoch eine Empfindlichkeit gegenüber Langzeit-Ermüdung gezeigt, wenn sie in größeren Turbinensystemen mit höheren Betriebs-Temperaturen und -Spannungen benutzt werden. Während austenitische Legierungen verbesserte Langzeitermüdungs-Eigenschaften gegenüber martensitischen Stählen aufweisen können, haben austenitische Legierungen höhere Koeffizienten der Wärmeausdehnung, die eine Fehlanpassung verursachen, wenn sie als Befestigungselemente zum Verbinden von Turbinenrotoren eingesetzt werden, die konventionell aus ferritischen Stählen hergestellt werden. Solche Unterschiede in der Wärmeausdehnung erfordern höhere statische Vorbelastungen der Befestigungselemente, um eine angemessene Klemmkraft aufrechtzuerhalten. Ein weiterer Nachteil austenitischer Stähle ist der, dass sie relativ teurer sind als martensitische Stähle.
- Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass es dem Stande der Technik an einem Befestigungselement mit Gewinde mangelt, das geeignete Ermüdungs-Eigenschaften für stärker beanspruchende Gasturbinen-Anwendungen zeigt, und das keine Fehlanpassung bei der thermischen Ausdehnung zu Rotoren aus ferritischem Stahl schafft.
- Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes, mit Gewinde versehenes Befestigungselement mit verbesserten Ermüdungs-Eigenschaften zu schaffen, damit es zum Einsatz in einem Gasturbinen-Rotor oder -Kompressor geeignet ist.
- Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, dass ein solches Befestigungselement aus einem martensitischen Stahl hergestellt wird.
- Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zum selektiven Wärmebehandeln eines solchen Befestigungselementes zu schaffen, damit man die erwünschten Ermüdungs- Eigenschaften erhält.
- Es ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, dass die Wärmebehandlung das selektive Wärmebehandeln von Regionen des Befestigungselementes einschließt, um ein oder mehrere einsatzgehärtete Regionen an der Oberfläche des Befestigungselementes zu erzeugen.
- Es ist noch eine andere Aufgabe dieser Erfindung, dass die Wärmebehandlung die Gewinde des Befestigungselementes nicht verformt.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung werden diese und andere Aufgaben und Vorteile folgendermaßen gelöst bzw. erzielt.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mit Gewinde versehenes Befestigungselement geschaffen, das eine genügend verbesserte Ermüdungs-Festigkeit aufweist, um zum Einsatz in Gaskompressoren und Turbinen geeignet zu sein, die bei relativ hohen Betriebstemperaturen arbeiten. Geschaffen wird auch ein Verfahren zum Behandeln eines solchen Befestigungselementes, durch das eine selektive Wärmebehandlung ausgeführt wird, um eine dramatische Verbeserung der Ermüdungs-Eigenschaften zu erzielen, während andere erforderliche Eigenschaften des Befestigungselementes nicht beeinträchtigt werden.
- Befestigungselemente der Art, die von dem Verfahren dieser Erfindung profitieren, sind im Allgemeinen dadurch charakterisiert, dass sie einen Schaft, eine Übergangsregion benachbart dem Schaft und einen Gewindeabschnitt benachbart der Übergangsregion der Art aufweist, dass die Übergangsregion zwischen dem Schaft und dem Gewindeabschnitt liegt. Der Gewindeabschnitt schließt eine Anzahl von Gewindegängen auf, von denen ein Erster am nächsten zur Übergangsregion und ein Letzter am weitesten weg von der Übergangsregion angeordnet ist. Gemäß der akzeptierten Terminologie in der Befestigungselement-Industrie ist der Gewindeabschnitt durch einen Kerndurchmesser charakterisiert, der den Füßen der Gewindegänge entspricht.
