GB/T 3098.24-2020: 高温用ステンレス鋼およびニッケル合金ファスナー

GB/T 3098.24-2020規格の概要

GB/T 3098.24-2020は、高温用途向けステンレス鋼およびニッケル合金製のボルト、ねじ、スタッド、ナットの機械的特性を規定する規格です。この規格は、締結具に関するGB/T 3098シリーズの一部であり、航空宇宙、発電、石油化学産業などで見られるような高温下でも構造的完全性を維持する材料に焦点を当てています。この規格は、これらの締結具が周囲温度を超える温度にさらされた場合でも、強度、延性、耐食性において信頼性の高い性能を発揮することを保証します。

この規格では、材料をマルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼、ニッケル合金に分類し、それぞれ特定の高温用途向けに調整しています。主な内容としては、化学組成の制限、熱処理条件、機械的試験要件、そして焼き付きや腐食などの問題を防止するためのボルトとナットの組み合わせに関するガイドラインなどが挙げられます。この規格への準拠は、エンジニアや製造業者が、安全性や機能性を損なうことなく、熱応力、酸化、クリープに耐える適切な締結部品を選択する上で不可欠です。

実際には、この規格はISO 3506などの国際規格に準拠しており、締結部品製造における品質保証の枠組みを提供します。この規格は、クリープ耐性や熱膨張率といった要素が重要な役割を果たす使用環境に基づいた材料選定の重要性を強調しています。例えば、合金718のようなニッケル合金は優れた高温強度を持つため好まれ、マルテンサイト系合金は中温域において費用対効果の高いソリューションを提供します。また、この文書には、国内材料の同等品に関する付録や、GB/T 3098.25に準拠したステンレス鋼またはニッケル合金の選定に関するガイドラインも記載されています。

この規格を理解するには、高温における応力-ひずみ挙動を含む締結部品の力学に関する知識が必要です。この規格では、常温（10℃～35℃）での試験が義務付けられていますが、重要な用途においては高温での追加評価が推奨されています。これにより、締結部品が最小引張強度、耐力、伸びの基準を満たし、使用中の破損を防ぐことができます。製造業者は、硬度を高めるためのマルテンサイトや延性を高めるためのオーステナイトなど、所望の微細構造を実現するために、指定された熱処理を遵守する必要があります。全体として、GB/T 3098.24-2020は高温締結システムの信頼性を向上させ、経年劣化に伴うリスクを低減します。

さらに、この規格では、ステンレス鋼やニッケル合金の熱伝導率の低さと摩擦係数の高さに起因する焼き付きを軽減するための表面処理についても規定しています。トルクと張力の関係を一定に保ち、組立効率を高めるために、潤滑剤の使用が推奨されています。この規格は、化学組成と加工方法を最適化することで、過酷な条件下でも性能を発揮する締結部品の製造を促進し、エンジニアリング設計と材料科学の進歩に貢献します。

記号と名称

この文書では、締結部品の性能評価に不可欠な機械的特性および寸法特性を正確に定義するために、以下の記号を使用します。これらの記号を用いることで、試験および仕様の一貫性が確保され、エンジニアは荷重下での強度や伸びなどの特性を正確に評価できます。

