專利名稱：經(jīng)局部熱處理和淬火的螺釘?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了提供所需性質(zhì)和行為而局部淬火的碳鋼螺釘和類似的緊固件以及這種局部淬火螺釘?shù)闹圃旆椒ā?br> 具有局部淬火部分的不銹鋼螺釘在授權(quán)給Tanczyn的美國專利第3,376,780號已經(jīng)公開。Tanczyn所揭示的不銹鋼螺釘具有局部淬火的螺牙和適合插入螺絲刀的局部淬火的頭部。這些區(qū)域比螺釘?shù)钠溆嗖糠钟?。這種不銹鋼螺釘包含不超過0.20wt％(重量百分比，下同)的碳，10-25wt％的鉻、5-20wt％的鎳、1-5wt％的銅和0.25-2.5wt％的鋁。淬火是這樣完成的在大約700-900°F下冷加工不銹鋼和在1050-1250°F下時效淬火。這種淬火在冷加工最大的區(qū)域中是最大的。
授權(quán)給Bjorklund等人的美國專利第4,295,351號揭示了一種螺牙已局部淬火的不銹鋼螺釘。其局部淬火是在形成螺紋期間在零下溫度通過侵蝕性冷加工緊固件的料坯來實現(xiàn)的。另一種局部淬火的不銹鋼螺釘是在授權(quán)給Hallengren的美國專利第4,289,006號中揭示的。
授權(quán)給Hallowell，Jr.的美國專利第2,229,565號揭示一種頭部局部淬火的凹頭螺釘。該螺釘?shù)念^部被迅速加熱到升高的溫度。然后，整個螺釘驟冷，以使其頭部淬火。最終該螺釘頭部可以具有高達大約48-50的洛氏硬度(Rc)，而其余部分具有較低的Rc，大約為30-35。
授權(quán)給Janusz等人的美國專利第5,755,542號揭示一種在螺桿下端有局部淬火的螺紋和局部淬火的螺釘尖的螺釘。授權(quán)給Janusz的美國專利第5,605,423號揭示一種在其下端有局部淬火的螺紋并且有局部淬火的尖的雙端螺栓。
某些標(biāo)準(zhǔn)的碳鋼螺釘(其頭部有一字形凹槽)和十字頭螺釘(其頭部有十字形凹槽)只能暴露在來自驅(qū)動工具(例如螺絲刀)的有限的驅(qū)動扭矩下。當(dāng)頭部凹槽暴露在過大的驅(qū)動力下時，該凹槽變大并被損壞，以致驅(qū)動工具不能再與該凹槽咬合。
已經(jīng)有人考慮給螺釘頭部淬火以便增強該凹槽。但是，這種淬火可能引起螺釘頭和上半段變得過脆，以致(1)在施加過大的扭轉(zhuǎn)力時由于螺釘位移引起螺釘頭斷裂；(2)氫脆(如果螺釘是電鍍的)以及(3)頭部突然破碎，這是由于被螺釘緊定的基材熱脹冷縮產(chǎn)生不能借助螺釘伸長緩解的應(yīng)力引起的。再者，在局部淬火時頭部局部加熱有可能在(溫度分布處于變化中的)整個螺釘被暴露在驟冷流體中時導(dǎo)致螺釘變形。
本發(fā)明的目標(biāo)是一種頭部內(nèi)具有差分硬度分布(a defferentialhardness profile)的局部淬火的碳鋼螺釘。螺釘具有頭部、在頭部下面的螺桿部分和下端部分(即螺釘尖部分)。該頭部具有頂面、底面、中心區(qū)、外輪緣、以及在中心區(qū)內(nèi)適合與驅(qū)動工具咬合的至少一條凹槽。本發(fā)明還包括螺釘尖局部淬火的螺釘，該螺釘尖有利于螺釘最初插入基材。
按照本發(fā)明，頭部的中心區(qū)和頂面被局部淬火，以致接近頭部頂面的中心區(qū)比頭部的底部以及毗鄰的螺桿部分更硬。換言之，在頂部定義凹槽的邊緣和壁面被局部淬火，以提供強度和硬度以及減少由驅(qū)動工具引起的損壞。而頭部的底部和毗鄰的螺桿保持比較柔韌和比較易彎曲狀態(tài)，以致在施加高扭矩或高應(yīng)力(如剪切應(yīng)力)時頭部不會與螺桿斷開。
