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DE102008041391A1 - High strength bolt has bainite structure produced by austempering which extends across whole cross-section of the bolt and increases its tensile strength - Google Patents

High strength bolt has bainite structure produced by austempering which extends across whole cross-section of the bolt and increases its tensile strength Download PDF

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DE102008041391A1
DE102008041391A1 DE102008041391A DE102008041391A DE102008041391A1 DE 102008041391 A1 DE102008041391 A1 DE 102008041391A1 DE 102008041391 A DE102008041391 A DE 102008041391A DE 102008041391 A DE102008041391 A DE 102008041391A DE 102008041391 A1 DE102008041391 A1 DE 102008041391A1
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DE
Germany
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screw
strength
tightening
bolt
high strength
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102008041391A
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German (de)
Inventor
Hermann Köhler
Gunther Dr. Hartmann
Horst Dieterle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kamax Werke Rudolf Kellermann GmbH and Co KG
Original Assignee
Kamax Werke Rudolf Kellermann GmbH and Co KG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

High strength bolt (2) has a bainite structure produced by austempering. This extends across the whole cross-section of the bolt and gives it a tensile strength of at least 1400 N/mm 2>. Independent claims are included for: (A) bolted joints comprising the bolt and components (3, 4) held together by it; (B) a method of making the bolt comprising austempering to produce the desired bainite structure; and (C) a method for assembling the bolted joint in which the bolt is first tightened above its elastic limit, producing an increased elastic limit, and then tightening to this new elastic limit.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine hochfeste Schraube, eine Schraubverbindung mit einer hochfesten Schraube und einem Bauteil, ein Verfahren zum Herstellen einer hochfesten Schraube sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mit einer hochfesten Schraube und einem Bauteil, bei denen die Schraube ein durch Zwischenstufenvergüten erzeugtes Bainitgefüge aufweist.The The invention relates to a high-strength screw, a screw connection with a high strength screw and a component, a method for Making a high strength screw and a method of manufacturing a screw connection with a high-strength screw and a Component in which the screw is produced by Zwischenstufenvergüten Has bainite structure.

Unter hochfesten Schrauben wurden bisher im Stand der Technik Schrauben der Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 verstanden.Under High strength screws have been used in the prior art screws the property classes 8.8, 10.9 and 12.9 understood.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus Kübler, Mages ”Handbuch der hochfesten Schrauben”, 1. Auflage, 1986, Seite 225, Gliederungspunkt 8.3.3 ist das Zwischenstufenvergüten als Vergütungsverfahren für Stähle bekannt. Beim Zwischenstufenvergüten wird das zu vergütende Teil ausgehend von der Härtetemperatur in einem Warmbad bis zum Umwandlungsablauf mit nachfolgender Abkühlung an der Luft oder im Wasser behandelt. Hierdurch erübrigt sich das nachfolgende Anlassen des Teils. Die Temperatur des Warmbads wird so eingestellt, dass weder eine Perlit- noch eine Martensitbildung erfolgt.Out Kübler, Mages "Handbook of high-strength screws", 1st edition, 1986, page 225, bullet point 8.3.3 Intergrading is known as a tempering process for steels. In the case of intermediate stage tempering, the part to be tempered is treated, starting from the hardening temperature in a hot bath, until the conversion process with subsequent cooling in the air or in the water. As a result, the subsequent tempering of the part is unnecessary. The temperature of the warm bath is adjusted so that neither perlite nor martensite is formed.

Aus der britischen Patentschrift GB 1 492 720 ist eine hochfeste Schraube mit einem durch Zwischenstufenvergüten erzeugtem Bainitgefüge bekannt. Die Schraube weist dabei quer zu ihrer Längsachse mindestens zwei Zonen auf, die koaxial zu der Längsachse angeordnet sind. Die erste Zone bildet die Oberfläche der Schraube und besteht aus Bainit, während die zweite Zone im Kern der Schraube Ferritperlit aufweist. Die Schraube kann einen Kohlenstoffgehalt von 0,15 oder 0,18 Gewichtsprozent aufweisen.From the British patent GB 1 492 720 is a high-strength screw with a produced by Zwischenstufenvergüten bainite microstructure known. The screw has at least two zones transverse to its longitudinal axis, which are arranged coaxially to the longitudinal axis. The first zone forms the surface of the screw and consists of bainite, while the second zone has ferrite perlite in the core of the screw. The screw may have a carbon content of 0.15 or 0.18 weight percent.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 728 883 A1 ist eine hochfeste Schraube mit einer Festigkeit von 1200 N/mm2 oder mehr bekannt. Die Schraube weist einen Kohlenstoffgehalt von 0,5 oder mehr Gewichtsprozent auf. Der als Ausgangsmaterial dienende Draht wird zur Schraube umgeformt und danach bei einem Temperaturbereich von 100°C bis 500°C angelassen. Die Schraube kann in einem kleinen Teil ein Bainitgefüge aufweisen.From the European patent application EP 1 728 883 A1 is a high-strength screw with a strength of 1200 N / mm 2 or more known. The screw has a carbon content of 0.5 or more percent by weight. The wire serving as a starting material is reshaped into a screw and then tempered at a temperature range of 100 ° C to 500 ° C. The screw may have a bainite structure in a small part.