- Gemäß dem Verfahren dieser Erfindung wird das Befestigungselement einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der eine einsatzgehärtete Region in solchen Gewindegängen entwickelt wird, die am nächsten zur Übergangsregion liegen, und die sich bis zu einer Tiefe unterhalb des Kerndurchmessers des Gewindeabschnittes erstreckt. Im Gegensatz dazu brauchen die Gewindegänge, die am weitesten weg von der Übergangsregion liegen, nicht einsatzgehärtet zu sein. Ein überraschendes Resultat des oben beschriebenen Härtungsmusters in den Gewindegängen ist es, dass Befestigungselemente aus martensitischem Stahl erfolgreich wärmebehandelt wurden, um eine Langzeit-Ermüdungsbeständigkeit von mehr als 100% gegenüber identischen Befestigungselementen aufzuweisen, die der vorgeschriebenen Wärmebehandlung nicht unterworfen wurden. Diese Erfindung überwindet somit das Erfordernis des Standes der Technik, Befestigungselemente aus austenitischem Stahl zum Einsatz in Gasturbinen-Rotorbaueinheiten zu verwenden, die relativ hohen Betriebstemperaturen unterworfen sind.
- Die obigen und andere Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung deutlich, in der zeigen:
- Fig. 1 einen Turbinenrotor-Bolzen einer Art, bei der Verbesserungen in Verbindung mit dem Verfahren dieser Erfindung erzielt werden können,
- Fig. 2 den Bolzen von Fig. 1, der eine Induktions-Wärmebehandlung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung erhält;
- Fig. 3 eine mikrofotographische Darstellung, die ein bevorzugtes einsatzgehärtetes Muster gemäß dieser Erfindung veranschaulicht,
- Fig. 4 den Grad, zu dem die Langzeitermüdungs-Eigenschaften durch das Verfahren dieser Erfindung verbessert worden sind und
- Fig. 5 eine graphische Darstellung der erwünschten Restspannungs-Verteilung, die durch das Verfahren dieser Erfindung induziert wird.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Gewinde-Befestigungselement, das deutlich verbesserte Ermüdungs-Eigenschaften aufweist, sowie ein Verfahren, durch das solche Eigenschaften in einem martensitischen Stahlmaterial verbessert werden können. Fig. 1 zeigt einen Turbinenrotor- Bolzen 10 einer Art, die von dem Verfahren dieser Erfindung profitiert. Wie allgemein gezeigt, hat der Bolzen 10 einen gewindefreien Schaft 12 zwischen zwei Gewindeabschnitten 16a und 16b an den gegenüberliegenden distalen Enden des Bolzens 10. Zwischen dem Bolzen 10 und jedem Gewindeabschnitt 16a und 16b befindet sich eine Übergangsregion 14a und 14b, die von verringertem Durchmesser ist, verglichen mit dem Schaft, und die gemäß konventionellen Praktiken zum Verringern von Spannungs-Konzentrationen im Bolzen dient.
- Gewinde-Befestigungselemente von Interesse für diese Erfindung, nämlich Gasturbinenrotor- und -kompressor-Bolzen, die durch den in Fig. 1 gezeigten Bolzen 10 veranschaulicht werden, sind aus einer martensitischen Legierung, wie AISI Typ 422SS, hergestellt, obwohl auch andere martensitische Legierungen benutzt werden könnten. Solche Befestigungselemente werden typischerweise hergestellt durch maschinelles Bearbeiten von Stäben und dann Walzen der Gewindeabschnitte 16a und 16b. Ein Beispiel eines Befestigungselementes nach dem Stande der Technik dieser allgemeinen Art ist in der US-A-4,326,825 beschrieben. Kompressor-Bolzen der durch diese Erfindung umfassten Art können weiter eine Nickel-Cadmium-Plattierung nach der Wärmebehandlung aufweisen, um die Korrosions-Beständigkeit zu fördern. Allgemeine Praktiken nach dem Stande der Technik bei der Wärmebehandlung martensitischer Materialien waren auf das Erzielen einer Härte von 45-50 Rc durch Wärmebehandeln bei etwa 1.025ºC bis etwa 1.050ºC (etwa 1875ºF bis etwa 1925ºF), gefolgt von einem Abschrecken in Öl und dann Tempern bei einem Minimum von etwa 620ºC (1150ºF) beschränkt.
