DE112010003614B4

DE112010003614B4 - Hochfeste Schraube

Info

Publication number: DE112010003614B4
Application number: DE112010003614.4T
Authority: DE
Inventors: Yuuji Kimura; Inoue Tadanobu; Shuji Murasaki; Mataichi Fukuda
Original assignee: Kyowa Kogyosho KK; National Institute for Materials Science; FUSOKIKO CO Ltd
Current assignee: Kyowa Kogyosho KK; National Institute for Materials Science; FUSOKIKO CO Ltd
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2030-09-11
Also published as: DE112010003614T5; KR20120092595A; KR101534904B1; CN102597543B; US8876451B2; US20120230800A1; WO2011030853A1; CN102597543A; JP2011058576A; JP5334769B2

Abstract

Hochfeste Schraube, die eine Zugfestigkeit von 1,2 GPa oder mehr hat und die einen Gewindeteil und einen zylindrischen Halsteil aufweist, wobei die Schraube einen Wert für K von 0,8 oder mehr hat und die Bedingung Ho < Hs erfüllt, wobei Ho und Hs Härten sind, die durch einen Rollprozess zum Bilden des Gewindeteils und einen Kopfbildungsprozess zum Herstellen eines Kopfteils erhalten wurden, wobei K durch die folgende Gleichung (1) definiert ist: (Ao × Ho)/(As × Hs) = K(1) wobei Ao eine effektive Querschnittsfläche des zylindrischen Halsteils ist, Ho eine Vickers-Härte eines Teils ist, bei dem Ao gemessen wird, welche Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird, As eine effektive Querschnittsfläche des Gewindeteils ist, und Hs eine Härte nach Vickers eines Teils ist, an dem As gemessen wird, wobei die Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird, wobei die Vickers-Härte an einem Test-Querschnitt gemessen wird, den man erhält, indem die Schraube längs einer ihrer Achsen geschnitten wird und indem die Querschnittsfläche auf Hochglanz poliert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine hochfeste Schraube mit einer Zugfestigkeit von 1.200 MPa oder mehr.
Hintergrund der Erfindung
Neuere Entwicklungen hin zu einer Vergrößerung von Strukturen und einer Gewichtseinsparung bei Automobilteilen haben einen Bedarf nach hochfesten Metallwerkstoffe erhöht, die stärker und zäher denn je sind. Unter diesen wurden an Stahlmaterialien, wie zum Beispiel Stahlbleche und Formstähle, die Anforderung hoher Festigkeit gestellt. Gleichzeitig wurden auch Forderungen nach festeren Schrauben gestellt, die dazu verwendet werden, diese Stahlmaterialien zusammenzufügen (siehe zum Beispiel Patentdokument 1 und Nicht-Patent-Dokument 1).
Mechanische Eigenschaften, die für Werkstoffe der Schraube nötig sind, sind: (1) gute Formbarkeit; (2) hohe Beständigkeit gegen verzögerten Bruch; (3) ausgezeichnete Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse; (4) ausgezeichnete Schlagzähigkeit; und dergleichen. Diese Eigenschaften und eine Erhöhung der Festigkeit des Materials stehen jedoch in einer sich gegenseitig widersprechenden Beziehung.
Bei dem Stahlmaterial, das eine Zugfestigkeit von mehr als 1.200 MPa hat, ist insbesondere der verzögerte Bruch ein ernstzunehmendes Problem, das einer Erhöhung der Festigkeit der hochfesten Schraube im Wege steht. Unter verzögertem Bruch, einer verkürzten Bezeichnung für „zeitverzögerten Bruch“, versteht man einen Bruch, der von einer durch Wasserstoff verursachten Versprödung des Stahlmaterials herrührt, der durch eine atmosphärische Korrosion erzeugt und in das Stahlmaterial eingeführt wurde. Die Ursache für den verzögerten Bruch ist daher der Wasserstoff, die bei Raumtemperatur in den Stahl diffundiert und sich dort konzentriert. Aufgrund dieses verzögerten Bruchs war die Entwicklung der hochfesten Schraube für strukturelle Arbeiten ungefähr 30 Jahre lang bis in die späten 1990er Jahren auf eine Zugfestigkeit von bis zu 1.100 MPa begrenzt, als eine super-hochfester Schraube mit einer Zugefestigkeit von 1.400 MPa entwickelt wurde (siehe zum Beispiel, Nicht-Patent-Dokument 1).
Allgemein beinhaltet die Herstellung einer hochfesten Schraube die folgenden Schritte: Weichglühen eines Stahlmaterials; Formen eines Schraubenkopfteils durch kaltes Kopfanstauchen; Formen eines Gewindeteils durch Kaltwalzen; und Vergüten der Schraube. Das Patentdokument 2 offenbart, dass der hochfeste Stahl für den Maschinenbau eine Zugfestigkeit von 1.800 MPa oder mehr hat, und ein ausgezeichnete Beständigkeit gegen verzögerten Bruch dadurch erreicht wurde, dass Temperbedingungen und der Gehalt von C, Si, Mn, Cr und Mo definiert wurden. Außerdem wurden ein Herstellungsverfahren und mechanische Eigenschaften der super-hochfesten Schraube unter der Verwendung dieses hochfesten Stahls mit einer Zugfestigkeit von 1.800 MPa für den Maschinenbau berichtet (Patentdokument 2). Es wird darauf hingewiesen, dass es bei den oben genannten hochfesten Stahlmaterial schwierig ist, das Material weichzuglühen und einen Kopfteil durch kaltes Kopfanstauchen auszubilden. Und im Fall der Schraubenform, die gemäß dem japanischen Industriestandard (JIS) definiert ist, wurde das Problem des verzögerten Bruchs noch nicht vollständig überwunden (Nicht-Patent-Dokument 2).
Da bei einer Schraube der Vorgang der Vergütung kompliziert ist, gibt es ein Herstellungsverfahren, bei dem die Vergütungsbehandlung weggelassen wird (ungetemperte Schraube). Das Patentdokument 3 offenbart, dass ein Drahtstift, der durch Kaltziehen eines Stahlmaterials unter Aufwendung hoher Kräfte mit einer feinen Perlitstruktur hergestellt wurde, als ein Rohling zum Erhalten eines bolzenförmigen Materials durch kaltes Kopfanstauchen verwendet wurde und dass die Eigenschaft des verzögerten Bruchs und Entspannung dadurch verbessert werden kann, dass eine Spannungsalterungsbehandlung am bolzenförmigen Material durchgeführt wird. Das Patentdokument 1 offenbart auch, dass nach Ausbildung der Schraube eine Niedertemperaturzähigkeit dadurch verbessert wurde, dass eine Zugspannung einer Elastizitätsgrenze oder darunter an die Schraube angelegt wurde und diese einer Wärmebehandlung unterzogen wurde. Da diese Verfahren aber unter der Bedingung durchgeführt werden, dass die Schraube in Kaltformung ausgebildet wird, sind Form und Größe der Schraube eingeschränkt. Ferner kann, da es notwendig ist, einen Kohlenstoffgehalt auf 0,7 Gewichtsprozent oder höher einzustellen, keine ausnehmend gute Verbesserung der Schlagzähigkeit erwartet werden. Gewichtsprozent ist hier äquivalent zu Masseprozent.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 2006-328473 A ;
Patentdokument 2: JP 3861137 B2 ;
Patentdokument 3: JP 2001-348618 A ;
Patentdokument 4: WO 2007/058364 A1

