GB/T 3098.24-2020: Hittebestendige bevestigingsmiddelen van roestvrij staal en nikkellegering

Inleiding tot de GB/T 3098.24-2020-norm

GB/T 3098.24-2020 specificeert de mechanische eigenschappen van bouten, schroeven, tapeinden en moeren gemaakt van roestvrij staal en nikkellegeringen, bedoeld voor gebruik bij hoge temperaturen. Deze norm maakt deel uit van de bredere GB/T 3098-reeks voor bevestigingsmiddelen en richt zich op materialen die hun structurele integriteit behouden bij verhoogde temperaturen, zoals die voorkomen in de lucht- en ruimtevaart, energieopwekking en petrochemische industrie. De norm garandeert dat deze bevestigingsmiddelen betrouwbare prestaties leveren op het gebied van sterkte, ductiliteit en corrosiebestendigheid bij blootstelling aan temperaturen boven de omgevingstemperatuur.

De norm categoriseert materialen in martensitisch roestvrij staal, austenitisch precipitatiegehard roestvrij staal en nikkellegeringen, elk afgestemd op specifieke toepassingen bij hoge temperaturen. Belangrijke aspecten zijn onder meer limieten voor de chemische samenstelling, warmtebehandelingsregimes, eisen voor mechanische testen en richtlijnen voor het combineren van bouten met moeren om problemen zoals vreten of corrosie te voorkomen. Naleving van deze norm is cruciaal voor ingenieurs en fabrikanten om geschikte bevestigingsmiddelen te selecteren die bestand zijn tegen thermische spanningen, oxidatie en kruip zonder de veiligheid of functionaliteit in gevaar te brengen.

In de praktijk sluit deze norm aan bij internationale normen zoals ISO 3506 en biedt een kader voor kwaliteitsborging in de productie van bevestigingsmiddelen. De norm benadrukt het belang van materiaalkeuze op basis van de bedrijfsomgeving, waar factoren zoals kruipweerstand en thermische uitzetting een cruciale rol spelen. Zo worden nikkellegeringen zoals legering 718 geprefereerd vanwege hun superieure sterkte bij hoge temperaturen, terwijl martensitische legeringen kosteneffectieve oplossingen bieden voor gematigde temperaturen. Het document verwijst ook naar bijlagen met equivalente materialen voor binnenlands gebruik en richtlijnen voor de selectie van roestvrij staal of nikkellegeringen volgens GB/T 3098.25.

Om deze norm te begrijpen, is kennis van de mechanica van bevestigingsmiddelen vereist, inclusief het spannings-rekgedrag bij hoge temperaturen. De norm schrijft testen bij omgevingstemperatuur (10 °C tot 35 °C) voor, maar adviseert aanvullende testen bij hoge temperaturen voor kritische toepassingen. Dit garandeert dat bevestigingsmiddelen voldoen aan de minimale criteria voor treksterkte, vloeigrens en rek, waardoor defecten tijdens gebruik worden voorkomen. Fabrikanten moeten zich houden aan de gespecificeerde warmtebehandelingen om de gewenste microstructuren te verkrijgen, zoals martensiet voor hardheid of austeniet voor ductiliteit. Over het algemeen bevordert GB/T 3098.24-2020 de betrouwbaarheid van bevestigingssystemen voor hoge temperaturen en vermindert het de risico's die gepaard gaan met materiaaldegradatie in de loop der tijd.

Bovendien behandelt de norm oppervlaktebehandelingen om vreten te voorkomen, een veelvoorkomend probleem bij roestvrij staal en nikkellegeringen vanwege hun lage thermische geleidbaarheid en hoge wrijvingscoëfficiënten. Smering wordt aanbevolen om consistente koppel-spanningverhoudingen te bereiken, wat de montage-efficiëntie verbetert. Door de chemische samenstelling en verwerking te optimaliseren, maakt deze norm de productie mogelijk van bevestigingsmiddelen die onder ve veeleisende omstandigheden presteren, wat bijdraagt ​​aan vooruitgang in technisch ontwerp en materiaalkunde.

Symbolen en aanduidingen

De volgende symbolen zijn van toepassing op dit document en bieden nauwkeurige definities voor mechanische en dimensionale parameters die essentieel zijn voor de beoordeling van de prestaties van bevestigingsmiddelen. Deze notaties zorgen voor consistentie in testen en specificaties, waardoor ingenieurs eigenschappen zoals sterkte en rek onder belasting nauwkeurig kunnen inschatten.