- Während der in Fig. 1 gezeigte Bolzen 10 repräsentativ für die Art von Gewinde-Befestigungselementen ist, die in Gasturbinen und Kompressoren eingesetzt werden, wird der Fachmann erkennen, dass die Vorteile dieser Erfindung auf andere martensitische Befestigungselemente ausgedehnt werden können, die unter ähnlichen Betriebsbedingungen eingesetzt werden.
- Gemäß dieser Erfindung werden Gewinde-Befestigungselemente, wie der Bolzen 10, einer selektiven. Wärmebehandlung, vorzugsweise einer Induktions-Oberflächen-Härtungsbehandlung, ausgesetzt, durch die eine einsatzgehärtete Region in der Oberfläche des Befestigungselementes entwickelt wird. Während die Ausrüstung und die Behandlung nach dieser Erfindung ähnlich solchen sind, die für Oberflächen-Härtungsanwendungen bei Automobil-Schäften und -Getrieben benutzt werden, wurde die resultierende einsatzgehärtete Region, die in Gewinde-Befestigungselementen entwickelt wird, selektiv in den Gewindegängen konzentriert, d. h., den Gewindeabschnitten 16a und 16b des Bolzens 10, in einer Weise, die die Ermüdungs-Eigenschaften solcher Befestigungselemente signifikant fördert. Im Allgemeinen sind die einsatzgehärteten Gewinde, die nach dem Verfahren dieser Erfindung erzeugt werden, charakterisiert durch einen festen und zähen getemperten martensitischen Kern und eine sehr viel festere, weniger duktile ungetemperte Hülle, die relativ hohe Restkompressions-Spannungen aufweist. Die Kombination erhöhter Oberflächen- Festigkeit und Restkompressions-Spannung erhöht, wie angenommen wird, die Beständigkeit gegenüber dem Einleiten von Ermüdungsrissen und verbessert dadurch die Ermüdungs-Eigenschaften des Befestigungselementes.
- In Fig. 2 ist der Bolzen 10 innerhalb einer Induktionsspule 18 rotierend dargestellt, wobei die Spule 18 um die Übergangsregion 14a und etwa halb über die Gewindegänge des Gewindeabschnittes 16a angeordnet ist. Während der Induktions-Wärmebehandlung wird das martensitische Material des Bolzens 10 wieder in austenitisches Matereial umgewandelt, woraufhin ein Abschrecken in Flüssigkeit einsatzgehärtete martensitische Regionen 20 entwickelt, die in Fig. 3 gezeigt sind. Die in Fig. 3 gezeigten einsatzgehärteten Regionen 20 erstrecken sich nicht in den Bereich der Übergangsregion 14a unmittelbar benachbart dem Gewindeabschnitt 16a. Ausgedrückt als messbare Einsatztiefe (definiert als die Tiefe unterhalb der Oberfläche, bei der die Härte 10 Rc- Punkte unter die Härte an der Oberfläche fällt) ist ein Einsatzhärten in dem Abschnitt der Übergangsregion 14a im Wesentlichen abwesend, in dem das Einsatzhärten in Fig. 3 nicht gezeigt ist. Es ist jedoch vorhersehbar, dass die gesamte Übergangsregion 14a bis zu einer Tiefe etwa gleich der innerhalb des Gewindeabschnittes 16a einsatzgehärtet werden könnte.