Aus der US 2007/017610 A1 ist ein hochfester Bolzen bekannt. Des Weiteren offenbart die US 6,605,166 B2 ein Verfahren zum Herstellen eines hochfesten Bolzens mit ausgezeichneter Festigkeit.
Nicht-Patent-Dokumente

Nicht-Patent-Dokument 1: Uno, Nobuyoshi et al.: Super-High-Strength Bolt, „SHTB^®“. In: The Forefront of Strengthening Technology in High Strength Bolted Joint, The 2008 Architechtural Institute of Japan Meeting (Chugoku branch), Structure Section (Steel Structure), Podiumsdiskussionsmaterial;
Nicht-Patent-Dokument 2: Kimura, Yuuji et al.: Fabrication of Ultra High Strength Bolt and its Mechanical Properties. In: Steel Construction Engineering Bd. 14 Nr. 54 (2007), S. 121–127;
Nicht-Patent-Dokument 3: Krauss, George: Steels: Heat Treatment and Processing Pinciples. Materials Park, Ohio: ASM International, 1990, S. 14;
Nicht-Patent-Dokument 4: Kimura, Yuuji et al.: Inverse Temperature Dependence of Toughness in an Ultrafine Grain-Structure Steel. In: Science 320 (2008), S. 1057–1060.

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Die vorliegende Erfindung wurde unter gezielter Berücksichtigung der oben genannten Umstände gemacht, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hochfeste Schraube bereitzustellen, die eine Zugfestigkeit von 1.200 MPa (1,2 GPa) oder mehr hat, während sie eine ausgezeichnete Duktilität und Beständigkeit gegen verzögerten Bruch aufweist, und ferner ausgezeichnete Schlagzähigkeit hat, die bei der herkömmlichen hochfesten Schraube nicht erreicht wurden.
Lösung des Problems
Das Merkmal der hochfesten Schraube gemäß Anspruch 1, die eine Zugfestigkeit von 1,2 GPa oder mehr hat und die einen Gewindeteil und einen zylindrischen Halsteil aufweist, liegt darin, dass die Schraube einen Wert für K von 0,8 oder mehr hat und die Bedingung Ho<Hs erfüllt, wobei Ho und Hs Härten sind, die durch einen Rollprozess zum Bilden des Gewindeteils und einen Kopfbildungsprozess zum Herstellen eines Kopfteils erhalten wurden, wobei K durch die folgende Gleichung (1) definiert ist: (Ao × Ho)/(As × Hs) = K (1) wobei

Ao: eine effektive Querschnittsfläche des zylindrischen Halsteils ist,
Ho: eine Härte nach Vickers eines Teils ist, an dem Ao gemessen wird, welche Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird,
As: eine effektive Querschnittsfläche des Gewindeteils ist und
Hs: eine Härte nach Vickers eines Teils ist, an dem As gemessen wird, wobei die Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird, wobei die Vickers-Härte an einem Test-Querschnitt gemessen wird, den man erhält, indem die Schraube längs einer ihrer Achsen geschnitten wird und indem die Querschnittsfläche auf Hochglanz poliert wird.