あ：ファスナーの破断後の実際の伸び（ミリメートル（mm）単位）。
あ_s、名詞ねじの公称応力断面積（平方ミリメートル（mm²））。
あ_T：ファスナーの破断後の実際の高温伸び（ミリメートル（mm）単位）。
b：ねじ山の長さ（ミリメートル（mm）単位）。
D：内ねじの公称直径（ミリメートル（mm））。
D₂：内ねじの基本ピッチ径（ミリメートル（mm）単位）。
d: 外ねじの公称直径（ミリメートル（mm）単位）。
d_h: 外ねじ締結具の引張試験治具またはナット耐荷重試験治具の穴径（ミリメートル（mm）単位）。
d_s：ねじ山を含まないシャンク径（ミリメートル（mm））。
d₁: 外ねじの基本小径、ミリメートル (mm) 単位。
d₂：外ねじの基本ピッチ径（ミリメートル（mm）単位）。
d₃: 外ねじの小径（応力面積計算用）、単位はミリメートル（mm）。
F_mf：最大引張荷重（ニュートン（N）単位）。
F_mf、T高温における最大引張荷重（ニュートン（N）単位）。
F_n,T: ナットの高温における極限剥離荷重（ニュートン（N）単位）。
F_pナットの耐荷重（ニュートン（N）単位）。
F_pf: ファスナーの0.2%塑性伸長時の実際の荷重（ニュートン（N））。
F_pf、T：ファスナーの0.2%塑性伸長時の実際の高温荷重（ニュートン（N））。
H：元の三角形の糸の高さ（ミリメートル（mm）単位）。
hナット耐荷重試験治具の厚さ（ミリメートル（mm）単位）。
L₀：荷重をかける前のファスナーの全長（ミリメートル（mm））。
L₁: 破損後のファスナーの全長（ミリメートル（mm）単位）。
L₂引張試験前のグリップ長さ（ミリメートル（mm））。
l: 外ねじファスナーの公称長さ（ミリメートル（mm））。
l₁スタッドの全長（ミリメートル（mm）単位）。
l_th：ファスナーの試験治具における、ねじが噛み合っていない部分の長さ（ミリメートル（mm））。
メートルナットの高さ（ミリメートル（mm）単位）。
Pピッチ（ミリメートル（mm）単位）。
R_mf：締結具の実際の引張強度（メガパスカル（MPa）単位）。
R_mf、T：締結具の実際の高温引張強度（メガパスカル（MPa）単位）。
R_n,T：ナットの高温における極限剥離強度（メガパスカル（MPa）単位）。
R_pf：締結具の0.2%塑性伸長時の実際の応力（メガパスカル（MPa））。
R_pf、T：ファスナーの0.2%塑性伸長時の実際の高温応力（メガパスカル（MPa））。
S_p耐力（メガパスカル（MPa）単位）。

これらの記号は、引張強度（R）の決定など、機械的試験の計算に不可欠です。_mf = F_mf / A_s、名詞）と耐力。これらは設計仕様における正確なコミュニケーションを促進し、締結具が製造および適用段階全体で一貫して評価されることを保証します。高温シナリオでは、R などの記号が使用されます。_mf、T そしてF_pf、T 高温による降伏強度の低下など、材料挙動に対する熱の影響を考慮する必要があります。これらの表記を適切に使用することで、誤解を防ぎ、工学用途における安全性を向上させます。

さらに、これらの記号を理解することは、dやPなどの寸法パラメータがねじの強度と荷重分布に影響を与える関連規格への準拠に役立ちます。たとえば、公称応力領域A_s、名詞 dを含む式を用いて計算される₂ そしてd₃張力下での破壊モードを予測する上で極めて重要である。

採点システム

この規格で規定されているすべてのステンレス鋼およびニッケル合金は、マルテンサイト系ステンレス鋼（CH0、CH1、CH2、V、VH、VW）、オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼（SD）、およびニッケル合金（SBおよび718）の3つの明確なカテゴリーに分類されます。このマーキングシステムは、材料グレードを識別するための標準化された方法を提供し、トレーサビリティと高温用途における適切な選定を保証します。

CH0（例：X20Cr13）のようなマルテンサイト系鋼種は、熱処理による焼入れ性が高く、中温域で優れた強度を発揮します。V、VH、VWの記号は、耐力レベルの違いを示しており、VHではR_pf 性能向上のため、700 MPa 以上の強度が必要です。オーステナイト系 SD マークは、X6NiCrTiMoVB25-15-2 のような析出硬化型合金を示し、650℃ までの耐食性と強度保持性で知られています。ニッケル合金 SB (NiCr20TiAl) および 718 (NiCr19NbMo) は、優れたクリープ耐性を示すマークで、それぞれ 800℃ および 700℃ までの温度に最適です。

マーキングは、組み立て時の互換性を確保し、故障につながる可能性のある不一致を防ぎます。潤滑剤を塗布したファスナーの場合、焼き付きを軽減するための表面処理を示すために「Lu」が付加されます（例：SD Lu）。このシステムはISO規格に準拠しており、ファスナー製造におけるグローバルな貿易と品質管理を促進します。