• A: Werkelijke rek na breuk van de bevestiging, in millimeters (mm).
• A_s,nom: Nominale dwarsdoorsnede van de schroefdraad bij spanning, in vierkante millimeters (mm²).
• A_T: Werkelijke rek bij hoge temperatuur na breuk van de bevestiging, in millimeters (mm).
• BDraadlengte, in millimeters (mm).
• D: Nominale diameter van de binnendraad, in millimeters (mm).
• D₂: Basisspoeddiameter van de binnendraad, in millimeters (mm).
• D: Nominale diameter van de buitendraad, in millimeters (mm).
• D_H: Gatdiameter in trekproefarmatuur of moerproefarmatuur voor bevestigingsmiddelen met uitwendige schroefdraad, in millimeters (mm).
• D_s: Schachtdiameter zonder schroefdraad, in millimeters (mm).
• D₁: De minimale diameter van de buitendraad, in millimeters (mm).
• D₂: Basisspoeddiameter van de uitwendige schroefdraad, in millimeters (mm).
• D₃: Kleine diameter van de uitwendige schroefdraad (voor de berekening van het spanningsgebied), in millimeters (mm).
• F_mf: Maximale trekbelasting, in newtons (N).
• F_mf,T: Maximale treksterkte bij hoge temperatuur, in newtons (N).
• F_n,T: Maximale stripsterkte bij hoge temperatuur voor moeren, in newtons (N).
• F_p: Testbelasting voor moeren, in newtons (N).
• F_pf: Werkelijke belasting bij een plastic verlenging van 0,2% van de bevestiging, in newtons (N).
• F_pf,T: Werkelijke hoge temperatuurbelasting bij een plastic rek van 0,2% van de bevestiging, in newtons (N).
• H: Oorspronkelijke driehoekshoogte van de draad, in millimeters (mm).
• H: Dikte van de testopstelling voor de moerproefbelasting, in millimeters (mm).
• L₀: Totale lengte van het bevestigingsmiddel vóór belasting, in millimeters (mm).
• L₁: Totale lengte van het bevestigingsmiddel na breuk, in millimeters (mm).
• L₂: Greeplengte vóór de trekproef, in millimeters (mm).
• l: Nominale lengte van de uitwendige schroefdraadbevestiging, in millimeters (mm).
• l₁: Totale lengte van de bout, in millimeters (mm).
• l_e: Lengte van de niet-ingegrepen schroefdraad in de testopstelling voor de bevestiging, in millimeters (mm).
• M: Hoogte van de moer, in millimeters (mm).
• P: Steek, in millimeters (mm).
• R_mf: Werkelijke treksterkte van het bevestigingsmiddel, in megapascal (MPa).
• R_mf,T: Werkelijke treksterkte van het bevestigingsmiddel bij hoge temperaturen, in megapascal (MPa).
• R_n,T: Maximale afstripsterkte bij hoge temperaturen voor moeren, in megapascal (MPa).
• R_pf: Werkelijke spanning bij een plastic rek van 0,2% van de bevestiging, in megapascal (MPa).
• R_pf,T: Werkelijke hoge-temperatuurspanning bij een kunststofrek van 0,2% van de bevestiging, in megapascal (MPa).
• S_p: Testspanning, in megapascal (MPa).

Deze symbolen zijn essentieel voor berekeningen bij mechanische testen, zoals het bepalen van de treksterkte (R)._mf = F_mf / A_s,nom) en vloeigrens. Ze vergemakkelijken nauwkeurige communicatie in ontwerpspecificaties, waardoor bevestigingsmiddelen consistent worden geëvalueerd gedurende de productie- en toepassingsfasen. Voor scenario's met hoge temperaturen worden symbolen zoals R gebruikt._mf,T en F_pf,T Houd rekening met thermische effecten op het materiaalgedrag, zoals een verlaagde vloeigrens als gevolg van verhoogde temperaturen. Correct gebruik van deze aanduidingen voorkomt misinterpretatie en verhoogt de veiligheid bij technische toepassingen.

Daarnaast helpt het begrijpen van deze symbolen bij het naleven van de relevante normen, waarbij dimensionale parameters zoals d en P de draadsterkte en de lastverdeling beïnvloeden. Bijvoorbeeld, het nominale spanningsgebied A_s,nom wordt berekend met behulp van formules die d bevatten.₂ en d₃, cruciaal voor het voorspellen van faalmechanismen onder spanning.

Markeersysteem

Alle roestvrijstalen en nikkellegeringen die in dit deel worden gespecificeerd, vallen in drie afzonderlijke categorieën: martensitische roestvrijstalen (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), austenitische precipitatiehardende roestvrijstalen (SD) en nikkellegeringen (SB en 718). Dit markeringssysteem biedt een gestandaardiseerde manier om materiaalkwaliteiten te identificeren, waardoor traceerbaarheid en een geschikte selectie voor toepassingen bij hoge temperaturen worden gewaarborgd.

