GB/T 3098.24-2020: Elementi di fissaggio in acciaio inossidabile e leghe di nichel per alte temperature

Introduzione alla norma GB/T 3098.24-2020

La norma GB/T 3098.24-2020 specifica le proprietà meccaniche di bulloni, viti, prigionieri e dadi realizzati in acciaio inossidabile e leghe di nichel destinati all'impiego ad alte temperature. Questa norma fa parte della più ampia serie GB/T 3098 sugli elementi di fissaggio e si concentra sui materiali che mantengono l'integrità strutturale a temperature elevate, come quelle riscontrabili nei settori aerospaziale, della produzione di energia e petrolchimico. Garantisce che questi elementi di fissaggio presentino prestazioni affidabili in termini di resistenza, duttilità e resistenza alla corrosione se esposti a temperature superiori a quelle ambientali.

La norma classifica i materiali in acciai inossidabili martensitici, acciai inossidabili austenitici a indurimento per precipitazione e leghe di nichel, ciascuno progettato per specifiche applicazioni ad alta temperatura. Gli aspetti chiave includono i limiti di composizione chimica, i regimi di trattamento termico, i requisiti per le prove meccaniche e le linee guida per l'abbinamento di bulloni e dadi al fine di prevenire problemi come grippaggio o corrosione. Il rispetto di questa norma è fondamentale per ingegneri e produttori al fine di selezionare elementi di fissaggio appropriati che resistano a sollecitazioni termiche, ossidazione e scorrimento viscoso senza compromettere la sicurezza o la funzionalità.

In pratica, questo standard si allinea alle norme internazionali come la ISO 3506, fornendo un quadro di riferimento per la garanzia della qualità nella produzione di elementi di fissaggio. Sottolinea l'importanza della selezione dei materiali in base agli ambienti operativi, dove fattori come la resistenza allo scorrimento viscoso e la dilatazione termica svolgono un ruolo fondamentale. Ad esempio, le leghe di nichel come la lega 718 sono preferite per la loro superiore resistenza alle alte temperature, mentre le leghe martensitiche offrono soluzioni economicamente vantaggiose per temperature moderate. Il documento fa inoltre riferimento ad appendici per i materiali equivalenti nazionali e alle linee guida sulla selezione di acciai inossidabili o leghe di nichel secondo la norma GB/T 3098.25.

La comprensione di questa norma richiede la conoscenza della meccanica dei dispositivi di fissaggio, compreso il comportamento sforzo-deformazione ad alte temperature. Essa impone prove a temperatura ambiente (da 10 °C a 35 °C), ma raccomanda ulteriori valutazioni ad alta temperatura per le applicazioni critiche. Ciò garantisce che i dispositivi di fissaggio soddisfino i criteri minimi di resistenza alla trazione, carico di snervamento e allungamento, prevenendo guasti in esercizio. I produttori devono attenersi ai trattamenti termici specificati per ottenere le microstrutture desiderate, come la martensite per la durezza o l'austenite per la duttilità. Nel complesso, la norma GB/T 3098.24-2020 promuove l'affidabilità nei sistemi di fissaggio ad alta temperatura, riducendo i rischi associati al degrado dei materiali nel tempo.

Inoltre, la norma affronta i trattamenti superficiali per mitigare il grippaggio, un problema comune nelle leghe di acciaio inossidabile e nichel a causa della loro bassa conduttività termica e degli elevati coefficienti di attrito. La lubrificazione è raccomandata per ottenere rapporti coppia-tensione costanti, migliorando l'efficienza di assemblaggio. Ottimizzando la composizione chimica e i processi, questa norma facilita la produzione di elementi di fissaggio che funzionano in condizioni difficili, contribuendo ai progressi nella progettazione ingegneristica e nella scienza dei materiali.

Simboli e designazioni

Nel presente documento si applicano i seguenti simboli, che forniscono definizioni precise dei parametri meccanici e dimensionali essenziali per la valutazione delle prestazioni degli elementi di fissaggio. Queste notazioni garantiscono la coerenza nei test e nelle specifiche, consentendo agli ingegneri di valutare con precisione proprietà quali resistenza e allungamento sotto carico.