- Während der Entwicklung dieser Erfindung wurden Bolzen einer Art, ähnlich der in Fig. 1 gezeigten, bewertet. Es wurde eine Anzahl von Proben als Grundlinien-Gruppe bei Seite gelegt, während gemäß dieser Erfindung behandelte Proben durch Drehen innerhalb einer konventionellen Induktionsspule mit einer Geschwindigkeit von etwa 900 U/min in der allgemein in Fig. 2 gezeigten Art und Weise wärmebehandelt wurden. Die Induktionsspule hatte eine axiale Länge von etwa 40 mm (etwa 1,5 inches) und sie wurde mit einer Frequenz von etwa 300 kHz betrieben, um eine relativ flache Wärme-Eindringung zu erzielen, die ein erwünschtes Niveau von Restkompressions-Spannungen unterhalb der Oberfläche der Bolzen ergibt. Eine repräsentative Restspannungs- Verteilung ist in Fig. 5 abgebildet, die zeigt, dass Kompressions-Spannungen in einer Tiefe von etwa 1,4 mm (etwa 55 u-inches) unterhalb der Oberfläche der Bolzen vorhanden waren. Das Härtungsverfahren umfasste einen einzelnen Heizzyklus von einem Impuls für eine Dauer von etwa 5,5 Sekunden bei einem Energieniveau von etwa 98 kW, während der eine Spitzen-Temperatur von etwa 1.090ºC (etwa 2000ºF) erreicht wurde. Nach der Wärmebehandlung wurden die Proben unmittelbar in einem synthetischen Abschreckmittel bei etwa 30ºC (90ºF) abgeschreckt.
- Die Bewertung der wärmebehandelten Proben schloss metallographische Untersuchungen ein, wie Mikrofotographien, die Fig. 3 ergaben, und Mikro-Härtemessungen nach Knoop, die zur Bestimmung der Einsatztiefen der einsatzgehärteten Regionen ausgeführt wurden. Restspannungs- Messungen wurden unter Benutzung von Röntgenbeugungs-Techniken ausgeführt, von denen ein Resultat in Fig. 5 dargestellt ist. Schließlich wurden Langzeit-Ermüdungstests unter einer konstanten mittleren Spannung von etwa 370 MPa (etwa 54 ksi) bei Raumtemperatur ausgeführt, wobei verschiedene Niveaus alternierender Spannung zur Entwicklung des S-N-Diagramms von Fig. 4 benutzt wurden. Die Tests wurden nach zehn Millionen Zyklen beendet, wenn in einer gegebenen Probe noch kein Ermüdungsversagen aufgetreten war.
- Die visuelle Untersuchung der wärmebehandelten Proben zeigte, dass diese Proben kein Zeichen einer physikalischen Beschädigung oder Verformung aufwiesen, was mit einem "geht/geht nicht"-Test mit entsprechendem Innengewinde bestätigt wurde. Resultate der metallographischen Untersuchung der wärmebehandelten Proben zeigte, dass das Gefüge in den Zähnen und den meisten einsatzgehärteten Regionen ungetemperter Martensit war, wobei ein Übergang zu der ursprünglichen getemperten Martensitstruktur an den radial einwärts befindlichen Grenzen der einsatzgehärteten Regionen vorhanden war. Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 3 ausgeführt, erstreckten sich die einsatzgehärteten Regionen nicht durch den Abschnitt der Übergangsregion unmittelbar benachbart den Gewinden, sondern sie fielen auf ein Minimum (eine Einsatztiefe von im Wesentlichen null um) unmittelbar außerhalb der Gewinde und nahmen dann wieder in dem Abschnitt der Übergangsregion, die dem Schaft am nächsten ist, zu. Die Schäfte der wärmebehandelten Proben schienen auch im Wesentlichen ohne einsatzgehärtete Region zu sein. Solche Abschnitte der Übergangsregionen, die den Schäften am nächsten lagen, waren bis zu einer Tiefe etwa gleich der Tiefe der einsatzgehärteten Region der Gewinde einsatzgehärtet.
- Härtemessungen der wärmebehandelten Proben zeigten, dass die Zähne bei einer Einsatztiefe von etwa 1 mm (etwa 0,040 inch) unterhalb des Kerndurchmessers jeder Probe im Wesentlichen durchgehärtet waren. Die gemessene Härte lag im Bereich von etwa 50 bis 55 Rc nahe den Spitzen der Zähne, etwa 50,5 bis 53,5 Rc nahe den Füßen der Zähne, wobei eine minimale Härte von etwa 42 bis 51 Rc bei etwa 1 mm unterhalb der Füße der Zähne gemessen wurde. Kernhärten der Proben lagen im Bereich von etwa 34 bis 35 Rc.
