GB/T 3098.24-2020: Sujetadores de acero inoxidable y aleación de níquel para altas temperaturas

Introducción a la norma GB/T 3098.24-2020

La norma GB/T 3098.24-2020 especifica las propiedades mecánicas de pernos, tornillos, espárragos y tuercas fabricados con aceros inoxidables y aleaciones de níquel para su uso a altas temperaturas. Esta norma forma parte de la serie GB/T 3098 sobre elementos de fijación y se centra en materiales que mantienen su integridad estructural a temperaturas elevadas, como las que se encuentran en las industrias aeroespacial, de generación de energía y petroquímica. Garantiza que estos elementos de fijación presenten un rendimiento fiable en términos de resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión cuando se exponen a temperaturas superiores a la ambiente.

La norma clasifica los materiales en aceros inoxidables martensíticos, aceros inoxidables austeníticos endurecibles por precipitación y aleaciones de níquel, cada uno diseñado para aplicaciones específicas de alta temperatura. Entre los aspectos clave se incluyen los límites de composición química, los regímenes de tratamiento térmico, los requisitos de ensayos mecánicos y las directrices para el emparejamiento de pernos y tuercas, con el fin de prevenir problemas como el agarrotamiento o la corrosión. El cumplimiento de esta norma es fundamental para que ingenieros y fabricantes seleccionen elementos de fijación adecuados que soporten las tensiones térmicas, la oxidación y la fluencia sin comprometer la seguridad ni la funcionalidad.

En la práctica, esta norma se ajusta a las normas internacionales como la ISO 3506, proporcionando un marco para el aseguramiento de la calidad en la producción de elementos de fijación. Destaca la importancia de la selección de materiales en función del entorno operativo, donde factores como la resistencia a la fluencia y la dilatación térmica desempeñan un papel fundamental. Por ejemplo, se prefieren las aleaciones de níquel como la aleación 718 por su excelente resistencia a altas temperaturas, mientras que los grados martensíticos ofrecen soluciones rentables para temperaturas moderadas. El documento también incluye apéndices con referencias a materiales equivalentes nacionales y directrices para la selección de aceros inoxidables o aleaciones de níquel según la norma GB/T 3098.25.

Para comprender esta norma se requieren conocimientos de mecánica de elementos de fijación, incluyendo el comportamiento tensión-deformación a altas temperaturas. Si bien exige ensayos en condiciones ambientales (de 10 °C a 35 °C), recomienda evaluaciones adicionales a altas temperaturas para aplicaciones críticas. Esto garantiza que los elementos de fijación cumplan con los criterios mínimos de resistencia a la tracción, límite elástico y elongación, previniendo fallos durante su uso. Los fabricantes deben cumplir con los tratamientos térmicos especificados para lograr las microestructuras deseadas, como la martensita para la dureza o la austenita para la ductilidad. En general, la norma GB/T 3098.24-2020 promueve la fiabilidad en sistemas de fijación a altas temperaturas, reduciendo los riesgos asociados con la degradación del material con el tiempo.

Además, la norma aborda los tratamientos superficiales para mitigar el agarrotamiento, un problema común en las aleaciones de acero inoxidable y níquel debido a su baja conductividad térmica y altos coeficientes de fricción. Se recomienda la lubricación para lograr relaciones par-tensión uniformes, lo que mejora la eficiencia del ensamblaje. Al optimizar la composición química y el procesamiento, esta norma facilita la producción de elementos de fijación que funcionan en condiciones exigentes, contribuyendo a los avances en el diseño de ingeniería y la ciencia de los materiales.

Símbolos y designaciones

Los siguientes símbolos se aplican a este documento y proporcionan definiciones precisas de los parámetros mecánicos y dimensionales esenciales para evaluar el rendimiento de los elementos de fijación. Estas notaciones garantizan la coherencia en las pruebas y especificaciones, lo que permite a los ingenieros evaluar con precisión propiedades como la resistencia y la elongación bajo carga.

