GB/T 3098.24-2020: Fixadores de alta temperatura em aço inoxidável e liga de níquel

Introdução à norma GB/T 3098.24-2020

A norma GB/T 3098.24-2020 especifica as propriedades mecânicas de parafusos, pinos e porcas fabricados em aços inoxidáveis ​​e ligas de níquel destinados a serviços em altas temperaturas. Esta norma faz parte da série GB/T 3098 sobre elementos de fixação e concentra-se em materiais que mantêm a integridade estrutural sob temperaturas elevadas, como as encontradas nas indústrias aeroespacial, de geração de energia e petroquímica. Ela garante que esses elementos de fixação apresentem desempenho confiável em termos de resistência, ductilidade e resistência à corrosão quando expostos a temperaturas superiores às condições ambientais.

A norma classifica os materiais em aços inoxidáveis ​​martensíticos, aços inoxidáveis ​​austeníticos de endurecimento por precipitação e ligas de níquel, cada um projetado para aplicações específicas em altas temperaturas. Os principais aspectos incluem limites de composição química, regimes de tratamento térmico, requisitos de ensaios mecânicos e diretrizes para o pareamento de parafusos e porcas a fim de evitar problemas como engripamento ou corrosão. A conformidade com esta norma é crucial para que engenheiros e fabricantes selecionem fixadores adequados que resistam a tensões térmicas, oxidação e fluência sem comprometer a segurança ou a funcionalidade.

Na prática, esta norma está alinhada com normas internacionais como a ISO 3506, fornecendo uma estrutura para garantia da qualidade na produção de fixadores. Ela enfatiza a importância da seleção de materiais com base nos ambientes operacionais, onde fatores como resistência à fluência e expansão térmica desempenham papéis fundamentais. Por exemplo, ligas de níquel como a liga 718 são preferidas por sua resistência superior a altas temperaturas, enquanto as ligas martensíticas oferecem soluções econômicas para temperaturas moderadas. O documento também faz referência a apêndices com equivalentes de materiais nacionais e diretrizes para a seleção de aços inoxidáveis ​​ou ligas de níquel, conforme a norma GB/T 3098.25.

A compreensão desta norma exige conhecimento de mecânica de fixadores, incluindo o comportamento tensão-deformação em altas temperaturas. Ela exige testes em condições ambientais (10 °C a 35 °C), mas recomenda avaliações adicionais em altas temperaturas para aplicações críticas. Isso garante que os fixadores atendam aos critérios mínimos de resistência à tração, tensão de prova e alongamento, prevenindo falhas em serviço. Os fabricantes devem seguir os tratamentos térmicos especificados para obter as microestruturas desejadas, como martensita para dureza ou austenita para ductilidade. No geral, a GB/T 3098.24-2020 promove a confiabilidade em sistemas de fixação para altas temperaturas, reduzindo os riscos associados à degradação do material ao longo do tempo.

Além disso, a norma aborda tratamentos de superfície para mitigar o engripamento, um problema comum em aços inoxidáveis ​​e ligas de níquel devido à sua baixa condutividade térmica e altos coeficientes de atrito. A lubrificação é recomendada para obter relações torque-tensão consistentes, aumentando a eficiência da montagem. Ao otimizar as composições químicas e os processos de fabricação, esta norma facilita a produção de fixadores que apresentam bom desempenho em condições exigentes, contribuindo para avanços no projeto de engenharia e na ciência dos materiais.

Símbolos e Designações

Os seguintes símbolos aplicam-se a este documento, fornecendo definições precisas para parâmetros mecânicos e dimensionais essenciais na avaliação do desempenho de elementos de fixação. Essas notações garantem consistência nos testes e especificações, permitindo que os engenheiros avaliem com precisão propriedades como resistência e alongamento sob carga.