詳細なマーキングには、材料コード、熱処理状態（例：焼入れ焼戻しの場合は+QT）、および性能クラスが含まれており、検査時に迅速な確認が可能です。タービン製造などの業界では、適切なマーキングは在庫管理と規制遵守に不可欠です。

材料と加工

化学組成

表1～3は、締結部品に使用されるステンレス鋼およびニッケル合金の化学組成の許容範囲を示しています。これらの許容範囲は、関連する国家規格に基づいて評価されており、国内規格の同等品は付録Aに記載されています。別途合意がない限り、製造業者は当該グループ内で組成を選択します。

GB/T 3098.25は、適切な合金を選択するためのガイドラインを示しています。組成は質量分率（%）で示され、範囲または最小値が明記されていない限り、最大値が示されています。

表1：締結部品用マルテンサイト系ステンレス鋼の化学組成

素材カテゴリ	ファスナーコード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	化学組成（質量分率）/%
素材カテゴリ	コード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	C	シ	マン	P	S	Cr	モ	ニ	鉄	その他の要素
マルテンサイト系ステンレス鋼	CH0	X20Cr13	4021-420-00-1	0.16~0.25	1	1.5	0.04	0.030^c	12.0~14.0	/	/	バランス	/
	CH0	X20Cr13	1.4021*	0.16~0.25	1	1.5	0.04	0.030^c	12.0~14.0	/	/		/
	CH1	X30Cr13	4028-420-00-1	0.26~0.35	1	1.5	0.04	0.030^c	12.0~14.0	/	/		/
	CH1	X30Cr13	1.4028*	0.26~0.35	1	1.5	0.04	0.030^c	12.0~14.0	/	/		/
	CH2	X17CrNi16-2	4057-431-00-X	0.12~0.22	1	1.5	0.04	0.03	15.0~17.0	/	1.50~2.50		/
	CH2	X17CrNi16-2	1.4057*	0.12~0.22	1	1.5	0.04	0.03	15.0~17.0	/	1.50~2.50		/
	V/VH^d	X22CrMoV12-1	4923-422-77-E	0.18~0.24	0.5	0.40~0.90	0.025	0.015	11.0~12.5	0.80~1.20	0.30~0.80		/
	V/VH^d	X22CrMoV12-1	1.4923**	0.18~0.24	0.5	0.40~0.90	0.025	0.015	11.0~12.5	0.80~1.20	0.30~0.80		V:0.25～0.35
	フォルクスワーゲン	X19CrMoNbVN11-1	1.4913***	0.17~0.23	0.5	0.40~0.90	0.025	0.015	10.0~11.5	0.50~0.80	0.20~0.60		V:0.10～0.30
													Nb:0.25～0.55
													B:0.0015
													Al:0.020
													N:0.05～0.10

注：範囲または最小値が指定されていない限り、値は最大値です。 ^1つの ISO/TS 4949に準拠。 ^b * EN 10088-3 より。*** EN 10269 より。その他は ISO 15510 より。 ^c 加工性を向上させるため、硫黄含有量は0.015%～0.030%の範囲とする。 ^d VはRを表す_pf 600 MPa以上、700 MPa以上はVH。

表2：締結部品用オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼の化学組成

素材カテゴリ	ファスナーコード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	化学組成（質量分率）/%
素材カテゴリ	ファスナーコード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	C	シ	マン	P	S	Cr	モ	ニ	鉄	その他の要素
オーステナイト系析出硬化型ステンレス鋼	SD^d	X6NiCrTiMoVB25-15-2	4980-662-86-X	0.08^c	1	2	0.04	0.03	13.5~16.0	1.00~1.50	24.0~27.0	バランス	Ti:1.90～2.35
													Al:0.35
													V:0.10～0.50
													B:0.001～0.010
		X6NiCrTiMoVB25-15-2	1.4980***	0.03~0.08	1	1.00~2.00	0.025	0.015	13.5~16.0	1.00~1.50	24.0~27.0		Ti:1.90～2.35
													Al:0.35
													V:0.10～0.50
													B:0.001～0.010
		X6NiCrTiMoVB25-15-2	合金660 S66286**	0.08^c	1	2	0.04	0.03	13.5~16.0	1.00~1.50	24.0~27.0		Ti:1.90～2.35
													Al:0.35
													V:0.10～0.50
													B:0.001～0.010

