WO2007147797A2 - Edelstahlschraubwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium

Definitions

  • the invention relates to a screwing tool having an axis forming shaft, which forms a Drehmomentendbringzone end of one end and on the other side a Drehmomentabtriebszone, wherein the shaft is made of a stainless steel.
  • Stainless steel screwing tools are known in medical technology.
  • generic screwdrivers are also used there.
  • Generic screwdriving tools also include screwdriver bits whose torque insertion zones are not stuck in a screwdriver handle, but whose Drehmomenteinbringzonen are profiled into a hexagon. The tools are rotated around their axis during operation.
  • stainless steel Due to the good formability of stainless steel, this material is becoming more widespread in industry, in the home or even in medical devices. Although most stainless steels are very difficult to machine. Their use, however, provides as long as the material does not exert great forces must withstand, mainly benefits. In addition to hygienic aspects, the longevity of the stainless steel parts can also be mentioned here. In the literature, however, the usually low tensile strength and the often lacking hardenability compared to other steels is regarded as disadvantageous. Stainless steel is generally characterized by a proportion of at least 10.5% to 13% chromium. Chromium is dissolved in austenitic or ferritic mixed crystal.
  • the invention is therefore based on the object to provide a tool that can be tightened in the outdoor area standard screws.
  • each claim represents an independent solution to the problem.
  • the material stainless steel after its profiling by a suitable hardening process the required hardness and strength is given.
  • the hardening process is carried out so that the core hardness in the torque output zone is at least 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 or 62 HRC Rockwell.
  • the hardness can range between 55 and 70 HRC Rockwell.
  • the hardening process is carried out further in such a way that the output flanks of the torque output zone, with which the screwing tool on the corresponding mating surfaces of the rogtechnik Weginhoffsö réelle a screw head is applied, an edge hardness of at least 500 Vickers HV 0.3.
  • This edge hardness may also be at least 550, at least 600 or at least 650 Vickers HV 0.3.
  • the starting material used is a raw material which may be in the form of a wire.
  • This raw material consists of a stainless steel, which may be in particular a martensitic stainless steel.
  • the steel is preferably also magnetic.
  • the chromium content should be more than 12.5% and preferably at least 13%.
  • the torque output zone is also profiled. This can be done by a cutting or forming process.
  • the torque output zone can be profiled with a milling cutter. But it can also be forged. Also a profiling by grinding is possible. However, this type of profiling takes place without the production of extraneous rust-producing materials.
  • the surface of the stainless steel blank, in particular the surface of the torque introduction zone and the torque output zone has a passivated a few atomic layer thick layer containing chromium oxide. This initially soft blank is then brought in particular in a vacuum to a hardening temperature between 1000 ° and 1150 ° and then quenched in liquid nitrogen at 77 K.
  • the blank is suitably so far below 0 ° C, preferably below - 70 ° C, particularly preferably cooled at about - 80 ° C.
  • the vacuum curing takes place in a temperature range between 950 ° C and 1200 ° C, preferably in the range of the above-mentioned temperatures.
  • the blanks are kept at these hardening temperatures until sufficient amounts of carbon dissolve.
  • the process, and in particular the ice hardening following the quenching, is carried out in such a way that the core hardness and the surface hardness are at least in the range of the torque deviation. operating zone take the values mentioned above and in the claims.
  • the steel used has a relatively high carbon content, so that the required hardness is achievable.
  • the carbon content can be between 0.25% and 1.2%.
  • the following table gives the constituents of ten different preferred alloys:
  • the carbon content may be more than 0.36%. But it can also be more than 0.58% or 0.85%.
  • the tool according to the invention has a Drehmomentabtriebszo- ne whose torque transmitting edges produce a reduced abrasion.
  • the abrasion generated by the screwdriving does not generate extraneous rust. It is accepted that the passivation layer, which is only a few atomic layers thick, is removed. If this is done against a stainless steel surface, ie when screwing in a stainless steel screw, no extraneous rust-producing material will be produced on the screw-tool working tip, ie on the torque output profiling. Due to the self-healing properties of the stainless steel surface, a new passivated layer is created both in the screw head of the stainless steel screw and on the output flanks of the torque output zone.