• UMAlongamento real após a fratura do fixador, em milímetros (mm).
• UM_s,nomÁrea da seção transversal nominal da rosca, em milímetros quadrados (mm²).
• UM_T: Alongamento real em alta temperatura após a fratura do fixador, em milímetros (mm).
• bComprimento da rosca, em milímetros (mm).
• DDiâmetro nominal da rosca interna, em milímetros (mm).
• D₂Diâmetro primitivo básico da rosca interna, em milímetros (mm).
• dDiâmetro nominal da rosca externa, em milímetros (mm).
• d_hDiâmetro do furo no dispositivo de teste de tração ou no dispositivo de teste de carga à prova de porca para fixadores de rosca externa, em milímetros (mm).
• d_sDiâmetro da haste sem rosca, em milímetros (mm).
• d₁Diâmetro mínimo básico da rosca externa, em milímetros (mm).
• d₂Diâmetro primitivo básico da rosca externa, em milímetros (mm).
• d₃Diâmetro menor da rosca externa (para cálculo da área de tensão), em milímetros (mm).
• F_mfCarga máxima de tração, em newtons (N).
• F_mf,TCarga máxima de tração em alta temperatura, em newtons (N).
• F_n,TCarga máxima de desaperto em altas temperaturas para porcas, em newtons (N).
• F_pCarga de prova para porcas, em newtons (N).
• F_pfCarga real com extensão plástica de 0,2% do fixador, em newtons (N).
• F_pf,TCarga real em alta temperatura com extensão plástica de 0,2% do fixador, em newtons (N).
• HAltura original do triângulo de rosca, em milímetros (mm).
• hEspessura do dispositivo de teste de carga de segurança da porca, em milímetros (mm).
• eu₀Comprimento total do fixador antes da aplicação da carga, em milímetros (mm).
• eu₁Comprimento total do fixador após a fratura, em milímetros (mm).
• eu₂Comprimento da garra antes do teste de tração, em milímetros (mm).
• lComprimento nominal da rosca externa do fixador, em milímetros (mm).
• l₁Comprimento total do pino, em milímetros (mm).
• l_oComprimento da rosca não engatada no dispositivo de teste do fixador, em milímetros (mm).
• mAltura da porca, em milímetros (mm).
• PPasso, em milímetros (mm).
• R_mfResistência à tração real do fixador, em megapascals (MPa).
• R_mf,TResistência à tração real do fixador em altas temperaturas, em megapascals (MPa).
• R_n,TResistência máxima à tração em altas temperaturas para porcas, em megapascals (MPa).
• R_pfTensão real na extensão plástica de 0,2% do fixador, em megapascals (MPa).
• R_pf,TTensão real em alta temperatura com alongamento plástico de 0,2% do fixador, em megapascals (MPa).
• S_pTensão de prova, em megapascals (MPa).

Esses símbolos são essenciais para cálculos em ensaios mecânicos, como a determinação da resistência à tração (R)._mf = F_mf / A_s,nom) e teste de tensão. Eles facilitam a comunicação precisa nas especificações de projeto, garantindo que os fixadores sejam avaliados de forma consistente nas fases de fabricação e aplicação. Para cenários de alta temperatura, símbolos como R_mf,T e F_pf,T É preciso levar em consideração os efeitos térmicos no comportamento do material, como a redução da resistência ao escoamento devido a temperaturas elevadas. O uso correto dessas designações evita interpretações errôneas, aumentando a segurança em aplicações de engenharia.

Além disso, a compreensão desses símbolos auxilia no cumprimento das normas pertinentes, em que parâmetros dimensionais como d e P influenciam a resistência da rosca e a distribuição de carga. Por exemplo, a área de tensão nominal A_s,nom é calculado usando fórmulas que envolvem d₂ e d₃, crucial para prever modos de falha sob tensão.

Sistema de marcação

Todos os aços inoxidáveis ​​e ligas de níquel especificados nesta parte se enquadram em três categorias distintas: aços inoxidáveis ​​martensíticos (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), aços inoxidáveis ​​austeníticos de endurecimento por precipitação (SD) e ligas de níquel (SB e 718). Este sistema de marcação fornece uma maneira padronizada de identificar as classes de materiais, garantindo rastreabilidade e seleção adequada para aplicações em altas temperaturas.