Das Merkmal von Anspruch 2 liegt darin, dass die hochfeste Schraube gemäß Anspruch 1 aufweist: weniger als 0,7 Gewichtsprozent C; 3 Gewichtsprozent oder weniger Si; 3 Gewichtsprozent oder weniger Mn; 3 Gewichtsprozent oder weniger Cr; 0,5 Gewichtsprozent oder weniger Al; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger O; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger N; 5,0 Gewichtsprozent oder weniger Mo; 10 Gewichtsprozent oder weniger Ni; 2,0 Gewichtsprozent oder weniger Cu; 1,0 Gewichtsprozent oder weniger Nb; und der Rest im Wesentlichen Fe und unvermeidliche Verunreinigungen.
Das Merkmal von Anspruch 3 liegt darin, dass die hochfeste Schraube gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2 eine Faserstruktur des Korndispersionstyps hat.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Der seit langem bestehende Bedarf nach der praktisch umgesetzten hochfesten Schraube wurde durch einen Warmformungsprozess unter Einsatz einer herkömmlichen Schraubenmaschine erfüllt, wobei die Schraube ein hohes Festigkeitsniveau von 1.200 MPa (1,2 GPa) oder mehr hat, während sie eine hervorragende Duktilität, Beständigkeit gegen verzögerten Bruch und insbesondere eine hohe Schlagzähigkeit aufweist.
Dies liegt an den folgenden Umständen: Durch Einstellen von Ho höher als Hs und Einstellen von K nach der oben angegebenen Gleichung (1) innerhalb des oben genannten Bereichs, kann der Kopfteil der hochfesten Schraube, deren Kopfanstauchen bisher schwierig gewesen war, unter Einsatz einer herkömmlichen Schraubenmaschine bei einer Temperatur, die höher als diejenige für den Gewindeteil ist, einer Kopfanstauchung mittels eines Warmformungsprozesses unterzogen werden; und durch Härten des zylindrischen Halsteils und des Kopfteils, wobei die Härte mit zunehmendem Abstand vom Gewindeteil allmählich geringer wird. Duktilität, Schlagzähigkeit und Beständigkeit gegen verzögerten Bruch, die in einer sich widersprechenden Beziehung zu einer Erhöhung der Härte stehen, können am zylindrischen Halsteil und am Kopfteil erhöht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Kurvendarstellung, die eine Verteilung einer Härte nach Vickers und Eigenschaften einer Schraube zeigt.
2 zeigt vergrößerte Abbildungen eines Bruchstücks und einen benachbarten Bereich nach einem Zugtest einer Schraube des Beispiels SNr. 4 in Tabelle 3.
3 zeigt vergrößerte Abbildungen eines Bruchstücks und einen benachbarten Bereich nach einem Zugtest einer Schraube des Beispiels SNr. 5 in Tabelle 3.
4 zeigt vergrößerte Abbildungen eines Bruchstücks und einen benachbarten Bereich nach einem Zugtest einer Schraube des Beispiels SNr. 6 in Tabelle 3.
Beschreibung von Ausführungsformen
Wie oben beschrieben, gibt es bei Stahl eine sich widersprechende Beziehung zwischen Härte (Festigkeit) auf der einen Seite und Eigenschaften wie Beständigkeit gegen verzögerten Bruch, Zähigkeit, Duktilität und Formbarkeit auf der anderen Seite. Das heißt, dass gemäß den Forschungsergebnissen der Erfinder die Eigenschaften wie Beständigkeit gegen verzögerten Bruch, Zähigkeit, Duktilität und Formbarkeit mit abnehmender Härte (Festigkeit) zunehmen. Die vorliegende Erfindung wurde dahingehend gemacht, dass die Härte des Stahls, wie in 1 gezeigt, eingestellt wurde und Beständigkeit gegen verzögerten Bruch, Zähigkeit, Duktilität und Formbarkeit des Kopfteils erhöht wurden.
Gleichung (1) zeigt, dass die Struktur des zylindrischen Halsteils weicher als diejenige des Gewindeteils ist, in dem der Wert für K 0,8 oder mehr, vorzugsweise 0,9 oder mehr, noch besser 1 beträgt. Wenn der Wert für K kleiner als 0,8 ist, dann bricht die Schraube nicht im Gewindeteil, sondern im zylindrischen Halsteil.
Außerdem wird, wenn der Wert für K zu groß ist, der Durchmesser des zylindrischen Halsteils zu groß, was verhindert, dass die Schraube ihre Funktion als Schraube ganz ausfüllen kann, weshalb es nur verständlich ist, wenn es dabei eine Obergrenze gibt. Wenn die Vielseitigkeit der Schraube berücksichtigt wird, ist es vorzuziehen, wenn die Form der Schraube so ist, wie sie gemäß der JIS-Norm definiert ist. In diesem Fall ist es vorzuziehen, wenn der Wert für K 1,3 oder kleiner ist.
Die oben angegebene Struktur kann dadurch erhalten werden, dass das abgeschreckte Material oder das vergütete Material gemäß den folgenden Verfahren verarbeitet wird.