注：範囲または最小値が指定されていない限り、値は最大値です。 ^1つの ISO/TS 4949に準拠。 ^b ** UNS より。*** EN 10269 より。その他は ISO 15510 より。 ^c 特殊用途における最低C濃度。 ^d 性能向上のため、二次溶融を推奨します。

表3：ファスナー用ニッケル合金の化学組成

素材カテゴリ	ファスナーコード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	化学組成（質量分率）/%
素材カテゴリ	ファスナーコード	ISO材料グレード^1つの	参考情報^b	C	シ	マン	P	S	Cr	モ	ニ	鉄	その他の要素
ニッケル合金	SB^d	ニッケルクロムチタンアルミ	合金80A N07080**	0.10^c	1	1	0.045	0.015	18.0~21.0	/	バランス	3	Ti:1.80～2.7
													Al:1.0～1.8
													Co:2.0
													Cu:0.2
													B:0.008
		ニッケルクロムチタンアルミ	2.4952***	0.04~0.10^c	1	1	0.02	0.015	18.0~21.0	/	65.0以上	1.5	Ti:1.80～2.7
													Al:1.0～1.8
													Co:1.0
													Cu:0.2
													B:0.008
	718^d	NiCr19NbMo	合金718 N07718**	0.08^c	0.35	0.35	0.015	0.015	17.0~21.0	2.80~3.30	50.0~55.0	バランス	注：4.75～5.50
													Ti:0.65～1.15
													Al:0.2～0.8
													Co:1.0
													Cu:0.3
													B:0.006
		NiCr19NbMo	2.4668**	0.02~0.08^c	0.35	0.35	0.015	0.015	17.0~21.0	2.80~3.30	50.0~55.0		注：4.75～5.50
													Ti:0.60～1.20
													Al:0.3～0.7
													Co:1.0
													Cu:0.3
													B:0.002～0.006

注：範囲または最小値が指定されていない限り、値は最大値です。 ^1つの ISO/TS 4949に準拠。 ^b ** UNSより; *** EN 10269より。 ^c 特殊用途における最低C濃度。 ^d 性能向上のため、二次溶融を推奨します。

化学組成は、耐食性、強度、高温安定性などの特性を最適化するように設計されています。例えば、マルテンサイト鋼の高クロム含有量は耐酸化性を向上させ、合金718のニオブはクリープに対する安定性を高めます。リンや硫黄などの元素を厳密に管理することで脆化を最小限に抑えます。製造業者は、組成が規定に適合していることを確認するために分光分析による検証を行う必要があります。組成の逸脱は、使用時の性能低下につながる可能性があるためです。このセクションでは、高温環境における長期信頼性にとって材料の純度がいかに重要であるかを強調します。

熱処理

この規格に基づいて製造される締結部品は、第7章に規定された機械的特性を得るために熱処理を受けなければならない。熱処理条件は表4に詳述されており、マルテンサイト鋼の最低焼戻し温度はそれに応じて選択される。規定されていない保持時間は、必要な特性と使用温度を考慮して製造業者が選択する。

プロセスフロー：SD、SB、および718の場合、成形後に溶液処理（AT）を行うことが望ましい。高強度外ねじ（R）の場合_mf 圧縮強度が1100 MPa以上の場合、AT処理は合意に基づき原材料に対して行うことができます。冷間鍛造または熱間鍛造の締結部品の熱処理は、成形後に行われます。機械加工された締結部品の場合、熱処理は原材料または完成品に対して行うことができ、ねじ切りは処理前または処理後に行うことができます。