Aços martensíticos como o CH0 (ex.: X20Cr13) são classificados por sua temperabilidade por tratamento térmico, oferecendo boa resistência a temperaturas moderadas. As designações V, VH e VW indicam diferentes níveis de tensão de escoamento, sendo que o VH requer R_pf ≥ 700 MPa para desempenho aprimorado. As marcas SD austeníticas denotam ligas endurecidas por precipitação, como X6NiCrTiMoVB25-15-2, conhecidas por sua resistência à corrosão e retenção de resistência até 650 °C. As ligas de níquel SB (NiCr20TiAl) e 718 (NiCr19NbMo) são marcadas por sua resistência superior à fluência, ideais para temperaturas de até 800 °C e 700 °C, respectivamente.

A marcação garante a compatibilidade nas montagens, evitando incompatibilidades que poderiam levar a falhas. Para fixadores lubrificados, adiciona-se a sigla “Lu” (por exemplo, SD Lu) para indicar tratamentos de superfície que reduzem o desgaste por atrito. Este sistema está em conformidade com as normas ISO, facilitando o comércio global e o controle de qualidade na fabricação de fixadores.

A marcação detalhada inclui o código do material, o estado do tratamento térmico (por exemplo, +QT para temperado e revenido) e a classe de desempenho, permitindo uma verificação rápida durante a inspeção. A marcação adequada é essencial para a gestão de estoque e o cumprimento das normas em setores como o de fabricação de turbinas.

Materiais e Processamento

Composição Química

As tabelas 1 a 3 especificam os limites de composição química para aços inoxidáveis ​​e ligas de níquel usados ​​em fixadores. Esses limites são avaliados de acordo com as normas nacionais relevantes, com equivalentes nacionais no Apêndice A. Salvo acordo em contrário, o fabricante seleciona a composição dentro do grupo.

A norma GB/T 3098.25 fornece diretrizes para a seleção de ligas adequadas. As composições são apresentadas em frações de massa (%), com valores máximos, a menos que sejam indicados intervalos ou valores mínimos.

As composições químicas são projetadas para otimizar propriedades como resistência à corrosão, resistência mecânica e estabilidade a altas temperaturas. Por exemplo, o alto teor de Cr em aços martensíticos aumenta a resistência à oxidação, enquanto o Nb na liga 718 estabiliza contra a fluência. O controle rigoroso de elementos como P e S minimiza a fragilização. Os fabricantes devem verificar as composições por meio de análises espectroscópicas para garantir a conformidade, pois desvios podem levar à redução do desempenho em serviço. Esta seção destaca a importância da pureza do material para a confiabilidade a longo prazo em ambientes de alta temperatura.

Tratamento térmico

Os fixadores fabricados de acordo com esta norma devem ser submetidos a tratamento térmico para atingir as propriedades mecânicas especificadas no Capítulo 7. Os regimes de tratamento térmico estão detalhados na Tabela 4, com as temperaturas mínimas de revenido para aços martensíticos selecionadas de acordo. Os tempos de permanência não especificados são escolhidos pelo fabricante, considerando as propriedades requeridas e as temperaturas de serviço.

Fluxograma do processo: Para SD, SB e 718, é necessário tratamento de solubilização (AT), preferencialmente após a conformação. Para roscas externas de alta resistência (R_mf ≥1100 MPa), o tratamento térmico pode ser aplicado na matéria-prima mediante acordo. O tratamento térmico para fixadores conformados a frio ou forjados a quente ocorre após a conformação. Para fixadores usinados, pode ser aplicado na matéria-prima ou no produto acabado, sendo possível a usinagem da rosca antes ou depois do tratamento.

O tratamento térmico otimiza a microestrutura para obter as propriedades desejadas, como o endurecimento de aços martensíticos ou a precipitação de fases em ligas de níquel para aumentar a resistência. Um tratamento incorreto pode causar fragilidade ou redução da resistência à corrosão. Os fabricantes devem monitorar as temperaturas e as taxas de resfriamento para obter propriedades uniformes, com inspeções pós-tratamento garantindo a conformidade.