  • the profile of the torque output zone may be a flat screwdriver profile. It can be a Phillips screwdriver profile, here both the Philips and the Pozidrive profile comes into consideration. Furthermore, the profile may be a polygon, Torx and in particular a hexagon.
  • flank portions of the torque output zone which come into surface contact with corresponding counter flanks of the screw tool entry opening of the screw head, thermally profiled, as described in EP 1237682 Bl, which is why the disclosure of this document is incorporated in full in this application.
  • the power of the laser or electron beam is sufficiently large to melt the near-surface area of the irradiated zone.
  • the melt migrates towards the edge and solidifies there to a rib.
  • the rib has a particularly high material hardness. Iron oxide can form during this process. These are removed in a subsequent etching process so that the surface no longer has extraneous rust-producing substances.
  • the table below shows as a comparison the results of service life tests on conventional steel bits (material: steel) and stainless steel bits made of alloy no. 1 according to the above table.
  • the samples 11, 12, 13 are Kreuzschlitzbits, which were loaded with a torque of 7.2 Nm.
  • the samples 21, 22, 23 are Phillips DIN profile bits 25 mm, which were loaded with a torque of 10.3 Nm and in the samples 31 to 34 are Torx profiles, each with a torque were loaded by 12.66 Nm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schraubwerkzeug mit einem eine Achse ausbildenden Schaft, der einendseitig eine Drehmomenteinbringzone und anderendseitig eine Drehmomentabtriebszone ausbildet, wobei der Schaft aus einem rostfreien Stahl besteht. Um ein Werkzeug anzugeben, mit dem im Außenbereich normgerecht Schrauben angezogen werden können, wird vorgeschlagen, dass der Schaft, zumindest im Bereich der Drehmomentabtriebszone, eine Kernhärte von mindestens 55 HRC Rockwell aufweist.

Description

Edelstahlschraubwerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Schraubwerkzeug mit einem eine Achse ausbildenden Schaft, der einendseitig eine Drehmomenteinbringzone und anderendseitig eine Drehmomentabtriebszone ausbildet, wobei der Schaft aus einem rostfreien Stahl besteht.
Schraubwerkzeuge aus Edelstahl sind in der Medizintechnik bekannt. Neben Maul- oder Ringschlüsseln werden auch dort gattungsgemäße Schraubendreher verwendet. Zu gattungsgemäßen Schraubwerkzeugen zählen auch Schraubendreherbits, deren Drehmomenteinbringzonen nicht in einem Schraubendrehergriff stecken, sondern deren Drehmomenteinbringzonen zu einem Sechskant profiliert sind. Die Werkzeuge werden beim Betrieb um ihre Achse gedreht.
Im Gegensatz zu Werkzeugen wie Maulschlüssel oder Ringschlüssel, welche um die Schraube greifen, unterliegen Schraubendreher oder auch Bits, welche in die Schraube eingreifen, einem erhöhen Verschleiß. Dieser Verschleiß verursacht Abrieb, welcher in der Schraube bleibt. Wird beispielsweise eine Edelstahlschraube mit einem ungeeigneten Schraubendreher, beispielsweise einem Schraubendreher aus Stahl angezogen, so erzeugt der in der Schraubwerkzeug- eingriffsöffnung des Schraubenkopfes verbleibende Abrieb Korrosionskeime. Hierdurch entsteht sogenannter Fremdrost, welcher einerseits unschön aussieht und andererseits auch zu einer Wertverminderung des verschraubten Gegenstandes führen kann. Es ist nicht nur das veränderte Erscheinungsbild, das zur Wertminderung führt. Relevant ist insbesondere der durch den eingebrachten Fremdrost in Gang gesetzte Lochfraß.
Wegen der guten Umformbarkeit von Edelstahl findet dieses Material eine immer größere Verbreitung in der Industrie, im Haushalt oder auch in medizini- sehen Geräten. Zwar lassen sich die meisten rostfreien Stähle nur sehr schlecht zerspanen. Ihr Einsatz bietet aber, solange das Material keinen großen Kräften standhalten muss, überwiegend Vorteile. Hier sind beispielsweise neben hygienischen Aspekten auch die Langlebigkeit der Edelstahlteile zu nennen. Als nachteilhaft wird in der Literatur jedoch die zumeist geringe Zugfestigkeit und die oft fehlende Härtbarkeit gegenüber anderen Stählen angesehen. Rostfreier Stahl zeichnet sich im allgemeinen durch einen Anteil von mindestens 10,5 % bis 13 % Chrom aus. Chrom ist im austenitischen oder ferritischen Mischkristall gelöst. Der für die technische Wirkung relevante Effekt beruht darauf, dass sich durch diesen hohen Chromanteil eine schützende und dichte Passivschicht aus Chromoxid an der Werkstoffoberfläche ausbildet. Rostfreier Stahl gemäß Stand der Technik kann weitere Legierungsbestandteile wie Nickel, Molybdän, Mangan oder Niob besitzen.
