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Die Erfindung betrifft ein bolzenartiges Befestigungselement, insbesondere Bohrschraube, welches durch Pressen und/oder Walzen geformt ist, mit einem Kopfabschnitt, der einen Haltebereich hat und eine Ausgangshärte aufweist, und mit einem Anfangsabschnitt, welcher mit einem Übergangsbereich an den Kopfabschnitt anschließt und zusätzlich induktiv gehärtet ist, so dass der Anfangsabschnitt eine Härte hat, die höher ist als die Ausgangshärte, wobei das Befestigungselement aus Kohlenstoffstahl hergestellt ist.
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Bohrschrauben aus einem Kohlenstoff-Stahl werden heutzutage vollständig karbonitriert. Bei dem Karbonitrieren erfolgt ein Anreichern der Randschicht eines Werkstückes, meistens aus Stahl, mit Kohlenstoff und Stickstoff durch thermochemische Behandlung. Das Karbonitrieren wird im Allgemeinen im Gas oder im Salzbad vorgenommen. Eine karbonitrierte Schraube ist komplett hart, hat also auch im Kopfabschnitt wenig Duktilität. Das Karbonitrieren ist ein teures Verfahren. Das Härten erfolgt überdies längenunabhängig, d. h. die Schraube wird auf ihrer gesamten Länge gehärtet. Solche Schrauben haben eine relativ niedrige Biegefestigkeit und eine geringe Dehnbarkeit in dem Schaftbereich, der den Kopf-, den Halteabschnitt und den Anfangsabschnitt umfasst. Beispiele solcher Schrauben sind Stand der Technik, wie im Folgenden gezeigt wird.
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Das Dokument
DE 103 15 957 A1 zeigt eine Schraube der eingangs genannten Art mit einer partiell gehärteten Funktionsspitze. Die Schraube besteht aus einem niedriglegierten Kohlenstoffstahl. Die Funktionsspitze hat im Außenbereich von begrenzter radialer Tiefe eine den Halteabschnitt gegenüber größere Härte. Der Schraubenkörper ist durch Pressen und Walzen geformt worden und anschließend ist die Funktionsspitze einem Härtungsvorgang unterworfen worden. Der Schraubenkörper kann vor dem partiellen Härten der Funktionsspitze insgesamt vergütet oder einsatzgehärtet werden. Die Vergütung erfolgt durch Erwärmen und anschließendes Abschrecken und Anlassen, die Einsatzhärtung durch Aufkohlen oder Karbonitrieren während der Erwärmung, worauf wiederum Abschrecken und Anlassen folgen. Durch diese Härtung wird die Duktilität im Kopfabschnitt der Schraube beeinträchtigt. An der Funktionsspitze erstreckt sich die Härte nicht über den gesamten Umfang derselben, sondern nur über Teilbereiche des Umfangs. Das Erwärmen erfolgt durch induktive Erwärmung. Die Bohrleistung einer solchen Schraube ist begrenzt, weil sich das Härten auf Teilbereiche des Umfangs der Funktionsspitze beschränkt.
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Bei Schrauben aus rostfreiem Stahl ist es üblich, an einen Schaft aus rostfreiem Stahl eine Spitze aus einem Kohlenstoff-Stahl anzuschweißen und die Spitze anschließend induktiv zu härten. Eine solche Schraube ist beispielshalber aus dem Dokument
DE 44 17 921 A1 bekannt. Die Schraube wird aus zwei Rohlingen hergestellt. Ein Teil der Schraube, nämlich der Kopf und das mit diesem verbundene Schaftsegment bestehen in diesem Fall aus einem zähen, korrosionsbeständigen Stahl. Das weitere Schaftsegment ist aus einem gehärteten Stahl gefertigt, so dass bei Ausbildung dieses Segments als Bohrspitze Leichtmetall-, Kunststoff-, und auch Edelstahlblechwände durchbohrt werden können. Die Herstellung einer solchen Schraube aus zwei Teilen ist aufwändig. An der Stelle, an der die beiden Rohlinge miteinander verschweißt sind, hat die Schraube eine Schweißnaht und ein Mischgefüge.
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Aus dem Dokument
DE 20 2009 011 665 U1 ist eine Edelstahl-Bohrschraube bekannt, die einteilig ausgebildet ist. Die Schraube, die gänzlich aus nicht rostendem Stahl besteht, ist an der Bohrspitze und in dem anschließenden gewindeformenden Bereich partiell gehärtet. Der übrige Teil der Schraube, der ungehärtet bleiben soll, wird zuvor mit Härteschutzmitteln abgedeckt. Die Bohrspitze und die Gewindeformzone werden einsatzgehärtet. Alternativ wird die Randzone karbonitriert, was aber die Duktilität beeinträchtigt.