• UN: Allungamento effettivo dopo la rottura del dispositivo di fissaggio, in millimetri (mm).
• UN_s,nom: Area della sezione trasversale di sollecitazione nominale della filettatura, in millimetri quadrati (mm²).
• UN_T: Allungamento effettivo ad alta temperatura dopo la rottura del dispositivo di fissaggio, in millimetri (mm).
• bLunghezza della filettatura, in millimetri (mm).
• DDiametro nominale della filettatura interna, in millimetri (mm).
• D₂Diametro primitivo di base della filettatura interna, in millimetri (mm).
• dDiametro nominale della filettatura esterna, in millimetri (mm).
• d_hDiametro del foro nel dispositivo di prova di trazione o nel dispositivo di prova di carico di serraggio per elementi di fissaggio con filettatura esterna, in millimetri (mm).
• d_sDiametro del gambo senza filettatura, in millimetri (mm).
• d₁Diametro minore di base della filettatura esterna, in millimetri (mm).
• d₂Diametro primitivo di base della filettatura esterna, in millimetri (mm).
• d₃Diametro minore della filettatura esterna (per il calcolo dell'area di sollecitazione), in millimetri (mm).
• F_mfCarico di trazione ultimo, in newton (N).
• F_mf,TCarico di rottura a trazione ad alta temperatura, in newton (N).
• F_n,TCarico di rottura ultimo ad alta temperatura per dadi, in newton (N).
• F_PCarico di prova per dadi, in newton (N).
• F_pf: Carico effettivo a 0,2% di allungamento plastico del fissaggio, in newton (N).
• F_pf,T: Carico effettivo ad alta temperatura con allungamento plastico del fissaggio pari a 0,2%, in newton (N).
• HAltezza originale del triangolo della filettatura, in millimetri (mm).
• hSpessore del dispositivo di prova di carico a rottura controllata, in millimetri (mm).
• L₀Lunghezza totale del dispositivo di fissaggio prima del carico, in millimetri (mm).
• L₁Lunghezza totale del dispositivo di fissaggio dopo la frattura, in millimetri (mm).
• L₂Lunghezza della presa prima della prova di trazione, in millimetri (mm).
• lLunghezza nominale della filettatura esterna dell'elemento di fissaggio, in millimetri (mm).
• l₁Lunghezza totale del perno, in millimetri (mm).
• l_ilLunghezza della filettatura non impegnata nel dispositivo di prova per il fissaggio, in millimetri (mm).
• MAltezza del dado, in millimetri (mm).
• PPasso, in millimetri (mm).
• R_mfResistenza alla trazione effettiva del dispositivo di fissaggio, in megapascal (MPa).
• R_mf,TResistenza alla trazione effettiva ad alta temperatura del dispositivo di fissaggio, in megapascal (MPa).
• R_n,TResistenza allo strappo ad alta temperatura per dadi, espressa in megapascal (MPa).
• R_pf: Tensione effettiva all'allungamento plastico 0,2% del fissaggio, in megapascal (MPa).
• R_pf,T: Tensione effettiva ad alta temperatura all'allungamento plastico 0,2% del fissaggio, in megapascal (MPa).
• S_PCarico di snervamento, in megapascal (MPa).

Questi simboli sono parte integrante dei calcoli nei test meccanici, come la determinazione della resistenza alla trazione (R_mf = F_mf / UN_s,nom) e resistenza alla trazione. Facilitano una comunicazione precisa nelle specifiche di progettazione, garantendo che gli elementi di fissaggio siano valutati in modo coerente nelle fasi di produzione e applicazione. Per scenari ad alta temperatura, simboli come R_mf,T e F_pf,T Bisogna tenere conto degli effetti termici sul comportamento dei materiali, come la riduzione del carico di snervamento dovuta alle alte temperature. L'uso corretto di queste designazioni previene interpretazioni errate, migliorando la sicurezza nelle applicazioni ingegneristiche.

Inoltre, la comprensione di questi simboli aiuta a rispettare gli standard correlati, dove parametri dimensionali come d e P influenzano la resistenza della filettatura e la distribuzione del carico. Ad esempio, l'area di sollecitazione nominale A_s,nom viene calcolato utilizzando formule che coinvolgono d₂ e d₃, fondamentale per prevedere le modalità di rottura sotto tensione.

Sistema di marcatura

Tutti gli acciai inossidabili e le leghe di nichel specificati in questa parte rientrano in tre categorie distinte: acciai inossidabili martensitici (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), acciai inossidabili austenitici a indurimento per precipitazione (SD) e leghe di nichel (SB e 718). Questo sistema di marcatura fornisce un metodo standardizzato per identificare i gradi dei materiali, garantendo la tracciabilità e la selezione appropriata per le applicazioni ad alta temperatura.

