GB 3098.23-2020 Befestigungselemente M42-M72 Schrauben

Einführung in GB/T 3098.23-2020

GB/T 3098.23-2020 legt die mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen fest, insbesondere von Schrauben und Bolzen mit Nenngewindedurchmessern von M42 bis M72. Diese Norm ist Teil der umfassenderen Normenreihe GB/T 3098, die die Leistungsanforderungen an hochfeste Verbindungselemente für anspruchsvolle Anwendungen wie den Stahlbau, den Maschinenbau und die Schwerindustrie behandelt. Sie konzentriert sich auf die Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 und gewährleistet, dass diese Bauteile hohen Belastungen standhalten und ihre Integrität unter verschiedenen Umgebungsbedingungen bewahren.

Die Norm legt Anforderungen an Werkstoffe, Wärmebehandlung, chemische Zusammensetzung und verschiedene mechanische Eigenschaften fest, darunter Zugfestigkeit, Streckgrenze, Härte und Schlagzähigkeit. Bei Verbindungselementen mit großem Durchmesser, wie beispielsweise im Bereich M42 bis M72, werden besondere Vorkehrungen getroffen, um eine ausreichende Härtbarkeit zu gewährleisten und Probleme wie Sprödbruch oder unzureichende Festigkeit im Kern des Verbindungselements zu vermeiden. Es werden legierte Stähle vorgeschrieben, die abgeschreckt und angelassen werden, um das gewünschte Mikrogefüge, vorwiegend Martensit im Gewindebereich, zu erzielen.

Zu den wichtigsten Aspekten gehören Grenzwerte für die chemische Zusammensetzung, um Elemente wie Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und Bor zu kontrollieren, welche die Abschreckbarkeit und die Anfälligkeit des Materials für Defekte beeinflussen. Wärmebehandlungsparameter, wie beispielsweise die Mindestvergütungstemperatur, werden so spezifiziert, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Zähigkeit erreicht wird. Die mechanischen Prüfmethoden basieren auf einschlägigen Normen, um eine einheitliche Bewertung zu gewährleisten. Diese Norm ist für Hersteller und Ingenieure von entscheidender Bedeutung, um geeignete Verbindungselemente auszuwählen, die die Sicherheits- und Leistungsanforderungen unter hohen Belastungen erfüllen.

Die Einhaltung von GB/T 3098.23-2020 trägt in der Praxis dazu bei, Risiken in Anwendungen zu minimieren, bei denen das Versagen von Verbindungselementen katastrophale Folgen haben könnte, beispielsweise bei Brücken, Druckbehältern oder Fahrzeugchassis. Die Norm bietet zudem Richtlinien für die Oberflächenintegrität, Entkohlungsgrenzen und Härteprüfungen nach dem Anlassen, um die Materialqualität zu gewährleisten. Durch die Integration dieser Spezifikationen fördert die Norm Zuverlässigkeit und Interoperabilität in globalen Lieferketten und entspricht internationalen Normen wie ISO 898-1 für vergleichbare Eigenschaftsklassen.

Darüber hinaus enthält das Dokument detaillierte Tabellen für Mindestzug- und Prüflasten für Grob- und Feingewinde, berechnet auf Basis der Nennspannungsflächen. Diese Werte sind für Konstrukteure unerlässlich, um die zulässigen Betriebslasten zu bestimmen und Sicherheitszuschläge zu berücksichtigen. Die Norm betont die Wichtigkeit, vor dem Anlassen mindestens 90%-Martensit im Kern zu erreichen, um optimale Leistung zu gewährleisten. Insgesamt dient GB/T 3098.23-2020 als umfassender Leitfaden für die Herstellung und Prüfung von Hochleistungs-Verbindungselementen mit großem Durchmesser und stellt sicher, dass diese unter den in industriellen Umgebungen üblicherweise auftretenden Zug-, Scher- und Ermüdungsbeanspruchungen zuverlässig funktionieren. Diese Einleitung bildet die Grundlage für die detaillierte Betrachtung spezifischer Anforderungen, beginnend mit der Werkstoffzusammensetzung und fortschreitend zu den Leistungskennzahlen.

• Anwendungsbereich: Gilt für Schrauben, Bolzen und Gewindebolzen von M42 bis M72.
• Eigenschaftsklassen: 8.8 und 10.9.
• Werkstoff: Vergüteter legierter Stahl.
• Wichtigste Vorteile: Erhöhte Festigkeit, Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Ausfälle.