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Das Dokument
DE 22 11 608 B2 zeigt eine gewindeformende Schraube, bei der die Härtung in doppelter Hinsicht örtlich beschränkt ist, nämlich sowohl in axialer Richtung auf den gewindeformenden Abschnitt und über dies in radialer Richtung auf nur einen Teil der Tiefe dieses Abschnitts. Das Härten erfolgt durch Induktionshärtung. Die größte Härte des Gewindes ist auf den gewindeformenden Abschnitt beschränkt und erstreckt sich hier höchstens geringfügig bis in den Gewindekern.
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Aus dem Dokument
DE 15 08 416 C3 ist ein Stahlteil wie Bolzen aus einem Kohlenstoffstahl mit einer Zugfestigkeit von 70 bis 120 kp/mm
2 (= 687 bis 1177 N/mm
2) bekannt, das gleichförmig durchgehärtet ist. Dabei ist der Kohlenstoffstahl mit 0,2 bis 0,6% Kohlenstoff ein Vergütungsstahl und das Stahlteil ist ein Bolzen oder eine Schraube.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein bolzenartiges Befestigungselement, insbesondere Bohrschraube, der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich eine bessere Duktilität des Befestigungselementes ergibt und ein sprödes Versagen des gesetzten Befestigungselements verhindert wird.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß ausgehend von einem bolzenartigen Befestigungselement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Befestigungselement aus einem Rohling aus einem Kohlenstoff-Stahl mit einer Ausgangszugfestigkeit von mindestens 800 N/mm2 durch Kaltumformung hergestellt ist, in dem Kopfabschnitt im Wesentlichen die Ausgangszugfestigkeit hat und duktil ist und in dem Anfangsabschnitt bis in die Mittelachse auf eine Härte durchgehärtet ist, die mindestens doppelt so hoch ist wie die Ausgangshärte in dem Kopfabschnitt, und dass in dem Kopfabschnitt (LK) des bolzenartigen Befestigungselements die Kerbschlagarbeit mindestens den dreifachen Wert gegenüber dem Anfangsabschnitt (LA) aufweist.
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Das erfindungsgemäße Befestigungselement bietet gegenüber dem geschilderten Stand der Technik folgende Vorteile:
- – Es eignet sich für spezielle Anforderungen und neue Anwendungen
- – das Härten erfolgt längenunabhängig und induktiv nur in dem Anfangsabschnitt
- – die Herstellung ist wirtschaftlich, weil das Befestigungselement nur an der Spitze, also nur partiell gehärtet wird
- – das als Bohrschraube ausgebildete erfindungsgemäße Befestigungselement ist eine reine Kohlenstoff-Stahl-Schraube mit partieller induktiver Härtung von Bohrspitze und Gewinde und mit einem weichen Schaft
- – die Bohrspitze ist durchgängig gehärtet
- – Härtelänge bestimmbar
- – größere Dehnung im Schaft
- – bessere Bohrleistungen, da an der Spitze durchgehärtet
- – gegenüber einer Ausführung aus nichtrostendem Stahl: kein Mischgefüge und keine Schweißnaht
- – die gehärtete Bohrspitze ergibt eine höhere Bohr- und Einformleistung
- – der weiche Schaft (Kopfabschnitt) erbringt erhöhte Biege- und Dehneigenschaften
- – der Härteprozess kann sich direkt an den Walzprozess anschließen und ist in derselben Anlage wie der Walzprozess durchführbar
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung bilden die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausgestaltung des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung ist der Kohlenstoff-Stahl ein Vergütungsstahl. Vergütungsstahl ist ein unlegierter oder legierter Baustahl, der aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung zum Vergüten geeignet ist. Die erreichbare Härte hängt im Wesentlichen vom C-Gehalt ab. Durch das Härten – Abschrecken aus der Vergütungstemperatur, die je nach Sorte bei über 800 bis etwa 900 Grad Celsius liegen kann – nimmt der Stahl hohe Festigkeit und Härte an. In der vorliegenden Ausgestaltung der Erfindung wird ein Vergütungsstahl eingesetzt, der für die Induktionshärtung geeignet ist, z. B. der Vergütungsstahl C60E. Es handelt sich um einen unlegierten Stahl, mit dem sich Zugfestigkeiten von 750 bis 900 N/mm2 erzielen lassen. Vergütungsstähle werden bevorzugt bei der Schraubenfabrikation eingesetzt. Weitere Angaben zu Vergütungsstählen finden sich in „Vergütungsstähle, Verwendung der Stähle/Stähle mit besonderen Eigenschaften”, Technische Schriftenreihe, Brütsch-Rüegger AG, Internet: www.brr.ch, wobei es sich um einen Auszug aus Stahlreport 12/99 handelt).