Zuerst wird ein Endteil des als der Kopfteil der Schraube auszubildenden Materials auf eine Temperatur im Bereich von 350°C bis Ac1 (Temperatur, bei der die Ausscheidung der Austenitphase beginnt) +20°C erwärmt und durch Kopfanstauchen in eine Kopfform gebracht. Dann wird, um den Gewindeteil auszubilden, die Schraube mit einer Erwärmungstemperatur gewalzt, die niedriger als diejenige für den Kopfteil ist. Hierbei kann eine Walztemperatur des Gewindteils je nach der Formbarkeit des Stahlmaterials variieren und kann auch Raumtemperatur betragen.
Ferner ist zum Beispiel in dem Fall der in Tabelle 1 gezeigten chemischen Zusammensetzung Ac1 für die Werkstoffe A und B 795°C bzw. 740°C, berechnet auf der Grundlage der wohlbekannten Formel (Nicht-Patent-Dokument 3). Herkömmlicherweise ist jedoch bekannt, dass für den Fall, dass das Material unter Einsatz einer Hochfrequenz-Heizvorrichtung schnell erhitzt wird, Ac1 die Tendenz hat, im Vergleich mit der oben berechneten Ac1 zu höheren Temperaturen hin verschoben zu werden. Wenn man dies mit berücksichtigt, wird der oben genannte Temperaturbereich als für die Praxis tauglicher angesehen.
Da die chemische Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung nicht auf die in Tabelle 1 gezeigte eingeschränkt ist, ist es ersichtlich, dass die Temperatur, wenn eine andere Zusammensetzung verwendet wird, die die Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllt, nicht auf die oben Beschriebenen eingeschränkt ist, sondern auch ganz leicht aus den wohlbekannten empirischen Formel für Ac1 erhalten werden kann.
Ein bevorzugte chemische Zusammensetzung des Stahlmaterials, das durch das oben genannte Verarbeitungsverfahren in die erfindungsgemäße hochfeste Schraube zu verarbeiten ist, ist wie folgt.
Wenn ein Gehalt von C weniger als 0,7 Gewichtsprozent ist, dann ist es vorzuziehen, wenn die Verbindung Folgendes enthält: 3 Gewichtsprozent oder weniger Si; 3 Gewichtsprozent oder weniger Mn; 3 Gewichtsprozent oder weniger Cr; 0,5 Gewichtsprozent oder weniger Al; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger O; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger N; 5,0 Gewichtsprozent oder weniger Mo; 10 Gewichtsprozent oder weniger Ni; 2,0 Gewichtsprozent oder weniger Cu; und 1,0 Gewichtsprozent oder weniger Nb.
C: C bildet Karbidpartikel und ist das wirksamste Element zur Erhöhung der Festigkeit. Wenn jedoch die Menge 0,70 Gewichtsprozent übersteigt, verringert C die Zähigkeit, weshalb der Gehalt von C auf weniger als 0,70 Gewichtsprozent eingestellt wird. Um die mögliche Festigkeitssteigerung in zufriedenstellender Weise zu erreichen, ist es daher vorzuziehen, wenn der Gehalt von C auf 0,08 Gewichtsprozent oder mehr, mehr vorzugsweise 0,15 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird.
Si: Si ist wirksam zur Desoxidation, zur Steigerung der Festigkeit des Stahls durch Lösung in Ferrit und zur feinen Dispersion von Zementit. Daher ist es vorzuziehen, wenn die Menge von Si auf 0,05 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird, was auch die Menge mit beinhaltet, die als Desoxidationsmittel zulegiert wurde und im Stahl verbleibt. Zum Erzielen einer hohen Festigkeit wird keine Obergrenze für den Si-Gehalt vorgegeben. Wenn jedoch die Bearbeitbarkeit des Stahlmaterials berücksichtig wird, ist es vorzuziehen, wenn der Si-Gehalt auf 2,5 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
Mn: Mn ist wirksam zum Verringern einer Austenitisierungstemperatur und zur Verfeinerung des Austenits, und hat auch eine Wirkung zum Steuern der Härtbarkeit und zum Verzögern der Zementit-Vergröberung durch Lösung im Zementit. Da ein erwünschter Effekt kaum mit einem Gehalt von weniger als 0,05 Gewichtsprozent zu erzielen ist, ist es vorzuziehen, wenn der Mn-Gehalt auf 0,05 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird. Noch mehr vorzuziehen ist es, wenn der Gehalt auf 0,2 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird. Zum Erzielen einer hohen Festigkeit wird keine Obergrenze für den Mn-Gehalt vorgegeben. Wenn jedoch die Zähigkeit des resultierenden Stahlmaterials berücksichtig wird, ist es vorzuziehen, wenn der Mn-Gehalt auf 3,0 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
Cr: Cr ist wirksam zum Verbessern der Härtbarkeit und hat eine hohe Wirksamkeit zum Verzögern des Wachstums von Zementit durch Lösung im Zementit. Cr ist eines der wichtigsten Elemente in der vorliegenden Erfindung dahingehend, dass der Zusatz von Cr in einer relativ großen Menge dazu beiträgt, dass ein Chromkarbid mit hohem Chromgehalt entsteht, das thermisch stabiler als Zementit ist, und die Korrosionsbeständigkeit gesteigert wird. Deshalb ist des vorzuziehen, wenn mindestens 0,01 Gewichtsprozent oder mehr Cr enthalten ist. Cr ist in einer Menge von vorzugsweise 0,1 Gewichtsprozent oder mehr, noch besser von 0,8 Gewichtsprozent oder mehr enthalten. Die Obergrenze ist dabei 3 Gewichtsprozent oder weniger.