Aus der SAE-Veröffentlichung 2003-01-1179 ”Development of 1600 N/mm² class ultra-high strength bolts” ist eine hochfeste Schraube mit einer Zugfestigkeit von 1600 N/mm2 bekannt. Die Schraube wird aus einem hochkohlenstoffhaltigen Stahl, genauer gesagt einem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,8 bis 0,85%, hergestellt.From the SAE publication 2003-01-1179 "Development of 1600 N / mm² class ultra-high strength bolts" is a high-strength screw with a tensile strength of 1600 N / mm 2 known. The screw is made of a high carbon steel, more specifically a steel with a carbon content of 0.8 to 0.85%.

Aus der SAE-Veröffentlichung 2007-01-1003 ”New bainitic steels for high strength components for automotive Parts” ist ein Stahl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt und einem Bainitgefüge bekannt. Ein Anwendungsbeispiel ist ein Langschaft-Kugelzapfen (”steering rod”).From the SAE Publication 2007-01-1003 "New bainitic steels for high strength automotive components" For example, a steel with a low carbon content and a bainite structure is known. An application example is a long shaft ball pin ("steering rod").

Aus einem Vortrag der ArcelorMittal am 19.10.2007 bei der Anmelderin in Homberg/Ohm ist eine hochfeste Schraube mit einem Bainitgefüge bekannt, die ohne eine Vergütungsbehandlung aus einem bainitschen Stahl hergestellt wird.Out a presentation by ArcelorMittal on October 19, 2007 to the applicant in Homberg / Ohm is a high-strength screw with a bainite structure known that without a tempering treatment from a bainitschen Steel is produced.

Aus dem taiwanesischen Patent TW 553 786 ist eine Schraube mit einer Festigkeitsklasse 14.99 bekannt. Eine solche Schraube ist weiterhin aus der TW 1 253 656 bekannt.From the Taiwanese patent TW 553 786 is a screw with a strength class 14.99 known. Such a screw is still from the TW 1 253 656 known.

Ein Verfahren zur Reduzierung von Toleranzen der Vorspannkräfte an der Streckgrenze bei einer Schraube ist aus der deutschen Patentanmeldung DE 103 26 898 A1 bekannt. Die Schraube kann thermisch vergütet sein. Die Schraube wird auf eine definierte Reck-Vorspannkraft oberhalb einer Steckgrenze plastifiziert, wobei das Recken mit einer Zugkraft erfolgt, die aus einem aus Zug- und Torsionsspannung zusammengesetzten Spannungszustand resultiert. Zur Realisierung der definierten Zugkraft wird die Vorspannkraft in einer Reckvorrichtung exakt gemessen und die Längenänderung jeder einzelnen Schraube kontrolliert, um sicherzustellen, dass in jedem Fall eine plastische Verformung beim Vorrecken stattgefunden hat.A method for reducing tolerances of the prestressing forces at the yield point in a screw is known from the German patent application DE 103 26 898 A1 known. The screw can be thermally tempered. The screw is plasticized to a defined stretch-biasing force above a mating limit, wherein the stretching takes place with a tensile force resulting from a stress state composed of tensile and torsional stress. To realize the defined tensile force, the prestressing force is measured exactly in a stretching device and the change in length of each individual screw is checked to ensure that in each case a plastic deformation has taken place during pre-stretching.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochfeste Schraube, eine Schraubverbindung mit einer hochfesten Schraube und einem Bauteil, ein Verfahren zum Herstellen einer hochfesten Schraube sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mit einer hochfesten Schraube und einem Bauteil bereitzustellen, bei denen die Schraube eine besonders hohe Zugfestigkeit bei einer sehr guten Duktilität besitzt.Of the Invention is based on the object, a high-strength screw, a Screw connection with a high-strength screw and a component, a method for producing a high-strength screw and a Method for producing a screw connection with a high-strength To provide screw and a component in which the screw a particularly high tensile strength with a very good ductility has.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1, 10, 11 bzw. 12 gelöst.The The object of the invention is in accordance with the invention the features of the independent claims 1, 10, 11 and 12 solved.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine hochfeste Schraube, die ein durch Zwischenstufenvergüten erzeugtes Bainitgefüge aufweist, welches sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Schraube erstreckt, wobei die Schraube eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1400 N/mm2 besitzt.The invention relates to a high-strength screw, which has a bainite structure produced by intermediate stage hardening, which essentially extends over the entire cross-section of the screw stretches, wherein the screw has a tensile strength R m of at least 1400 N / mm 2 .

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schraubverbindung mit einer oberhalb beschriebenen hochfesten Schraube und einem Bauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen der Schraubverbindung. Das Verfahren weist dabei die Schritte des ersten Anziehens der Schraubverbindung bis über die die Streckgrenze ReS1 hinaus, woraus eine erhöhte Streckgrenze ReS2 der Schraube resultiert, und des zweiten Anziehens der Schraubverbindung mindestens bis zur erhöhten Streckgrenze ReS2 zur Herstellung der Schraubverbindung auf.The invention further relates to a screw connection with a high-strength screw and a component described above and to a method for producing the screw connection. In this case, the method has the steps of first tightening the screw connection beyond which the yield point R eS1 results , resulting in an increased yield strength R eS2 of the screw, and second tightening of the screw connection at least up to the increased yield strength R eS 2 for producing the screw connection.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer oberhalb beschriebenen hochfesten Schraube.The The invention also relates to a method for producing an above described high-strength screw.