• A: Alargamiento real después de la fractura del sujetador, en milímetros (mm).
• A_s,nom: Área de la sección transversal de tensión nominal de la rosca, en milímetros cuadrados (mm²).
• A_T: Alargamiento real a alta temperatura después de la fractura del sujetador, en milímetros (mm).
• b: Longitud de la rosca, en milímetros (mm).
• D: Diámetro nominal de la rosca interna, en milímetros (mm).
• D₂: Diámetro primitivo básico de la rosca interna, en milímetros (mm).
• d: Diámetro nominal de la rosca externa, en milímetros (mm).
• d_h: Diámetro del orificio en el dispositivo de prueba de tracción o en el dispositivo de prueba de carga de prueba de tuercas para sujetadores de rosca externa, en milímetros (mm).
• d_s: Diámetro del vástago sin rosca, en milímetros (mm).
• d₁: Diámetro menor básico de la rosca externa, en milímetros (mm).
• d₂: Diámetro primitivo básico de la rosca externa, en milímetros (mm).
• d₃: Diámetro menor de la rosca externa (para el cálculo del área de tensión), en milímetros (mm).
• F_mf: Carga de tracción máxima, en newtons (N).
• F_mf,T: Carga de tracción máxima a alta temperatura, en newtons (N).
• F_{Nuevo Testamento}: Carga máxima de extracción a alta temperatura para tuercas, en newtons (N).
• F_pag: Carga de prueba para tuercas, en newtons (N).
• F_pf: Carga real a 0,2% de extensión plástica del sujetador, en newtons (N).
• F_pf,T: Carga real a alta temperatura con una extensión plástica del sujetador de 0,2%, en newtons (N).
• H: Altura triangular original del hilo, en milímetros (mm).
• h: Espesor del dispositivo de prueba de carga de prueba de tuercas, en milímetros (mm).
• Yo₀: Longitud total del sujetador antes de la carga, en milímetros (mm).
• Yo₁: Longitud total del sujetador después de la fractura, en milímetros (mm).
• Yo₂: Longitud de agarre antes del ensayo de tracción, en milímetros (mm).
• l: Longitud nominal del elemento de fijación de rosca externa, en milímetros (mm).
• l₁: Longitud total del perno, en milímetros (mm).
• l_el: Longitud de la rosca no acoplada en el dispositivo de prueba para el sujetador, en milímetros (mm).
• metro: Altura de la tuerca, en milímetros (mm).
• PAG: Paso, en milímetros (mm).
• R_mf: Resistencia a la tracción real del sujetador, en megapascales (MPa).
• R_mf,T: Resistencia a la tracción real a alta temperatura del elemento de fijación, en megapascales (MPa).
• R_{Nuevo Testamento}: Resistencia máxima al desprendimiento a alta temperatura para tuercas, en megapascales (MPa).
• R_pf: Tensión real a una extensión plástica de 0,2% del sujetador, en megapascales (MPa).
• R_pf,T: Tensión real a alta temperatura con una extensión plástica del sujetador de 0,2%, en megapascales (MPa).
• S_pag: Resistencia a la tracción, en megapascales (MPa).

Estos símbolos son fundamentales para los cálculos en ensayos mecánicos, como la determinación de la resistencia a la tracción (R_mf = F_mf / A_s,nom) y la prueba de estrés. Facilitan la comunicación precisa en las especificaciones de diseño, asegurando que los sujetadores se evalúen de manera consistente en todas las fases de fabricación y aplicación. Para escenarios de alta temperatura, símbolos como R_mf,T y F_pf,T Se deben tener en cuenta los efectos térmicos sobre el comportamiento de los materiales, como la reducción del límite elástico debido a las altas temperaturas. El uso adecuado de estas designaciones evita interpretaciones erróneas, lo que mejora la seguridad en las aplicaciones de ingeniería.

Además, comprender estos símbolos ayuda a cumplir con las normas relacionadas, donde los parámetros dimensionales como d y P influyen en la resistencia de la rosca y la distribución de la carga. Por ejemplo, el área de tensión nominal A_s,nom se calcula utilizando fórmulas que involucran d₂ y d₃, fundamental para predecir los modos de fallo bajo tensión.

Sistema de marcado

Todos los aceros inoxidables y aleaciones de níquel especificados en esta parte se clasifican en tres categorías distintas: aceros inoxidables martensíticos (CH0, CH1, CH2, V, VH, VW), aceros inoxidables austeníticos endurecibles por precipitación (SD) y aleaciones de níquel (SB y 718). Este sistema de marcado proporciona una forma estandarizada de identificar los grados de los materiales, lo que garantiza la trazabilidad y la selección adecuada para aplicaciones de alta temperatura.

