Einführung
Dieser Artikel beschreibt die in GB/T 3098.11-2002 festgelegten mechanischen Leistungsstandards für selbstbohrende Gewindeschrauben. Diese Standards gewährleisten die Zuverlässigkeit und Funktionalität von selbstbohrenden Schrauben in Befestigungsanwendungen und umfassen Werkstoffe, metallurgische Eigenschaften und mechanische Leistungsfähigkeit. Selbstbohrende Schrauben bohren ihr eigenes Loch und bilden das passende Gewinde ohne Vorbohren. Dadurch sind sie in der Bau-, Automobil- und Fertigungsindustrie unverzichtbar.
Technische Anforderungen
1.1 Materialien
Selbstbohrende Gewindeschrauben müssen aus einsatzgehärtetem Stahl oder wärmebehandeltem Stahl gefertigt sein, um die für Bohr- und Gewindeschneidvorgänge erforderliche Härte und Haltbarkeit zu gewährleisten.
1.2 Metallurgische Eigenschaften
1.2.1 Oberflächenhärte
Nach der Wärmebehandlung muss die Oberflächenhärte von selbstbohrenden Gewindeschrauben mindestens 530 HV0,3 betragen.
1.2.2 Kernhärte
Die Kernhärte nach der Behandlung soll betragen:
- 320 HV5 bis 400 HV5 für Gewindegrößen ≤ ST4.2;
- 320 HV10 bis 400 HV10 für Gewindegrößen > ST4.2.
Die empfohlene Mindestanlasstemperatur beträgt 330 °C. Anlasstemperaturen zwischen 275 °C und 315 °C sollten vermieden werden, um das Risiko einer Versprödung des angelassenen Martensits zu minimieren.
1.2.3 Tiefe der aufgekohlten Schicht
Die Tiefe der aufgekohlten Schicht muss den Werten in Tabelle 1 entsprechen.
| Gewindegröße | Minimum | Maximal |
|---|---|---|
| ST2.9 und ST3.5 | 0.05 | 0.18 |
| ST4.2 bis ST5.5 | 0.10 | 0.23 |
| ST6.3 | 0.15 | 0.28 |
1.2.4 Mikrostruktur
Im Mikrogefüge nach der Wärmebehandlung darf kein gebänderter Ferrit zwischen der oberflächengehärteten Schicht und dem Kern auftreten.
1.2.5 Wasserstoffversprödung
Galvanisch beschichtete selbstbohrende Gewindeschrauben sind aufgrund von Wasserstoffversprödung bruchgefährdet. Der Hersteller bzw. Beschichter muss Maßnahmen ergreifen, einschließlich Prüfungen gemäß GB/T 3098.17, um dieses Risiko zu minimieren. Die Anforderungen zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung bei galvanisch beschichteten Verbindungselementen gemäß GB/T 5267.1 sind ebenfalls zu berücksichtigen.
1.3 Mechanische Eigenschaften
1.3.1 Bohrleistung
Der Bohrteil der Schraube muss ein vorgefertigtes Loch bohren, das für das Extrudieren von passenden Innengewinden unter den in Abschnitt 2.2.1 festgelegten Testbedingungen geeignet ist.
1.3.2 Gewindeformungsleistung
In dem gemäß Abschnitt 2.2.1 vorgebohrten Loch muss die selbstbohrende Gewindeschraube beim Einschrauben in die in Abschnitt 2.2.1.1 spezifizierte Prüfplatte ein passendes Innengewinde ohne Verformung ausbilden.
1.3.3 Torsionsfestigkeit
Bei der Prüfung nach Abschnitt 2.2.3 muss die Torsionsfestigkeit sicherstellen, dass das Versagensdrehmoment gleich oder größer als die Werte in Tabelle 4 ist.