本發(fā)明還包括給頭部的中心區(qū)和接近頂面的部分局部淬火的方法。熱源(它可以是火焰噴口)直接施加于螺釘頭的頂部和中心區(qū)，使那個區(qū)域的溫度達到大約1400°F。在螺釘頭的頂部和中心區(qū)所達到的最高溫度高于在螺釘頭的底部即毗鄰螺桿部分所達到的溫度。然后，使該螺釘選擇性驟冷以減少或防止變形。差分驟冷(differential quenching)是這樣完成的，即將驟冷流體直接對準(zhǔn)螺釘頭頂部的中心，以便在最熱的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最有效的驟冷。然后，可以讓驟冷流體從螺釘頭部流向需要較少驟冷的其余部分。
本發(fā)明包括類似的有選擇地?zé)崽幚砗腕E冷螺釘尖以引起局部淬火的技術(shù)。


圖1是依據(jù)本發(fā)明頭部區(qū)域已被局部淬火的螺釘?shù)钠室晥D。
圖2是圖1所示螺釘?shù)母┮晥D。
圖3是依據(jù)本發(fā)明另一實施方案的螺釘?shù)母┮晥D。
圖4說明可以按照本發(fā)明局部淬火的鉆刃螺釘。
圖5說明可以按照本發(fā)明局部淬火的六角頭螺釘。
圖6是用于制造局部淬火螺釘?shù)募訜嵫b置的示意圖。
圖7-11是沿著圖6中的7-7、8-8、9-9、10-10和11-11線剖開的剖視圖。
參照圖1，本發(fā)明的碳鋼螺釘10具有頭部12、在頭部下面的螺桿部分14和在螺桿部分一端與頭部相對的螺釘尖16。眾多具有牙尖20和牙間槽24的螺牙或螺紋18纏繞著螺桿部分14和螺釘尖16。
參照圖1-3，頭部12具有頂面24、底部26、中心區(qū)28和外輪緣30。中心區(qū)28包括適合容納標(biāo)準(zhǔn)螺絲刀或類似的驅(qū)動工具的一字形凹槽32或適合容納PhillipsTM螺絲刀或為十字形凹槽設(shè)計的類似的驅(qū)動工具的一對交叉的凹槽32和34。
每個凹槽都是由一對對置的通常直立的壁面36和38定義的，這對壁面與頂面24相交于邊緣40和42，并且與槽底44相交于交線41和43。槽深是邊緣40和42與槽底44之間的距離。槽底44實際上位于螺釘頭12的下面并且毗鄰螺桿14，如圖1所示槽深大于螺釘頭的厚度。另外，槽底44可以與螺釘頭12的底部26大體持平，或者可以在螺釘頭12的底部的上方，在后一種情況下凹槽32(或凹槽32和34)完全定位在頭部12之內(nèi)。
為了在頭部12內(nèi)形成差分硬度分布，本發(fā)明的螺釘10是經(jīng)過局部淬火的?；鹧鎳娍诨蚱渌鼰嵩粗苯邮┘釉谂R近中心區(qū)的上表面24，以致在接近中心的最高點(即凹槽32的邊緣40和42，或槽32和34)處這種加熱最強烈。邊緣40和42被加熱到至少大約1400°F、優(yōu)選1500-2000°F、更優(yōu)選1600-1800°F的溫度。這種加熱使受熱區(qū)(在邊緣40和42上和周圍)從鐵素體的珠光體金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成奧氏體金相結(jié)構(gòu)。這種加熱是非常直接的，并且持續(xù)的時間周期相當(dāng)短足以使螺釘頭12的底部26以及螺桿14的毗鄰部分不經(jīng)歷這種轉(zhuǎn)變。
然后，通過將驟冷流體直接引向螺釘10的頭部12中經(jīng)歷過最強烈加熱的部分。驟冷流體可以是水或另一種液體或氣體，并且可以通過傾注、噴淋、用空氣加速的噴淋或其它方法直接施加到臨近中心區(qū)28的上表面24上。然后，在螺釘頭上施加的驟冷流體向下流動，以便使該螺釘經(jīng)歷較輕加熱的部分接受較輕的驟冷沖擊。局部驟冷使最灼熱部分(在邊緣40和42的邊緣或周圍)從奧氏體金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成經(jīng)過淬火但未回火的馬氏體金相結(jié)構(gòu)。螺釘頭12的底部26和螺桿14的毗鄰部分基本上保持處于鐵素體的珠光體狀態(tài)，這是一種比較柔韌且比較易彎曲的狀態(tài)。通過使螺釘頭12最灼熱部分的局部驟冷程度比溫度較低的部分更大，使驟冷引起的螺釘變形最小。