Um die Norm vollständig zu verstehen, ist es wichtig, ihre Entwicklung gegenüber früheren Versionen nachzuvollziehen und die Fortschritte in der Metallurgie und den Prüfverfahren zu kennen. Beispielsweise verringern strengere Kontrollen von Verunreinigungen wie Phosphor und Schwefel das Risiko der Anlassversprödung, während Bor-Grenzwerte das Kornwachstum während der Wärmebehandlung verhindern. Ingenieure sollten diese Norm mit GB/T 196 für Gewindemaße und GB/T 5779.1 für Oberflächenfehler abgleichen, um die vollständige Einhaltung sicherzustellen.

Chemische Zusammensetzung (Materialien)

Die Anforderungen an die chemische Zusammensetzung gemäß GB/T 3098.23-2020 sind entscheidend für die mechanischen Eigenschaften der Verbindungselemente. Für die Festigkeitsklassen 8.8 und 10.9 müssen die Werkstoffe vergütete legierte Stähle sein. Die Zusammensetzung wird mittels Schmelzanalyse bestimmt; im Streitfall wird eine Produktanalyse durchgeführt. Der Kohlenstoffgehalt liegt zwischen minimal 0,21 TP3T für 8.8 und 0,31 TP3T für 10.9 und maximal 0,551 TP3T für beide, um die notwendige Härtbarkeit ohne übermäßige Sprödigkeit zu gewährleisten.

Phosphor und Schwefel sind jeweils auf maximal 0,025% begrenzt, um Entmischungen zu minimieren und die Zähigkeit zu verbessern. Bor ist auf 0,003% begrenzt, um negative Auswirkungen auf die Kornstruktur zu vermeiden. Legierungselemente müssen mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Chrom (mind. 0,30%), Nickel (mind. 0,30%), Molybdän (mind. 0,20%) oder Vanadium (mind. 0,10%). Bei Kombinationen sollte der Gesamtgehalt der Legierung mindestens 70% der Summe der einzelnen Mindestwerte betragen.

Diese Grenzwerte gewährleisten eine ausreichende Abschreckbarkeit und führen vor dem Anlassen zu einem Martensitgehalt von ca. 90% im Gewindekern. Die Mindestanlasstemperatur beträgt für beide Klassen 500 °C, wodurch das Mikrogefüge für ein ausgewogenes Verhältnis von Festigkeit und Duktilität verfeinert wird. Im technischen Bereich ermöglichen diese Werkstoffzusammensetzungen, dass Verbindungselemente der Wasserstoffversprödung und der Ermüdung, die in hochbelasteten Umgebungen häufig auftreten, widerstehen.

¹ Im Streitfall gilt die Produktanalyse. ² Diese legierten Stähle müssen mindestens eines der folgenden Elemente in Mindestgehalten enthalten: Cr 0,30%; Ni 0,30%; Mo 0,20%; V 0,10%. Bei Kombinationen von zwei, drei oder vier Elementen darf der Gehalt nicht weniger als 70% der Summe der einzelnen Mindestgehalte betragen. ³ Die Werkstoffe dieser Klassen müssen über eine ausreichende Härtbarkeit verfügen, um im abgeschreckten Zustand vor dem Anlassen einen Martensitkern von etwa 90% im Gewindeteil zu gewährleisten.

Das Verständnis dieser Zusammensetzungen erfordert metallurgische Kenntnisse: Kohlenstoff erhöht die Festigkeit, kann aber die Duktilität verringern, wenn er nicht kontrolliert wird. Legierungselemente verbessern die Durchhärtung, die insbesondere bei großen Durchmessern mit variierenden Abkühlgeschwindigkeiten entscheidend ist. Hersteller verwenden häufig Stähle wie 42CrMo oder 35CrMo, um diese Spezifikationen zu erfüllen. In der Qualitätskontrolle wird die spektrometrische Analyse eingesetzt, um die Einhaltung der Vorgaben zu überprüfen und Probleme wie interkristalline Rissbildung zu vermeiden. Die Anforderungen dieses Abschnitts wirken sich direkt auf die nachfolgenden mechanischen Eigenschaften aus und bilden die Grundlage für die zuverlässige Funktion von Verbindungselementen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie dem Bauwesen.