Die erfindungsgemäße hochfeste Schraube weist aufgrund des durch Zwischenstufenvergüten erzeugten Bainitgefüges eine sehr hohe Bruchfestigkeit bei einer sehr hohen Duktilität auf. Diese hohe Duktilität oder Zähigkeit unterscheidet das Bainitgefüge wesentlich von einem Martensitgefüge, welches im Stand der Technik in bekannter Weise durch Härten mit anschließendem Anlassen erzeugt wird. Bei dem Zwischenstufenvergüten erfolgt die Härtung stattdessen durch ein schnelles Abkühlen aus der Austenitphase durch eine isothermische Gefügeumwandlung in der Bainitstufe. Dabei verweilt das Teil, insbesondere die Schraube, bei einer isothermen Temperatur im Salzbad, bis die Gefügeumwandlung vom Austenit zum Bainit über den gesamten Querschnitt abgeschlossen ist. Der bei der martensitischen Härtung erforderliche Anlassvorgang entfällt. Damit wird auch die Neigung zum Härteverzug verringert.The inventive high-strength screw has due of the bainite structure produced by interstage tempering a very high breaking strength with a very high ductility on. This high ductility or toughness distinguishes the bainite structure is essentially of a martensite structure, which in the prior art by hardening in a known manner is generated with subsequent tempering. In the intermediate stage the hardening takes place instead by a rapid cooling from the austenite phase by an isothermal microstructure transformation in the bainite level. The part, in particular the screw, lingers, at an isothermal temperature in the salt bath until the microstructure transformation of the Austenite to bainite over the entire cross section completed is. The required in the martensitic hardening Starting process canceled. This is also the tendency for Hardness reduced.

Mit dem Bainitisieren entfällt die direkte Gefügeumwandlung zu Martensit und damit die schroffe Gitterumwandlung mit hohen Gitterspannungen. Dies bedeutet, dass sich die Teile mit Bainitgefüge durch extrem hohe Festigkeitswerte in Verbindung mit maximalen Zähigkeitskennwerten auszeichnen.With Bainitizing eliminates the direct structural transformation to martensite and thus the rugged lattice transformation with high lattice stresses. This means that the parts with bainite structure by extremely high strength values in combination with maximum toughness characteristics distinguished.

Als Ausgangsmaterial für die Schraube mit Bainitgefüge eignen sich insbesondere legierte Stähle mit sehr guter Härtbarkeit bei gleichzeitig guter Umformbarkeit. Die aus der Literatur für das Bainitisieren bevorzugten Stähle weisen demgegenüber einen relativ hohen Kohlenstoffgehalt auf und sind nur begrenzt umformbar. Für die erfindungsgemäßen Schrauben werden Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,5%, insbesondere von etwa 0,3% bis 0,4% bevorzugt. Ein bevorzugtes konkretes Ausgangsmaterial ist ein legierter Edelstahl, insbesondere 34CrNiMo6 (Werkstoff-Nr. 1.6582). Dieser weist eine sehr gute Kaltumformbarkeit auf. Die besondere Eignung des Werkstoffs ergibt sich aus dem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm (”ZTU-Diagramm”). Besonders Werkstoffe mit einer kleinen oberen kritischen Abkühlgeschwindigkeit bzw. solche Werkstoffe, die im ZTU-Diagramm durch eine Lage der Bainit-Umwandlungslinie (”Bainit-Umwandlungsnase”) bei großen Zeiten charakterisiert sind, eignen sich für das erfindungsgemäße bainitische Vergütungsverfahren. Hierdurch lässt sich die extrem hohe Zugfestigkeit Rm von mindestens 1400 N/mm2 bei sehr guter Duktilität erreichen. Die Bruchdehnung A liegt dabei bei einer Festigkeit von etwa 1600 N/mm2 bei zwischen etwa 10 bis 18%, bevorzugt zwischen etwa 12 bis 14%. Die entsprechende Bruchdehnung liegt bei Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 des Stands der Technik bei nur etwa 8%. Die Brucheinschnürung Z liegt bei den erfindungsgemäßen Schrauben bei einer Festigkeit von etwa 1600 N/mm2 bei etwa 50% oder mehr.Alloyed steels with very good hardenability and at the same time good formability are suitable as starting material for the screw with bainite structure. On the other hand, the steels preferred from the literature for bainitizing have a relatively high carbon content and are only limitedly formable. Steels with a carbon content of less than 0.5%, in particular from about 0.3% to 0.4%, are preferred for the screws according to the invention. A preferred concrete starting material is an alloyed stainless steel, in particular 34CrNiMo6 (material No. 1.6582). This has a very good cold workability. The particular suitability of the material results from the time-temperature conversion diagram ("ZTU diagram"). Especially materials with a small upper critical cooling rate or those materials which are characterized in the ZTU diagram by a position of the bainite transformation line ("bainite transformation nose") at high times are suitable for the bainitic treatment method according to the invention. As a result, the extremely high tensile strength R m of at least 1400 N / mm 2 can be achieved with very good ductility. The breaking elongation A is at a strength of about 1600 N / mm 2 at between about 10 to 18%, preferably between about 12 to 14%. The equivalent elongation at break is only about 8% for screws of strength class 12.9 of the prior art. The Brucheinschnürung Z is in the inventive screws at a strength of about 1600 N / mm 2 at about 50% or more.