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In einer weiteren Ausgestaltung des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung ist dieses eine Bohrschraube mit einer Bohrspitze, ein Niet, ein Bolzen, ein Nagel oder ein Spike. Die Vorteile der Erfindung ergeben sich ungeachtet dessen, welcher Art das bolzenartige Befestigungselement ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung ist die Mittelachse im Kopfabschnitt gegenüber der Mittelachse im Anfangsabschnitt um mindestens 90 Grad biegbar, wobei die Biegung in einem gewindefreien Teil des Kopfabschnittes erfolgt, wenn das bolzenartige Befestigungselement eine Bohrschraube ist. Dabei kann für den Nachweis einer sprödbruchfreien Biegefähigkeit ein Nagelbiegegerät nach EN 409:1993 eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung ist die Mittelachse im Haltebereich des Kopfabschnittes gegenüber der Mittelachse im Anfangsabschnitt um mindestens 45 Grad biegbar, wenn die Biegung im mit einem Gewinde versehenen Haltebereich erfolgt. Für den Nachweis einer sprödbruchfreien Biegefähigkeit ist auch in diesem Fall das vorgenannte Nagelbiegegerät einsetzbar.
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In einer weiteren Ausgestaltung des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung beträgt die Ausgangshärte in dem Kopfabschnitt 250 HV0,3. Die Härte hat bei dem bolzenartigen Befestigungselement nach der Erfindung nach der Induktionshärtung desselben mindestens den doppelten Wert, also einen Wert von mindestens 500 HV0,3.
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Schließlich schafft die Erfindung eine Verbindung von Teilen einer Hülle an einem Gebäude mit einem bolzenartigen Befestigungselement nach der Erfindung sowie eine Verbindung von Teilen am Dach eines Gebäudes mit einem bolzenartigen Befestigungselement nach der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
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1 ein Diagramm des Härteverlaufes, in welchem die Vickershärte über der Härtungslänge aufgetragen ist,
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2 eine erste Ausführungsform eines bolzenartiges Befestigungselements nach der Erfindung, das als ein Spike ausgebildet ist und bei dem sich der Härtverlauf nach 1 ergibt,
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3 den Spike nach 2, aber im Kopfabschnitt um 90 Grad umgebogen,
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4 ein Diagramm für den Härteverlauf bei einer zweiten Ausführungsform des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung, in welchem die Vickershärte über der Härtungslänge aufgetragen ist,
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5 die zweite Ausführungsform des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung, das als eine Schraube mit Eindringspitze ausgebildet ist und bei dem sich der Härteverlauf nach 4 ergibt,
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6 die Schraube nach 5, aber im Kopfabschnitt um 90 Grad umgebogen,
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7 die Schraube nach 5, aber in einem Haltebereich des Kopfabschnittes um 45 Grad umgebogen,
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8 ein Diagramm für den Härteverlauf bei einer dritten Ausführungsform des bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung, in welchem die Vickershärte über der Härtungslänge aufgetragen ist,
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9 die dritte Ausführungsform des bolzenartigen Befestigungselements, das als eine Bohrschraube mit Bohrspitze ausgebildet ist und bei dem sich der Härteverlauf nach 8 ergibt,
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10 die Bohrschraube mit Bohrspitze nach 9, aber im Kopfabschnitt um 90 Grad umgebogen, und
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11 die Bohrschraube mit Bohrspitze nach 9, aber in einem Haltebereich des Kopfabschnittes um 45 Grad umgebogen.
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Die 1–3 betreffen eine erste Ausführungsform eines bolzenartigen Befestigungselements nach der Erfindung, das als ein Spike ausgebildet ist, der insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Gemäß der Darstellung in 2 hat der Spike 10 eine Länge L und über dieser Länge einen Kopfabschnitt LK und einen Anfangsabschnitt LA, welcher mit einem Übergangsbereich LÜ an den Kopfabschnitt LK anschließt. In dem Anfangsabschnitt LA ist der Spike 10 mit einer Biegung versehen, durch welche die lichte Breite des Spikes 10, die sonst gleich dem Schaftdurchmesser des Spikes 10 wäre, entsprechend vergrößert ist. Mit einem Spike lassen sich Befestigungen in Beton herstellen, ohne dass ein Dübel verwendet zu werden braucht. In dem Beton wird eine Bohrung hergestellt, die im Wesentlichen dem Schaftdurchmesser des Spikes entspricht. Der Spike wird in diese Bohrung eingeschlagen. Dabei wird der Schaft in dem Anfangsabschnitt LA etwas gestreckt. Durch die sich dadurch ergebende Spannung zwischen dem Anfangsabschnitt LA und Bohrungwand wird der Spike in der Bohrung kraftschlüssig verankert.