Testmethoden
2.1 Metallurgische Eigenschaftenprüfungen
2.1.1 Oberflächenhärteprüfung
Die Prüfung der Oberflächenhärte erfolgt gemäß GB/T 4340.1. Die Eindrücke sollten auf ebenen Flächen, vorzugsweise auf dem Schraubenkopf, vorgenommen werden.
2.1.2 Kernhärteprüfung
Die Kernhärteprüfung ist gemäß GB/T 4340.1 an einem Querschnitt-Mikroschliff durchzuführen.
2.1.3 Messung der Tiefe der aufgekohlten Schicht
Die Tiefe der aufgekohlten Schicht ist mikroskopisch an einem Längsschnitt an der Flanke in der Mitte zwischen Gewindespitze und Gewindegrund bzw. am Gewindegrund bei Schrauben ≤ ST4.2 zu messen. Zur Beurteilung ist die Mikrohärte nach Vickers mit einer Prüfkraft von 300 g am Gewindeprofil zu bestimmen. Die Tiefe wird ab dem Punkt berechnet, an dem die Kernhärte um 30 HV überschritten wird.
2.1.4 Mikrostrukturprüfung
Die Prüfung der Mikrostruktur erfolgt gemäß den einschlägigen metallographischen Prüfnormen.
2.2 Prüfungen der mechanischen Eigenschaften
2.2.1 Bohr- und Gewindeschneidprüfung
2.2.1.1 Prüfvorrichtung
Die Prüfplatte muss aus kohlenstoffarmem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ≤ 0,231 TP3T und einer Härte von 110 HV30 bis 165 HV30 (gemäß GB/T 4340.1) bestehen. Die Plattendicke muss Tabelle 2 entsprechen. Die Prüfvorrichtung ist in Abbildung 1 dargestellt (hier nicht abgebildet; siehe Norm für die Abbildung).
| Gewindegröße | Dicke der Prüfplatte (mm) | Axialkraft (N) | Maximale Einschraubzeit (s) | Schneckendrehzahl unter Last (U/min) |
|---|---|---|---|---|
| ST2.9 | 0.7 + 0.7 = 1.4 | 150 | 3 | 1800–2500 |
| ST3.5 | 1 + 1 = 2 | 150 | 4 | 1800–2500 |
| ST4.2 | 1.5 + 1.5 = 3 | 250 | 5 | 1800–2500 |
| ST4.8 | 2 + 2 = 4 | 250 | 7 | 1800–2500 |
| ST5.5 | 2 + 3 = 5 | 350 | 11 | 1000–1800 |
| ST6.3 | 2 + 3 = 5 | 350 | 13 | 1000–1800 |
Hinweis: Die Prüfplattendicke kann aus zwei Stahlplatten bestehen. Diese Werte gelten nur für die Abnahmeprüfung.
2.2.1.2 Testverfahren
Die beschichtete oder unbeschichtete Schraube (je nach Anwendung) wird in die Prüfplatte eingeschraubt, bis ein vollständiges Gewindeganggewinde durchgelaufen ist. Die in Tabelle 2 angegebenen Werte für Axialkraft und Schraubendrehzahl gelten sowohl für das Bohren als auch für das Gewindeschneiden.
2.2.2 Bohrinspektion
Nach Vereinbarung kann eine Bohrlochprüfung durchgeführt werden. Prüfplatte gemäß Abschnitt 2.2.1.1, Dicke gemäß Tabelle 3. Positionierpunkt vorbohren. Nach dem Durchbohren darf der maximale Lochdurchmesser die Grenzwerte aus Tabelle 3 nicht überschreiten. Die Vorrichtung in Abbildung 2 (nicht abgebildet; siehe Norm) ergänzt Abbildung 1. Der Hülseninnendurchmesser ist ca. 0,25 mm größer als der Gewindeaußendurchmesser. Die Hülsenlänge ermöglicht die Verlängerung der Bohrspitze. Die axialen Kräfte aus Tabelle 2 sind für die Montage zu beachten; eine Überschreitung kann zu Bohrspitzenbruch oder Überhitzung führen.
| Gewindegröße | Plattendicke | Mindestlochdurchmesser | Maximaler Lochdurchmesser |
|---|---|---|---|
| ST2.9 | 1 | 2.2 | 2.5 |
| ST3.5 | 1 | 2.7 | 3 |
| ST4.2 | 2 | 3.2 | 3.6 |
| ST4.8 | 2 | 3.7 | 4.2 |
| ST5.5 | 2 | 4.2 | 4.8 |
| ST6.3 | 2 | 4.8 | 5.4 |
2.2.3 Drehmomentprüfung
Spannen Sie die Schraube in ein passendes Gewindeschneidwerkzeug oder eine entsprechende Vorrichtung ein, ohne den eingespannten Bereich zu beschädigen. Die Vorrichtung ist in Abbildung 3 (nicht abgebildet; siehe Norm) dargestellt. Nach dem Einspannen müssen mindestens zwei vollständige Gewindegänge über die Vorrichtung hinausragen und mindestens zwei vollständige Gewindegänge (ohne Bohrspitze) sicher eingespannt sein. Bei kurzen Schrauben spannen Sie das gesamte Gewinde ein, ohne Kraft auf den Kopf auszuüben. Ziehen Sie die Schraube mit einem kalibrierten Werkzeug bis zum Bruch an. Die Schraube muss das in Tabelle 4 angegebene Bruchdrehmoment (Einheit: Nm) erreichen.
| Gewindegröße | Minimum |
|---|---|
| ST2.9 | 1.5 |
| ST3.5 | 2.8 |
| ST4.2 | 4.7 |
| ST4.8 | 6.9 |
| ST5.5 | 10.4 |
| ST6.3 | 16.9 |
Bei Drehmomentprüfungen darf der Messfehler des Drehmomentschlüssels nicht über ±31 TP3T des Sollwerts hinausgehen. Alternativ kann ein elektrisches Messgerät mit gleichwertiger Genauigkeit verwendet werden. Zur Überprüfung ist ein manueller Drehmomentschlüssel zu verwenden.
Häufig gestellte Fragen
- Welche Materialien werden für selbstbohrende Gewindeschrauben gemäß GB/T 3098.11-2002 benötigt?
- Sie müssen aus einsatzgehärtetem Stahl oder wärmebehandeltem Stahl gefertigt sein, um die geforderte Härte und Leistungsfähigkeit zu erreichen.
- Wie wird die Wasserstoffversprödung bei galvanisierten Schrauben behandelt?
- Hersteller und Galvanisierer müssen Maßnahmen ergreifen, einschließlich Prüfungen gemäß GB/T 3098.17 und der Berücksichtigung von GB/T 5267.1 zur Wasserstoffentfernung, um Bruchrisiken vorzubeugen.
- Welche Mindestoberflächenhärte müssen diese Schrauben aufweisen?
- Die Oberflächenhärte muss nach der Wärmebehandlung mindestens 530 HV0,3 betragen.
- Warum sollte man bestimmte Anlasstemperaturen vermeiden?
- Das Anlassen bei Temperaturen zwischen 275 °C und 315 °C erhöht das Risiko der Martensitversprödung; empfohlen wird eine Mindesttemperatur von 330 °C.
- Welche Anforderungen an die Torsionsfestigkeit müssen ST4.8-Schrauben gestellt werden?
- Das minimale Versagensdrehmoment beträgt 6,9 N·m, wenn es gemäß der angegebenen Methode geprüft wird.
- Wie wird die Tiefe der aufgekohlten Schicht für ein Schiedsverfahren gemessen?
- Verwenden Sie eine Mikro-Vickers-Härteprüfung mit einer Prüfkraft von 300 g am Gewindeprofil, beginnend an dem Punkt, an dem die Härte den Kern um 30 HV übersteigt.
