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Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
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Aufgrund der Gefahr von Korrosion im Außen- und insbesondere im Seewasserbereich gibt es zahlreiche Befestigungselemente, wie beispielsweise Schrauben, Muttern, spreizend und/oder hinterschneidend wirkende Dübel, Nieten, Unterlegscheiben, die aus nichtrostendem Stahl hergestellt sind. Aufgrund ihrer Funktion können dabei neben dem Korrosionswiderstand sehr hohe Anforderungen an die Festigkeit, aber vor allem auch an die Härte bestehen. Ein typisches Beispiel hierfür sind Betonschrauben.
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Als Betonschrauben werden Schrauben verstanden, die in ein vorgebohrtes Loch in Beton eingeschraubt werden können. Sie schneiden sich dabei ihr Gewinde selbst. Bezüglich des Korrosionswiderstands wird unterschieden zwischen sogenannten "Normalstahl-Betonschrauben" und "Edelstahl-Betonschrauben". Mit letzteren sind Betonschrauben gemeint, die aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt sind und somit für Anwendungen im Außenbereich oder in Feuchträumen geeignet sind. Bei diesen Schrauben besteht das Problem, dass nichtrostender Stahl nicht hart genug ist, um damit ausreichend in den Beton einzuschneiden.
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In der Vergangenheit wurden daher Edelstahl-Betonschrauben entwickelt, die ein oder mehrere Schneidelemente aus einem anderen Material aufweisen. So zeigt beispielsweise die Druckschrift
DE 198 41 135 A1 eine Betonschraube, bei der das in Einbringrichtung vordere Ende eine Schneidhülse als Schneidelement aus einem gehärteten, korrosionsempfindlichen Material aufweist. Die Schneidhülse bildet den vorderen Teil des Gewindes und ist auf einen stumpfartigen Fortsatz des Grundkörpers aus nichtrostendem Stahl aufgeschoben und mit diesem verklebt. Die Schneidhülse bildet mit ihrem Gewinde also ein Schneidelement, da in diesem Bereich des Gewindes das Außengewinde im Beton geschnitten wird. Eine ähnliche Lösung schlägt die Druckschrift
EP 0 861 379 B1 vor, nur dass hier statt einer Schneidhülse eine Schneidspitze in Form eines Vollzylinders mit Außengewinde verwendet wird, der mit dem Grundkörper aus nichtrostendem Stahl verschweißt ist. Statt diesen größeren Schneidelementen können auch Schneideinsätze als Schneidelemente verwendet werden, wie dies beispielsweise in der Druckschrift
DE 198 52 338 A1 vorgeschlagen wird. Hier sind lediglich zylindrische Stifte aus einem harten Material im vorderen Bereich des Gewindes angeordnet. Die Stifte ragen aus radialen Aufnahmebohrungen im Bereich der Gewindeflanke hervor. Ansonsten ist die Schraube wiederum aus einem nichtrostenden Stahl. Ähnlich hierzu schlägt die Druckschrift
DE 10 2007 000 605 A1 Schneideinsätze aus hartem Material vor, wobei die Schneideinsätze längs der Schneidflanke in einer Ausnehmung angeordnet und mit dem restlichen Gewinde aus nichtrostendem Stahl durch Widerstandsschweißen verbunden sind. Alle diese Betonschrauben sind sehr aufwendig in der Herstellung.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein einfach herstellbares Befestigungselement zu schaffen, das korrosionsbeständig ist und zumindest in Teilbereichen sehr hart ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Befestigungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Das erfindungsgemäße Befestigungselement besteht aus einem nichtrostenden Stahl, wobei hierunter gemäß EN 10 088 Stähle mit einem Chromgehalt von mindestens 10,5 Prozent und einem Kohlenstoffgehalt von maximal 1,2 Prozent verstanden werden. Die Prozentangaben sind hier stets auf das Gewicht bezogen. Um beispielsweis bei einer Betonschraube als Befestigungselement die zum Einschneiden in Beton erforderliche Härte zu erreichen, schlägt die Erfindung vor, dass das Befestigungselement zumindest in einem Teilbereich der Oberfläche, beispielsweise im Bereich eines Gewindes, eine Randschicht mit einer Dicke von mindestens 0,05 mm, insbesondere von mindestens 0,2 mm und insbesondere maximal 2,5 mm, aufweist. In dieser Randschicht besteht ein gegenüber dem