GB/T 3098.24-2020: Hochtemperatur-Befestigungselemente aus Edelstahl und Nickellegierungen

Einführung in den Standard GB/T 3098.24-2020

GB/T 3098.24-2020 legt die mechanischen Eigenschaften von Schrauben, Bolzen und Muttern aus Edelstahl und Nickellegierungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen fest. Diese Norm ist Teil der umfassenderen Normenreihe GB/T 3098 für Verbindungselemente und konzentriert sich auf Werkstoffe, die ihre strukturelle Integrität auch bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Energieerzeugung und der petrochemischen Industrie auftreten, beibehalten. Sie gewährleistet, dass diese Verbindungselemente bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur zuverlässige Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Die Norm kategorisiert Werkstoffe in martensitische Edelstähle, austenitische ausscheidungshärtende Edelstähle und Nickellegierungen, die jeweils für spezifische Hochtemperaturanwendungen ausgelegt sind. Zu den wichtigsten Aspekten gehören Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlungsverfahren, Anforderungen an die mechanische Prüfung und Richtlinien für die Kombination von Schrauben und Muttern, um Probleme wie Fressen oder Korrosion zu vermeiden. Die Einhaltung dieser Norm ist für Ingenieure und Hersteller unerlässlich, um geeignete Verbindungselemente auszuwählen, die thermischen Spannungen, Oxidation und Kriechen standhalten, ohne die Sicherheit oder Funktionalität zu beeinträchtigen.

In der Praxis entspricht diese Norm internationalen Standards wie ISO 3506 und bietet einen Rahmen für die Qualitätssicherung in der Verbindungselementfertigung. Sie betont die Bedeutung der Materialauswahl basierend auf den Einsatzbedingungen, wobei Faktoren wie Kriechfestigkeit und Wärmeausdehnung eine entscheidende Rolle spielen. So werden beispielsweise Nickellegierungen wie die Legierung 718 aufgrund ihrer überlegenen Hochtemperaturfestigkeit bevorzugt, während martensitische Stähle kostengünstige Lösungen für moderate Temperaturen bieten. Das Dokument verweist zudem auf Anhänge mit inländischen Materialalternativen und Richtlinien zur Auswahl von Edelstählen oder Nickellegierungen gemäß GB/T 3098.25.

Das Verständnis dieser Norm erfordert Kenntnisse der Verbindungstechnik, insbesondere des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens bei hohen Temperaturen. Sie schreibt Prüfungen unter Umgebungsbedingungen (10 °C bis 35 °C) vor, empfiehlt jedoch zusätzliche Hochtemperaturprüfungen für kritische Anwendungen. Dadurch wird sichergestellt, dass Verbindungselemente die Mindestkriterien für Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung erfüllen und Ausfälle im Betrieb verhindert werden. Hersteller müssen die vorgegebenen Wärmebehandlungen einhalten, um die gewünschten Mikrostrukturen zu erzielen, z. B. Martensit für Härte oder Austenit für Duktilität. Insgesamt fördert GB/T 3098.24-2020 die Zuverlässigkeit von Hochtemperatur-Verbindungssystemen und reduziert die Risiken, die mit Materialermüdung im Laufe der Zeit verbunden sind.

Darüber hinaus behandelt die Norm Oberflächenbehandlungen zur Vermeidung von Fressen, einem häufigen Problem bei Edelstahl und Nickellegierungen aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen Reibungskoeffizienten. Die Schmierung wird empfohlen, um ein gleichmäßiges Drehmoment-Vorspannungs-Verhältnis zu erzielen und so die Montageeffizienz zu steigern. Durch die Optimierung der chemischen Zusammensetzung und der Verarbeitung ermöglicht diese Norm die Herstellung von Verbindungselementen, die auch unter anspruchsvollen Bedingungen zuverlässig funktionieren, und trägt somit zu Fortschritten in der Konstruktion und Materialwissenschaft bei.