1. Prüfen Sie den Kohlenstoffgehalt für die gewünschte Festigkeit.
2. Verunreinigungen kontrollieren, um die Zähigkeit zu erhöhen.
3. Für die Härtbarkeit Legierungszusätze sicherstellen.
4. Für die Mikrostruktur ist eine geeignete Wärmebehandlung erforderlich.

Mechanische und physikalische Eigenschaften

GB/T 3098.23-2020 beschreibt die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Verbindungselementen der Größen M42 bis M72 der Klassen 8.8 und 10.9. Dazu gehören die Zugfestigkeit (R_m), die 0,2%-Dehngrenze (R_p0,2), die Streckgrenze (S_p), die Bruchdehnung (A), die Brucheinschnürung (Z), die Härtebereiche, die Entkohlungsgrenzen und die Kerbschlagzähigkeit (K_v). Für die Klasse 8.8 gelten Mindestwerte von 830 MPa für R_m, 660 MPa für R_p0,2 und 600 MPa für S_p. Die Klasse 10.9 erfordert entsprechend 1040 MPa, 940 MPa bzw. 830 MPa.

Die Härte wird in Vickers (HV), Brinell (HBW) und Rockwell (HRC) angegeben, wobei Grenzwerte die Gleichmäßigkeit gewährleisten. Die Oberflächenhärte wird kontrolliert, um eine Oberflächenhärtung zu verhindern. Sie darf in beiden Klassen maximal 30 HV über der Kernhärte liegen, der absolute Maximalwert für 10.9 beträgt 390 HV. Die Entkohlung ist begrenzt, um die Gewindefestigkeit zu erhalten: Die Höhe der nicht entkohlten Schicht E beträgt 1/2 H1 für 8.8 und 2/3 H1 für 10.9, die maximale Entkohlungstiefe G beträgt 0,015 mm.

Die Schlagzähigkeit K_v beträgt mindestens 27 J bei -20 °C und wurde gemäß Abschnitt 9.9 geprüft. Die Unversehrtheit des Kopfes erfordert, dass keine Brüche oder Risse vorhanden sind. Oberflächenfehler entsprechen der Norm GB/T 5779.1. Diese Eigenschaften gewährleisten, dass die Verbindungselemente dynamischen Belastungen ohne Versagen standhalten.

¹ Nennwerte für Bezeichnungszwecke siehe Kapitel 5. ² Gemessen als Spannung bei 0,2% nicht-proportionaler Dehnung. ³ Prüflastwerte in den Tabellen 4 und 6. ⁴ Die Oberflächenhärte darf die Kernhärte (am halben Radius) bei Messung mit HV 0,3 um nicht mehr als 30 HV überschreiten. ⁵ Maximale Oberflächenhärte 390 HV. ⁶ Getestet bei -20°C, siehe 9.9.

Diese Eigenschaften werden an bearbeiteten Proben oder Verbindungselementen in Originalgröße geprüft, um die Praxistauglichkeit sicherzustellen. Beispielsweise ermöglicht ein höherer R_m-Wert in 10.9 eine höhere Tragfähigkeit in kritischen Verbindungen. Härtebereiche verhindern eine Überhärtung, die zu Wasserstoffrissen führen könnte. Die Entkohlungskontrolle erhält die Dauerfestigkeit des Gewindes. In der Konstruktion nutzen Ingenieure diese Werte zur Berechnung von Sicherheitsfaktoren und beziehen dabei häufig Finite-Elemente-Analysen für komplexe Baugruppen ein.

Mindestzugkräfte – Grobgewinde

Die Mindestzugkräfte für Grobgewindeschrauben werden anhand der Nennspannungsfläche A_s,nom und der Mindestzugfestigkeit R_m,min berechnet. Diese Werte bilden die Grundlage für Zugversuche und gewährleisten, dass die Schrauben den vorgegebenen Kräften ohne Versagen standhalten. Für M42 beträgt A_s,nom 1120 mm², die Mindestlast 929.600 N für 8,8 und 1.164.800 N für 10,9. Bei M68 erhöht sich die Fläche auf 3060 mm², die Mindestlasten betragen 2.539.800 N bzw. 3.182.400 N.