Weiterhin vorteilhaft ist, dass bei dem neuen Vergütungsverfahren keine besonderen Anforderungen hinsichtlich des Gefüge- oder Wärmebehandlungszustands des Ausgangsmaterials bestehen, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Zur Verbesserung der Werkzeugstanzzeiten bei der Kaltumformung kann es sinnvoll sein, das Ausgangsmaterial der Schraube – d. h. den Draht – z. B. durch Glühen vorzubehandeln.Farther It is advantageous that in the new compensation process no special requirements regarding the structure or heat treatment state of the starting material, as is the case in the prior art. To improve the tool cutting times in the cold forming, it may be useful to the starting material of the Screw - d. H. the wire - z. B. pretreated by annealing.

Ein Beispiel für eine konkrete Anwendung der hochfesten Schraube ist eine Pleuelschraube eines Kraftfahrzeugs.One Example of a concrete application of the high-strength screw is a connecting rod of a motor vehicle.

Die erfindungsgemäßen Schrauben weisen insbesondere ein Streckgrenzverhältnis von weniger als 90%, insbesondere 85% und bevorzugt 80% auf. Unter dem Streckgrenzverhältnis wird das Verhältnis der Streckgrenze bzw. der 0,2%-Dehngrenze zur Bruchfestigkeit verstanden. Schrauben des Stands der Technik weisen üblicherweise ein Streckgrenzverhältnis von 90% auf. Schrauben hoher Festigkeitsklassen werden zur optimalen Ausnutzung bis über die Streckgrenze hinaus angezogen, wobei die Schraube elastisch-plastisch verformt wird. Das Maß der zulässigen plastischen Verformung wird durch die Duktilität der Schraube bestimmt. Bei erfindungsgemäßen Schrauben kann aufgrund des reduzierten Streckgrenzverhältnisses eine größere plastische Verformung beim Anziehen der Schraubverbindung ohne Zerstörung der Schraube erreicht werden, als dies im Stand der Technik der Fall ist. Besonders bevorzugte neue Festigkeitsklassen der erfindungsgemäßen Schraube sind somit 14.8, 15.8, 16.8 und 17.8.The particular screws of the invention a yield ratio of less than 90%, in particular 85% and preferably 80%. Below the yield ratio becomes the ratio of the yield strength or the 0.2% proof strength understood to breaking strength. Screws of the prior art usually have a yield ratio from 90% up. Screws of high strength classes become optimal Utilization attracted beyond the yield point, wherein the screw is elastically-plastically deformed. The measure of permissible plastic deformation is due to the ductility the screw determines. In screws according to the invention may be due to the reduced yield ratio a greater plastic deformation when tightening achieved the screw without destroying the screw than is the case in the prior art. Especially preferred new strength classes of the invention Screw are thus 14.8, 15.8, 16.8 and 17.8.

Bei der neuen extrem hochfesten Schraube mit einer Festigkeitsklasse von mehr als 12.9 kommt mit Blick auf die Gefahr der Wasserstoffversprödung eine Beizbehandlung oder Phosphatierung nicht in Frage. Solche Verfahren werden üblicherweise im Stand der Technik zur Erzielung gleichmäßiger Reibungszahlen zur Beschichtung der Schraube durchgeführt. Beim Phosphatieren wird in einem nasschemischen Prozess eine kristalline Schicht, z. B. aus Zinkphosphat, auf die Schraube aufgebracht, die entweder direkt die gewünschten Reibungszahlen einstellt oder aber als Trägerschicht für weitergehende Oberflächenbehandlungen dient. Ein Nachteil des Phosphatierens liegt in der Verwendung von sauren Chemikalien während des Prozesses. Hierdurch besteht die Gefahr der Wasserstoffeinbringung in den Schraubenwerkstoff mit dem nachfolgenden Risiko der Wasserstoffversprödung und/oder des Entstehens von Beizporen, die die Dauerfestigkeit der Schraube negativ beeinflussen. Dieses Risiko steigt mit der Festigkeit an. Zudem ergeben sich bei dem erfindungsgemäß bevorzugt eingesetzten Werkstoff aufgrund seines hohen Anteils an Legierungselementen Probleme mit der Haftung der Phosphatschicht auf dem Grundmaterial.With the new extremely high-strength screw with a strength class of more than 12.9, pickling or phosphating is out of the question with regard to the risk of hydrogen embrittlement. Such methods are commonly used in the State of the art to achieve uniform numbers of friction for coating the screw performed. In phosphating, a crystalline layer, e.g. As zinc phosphate, applied to the screw, which adjusts either directly the desired friction numbers or as a carrier layer for further surface treatments. A disadvantage of phosphating is the use of acidic chemicals during the process. As a result, there is a risk of hydrogen introduction into the screw material with the subsequent risk of hydrogen embrittlement and / or the emergence of pickling pores, which adversely affect the fatigue strength of the screw. This risk increases with the strength. In addition, in the material preferably used according to the invention, problems arise due to its high proportion of alloying elements with the adhesion of the phosphate layer to the base material.

