Vier Ausfallarten normaler Schrauben bei Hitze

Sobald eine Anlage über 300°C hinausgeht, fangen die im kalten Zustand einwandfreien 8.8er und 10.9er an, „schwach zu werden" – hauptsächlich vier Ausfallarten:

• Kriechen: Oberhalb der Rekristallisations-Treckgrenze dehnt sich die Schraube auch unterhalb der Streckgrenze langsam plastisch, die Vorspannung schwindet Stück für Stück.
• Spannungs-Relaxation: Die Schraube ist auf fester Länge eingespannt, die elastische Spannung wandelt sich mit der Zeit in Kriech-Verformung, die Klemmkraft sinkt.
• Anlass-Weichwerden: Die Anlasstemperatur der 8.8er liegt unterhalb von 425°C; wird über lange Zeit nahe oder über der Anlasstemperatur gefahren, vergütet das Gefüge aus, Festigkeit und Härte fallen gemeinsam.
• Oxidation und Heiß-Korrosion: Bei Hitze blättert der Zunder ab, die Gewinde fressen und sitzen bei der Demontage fest.

Deshalb darf man Hochtemperatur-Schrauben nicht mit Raumtemperatur-Klassen belegen, sondern muss nach einer spezifischen Werkstoff-Temperatur-Norm wählen. Ein typischer Fehler: ein 400°C-Abgasstrang mit 8.8er Stahlschrauben bestücken, nach drei Monaten läuft der Flansch undicht – nicht, weil die Schraube brach, sondern weil Kriechen die Vorspannung entspannte.

Welchen Bereich deckt GB/T 3098.8 ab?

GB/T 3098.8-2010 „Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen – Schraubenverbindungsteile für -200°C bis +700°C" ist genau für Hoch- und Tieftemperatur-Fälle gemacht und übernimmt DIN EN 10269 „Stähle für Verbindungselemente bei hohen und tiefen Temperaturen". Die Norm unterteilt die Einsatztemperatur in Kurzzeit-Höchsttemperatur und Dauerbetriebs-Höchsttemperatur und ergänzt die Zähigkeitsanforderungen austenitischer Werkstoffe bei -200°C. Begleitend gibt es GB/T 3098.24-2020 „Hitzebeständige und hochwarmfeste nichtrostende und nickelbasierte Schrauben, Bolzen und Muttern" für die höher temperierten Edelstahl- und Nickel-Legierungen.

Werkstoffe je Temperaturzone

Anhang A (informativ) von GB/T 3098.8-2010 Tabelle A.1 stellt die genormten Werkstoff-Kennzeichnungen den DIN-EN-10269-Kenngrößen gegenüber, in der Praxis direkt nach der Dauerbetriebs-Temperatur abfragbar:

Verständlich gesagt: unter 500°C reicht Chrom-Molybdän-Stahl (35CrMo/42CrMo), 500–600°C verlangt Chrom-Molybdän-Vanadium-Stahl (25Cr2MoV/35CrMoV), über 600°C muss auf austenitischen hitzebeständigen Stahl und Nickelbasis gewechselt werden.

Über 600°C: austenitisch/Nickelbasis

Bei weiter steigender Temperatur reichen die ferritischen hitzebeständigen Stähle das Kriechen nicht mehr ab; Anhang A nennt drei Hochleistungs-Optionen:

• X7CrNiMoBNb16-16 (S-Klasse): austenitisch, kurzzeitig bis 650°C, langzeitig bis 670°C, Mutterhärte 270–272 HV, für Gasturbinen und Kessel.
• GH2132 (X6NiCrTiMoVB25-15-2, SD-Klasse): von -196°C bis 650°C, Härte 287–367 HV, kombiniert Tieftemperatur-Zähigkeit und Hochtemperatur-Festigkeit.
• GH4080A (NiC20TA, SB-Klasse Nickelbasis): -196°C bis 650°C langzeitig, 800°C kurzzeitig, Härte 320–417 HV, Werkstoff für Luftfahrt-Triebwerke und Kernkraft-Hauptschrauben.

Wichtig ist hier die Unterscheidung zwischen Kurzzeit- und Dauerlast: Eine 18Cr12MoVNbN-Schraube darf kurzzeitig auch 700°C ab, über tausende Stunden bei 650°C kriecht sie messbar. Wer also Dauerlast plant, muss sich an der zweiten Spalte der Norm-Tabelle orientieren, nicht an der Spitzen-Temperatur.

