GB/T 3098.24-2020: Высокотемпературные крепежные изделия из нержавеющей стали и никелевых сплавов.

Введение в стандарт GB/T 3098.24-2020

Стандарт GB/T 3098.24-2020 определяет механические свойства болтов, винтов, шпилек и гаек, изготовленных из нержавеющих сталей и никелевых сплавов, предназначенных для эксплуатации при высоких температурах. Этот стандарт является частью более широкой серии стандартов GB/T 3098 по крепежным изделиям и посвящен материалам, сохраняющим структурную целостность при повышенных температурах, например, в аэрокосмической, энергетической и нефтехимической отраслях. Он гарантирует, что эти крепежные изделия демонстрируют надежные характеристики с точки зрения прочности, пластичности и коррозионной стойкости при воздействии температур, превышающих температуру окружающей среды.

Стандарт классифицирует материалы на мартенситные нержавеющие стали, аустенитные нержавеющие стали с дисперсионным упрочнением и никелевые сплавы, каждый из которых предназначен для конкретных высокотемпературных применений. Ключевые аспекты включают ограничения по химическому составу, режимы термообработки, требования к механическим испытаниям и рекомендации по подбору болтов и гаек для предотвращения таких проблем, как заедание или коррозия. Соблюдение этого стандарта имеет решающее значение для инженеров и производителей при выборе подходящих крепежных элементов, которые выдерживают термические напряжения, окисление и ползучесть без ущерба для безопасности или функциональности.

На практике этот стандарт соответствует международным нормам, таким как ISO 3506, обеспечивая основу для обеспечения качества при производстве крепежных изделий. Он подчеркивает важность выбора материала в зависимости от условий эксплуатации, где такие факторы, как сопротивление ползучести и термическое расширение, играют ключевую роль. Например, никелевые сплавы, такие как сплав 718, предпочтительны из-за их превосходной прочности при высоких температурах, в то время как мартенситные марки предлагают экономически эффективные решения для умеренных температур. В документе также приводятся ссылки на приложения с указанием отечественных аналогов материалов и рекомендации по выбору нержавеющих сталей или никелевых сплавов в соответствии с GB/T 3098.25.

Для понимания этого стандарта необходимы знания механики крепежных элементов, включая зависимость напряжения от деформации при высоких температурах. Он предписывает испытания при комнатной температуре (от 10°C до 35°C), но рекомендует дополнительные высокотемпературные испытания для ответственных применений. Это гарантирует соответствие крепежных элементов минимальным критериям прочности на растяжение, предела текучести и удлинения, предотвращая отказы в процессе эксплуатации. Производители должны соблюдать указанные методы термической обработки для достижения желаемой микроструктуры, например, мартенсита для твердости или аустенита для пластичности. В целом, GB/T 3098.24-2020 способствует повышению надежности высокотемпературных крепежных систем, снижая риски, связанные с деградацией материала с течением времени.

Кроме того, стандарт рассматривает методы обработки поверхности для предотвращения заедания, распространенной проблемы нержавеющих и никелевых сплавов из-за их низкой теплопроводности и высоких коэффициентов трения. Рекомендуется использовать смазку для достижения стабильной зависимости крутящего момента от натяжения, что повышает эффективность сборки. Оптимизируя химический состав и технологические процессы, этот стандарт способствует производству крепежных элементов, работающих в сложных условиях, и вносит вклад в развитие инженерного проектирования и материаловедения.

Символы и обозначения

В данном документе используются следующие обозначения, дающие точные определения механических и размерных параметров, необходимых для оценки характеристик крепежных элементов. Эти обозначения обеспечивают единообразие в испытаниях и технических характеристиках, позволяя инженерам точно оценивать такие свойства, как прочность и удлинение под нагрузкой.