restlichen Gefüge erhöhter Gehalt an gelöstem Stickstoff, wodurch die Randschicht hart ist, vorzugsweise mit einer Härte von mindestens 57 HRC, insbesondere von mindestens 60 HRC. Insbesondere ist die Randschicht nicht durch Nitrieren hergestellt, wobei mit "Nitrieren" hier ein Eindiffundieren bei Temperaturen unter 1000 Grad Celsius, insbesondere unter 900 Grad Celsius, gemeint ist. Aufgrund steigender Korrosionsneigung bei höhren Temperaturen wird das Nitrieren typischerweise bei nur etwa 500 Grad Celsius durchgeführt und ergibt Schichtdicken von nur 10 bis 30 µm. Diese sind jedoch nicht ausreichend robust beispielsweise für eine Betonschraube. Dagegen hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäß gehärtete Randschicht genügt, um Beton einzuschneiden. Vorzugsweise weist das Befestigungselement einen weicheren Kern auf, wird also nicht über den gesamten Querschnitt durchgehärtet, um nicht zu spröde zu sein. Eine erfindungsgemäße Schraube oder ein erfindungsgemäßer Dübel kann beispielsweise durch einfaches Kaltumformen des Ausgangsmaterials, insbesondere Rollen und Stauchen eines Stangenmaterials aus nichtrostendem Stahl, und anschließendem Härten durch Eindiffundieren von Stickstoff, im Weiteren Aufsticken genannt, hergestellt werden. Das Aufsticken erfolgt durch Eindiffundieren und Lösen von Stickstoff im Gefüge der Randzone bei Temperaturen von 1000 bis 1200 Grad Celsius, insbesondere von 1050 bis 1150 Grad Celsius, und einem Druck von 0,1 bis 5 bar, insbesondere maximal 3 bar, sowie anschließendem schnellen Abschrecken. Das Lösen von Stickstoff bewirkt eine besonders harte, hochfeste Randschicht. Das Befestigungselement kann somit in zwei einfachen Schritten fertiggestellt werden, ohne dass ein Nacharbeiten zum Befestigen von Schneidelementen notwendig ist. Zusätzlich hat sich herausgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit durch den Stickstoff deutlich erhöht wird. Soll also ein bestimmtes Niveau an Korrosionsbeständigkeit erreicht werden, kann von einem nichtrostenden Stahl ausgegangen werden, der eine deutlich geringere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Hierdurch ist die Auswahl an Stählen erweitert, was es ermöglicht, besonders feste, gut zu verarbeitende und/oder kostengünstige Stähle auszuwählen. Der Stickstoff-Gehalt in der Randzone beträgt zwischen 0,1 und 0,7 Prozent, insbesondere 0,3 bis 0,5 Prozent.
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Für eine besonders hohe Härte ist es erforderlich, dass der Stickstoff beim Abschrecken nicht als Chromnitrid ausscheidet. Daher muss der Abschreckvorgang sehr schnell erfolgen. Der Kern des Befestigungselements kann dabei störend wirken, da er die Wärme als Reservoir speichert. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, schlägt die Erfindung vor, dass das Befestigungselement beim Härten induktiv erhitzt und anschließend abgeschreckt wird. Beim induktiven Härten wird mit einer um die Längsachse angeordneten Induktionsspule ein Wirbelstrom in dem Befestigungselement erzeugt, der aufgrund des inneren Widerstands zur Erhitzung führt. Aufgrund des Skin-Effekts fließen die Wirbelströme vorwiegend am äußeren Umfang, so dass es vorwiegend in der Randzone zur Erhitzung kommt. Dies wird durch eine besonders hochfrequente Erregerspannung begünstigt. Der Kern des Befestigungselements wirkt somit nicht als Wärmereservoir. Weiter begünstigt wird dies durch eine Kühlung des Kerns, beispielsweise durch einen Kühlkörper. Die induktive Härtung erfolgt insbesondere in einem zweiten Schritt der Härtung, nachdem in einem ersten Schritt unter den oben genannten Prozessbedingungen zunächst der Stickstoff in der Randzone gelöst wurde. Eventuell beim ersten Abschrecken in Chromnitriden gelöster Stickstoff kann so wieder gelöst und das Befestigungselement dann noch schneller abgeschreckt werden.
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Vorzugsweise weist das Befestigungselement in der Randschicht ein martensitisches Gefüge und ansonsten ein ferritisches Gefüge auf. Ferritische Stähle gelten aufgrund des kubisch-raumzentrierten Gitters als schlecht umformbar und ihre Kerbschlagzähigkeit ist gering (vgl.