Montage-Hinweise

• Anziehtemperatur: Hochtemperatur-Schrauben möglichst bei Betriebstemperatur warm anziehen, oder einen Relaxations-Aufschlag einplanen; in der Anfangsphase regelmäßig nachziehen.
• Fressen vermeiden: Heiße Edelstahl-/Nickelschrauben fressen leicht, Anti-Fritte (Silber beschichtet, MoS2-Trockenfilm) auftragen und die Anzugsgeschwindigkeit begrenzen.
• Kennzeichnung: Aus kaltzähem oder hochwarmfestem Material gefertigte Verbindungselemente sind nach Tabelle 1 mit Stahlgruppe und Festigkeitsklasse oder nach Tabelle 2 mit Werkstoff-Kurzbezeichnung zu kennzeichnen, z. B. LM30×200-TB-A4-70-oxidiert.
• Tieftemperatur-Seite: -196°C Flüssigstickstoff/LNG-Einsatz wählt GH2132 oder X12Ni5, normaler Kohlenstoff-Stahl bricht kalt.
• Auslegungs-Vorspannung abschlagen: Die Streckgrenze sinkt mit der Temperatur, die Auslegungs-Vorspannung ist bei Betriebstemperatur neu zu berechnen, nicht die Raumtemperatur-Daten 1:1 zu übernehmen.

Ein typischer Montagefehler in der Praxis: Eine 25Cr2MoV-Schraube im 540°C-Dampfflansch wird bei Raumtemperatur mit dem gleichen Drehmoment angezogen wie eine Raumtemperatur-Verbindung. Schon nach kurzer Betriebszeit hat die Relaxation die Vorspannung halbiert, der Flansch drückt an der Dichtung vorbei. Besser ist die Montage mit der berechneten, temperaturbezogenen Streckgrenze, ein erstes Nachziehen nach 50–100 Betriebsstunden und eine wiederholte Kontrolle im geplanten Stillstand. Bei hochbeanspruchten Kesseln und Turbinen gehören zusätzlich Betriebs-Dehnungsmessungen an repräsentativen Schrauben zum Standard, um das Kriechen über die Betriebszeit quantitativ zu verfolgen. Auch die Mutter ist immer weicher auszulegen als die Schraube, damit das Gewinde zuerst in der Mutter und nicht in der teuren Schraube verformt wird; diese bewusste Schwächung der Mutter ist kein Fehler, sondern eine konstruktive Sicherung.

Schnellauswahl-Tabelle

Über die Werkstoffwahl hinaus ist die Oberfläche bei Hochtemperatur-Verbindungen ein eigenes Thema. Ein Zinküberzug verbrennt bei Temperaturen deutlich über dreihundert Grad, ein normaler Schmierfilm verkokt. Für heiße Stellen werden daher spezielle Trockenschmierstoffe auf Molybdändisulfid- oder Graphitbasis verwendet, die bis in den Bereich mehrerer hundert Grad Celsius gleitfähig bleiben. Auch die Mutter muss temperaturfest sein; eine normal verzinkte Stahlmutter an einer sechshundert Grad heißen Schraube ist ein häufiger, leicht vermeidbarer Fehler. Planen Sie bei der Montage heißer Verbindungen zusätzlich eine Wartungsstelle ein, an der im vorgesehenen Stillstand die Schraube auf Dehnung und verbliebene Vorspannung geprüft werden kann.

Für die Praxis ein Beispiel: Eine Schraube im Abgasstrang mit 450 Grad Dauerlast wird mit 25Cr2MoV richtig gewählt; wird die Temperatur aber durch einen nahen Turbolader auf über 600 Grad getrieben, ist derselbe Werkstoff überfordert und kriecht langsam. Solche Grenzfälle erkennt man nur, wenn die worst-case-Temperatur wirklich gemessen und nicht geschätzt wird. Messen Sie an der heißesten Stelle der Anlage und legen Sie die Werkstoffwahl an diesem Maximum aus, nicht an einem gemittelten Betriebswert. YF Zhichengjia unterstützt Sie gern dabei, den passenden Werkstoff und die dazugehörige Mutter für Ihre konkrete Temperaturkurve auszuwählen und die Montage mit einem temperaturfesten Trockenschmierstoff zu ergänzen.