• АФактическое удлинение после разрушения крепежного элемента, в миллиметрах (мм).
• А_с,номНоминальная площадь поперечного сечения резьбы, подверженная напряжению, в квадратных миллиметрах (мм²).
• А_ТФактическое удлинение при высоких температурах после разрушения крепежного элемента, в миллиметрах (мм).
• бДлина нити, в миллиметрах (мм).
• Д: Номинальный диаметр внутренней резьбы, в миллиметрах (мм).
• Д₂Базовый шаг резьбы, в миллиметрах (мм).
• д: Номинальный диаметр наружной резьбы, в миллиметрах (мм).
• д_hДиаметр отверстия в приспособлении для испытания на растяжение или в приспособлении для испытания гайки на прочность при затяжке крепежных элементов с наружной резьбой, в миллиметрах (мм).
• д_sДиаметр хвостовика без резьбы, в миллиметрах (мм).
• д₁: Базовый малый диаметр наружной резьбы, в миллиметрах (мм).
• д₂Базовый шаг резьбы наружной резьбы, в миллиметрах (мм).
• д₃Малый диаметр наружной резьбы (для расчета зоны напряжения), в миллиметрах (мм).
• Ф_мф: Предельная нагрузка на растяжение, в ньютонах (Н).
• Ф_мф,Т: Предельная нагрузка при высоких температурах на растяжение, в ньютонах (Н).
• Ф_н,Т: Максимальная нагрузка при высокотемпературном снятии гаек, в ньютонах (Н).
• Ф_p: Испытательная нагрузка для гаек, в ньютонах (Н).
• Ф_пфФактическая нагрузка при пластическом удлинении крепежного элемента на 0,21 Тп3Т, в ньютонах (Н).
• Ф_пф,ТФактическая высокотемпературная нагрузка при пластическом удлинении крепежного элемента 0,2%, в ньютонах (Н).
• ЧАСИсходная высота треугольника нити, в миллиметрах (мм).
• hТолщина испытательного приспособления для проверки прочности гайки, в миллиметрах (мм).
• Л₀Общая длина крепежного элемента до нагрузки, в миллиметрах (мм).
• Л₁Общая длина крепежного элемента после разрушения, в миллиметрах (мм).
• Л₂Длина захвата до испытания на растяжение, в миллиметрах (мм).
• l: Номинальная длина крепежного элемента с наружной резьбой, в миллиметрах (мм).
• l₁Общая длина шпильки в миллиметрах (мм).
• l_тДлина незадействованной резьбы в испытательном приспособлении для крепежного элемента, в миллиметрах (мм).
• mВысота гайки, в миллиметрах (мм).
• ПШаг резьбы, в миллиметрах (мм).
• R_мфФактическая прочность крепежного элемента на растяжение, в мегапаскалях (МПа).
• R_мф,ТФактическая прочность крепежного элемента на растяжение при высоких температурах, в мегапаскалях (МПа).
• R_н,ТПредел прочности при высокотемпературном отслаивании орехов, в мегапаскалях (МПа).
• R_пфФактическое напряжение при пластическом удлинении крепежного элемента на 0,2%, в мегапаскалях (МПа).
• R_пф,ТФактическое высокотемпературное напряжение при пластическом удлинении крепежного элемента на 0,2%, в мегапаскалях (МПа).
• С_pПредел текучести, в мегапаскалях (МПа).

Эти символы являются неотъемлемой частью расчетов при механических испытаниях, таких как определение предела прочности на растяжение (R)._мф = F_мф / А_с,ном) и предел прочности. Они обеспечивают точную передачу информации в проектных спецификациях, гарантируя согласованную оценку крепежных элементов на всех этапах производства и применения. Для условий высоких температур используются такие символы, как R._мф,Т и Ф_пф,Т Учитываются термические эффекты, влияющие на поведение материала, такие как снижение предела текучести из-за повышенных температур. Правильное использование этих обозначений предотвращает неверное толкование, повышая безопасность в инженерных приложениях.

Кроме того, понимание этих символов помогает соблюдать соответствующие стандарты, где размерные параметры, такие как d и P, влияют на прочность резьбы и распределение нагрузки. Например, номинальная площадь напряжений A._с,ном рассчитывается с использованием формул, включающих d.₂ и д₃имеет решающее значение для прогнозирования режимов разрушения при растяжении.