Los grados martensíticos como CH0 (por ejemplo, X20Cr13) se caracterizan por su templabilidad mediante tratamiento térmico, ofreciendo buena resistencia a temperaturas moderadas. Las designaciones V, VH y VW indican diferentes niveles de límite elástico, siendo VH el que requiere R_pf ≥ 700 MPa para un rendimiento mejorado. Las marcas SD austeníticas indican aleaciones endurecidas por precipitación como X6NiCrTiMoVB25-15-2, conocidas por su resistencia a la corrosión y retención de resistencia hasta 650 °C. Las aleaciones de níquel SB (NiCr20TiAl) y 718 (NiCr19NbMo) están marcadas para una resistencia superior a la fluencia, ideal para temperaturas de hasta 800 °C y 700 °C, respectivamente.

El marcado garantiza la compatibilidad en los ensamblajes, evitando desajustes que podrían provocar fallos. En el caso de los elementos de fijación lubricados, se añade la sigla «Lu» (p. ej., SD Lu) para indicar los tratamientos superficiales que reducen el desgaste por fricción. Este sistema cumple con las normas ISO, facilitando el comercio internacional y el control de calidad en la fabricación de elementos de fijación.

El marcado detallado incluye el código del material, el estado del tratamiento térmico (por ejemplo, +QT para templado y revenido) y la clase de rendimiento, lo que permite una rápida verificación durante la inspección. Un marcado adecuado es esencial para la gestión de inventario y el cumplimiento normativo en industrias como la fabricación de turbinas.

Materiales y procesamiento

Composición química

Las tablas 1 a 3 especifican los límites de composición química para los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel utilizados en elementos de fijación. Estos límites se evalúan según las normas nacionales pertinentes, con sus equivalentes nacionales en el Apéndice A. Salvo acuerdo contrario, el fabricante selecciona la composición dentro del grupo.

La norma GB/T 3098.25 proporciona directrices para la selección de aleaciones adecuadas. Las composiciones se expresan como fracciones de masa (%), con valores máximos a menos que se indiquen rangos o mínimos.

La composición química está diseñada para optimizar propiedades como la resistencia a la corrosión, la resistencia mecánica y la estabilidad a altas temperaturas. Por ejemplo, un alto contenido de cromo en los aceros martensíticos mejora la resistencia a la oxidación, mientras que el niobio en la aleación 718 la estabiliza frente a la fluencia. El control estricto de elementos como el fósforo y el azufre minimiza la fragilización. Los fabricantes deben verificar la composición mediante análisis espectroscópico para garantizar su conformidad, ya que las desviaciones pueden reducir el rendimiento en servicio. Esta sección subraya la importancia de la pureza del material para una fiabilidad a largo plazo en entornos de alta temperatura.

Tratamiento térmico

Los elementos de fijación fabricados conforme a esta norma deben someterse a un tratamiento térmico para alcanzar las propiedades mecánicas especificadas en el Capítulo 7. Los regímenes de tratamiento térmico se detallan en la Tabla 4, donde se seleccionan las temperaturas mínimas de revenido para los aceros martensíticos. Los tiempos de mantenimiento no especificados son elegidos por el fabricante, teniendo en cuenta las propiedades requeridas y las temperaturas de servicio.

Flujo del proceso: Para SD, SB y 718, se requiere tratamiento de solución (AT), preferiblemente después del conformado. Para roscas externas de alta resistencia (R_mf ≥1100 MPa), el tratamiento térmico puede aplicarse a la materia prima por acuerdo. El tratamiento térmico para elementos de fijación conformados en frío o en caliente se realiza después del conformado. Para elementos de fijación mecanizados, puede aplicarse a la materia prima o al producto terminado, pudiendo roscarse antes o después del tratamiento.

El tratamiento térmico optimiza la microestructura para obtener las propiedades deseadas, como endurecer aceros martensíticos o precipitar fases en aleaciones de níquel para aumentar su resistencia. Un tratamiento incorrecto puede provocar fragilidad o una menor resistencia a la corrosión. Los fabricantes deben controlar las temperaturas y las velocidades de enfriamiento para lograr propiedades uniformes, y las inspecciones posteriores al tratamiento garantizan el cumplimiento de las normas.