I gradi martensitici come CH0 (ad esempio, X20Cr13) sono caratterizzati dalla loro temprabilità tramite trattamento termico, offrendo una buona resistenza a temperature moderate. Le designazioni V, VH e VW indicano diversi livelli di sforzo di snervamento, con VH che richiede R_pf ≥ 700 MPa per prestazioni migliorate. Le sigle SD indicano leghe austenitiche indurite per precipitazione come X6NiCrTiMoVB25-15-2, note per la loro resistenza alla corrosione e il mantenimento della resistenza fino a 650 °C. Le leghe di nichel SB (NiCr20TiAl) e 718 (NiCr19NbMo) sono contrassegnate per la loro superiore resistenza allo scorrimento viscoso, ideali per temperature fino a 800 °C e 700 °C, rispettivamente.

La marcatura garantisce la compatibilità negli assemblaggi, prevenendo incompatibilità che potrebbero causare guasti. Per i dispositivi di fissaggio lubrificati, viene aggiunta la sigla "Lu" (ad esempio, SD Lu) per indicare i trattamenti superficiali che riducono il grippaggio. Questo sistema è conforme agli standard ISO, facilitando il commercio globale e il controllo qualità nella produzione di dispositivi di fissaggio.

Una marcatura dettagliata include il codice del materiale, lo stato del trattamento termico (ad esempio, +QT per temprato e rinvenuto) e la classe di prestazione, consentendo una rapida verifica durante l'ispezione. Una marcatura corretta è essenziale per la gestione delle scorte e la conformità normativa in settori come la produzione di turbine.

Materiali e processi

Composizione chimica

Le tabelle da 1 a 3 specificano i limiti di composizione chimica per gli acciai inossidabili e le leghe di nichel utilizzati negli elementi di fissaggio. Tali limiti sono valutati in base alle norme nazionali pertinenti, con i corrispondenti standard nazionali riportati nell'Appendice A. Salvo diverso accordo, la composizione all'interno del gruppo è scelta dal fabbricante.

La norma GB/T 3098.25 fornisce linee guida per la selezione di leghe idonee. Le composizioni sono espresse come frazioni di massa (%), con valori massimi a meno che non siano indicati intervalli o valori minimi.

La composizione chimica è studiata per ottimizzare proprietà quali la resistenza alla corrosione, la resistenza meccanica e la stabilità alle alte temperature. Ad esempio, l'elevato contenuto di cromo negli acciai martensitici migliora la resistenza all'ossidazione, mentre il niobio nella lega 718 stabilizza il materiale contro lo scorrimento viscoso. Il rigoroso controllo di elementi come fosforo e zolfo riduce al minimo la fragilità. I ​​produttori devono verificare la composizione mediante analisi spettroscopica per garantirne la conformità, poiché eventuali deviazioni possono comportare una riduzione delle prestazioni in esercizio. Questa sezione sottolinea l'importanza della purezza del materiale per un'affidabilità a lungo termine in ambienti ad alta temperatura.

Trattamento termico

Gli elementi di fissaggio fabbricati secondo questa norma devono essere sottoposti a trattamento termico per raggiungere le proprietà meccaniche specificate nel Capitolo 7. I regimi di trattamento termico sono dettagliati nella Tabella 4, con temperature minime di rinvenimento per gli acciai martensitici selezionate di conseguenza. I tempi di mantenimento non specificati sono scelti dal fabbricante, tenendo conto delle proprietà richieste e delle temperature di esercizio.

Flusso di processo: Per SD, SB e 718 è richiesto un trattamento di soluzione (AT), preferibilmente dopo la formatura. Per filettature esterne ad alta resistenza (R_mf ≥1100 MPa), il trattamento termico può essere eseguito sulla materia prima previo accordo. Il trattamento termico per elementi di fissaggio stampati a freddo o forgiati a caldo avviene dopo la formatura. Per gli elementi di fissaggio lavorati, può essere eseguito sulla materia prima o sul prodotto finito, con filettatura possibile prima o dopo il trattamento.

Il trattamento termico ottimizza la microstruttura per ottenere le proprietà desiderate, come ad esempio l'indurimento degli acciai martensitici o la precipitazione di fasi nelle leghe di nichel per aumentarne la resistenza. Un trattamento errato può causare fragilità o ridurre la resistenza alla corrosione. I produttori devono monitorare le temperature e le velocità di raffreddamento per ottenere proprietà uniformi, e le ispezioni post-trattamento devono garantire la conformità.

