DE69525276T2

DE69525276T2 - Befestigungselement mit Gewinde aus legiertem Stahl mit hoher Ermüdungsbeständigkeit und dessen Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69525276T2
Application number: DE1995625276
Authority: DE
Inventors: Gerard Libouban
Original assignee: Regie Autonome des Transports Parisiens
Current assignee: Regie Autonome des Transports Parisiens
Priority date: 1994-04-29
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2015-04-29
Also published as: FR2719346B1; FR2719346A1; DE69525276D1; ES2171510T3; EP0679724A1; EP0679724B1

Description

Die Erfindung betrifft mit Gewinde versehene Befestigungselemente aus legiertem Stahl, die vorgesehen sind, große dynamische Beanspruchungen auszuhalten und deshalb eine hohe Ermüdungsbeständigkeit aufweisen müssen, beispielsweise Schrauben, Bolzen und dergleichen, für direkte oder indirekte elastische Verbindungen von Eisenbahnschienen oder eine beliebige andere Verwendung, für welche dieser Typ eines Befestigungselements eingesetzt wird, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Auf dem Gebiet der Bolzen hat es sich als notwendig erwiesen, über ein Metallgefüge und eine Verteilung der mechanischen Spannungen, die es ihnen erlauben, großen dynamischen Amplituden ausgesetzt zu werden, in einem breiten Abmessungsbereich verfügen zu können.
Dazu ist eine Anzahl von Lösungen in Betracht gezogen worden, insbesondere die Herstellung von Stahlbolzen aus warmgeschmiedeten Rohlingen, deren mit Gewinde zu versehender Bereich bei Räumtemperatur blankgezogen wird, wonach ein Gewindewalzen erfolgt; als Abwandlung ist ein wie zuvor beschriebener Bolzen vorgesehen worden, der aber vor dem Gewindewalzen einem Erholungsglühen unterworfen wird, und eine weitere Lösung besteht in der Herstellung von Bolzen wie im ersten Fall, doch aus legiertem Stahl, mit Vergüten nach dem Gewindewalzen.
Diese Lösungen haben jedoch in der Praxis nur zu unvollkommenen Ergebnissen geführt, weshalb es sich als erforderlich erwiesen hat, sie zu vervollkommnen.
Dazu betrifft die Erfindung ein Befestigungselement aus legiertem Stahl, das mit einem Gewinde versehen und dadurch gekennzeichnet ist, dass es aus niedriglegiertem Borstahl der Sorte 38CB1 besteht, dessen Kohlenstoffgehalt 0,34 bis 0,38% und dessen Schwefel- und Phosphorgehalt jeweils höchsten 0,020% beträgt.
Durch sorgfältige Auswahl der Stahlsorte ist es möglich, das Werkstück einer speziellen Wärmebehandlung zu unterziehen und die Fertigung des Gewindes an diese Behandlung anzupassen, um das gewünschte Ergebnis zu erhalten.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines wie weiter oben beschriebenen Befestigungselements, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein niedriglegierter Borstahl, dessen Kohlenstoffgehalt 0,34 bis 0,38% und dessen Schwefel- und Phosphorgehalt jeweils höchsten 0,020% beträgt, ausgewählt, dieser Stahl zu einem Rohteil für das Befestigungselement warmgeschmiedet und das erhaltene Werkstück etwa dreißig Minuten lang auf etwa 870ºC erhitzt und anschließend gehärtet wird.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale und Vorteile werden an Hand der folgenden Beschreibung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform erläutert.
Erfindungsgemäß werden die mit Gewinde versehenen Elemente, die zur Befestigung von insbesondere elastischen Verbindungen von Eisen- oder S-Bahnschienen vorgesehen sind, wie Schrauben, Bolzen und dergleichen, aus niedriglegiertem Borstahl der Sorte 38CB1 hergestellt.
Während jedoch die üblichen Grenzgehalte dieser Stahlsorte:
- Kohlenstoff: 0,32 bis 0,42%,
- Schwefel: höchstens 0,040% und
- Phosphor: höchstens 0,040%
betragen, wird im vorliegenden Fall ein Borstahl gewählt, dessen Gehalte folgende Grenzwerte haben:
- Kohlenstoff: 0,34 bis 0,38%,
- Schwefel: höchstens 0,020% und
- Phosphor: höchstens 0,020%.
Aus diesem Stahl wird, unabhängig davon, ob von einem blankgezogenen Rundstahl ausgegangen wird oder nicht, durch Warmschmieden ein Rohling des Werkstücks, beispielsweise des mit einem Kopf versehenen Bolzens, erzeugt, anschließend wird, wenn nicht von einem blankgezogenen Rundstahl ausgegangen worden ist, der Durchmesser des/der Bereichs/Bereiche, der/die mit einem Gewinde zu versehen ist/sind, bei Raumtemperatur reduziert, wonach das Werkstück in beiden Fällen etwa dreißig Minuten lang auf etwa 870ºC erhitzt (Austenitisierungsglühen), in Öl abgeschreckt, ein die Zähigkeit verbesserndes Anlassen durchgeführt, indem das Werkstück auf etwa 625ºC erhitzt (vorzugsweise 625ºC ± 5ºC) wird, in diesem Temperaturgebiet etwa 1 h 45 min lang gehalten und in Wasser auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
Das die Zähigkeit verbessernde Anlassen besteht darin, bei einer Temperatur anzulassen, die höher als diejenige des für diese Stahlsorte üblichen Anlassens ist, mit einer Toleranz der vorgeschlagenen Temperatur von nur ±5ºC, und die Behandlung eine Zeit lang halten, die sehr viel länger als die übliche Dauer ist. Das übliche Anlassen für diese Stahlsorte 38CB1 besteht aus einem etwa einstündigen Erhitzen zwischen 450 und 550ºC mit ±50ºC.
Danach wird das Gewinde durch Gewindewalzen bei Raumtemperatur erzeugt. Dabei ist es wichtig, das Werkstück nach dem Gewindewalzen nicht, auch nicht bei niedriger Temperatur, wärmezubehandeln.
Es wurden Vergleichsversuche mit Bolzen durchgeführt, die zwei verschiedene Geometrien hatten, deren jeweilige Abmessungen untereinander identisch und welche aus unterschiedlichen Stahlsorten ohne Wärmebehandlung hergestellt waren, und die einigen Wärmebehandlungen unterzogen wurden. Bolzen 1 war ein Nockenbolzen mit einem Durchmesser von 18 mm, einer Länge unter dem Kopf von 180 mm und einer Gewindelänge von 45 mm; Bolzen 2 hatte einen Durchmesser von 22 mm, eine Gesamtlänge von 184 mm, eine Gewindeende mit einer Länge von 40 mm und am anderen Ende ein Schwellenschraubengewinde mit einer Steigung von 12,5 mm und einer Gewindehöhe von 3,25 mm, das ein asymmetrisches Trapezprofil mit einer Basis von etwa 4,5 mm aufwies; der Gesamtaußendurchmesser betrug 23 mm.
Die Meßwerte sind in folgender Tabelle aufgeführt: Bolzen 1 (Nockenbolzen), 18 Bolzen 1 (Nockenbolzen), 18 (Fortsetzung) Bolzen 2 (Schwellenschraubenbolzen), 23 x 184
Die Probekörper Nr. 1 waren nicht wärmebehandelt worden. Die Probekörper Nr. 2 und 3 waren nach dem Gewinderollen einem Härten und herkömmlichen Anlassen unterzogen worden.
Die Probekörper Nr. 4 waren vor dem Gewinderollen geglüht worden.
Die Probekörper Nr. 5 waren erfindungsgemäße Bolzen.
Die Vergrößerung der Dauerhaltbarkeit bei den erfindungsgemäßen Befestigungselementen ist beträchtlich, da die Amplitude der Dauerschwingbeanspruchung sich fast verdoppelt hat; weiterhin zeigt sich, dass dem mit Gewinde versehenen Befestigungselement von der Gesamtheit der weiter oben beschriebenen Parameter ein Metallgefüge und eine Verteilung der mechanischen Spannungen verliehen wird, die es erlauben, bei dynamischen Zug- und Biegebeanspruchungen eine hohe Dauerhaltbarkeit der Bolzen zu erhalten.