Acabado superficial

Salvo que se especifique lo contrario, los elementos de fijación deben limpiarse y pulirse. Se recomienda la lubricación para evitar el agarrotamiento durante el montaje, especialmente bajo par o velocidad elevados. Entre los factores que aumentan el riesgo de agarrotamiento se incluyen los daños en la rosca y las precargas elevadas.

Nota 1: Parámetros como la alta velocidad de apriete aumentan el riesgo de desgaste por fricción. Nota 2: No existen normas nacionales que especifiquen defectos superficiales ni fuerza de apriete para estas aleaciones.

Los tratamientos superficiales proporcionan un par de torsión controlado, marcado con “Lu” (por ejemplo, SD Lu). Requisitos especiales a convenir.

El acabado superficial es fundamental para el rendimiento, ya que reduce la fricción y mejora la resistencia a la corrosión. El pulido elimina los óxidos, mientras que la lubricación garantiza precargas fiables. En aplicaciones de alta temperatura, los recubrimientos deben resistir la degradación térmica.

Diseño de emparejamiento de pernos y tuercas

Los pernos, tornillos, espárragos y tuercas deben emparejarse según la Tabla 5. Las tuercas deben coincidir con los elementos de fijación del mismo código (por ejemplo, perno CH0 con tuerca CH0). Se pueden utilizar diferentes materiales previa consulta con expertos, teniendo en cuenta la corrosión y el agarrotamiento.

Cuando las piezas sujetas difieran del material de los elementos de fijación, utilice aislamiento para evitar la corrosión galvánica.

El emparejamiento garantiza la distribución de la carga y la compatibilidad, minimizando riesgos como el desacoplamiento. La consulta con un experto es fundamental para pares no estándar.

Resistencia a entornos de alta temperatura

Estos materiales son adecuados para entornos donde la resistencia a la fluencia determina el dimensionamiento y la oxidación se produce a altas temperaturas. Los materiales SD, SB y 718 también resisten la corrosión húmeda.

La resistencia a la oxidación y a la formación de incrustaciones se logra mediante la aleación, donde el cromo forma óxidos protectores. La resistencia a la fluencia es fundamental para cargas prolongadas a temperaturas elevadas.

En aplicaciones como las turbinas de gas, estos materiales mantienen su integridad bajo ciclos térmicos, evitando fallos por fatiga o fragilización.

Temperaturas de funcionamiento de los sujetadores

Las propiedades del Capítulo 7 se prueban entre 10 °C y 35 °C. El uso a altas temperaturas reduce sus propiedades. Las temperaturas máximas recomendadas se indican en la Tabla 6, pero pueden ser inferiores según las condiciones.

Para aplicaciones específicas, realice ensayos de tracción, fluencia o relajación a alta temperatura según lo descrito en el Capítulo 10, simulando las condiciones de ensamblaje.

Estas temperaturas sirven de guía para el diseño, teniendo en cuenta factores como la oxidación y la deformación por fluencia. Las pruebas garantizan el rendimiento en condiciones de servicio reales.

Propiedades mecánicas de los elementos de fijación

Pernos, tornillos y espárragos

Cuando se prueben según el Capítulo 9, las propiedades mecánicas a temperatura ambiente deberán cumplir con las Tablas 7-11, aplicables durante la fabricación o en los productos terminados.

Estas propiedades aseguran que los sujetadores soporten cargas de tracción sin deformación excesiva. Por ejemplo, un alto R_mf Disponible en 718 modelos para aplicaciones exigentes. Su dureza evita la fragilidad a la vez que mantiene la resistencia.

Cojones

Las propiedades mecánicas de las tuercas se especifican de forma similar, centrándose en la carga de prueba y la resistencia al desprendimiento a altas temperaturas. Deben coincidir con las propiedades de los pernos para evitar puntos débiles en los ensamblajes.

Métodos de prueba

Las pruebas según el Capítulo 9 incluyen pruebas de tracción para R_mf y R_pfmediciones de dureza y evaluaciones a altas temperaturas según el Capítulo 10 para fluencia y relajación. Los métodos garantizan una evaluación precisa de las propiedades en condiciones simuladas.