Finitura superficiale

Salvo diversa indicazione, gli elementi di fissaggio devono essere puliti e lucidati. Si raccomanda la lubrificazione per prevenire il grippaggio durante il montaggio, soprattutto in presenza di coppie o velocità elevate. I fattori che aumentano il rischio di grippaggio includono danni alla filettatura e precarichi elevati.

Nota 1: Parametri come l'elevata velocità di serraggio aumentano il rischio di grippaggio. Nota 2: Non esistono norme nazionali che specifichino difetti superficiali o forza di serraggio per queste leghe.

I trattamenti superficiali garantiscono una coppia-tensione controllata, contrassegnata con la sigla "Lu" (ad esempio, SD Lu). Requisiti speciali da concordare.

La finitura superficiale è fondamentale per le prestazioni, in quanto riduce l'attrito e migliora la resistenza alla corrosione. La lucidatura rimuove gli ossidi, mentre la lubrificazione garantisce precarichi affidabili. In condizioni di esercizio ad alta temperatura, i rivestimenti devono resistere alla degradazione termica.

Progettazione dell'accoppiamento bullone-dado

Bulloni, viti, prigionieri e dadi devono essere abbinati secondo la Tabella 5. I dadi devono corrispondere a elementi di fissaggio dello stesso codice (ad esempio, bullone CH0 con dado CH0). È possibile utilizzare materiali diversi previa consultazione di esperti, tenendo conto della corrosione e dell'usura.

Quando le parti serrate sono realizzate con materiali diversi dagli elementi di fissaggio, utilizzare dispositivi di isolamento per evitare la corrosione galvanica.

L'accoppiamento garantisce la distribuzione del carico e la compatibilità, riducendo al minimo rischi come la rottura dei cavi. Per gli accoppiamenti non standard, è fondamentale consultare un esperto.

Resistenza agli ambienti ad alta temperatura

I materiali sono adatti ad ambienti in cui la resistenza allo scorrimento viscoso determina le dimensioni e l'ossidazione si verifica ad alte temperature. SD, SB e 718 resistono anche alla corrosione umida.

La resistenza all'ossidazione e alla formazione di incrostazioni si ottiene tramite la formazione di leghe, con il cromo che crea ossidi protettivi. La resistenza allo scorrimento viscoso è fondamentale per i carichi di lunga durata ad alte temperature.

In applicazioni come le turbine a gas, questi materiali mantengono la loro integrità durante i cicli termici, prevenendo guasti dovuti a fatica o fragilità.

Temperature di esercizio dei dispositivi di fissaggio

Le proprietà descritte nel Capitolo 7 vengono testate a temperature comprese tra 10 °C e 35 °C. L'utilizzo ad alte temperature riduce le proprietà. Le temperature massime raccomandate sono riportate nella Tabella 6, ma possono essere inferiori a seconda delle condizioni.

Per applicazioni specifiche, eseguire prove di trazione, scorrimento viscoso o rilassamento ad alta temperatura secondo il Capitolo 10, simulando le condizioni di assemblaggio.

Queste temperature guidano la progettazione, tenendo conto di fattori come l'ossidazione e lo scorrimento viscoso. I test garantiscono le prestazioni in condizioni di utilizzo reali.

Proprietà meccaniche degli elementi di fissaggio

Bulloni, viti e prigionieri

Se testate secondo il Capitolo 9, le proprietà meccaniche a temperatura ambiente devono essere conformi alle Tabelle 7-11, applicabili durante la produzione o sui prodotti finiti.

Queste proprietà assicurano che gli elementi di fissaggio resistano ai carichi di trazione senza deformazioni eccessive. Ad esempio, un elevato R_mf La gamma 718 è adatta ad applicazioni impegnative. I diversi livelli di durezza prevengono la fragilità mantenendo al contempo la resistenza.

Noci

Le proprietà meccaniche dei dadi sono specificate in modo simile, concentrandosi sui carichi di prova e sulla resistenza allo sfilamento ad alte temperature. Devono essere compatibili con le proprietà dei bulloni per evitare punti deboli negli assemblaggi.

Metodi di prova

Le prove secondo il Capitolo 9 includono prove di trazione per R_mf e R_pf, misurazioni di durezza e valutazioni ad alta temperatura secondo il Capitolo 10 per creep e rilassamento. I metodi garantiscono una valutazione accurata delle proprietà in condizioni simulate.