Symbole und Bezeichnungen

Die folgenden Symbole gelten für dieses Dokument und liefern präzise Definitionen für mechanische und dimensionale Parameter, die für die Bewertung der Leistungsfähigkeit von Verbindungselementen unerlässlich sind. Diese Bezeichnungen gewährleisten Konsistenz bei Prüfungen und Spezifikationen und ermöglichen es Ingenieuren, Eigenschaften wie Festigkeit und Dehnung unter Last genau zu beurteilen.

• ATatsächliche Dehnung nach Bruch des Befestigungselements in Millimetern (mm).
• A_s,nom: Nennspannung pro Querschnittsfläche des Gewindes in Quadratmillimetern (mm²).
• A_TTatsächliche Hochtemperatur-Dehnung nach Bruch des Befestigungselements in Millimetern (mm).
• BGewindelänge in Millimetern (mm).
• D: Nenndurchmesser des Innengewindes in Millimetern (mm).
• D₂Grundteildurchmesser des Innengewindes in Millimetern (mm).
• D: Nenndurchmesser des Außengewindes in Millimetern (mm).
• D_h: Lochdurchmesser in der Zugprüfvorrichtung oder der Prüfvorrichtung für die Mutternbelastung bei Außengewindebefestigungen, in Millimetern (mm).
• D_sSchaftdurchmesser ohne Gewinde, in Millimetern (mm).
• D₁: Grunddurchmesser des Außengewindes in Millimetern (mm).
• D₂Grundteildurchmesser des Außengewindes in Millimetern (mm).
• D₃: Kleiner Durchmesser des Außengewindes (zur Berechnung der Spannungsfläche), in Millimetern (mm).
• F_mf: Maximale Zugbelastung in Newton (N).
• F_mf,T: Maximale Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen, in Newton (N).
• F_n,T: Maximale Ablösekraft bei hohen Temperaturen für Muttern, in Newton (N).
• F_PPrüflast für Muttern, in Newton (N).
• F_pfTatsächliche Last bei 0,2% plastischer Dehnung des Befestigungselements, in Newton (N).
• F_pf,TTatsächliche Hochtemperaturbelastung bei 0,2% plastischer Dehnung des Befestigungselements, in Newton (N).
• HUrsprüngliche Dreieckshöhe des Gewindes in Millimetern (mm).
• hDicke der Prüfvorrichtung für die Mutterbelastung in Millimetern (mm).
• L₀Gesamtlänge des Befestigungselements vor Belastung, in Millimetern (mm).
• L₁Gesamtlänge des Befestigungselements nach dem Bruch, in Millimetern (mm).
• L₂: Grifflänge vor dem Zugversuch, in Millimetern (mm).
• l: Nennlänge des Außengewindebefestigungselements in Millimetern (mm).
• l₁Gesamtlänge des Bolzens in Millimetern (mm).
• l_thLänge des nicht eingerückten Gewindes in der Prüfvorrichtung für das Befestigungselement, in Millimetern (mm).
• M: Mutterhöhe in Millimetern (mm).
• P: Steigung in Millimetern (mm).
• R_mfTatsächliche Zugfestigkeit des Verbindungselements in Megapascal (MPa).
• R_mf,TTatsächliche Hochtemperatur-Zugfestigkeit des Verbindungselements in Megapascal (MPa).
• R_n,T: Maximale Ablösefestigkeit von Muttern bei hohen Temperaturen, in Megapascal (MPa).
• R_pfTatsächliche Spannung bei 0,2% plastischer Dehnung des Verbindungselements, in Megapascal (MPa).
• R_pf,TTatsächliche Hochtemperaturspannung bei 0,2% plastischer Dehnung des Verbindungselements, in Megapascal (MPa).
• S_P: Dehnspannung in Megapascal (MPa).

