ISO 10269
EN ISO 10269 ist eine europäische Norm, die die technischen Eigenschaften und Anforderungen an metallische Werkstoffe für Schrauben, Bolzen und Befestigungssysteme festlegt, die für den Einsatz bei hohen oder niedrigen Temperaturen vorgesehen sind. Diese Norm ist wichtig, um sicherzustellen, dass die gewählten Materialien in extremen Umgebungen eingesetzt werden können und dabei ihre mechanische Leistung und Festigkeit beibehalten.
Die Norm umfasst Produkte aus Stahl und Nickelbasislegierungen für die Herstellung von Schrauben, Zugstangen, Bolzen und Muttern. Diese Materialien müssen in der Lage sein, hohen Belastungen und rauen Umgebungsbedingungen, wie hohen Temperaturen (bis zu 500°C und darüber) und niedrigen Temperaturen (bis zu -200°C), standzuhalten.
Hochwarmfeste Stähle
Stähle, die für Hochtemperaturanwendungen konzipiert sind, müssen ihre mechanische Festigkeit und Duktilität auch unter thermischer und mechanischer Belastung beibehalten. Die EN ISO 10269 teilt diese Stähle in verschiedene Klassen ein, die auf der chemischen Zusammensetzung und der Leistung bei erhöhten Temperaturen basieren:
- Chrom-Molybdän-Stähle (Cr-Mo): Diese Stähle mit dem Zusatz von Chrom und Molybdän werden aufgrund ihrer hervorragenden Beständigkeit gegen Kriechverformung und Oxidation bei hohen Temperaturen häufig verwendet. Chrom verbessert die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit, während Molybdän die mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen erhöht. Sie werden in der Regel in Umgebungen zwischen 400°C und 600°C eingesetzt und finden breite Anwendung in Turbinenkomponenten, Kesseln und Rohrleitungen.
- Austenitische rostfreie Stähle: Austenitische rostfreie Stähle (wie AISI 304 und 316) zeichnen sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, die auf ihren hohen Chrom- und Nickelgehalt zurückzuführen ist. Diese Stähle können Temperaturen von bis zu 800°C standhalten und sind daher ideal für Anwendungen in oxidierenden und korrosiven Umgebungen, wie z.B. in chemischen und petrochemischen Anlagen.
Nickel-Legierungen
Nickellegierungen werden häufig in extremen Umgebungen eingesetzt, wo die Temperaturen die Grenzen von Stählen überschreiten. Die EN ISO 10269 spezifiziert Hochleistungs-Nickellegierungen, die eine stabile und zuverlässige Leistung bis zu über 800°C garantieren.
- Nickel-Chrom-Legierungen (Inconel): Chromhaltige Nickellegierungen gehören aufgrund ihrer hervorragenden Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturumgebungen zu den am häufigsten verwendeten Werkstoffen. Befestigungssysteme wie Schrauben, Zugstangen und Muttern aus den Legierungen 2.4668 INCONEL®718 und 2.4952 NIMONIC® 80 behalten zum Beispiel stabile mechanische Eigenschaften bis zu etwa 700°C. Diese Legierungen werden in kritischen Anwendungen wie Düsentriebwerken und Gasturbinen eingesetzt, wo die Kombination aus Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit entscheidend ist.