Bei den erfindungsgemäßen Schrauben werden daher andere Beschichtungs- bzw. Schmiermittel eingesetzt. Vorzugsweise werden Gleitlacke eingesetzt, die die oberhalb beschriebenen Nachteile nicht besitzen. Bei der Auswahl geeigneter Gleitlacke ist die Haftung des Gleitlacks auf metallisch blanken Oberflächen von entscheidender Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass Gleitlacke mit einem Polymerschmiermittel besonders geeignet sind, da sie insbesondere auch gleichmäßige Reibungzahlen bei Mehrfachanzug erlauben. Besonders vorteilhaft und umweltschonend sind wasserlösliche Gleitlacke. Als Schmierstoffe können weiterhin MoS, MoS2, Graphit, Polyethylen oder ein andere Polymere verwendet werden.In the screws according to the invention, therefore, other coating or lubricants are used. Preferably, bonded coatings are used which do not have the disadvantages described above. When selecting suitable bonded coatings, the adhesion of the bonded coating to metallic bright surfaces is of crucial importance. It has been found that bonded coatings are particularly suitable with a polymer lubricant, as they also allow in particular uniform friction coefficients in multiple suit. Particularly advantageous and environmentally friendly are water-soluble bonded coatings. MoS, MoS 2 , graphite, polyethylene or another polymer can furthermore be used as lubricants.

Die erfindungsgemäße Schraube weist überwiegend ein bainitisches Gefüge auf, welches durch Bainitisieren hergestellt wurde. Bainitisieren wird auch als Zwischenstufenvergüten bezeichnet. Unter dem ”überwiegenden” Vorliegen des Bainitgefüges bzw. des sich ”im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt” der Schraube erstreckenden Bainitgefüges ist zunächst zu verstehen, dass nicht lediglich definierte Schichten (d. h. nur Teile) des Querschnitts der Schraube dieses Bainitgefüge aufweisen. Es ist jedoch nicht darunter zu verstehen, dass geringe Teile eines anderen Gefüges – z. B. Martensit oder Restaustenit – die Verwirklichung des Merkmals des sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Schraube erstreckenden Bainitgefüges verlassen. Das Bainitgefüge kann sowohl aus Gefügeanteilen des oberen als auch des unteren Bainits oder auch des körnigen Bainits bestehen. Zusätzlich können geringe Anteile von Martensit gezielt eingestellt werden, d. h. Anteile von weniger als 15%, Anteile von etwa 10% oder weniger, insbesondere Anteile zwischen 8% und 11%, bevorzugt Anteile zwischen etwa 3% bis 5%. Diese Anteile beziehen sich auf die Flächenanteile des Martensits in einer durchschnittlichen Querschnittsfläche der Schraube. Durch den Martensitanteil wird die Bruchfestigkeit erhöht, wobei der Bainitanteil hoch genug bleibt, um die gewünschte hohe Duktilität zu erreichen.The inventive screw has predominantly a bainitic structure, which by bainitizing was produced. Bainitizing is also used as an intermediate stage designated. Under the "predominant" presence of the bainite structure or of the "essentially over the entire cross-section of the screw-extending bainite structure is to understand first that not only defined Layers (ie only parts) of the cross-section of the screw this Bainite structure have. It is not among them understand that small parts of another structure - z. Martensite or retained austenite - the realization of the Feature of essentially the entire cross section of the Leave screw extending bainite structure. The bainite structure can be made up of both the upper and the lower part of the structure lower bainits or even the granular bainite. In addition, low levels of martensite be targeted, d. H. Shares of less than 15%, shares of about 10% or less, in particular between 8% and 11%, preferably levels between about 3% to 5%. These proportions relate based on the areal proportions of martensite in an average Cross-sectional area of the screw. By the martensite the breaking strength is increased, whereby the Bainitanteil high enough to maintain the desired high ductility to reach.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung mit einer zuvor beschriebenen hochfesten Schraube und einem Bauteil erfolgt das Anziehen der Schraubverbindung in zwei aufeinander folgenden Schritten, nämlich einem ersten Anziehen der Schraubverbindung und einem zweiten Anziehen der Schraubverbindung. Beim ersten Anziehen der Schraubverbindung befindet sich die Schraube bereits an bzw. in dem Bauteil, welches mittels der Schraubverbindung verbunden werden soll. Es findet also keine zusätzliche Mess- oder Prüfeinrichtung Anwendung. Bei dem ersten Anziehen der Schraubverbindung handelt es sich um den sogenannten ”Trainieranzug”. Bei diesem Trainieranzug wird die Schraube bzw. die Schraubverbindung bis über die Streckgrenze ReS1 hinaus angezogen. Aufgrund der daraufhin eintretenden Kaltverfestigung resultiert eine erhöhte Streckgrenze Rest sowie eine erhöhte Bruchfestigkeit der Schraube.In the method according to the invention for producing a screw connection with a high-strength screw and a component described above, the tightening of the screw connection takes place in two successive steps, namely a first tightening of the screw connection and a second tightening of the screw connection. When first tightening the screw, the screw is already on or in the component, which is to be connected by means of the screw. So there is no additional measuring or testing device application. The first tightening of the screw is the so-called "training suit". With this training suit , the screw or the screw connection is tightened beyond the yield point R eS1 . Due to the subsequent strain hardening results in an increased yield strength residual and increased breaking strength of the screw.