Die Berechnungen erfolgen nach der Formel R_m = F_m / A_s,nom, wobei A_s,nom = (π/4) × [(d2 + d3)/2]² gilt. Für d2 und d1 wird GB/T 196, für H GB/T 192 herangezogen, und es gilt d3 = d1 – H/6. Dadurch wird eine genaue Bestimmung der Spannungsverteilung gewährleistet.

Diese Lasten sind für die Belastungsprüfung in Montagelinien unerlässlich und helfen, Fertigungsfehler frühzeitig zu erkennen. In strukturellen Anwendungen dienen sie als Grundlage für die Berechnung der Schraubenvorspannung, um ein Lösen unter Vibrationen zu verhindern.

Prüflasten – Grobgewinde

Die Prüflasten stellen die Mindestkraft dar, die Verbindungselemente ohne bleibende Verformung aushalten müssen, basierend auf A_s,nom und S_p,min. Für M42 betragen sie 672.000 N für 8,8 und 929.600 N für 10,9, entsprechend 1.836.000 N und 2.539.800 N für M68.

Es gelten die gleichen Berechnungsformeln wie für Zugbelastungen. Diese Werte werden in der zerstörungsfreien Prüfung verwendet, um die Gleichwertigkeit der Streckgrenze zu überprüfen.

Die Belastungsprüfung ist für die Qualitätssicherung unerlässlich, insbesondere in sicherheitskritischen Branchen.

Minimale Zugbelastungen – Feingewinde

Bei Feingewinden sind die Belastungen aufgrund größerer Spannungsflächen höher. Für M45×3 (A_s,nom 1400 mm²) betragen die Mindestbelastungen 1162000 N (8,8) und 1456000 N (10,9), bis hin zu M72×6 (3460 mm²): 2871800 N und 3598400 N. Hinweis: Korrigierte Werte aus der Quelle zur Gewährleistung der Genauigkeit.

Feingewinde bieten eine bessere Vibrationsfestigkeit und ermöglichen somit höhere Belastbarkeit in dynamischen Anwendungen.

Prüflasten – Feingewinde

Prüflasten für Feingewinde: M45×3 840000 N (8,8), 1162000 N (10,9); M72×6 2076000 N und 2871800 N. Diese gewährleisten elastisches Verhalten unter Last.

Unerlässlich für vorgespannte Verbindungen im Ingenieurwesen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Welche Materialien werden für die Eigenschaftsklassen 8.8 und 10.9 in GB/T 3098.23-2020 benötigt?

Legierte Stähle werden vergütet, wobei spezifische Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Molybdän oder Vanadium die Härtbarkeit gewährleisten. Chemische Grenzwerte steuern den Gehalt an Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und Bor für optimale Leistung.

Wie wird die nominelle Spannungsfläche A_s,nom berechnet?

A_s,nom = (π/4) × [(d2 + d3)/2]², wobei d2 der Grundteildurchmesser, d3 = d1 – H/6, d1 der Grundkleindurchmesser und H die fundamentale Dreieckshöhe gemäß GB/T 196 und 192 ist.

Welche Bedeutung hat die Martensit-Anforderung gemäß 90%?

Es gewährleistet eine ausreichende Kernfestigkeit und Zähigkeit bei Verbindungselementen mit großem Durchmesser und verhindert vorzeitiges Versagen unter Last durch Erreichen einer gleichmäßigen Mikrostruktur nach dem Abschrecken vor dem Anlassen.

Warum werden Entkohlungsgrenzwerte festgelegt?

Um die Festigkeit und Dauerfestigkeit des Gewindes zu erhalten, muss eine übermäßige Entkohlung die Oberfläche erweichen, was zu einer geringeren Belastbarkeit und potenzieller Rissbildung im Betrieb führen kann.

Wie unterscheiden sich die Belastungen bei Feingewinden von denen bei Grobgewinden?

Feingewinde weisen bei gleichem Nenndurchmesser größere Spannungsbereiche auf, was zu höheren Zug- und Prüflasten führt. Sie eignen sich daher für Anwendungen, die eine feinere Justierung oder höhere Klemmkräfte erfordern.

Welche Prüftemperatur wird für die Aufprallenergie K_v verwendet?

-20°C, mit einem Minimum von 27 J für beide Klassen, um die Tieftemperaturzähigkeit in Umgebungen wie Außenkonstruktionen oder kalten Klimazonen zu überprüfen.