Mit gattungsgemäßen Schraubwerkzeugen ist das normgerechte Anziehen von Schrauben, beispielsweise im Außenbereich zur Befestigung von Fassadenteilen an Häuserwänden oder im maritimen Bereich nicht möglich, da ihnen die erforderliche Härte und Festigkeit fehlt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug anzugeben, mit dem im Außenbereich normgerecht Schrauben angezogen werden können.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt.
Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass dem Werkstoff Edelstahl nach dessen Profilierung durch ein entsprechendes Härteverfahren die erforderliche Härte und Festigkeit gegeben wird. Das Härteverfahren wird dabei so ausgeführt, dass die Kernhärte in der Drehmomentabtriebszone mindestens 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61 oder 62 HRC Rockwell beträgt. Die Härte kann in einem Bereich zwischen 55 und 70 HRC Rockwell liegen. Das Härteverfahren wird dabei wei- terhin so durchgeführt, dass die Abtriebsflanken der Drehmomentabtriebszone, mit denen das Schraubwerkzeug an den entsprechenden Gegenflächen der Schraubwerkzeugeintrittsöffnung eines Schraubenkopfes anliegt, eine Randhärte von mindestens 500 Vickers HV 0,3 beträgt. Diese Randhärte kann auch mindestens 550, mindestens 600 oder mindestens 650 Vickers HV 0,3 betragen. Als Ausgangsstoff wird ein Rohmaterial verwendet, welches drahtförmig vorliegen kann. Dieses Rohmaterial besteht aus einem Edelstahl, bei dem es sich insbesondere um einen martensitischen rostfreien Stahl handeln kann. Der Stahl ist vorzugsweise auch magnetisch. Der Chromanteil soll mehr als 12,5 % und bevorzugt mindestens 13 % betragen. Diese Rohlinge werden zunächst abgelängt, gewaschen und dann in geeigneter Weise profiliert. Die Drehmomenteinbringzone wird, sofern es sich bei dem Schraubwerkzeug um einen Schraubendreherbit handelt, zu einem Sechskantquerschnitt geformt. Handelt es sich bei dem Schraubwerkzeug um einen Schraubendreher, so erhält die Drehmomenteinbringzone eine Abflachung, also ein Angelprofil. Auch die Drehmomentabtriebszone wird profiliert. Dies kann über ein spanendes oder umformendes Ver- fahren erfolgen. Die Drehmomentabtriebszone kann mit einem Fräser profiliert werden. Sie kann aber auch geschmiedet werden. Ebenfalls ist eine Profilierung durch Schleifen möglich. Diese Art der Profilierung erfolgt aber ohne die Erzeugung von Fremdrost erzeugenden Materialien. Nach dem Profilieren besitzt die Oberfläche des Edelstahlrohlings, also insbesondere die Oberfläche der Dreh- momenteinbringzone und der Drehmomentabtriebszone eine passivierte wenige atomlagendicke Schicht, die Chromoxid enthält. Dieser zunächst noch weiche Rohling wird dann insbesondere in einem Vakuum auf eine Härtetemperatur zwischen 1000° und 1150° gebracht und dann in flüssigem Stickstoff bei 77 K abgeschreckt. Anschließend wird der Rohling in geeigneter Weise derart weit unter 0° C, bevorzugt unter - 70° C, insbesondere bevorzugt bei etwa - 80° C abgekühlt. Das Vakuumhärten findet in einem Temperaturbereich zwischen 950° C und 1200° C bevorzugt im Bereich der oben genannten Temperaturen statt. Die Rohlinge werden bei diesen Härtetemperaturen solange gehalten, bis in ausreichenden Mengen Kohlenstoff in Lösung geht. Der Prozess und insbesondere das dem Abschrecken nachfolgende Eishärten wird derart durchgeführt, dass die Kernhärte und die Oberflächenhärte zumindest im Bereich der Drehmomentab- triebszone die oben und in den Ansprüchen genannten Werte einnehmen. Insbesondere durch das dem Abschrecken bzw. dem Vakuumhärten nachfolgende Eishärten werden Materialeigenschaften erreicht, die denen von ansonsten für Schraubwerkzeuge verwendeten Stählen gleichkommen. Die gefertigten Edelstahlwerkzeuge haben eine vergleichbare Verschleißfestigkeit wie herkömmliche, aus normalem Stahl gefertigte Werkzeuge. Mit dem erfindungs gemäßen Herstellungsverfahren lassen sich Schraubwerkzeuge fertigen, bei denen es unter den üblichen Bedingungen nicht zu Splitterbrüchen kommt.