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Der Spike 10 hat eine Ausgangshärte, die durch partielle induktive Härtung des Spikes 10 in dem Anfangsabschnitt LA auf einen Wert erhöht wird, der mindestens doppelt so hoch ist wie die Ausgangshärte in dem Kopfabschnitt LK. Wenn der Spike 10 aus einem Kohlenstoff-Stahl besteht, hat er eine Ausgangszugfestigkeit von mindestens 800 N/mm2. Er wird durch Kaltumformung in die in 2 gezeigte Form gebracht. An dem zu dem Anfangsabschnitt LA entgegengesetzten Ende hat der Spike 10 einen Kopf 12.
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1 zeigt, aufgetragen über der Länge L des Spikes 10, ein Diagramm des Härteverlaufes, in welchem die Vickershärte über der Härtungslänge s aufgetragen ist. Das Diagramm zeigt, dass die Ausgangshärte in dem Kopfabschnitt LK 250 HV und, nach dem Induktionshärten, in dem Anfangsabschnitt 500 HV beträgt. In dem Übergangsbereich 10 sinkt die Härte zunächst auf einen niedrigeren Wert von ca. 150 HV, bleibt auf einem kurzen Stück der Härtelänge auf diesem Wert und steigt dann linear auf das Doppelte der Ausgangshärte, also auf 500 HV an. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Zunahme der Härte gegenüber der Ausgangshärte mindestens 2:1 beträgt. Das Absinken der Härte in dem Übergangsbereich LÜ sollte maximal 50% betragen.
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Der für den Spike 10 eingesetzte Kohlenstoff-Stahl ist vorzugsweise ein Vergütungsstahl, bevorzugt der niedrig legierte C-Stahl C60E.
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Die Herstellung des Spikes 10 erfolgt aus einem Rohling aus einem Kohlenstoff-Stahldraht mit der bereits erwähnten Ausgangszugfestigkeit von mindestens 800 N/mm2 durch Kaltumformung. Der Schaftbereich des Befestigungselements 10, der dem Kopfabschnitt LK entspricht, behält die Ausgangszugfestigkeit und bleibt duktil, weil sich die Induktionshärtung des Spikes 10 auf den Anfangsabschnitt LA und den Übergangsbereich 10 beschränkt. In dem Anfangsabschnitt LA wird der Spike 10 bis in eine Mittelachse 12 auf eine Härte durchgehärtet, die, wie gesagt, mindestens doppelt so hoch ist wie die Ausgangshärte in dem Kopfabschnitt LK.
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Die Duktilität des Spikes 10 drückt sich dadurch aus, dass die Kerbschlagarbeit in dem Kopfabschnitt LK mindestens den dreifachen Wert gegenüber dem Anfangsabschnitt LA aufweist.
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Weiter zeigt sich die Duktilität, die der Spike 10 auch nach der Induktionshärtung aufweist, darin, dass die Mittelachse 13 im Kopfabschnitt LK gegenüber der Mittelachse 13 im Anfangsabschnitt LA um mindestens 90 Grad biegbar ist, wobei die Biegung in einem gewindefreien Bereich des Kopfabschnittes erfolgt, wenn, wie bei der dritten Ausführungsform der Erfindung, das bolzenartige Befestigungselement eine Schneid- oder Bohrschraube 20 bzw. 30 ist, worauf weiter unten mit Bezug auf die 5–12 näher eingegangen wird.
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Die Frage, ob ein bolzenartiges Befestigungselement um 90 Grad gebogen werden kann, wie es für den Spike 10 in 3 gezeigt ist, ohne dass dessen Schaft an der Biegestelle bricht oder abplatzt oder sonstige Schäden wie z. B. Sprödbruch an der Biegestelle erleidet, kann mit einem Nagelbiegegerät nach EN 409:1993 überprüft werden. Dieser Biegetest hat bei dem Spike 10 ergeben, dass die Biegung des Schaftes in dem Kopfabschnitt LK ohne sichtbare Schäden, insbesondere ohne sonst übliches sprödes Versagen möglich ist.