Claims

1. Befestigungselement aus legiertem Stahl, das mit einem Gewinde versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass es aus niedriglegiertem Borstahl der Sorte 38CB1 besteht, dessen Kohlenstoffgehalt 0,34 bis 0,38% und dessen Schwefel- und Phosphorgehalt jeweils höchsten 0,020% beträgt.

2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Blankstahl besteht.

3. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus warmgeschmiedetem Stahl besteht und einen blanken Gewindebereich umfasst, dessen Durchmesser zuvor bei Raumtemperatur reduziert worden ist.

4. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es aus ölgehärtetem austenitischem Stahl besteht.

5. Befestigungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Vergütungsstahl besteht.

6. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es einen kaltgewalzten Gewindebereich umfasst.

7. Verfahren zur Herstellung eines Befestigungselements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein niedriglegierter Borstahl, dessen Kohlenstoffgehalt 0,34 bis 0,38% und dessen Schwefel- und Phosphorgehalt jeweils höchsten 0,020% beträgt, ausgewählt, dieser Stahl zu einem Rohteil für das Befestigungselement warmgeschmiedet und das erhaltene Werkstück etwa dreißig Minuten lang auf etwa 870ºC erhitzt und anschließend gehärtet wird.

8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schmieden des Rohteils und vor Erhitzen des Werkstücks auf etwa 870ºC der Durchmesser mindestens eines mit Gewinde zu versehenden Bereichs durch Kaltumformung reduziert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach dem Härten erneut auf etwa 625ºC erhitzt, bei dieser Temperatur etwa 1 h 45 min lang gehalten und danach abgekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück auf eine Temperatur von 620 bis 630ºC erhitzt und, nachdem seine Temperatur etwa 1 h 45 min lang in diesem Bereich gehalten worden ist, mit. Wasser auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Gewindes nach diesen Wärmebehandlungen ein Kaltwalzen des/der mit Gewinde zu versehenden Bereichs/Bereiche durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Gewindes nach diesen Wärmebehandlungen ein Kaltwalzen des/der mit Gewinde zu versehenden Bereichs/Bereiche durchgeführt wird und eine nachfolgende Wärmebehandlung entfällt.