Al: Al ist wirksam zur Desoxidation und zur Steigerung der Festigkeit des Stahls durch Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Elementen wie zum Beispiel Ni. Da jedoch durch das Hinzufügen von zu viel Ni die Zähigkeit abnimmt, wird der Gehalt auf 0,5 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt. Für den Fall, dass die intermetallische Verbindung von Al mit anderen Elementen und ein Nitrid oder ein Oxid von Al nicht als Partikel einer Dispersion sekundärer Phasen verwendet werden, ist es vorzuziehen, wenn ein Gehalt von 0,02 Gewichtsprozent oder weniger, weiter einschränkend auf 0,01 Gewichtsprozent oder weniger, eingestellt wird.
O: O (Sauerstoff) dient im Endeffekt als ein Partikel zur Steuerung des Kornwachstums sowie ein Partikel zur Verstärkung der Dispersion und nicht als ein Einschluss, wenn O als Oxid fein und gleichmäßig verteil ist. Da jedoch durch das Hinzufügen von zu viel Sauerstoff die Zähigkeit abnimmt, wird der Gehalt auf 0,3 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt. Für den Fall, dass das Oxid nicht als Partikel einer Dispersion sekundärer Phasen verwendet werden, ist es vorzuziehen, wenn der Gehalt auf 0,01 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
N: N (Stickstoff) dient im Endeffekt als ein Partikel zur Steuerung des Kornwachstums sowie ein Partikel zur Verstärkung der Dispersion, wenn N als Nitrid fein und gleichmäßig verteil ist. Da jedoch durch das Hinzufügen von zu viel Stickstoff die Zähigkeit abnimmt, wird der Gehalt auf 0,3 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt. Für den Fall, dass das Nitrid nicht als Partikel einer Dispersion sekundärer Phasen verwendet wird, ist es vorzuziehen, wenn der Gehalt auf 0,01 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
Mo: Mo ist in der vorliegenden Erfindung ein Element, das dazu wirksam ist, eine hohe Festigkeit des Stahls zu erzielen, und verbessert nicht nur die Härtbarkeit des Stahls, sondern Mo in kleiner Menge löst sich auch im Zementit, um den Zementit thermisch stabil zu machen. Insbesondere trägt Mo zur Erhöhung der Festigkeit des Stahls durch sekundäre Härtung, durch Keimbildung der Karbidlegierung an Versetzungen in der Matrixphase, getrennt vom Zementit, bei. Zusätzlich ist die gebildete Karbidlegierung zum Wasserstoffeinschluss und auch zur Kornverfeinerung wirksam. Deshalb ist es vorzuziehen, wenn der Gehalt auf 0,1 Gewichtsprozent oder mehr, mehr vorzuziehen auf 0,5 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird. Mo ist jedoch teuer, und die Hinzufügung von zu viel Mo bildet grobe unlösliche Karbid- oder intermetallische Verbindungen, durch die die Zähigkeit abnimmt. Deshalb wird die Obergrenze für den Mo-Gehalt auf 5 Gewichtsprozent festgelegt. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es vorzuziehen, wenn der Gehalt auf 2 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
Zusätzlich zeigen auch W, V, Ti, Nb und Ta ähnliche Wirkung wie Mo, und die oben angegebene Obergrenze, die dem Gehalt an Mo entspricht, kann für jedes Element eingestellt werden. Ferner ist ein kombinierter Zusatz dieser Elemente zum feinen Dispergieren der die Dispersion verstärkenden Partikel wirksam.
Ni: Ni ist wirksam zum Verbessern der Härtbarkeit und hat den Effekt zum Verfeinern des Austenits durch Senken der Austenitisierungstemperatur, und zum Steigern der Zähigkeit und der Korrosionsbeständigkeit. Außerdem trägt der Zusatz von Ni in entsprechender Menge auch zur Auscheidungshärtung des Stahls durch Bildung einer intermetallischen Verbindung mit Ti oder Al bei. Da ein erwünschter Effekt nicht mit einem Gehalt weniger als 0,01 Gewichtsprozent erreicht werden kann, ist es vorzuziehen, den Gehalt auf 0,01 Gewichtsprozent oder mehr einzustellen. Mehr vorzuziehen ist es, wenn der Gehalt of 0,2 Gewichtsprozent oder mehr eingestellt wird. Es ist zwar keine Obergrenze für den Ni-Gehalt vorgesehen, doch ist es vorzuziehen, die Obergrenze auf 9 Gewichtsprozent oder weniger einzustellen, da Ni ein teures Element ist.