表4：ファスナーの推奨熱処理方法

ファスナーコード	熱処理条件	急冷／固溶処理温度（および保持時間）℃	焼き戻し／析出硬化温度（および保持時間）℃
ファスナーコード	熱処理条件	急冷／固溶処理温度（および保持時間）℃	焼き戻し／析出硬化温度（および保持時間）℃	CH0	+QT	950~1050	450以上^1つの
CH1	+QT	950~1050	450以上^1つの
CH2	+QT	950~1050	450以上^1つの
V	+QT	1020~1070	680以上
VH	+QT	1020~1070	660以上
フォルクスワーゲン	+QT	1100~1130	670以上
SD	+AT+P	970～990（1時間以上）	710～730（16時間以上）
SD	+AT+P	890～910（1時間以上）	710～730（16時間以上）
SB	+AT+P	1050~1080	ステップ1：840～860（24時間以上）ステップ2：690～710（16時間以上）
SB	+AT+P	1050~1080	ステップ1：840～860（24時間以上）ステップ2：690～710（16時間以上）	718	+AT+P	940~1010	ステップ1：710～730（8時間以上）ステップ2：610～630（18時間以上）

QT：焼入れ焼戻し；AT：固溶化処理（焼きなまし）；P：析出硬化。 ^1つの靭性低下や粒界腐食を防ぐため、500℃～600℃の温度は避けてください（付録Bを参照）。

熱処理は、マルテンサイト鋼の硬化やニッケル合金の強度向上のための析出相形成など、所望の特性を得るために微細構造を最適化します。不適切な処理は、脆化や耐食性の低下を引き起こす可能性があります。製造業者は、均一な特性を実現するために温度と冷却速度を監視し、処理後の検査によって適合性を確保する必要があります。

表面仕上げ

特に指定がない限り、締結部品は洗浄および研磨してください。組み立て時、特に高トルクまたは高速回転時には、焼き付きを防ぐために潤滑剤の使用をお勧めします。焼き付きリスクを高める要因としては、ねじ山の損傷や高い予圧などが挙げられます。

注1：締め付け速度が高いなどのパラメータは、焼き付きリスクを高めます。注2：これらの合金については、表面欠陥や締め付けトルクに関する国家規格はありません。

表面処理は、トルクと張力を制御するもので、「Lu」のマークが付いています（例：SD Lu）。特別なご要望は別途ご相談ください。

表面仕上げは性能にとって非常に重要であり、摩擦を低減し、耐食性を向上させます。研磨によって酸化物が除去され、潤滑によって確実な予圧が確保されます。高温環境下では、コーティングは熱劣化に耐える必要があります。

ボルトとナットの組み合わせ設計

ボルト、ねじ、スタッド、ナットは表5に従って組み合わせるものとする。ナットは同じ規格の締結具と組み合わせる（例：CH0ボルトにはCH0ナット）。腐食や焼き付きを考慮し、専門家に相談すれば、異なる材質を使用することも可能です。

締結部品と締結具の材質が異なる場合は、絶縁処理を施してガルバニック腐食を防いでください。

表5：ボルト、ねじ、スタッド、ナットの組み合わせ

ボルト、ネジ、スタッド	ナッツ
ボルト、ネジ、スタッド	CH0	CH1	CH2	V、VH、VW	SD	SB	718
CH0	✓	✓	✓	✓	✓	✓	✓
CH1		✓	✓	考えられる組み合わせ		✓	✓
CH2			✓	✓	✓	✓	✓
V、VH、VW				✓	✓	✓	✓
SD					✓	✓	✓
SB						✓	✓
718							✓

ペアリングは負荷分散と互換性を確保し、配線の断線などのリスクを最小限に抑えます。非標準ペアリングの場合は、専門家への相談が不可欠です。

高温環境耐性

これらの材料は、クリープ強度によって寸法が決定され、高温で酸化が発生する環境に適しています。SD、SB、および718は、湿潤腐食にも耐性があります。

酸化やスケールに対する耐性は合金化によって実現され、クロムが保護酸化物を形成する。クリープ耐性は、高温下での長期負荷において極めて重要である。

ガスタービンなどの用途では、これらの材料は熱サイクル下でも完全性を維持し、疲労や脆化による故障を防ぎます。

ファスナーの動作温度

第7章の特性は10℃～35℃の温度範囲で試験されています。高温で使用すると特性が低下します。表6に推奨最高温度を示しますが、使用条件によってはそれよりも低くなる場合があります。