- Die in Fig. 4 dargestellten Resultate zeigen, dass die Ermüdungs-Eigenschaften der wärmebehandelten Proben überraschend und signifikant besser waren als die der Grundlinien (nicht wärmebehandelten)-Proben. Im Allgemeinen war die Haltbarkeitsgrenze der wärmebehandelten Proben etwa 30 bis 70 MPa (etwa 4 bis 10 ksi) besser als die der Grundlinien-Proben, was grob eine Erhöhung von 100% bis 200% ausmacht. Eine solche Erhöhung der Ermüdungs-Festigkeit wurde als unerwartet gut angesehen, insbesondere im Hinblick auf die begrenzten und selektiven einsatzgehärteten Regionen innerhalb einer begrenzten Zahl von Bolzen-Gewindegängen. Durch härtere und tiefere einsatzgehärtete Regionen charakterisierte Proben waren im Allgemeinen empfindlicher für ein Reißen in den Zähnen, was die Selektivität und Kontrolle anzeigt, die während der Wärmebehandlung ausgeübt werden muss, um die Ermüdungs-Eigenschaften zu verbessern. Insgesamt erwies sich dieses erfindungsgemäße Induktions-Härtungsverfahren als sehr viel wirksamer bei der Verbesserung von Ermüdungs-Eigenschaften von Gewinde-Befestigungselementen als konventionelle Härtungstechniken, wie Sandstrahlen und Gewindewalzen. Optimale Bedingungen waren allgemein eine Einsatztief von etwa 1 mm und eine maximale Härte von etwa 50 Rc, die durch Sandstrahlen und Gewindewalzen nicht möglich sind.
- In Anbetracht des Obigen ist klar, dass ein signifikanter Vorteil dieser Erfindung ist, dass verbesserte Ermüdungs-Eigenschaften in Befestigungselementen erzielt werden können, wenn einsatzgehärtete Regionen selektiv in den Gewinderegionen der Befestigungselemente entwickelt werden. Erwünschte Resultate wurden erhalten, wo das Induktionshärten in den Gewindegängen nächst der Gewinde/Schaft-Grenzfläche induziert wurden, im Gegensatz zu einer Behandlung, bei der alle Gewindegänge und der Schaft gehärtet werden. Ein anderer signifikanter Vorteil ist es, dass das Verfahren dieser Erfindung unter Benutzung einer konventionellen Induktions-Wärmebehandlung-Ausrüstung ausgeführt werden kann und nicht speziell angepasst werden muss, um an die irreguläre Geometrie von in Gaskompressoren und Turbinen eingesetzten Bolzen angepasst zu werden.
Claims (10)
1. Befestigungselement (10) aus martensitischem korrosionsbeständigem Stahl mit
verbesserter Ermüdungsfestigkeit, wobei das Befestigungselement umfasst:
einen gewindefreien Schaft (12), einen Gewindeabschnitt (16a) und eine Übergangsregion
(14a) zwischen dem Schaft und dem Gewindeabschnitt,
wobei die Übergangsregion (14a) einen ersten Abschnitt im Abstand von dem Schaft und
einen zweiten Abschnitt unmittelbar benachbart dem Schaft aufweist, so dass er zwischen dem
ersten Abschnitt und dem Schaft liegt und
der Gewindeabschnitt (16a) benachbart dem ersten Abschnitt der Übergangsregion derart
angeordnet ist, dass die Übergangsregion zwischen dem Schaft und dem Gewindeabschnitt
angeordnet ist, der Gewindeabschnitt mehrere Gewindegänge umfasst, wobei ein erster Satz der
Gewindegänge am nächsten an der Übergangsregion angeordnet ist, und ein zweiter Satz von
Gewindegängen am weitesten entfernt von der Übergangsregion angeordnet ist, wobei der
Gewindeabschnitt einen Kerndurchmesser entsprechend den Füßen der Gewindegänge aufweist, dadurch
gekennzeichnet,
dass der erste Satz von Gewindegängen eine einsatzgehärtete Region (20) bis zu einer Tiefe
unterhalb des Kerndurchmessers des Gewindeabschnitts aufweist und der Schaft frei ist von einer
einsatzgehärteten Region.
2. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin der erste Abschnitt der Übergangsregion (14a)
im Wesentlichen frei ist von einer einsatzgehärteten Region.
3. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin der zweite Abschnitt der Übergangsregion bis
zu einer Tiefe etwa gleich der Tiefe der einsatzgehärteten Region des ersten Satzes von
Gewindegängen einsatzgehärtet ist.
4. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin der zweite Satz von Gewindegängen frei von
einer einsatzgehärteten Region ist.
5. Befestigungselement nach Anspruch 1, worin das Befestigungselement außerhalb der
einsatzgehärteten Region eine Härte von etwa 35 Rc aufweist.
6. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Übergangsregion einen
im Vergleich zum Schaft verringerten Durchmesser aufweist.
7. Turbinenrotor-Bolzen aus martensitischem korrosionsbeständigem Stahl mit verbesserter
Ermüdungsfestigkeit, worin der Bolzen umfasst:
einen gewindefreien Schaft (12), einen Gewindeabschnitt (16a) und eine Übergangsregion
(14a) zwischen dem Schaft und dem Gewindeabschnitt,
wobei sich der Gewindeabschnitt (16a) an einem distalen Ende des Bolzens befindet und
mehrere Gewindegänge umfasst, ein erster Satz der Gewindegänge am nächsten zum Schaft
angeordnet ist und ein zweiter Satz von Gewindegängen am weitesten entfernt vorn Schaft angeordnet
ist, wobei der Gewindeabschnitt einen Kerndurchmesser entsprechend den Füßen der
Gewindegänge aufweist, und
die Übergangsregion (14a) einen ersten Abschnitt unmittelbar benachbart dem ersten Satz
von Gewindegängen und einen zweiten Abschnitt unmittelbar benachbart dem Schaft aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Satz von Gewindegängen eine einsatzgehärtete Region (20) aufweist, die sich bis zu einer
Tiefe in den Bolzen unterhalb des Kerndurchmessers des Gewindeabschnitts erstreckt, wobei der
erste Abschnitt der Übergangsregion im Wesentlichenf rei von einer einsatzgehärteten Region ist
und der Schaft und der zweite Satz von Gewindegängen frei von einer einsatzgehärteten Region
sind.
8. Turbinenrotor-Bolzen nach Anspruch 7, worin der zweite Abschnitt der Übergangsregion
bis zu einer Tiefe etwa gleich der Tiefe der einsatzgehärteten Region des ersten Satzes von
Gewindegängen einsatzgehärtet ist.
9. Turbinenrotor-Bolzen nach Anspruch 7, worin die einsatzgehärtete Region eine Härte von
mindestens etwa 42 Rc aufweist, und der Bolzen außerhalb der einsatzgehärteten Region eine
Härte von weniger als der der einsatzgehärteten Region hat.