驟冷流體可以具有大約40-200°F、優(yōu)選大約50-150°F、更優(yōu)選大約60-100°F的溫度。自來水或其它的生產(chǎn)用水是適用的。其它驟冷介質(zhì)可以包括油類或氣體。所需的驟冷時間不超過30秒，可以是大約3-10秒。為了便于干燥，螺釘頭在驟冷之后還可以輕微加熱。
經(jīng)局部淬火得到的碳鋼螺釘在其頭部內(nèi)具有至少大約為10個洛氏硬度(Rockwell“C”，即Rc)單位的硬度差。在螺釘頭12的中心附近的邊緣40和42應(yīng)當(dāng)具有至少為大約45、優(yōu)選至少為大約50、更優(yōu)選至少為大約55的洛氏硬度(Rc)。螺釘頭12的底部26和螺桿14的上半段應(yīng)當(dāng)具有不大于大約35的Rc。
螺釘頭12的其余部分的洛氏硬度值可能比較接近邊緣40和42的洛氏硬度或比較接近底部26的洛氏硬度，取決于它們對這兩者之一的接近程度。例如，凹槽32(或凹槽32和34)的壁面36和38在接近頂面和接近中心的地方可能具有至少大約為45的洛氏硬度，而在接近槽底44的交線41和43的地方可能具有大約為35或更低的洛氏硬度。槽底44可能具有大約為35或更低的洛氏硬度。上表面24在接近邊緣和接近中心的部分可能具有至少大約為45的洛氏硬度，而接近輪緣30的部分可能有或可能沒有較低的洛氏硬度。
通過以這種方式給螺釘頭12局部淬火，提供具有附加的強度和硬度的凹槽32，這將在螺絲刀或類似的工具施加高扭矩時減少變形和損壞。通過讓底部26、頭部12和毗鄰的螺桿14保持比較柔韌，使由于高扭矩或高應(yīng)力引起螺釘頭斷裂的概率得以降低。本發(fā)明對于屋面螺釘和具有長螺桿和/或被擰入難鉆基材的其它螺釘是特別有用的，因為這些螺釘通常要經(jīng)受在屋面上所經(jīng)歷的極大溫度變化引起的高剪切應(yīng)力。
螺釘10應(yīng)當(dāng)由碳含量相當(dāng)?shù)偷牡吞间摌?gòu)成。適當(dāng)?shù)奶己靠梢曰阡摬闹亓糠植荚诖蠹s0.08％-0.50％范圍內(nèi)，其優(yōu)選范圍從大約0.18％至0.35％。碳含量應(yīng)當(dāng)足以有利于通過熱處理給鋼材淬火，而且該含量應(yīng)當(dāng)不足以有利于螺釘在冷鍛、倒棱或螺紋輥壓期間的冷作硬化。換言之，本發(fā)明的螺釘10是通過有選擇地加熱硬化的并且優(yōu)選不是冷作硬化的。
在圖4所示的另一個實施方案中，依據(jù)本發(fā)明局部淬火的螺釘可以是鉆尖螺釘。一種類型的鉆尖螺釘60包括六角頭部62、包括單頭或多頭螺紋66的螺桿64和能用于打孔并至少能使一部分螺釘60鉆入基材的鉆尖68。頭部62可以利用上述技術(shù)在其外表面上局部淬火以期獲得改善的強度和完整性。此外，螺釘尖68和在螺釘尖68上方包括頭幾道螺紋66的一部分67螺桿64可以通過有選擇地?zé)崽幚硖岣哂捕?，以有利于螺?0最初刺入基材和最初的螺紋攻入。屋面緊定螺釘可以在螺釘尖和該尖的上方淬火，以便越過在基材上鉆孔的要求直接用螺釘攻螺紋。