Der verwendete Stahl besitzt einen relativ hohen Kohlenstoffanteil, so dass die erforderliche Härte erreichbar ist. Der Kohlenstoffanteil kann zwischen 0,25 % und 1,2 % betragen. In der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle werden die Bestandteile zehn verschiedener bevorzugter Legierungen angegeben:
Figure imgf000005_0001
Der Kohlenstoffanteil kann mehr als 0,36 % betragen. Er kann aber auch mehr als 0,58 % oder 0,85 % betragen.
Das erfindungsgemäß erzeugte Werkzeug besitzt eine Drehmomentabtriebszo- ne, deren Drehmomentübertragungsflanken einen verminderten Abrieb erzeugen. Der bei der Schraubbetätigung erzeugte Abrieb erzeugt keinen Fremdrost. Es wird dabei in Kauf genommen, dass die nur wenige Atomlagen starke Pas- sivierungsschicht abgetragen wird. Erfolgt dies gegen eine Edelstahloberfläche, also beim Einschrauben einer Edelstahlschraube, so entsteht auch an der Schraubwerkzeugarbeitsspitze, also an der Drehmomentabtriebsprofilierung, kein Fremdrost erzeugendes Material. Durch die Selbstheilungseigenschaften der Edelstahloberfläche entsteht sowohl im Schraubenkopf der Edelstahlschraube als auch an den Abtriebsflanken der Drehmomentabtriebszone eine neue passivierte Schicht.
Das Profil der Drehmomentabtriebszone kann ein Flachschraubendreherprofil sein. Es kann ein Kreuzschlitzschraubendreherprofil sein, wobei hier sowohl das Philips- als auch das Pozidrive-Profil in Betracht kommt. Ferner kann das Profil ein Mehrkant, Torx und insbesondere ein Sechskant sein.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die Flankenabschnitte der Drehmomentabtriebszone, die in Flächenkontakt zu entsprechenden Gegenflanken der Schraub Werkzeugeintritts Öffnung des Schraubenkopfes treten, thermisch profiliert, wie es die EP 1237682 Bl beschreibt, weshalb der Offenbarungsgehalt dieser Schrift in diese Anmeldung vollinhaltlich aufgenommen wird.
Mit einem Laser- oder Elektronenstrahl werden Strukturen, beispielsweise in Form von parallel laufenden Linien auf die Arbeitsflächen der Drehmomentabtriebszone geschrieben. Die Leistung des Laser- oder Elektronenstrahls ist aus- reichend groß, um den oberflächennahen Bereich der bestrahlten Zone aufzuschmelzen. Die Schmelze wandert dabei zum Rand hin und erstarrt dort zu einer Rippe. Die Rippe besitzt eine besonders hohe Materialhärte. Bei diesem Prozess können sich Eisenoxide bilden. Diese werden in einem nachfolgenden Ätzprozess entfernt, so dass die Oberfläche keine Fremdrost erzeugenden Sub- stanzen mehr besitzt. Die nachfolgend wiedergegebene Tabelle zeigt als Vergleich die Ergebnisse von Standzeituntersuchungen an Bits aus herkömmlichem Stahl (Material: Stahl) und Edelstahlbits aus einer Legierung Nr. 1 gemäß obiger Tabelle. Bei den Proben 11, 12, 13 handelt es sich um Kreuzschlitzbits, die mit einem Drehmoment von 7,2 Nm belastet wurden. Bei den Proben 21, 22, 23 handelt es sich um Kreuzschlitz DIN-Profilbits 25mm, die mit einem Drehmoment von jeweils 10,3 Nm belastet wurden und bei den Proben 31 bis 34 handelt es sich um Torx- Profile, die jeweils mit einem Drehmoment von 12,66 Nm belastet wurden.