Martensitische legeringen zoals CH0 (bijv. X20Cr13) worden gekenmerkt door hun hardbaarheid door warmtebehandeling, wat resulteert in een goede sterkte bij gematigde temperaturen. De aanduidingen V, VH en VW duiden op verschillende vloeigrenswaarden, waarbij VH een R-waarde vereist._pf ≥ 700 MPa voor verbeterde prestaties. Austenitische SD-markeringen duiden op precipitatiegeharde legeringen zoals X6NiCrTiMoVB25-15-2, die bekend staan ​​om hun corrosiebestendigheid en sterktebehoud tot 650 °C. Nikkellegeringen SB (NiCr20TiAl) en 718 (NiCr19NbMo) zijn gemarkeerd vanwege hun superieure kruipweerstand, ideaal voor temperaturen tot respectievelijk 800 °C en 700 °C.

Markering zorgt voor compatibiliteit in assemblages en voorkomt mismatches die tot storingen kunnen leiden. Bij gesmeerde bevestigingsmiddelen wordt "Lu" toegevoegd (bijv. SD Lu) om oppervlaktebehandelingen aan te geven die vreten verminderen. Dit systeem sluit aan bij ISO-normen en vergemakkelijkt de wereldwijde handel en kwaliteitscontrole in de productie van bevestigingsmiddelen.

Gedetailleerde markering omvat de materiaalcode, de warmtebehandelingstoestand (bijv. +QT voor gehard en getemperd) en de prestatieklasse, waardoor snelle verificatie tijdens inspectie mogelijk is. Correcte markering is essentieel voor voorraadbeheer en naleving van regelgeving in industrieën zoals de turbineproductie.

Materialen en verwerking

Chemische samenstelling

Tabellen 1 tot en met 3 specificeren de chemische samenstellingslimieten voor roestvrij staal en nikkellegeringen die in bevestigingsmiddelen worden gebruikt. Deze limieten worden beoordeeld volgens de relevante nationale normen, met binnenlandse equivalenten in bijlage A. Tenzij anders overeengekomen, kiest de fabrikant de samenstelling binnen de groep.

GB/T 3098.25 geeft richtlijnen voor het selecteren van geschikte legeringen. Samenstellingen worden weergegeven als massafracties (%), met maximale waarden tenzij bereiken of minima worden vermeld.

De chemische samenstellingen zijn ontworpen om eigenschappen zoals corrosiebestendigheid, sterkte en stabiliteit bij hoge temperaturen te optimaliseren. Zo verbetert een hoog chroomgehalte in martensitische staalsoorten de oxidatieweerstand, terwijl niobium in legering 718 kruip tegengaat. Strikte controle van elementen zoals fosfor en zwavel minimaliseert verbrossing. Fabrikanten moeten de samenstellingen controleren door middel van spectroscopische analyse om naleving te garanderen, aangezien afwijkingen kunnen leiden tot verminderde prestaties in de praktijk. Deze sectie benadrukt het belang van materiaalzuiverheid voor betrouwbaarheid op lange termijn in omgevingen met hoge temperaturen.

Warmtebehandeling

Bevestigingsmiddelen die volgens deze norm worden vervaardigd, moeten een warmtebehandeling ondergaan om de mechanische eigenschappen te verkrijgen zoals gespecificeerd in hoofdstuk 7. De warmtebehandelingsregimes worden gedetailleerd beschreven in tabel 4, waarbij de minimale tempertemperaturen voor martensitische staalsoorten dienovereenkomstig worden gekozen. Houdtijden die niet zijn gespecificeerd, worden door de fabrikant gekozen, rekening houdend met de vereiste eigenschappen en bedrijfstemperaturen.

Processtroom: Voor SD, SB en 718 is een oplossingsbehandeling (AT) vereist, bij voorkeur na het vormen. Voor zeer sterke uitwendige schroefdraad (R_mf ≥1100 MPa), AT kan in overleg op het ruwe materiaal worden toegepast. Warmtebehandeling voor koudgevormde of warmgesmede bevestigingsmiddelen vindt plaats na het vormen. Voor machinaal bewerkte bevestigingsmiddelen kan dit op het ruwe materiaal of het eindproduct gebeuren, waarbij schroefdraad mogelijk is vóór of na de behandeling.

Warmtebehandeling optimaliseert de microstructuur voor de gewenste eigenschappen, zoals het harden van martensitische staalsoorten of het neerslaan van fasen in nikkellegeringen voor meer sterkte. Een onjuiste behandeling kan leiden tot brosheid of een verminderde corrosiebestendigheid. Fabrikanten moeten de temperatuur en afkoelsnelheid nauwlettend in de gaten houden om uniforme eigenschappen te bereiken, waarbij inspecties na de behandeling de naleving garanderen.