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Mit dem Biegetest kann gemessen und gezeigt werden, dass bei dem bolzenartigen Befestigungselement nach der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik, der eingangs geschildert ist, eine bessere Duktilität und kein Sprödbruch mehr vorhanden ist.
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Die 4–7 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der das bolzenartige Befestigungselement eine insgesamt mit 20 bezeichnete Schneidschraube ist, die einen Kopf 22, eine Eindringspitze 24 und ein Gewinde 26 hat. Das Gewinde 26 erstreckt sich gemäß der Darstellung in 5 über einen Anfangsabschnitt LA, einen Übergangsbereich 10 und einen Haltebereich LH. Der Haltebereich LH ist ein Teil eines Kopfabschnittes LK. Der Schaft der Schneidschraube 20 hat einschließlich der Eindringspritze 24 eine Länge L.
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Das Gewinde 26 ist ein Schneidgewinde wie z. B. bei einer Spanplatten- oder Blechschraube. Die mit der Eindringspitze 24 versehene Schneidschraube 20 schneidet sich ihr Gewinde selbst.
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4 zeigt ein Diagramm für den Härteverlauf über der Härtelänge s, die der Länge L der Schneidschraube 20 entspricht. Es ist zwar wiederum die Vickershärte HV über der Härtelänge s aufgetragen, jedoch sind die Ausgangshärte und die Härte nach der Induktionshärtung jeweils in Prozent angegeben, nämlich mit 100% bzw. 200%. Der Härteverlauf entspricht dem nach 1 und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden. Wie in 1 beträgt die Endhärte im Anfangsabschnitt LA das Doppelte der Ausgangshärte im Kopfabschnitt LK.
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Vorzugsweise werden die Eindringspitze 24, der Einlauf und maximal acht Gewindegänge oder maximal 10 mm des Gewindes 26 gehärtet.
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6 zeigt die Schneidschraube 20 nach 5, aber im gewindefreien Teil des Kopfabschnittes LK um 90 Grad umgebogen.
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Bei der Schneidschraube 20 nach 6 ist die Mittelachse 23 im Haltebereich LH des Kopfabschnittes LG gegenüber der Mittelachse 23 im Anfangsabschnitt LA um 45 Grad biegbar, ohne dass es zu irgendeinem spröden Versagen oder zu einer anderen Schädigung des Befestigungselements kommt. Das ist in 7 gezeigt.
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Die mit dem oben erwähnten Nagelbiegegerät nach EN 409:1993 erzielten Testergebnisse sind von gleicher Qualität wie bei dem Spike 10 nach den 1–3.
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Die 8–11 zeigen eine dritte Ausführungsform des Befestigungselements nach der Erfindung, das als eine Bohrschraube ausgebildet und insgesamt mit 30 bezeichnet ist. Die Bohrschraube 30 hat einen Kopf 32, eine Bohrspitze 34 und ein Gewinde 36.
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8 zeigt wiederum ein Diagramm für den Härteverlauf, in diesem Fall für die Bohrschraube 30, wobei in dem Diagramm die Vickershärte HV über der Härtelänge s aufgetragen ist. 9 zeigt die Bohrschraube 30, über deren Länge L sich der Härteverlauf nach 8 ergibt. In der Darstellung in 10 ist die Bohrschraube 30 nach 9 im Kopfabschnitt LK um 90 Grad umgebogen. In der Darstellung in 11 ist die Bohrschraube 30 nach 9 in einem Haltebereich LH des Kopfabschnittes LK um 45 Grad umgebogen.
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Im Übrigen gelten für die dritte Ausführungsform der Erfindung nach den 8–11 die gleichen Darlegungen wie zu der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach den 4–7.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Befestigungselement (1. Ausführungsform, Spike)
- 12
- Kopf
- 13
- Mittelachse
- 20
- Befestigungselement (2. Ausführungsform, Schneidschraube)
- 22
- Kopf
- 23
- Mittelachse
- 24
- Eindringspitze
- 26
- Gewinde
- 30
- Befestigungselement (3. Ausführungsform, Bohrschraube)
- 32
- Kopf
- 33
- Mittelachse
- 34
- Bohrspitze
- 36
- Gewinde
- L
- Länge Befestigungselement
- LA
- Anfangsabschnitt
- LÜ
- Übergangsbereich
- LH
- Haltebereich
- LK
- Kopfabschnitt
- s
- Härtelänge
- HV
- Vickershärte