Acabamento da superfície

Salvo indicação em contrário, os fixadores devem ser limpos e polidos. Recomenda-se a lubrificação para evitar o engripamento durante a montagem, especialmente sob alto torque ou velocidade. Fatores que aumentam o risco de engripamento incluem danos na rosca e pré-cargas elevadas.

Nota 1: Parâmetros como alta velocidade de aperto aumentam o risco de gripagem. Nota 2: Não existem normas nacionais que especifiquem defeitos superficiais ou força de torque de aperto para essas ligas.

Os tratamentos de superfície proporcionam torque-tensão controlados, identificados com “Lu” (ex.: SD Lu). Requisitos especiais mediante acordo.

O acabamento superficial é crucial para o desempenho, reduzindo o atrito e aumentando a resistência à corrosão. O polimento remove óxidos, enquanto a lubrificação garante pré-cargas confiáveis. Em aplicações de alta temperatura, os revestimentos devem resistir à degradação térmica.

Projeto de emparelhamento de parafuso e porca

Parafusos, pinos e porcas devem ser pareados conforme a Tabela 5. As porcas devem corresponder aos fixadores de mesmo código (ex.: parafuso CH0 com porca CH0). Materiais diferentes são possíveis mediante consulta a especialistas, considerando a corrosão e o desgaste por atrito.

Quando as peças fixadas forem de material diferente do material do fixador, utilize isolamento para evitar corrosão galvânica.

O emparelhamento garante a distribuição de carga e a compatibilidade, minimizando riscos como o desprendimento de cabos. A consulta a especialistas é fundamental para pares não padronizados.

Resistência a ambientes de alta temperatura

Os materiais são adequados para ambientes onde a resistência à fluência determina o dimensionamento e a oxidação ocorre em altas temperaturas. SD, SB e 718 também resistem à corrosão por umidade.

A resistência à oxidação e à formação de incrustações é obtida por meio da adição de elementos de liga, com o Cr formando óxidos protetores. A resistência à fluência é vital para cargas de longa duração em temperaturas elevadas.

Em aplicações como turbinas a gás, esses materiais mantêm a integridade sob ciclos térmicos, evitando falhas por fadiga ou fragilização.

Temperaturas de operação dos fixadores

As propriedades descritas no Capítulo 7 são testadas entre 10°C e 35°C. O uso em altas temperaturas reduz as propriedades. As temperaturas máximas recomendadas estão na Tabela 6, mas podem ser menores dependendo das condições.

Para aplicações específicas, realize testes de tração, fluência ou relaxamento em altas temperaturas, conforme o Capítulo 10, simulando as condições de montagem.

Essas temperaturas orientam o projeto, levando em consideração fatores como oxidação e fluência. Os testes garantem o desempenho em serviço real.

Propriedades Mecânicas dos Fixadores

Parafusos, porcas e pinos

Quando testadas de acordo com o Capítulo 9, as propriedades mecânicas à temperatura ambiente devem atender às Tabelas 7 a 11, aplicáveis ​​durante a fabricação ou em produtos acabados.

Essas propriedades garantem que os fixadores resistam a cargas de tração sem deformação excessiva. Por exemplo, um alto R_mf Em 718 modelos, adequado para aplicações exigentes. As faixas de dureza previnem a fragilidade, mantendo a resistência.

Nozes

As propriedades mecânicas das porcas são especificadas de forma semelhante, com foco nas cargas de prova e na resistência ao arrancamento em altas temperaturas. Elas devem corresponder às propriedades dos parafusos para evitar pontos fracos nas montagens.

Métodos de teste

Os testes conforme o Capítulo 9 incluem ensaios de tração para R_mf e R_pf, medições de dureza e avaliações em altas temperaturas, conforme o Capítulo 10, para fluência e relaxação. Os métodos garantem uma avaliação precisa das propriedades em condições simuladas.