Oppervlakteafwerking

Tenzij anders aangegeven, dienen bevestigingsmiddelen gereinigd en gepolijst te worden. Smering wordt aanbevolen om vastlopen tijdens de montage te voorkomen, met name bij een hoog koppel of hoge snelheid. Factoren die het risico op vastlopen verhogen, zijn onder andere beschadiging van de schroefdraad en een hoge voorspanning.

Opmerking 1: Parameters zoals een hoge aanhaalsnelheid verhogen het risico op vreten. Opmerking 2: Er bestaan ​​geen nationale normen die oppervlaktedefecten of aanhaalmomenten voor deze legeringen specificeren.

Oppervlaktebehandelingen zorgen voor gecontroleerde koppelspanning, gemarkeerd met "Lu" (bijv. SD Lu). Bijzondere eisen in overleg.

De oppervlakteafwerking is cruciaal voor de prestaties, omdat het wrijving vermindert en de corrosiebestendigheid verbetert. Polijsten verwijdert oxiden, terwijl smering zorgt voor een betrouwbare voorspanning. Bij hoge temperaturen moeten coatings bestand zijn tegen thermische degradatie.

Ontwerp van de combinatie van bouten en moeren

Bouten, schroeven, tapeinden en moeren moeten per paar worden gebruikt volgens tabel 5. Moeren moeten overeenkomen met de bevestigingsmaterialen met dezelfde code (bijv. CH0-bout met CH0-moer). Verschillende materialen zijn mogelijk in overleg met deskundigen, rekening houdend met corrosie en vreten.

Wanneer de geklemde onderdelen van een ander materiaal zijn gemaakt dan de bevestigingsmiddelen, gebruik dan isolatie om galvanische corrosie te voorkomen.

Door de juiste combinaties te gebruiken, wordt de belasting verdeeld en de compatibiliteit gewaarborgd, waardoor risico's zoals het losraken van de kabel worden geminimaliseerd. Deskundig advies is essentieel voor niet-standaard combinaties.

Bestand tegen omgevingen met hoge temperaturen

De materialen zijn geschikt voor omgevingen waar kruipsterkte bepalend is voor de maatvoering en oxidatie optreedt bij hoge temperaturen. SD, SB en 718 zijn bovendien bestand tegen vochtcorrosie.

Weerstand tegen oxidatie en aanslag wordt bereikt door legering, waarbij chroom beschermende oxiden vormt. Kruipweerstand is essentieel voor langdurige belasting bij hoge temperaturen.

In toepassingen zoals gasturbines behouden deze materialen hun integriteit tijdens thermische cycli, waardoor storingen door vermoeidheid of verbrossing worden voorkomen.

Bedrijfstemperaturen van bevestigingsmiddelen

De eigenschappen van hoofdstuk 7 worden getest bij temperaturen tussen 10 °C en 35 °C. Gebruik bij hoge temperaturen vermindert de eigenschappen. De aanbevolen maximumtemperaturen staan ​​in tabel 6, maar kunnen lager zijn afhankelijk van de omstandigheden.

Voor specifieke toepassingen dient u trekproeven, kruipproeven of relaxatieproeven bij hoge temperaturen uit te voeren volgens hoofdstuk 10, waarbij u de montageomstandigheden simuleert.

Deze temperaturen zijn bepalend voor het ontwerp, waarbij rekening wordt gehouden met factoren zoals oxidatie en kruip. Tests garanderen de prestaties in de praktijk.

Mechanische eigenschappen van bevestigingsmiddelen

Bouten, schroeven en tapeinden

Bij testen volgens hoofdstuk 9 moeten de mechanische eigenschappen bij omgevingstemperatuur voldoen aan de tabellen 7-11, die van toepassing zijn tijdens de fabricage of op afgewerkte producten.

Deze eigenschappen zorgen ervoor dat bevestigingsmiddelen trekbelastingen kunnen weerstaan ​​zonder overmatige vervorming. Een hoge R-waarde is bijvoorbeeld een goed voorbeeld._mf in 718 pakken voor veeleisende toepassingen. Hardheidsbereiken voorkomen brosheid en behouden tegelijkertijd sterkte.

Noten

De mechanische eigenschappen van moeren worden op vergelijkbare wijze gespecificeerd, met de nadruk op vloeigrensbelasting en afscheursterkte bij hoge temperaturen. Ze moeten overeenkomen met de eigenschappen van bouten om zwakke punten in constructies te voorkomen.

Testmethoden

De tests volgens hoofdstuk 9 omvatten trekproeven voor R._mf en R_pf, hardheidsmetingen en evaluaties bij hoge temperaturen volgens hoofdstuk 10 voor kruip en relaxatie. Methoden garanderen een nauwkeurige beoordeling van eigenschappen onder gesimuleerde omstandigheden.