Система маркировки

Все нержавеющие стали и никелевые сплавы, указанные в данной части, делятся на три отдельные категории: мартенситные нержавеющие стали (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), аустенитные нержавеющие стали с дисперсионным упрочнением (SD) и никелевые сплавы (SB и 718). Данная система маркировки обеспечивает стандартизированный способ идентификации марок материалов, гарантируя прослеживаемость и правильный выбор для высокотемпературных применений.

Мартенситные марки, такие как CH0 (например, X20Cr13), маркируются в зависимости от их закаливаемости при термической обработке, обеспечивая хорошую прочность при умеренных температурах. Обозначения V, VH и VW указывают на различные уровни предела текучести, при этом для VH требуется R._пф Маркировка ≥ 700 МПа означает улучшенные характеристики. Аустенитные сплавы SD обозначают упрочненные осаждением сплавы, такие как X6NiCrTiMoVB25-15-2, известные своей коррозионной стойкостью и сохранением прочности до 650 °C. Никелевые сплавы SB (NiCr20TiAl) и 718 (NiCr19NbMo) имеют маркировку, указывающую на превосходную ползучесть, идеально подходящую для температур до 800 °C и 700 °C соответственно.

Маркировка обеспечивает совместимость в сборочных узлах, предотвращая несоответствия, которые могут привести к поломкам. Для смазываемых крепежных элементов добавляется обозначение «Lu» (например, SD Lu), указывающее на обработку поверхности для уменьшения заедания. Эта система соответствует стандартам ISO, облегчая глобальную торговлю и контроль качества в производстве крепежных изделий.

Подробная маркировка включает код материала, состояние термообработки (например, +QT для закалки и отпуска) и класс эксплуатационных характеристик, что позволяет быстро проверить соответствие требованиям при контроле качества. Надлежащая маркировка необходима для управления запасами и соблюдения нормативных требований в таких отраслях, как производство турбин.

Материалы и обработка

Химический состав

В таблицах 1–3 указаны предельные значения химического состава нержавеющих сталей и никелевых сплавов, используемых в крепежных изделиях. Эти предельные значения оцениваются в соответствии с соответствующими национальными стандартами, а национальные эквиваленты приведены в Приложении А. Если не оговорено иное, производитель выбирает состав в рамках данной группы.

Стандарт GB/T 3098.25 содержит рекомендации по выбору подходящих сплавов. Составы указываются в виде массовых долей (%), с указанием максимальных значений, если не указаны диапазоны или минимумы.

Химический состав материалов разработан для оптимизации таких свойств, как коррозионная стойкость, прочность и высокотемпературная стабильность. Например, высокое содержание хрома в мартенситных сталях повышает стойкость к окислению, а ниобий в сплаве 718 стабилизирует его от ползучести. Строгий контроль содержания таких элементов, как фосфор и сера, минимизирует охрупчивание. Производители должны проверять состав с помощью спектроскопического анализа для обеспечения соответствия требованиям, поскольку отклонения могут привести к снижению эксплуатационных характеристик. В этом разделе подчеркивается важность чистоты материала для обеспечения долговременной надежности в условиях высоких температур.

Термическая обработка

Крепежные изделия, изготовленные в соответствии с данным стандартом, должны пройти термообработку для достижения механических свойств, указанных в главе 7. Режимы термообработки подробно описаны в таблице 4, при этом минимальные температуры отпуска для мартенситных сталей выбираются соответствующим образом. Время выдержки, не указанное в таблице, выбирается производителем с учетом требуемых свойств и рабочих температур.

Технологический процесс: Для SD, SB и 718 требуется обработка раствором (AT), предпочтительно после формования. Для высокопрочных наружных резьб (R)._мф Термообработка (≥1100 МПа) может проводиться на сырье по договоренности. Термообработка крепежных элементов, изготовленных методом холодной штамповки или горячей ковки, проводится после формовки. Для обработанных крепежных элементов она может проводиться на сырье или готовом изделии, при этом нарезание резьбы возможно до или после обработки.