Cu: Cu ist zwar ein schädliches Elemente, das eine Warmbrüchigkeit verursachen kann, doch trägt der Zusatz von Cu in einer entsprechenden Menge zu einer Ausscheidung von feinen Kupferpartikeln bei 500°C bis 600°C bei, die den Stahl fester machen. Da ein Zusatz in einer großen Menge zu Warmbrüchigkeit führt, wird der Kupfergehalt auf 2 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt, was fast die maximal in dem Ferrit lösliche Menge ist.
Für den Fall, dass eine Steigerung einer hohen Festigkeit durch Ausscheidung der feinen intermetallischen Verbindung gewünscht wird, ist es auch wirkungsvoll, Co in einer Menge von 15 Gewichtsprozent oder weniger mit einzubeziehen.
Für P (Phosphor) und S (Schwefel) sind zwar keine Mengen im Einzelnen festgelegt, doch ist es wünschenswert, P und S so weit wie möglich auszuschließen, da durch sie die Korngrenzenfestigkeit sinkt, weshalb der Gehalt dieser Elemente jeweils 0,03 Gewichtsprozent oder weniger eingestellt wird.
Ferner ist es akzeptabel, verschiedene Elemente mit einzubeziehen, die nicht die oben erwähnten Elemente sind, solange sie die Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen.
Es wurde berichtet, dass, wenn Stahlmaterial erzeugt wird, das eine Faserstruktur des Partikeldispersionstyps hat, die Duktilität, die Beständigkeit gegen verzögerten Bruch und insbesondere die Schlagzähigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Stählen beträchtlich verbessert werden, selbst wenn die Zugfestigkeit 1.500 MPa oder mehr ist (siehe Patentdokument 4 und Nicht-Patent-Dokument 4).
In der vorliegenden Erfindung kann eine solche Schraube mit der oben genannten Faserstruktur des Partikeldispersionstyps in der folgenden Weise hergestellt werden.
Das Material wird vor der Ausbildung der Schraube vergütet. Das getemperte Material wird einer Warmbearbeitung mit einer Verkleinerung der Querschnittsfläche um 30% oder mehr in einem Temperaturbereich von 350°C bis Ac1 von Stahl +20°C unterzogen, um so eine Faserstruktur in einer Längsrichtung zu erhalten. Nachfolgend wird der Kopfteil in einem warmen Temperaturbereich geformt, in dem eine Kopfanstauchung möglich ist. Der Gewindeteil wird durch Gewindewalzen in einem Temperaturbereich ausgebildet, der unter demjenigen liegt, der für den Kopfteil eingesetzt wird, so dass die Faserstruktur nicht verloren geht. Hierdurch wird ermöglicht, dass der Gewindeteil eine beträchtlich gesteigerte Duktilität, Beständigkeit gegen verzögerten Bruch und Zähigkeit hat. Im Ergebnis wird eine hochfeste Schraube hergestellt, die fester und zäher ist.
Hierbei wird der warme Temperaturbereich von 350°C bis Ac1 +20°C eingestellt. Da eine schnelle plastische Verformung während der Kopfanstauchung des Kopfteils angewendet wird, kann die dabei generierte Wärme die Temperatur so weit erhöhen, dass sie den oben erwähnten Temperaturbereich übersteigt, selbst wenn die Temperatur vor der Bearbeitung innerhalb des oben genannten Temperaturbereichs ist. Trotzdem handelt es sich hierbei um eine vorübergehende Erscheinung, und die Metallstruktur wird dadurch nicht vergröbert.
Zum zuverlässigen Erhalten des Materials mit der Faserstruktur des Partikeldispersionstyps vor der Schraubenformung ist es nötig, nicht nur auf die Prozessbedingungen, sondern auch auf die chemische Zusammensetzung des Stahls zu achten.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde nach einer Untersuchung von Auswirkungen, die je nach den Walzbearbeitungsbedingungen und den Schraubenbearbeitungsbedingungen mit der Verwendung von Stählen, die verschiedene Bestandteile enthielten, variierten, herausgefunden, dass zum Erhalten ausgezeichneter Eigenschaften, insbesondere Zähigkeit, es wünschenswert ist, den Kohlenstoffgehalt auf weniger als 0,7 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,6 Gewichtsprozent oder weniger, mehr vorzuziehen auf 0,5 Gewichtsprozent einzustellen. Außerdem ist es zum Erhalten einer starken Erhöhung der Festigkeit durch Erhöhung der Härtbarkeit und der Temper-Erweichungs-Beständigkeit vorzuziehen, wenn der Stahl 3 Gewichtsprozent oder weniger Si, 3 Gewichtsprozent oder weniger Mn, 3 Gewichtsprozent oder weniger Cr, 0,5 Gewichtsprozent oder weniger Al, 0,3 Gewichtsprozent oder weniger O, 0,3 Gewichtsprozent oder weniger N, 5,0 Gewichtsprozent oder weniger Mo, 10 Gewichtsprozent oder weniger Ni, 2,0 Gewichtsprozent oder weniger Cu und 1,0 Gewichtsprozent oder weniger Nb enthält.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung noch weiter im Einzelnen anhand der folgenden Beispiele beschrieben, während die vorliegende Erfindung auf diese Beispiele nicht eingeschränkt ist.
Beispiele