Bargel/Schulze "Werkstoffkunde", 5. Auflage, Seite 216). Somit erscheint es zunächst abwegig, derartige Stähle für Befestigungselemente wie Betonschrauben oder Dübel zu verwenden, da diese vorzugsweise umformend aus einem zylindrischen Draht hergestellt werden sollen und dabei erhebliche Umformgrade zu erreichen sind. Auch spricht die Kerbschlagzähigkeit zunächst gegenüber den austenitischen Chrom-Nickel-Stählen gegen den Einsatz bei Befestigungselementen, da diese beispielsweise mit einem Tangenzial-Schlagschrauber gesetzt werden und insbesondere Betonschrauben dabei außerdem immer wieder auf sehr harte Kieselsteine treffen. Befestigungselemente, insbesondere Betonschrauben, sind somit stark dynamisch beansprucht. Wird das ferritische Gefüge jedoch in dem oben genannten Verfahren zum Aufsticken erhitzt, so wandelt es sich, mit steigendem Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt auch bei größeren Chrom-Gehalten, in ein austenitisches Gefüge um. Gerade durch das Aufsticken wird also die Austenitbildung begünstigt. Wird der Stahl nach dem Eindiffundieren des Stickstoffs abgeschreckt, so kann sich, bei ausreichender Abschreck-Geschwindigkeit, ein martensitisches Gefüge bilden. Chrom-Nickel-Stähle haben dagegen bei Raumtemperatur ein austenitisches Gefüge. Dieses wird durch den eindiffundierenden Stickstoff sogar noch stabilisiert, so dass es beim Abschrecken kein Martensit bildet. Ein martensitisches Gefüge ist jedoch deutlich härter als ein austenitisches Gefüge. Gleichzeitig haben sich die ferritischen Stähle als noch ausreichend umformbar und zäh für Befestigungselemente herausgestellt.
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Erfindungsgemäß ist der Stahl im Wesentlichen frei von Nickel. Damit ist gemeint, dass der Stahl weniger als 2,5 Prozent, insbesondere maximal 1,0 Prozent und vorzugsweise maximal 0,75 Prozent Nickel enthält. Da Nickel beim Aufsticken den Stickstoff in Form von Nitriden zu binden droht, wird durch einen niedrigen Nickelgehalt eine gute Löslichkeit für Stickstoff im Eisengitter sichergestellt. Dies führt wie oben beschrieben zu einer harten und festen Randschicht. Ein wichtiger weiterer Effekt ergibt sich aus der Gefügeart: Nickelfreie Chromstähle haben bei Raumtemperatur ein ferritisches Gefüge, mit den oben genannten Vorteilen. Das Besondere an der Aufstickung bei einem Nickelfreien, rostfreien Stahl ist also ein doppelter Härteeffekt, nämlich einerseits durch das Lösen der Stickstoff-Atome im Gefüge und andererseits durch eine Martensitbildung beim Abschrecken.
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Erfindungsgemäß liegt außerdem die Summe aus Anteil Chrom [%] + 3,3·Anteil Molybdän [%] bei mehr als 18, insbesondere mehr als 20, und vorzugsweise mehr als 22. Dabei ist mit "Anteil Chrom [%]" der Anteil von Chrom in Prozent und mit "3,3·Anteil Molybdän [%]" das 3,3-fache des Molybdän-Anteils in Prozent gemeint. Durch derart gewählte Legierungsbestandteile wird gewährleistet, dass das Befestigungselement eine hohe Korrosionsfestigkeit aufweist.
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Um eine gute Korrosionsfestigkeit zu erreichen, weist der Stahl vorzugsweise einen Kohlenstoff-Gehalt von weniger als 0,1 Prozent, insbesondere maximal 0,06 Prozent auf. Kohlenstoff kann Chrom in Form von Karbiden binden, führt also zu einer sogenannten Chromverarmung. Ein geringer Kohlenstoffanteil begünstigt somit die Korrosionsfestigkeit.
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Eine vergleichbare, negative Wirkung durch Bindung von gelöstem Stickstoff in Ionenverbindungen ergibt sich bei Titan, Niob und Schwefel. Die Erfindung schlägt daher vor, dass der Stahl im Wesentlichen frei ist sowohl von Titan, Niob als auch von Schwefel. "Frei von" heißt bei Titan und Niob weniger 0,01 Prozent und bei Schwefel weniger als 0,15 Prozent, insbesondere weniger als 0,1 Prozent und insbesondere maximal 0,03 Prozent.