Mechanische Anforderungen und Tests
Die in der EN ISO 10269 festgelegten mechanischen Anforderungen betreffen hauptsächlich die Zugfestigkeit, das Kriechverhalten, die Elastizität, die Härte, die Ermüdungsfestigkeit und die Maßhaltigkeit. Nachfolgend finden Sie eine Tabelle, die die wichtigsten mechanischen Anforderungen für verschiedene Materialien zusammenfasst:
| Materialbezeichnung | Typ | Rp 0,2% (MPa) min. | Rm (MPa) | Dehnung nach Bruch A% min. | Verkleinerungsfläche Z% min. | Aufprallenergie (ISO-V) 20°C KV2 J min. |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1.4913 (+QT) | Hochwarmfester Stahl | 750 | 900 – 1050 | 11 | 35 | 20 |
| 1.4923 (+QT1) | Hochwarmfester Stahl | 600 | 800 – 950 | 14 | 40 | 47 |
| 1.4923 (+QT2) | Hochwarmfester Stahl | 700 | 900 – 1050 | 12 | 40 | 20 |
| 1.4301 (+AT) | Austenitischer rostfreier Stahl | 190 | 500 – 850(*) | 12 | 80 | |
| 1.4307 (+AT) | Austenitischer rostfreier Stahl | 175 | 450 – 850(*) | 12 | 80 | |
| 1.4404 (+AT) | Austenitischer rostfreier Stahl | 200 | 500 – 850(*) | 12 | 80 | |
| 1.4401 (+AT) | Austenitischer rostfreier Stahl | 200 | 500 – 850(*) | 12 | 80 | |
| 1.4910 (+AT) | Austenitischer rostfreier Stahl | 260 | 550 – 750 | 35 | 100 | |
| 1.4980 (+AT+P) | Hochwarmfester Stahl | 600 | 900 – 1150 | 15 | 50 | |
| 1.4986 (+WW+P) | Hochwarmfester Stahl | 500 | 650 – 850 | 16 | 50 | |
| 2.4952 (+AT+P) | Nickel-Legierung | 600 | 1000 – 1300 | 12 | 12 | 22 |
| 2.4668 (+P) | Nickel-Legierung | 1030 | min. 1230 | 12 | 12 | |
| 2.4669 (+AT+P) | Nickel-Legierung | 650 | 1000 – 1200 | 20 | 28 | 22 |
Die mechanischen Eigenschaften von Stählen, die für die Herstellung von Schrauben, Muttern, Bolzen und Befestigungssystemen für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, variieren je nach Betriebstemperatur. Die kluge Wahl des Materials, das die Konstruktionsbedingungen erfüllt, muss daher den Leistungsverlust während des Betriebs des Systems vorhersehen. Die nachstehenden Tabellen zeigen im Einzelnen die Werte von Rp0,2 und Rm für die am häufigsten verwendeten Materialien für die Realisierung von Schrauben, Muttern und Zugstangen für Hochtemperaturanwendungen wie Gasturbinen, Abgassysteme, Bremssysteme usw.
Graphische Veränderung des Rp-Wertes 0.2% bei steigender Temperatur
Diagramm der Veränderung des Rm-Wertes bei steigender Temperatur
Kriechversuch
Kriechen ist die Tendenz eines Materials, sich unter konstanter Belastung im Laufe der Zeit allmählich zu verformen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Die Kriechbeständigkeit ist ein entscheidender Parameter für Verbindungselemente und Schrauben, die unter lang anhaltenden Belastungen eingesetzt werden. EN ISO 10269 legt Kriechversuche zur Bestimmung der Materialverformung in Abhängigkeit von der Temperatur fest:
- Angewandte Last
- Temperatur
- Zeit (typischerweise Tests mit langer Dauer, wie 1000 oder 10.000 Stunden)
Beim Kriechversuch wird die fortschreitende plastische Verformung gemessen, die das Material unter einer bestimmten Belastung bei erhöhten Temperaturen erfährt. Es ist wichtig, dass Materialien solchen Verformungen innerhalb akzeptabler Grenzen standhalten können, um zu verhindern, dass kritische Komponenten wie Bolzen und Schrauben ihre strukturelle Funktionalität verlieren.
Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung
Ermüdungsfestigkeit ist die Fähigkeit eines Materials, zyklischen oder wiederholten Belastungen zu widerstehen, ohne vorzeitig zu versagen. Bei hohen Temperaturen kann das Ermüdungsverhalten von Materialien durch Heiz- und Kühlzyklen beeinflusst werden, die wiederholte thermische Belastungen hervorrufen.
Hochwarmfeste Stähle müssen eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen, um Risse oder Sprünge zu vermeiden, die sich schnell ausbreiten und zum Bruch des Bauteils führen können.
Nickellegierungen bieten aufgrund ihrer thermischen Stabilität eine bessere Ermüdungsbeständigkeit als Stähle, insbesondere unter extremen zyklischen Bedingungen, wie z.B. in Flugzeugtriebwerken oder Gasturbinen.
Die EN ISO 10269 behandelt kritische Werkstoffe für die Konstruktion von Verbindungselementen und Schrauben, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen und extremen Belastungen eingesetzt werden sollen. Nickellegierungen und hochwarmfeste Stähle sind die wichtigsten Materialfamilien, die jeweils spezifische Eigenschaften in Bezug auf mechanische Festigkeit und thermische Stabilität aufweisen. Diese Materialien garantieren Sicherheit und Zuverlässigkeit in den anspruchsvollsten industriellen Anwendungen.