參照圖4，螺釘60的末端段67(作為螺桿64毗鄰螺釘尖的下半段定義的)可以與螺釘尖68一起局部淬火，其方法是直接將火焰噴口或其它熱源施于末端段67和尖68。將末端段67和尖68加熱到至少大約1400°F、優(yōu)選大約1500-2000°F、更優(yōu)選大約1600-1800°F。有選擇地加熱使末端段67和尖68從鐵素體的珠光體金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成奧氏體金相結(jié)構(gòu)。然后，通過浸漬或直接將驟冷流體射向末端段67和尖68使它們局部驟冷。這種局部驟冷(它圍繞著螺釘引起均勻地冷卻，但沿著螺釘長度產(chǎn)生差分驟冷)在未回火但堅硬的受熱區(qū)中使奧氏體金相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成馬氏體金相結(jié)構(gòu)。驟冷流體可以是水，并且可以按前面針對頭部陳述的溫度和驟冷時間施加驟冷流體。
螺釘60的末端段67和螺釘尖68應(yīng)當(dāng)通過淬火達到至少大約為45、優(yōu)選至少大約為50、更優(yōu)選至少大約為55的洛氏硬度值。螺桿64在末端段67上方未經(jīng)處理部分可以具有至少比經(jīng)淬火的末端段低10個單位的洛氏硬度Rc，其洛氏硬度值為大約35或更低、或許是25或更低。
然后，螺桿的淬火段67可以回火，以便得到介于大約35-45的硬度值(Rc)，該硬度值高于起始Rc值但低于局部淬火值?；鼗鹗沁@樣完成的，即將局部淬火段67再次加熱到大約600-1100°F，優(yōu)選大約750-1000°F。優(yōu)選的是螺釘尖68不回火，而是讓它保持其最高硬度。螺紋66也可以表面淬火(即在其外表面淬火)，以便在螺釘攻入基材時減少損壞。這在長自攻螺釘用于緊定屋面的情況下是特別有用的。
在另一個實施方案中，局部淬火的螺釘可以是六角頭螺釘，它具有適合接受驅(qū)動工具的六角形頭部。參照圖5，螺釘70具有帶頂面76的頭部74。頭部74還有由六個矩形平面82組成的六角形外表面80。在所示實施方案中，固定墊片84定位在頭部74和螺釘?shù)拈L螺桿86之間。
按照本發(fā)明，可以利用上述技術(shù)給六角頭螺釘70的選定部分淬火。接納驅(qū)動工具的頭頂部分72可以局部淬火，以便提供較好的耐磨損性。通過給頭部的六個面82淬火，可以在使用套筒式驅(qū)動工具時由于改進的相互作用使螺釘與驅(qū)動工具的性能得到增強。
再者，圖4所示的鉆刃螺釘和圖5所示的六角頭螺釘都可以用具有上述碳含量的碳鋼制造。未經(jīng)淬火的螺釘部分可以具有大約35或更低的Rc值。局部淬火部分可以具有至少大約為45、優(yōu)選至少大約為50、更優(yōu)選至少大約為55的Rc值。
頭部和末端段可以采用不同的方法分別進行局部淬火，或者可以采用單一的整體工藝進行處理。圖6-11圖解說明用于熱處理的裝置100，它適合連續(xù)處理眾多螺釘?shù)倪x定部分。參照圖6，裝置100包括傳輸機構(gòu)102，它與螺釘傳送帶104合作并且按箭頭106所指方向移動該傳送帶，其中所述螺釘傳送帶可以是扁節(jié)鏈。螺釘101(它可以有不同的長度)被支撐在其各自頭部12下面的傳送帶104中。
螺釘101在傳送帶104被運送通過第一加熱組件108，該組件包括眾多火焰噴燈110和熱電偶112。如圖7所示，組件108中的火焰噴燈110用于將每個螺釘101的下端46和尖16加熱到最優(yōu)選的溫度(1600-1800°F)?；鹧?14僅僅施加給這些螺釘?shù)倪x定部分。排風(fēng)罩117帶走多余的熱量。
當(dāng)螺釘101被進一步輸送超出第一加熱組件108范圍時，就利用冷卻組件116使每個螺釘101的下端和尖驟冷。如圖8所示，該冷卻組件將水幕117、或加工油、或另一種冷卻流體分別施加到每個螺釘?shù)氖軣岵糠稚?。該受熱部分?yōu)選被冷卻到150°F或更低的溫度。
第一加熱組件以及接下來的冷卻可以使每個螺釘下端和尖的洛氏硬度Rc從低于35(或許低于25)的起始值增加到大約為45或更高(或許大約為50或更高)的數(shù)值。人們可能希望在保持螺釘尖具有高硬度的同時將下端的螺紋軟化到中等硬度。這種被稱為“回火”的軟化可以這樣完成，即讓每個螺釘經(jīng)過淬火的螺紋段46通過第二加熱組件120。第二加熱組件120可以包括眾多比較小的火焰噴燈122，如圖9所示，該噴燈僅僅將每個螺釘?shù)南露?6加熱到大約750-1000°F的溫度(正象熱電偶傳感器123所確定的那樣)，而不給螺釘尖加熱。這個二次加熱步驟將螺釘?shù)南掳攵?6軟化到中等洛氏硬度值(大約為35-45Rc)。
當(dāng)螺釘101被進一步輸送時，利用具有一個或多個火焰噴燈126和熱電偶127的第三加熱組件124對頭部12進行有選擇地?zé)崽幚?。如圖10所示，第三加熱組件124中的噴燈將火焰的熱量有選擇地對準(zhǔn)頭部12。該頭部最優(yōu)選被加熱到大約1600-1800°F。然后，利用冷卻組件128使頭部12局部驟冷，如圖11所示，冷卻組件將水或另一種驟冷流體直接引向頭部12。如此處理的頭部可以具有大約為45或更高(或許大約為50或更高)的洛氏硬度值。然后，螺釘101可以離開裝置100，以便包裝或其它用途。
盡管在此介紹的本發(fā)明的實施方案在目前看來是優(yōu)選的，但是不脫離本發(fā)明的精神和范圍可以進行各種各樣的修改和改進。本發(fā)明的范圍是通過權(quán)利要求書指出的，并且所有落進等價方案的意義和范圍內(nèi)的變化都傾向于被納入其中。
權(quán)利要求
1.一種局部淬火的碳鋼螺釘，包括釘頭、螺桿部分和螺釘尖，其中螺桿部分具有與螺釘頭相鄰的第一端，和與螺桿的第二端相鄰的螺釘尖；所述螺釘頭包括頂面、底部、中心區(qū)、外輪緣和在中心區(qū)內(nèi)用于容納驅(qū)動工具的凹槽；所述螺釘頭在中心區(qū)頂部具有馬氏體金相結(jié)構(gòu)，而在底部具有鐵素體的珠光體金相結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的螺釘，其中螺桿部分具有鐵素體的珠光體金相結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的螺釘，其中螺桿部分在其第一端具有鐵素體的珠光體金相結(jié)構(gòu)、在其第二端具有馬氏體金相結(jié)構(gòu)，而螺釘尖具有馬氏體金相結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的螺釘，其鋼材中包括大約0.15-0.50重量百分比的碳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的螺釘，其鋼材中包括大約0.18-0.35重量百分比的碳。
6.一種經(jīng)局部淬火的碳鋼螺釘，包括釘頭、螺桿部分和螺釘尖，其中螺桿部分具有與螺釘頭相鄰的第一端和與螺釘尖相鄰的第二端；所述螺釘頭包括局部淬火的上半段和未淬火的下半段；螺桿部分包括未淬火的上半段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的螺釘，其中螺釘尖也被局部淬火。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的螺釘，其中螺桿部分進一步包括經(jīng)局部淬火的下半段。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的螺釘，其中經(jīng)局部淬火的螺釘尖的洛氏硬度至少是大約45。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的螺釘，其中洛氏硬度至少是大約50。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的螺釘，其中螺桿部分的局部淬火段的洛氏硬度至少是35-45。
12.一種經(jīng)局部淬火的碳鋼螺釘，包括釘頭、螺桿部分和螺釘尖，其中螺桿部分具有與螺釘頭相鄰的第一端和與螺釘尖相鄰的第二端；其中螺釘?shù)哪硞€或多個部分是經(jīng)過局部淬火的，其方法是通過熱處理升高溫度然后驟冷使其洛氏硬度至少比未經(jīng)局部淬火的其余部分高大約10個洛氏硬度單位。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘頭的上半段是經(jīng)過局部淬火的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的螺釘，其中螺釘頭的下半段未經(jīng)局部淬火。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘尖是經(jīng)過局部淬火的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的螺釘，其中螺桿部分的第二端首先被局部淬火、然后回火。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中升高的溫度至少是大約1400°F。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中升高的溫度至少是大約1500-2000°F。
19.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中升高的溫度至少是大約1600-1800°F。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中局部淬火部分是經(jīng)過局部驟冷的。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘頭包括一字形凹槽，其上半段是經(jīng)淬火的。
22.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘頭包括彼此交叉的十字形凹槽，其上半段是經(jīng)淬火的。
23.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘頭包括六角頭。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的螺釘，其中六角頭包括淬火的凹陷區(qū)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的螺釘，其中六角頭包括淬火的外表面。
26.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺釘尖包括淬火的鉆尖。
27.根據(jù)權(quán)利要求12的螺釘，其中螺桿部分包括表面淬火的螺紋。
全文摘要
碳鋼螺釘通過有選擇地?zé)崽幚砗腕E冷具有一個或多個已被局部淬火的部分。在一個優(yōu)選實施方案中,螺釘頭上半段被局部淬火,以便在用驅(qū)動工具施加扭矩時防止或減小損壞。在另一個實施方案中,螺釘尖被局部淬火,以便更有效地刺入基材。優(yōu)選的是局部受熱部分經(jīng)歷局部驟冷以減小或避免變形。
文檔編號F16B35/00GK1260450SQ00100158
公開日2000年7月19日 申請日期2000年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1999年1月13日
發(fā)明者馬克·D·拜爾, 威廉姆·A·斯普林, 邁克·斯塔羅茲希特斯基, S·雷斯·尤爾哈森 申請人:伊利諾伊工具公司