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Vorzugsweise beträgt der Chrom-Gehalt des Stahls mindestens 16 Prozent, insbesondere aber maximal 18 Prozent, wodurch die Löslichkeit für Stickstoff am besten ist. Der Molybdän-Gehalt liegt vorzugsweise bei mindestens 0,9 Prozent. Molybdän erhöht die Löslichkeit von Stickstoff. Beides sorgt somit für hohe Härte- und Festigkeitswerte.
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Als besonders geeignet für das erfindungsgemäße Befestigungselement hat sich der Stahl der Nummer 1.4113 nach EN 10 088 herausgestellt. Dieser Stahl enthält 16–18 Prozent Chrom, 0,9–1,4 Prozent Molybdän, maximal 0,08 Prozent Kohlenstoff und ist frei von Nickel, Titan, Niob und Schwefel. Als ferritischer, rostfreier Stahl lässt sich durch das beschriebene Aufsticken ein doppelter Härteeffekt durch Lösen von Stickstoffatomen und Martensitbildung erreichen. Gleichzeitig wird die Löslichkeit des Stickstoffs durch das Molybdän gefördert und der Stahl erreicht durch das Lösen von Stickstoff eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Andererseits ist dieser ferritische Stahl noch ausreichend umformbar zur Herstellung der Geometrie eines Befestigungselements, wie einer Betonschraube, aus einem Rundmaterial und ausreichend zäh, beispielsweise zum selbstschneidenden Einschrauben einer Betonschraube in ein Bohrloch.
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Um eine noch größere Härte zu erreichen, schlägt die Erfindung vor, dass auf der Randschicht eine zusätzliche Hartstoffschicht, insbesondere eine Chromschicht, angeordnet ist. Eine Chromschicht kann durch sogenanntes "Hartverchromen" aufgebracht werden. Alternativ zu einer Chromschicht kann die Betonschraube auch boriert oder vernickelt werden. Weitere Alternativen ergeben sich durch das Aufbringen einer Beschichtung im PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition) auf Basis von Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Chromnitrid (CrN), Chromvanadiumnitrid (CrVN) oder Chromaluminiumnitrid (CrAlN) oder im CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition). Die Aufzählung ist nicht abschließend. Während sich solche Hartstoffschichten häufig aufgrund des sogenannten "Eierschalen-Effekts" schnell ablösen, also durch das Einbrechen der Hartstoffschicht aufgrund eines darunter liegenden, zu weichen Substrats, kann durch die erfindungsgemäße Kombination mit der stabilen Randschicht dieser Effekt vermieden werden. Die Hartstoffschicht wird also durch die Randschicht gestützt und kann hierdurch ihre Härte dauerhaft zur Geltung bringen.
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Das Befestigungselement ist insbesondere eine Betonschraube. Unter einer Betonschraube wird hier eine Schraube ohne Bohrspitze verstanden, die in ein vorgebohrtes Loch in mineralischen Untergründen, insbesondere Beton, einschraubbar ist. Eine Betonschraube schneidet sich dabei ihr Gewinde selbst, wozu dieses zumindest lokal eine Härte von über 50 HRC, insbesondere über 55 HRC und vorzugsweise über 58 HRC aufweist.
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Die erfindungsgemäße Betonschraube weist ein Verhältnis von Gewindesteigung zu Außendurchmesser des Gewindes größer als 0,5, insbesondere größer als 0,6 und vorzugsweise größer als 0,7, auf. Hierdurch wird ein gutes Verhältnis aus aufzubringendem Drehmoment, Vortrieb und Haltewerten der Betonschraube erreicht.
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Vorzugsweise weist die Betonschraube außerdem im Bereich des Gewindes ein Verhältnis von Außendurchmesser zu Kerndurchmesser von kleiner als 1,5, insbesondere kleiner als 1,4 auf. Auch dies begünstigt das Verhältnis aus aufzubringendem Drehmoment, Vortrieb und Haltewerten der Betonschraube.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Betonschraube vorzugsweise kein Schneidelement aus einem anderen Material auf, wobei mit einem Schneidelement ein durch Fügen mit einem Grundkörper der Schraube verbundenes Teil gemeint ist, das zum Scheiden eines Gewindes in Beton geeignet ist, also insbesondere eine Schneidhülse, eine Schneidspitze oder ein Schneideinsatz.