特定の用途については、第10章に従って、組み立て条件をシミュレートした高温引張試験、クリープ試験、または緩和試験を実施してください。

表6：締結部品の推奨最大使用温度

ファスナーコード	最大動作温度 °C
CH0	400
CH1	400
CH2	450
V	600
VH	600
フォルクスワーゲン	600
SD	650
SB	800
718	700

これらの温度は、酸化やクリープなどの要因を考慮した設計の指針となります。試験によって、実際の使用環境における性能が保証されます。

締結具の機械的特性

ボルト、ネジ、スタッド

第9章に従って試験した場合、常温における機械的特性は、製造時または完成品に適用される表7-11を満たすものとする。

表7：ボルト、ねじ、スタッドの周囲温度における機械的特性

ファスナーコード	最小引張強度R_mf / MPa	0.2%における応力塑性伸長R_pf / MPa	破断後の最小伸び率 A / mm	硬度HV（F≥98N）	硬度 HRC
ファスナーコード	最小引張強度R_mf / MPa	0.2%における応力塑性伸長R_pf / MPa	破断後の最小伸び率 A / mm	硬度HV（F≥98N）	硬度 HRC	CH0	800	600	0.20d	250~320	22~32
CH1	850	650	0.20d	270~380	26~39
CH2	860	690	0.20d	260~320	25~32
V	800	600	0.20d	250~320	22~32
VH	900	700	0.20d	280~360	28~38
フォルクスワーゲン	900	750	0.20d	280~360	28~38
SD	900	600	0.25d	250~360	22~38
SB	1000	600	0.20d	320~410	32~42
718	1230	1030	0.20d	345~480	36~48

表8：常温における最小引張荷重 – 粗目ねじ

ねじサイズd	公称応力領域A_s、名詞 mm²	最小引張荷重F_mf 北
		最小引張荷重F_mf 北									CH0	CH1	CH2	V	VH	フォルクスワーゲン	SD	SB	718
		M3	5.03	4030	4280	4330	4030	4530	4530	4530	5040	6190
M39	976	780700	829400	839200	780700	878200	878200	878200	975800	1200200

F_mf、最小 = A_s、名詞 × R_mf、最小値は標準規格に従って四捨五入されています。

これらの特性により、ファスナーは過度の変形を起こさずに引張荷重に耐えることができます。例えば、高いR_mf 718種類のスーツは、要求の厳しい用途に対応します。硬度範囲が広いため、強度を維持しながら脆性を防ぎます。

ナッツ

ナットの機械的特性も同様に規定され、高温における耐荷重と剥離強度に重点が置かれる。組み立てにおける弱点を避けるため、ナットの特性はボルトの特性と一致させる必要がある。

試験方法

第9章に基づく試験には、Rの引張試験が含まれる。_mf そしてR_pf硬度測定、およびクリープと緩和に関する第10章に基づく高温評価。これらの方法により、模擬条件下での特性を正確に評価できます。

よくある質問

合金718製の締結部品に推奨される熱処理は何ですか？

940～1010℃での固溶化処理後、2段階析出硬化処理（710～730℃で8時間以上、その後610～630℃で18時間以上）を行うことで、強度とクリープ耐性を向上させる。

ステンレス鋼製ファスナーのかじりつきを防ぐにはどうすればよいですか？

潤滑剤またはコーティング剤を塗布し、締め付け速度を制御し、ねじ山の仕上がりが適切であることを確認してください。潤滑剤塗布済みの製品には「Lu」のマークを付けてください。

マルテンサイト系鋼の最大使用温度は何度ですか？

CH0およびCH1：400℃、CH2：450℃、V、VH、VW：600℃。これらの温度を超えると、特性が劣化する可能性があります。

ボルトとナットに異なる材質コードを組み合わせることは可能ですか？

はい、表5の通りですが、腐食や焼き付きのリスクを評価するには専門家にご相談ください。

SD合金やニッケル合金に二次溶解が推奨されるのはなぜですか？

これにより純度と均質性が向上し、機械的特性と高温劣化に対する耐性が強化されます。

公称応力領域Aはどのように定義されるのか_s、名詞計算された？

ピッチ直径dを含む式を使用する₂ および小径d₃負荷計算については、9.1.5項に従う。

GB/T 3098.24-2020：高温用ステンレス鋼およびニッケル合金ファスナー