Dabei kann die im Vergleich zu einer konventionell vergüteten Schraube deutlich größere Gleichmaßdehnung vorteilhaft genutzt werden, da die Schraube über die Streckgrenze hinaus deutlich weiter gedehnt werden kann, ohne dass die Schraube im Querschnitt einschnürt. Sowohl die absoluten Werte wie auch die Toleranzen der Anzugsparameter insbesondere des Drehwinkels bei einem Winkelanzug oder einem kombinierten Drehmoment/Winkelanzug können dadurch deutlich größer gewählt werden.there can be compared to a conventionally tempered one Screw significantly greater uniform elongation be used to advantage because the screw over the yield strength It can be stretched significantly further without the screw constricted in cross section. Both the absolute values like also the tolerances of the tightening parameters, in particular the angle of rotation in an angle suit or a combined torque / angle suit can be chosen significantly larger.

Aus dem Trainieranzug resultiert eine deutlichere scharfkantigere Ausprägung des Übergangs von einer elastischen zu einer elastisch-plastischen Verformung. Da sich das Erreichen der Streckgrenze in der Praxis erst mit leichter Verzögerung zeigt, bietet sich insbesondere die Bezugnahme auf die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 an. Dies bedeutet, dass das erste Anziehen der Schraubverbindung vorzugsweise bis über die 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 hinaus und das zweite Anziehen der Schraubverbindung mindestens bis zur erhöhten 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 erfolgt. Somit ist sichergestellt, dass jeweils eine plastische Verformung stattfindet.From the training suit results in a clearer sharp-edged expression of the transition from elastic to elastic-plastic deformation. Since reaching the yield point in practice is only slightly delayed, the reference to the 0.2% proof stress R p0.2 is particularly appropriate . This means that the first tightening of the screw connection preferably takes place beyond the 0.2% proof stress R p0.2 and the second tightening of the screw connection takes place at least up to the increased 0.2% proof stress R p0.2 . This ensures that plastic deformation takes place in each case.

Das Anziehen der Schraubverbindung kann streckgrenzgesteuert und/oder drehwinkelgesteuert ausgeführt werden. Am sichersten lässt sich der gewünschte Grenzwert (Streckgrenze bzw. 0,2%-Dehngrenze) über eine Kombination aus Drehmoment- und winkelgesteuertem Anzug erreichen.The Tightening the screw can be stretch limit controlled and / or be executed angle controlled. The safest way is the desired limit value (yield strength or 0.2% proof stress) is exceeded achieve a combination of torque and angle controlled suit.

Das erste Anziehen der Schraubverbindung erfolgt vorzugsweise ohne Berücksichtigung der Vorspannkraft. Dies bedeutet, dass das erste Anziehen der Schraube ohne eine Messung oder Erzeugung einer zahlenmäßig bestimmten – d. h. definierten – Vorspannkraft erfolgt. Eine solche genaue Einstellung der Vorspannkraft ist nicht erforderlich. Es geht lediglich darum, den Bereich der elastisch-plastischen Verformung im Trainieranzug zu erreichen, so dass die gewünschte Kaltverfestigung der Schraube eintritt. Bei bestimmten Verbindungen, wie z. B. Pleueln, bei denen die Verbindung bereits zur präzisen, mechanischen Fertigbearbeitung des Pleuelauges ein erstes Mal verschraubt wird, kann der Trainieranzug vorteilhaft und ohne Mehrkosten bereits in diesem ohnehin notwendigen Schritt durchgeführt werden. Dabei wird außerdem vorteilhaft ausgenutzt, dass die Schraube im Endanzug bei der Montage der Pleuel die gleiche, erhöhte Streckgrenze und damit auch die gleiche Vorspannung wie im Trainieranzug wieder erreicht.The first tightening the screw is preferably without consideration of Vor tension. This means that the first tightening of the screw takes place without a measurement or generation of a numerically determined - ie defined - preload force. Such accurate adjustment of the biasing force is not required. It is only about to reach the area of elastic-plastic deformation in the training suit, so that the desired work hardening of the screw occurs. For certain connections, such as. B. connecting rods, in which the connection is already bolted for precise, mechanical finishing of the connecting rod for the first time, the training suit can be carried out advantageously and without additional cost already in this step anyway necessary. It is also advantageously exploited that the screw in the final suit in the assembly of the connecting rod the same, increased yield strength and thus also the same bias as in the training suit again.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The in the introduction to the description advantages of features and combinations of several Features are merely exemplary and may be alternative or cumulatively without compelling advantages of embodiments of the invention must be achieved. Other features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several Components to each other and their relative arrangement and operative connection - to remove. The combination of features of different embodiments the invention or features of different claims is also different from the chosen relationships the claims possible and is hereby stimulated. This also applies to such features, in separate drawings are shown or mentioned in their description. These Features may also be consistent with features of different claims be combined. Likewise, in the claims listed features for further embodiments the invention omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.in the The invention is described below with reference to the figures preferred embodiments further explained and described.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der neuen Schraubverbindung mit einer hochfesten Schraube und einem Bauteil. 1 shows a first embodiment of the new screw with a high-strength screw and a component.

2 zeigt ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm der neuen Schraubverbindung beim Erst- und Zweitanzug. 2 shows a schematic stress-strain diagram of the new screw in the first and second suit.

3 zeigt ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm der neuen Schraube im Vergleich zu konventionell vergüteten Schrauben. 3 shows a schematic stress-strain diagram of the new screw compared to conventionally coated screws.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schraubverbindung 1 mit einer hochfesten Schraube 2 sowie einem ersten Bauteil 3 und einem zweiten Bauteil 4. Die Schraube 2 weist einen Kopf 5, einen Schaftabschnitt 6 und einen Gewindeabschnitt 7 mit einem Außengewinde 8 auf. Das erste Bauteil 3 weist eine Bohrung 9 und das zweite Bauteil 4 eine Bohrung 10 auf. Die Bohrung 10 weist ein zum Außengewinde 8 der Schraube 2 korrespondierendes Innengewinde 11 auf. Über die ineinander eingreifenden Gewinde 8, 11 und die Kopfauflagefläche 12 des Kopfs 5 der Schraube 2 wird die für die sichere Schraubverbindung 1 erforderliche Klemmkraft erzielt. 1 shows a first embodiment of a screw connection 1 with a high-strength screw 2 and a first component 3 and a second component 4 , The screw 2 has a head 5 a shaft section 6 and a threaded portion 7 with an external thread 8th on. The first component 3 has a hole 9 and the second component 4 a hole 10 on. The hole 10 has an external thread 8th the screw 2 corresponding internal thread 11 on. About the meshing threads 8th . 11 and the headrest surface 12 of the head 5 the screw 2 is the one for the secure screw connection 1 required clamping force achieved.

Bei der Schraube 2 handelt es sich um eine extrem hochfeste Schraube mit einer Zugfestigkeit von mindestens 1400 N/mm2. Die Schraube 2 weist ein durch Zwischenstufenvergüten erzeugtes Bainitgefüge auf, welches sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Schraube 2 erstreckt. Die Schraubverbindung 1 wurde zunächst im Rahmen eines Trainieranzugs angezogen, wobei die Schraube 2 bis über ihre Streckgrenze hinaus angezogen wurde. Zum endgültigen Herstellen der Schraubverbindung 1 erfolgte dann das zweite Anziehen der Schraubverbindung 1 mindestens bis zu der aus dem Trainieranzug resultierenden erhöhten Streckgrenze.At the screw 2 It is an extremely high-strength screw with a tensile strength of at least 1400 N / mm 2 . The screw 2 has a bainite structure produced by interstage tempering, which extends essentially over the entire cross section of the screw 2 extends. The screw connection 1 was initially dressed as part of a training suit, with the screw 2 was tightened beyond its yield point. For the final production of the screw connection 1 then took place the second tightening the screw 1 at least up to the resulting from the training suit increased yield strength.

2 zeigt ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm der erfindungsgemäßen Schraubverbindung 1 beim Erst- und Zweitanzug. Es ist erkennbar, dass der erste Anzug bis über die Streckgrenze bzw. die 0,2%-Dehngrenze hinaus erfolgt, woraus aufgrund der eintretenden Kaltverfestigung der Schraube 2 eine erhöhte Streckgrenze resultiert. Diese erhöhte Streckgrenze wird dann beim zweiten Anzug genutzt, der wiederum bis in den elastisch-plastischen Verformungsbereich hinein erfolgt. Weiterhin ist in 2 gut erkennbar, dass der Kurvenverlauf beim zweiten Anzug aufgrund des durchgeführten ersten Anzugs deutlich scharfkantiger ausgebildet ist, so dass das Verlassen des rein elastischen Verformungsbereich beim Anziehen besser bemerkbar ist. 2 shows a schematic stress-strain diagram of the screw according to the invention 1 at the first and second suits. It can be seen that the first tightening takes place beyond the yield strength or the 0.2% proof strength, which results from the cold work hardening of the screw 2 an increased yield strength results. This increased yield strength is then used in the second suit, which in turn takes place into the elastic-plastic deformation area. Furthermore, in 2 clearly recognizable that the curve of the second suit is formed much sharper due to the performed first suit, so that leaving the purely elastic deformation area is better noticeable when tightening.

3 ist ein schematisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm, welches das Verhalten der erfindungsgemäßen Schraubverbindung 1 dem einer konventionell vergüteten Schraube gegenüberstellt. Dabei ist der an sich praxisrelevante Vergleichsmaßstab eine konventionell vergütete Schraubverbindung einer geringeren Festigkeitsklasse (strichpunktierte Linienführung), da konventionell vergütete Schrauben einer Festigkeit von mehr als 1400 N/mm2 im praxisrelevanten Stand der Technik nicht vorkommen. Für den systematischen Vergleich wurde dennoch eine entsprechende Kurve (gestrichelte Linienführung) eingezeichnet. Es ist in 3 erkennbar, dass die erfindungsgemäß bainitisch vergütete Schraube 2 eine extrem hohe Festigkeit bei einer sehr großen Duktilität aufweist. Dies zeigt sich im scharfkantigen Linienverlauf und der sehr großen Gleichmaßdehnung. 3 is a schematic stress-strain diagram showing the behavior of the screw connection according to the invention 1 that of a conventionally tempered screw. In this case, the practice-relevant comparative scale is a conventionally tempered screw of a lower strength class (dash-dotted lines), as conventional tempered screws of a strength of more than 1400 N / mm 2 in the practice-relevant state of the art does not occur. Nevertheless, a corresponding curve (dashed line) was drawn for the systematic comparison. It is in 3 recognizable that the present invention bainitic tempered screw 2 has an extremely high strength with a very high ductility. This is reflected in the sharp-edged line and the very large uniform expansion.

11
Schraubverbindungscrew
22
Schraubescrew
33
Bauteilcomponent
44
Bauteilcomponent
55
Kopfhead
66
Schaftabschnittshank portion
77
Gewindeabschnittthreaded portion
88th
Außengewindeexternal thread
99
Bohrungdrilling
1010
Bohrungdrilling
1111
Innengewindeinner thread
1212
KopfauflageflächeHead support surface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (15)

Hochfeste Schraube (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein durch Zwischenstufenvergüten erzeugtes Bainitgefüge aufweist, welches sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Schraube (2) erstreckt, und die Schraube (2) eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1400 N/mm2 besitzt.High strength screw ( 2 ), characterized in that it comprises a bainite structure produced by interstage tempering, which extends substantially over the entire cross section of the screw ( 2 ) and the screw ( 2 ) has a tensile strength R m of at least 1400 N / mm 2 . Hochfeste Schraube (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Zugfestigkeit Rm von zwischen 1400 N/mm2 und 1700 N/mm2 besitzt.High strength screw ( 2 ) according to claim 1, characterized in that it has a tensile strength R m of between 1400 N / mm 2 and 1700 N / mm 2 . Hochfeste Schraube (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,5%, insbesondere von etwa 0,2% bis 0,4%, aufweist.High strength screw ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that it has a carbon content of less than 0.5%, in particular from about 0.2% to 0.4%. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus legiertem Edelstahl, insbesondere 34CrNiMo6, besteht.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that it consists of alloyed stainless steel, in particular 34CrNiMo6. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Streckgrenzverhältnis von weniger als 90%, insbesondere 85% oder weniger aufweist.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that it has a yield ratio of less than 90%, in particular 85% or less. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchdehnung A bei einer Festigkeit von 1600 N/mm2 etwa 10–18%, insbesondere etwa 12–14% beträgt.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the elongation at break A at a strength of 1600 N / mm 2 is about 10-18%, in particular about 12-14%. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brucheinschnürung Z bei einer Festigkeit von 1600 N/mm2 größer als etwa 50% ist.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the Brucheinschnürung Z at a strength of 1600 N / mm 2 is greater than about 50%. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Beschichtung in Form eines Gleitlacks oder Schmiermittels aufweist, der als Schmierstoff insbesondere MoS, MoS2, Graphit, Polyethylen oder ein anderes Polymer aufweist.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a coating in the form of a lubricating varnish or lubricant having as a lubricant in particular MoS, MoS 2 , graphite, polyethylene or another polymer. Hochfeste Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen geringen Anteil an Martensit von weniger als 15% aufweist.High strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that it has a low content of martensite of less than 15%. Schraubverbindung (1), mit einer hochfesten Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, und einem Bauteil (3, 4), das mit der hochfesten Schraube (2) verschraubt ist.Screw connection ( 1 ), with a high-strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 9, and a component ( 3 . 4 ) with the high-strength screw ( 2 ) is screwed. Verfahren zum Herstellen einer hochfesten Schraube (2), insbesondere einer hochfesten Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch den Schritt des Zwischenstufenvergütens zum Erzeugen eines sich im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt der Schraube (2) erstreckenden Bainitgefüges in der Schraube (2), so dass die Schraube (2) eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 1400 N/mm2 besitzt.Method for producing a high-strength screw ( 2 ), in particular a high-strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 9, characterized by the step of intermediate leveling to produce a substantially over the entire cross section of the screw ( 2 ) extending bainite structure in the screw ( 2 ), so that the screw ( 2 ) has a tensile strength R m of at least 1400 N / mm 2 . Verfahren zum Herstellen einer Schraubverbindung (1) mit einer hochfesten Schraube (2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, die nach Anspruch 11 hergestellt wurde, und einem Bauteil (3, 4), gekennzeichnet durch die Schritte erstes Anziehen der Schraubverbindung (1) bis über die die Streckgrenze ReS1 hinaus, woraus eine erhöhte Streckgrenze ReS2 der Schraube (2) resultiert, zweites Anziehen der Schraubverbindung (1) mindestens bis zur erhöhten Streckgrenze ReS2 zur Herstellung der Schraubverbindung (1).Method for producing a screw connection ( 1 ) with a high-strength screw ( 2 ) according to at least one of claims 1 to 9, which has been produced according to claim 11, and a component ( 3 . 4 ), characterized by the steps of first tightening the screw connection ( 1 ) beyond the yield strength R eS1 , resulting in an increased yield strength R eS2 of the screw ( 2 ), second tightening the screw ( 1 ) at least up to the increased yield strength R eS2 for the production of the screw connection ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anziehen der Schraubverbindung (1) bis über die die 0,2%-Dehngrenze Rp0.2 hinaus und das zweite Anziehen der Schraubverbindung (1) mindestens bis zur erhöhten 0,2%-Dehngrenze Rp0.2 erfolgt.A method according to claim 11, characterized in that the first tightening of the screw ( 1 ) beyond the 0.2% proof stress R p0.2 addition and the second tightening the screw ( 1 ) takes place at least up to the increased 0.2% proof stress R p0.2 . Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Anziehen der Schraubverbindung (1) streckgrenzgesteuert und/oder drehwinkelgesteuert ausgeführt wird.A method according to claim 12 or 13, characterized in that the tightening of the screw ( 1 ) Stretch limit controlled and / or rotational angle controlled. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anziehen der Schraubverbindung (1) ohne Berücksichtigung der Vorspannkraft ausgeführt wird.Method according to at least one of claims 11 to 14, characterized in that the first tightening of the screw ( 1 ) is performed without consideration of the biasing force.
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