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Im Falle einer Betonschraube, oder eines sonstigen in einem Untergrund verankerbaren Befestigungselements, bildet dieses zusammen mit dem Untergrund eine Befestigungsanordnung. Vorzugsweise ist die Betonschraube in einem mineralischen Untergrund, insbesondere aus Beton, verankert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die einzige Figur zeigt als erfindungsgemäßes Befestigungselement eine Betonschraube. Die Zeichnung ist nicht maßstäblich.
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Die in der Zeichnung dargestellte, erfindungsgemäße gewindeschneidende Betonschraube 1 ist zum Einschrauben in ein vorgebohrtes Bohrloch 2 in einen Untergrund 3 aus Beton, Mauerwerk oder einem anderen mineralischen Werkstoff vorgesehen. Die Betonschraube 1 wird ohne Verwendung eines Dübels oder sonstigen Hilfsmittels in das Bohrloch 2 eingeschraubt, schneidet sich dabei selbst ein Innengewinde in den Untergrund 3 und dient der Befestigung eines Gegenstands 4 in Form einer winkelförmigen Konsole aus Stahl. Dazu wird die Betonschraube 1 vor dem Einschrauben in den Untergrund 3 durch ein Durchgangsloch 5 des Gegenstands 4 hindurchgesteckt. Die Zeichnung zeigt den vollständig verankerten Zustand.
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Die Betonschraube 1 weist eine kegelstumpfförmige Verjüngung 6 an einem in Einbringrichtung E vorderen Schraubenende 7 und einen Schraubenkopf 8 an einem hinteren Schraubenende 9 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schraubenkopf 8 ein Sechskantkopf, diese Kopfform ist nicht zwingend.
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Die Betonschraube 1 weist ein Gewinde 10 auf. Ein Außendurchmesser da des Gewindes 10 ist so groß, dass es sich beim Einschrauben der Betonschraube 1 in das Bohrloch 2 in eine Bohrlochwand 11 einschneidet. Das Verhältnis des Außendurchmessers da zu einem Kerndurchmesser dK des Gewindes 10 beträgt 1,45 und das Verhältnis von Gewindesteigung p zu Außendurchmesser da des Gewindes 10 beträgt 0,8. Die Betonschraube 1 bildet zusammen mit dem Untergrund 3 eine Befestigungsanordnung.
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Die Betonschraube 1 ist aus einem Stahl der Nummer 1.4113 nach EN 10 088 hergestellt. Ausgehend von einem Rundmaterial in Drahtform wird zunächst umformend in bekannter Weise die Geometrie hergestellt. Danach wird die Betonschraube 1 zunächst 110 Minuten bei 1100 Grad Celsius und 0,46 bar aufgestickt und dann abgeschreckt auf Raumtemperatur. Vor einem Anlassen auf 150 Grad Celsius wird die Schraube auf minus 80 Grad abgekühlt. In einem möglichen zweiten Schritt der Härtung wird zur Rückfeinung des Korns nochmals 80 Minuten bei 1100 Grad Celsius und 0,2 bar aufgestickt und nochmals abgeschreckt. Statt dem zweiten Schritt kann zur Erhöhung der Härte besonders bei Betonschrauben mit großem Durchmesser eine induktive Erwärmung auf 1100 Grad Celsius mit anschließender Abschreckung erfolgen.
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Zusätzlich kann die Betonschraube 1 mit einer Hartchromschicht versehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betonschraube, Befestigungselement
- 2
- Bohrloch
- 3
- Untergrund
- 4
- Gegenstand
- 5
- Durchgangsloch des Gegenstands 4
- 6
- Verjüngung
- 7
- vorderes Schraubenende
- 8
- Schraubenkopf
- 9
- hinteres Schraubenende
- 10
- Gewinde
- 11
- Bohrlochwand
- da
- Außendurchmesser des Gewindes 10
- dK
- Kerndurchmesser des Gewindes 10
- E
- Einbringrichtung
- p
- Gewindesteigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19841135 A1 [0004]
- EP 0861379 B1 [0004]
- DE 19852338 A1 [0004]
- DE 102007000605 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- EN 10 088 [0006]
- Bargel/Schulze "Werkstoffkunde", 5. Auflage, Seite 216 [0008]
- EN 10 088 [0014]
- EN 10 088 [0025]
