Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube, insbesondere für harte mineralische Substrate, beispielsweise für Beton, und eine solche selbstschneidende Schraube.

Schrauben aus austenitischen oder ferritischen Stählen oder aus Mehrphasenstählen können zwar vergleichsweise korrosionsbeständig ausgeführt werden, häufig sind sie jedoch nicht ausreichend hart und verschleissbeständig, um in harten, abrasiven Untergründen wie Beton selbstbohrend und/oder gewindeschneidend angewandt zu werden. Es ist daher, beispielsweise aus der EP 2 204 244 A1 bekannt, im Gewindegang zusätzliche Hartmetallschneiden vorzusehen, welche auch in harten Untergründen die erforderliche Schneidhaltig- keit gewährleisten.

Bestimmte Typen von martensitischen Stählen können zwar die zum Schneiden von Beton erforderlichen Härten erreichen, sind aber dann in der Regel nur mässig korrosionsbeständig. Beispielsweise aus der WO 88/05991 A2 ist es daher bekannt, in ein und derselben Schraube unterschiedliche Werkstoffe zu kombinieren, um einerseits ausreichende Korrosionsbeständigkeit an Schaft und Kopf und andererseits ausreichende Schneidhaltigkeit im Bereich der Bohrspitze zu erreichen. Solche mehrteiligen Schrauben erfordern jedoch relativ aufwändige und teure Fügeoperationen, die unter bestimmten Umständen auch die Produkteigenschaften nachteilig beeinflussen können.

Die EP 0 652 300 A1 offenbart ein Wärmebehandlungsverfahren zur Bildung einer austenitischen Randschicht mit einem Gehalt an gelöstem Stickstoff in endformnahen Teilen aus nichtrostendem Stahl durch Aufsticken bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1200 °C in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre und nachfolgende Abkühlung mit einer solchen Geschwindigkeit, dass eine Nitridausscheidung vermieden wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube und eine selbstschneidende Schraube anzugeben, die bei niedrigen Herstellungs- kosten und einfacher Fertigung eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit, eine besonders hohe Zuverlässigkeit, und insbesondere ein besonders gutes Setz- und Lastabtragverhalten gewährleisten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Schraube mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen einer selbstschneidenden Schraube ist vorgesehen, dass ein Rohling aus einem martensitisch härtbaren Stahl bereitgestellt wird, aus dem Rohling eine Schraubenform mit einem Schraubenschaft und einem am Schraubenschaft angeordneten Schneidgewinde gefertigt wird, und die Schraubenform anschliessend bei einer Temperatur grösser 900°C, insbesondere grösser 1000°C, vorzugsweise zwischen 1000°C und 1200°C, in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre gehärtet wird.

Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, bei der Herstellung von selbstschneidenden Schrauben einen martensitisch härtbaren Stahl einzusetzen, der in einem Hochtemperaturhärtungsverfahren unter Stickstoffatmosphäre gehärtet wird. Dieser thermochemische Prozess führt zu einer Aufstickung der Randzone und damit verbunden zu einer gegenüber dem Grundwerkstoff erhöhten Härte. Die erfindungsgemässe Verfahrensführung hat im Zusammenhang mit selbstschneidenden Schrauben unter anderem zwei wesentliche Vorteile:

- Im Gegensatz zum Niedrigtemperaturhärten, mit dem sich nur relativ dünne Randschichten erzeugen lassen, können mit dem erfindungsgemässen Hochtemperaturverfahren Randschichtdicken im Bereich einiger 100 μηι ohne besonderen Zusatzaufwand realisiert werden. Es können also Schichtdicken erzeugt werden, die in der Grössenordnung der Querschnittsabmessungen typischer Schneidgewinde liegen, und daher kann ein ausreichendes Verschleissvolumen (typischerweise >0,2 mm) realisiert werden. Unerwünschte Deformationen des Schneidgewindes beim selbstschneidenden Einschrauben können somit vermieden werden, so dass ein besonders gutes Setzverhalten gegeben ist. Der Grund für die vergleichsweise grossen Schichtdicken wird darin gesehen, dass es bei den erfindungsgemäss vorgesehenen Temperaturen an der Metalloberfläche zu einer Dissoziierung des molekularen Stickstoffs in Einzelatome kommt, welche durch die bei hohen Temperaturen rasch vonstattengehenden Diffusionsvorgänge vergleichsweise gut in den Stahl eindiffundieren können. - Mit dem erfindungsgemässen Hochtemperaturverfahren kann die Korrosionsbeständigkeit des Grundwerkstoffs erhöht werden. Dies erlaubt es, mässig korrosionsbeständige aber relativ harte Grundwerkstoffe einzusetzen, mit denen die Schneidhaltigkeit weiter verbessert werden kann. Der Grund für die vergleichsweise grosse erreichbare Korrosionsbeständigkeit wird darin gesehen, dass der Stickstoff nicht in Form von Nitriden, sondern im Eisengitter gelöst vorliegt.