Diese Symbole sind integraler Bestandteil von Berechnungen bei mechanischen Prüfungen, wie beispielsweise der Bestimmung der Zugfestigkeit (R)._mf = F_mf / A_s,nom) und Streckgrenze. Sie ermöglichen eine präzise Kommunikation in Konstruktionsspezifikationen und gewährleisten eine einheitliche Bewertung von Verbindungselementen in allen Fertigungs- und Anwendungsphasen. Für Hochtemperaturanwendungen werden Symbole wie R verwendet._mf,T und F_pf,T Thermische Einflüsse auf das Materialverhalten, wie beispielsweise die verringerte Streckgrenze aufgrund erhöhter Temperaturen, müssen berücksichtigt werden. Die korrekte Verwendung dieser Bezeichnungen verhindert Fehlinterpretationen und erhöht die Sicherheit in technischen Anwendungen.

Darüber hinaus trägt das Verständnis dieser Symbole zur Einhaltung der entsprechenden Normen bei, da Maßparameter wie d und P die Gewindefestigkeit und Lastverteilung beeinflussen. Beispielsweise die Nennspannungsfläche A_s,nom wird mithilfe von Formeln berechnet, die d beinhalten₂ und d₃, von entscheidender Bedeutung für die Vorhersage von Versagensarten unter Zugbelastung.

Markierungssystem

Alle in diesem Teil spezifizierten Edelstähle und Nickellegierungen lassen sich in drei Kategorien einteilen: martensitische Edelstähle (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), austenitische ausscheidungshärtende Edelstähle (SD) und Nickellegierungen (SB und 718). Dieses Kennzeichnungssystem ermöglicht eine standardisierte Identifizierung der Werkstoffgüten und gewährleistet so die Rückverfolgbarkeit und die geeignete Auswahl für Hochtemperaturanwendungen.

Martensitische Stähle wie CH0 (z. B. X20Cr13) zeichnen sich durch ihre Härtbarkeit durch Wärmebehandlung aus und bieten eine gute Festigkeit bei moderaten Temperaturen. Die Bezeichnungen V, VH und VW geben unterschiedliche Streckgrenzen an, wobei VH eine Streckgrenze von R erfordert._pf ≥ 700 MPa für verbesserte Leistung. Austenitische Legierungen mit der Kennzeichnung SD sind ausscheidungshärtende Legierungen wie X6NiCrTiMoVB25-15-2, die für ihre Korrosionsbeständigkeit und Festigkeitserhaltung bis 650 °C bekannt sind. Nickellegierungen SB (NiCr20TiAl) und 718 (NiCr19NbMo) zeichnen sich durch hervorragende Kriechfestigkeit aus und sind ideal für Temperaturen bis 800 °C bzw. 700 °C.

Die Kennzeichnung gewährleistet die Kompatibilität von Baugruppen und verhindert Fehlpaarungen, die zu Ausfällen führen könnten. Bei geschmierten Verbindungselementen wird „Lu“ angehängt (z. B. SD Lu), um Oberflächenbehandlungen zur Reduzierung von Fressverschleiß anzuzeigen. Dieses System entspricht den ISO-Normen und erleichtert den globalen Handel sowie die Qualitätskontrolle in der Verbindungselementfertigung.

Die detaillierte Kennzeichnung umfasst den Werkstoffcode, den Wärmebehandlungszustand (z. B. +QT für vergütet) und die Leistungsklasse und ermöglicht so eine schnelle Überprüfung bei der Inspektion. Eine korrekte Kennzeichnung ist unerlässlich für die Bestandsverwaltung und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften in Branchen wie der Turbinenherstellung.

Werkstoffe und Verarbeitung

Chemische Zusammensetzung

Die Tabellen 1 bis 3 legen die Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung von Edelstählen und Nickellegierungen für Verbindungselemente fest. Diese Grenzwerte werden gemäß den einschlägigen nationalen Normen ermittelt; die entsprechenden nationalen Normen sind in Anhang A aufgeführt. Sofern nichts anderes vereinbart ist, wählt der Hersteller die Zusammensetzung innerhalb der jeweiligen Gruppe.