Tabelle 1 zeigt chemische Zusammensetzungen von Stählen, die für Schraubenwerkstoffe verwendet werden. Werkstoff A weist die chemische Zusammensetzung des Stahls auf, der ein hervorragendes Verhalten in der Beständigkeit gegen verzögerten Bruch zeigte, das in Entgegenhaltung 2 offenbart ist. Werkstoff B entspricht dem Stahl SCM440 gemäß JIS-Norm. Für die vergüteten Werkstoffe wurden Stahlstangen mit einer Querschnittsfläche von ungefähr 2 cm² vorbereitet. Die Stahlstangen der Werkstoffe A und B wurden von 950°C bzw. 920°C aus abgeschreckt und dann bei 500°C bzw. 400°C eine Stunde lang getempert. Hinsichtlich der Werkstoffe mit der Faserstruktur des Partikeldispersionstyps wurden Stangen mit einer quadratischen Querschnittsfläche von 9 cm² vorbereitet. Dann wurden die Stangen aus den Werkstoffen A und B von 950°C bzw. 920°C aus abgeschreckt, um dadurch martensitische Strukturen von fast 100 Volumenprozent zu erhalten. Hierbei war die vorherige austenitische Korngröße ungefähr 50 µm. Nachfolgend wurden die Werkstoffe A und B bei 500°C bzw. 400°C eine Stunde lang getempert, dann in einem Rillenwalzwerk behandelt, um dadurch Stangen mit einer auf 2 cm² verringerten Querschnittsfläche herzustellen. Tabelle 2 zeigt mechanische Eigenschaften der Werkstoffe mit der Faserstruktur des Partikeldispersionstyps für die Werkstoffe A und B (AF bzw. BF), und die vergüteten Werkstoffe A und B (AQ bzw. BQ). Insbesondere wenn das Gefüge des Werkstoffs eine Faserstruktur des Partikeldispersionstyps war, wurde hinsichtlich der beim Charpy’schen Kerbschlagbiegeversuch erreichten absorbierten Schlagenergie (JIS-Z-2242) ein genügend hoher Wert von 100 J oder mehr erreicht, auch wenn die Zugfestigkeit 1.500 MPa oder mehr war. Tabelle 1