Die Erfindung kann es insbesondere ermöglichen, einstückige korrosionsbeständige und schneidhaltige selbstschneidende Schrauben für die Verwendung in harten und/oder abrasi- ven Untergründen herzustellen. Die Korrosionsbeständigkeit ist dabei ausreichend hoch für die Verwendung im Aussenbereich oder im feuchten Innenbereich und die Schneidhaltigkeit ist ausreichend für das Schneiden eines Gewindes in mineralischen Untergründen (z.B. Beton, Vollziegel, ...) bzw. in Stahluntergründen. Derartige Schrauben können erfindungsge- mäss auch ohne Fügeoperation einstückig, d.h. als "monolithische Schrauben", hergestellt werden.

Besonders bevorzugt ist es, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Kohlenstoffgehalt kleiner 0,07% aufweist. Durch die Verwendung solcher Weichmartensite kann eine besonders gute Beständigkeit gegen Wasserstoffver- sprödung und eine besonders hohe Kernduktilität erreicht werden. Dies wiederum erlaubt einen besonders guten Lastabtrag. Da erfindungsgemäss die Randhärte durch Aufsticken vergrössert ist, kann die relativ geringe Kernhärte (Kernzugfestigkeit der Schaube beispielsweise kleiner 1 100 MPa), die sich bei kleinen Kohlenstoffgehalten ergibt, ohne wesentliche Beeinträchtigung der Schneidhaltigkeit realisiert werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Kohlenstoffgehalt grösser 0,02%, insbesondere grösser oder gleich 0,03% aufweist. Die damit einhergehende Kernhärte kann gewährleisten, dass die beim Eindrehen der Schraube in Beton auftretenden relativ grossen Drehmomente zuverlässig übertragen werden können.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Stahl des Rohlings einen Chromgehalt grösser 12% und/oder einen Nickelgehalt grösser 2,5% aufweist. Hiermit kann, auch bei den genannten relativ niedrigen Kohlenstoffgehalten, eine besonders umfassende mar- tensitische Gefügestruktur realisiert werden. Daneben wird auch die Korrosionsbeständigkeit sowie die Zähigkeit weiter verbessert. Weiterhin ist es zweckmässig, dass der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch die fertige Schraube einen Molybdängehalt grösser 0,3% aufweist. Durch Zulegieren von Molybdän kann die Beständigkeit in chloridhaltiger Umgebung weiter erhöht werden.

Soweit in der vorliegenden Anmeldung prozentuale Mengenangaben enthalten sind, kann es sich in fachüblicher Weise hierbei insbesondere um Massenprozentangaben handeln.

Beispielsweise kann der Stahl des Rohlings und somit vorzugsweise auch der fertigen Schraube X3CrNiMo13-4 (1.4313) sein. Dieser verbindet gute Tieftemperaturzähigkeit mit hoher Festigkeit. Insbesondere kann eine Tieftemperaturzähigkeit von grösser 27J (ISO-V) bei -20°C vorgesehen sein.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schraubenform ein Drehangriffsmittel zum, vorzugsweise formschlüssigen, Übertragen eines Drehmoments auf den Schraubenschaft aufweist. Vorzugsweise wird die Schraubenform mitsamt dem Drehangriffsmittel, insbesondere bei der erfindungsgemässen Temperatur und in der erfindungsgemässen stickstoffhaltigen Gasatmosphäre, gehärtet. Gemäss dieser Ausführungsform wird auch das Drehangriffsmittel der Schraube aus dem martensitisch härtbaren Stahl gefertigt und anschliessend hochtempera- turgehärtet. Die Schraube ist also vorzugsweise einstückig ausgebildet, und zwar insbesondere einschliesslich des Drehangriffsmittels. Das Drehangriffsmittel kann insbesondere einen Aussenmehrkant oder einen Innenmehrkant aufweisen. Beispielsweise kann das Drehangriffsmittel ein Schraubenkopf mit einem Aussenmehrkant oder einem Innenmehrkant sein.

Geeigneterweise wird die Schraubenform am Ende des Härteprozesses so schnell abgeschreckt, dass eine Nitridausscheidung vermieden wird. Hierdurch kann die Festigkeit und die Korrosionsbeständigkeit noch weiter verbessert werden. Beim Abschrecken wird auch das martensitische Gefüge metastabil konserviert.

Weiterhin ist es erfindungsgemäss, dass die Schraubenform im Anschluss an das Härten und gegebenenfalls an das Abschrecken angelassen wird, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 150°C und 450°C. Durch das Anlassen kann ein Restaustenitanteil im Martensit reduziert werden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Festigkeit auswirkt. Darüber hinaus erhöht sich die Duktilität der Schraube.