GB/T 3098.25 enthält Richtlinien für die Auswahl geeigneter Legierungen. Zusammensetzungen werden als Massenanteile (%) angegeben, wobei Maximalwerte gelten, sofern keine Bereiche oder Minimalwerte angegeben sind.

Die chemischen Zusammensetzungen sind so ausgelegt, dass Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Hochtemperaturstabilität optimiert werden. Beispielsweise verbessert ein hoher Chromgehalt in martensitischen Stählen die Oxidationsbeständigkeit, während Niob in der Legierung 718 die Kriechstabilität erhöht. Die strikte Kontrolle von Elementen wie Phosphor und Schwefel minimiert die Versprödung. Hersteller müssen die Zusammensetzungen mittels spektroskopischer Analysen überprüfen, um die Einhaltung der Vorgaben sicherzustellen, da Abweichungen die Leistung im Betrieb beeinträchtigen können. Dieser Abschnitt unterstreicht die Bedeutung der Materialreinheit für die langfristige Zuverlässigkeit in Hochtemperaturumgebungen.

Wärmebehandlung

Verbindungselemente, die nach dieser Norm hergestellt werden, müssen einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die in Kapitel 7 spezifizierten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Die Wärmebehandlungsprogramme sind in Tabelle 4 detailliert aufgeführt; die Mindestvergütungstemperaturen für martensitische Stähle werden entsprechend gewählt. Nicht spezifizierte Haltezeiten werden vom Hersteller unter Berücksichtigung der geforderten Eigenschaften und der Betriebstemperaturen festgelegt.

Prozessablauf: Für SD, SB und 718 ist eine Lösungsglühung (AT) erforderlich, vorzugsweise nach der Umformung. Für hochfeste Außengewinde (R)_mf Bei ≥1100 MPa) kann die Wärmebehandlung nach Vereinbarung am Rohmaterial erfolgen. Kaltumgeformte oder warmgeschmiedete Verbindungselemente werden nach der Umformung wärmebehandelt. Bei bearbeiteten Verbindungselementen kann die Wärmebehandlung am Rohmaterial oder am Fertigprodukt erfolgen, wobei das Gewinde vor oder nach der Behandlung geschnitten werden kann.

Die Wärmebehandlung optimiert das Mikrogefüge für gewünschte Eigenschaften, wie beispielsweise die Härtung martensitischer Stähle oder die Ausscheidung von Phasen in Nickellegierungen zur Erhöhung der Festigkeit. Eine fehlerhafte Behandlung kann zu Sprödigkeit oder verminderter Korrosionsbeständigkeit führen. Hersteller müssen daher Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten überwachen, um gleichmäßige Eigenschaften zu erzielen. Nachbehandlungsprüfungen gewährleisten die Einhaltung der Vorgaben.

Oberflächenbeschaffenheit

Sofern nicht anders angegeben, sind die Befestigungselemente zu reinigen und zu polieren. Zur Vermeidung von Fressen während der Montage, insbesondere bei hohem Drehmoment oder hoher Drehzahl, wird Schmierung empfohlen. Faktoren, die das Fressrisiko erhöhen, sind Gewindebeschädigungen und hohe Vorspannungen.

Anmerkung 1: Parameter wie hohe Anziehgeschwindigkeit erhöhen das Risiko von Fressverschleiß. Anmerkung 2: Für diese Legierungen gibt es keine nationalen Normen, die Oberflächenfehler oder Anzugsmomente spezifizieren.

Oberflächenbehandlungen ermöglichen eine kontrollierte Drehmomentspannung und sind mit „Lu“ gekennzeichnet (z. B. SD Lu). Besondere Anforderungen nach Vereinbarung.

Die Oberflächenbeschaffenheit ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit, da sie die Reibung verringert und die Korrosionsbeständigkeit erhöht. Durch Polieren werden Oxide entfernt, während die Schmierung zuverlässige Vorspannungen gewährleistet. Bei hohen Temperaturen müssen Beschichtungen thermischer Zersetzung standhalten.