10. Verfahren zum Verbessern der Ermüdungsfestigkeit eines Befestigungselementes aus
martensitischem korrosionsbeständigem Stahl, wobei das Verfahren die Stufen umfasst:
Bilden des Befestigungselementes mit einem gewindefreien Schaft (12), einem
Gewindeabschnitt (16a) und einer Übergangsregion (14a) zwischen dem Schaft und dem Gewindeabschnitt,
wobei der Gewindeabschnitt mehrere Gewindegänge umfasst, ein erster Satz der Gewindegänge am
nächsten zum Schaft angeordnet ist und ein zweiter Satz der Gewindegänge am weitesten entfernt
vom Schaft angeordnet ist, wobei der Gewindeabschnitt einen Kerndurchmesser entsprechend den
Füßen der Gewindegänge aufweist, die Übergangsregion einen ersten Abschnitt unmittelbar
benachbart
dem ersten Satz von Gewindegängen und einen zweiten Abschnitt unmittelbar
benachbart dem Schaft aufweist, gekennzeichnet durch
Entwickeln einer einsatzgehärteten Region (20) in dem ersten Satz von Gewindegängen,
wobei die einsatzgehärtete Region derart entwickelt wird, dass sie sich bis zu einer Tiefe unterhalb
des Kerndurchmessers des Gewindeabschnittes in das Befestigungselement erstreckt, wobei der
Schaft frei von einer einsatzgehärteten Region ist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/691,277 US5700120A (en) | 1996-08-01 | 1996-08-01 | Threaded fastener and method of improving the fatigue life thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE69709503D1 DE69709503D1 (de) | 2002-02-14 |
DE69709503T2 true DE69709503T2 (de) | 2002-08-08 |
Family
ID=24775884
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE69709503T Expired - Fee Related DE69709503T2 (de) | 1996-08-01 | 1997-08-01 | Befestigungselement mit Gewinde und Verfahren zur Verbesserung von Materialermüdung |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5700120A (de) |
EP (1) | EP0822347B1 (de) |
JP (1) | JP4048331B2 (de) |
KR (1) | KR19980018261A (de) |
DE (1) | DE69709503T2 (de) |
Families Citing this family (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6386810B1 (en) * | 1999-05-21 | 2002-05-14 | Hiroshi Onoe | High strength screw |
US6213884B1 (en) * | 1999-10-20 | 2001-04-10 | Daimlerchrysler Corporation | Case hardened self-drilling, self-tapping, self-piercing fasteners and process for making the same |
US6338600B2 (en) * | 1999-11-15 | 2002-01-15 | Ejot Verbindungstechnik Gmbh & Co. Kg | Self-tapping, corrosion-resistant screw with hardened tip |
SE522152C2 (sv) * | 2002-05-17 | 2004-01-20 | Sandvik Ab | Bergborrprodukt och metod att härda denna |
JP3917113B2 (ja) * | 2003-07-01 | 2007-05-23 | 株式会社日本製鋼所 | 高温高圧水素環境で供用される材料の水素脆化割れ判定方法 |
JP2005221038A (ja) * | 2004-02-06 | 2005-08-18 | Sumitomo Metal Ind Ltd | 油井管用ネジ継手、及びその製造方法 |
JP2007211932A (ja) * | 2006-02-10 | 2007-08-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ねじ締結部材、および、ねじ締結部材の製造方法 |
FR2926244B1 (fr) | 2008-01-16 | 2010-02-19 | Bic Soc | Instrument d'ecriture muni d'une gomme protegee par un manchon |
CN102297188A (zh) * | 2011-08-10 | 2011-12-28 | 奥达科金属制品(上海)有限公司 | 一种螺栓 |
EP3257603B1 (de) * | 2016-01-28 | 2020-01-15 | Nittan Valve Co., Ltd. | Schraubenherstellungsverfahren |
CN113216773A (zh) | 2021-05-13 | 2021-08-06 | 蔚来汽车科技(安徽)有限公司 | 隐藏式门把手和汽车 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US1926925A (en) * | 1931-04-07 | 1933-09-12 | Gulf Res & Dev Corp | Pin, bolt, and other connecting device |
US2407586A (en) * | 1944-02-16 | 1946-09-10 | Hpm Dev Corp | Stress-free stud |
US3245142A (en) * | 1964-11-10 | 1966-04-12 | Durabla Mfg Company | Method of assembling low stress threaded connection |
US3301120A (en) * | 1964-11-27 | 1967-01-31 | Caterpillar Tractor Co | Tempered threaded members and method of making |