Figure imgf000007_0001
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Schraubwerkzeug mit einem eine Achse ausbildenden Schaft, der einend- seitig eine Drehmomenteinbringzone und anderendseitig eine Drehmo- mentabtriebszone ausbildet, wobei der Schaft aus einem rostfreien Stahl besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft, zumindest im Bereich der Drehmomentabtriebszone, eine Kernhärte von mindestens 55 HRC Rockwell aufweist.
2. Schraubwerkzeug nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhärte mindestens 56 HRC Rockwell aufweist.
3. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden An- sprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kernhärte geringer ist als 70 HRC Rockwell.
4. Schraubwerkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhärte in einem Bereich zwischen 55 bis 58 HRC Rockwell liegt.
5. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernhärte geringer ist als 59 bzw. 62 HRC.
6. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Randhärte zumindest im Bereich der Drehmomentabtriebszonen 500 bis 550 Vickers HV 0,3 beträgt.
7. Schraubwerkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Randhärte zumindest im Bereich der Drehmomentabtriebszone im Bereich zwischen 500 und 900 Vickers HV 0,3 liegt.
8. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl einen Chromanteil von 12,5 bis 19 % besitzt.
9. Schraubwerkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch einen Kohlenstoffanteil von mehr als 0,25 %.
10. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden An- sprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen martensitischen rostfreien Stahl handelt.
11. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentabtriebszone ein Flachschraubendreherprofil, ein Kreuzschlitzschraubendreherprofil, ein Mehrkantprofil, ein Torxprofil oder dergleichen aufweist.
12. Schraubwerkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden An- sprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die
Oberfläche der Drehmomentabtriebszone Profilrippen aus kurzzeitig aufgeschmolzenem und schockerstarrtem Material aufweist.
13. Schraub Werkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden An- sprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenteinbringzone ein Sechskantprofil aufweist.
14. Schraubwerkzeug nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenteinbringzone eine in einem Handgriff eingesetzte Klinge ausbildet.
15. Verfahren zum Herstellen eines Schraubwerkzeuges gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von einem Edelstahldraht oder dergleichen ein Rohling abgelängt wird, dessen beide Enden zu einer Drehmomenteinbringzone einerseits bzw. Drehmomentabtriebszone andererseits profiliert werden, wobei die Pro- filgebung ohne die Erzeugung von Fremdrost erfolgt, und dass der so profilierte Rohling durch Aufheizen und nachfolgendes Abkühlen derart ge- härtet wird, dass die Kernhärte im Bereich der Drehmomentabtriebszone
> 55 HRC Rockwell ist und die Randhärte der Drehmomentabtriebszone mindestens 500 Vickers HV 0,3 beträgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15 oder insbesondere danach, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Arbeitsflächen der profilierten Drehmomentabtriebszonen kurzzeitig örtlich derartig energiebestrahlt werden, dass der oberflächennahe Bereich der bestrahlten Zone schmilzt und am Rand zu einer Rippe schockerstarrt.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubwerkzeuge nach der energiereichen Bestrahlung einer chemischen Nachbehandlung unterzogen werden, in welcher beim energiereichen Bestrahlen erzeugte Eisenoxide entfernt werden.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff ein martensi- tischer, härtbarer Edelstahl verwendet wird, der Legierungsbestandteile einer Legierung gemäß nachfolgender Tabelle aufweist:
Figure imgf000011_0001
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling nach dem Pro- filieren bei einer Härtetemperatur im Bereich von 950° C - 1200° C im Vakuum gehärtet wird, anschließend in flüssigem Stickstoff abgeschreckt und dann bei einer Temperatur von unter - 70°, bevorzugt etwa - 80° gekühlt wird, wobei die Zeiten des Vakuumtemperns und des Tiefkühlens so gewählt sind, dass die Kernhärte im Bereich der Drehmomentabtriebs- zone ^ 55 HRC Rockwell ist und die Randhärte der Drehmomentabtriebszone mindestens 500 Vickers HV 0,3 beträgt.
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