Konstruktionszeichnung für Schrauben- und Mutternpaarung

Schrauben, Bolzen, Gewindebolzen und Muttern müssen gemäß Tabelle 5 paarweise zugeordnet werden. Muttern passen zu Verbindungselementen mit demselben Code (z. B. CH0-Schraube mit CH0-Mutter). Unterschiedliche Materialien sind nach Rücksprache mit Experten unter Berücksichtigung von Korrosion und Fressen möglich.

Wenn sich die zu klemmenden Teile vom Material der Befestigungselemente unterscheiden, ist eine Isolierung erforderlich, um galvanische Korrosion zu vermeiden.

Die Paarung gewährleistet Lastverteilung und Kompatibilität und minimiert Risiken wie das Abisolieren. Bei nicht standardisierten Paaren ist die Beratung durch Experten unerlässlich.

Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen

Die Werkstoffe eignen sich für Umgebungen, in denen die Kriechfestigkeit die Abmessungen bestimmt und Oxidation bei hohen Temperaturen auftritt. SD, SB und 718 sind zudem beständig gegen Feuchtigkeitskorrosion.

Die Beständigkeit gegen Oxidation und Zunderbildung wird durch Legierungsbildung erreicht, wobei Chrom schützende Oxide bildet. Kriechfestigkeit ist für Langzeitbelastungen bei erhöhten Temperaturen unerlässlich.

In Anwendungen wie Gasturbinen behalten diese Werkstoffe ihre Integrität auch bei Temperaturwechseln und verhindern so Ausfälle durch Ermüdung oder Versprödung.

Betriebstemperaturen der Verbindungselemente

Die in Kapitel 7 beschriebenen Eigenschaften werden bei 10 °C bis 35 °C geprüft. Hohe Temperaturen beeinträchtigen die Eigenschaften. Empfohlene Maximaltemperaturen sind in Tabelle 6 aufgeführt, können aber je nach Bedingungen niedriger sein.

Für spezifische Anwendungen sind Hochtemperatur-Zug-, Kriech- oder Relaxationsversuche gemäß Kapitel 10 durchzuführen, wobei Montagebedingungen simuliert werden.

Diese Temperaturen dienen als Grundlage für die Konstruktion unter Berücksichtigung von Faktoren wie Oxidation und Kriechen. Tests gewährleisten die Leistungsfähigkeit im realen Einsatz.

Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen

Bolzen, Schrauben und Gewindebolzen

Bei Prüfungen gemäß Kapitel 9 müssen die mechanischen Eigenschaften bei Umgebungstemperatur den Tabellen 7-11 entsprechen, die während der Herstellung oder an fertigen Produkten gelten.

Diese Eigenschaften gewährleisten, dass Verbindungselemente Zugbelastungen ohne übermäßige Verformung standhalten. Beispielsweise wird durch einen hohen R-Wert eine hohe Zugfestigkeit erreicht._mf In 718 ist es für anspruchsvolle Anwendungen geeignet. Die Härtebereiche verhindern Sprödigkeit und erhalten gleichzeitig die Festigkeit.

Nüsse

Die mechanischen Eigenschaften von Muttern werden ähnlich spezifiziert, wobei der Fokus auf Prüflasten und Abreißfestigkeit bei hohen Temperaturen liegt. Sie müssen den Eigenschaften von Schrauben entsprechen, um Schwachstellen in Baugruppen zu vermeiden.

Testmethoden

Die Prüfungen gemäß Kapitel 9 umfassen Zugversuche für R_mf und R_pfHärtemessungen und Hochtemperaturuntersuchungen gemäß Kapitel 10 für Kriechen und Relaxation werden durchgeführt. Die Methoden gewährleisten eine genaue Bestimmung der Eigenschaften unter simulierten Bedingungen.