US4326825A (en) * | 1979-12-31 | 1982-04-27 | Hi Shear Corporation | Balanced pin for shear flow joint, and joint including the pin |
ATE23914T1 (de) * | 1983-09-02 | 1986-12-15 | Boesner Friedrich Gmbh | Verbindungselement fuer zwei maschinen- oder bauteile, wie pass-dehn-schraube. |
US4743138A (en) * | 1986-02-24 | 1988-05-10 | Alsthom | Device for coupling two flanged shaft ends |
US4790703A (en) * | 1987-04-24 | 1988-12-13 | Wing George S | Prevailing torque fastener assembly |
US4930962A (en) * | 1988-12-01 | 1990-06-05 | Pac-Fasteners, An Affiliate Of Peterson American Corp. | Nut and stud assembly |
-
1996
- 1996-08-01 US US08/691,277 patent/US5700120A/en not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-07-31 JP JP20511997A patent/JP4048331B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1997-07-31 KR KR1019970036351A patent/KR19980018261A/ko not_active Application Discontinuation
- 1997-08-01 EP EP97305811A patent/EP0822347B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-08-01 DE DE69709503T patent/DE69709503T2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0822347A1 (de) | 1998-02-04 |
JPH10122219A (ja) | 1998-05-12 |
KR19980018261A (ko) | 1998-06-05 |
DE69709503D1 (de) | 2002-02-14 |
JP4048331B2 (ja) | 2008-02-20 |
EP0822347B1 (de) | 2002-01-09 |
US5700120A (en) | 1997-12-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69709503T2 (de) | Befestigungselement mit Gewinde und Verfahren zur Verbesserung von Materialermüdung | |
AT402539B (de) | Kraftstoff-einspritzleitung für brennkraftmaschinen sowie verfahren zum herstellen derselben | |
DE3619063C2 (de) | ||
DE69402803T2 (de) | Verbesserungen an metallischen Torsionsstäben | |
WO1996032508A1 (de) | Schraubendreher, schraubendrehereinsatz oder dergleichen | |
DE2144739B2 (de) | Schleudertrommel fur Gaszentnfugen | |
DE102004027594B4 (de) | Strömungsmaschine mit radial durchströmtem Verdichterrad | |
DE19842455C2 (de) | Wälzlager | |
EP0861379B1 (de) | Schraube und verfahren zu ihrer herstellung | |
DE4431769C2 (de) | Stanzniet aus rostfreiem Stahl | |
WO2003046229A1 (de) | Aus einem kohlenstoffhaltigen stahl bestehendes befestigungselement und verfahren zu seiner herstellung | |
DE60130752T2 (de) | Verfahren zum herstellen von einem teil eines walzlagers | |
DE10113946A1 (de) | Selbstschneidende Schraube, insbesondere Betonschraube, aus Stahl | |
WO2008031457A1 (de) | Verfahren zur herstellung von kaltzähen stählen | |
DE102010063677A1 (de) | Verfahren zur Herstellung eines Schraubankers und Schraubanker | |
DE19510302A1 (de) | Oberflächenbehandelte Kolbenstange | |
DE4221958C1 (de) | Verfahren zum Herstellen eines Zahnradelementes einer Ritzelwelle | |
DE3702634A1 (de) | Stahlstift fuer ein befestigungsmittel und verfahren zu dessen herstellung | |
DE102020102982A1 (de) | Fügeelement, Verbindungsstruktur mit dem Fügeelement, Herstellungsverfahren des Fügeelements und entsprechendes Verbindungsverfahren | |
DE69409932T2 (de) | Gleitende Bauteile und Verfahren zu deren Herstellung | |
DE10103445B4 (de) | Stahlwerkstoff mit hoher Ermüdungsfestigkeit sowie Verfahren zur Herstellung des Stahlmaterials | |
DE624729C (de) | Auf Zug vorgespanntes loesbares Maschinenelement mit Schraubengewinde | |
EP0006085B1 (de) | Verfahren zur Herstellung von Ankerstäben oder Ankerdrähten sowie Anwendung derselben für Erd- und Felsanker | |
DE1608002C3 (de) | Verfahren zur Wärmebehandlung einer Pumpenstange und Anwendung des Verfahrens | |
DE3936368A1 (de) | Waermebehandlung von antriebswellen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |