CN1044635C - 奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种有关奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法，它是将一种母材为低碳钢或低碳合金钢，并预先锻造或切削成含肩部及无螺纹柄部或含钻尾部的圆杆，经渗碳及适当热处理后，与未经滚螺纹的含头部奥氏体不锈钢圆杆以焊接方法接合在一起，随后切削焊接毛边与渗碳钢部的肩部，以形成一个适当宽度的无渗碳硬化区，最后进行滚螺纹加工及淬火处理，以制造完成一种头部与螺纹柄缔结部具有优异耐蚀性能，尾部具有适于自攻与自钻功能的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝。
Description
本发明涉及一种奥氏体不锈钢制造自攻与自钻螺丝的方法。
近年来由于镀锌与镀铝锌钢板的研究开发与商业化生产，使此等钢板的使用寿命由最初的十年不断提升到目前的二十年使用寿命。同时其相关构件如钢结构、角铁及螺丝扣件等元件的抗腐蚀保护涂层亦积极同步发展。其中固定烤漆钢板的自攻或自钻螺丝，因其暴露在大气中，最易受气候变化而迅速破坏，更可能在施工中被刮伤，因此其防蚀能力更被重视。最近更由于对施工品质的要求不断提高，促使奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的需求量亦相对增加。但由于奥氏体不锈钢所具有的冶金及机械性质，例如其加工硬化大，成形性差，及很难以氮化处理来达到自钻目的的要求，因此使得以传统方法制造的能穿透5mm厚度低碳钢板的不锈钢自攻及自钻螺丝，尚存在仍待克服的问题，其中：
1．经氮化处理的不锈钢自攻螺丝：
如图1所示的常用不锈钢自攻螺丝的剖示平面图(图中黑色部分N为氮化区)，其主要由奥氏体铁系不锈钢的头部1与自攻螺纹部2所构成，并利用氮化处理以提高螺纹部的表面硬度，该产品虽然使用氮化处理可达到自攻螺丝硬化的目的，但不可避免的具有如下缺点：
(1)因钻尾很难用锻造成形及仍缺少满足自钻功能的氮化处理技术，因此此螺丝不具备自钻功能，使用性降低。
(2)经氮化处理的奥氏体不锈钢螺丝表面耐腐蚀性亦差，因而降低原有耐蚀性能。
(3)奥氏体不锈钢的氮化处理温度约600℃，保持时间2～4小时，使不锈钢造成晶界腐蚀问题，亦破坏其原有优异耐蚀性能。
2．全断面硬化而易脆裂的不锈钢自攻与自钻螺丝：为便于兼具自攻及自钻功能的制造，有将此螺丝以不同材质分别先形成攻入部(或钻入部)与缔结部，再加以焊接及螺纹成形加工，然后淬火处理的制造方式生产。
如图2所示的一不锈钢自攻与自钻螺丝的剖示平面图，其主要包括奥氏体不锈钢头部1与含螺纹柄部2构成的缔结部，及高碳钢材质的自攻螺纹部3与钻尾部4构成的钻入部；而其制造方式是使缔结部及钻入部的母材先在W处焊接后，进行螺纹成形及钻尾加工，最后利用淬火处理以提高自攻螺纹部3与钻尾部4全断面的硬度。虽然自攻螺纹部3与钻尾部4以高碳钢经淬火处理制成，可提高其全断面硬度，但此产品仍具有如下不可忽视的缺点：
(1)高碳钢锻造性差，只适于以车削法成形钻尾，成本提高。另一方面高碳钢与不锈钢焊接热影响区硬度高达HV550以上，因而很容易产生裂缝及螺纹成形性变差，严重降低滚螺纹模具寿命。
(2)高碳钢自攻螺纹与钻尾部在完成淬火处理后，形成自攻螺纹全断面硬化，致使螺纹与钻尾全断面硬度高达HV550～600，造成高碳钢材质的自攻螺纹部及钻尾部因全硬而脆化，在施工中易使螺纹及钻尾刃部断裂。
3．受碳污染的不锈钢自攻与自钻螺丝：
为了避免高碳钢与不锈钢焊接后热影响区硬度太高及易生裂缝的缺点，有以低碳钢为钻入部材质而与不锈钢的缔结部一起焊接，而后再渗碳处理的制造方式。如图3所示的是另一不锈钢自攻与自钻螺丝的剖视平面图(图中黑色部分C为渗碳区)，其主要包括奥氏体不锈钢头部1与螺纹柄部2构成的缔结部，及低碳钢的自攻螺纹部3与钻尾部4构成的钻入部；其制法主要是使低碳钢与不锈钢的母材先在W处焊接，再完成螺纹成形及钻尾加工，最后进行一体渗碳处理，以提高自攻螺纹部3与钻尾部4的表面硬度。此种方式虽可改善高碳钢与不锈钢材质在焊接后所产生的硬度提高及容易脆裂的缺点，并可使低碳钢材质的自攻螺纹与钻尾部表面硬化，但因奥氏体不锈钢的头部与柄部也一齐渗碳而受碳污染，致使原有耐蚀性遭受破坏。再者，此螺丝的不锈钢缔结部因受碳污染，而产生降低其防蚀能力的缺点，在现今特别重视施工质量及防蚀能力的发展趋势下，还不如上述由高碳钢材质构成自攻与自钻部的不锈钢螺丝来得实际有效。
本发明的目的在于提供一种奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法，其可避免奥氏体不锈钢的头部与含螺纹柄部因氮化处理和一体渗碳造成的耐蚀性变差的缺点，具有成形性比高碳钢好，可用模具锻造成形，避免热影响区硬度太高及裂缝的产生，适于批量生产，降低模具费用，提高模具使用寿命且安全性高的优点。
本发明的技术方案是：一种奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法，其特征在于，它包括以低碳钢或低碳合金钢为母材、并预先锻造或切削成含肩部及无螺纹柄部与含钻尾部的圆杆，该肩部侧端外径约等于或大于无螺纹柄部的外径加上2倍渗碳深度，而肩部宽度约等于或大于焊接热影响区宽度加上2倍渗碳深度，在经渗碳及适当热处理后，与预先成形头部的无螺纹奥氏体不锈钢圆杆以焊接方法接合在一起，随后切削焊接毛边与渗碳钢圆杆的肩部，以形成一个宽度约等于或大于焊接热影响区宽度的无渗碳硬化区，最后进行滚螺纹加工及淬火处理，以制成一种头部与具螺纹柄的缔结部为奥氏体不锈钢材质，而自攻螺纹部与钻尾部为低碳钢或低碳合金钢材质的自攻与自钻螺丝。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
其中低碳钢或低碳合金钢圆杆的肩部，其形状可为圆形、多角形或其它适合的几何形状。
本发明的具体结构由以下实施例及其附图详细给出。
图1是经氮化处理的奥氏体不锈钢自攻螺丝平面剖视图。
图2是全断面硬化的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的平面剖视图。
图3是受碳污染的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的剖视图。
图4是使用本发明所制造完成的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝平面剖视图。
图5是预成形的奥氏体不锈钢圆杆平面剖视图。
图6是预成形的低碳钢圆杆平面示意图。
图7是预成形后渗碳及调质处理的低碳钢圆杆平面剖视图。
图8是焊接后尚未切削的半成品平面剖视图。
图9是切除毛边及肩部后的半成品平面剖视图。
图10是使用本发明制造完成的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的平面剖视图。
图11是使用本发明制造完成的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的品质分析取样图。
图12是如图11所示品质分析图上X点到Y点的硬度分布图(负载为100g)。
图13是如图11所示品质分析图上Q点到P点的硬度分布图(负载为100g)。
图14是如图11所示品质分析图上无渗碳硬化区L中从M点到N点的表面硬度分布图(负载为100g)。
如图4所示为使用本发明制成的不锈钢自攻与自钻螺丝的剖视平面图(图中粗黑色部分C为渗碳区)，主要包括奥氏体不锈钢的头部5与含螺纹的柄部6构成的缔结部，及母材为低碳钢并经渗碳的自攻螺纹部7与钻尾部8构成的钻入部。
本发明的制造流程的详细步骤包括：一个如图5所示包含成形头部51与无螺纹柄部61的奥氏体不锈钢圆杆；及一个如图6所示母材为低碳钢，并包含预先成形肩部9和无螺纹柄部71及成形钻尾81的圆杆，肩部9侧端外径D约等于或大于柄部71的外径d加上2倍渗碳深度，而肩部9的宽度M则约等于或大于焊接热影响区的宽度加上2倍渗碳深度，再将低碳钢的母材完成如图7所示的渗碳处理后，将其心部A硬度调质到约HV180，而表面渗碳层硬度(图中粗黑色部分C)则调质到约HV220；再以焊接方法将图5所示的圆杆柄部61侧端与图7所示的半成品肩部侧端接合在一起，使成为如图8所示的断面形状，随后切削如图8所示的毛边62与肩部9，便成为如图9所示的断面形状，使形成一个距焊接介面W宽度为L的无渗碳硬化区，此区的硬度受焊接影响而稍提高，但仍低于HV240，以利于后续成形加工，最后进行螺纹成形并完成全淬火处理，即成为如图4所示的最终产品。
同理，本发明的制造方法与设计原理亦可应用于不锈钢自攻螺丝的制造，其最终产品的剖视图如图10所示，主要由奥氏体不锈钢头部5与螺纹部6及低碳钢经渗碳处理的自攻螺纹部7所构成，其详细制造步骤除未成形钻尾外，其余与上述自攻与自钻螺丝的制造方法完全相同。
本发明的低碳钢母材在渗碳处理后，当渗碳深度约为0.3mm时，则所使用低碳钢母材肩部的侧端径D约等于或大于无螺纹柄部的外径d加上2倍渗碳深度，而其宽度M则约等于或大于焊接热影响区宽度加上2倍渗碳深度；例如，若焊接热影响区宽度约为2mm时，则肩部的宽度应约为2.6mm，因肩部的侧端在焊接后，此侧端上约为0.3mm的渗碳层将被排挤出而成为毛边，所以肩部经切削后，其宽度扣除肩部二侧的渗碳深度(各约为0.3mm)后，便形成一个距焊接介面W而宽度约为2mm的无渗碳硬化区。此无渗碳硬化区的形成，可有效解决渗碳钢或高碳钢焊接后，热影响区硬度太高及容易产生裂缝的问题。此外，不同焊接方法及焊接参数会产生不同的热影响区，因此肩部宽度与无渗碳硬化区的设计亦应随着改变，以便达到预期的目的。再者，本发明的低碳钢母材因具有适当的肩部，所以可更有利于焊接时承受轴向压力、轴向电流及自动送料的进行。另本发明的低碳钢母材亦可选用低碳合金钢材质，而肩部亦可由圆形、多角形或其它适合的几何形状构成，以达到相同的技术目的、手段及功能。
图11所示为用本发明方法制成的自攻与自钻螺丝(头部5与缔结螺纹部6为奥氏体不锈钢，自攻螺纹部7与钻尾部8为AISI 1022低碳钢所构成)在淬火处理后的品质分析取样图，进行各项冶金与机械性能测试，并与传统方法所制造的相同材质螺丝作一比较。
图12所示为图11的自攻螺纹部7上X点到Y点的硬度分布图，结果显示：心部硬度约为HV370，表面硬度约为HV650，有效渗碳深度约为0.32mm，证明心部有足够韧性，表面有足够硬度，符合自攻螺纹的要求。
图1 3所示为图11的钻尾部8上Q点到P点的硬度分布图，结果显示：心部硬度约为HV370，表面硬度约为HV645，有效渗碳深度约为0.28mm，证明心部有足够韧性，表面有足够硬度，亦符合自钻螺丝钻尾的功能要求。
图14所示为图11的无渗碳硬化区L中从M点到N点的表面硬度分布图，其最高硬度约为HV370，而距焊接介面W的无渗碳硬化区宽度L约为2mm，可加强焊接接头周边的韧性。
归纳以上所述的制造过程说明与品质分析结果，可知用本发明方法所制成的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝，确实可达到如下技术优点及实用功效：
1．因钻尾部由低碳钢或低碳合金钢制成，成形性比高碳钢好，可以用模具锻造成形，适于大批生产，并可提高模具使用寿命。
2．因自攻螺纹及钻尾构成的钻入部以低碳钢或低碳合金钢经渗碳而制成，可达到硬化目的，且奥氏体不锈钢的头部与含螺纹柄部构成的缔结部可避免氮化处理后耐蚀性变差的缺点。
3、因低碳钢或低碳合金钢材质的自攻螺纹及钻尾在焊接前已渗碳完成，可避免奥氏体不锈钢的头部与含螺纹柄部的耐蚀性因一体渗碳造成碳污染而变差的缺点。
4、因焊接后切削渗碳钢的肩部，使表面形成一个适当宽度的无渗碳硬化区，所以焊接后的硬度约低于HV240，可避免热影响区硬度太高及裂缝的产生，进而减少滚螺纹的困难程度，并降低模具费用。
5、因自攻螺纹及钻尾部以低碳钢或低碳合金钢经渗碳制成，可避免由高碳钢材质制成时的全断面硬化与脆裂现象，可提高安全性及施工性。
6、因低碳钢或低碳合金钢母材具有肩部，可更有利于焊接时承受轴向压力、轴向电流及自动送料的进行。
综上所述，依本发明制造方法所制成的自钻或自攻螺丝，除了钻入部或攻入部表面有足够硬度及心部有足够韧性，而能符合自钻或自攻的功能需求的有效钻入(或攻入)钢板外，同时本发明的不锈钢缔结部具有优异耐蚀性，当不锈钢的含螺纹柄部缔结于钢板上时，能达到防蚀功能，故本发明具有产业的利用价值。
Claims (2)
1、一种奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法，其特征在于，它包括以低碳钢或低碳合金钢为母材、并预先锻造或切削成含肩部及无螺纹柄部与含钻尾部的圆杆，该肩部侧端外径约等于或大于无螺纹柄部的外径加上2倍渗碳深度，而肩部宽度约等于或大于焊接热影响区宽度加上2倍渗碳深度，在经渗碳及适当热处理后，与预先成形头部的无螺纹奥氏体不锈钢圆杆以焊接方法接合在一起，随后切削焊接毛边与渗碳钢圆杆的肩部，以形成一个宽度约等于或大于焊接热影响区宽度的无渗碳硬化区，最后进行滚螺纹加工及淬火处理，以制成一种头部与具螺纹柄的缔结部为奥氏体不锈钢材质，而自攻螺纹部与钻尾部为低碳钢或低碳合金钢材质的自攻与自钻螺丝。
2、根据权利要求1所述的奥氏体不锈钢自攻与自钻螺丝的制造方法，其特征在于，其中低碳钢或低碳合金钢圆杆的肩部，其形状可为圆形、多角形或其它适合的几何形状。
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