Термическая обработка оптимизирует микроструктуру для достижения желаемых свойств, таких как упрочнение мартенситных сталей или образование фаз в никелевых сплавах для повышения прочности. Неправильная обработка может привести к хрупкости или снижению коррозионной стойкости. Производители должны контролировать температуру и скорость охлаждения для достижения однородных свойств, а последующий контроль после обработки гарантирует соответствие требованиям.

Отделка поверхности

Если не указано иное, крепежные элементы следует очистить и отполировать. Рекомендуется смазка для предотвращения заедания во время сборки, особенно при высоком крутящем моменте или скорости. Факторы, повышающие риск заедания, включают повреждение резьбы и высокое предварительное натяжение.

Примечание 1: Такие параметры, как высокая скорость затяжки, повышают риск заедания. Примечание 2: В национальных стандартах не указаны дефекты поверхности или сила затяжки для этих сплавов.

Обработка поверхности обеспечивает контролируемое крутящее и натяжное усилие, обозначаемое аббревиатурой «Lu» (например, SD Lu). Особые требования по договоренности.

Качество обработки поверхности имеет решающее значение для производительности, снижая трение и повышая коррозионную стойкость. Полировка удаляет оксиды, а смазка обеспечивает надежную предварительную нагрузку. В условиях высоких температур покрытия должны выдерживать термическую деградацию.

Конструкция соединения болтов и гаек

Болты, винты, шпильки и гайки должны подбираться парами в соответствии с таблицей 5. Гайки должны соответствовать крепежным элементам с одинаковым кодом (например, болт CH0 с гайкой CH0). Использование различных материалов возможно по согласованию со специалистами с учетом коррозии и заедания.

Если материал зажимаемых деталей отличается от материала крепежных элементов, используйте изоляцию, чтобы избежать гальванической коррозии.

Правильный подбор пары обеспечивает равномерное распределение нагрузки и совместимость, минимизируя такие риски, как обрыв цепи. Консультация специалиста имеет решающее значение при подборе нестандартных пар.

Устойчивость к высоким температурам окружающей среды

Эти материалы подходят для условий, где прочность на ползучесть определяет размер частиц, а окисление происходит при высоких температурах. SD, SB и 718 также устойчивы к коррозии во влажной среде.

Устойчивость к окислению и образованию окалины достигается за счет легирования, при этом хром образует защитные оксиды. Стойкость к ползучести имеет решающее значение для длительной работы под нагрузкой при повышенных температурах.

В таких областях применения, как газовые турбины, эти материалы сохраняют свою целостность при термических циклах, предотвращая отказы из-за усталости или охрупчивания.

Рабочие температуры крепежных элементов

Свойства, описанные в главе 7, проверяются при температуре от 10°C до 35°C. Использование при высоких температурах ухудшает свойства. Рекомендуемые максимальные температуры указаны в таблице 6, но могут быть ниже в зависимости от условий.

Для конкретных применений следует проводить высокотемпературные испытания на растяжение, ползучесть или релаксацию в соответствии с главой 10, имитируя условия сборки.

Эти температуры служат ориентиром при проектировании, учитывая такие факторы, как окисление и ползучесть. Испытания гарантируют работоспособность в реальных условиях эксплуатации.

Механические свойства крепежных элементов

Болты, винты и шпильки

При проведении испытаний в соответствии с главой 9 механические свойства при комнатной температуре должны соответствовать таблицам 7-11, применимым в процессе производства или для готовой продукции.

Эти свойства гарантируют, что крепежные элементы выдерживают растягивающие нагрузки без чрезмерной деформации. Например, высокое значение R._мф В модели 718 используются материалы, предназначенные для сложных условий эксплуатации. Диапазоны твердости предотвращают хрупкость, сохраняя при этом прочность.

Орехи

Механические свойства гаек определяются аналогичным образом, с упором на предел прочности и прочность на отрыв при высоких температурах. Они должны соответствовать свойствам болтов, чтобы избежать слабых звеньев в узлах.

Методы тестирования

Испытания, проводимые в соответствии с главой 9, включают испытания на растяжение для R._мф и Р_пфИзмерения твердости и высокотемпературные исследования в соответствии с главой 10, посвященные ползучести и релаксации. Методы обеспечивают точную оценку свойств в условиях моделирования.