Beispielsweise im Hinblick auf den Fertigungsaufwand ist es vorteilhaft, dass die Schraubenform aus dem Rohling durch Kaltumformen geformt wird. Das Schneidgewinde kann vor- zugsweise durch Walzen geformt werden. Das Lastangriffsmittel und/oder der Schraubenkopf kann durch Stauchen geformt werden. Der Rohling kann insbesondere ein Drahtabschnitt sein.

Es ist ferner bevorzugt, dass vor dem Härten in der stickstoffhaltigen Gasatmosphäre zumindest ein Bereich der Schraubenform mit einer diffusionshemmenden Barriere abgedeckt wird. Durch lokales Abdecken von Schraubenbereichen mit diffusionshemmenden Barrieren (z.B. Schichten) kann die aufstickende Wirkung gezielt auf bestimmte Bereiche beschränkt werden, wodurch das Produkt noch weiter hinsichtlich Duktilität und/oder Härte optimiert werden kann. Beispielsweise kann das Drehangriffsmittel und vorzugsweise auch der Schaftbereich unmittelbar unterhalb des Drehangriffsmittels mit einer solchen diffusionshemmenden Barriere abgedeckt werden.

Mittels des erfindungsgemässen Verfahrens können Oberflächenhärten von grösser 600 HV, was etwa einer Zugfestigkeit von grösser 1800 MPa entspricht, erreicht werden. Im An- schluss an das erfindungsgemässe Härten in der stickstoffhaltigen Gasatmosphäre, aber auch vor dem erfindungsgemässen Härten, können zusätzliche thermische Vergütungsprozesses am Rohling oder an der Schraubenform vorgesehen werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Schraube, die mittels des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellt ist.

Das Verhältnis des Aussendurchmessers des Schneidgewindes zur Gewindesteigung des Schneidgewindes kann im Bereich von 1 bis 2, insbesondere im Bereich von 1 ,2 bis 1 ,45 liegen. Dies sind typische Gewindedimensionen für Schrauben, die zum selbstschneidenden Eindrehen in mineralische Substrate wie z.B. Beton vorgesehen sind. Unter der Steigung kann insbesondere der axiale Abstand aufeinander folgender Windungen eines Gewindegangs verstanden werden.

Nach der Erfindung kann auch ein Betonsubstrat mit einer Bohrung vorgesehen sein, in die eine erfindungsgemässe Schraube eingedreht ist, wobei im Betonsubstrat eine Negativform zum Schneidgewinde der Schraube gebildet ist. Demgemäss ist die Schraube unter Bildung eines Gegengewindes selbstschneidend in die Bohrung im Betonsubstrat eingedreht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die schematisch in den beiliegenden Figuren dargestellt sind. In den Figuren zeigen schematisch: Figur 1 : ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens; und

Figur 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Schraube, hergestellt in einem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren.

Figur 1 zeigt schematisch die Schrittfolge eines erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens. Zunächst wird in Schritt 1 ein Rohling aus einem martensitisch härtbaren Stahl bereitgestellt. Sodann wird in Schritt 2 aus dem Rohling eine Schraubenform mit einem Schraubenschaft 20, einem am Schraubenschaft 20 angeordneten Schneidgewinde 21 und einem am Schraubenschaft 20 angeordneten Drehangriffsmittel 15 gefertigt. Die Schraubenform wird anschliessend in Schritt 3 bei einer Temperatur grösser 900°C, insbesondere grösser 1050°C, in einer stickstoffhaltigen Gasatmosphäre gehärtet und im Anschluss in Schritt 4 so schnell abgeschreckt, dass eine Nitridausscheidung vermieden wird. Schliesslich wird die Schraubenform in Schritt 5 angelassen, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 150°C und 400°C.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäss hergestellten Schraube, die als Betonschraube ausgebildet ist, ist in Figur 2 dargestellt.

Die Schraube 10 weist einen zylindrischen Schraubenschaft 20 auf, an dessen Ende ein Sechskantschraubenkopf vorgesehen ist, der ein Drehangriffsmittel 15 bildet. Längs des Schraubenschaftes 20 erstreckt sich ein Schneidgewinde 21 mit einem Aussendurchmesser d und einer Steigung p. Fakultativ kann am Schraubenschaft 20 auch ein durchmesserkleineres Stützgewinde 28 vorgesehen sein.

Der Schraubenschaft 20 der Schraube ist in eine Bohrung in einem mineralischen Substrat 50, insbesondere in einem Betonsubstrat, eingedreht, wobei das Schneidgewinde 21 beim Eindrehen ein korrespondierendes Gewinde im Substrat 50 freigeschnitten hat. Der Schraubenschaft 20 ist durch eine Bohrung in einer Last 55 durchgeführt, welche vom Schraubenkopf 15 am Substrat 50 gesichert wird.