Stahltyp	A	B
C	0.39	0.4
Si	2.01	0.2
Mn	0.21	0.7
P	< 0.001	0.01
S	< 0.001	0.002
Ni	-	0.23
Cr	1.02	1
Mo	1	0.17
Al	0.004	0.012
Cu	-	0.04
O	0.001	-
N	0.0022	-
Fe	Rest	Rest

Tabelle 2

Beispiel Nr.	Stahltyp	0,2 % Dehngrenze (GPa)	Zugfestigkeit TS(GPa)	Gesamtdehnung (%)	Querschnittsverkleinerung (%)	Charpy’scher Kerbschlagbiegeversuch vE20(J)
1	AF	1.86	1.87	14.3	43	277
2	AQ	1.51	1.82	9.2	28	14
3	BF	1.52	1.53	10.9	46	105
4	BQ	1.44	1.61	8.6	43	13

Nach der Herstellung der Schraube wurde zuerst ein Endteil der jeweiligen erhaltenen stangenförmigen Stahlwerkstoffe auf die in Tabelle 3 gezeigte Temperatur erhitzt, um einen Schraubenkopf auszubilden. Dann wurde die Schraube in einer solchen Weise auf eine Temper-Temperatur erhitzt, dass die Materialeigenschaften nicht beeinträchtigt wurden, und dann wurde der Gewindeteil mit einer Gewindewalzbacke geformt, um dadurch eine Schraube mit einem nach JIS mit M12 bezeichneten Standard herzustellen. Die mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Schraube sind in Tabelle 3 gezeigt. Anhand eines Querschnittsteils, das durch Durchschneiden der Schraube entlang ihrer Längsachse und Polieren der Schnittfläche auf Hochglanz hergestellt wurde, wurde die Härte gemäß einem Testverfahren gemessen, das in JIS-Z-2244 vorgeschrieben ist, unter der Verwendung einer Vickers-Härte-Prüfmaschine mit einer Last von 1 kg mit einer Belastungszeit von 15 Sekunden. Die Zugeigenschaft der Schraubenprodukte wurde mit einem Zugtest unter der Verwendung eines Keils (Keilwinkel von 4°) gemäß JIS-B-1186 geprüft.
In Tabelle 3 sind die S-Nummern 1, 4, 5, 7, 9–13 und 16 Beispiele der vorliegenden Erfindung und die anderen Vergleichsbeispiele.
In einer Spalte „Bruchstück“ sind diejenigen, die als „Gewindeteil“ aufgeführt sind, Proben, die im Gewindeteil brachen, und diejenigen, die als „Halsteil“ aufgeführt sind, Proben, die im zylindrischen Halsteil brachen.
Der oben erwähnte Warmbearbeitungsprozess ermöglichte eine Herstellung einer Schraube mit einem Sechskantkopf, der die JIS-Norm erfüllte, selbst mit Werkstoff A, der ein Problem bei der kalten Kopfanstauchung hatte. Der Gewindeteil der so erhaltenen Schraube hatte eine hohe Härte von Hv 420 oder mehr, während der zylindrische Halsteil eine Härte von Hv 280–400 und eine hohe Beständigkeit gegen verzögerten Bruch hatte (entsprechend einer Zugfestigkeit von 880–1.250 MPa). Die JIS-Schrauben brachen am Gewindeteil, wenn der Wert für K 0,8 oder mehr war, während die JIS-Schrauben, wenn der Wert für K weniger als 0,8 war, am zylindrischen Halsteil brachen. In dem Fall eines Bruchs am zylindrischen Halsteil, war die Zugfestigkeit der Schraube niedriger als diejenige im Fall eines Bruchs am Gewindeteil, weshalb dann die Festigkeitseigenschaft der Schraube nicht erfüllt war. Das heißt, dass die zu erzielende Schraube dadurch hergestellt wurde, dass der Werkstoff in einer solchen Weise warm geformt wurde, dass der Wert für K bei 0,8 oder mehr eingestellt ist.
Industrielle Anwendbarkeit
Eine hochfeste Schraube kann vorgesehen werden, die immer noch eine Zugfestigkeit von 1.200 MPa oder mehr hat, während sie eine hervorragende Duktilität und Beständigkeit gegen verzögerten Bruch aufweist, und ferner eine hervorragende Schlagzähigkeit hat, die bei der herkömmlichen hochfesten Schraube nicht erreicht wurde.

Claims

Hochfeste Schraube, die eine Zugfestigkeit von 1,2 GPa oder mehr hat und die einen Gewindeteil und einen zylindrischen Halsteil aufweist, wobei die Schraube einen Wert für K von 0,8 oder mehr hat und die Bedingung Ho < Hs erfüllt, wobei Ho und Hs Härten sind, die durch einen Rollprozess zum Bilden des Gewindeteils und einen Kopfbildungsprozess zum Herstellen eines Kopfteils erhalten wurden, wobei K durch die folgende Gleichung (1) definiert ist: (Ao × Ho)/(As × Hs) = K (1) wobei Ao eine effektive Querschnittsfläche des zylindrischen Halsteils ist, Ho eine Vickers-Härte eines Teils ist, bei dem Ao gemessen wird, welche Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird, As eine effektive Querschnittsfläche des Gewindeteils ist, und Hs eine Härte nach Vickers eines Teils ist, an dem As gemessen wird, wobei die Vickers-Härte gemäß einem in JIS-Z-2244 beschriebenen Testverfahren gemessen wird, wobei die Vickers-Härte an einem Test-Querschnitt gemessen wird, den man erhält, indem die Schraube längs einer ihrer Achsen geschnitten wird und indem die Querschnittsfläche auf Hochglanz poliert wird.
Hochfeste Schraube gemäß Anspruch 1, umfassend: weniger als 0,7 Gewichtsprozent C; 3 Gewichtsprozent oder weniger Si; 3 Gewichtsprozent oder weniger Mn; 3 Gewichtsprozent oder weniger Cr; 0,5 Gewichtsprozent oder weniger Al; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger O; 0,3 Gewichtsprozent oder weniger N; 5,0 Gewichtsprozent oder weniger Mo; 10 Gewichtsprozent oder weniger Ni; 2,0 Gewichtsprozent oder weniger Cu; 1,0 Gewichtsprozent oder weniger Nb; und der Rest im Wesentlichen Fe und unvermeidliche Verunreinigungen.
Hochfeste Schraube gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einer Faserstruktur des Partikeldispersionstyps.