GB/T 3098.26-2021: Propiedades de los elementos de fijación – Arandelas planas

Esta norma especifica las propiedades mecánicas y físicas de las arandelas planas fabricadas en acero al carbono o acero aleado, destinadas a su uso en uniones atornilladas con pernos, tornillos, espárragos y tuercas que cumplan con las clases de rendimiento definidas en GB/T 3098.1 y GB/T 3098.2. Estas propiedades se ensayan a temperaturas ambiente comprendidas entre 10 °C y 35 °C.

Nota 1: Estas arandelas planas también se pueden utilizar con otros elementos de fijación, como tornillos autorroscantes.

Las arandelas planas que cumplen con los requisitos de esta norma bajo las condiciones de prueba especificadas pueden no conservar sus propiedades mecánicas y físicas a temperaturas altas y/o bajas. Nota 2: Las arandelas planas que cumplen con este documento son aptas para temperaturas de servicio de -50 °C a +150 °C. Para temperaturas superiores a -50 °C a +150 °C, hasta +300 °C, se recomienda a los usuarios consultar con expertos en la materia.

Este documento se aplica a arandelas planas y arandelas para ensamblajes fabricados en acero al carbono o acero aleado con espesores de 0,2 mm a 12 mm, incluyendo:

• Arandelas lisas (con o sin dibujos, nervaduras o chaflanes).
• Arandelas cuadradas planas.
• Arandelas planas con orificio cuadrado.
• Arandelas planas de forma especial.

Esta norma no especifica requisitos para:

• Resistencia a la corrosión.
• Soldabilidad.

El alcance de esta norma enfatiza la importancia de la selección de materiales y las condiciones de ensayo para garantizar la fiabilidad en los conjuntos de fijación. Por ejemplo, en aplicaciones con temperaturas extremas, deben evaluarse consideraciones adicionales como la dilatación térmica y la degradación del material. Esta norma se integra con otros documentos de la serie GB/T para proporcionar un marco integral para el rendimiento de los elementos de fijación, garantizando la compatibilidad y la seguridad en aplicaciones de ingeniería mecánica. Al limitar el rango de espesor, se centra en los usos industriales comunes, permitiendo extensiones mediante acuerdos. Los profesionales deben tener en cuenta que, para entornos especializados, como el marino o el aeroespacial, pueden ser necesarias normas suplementarias para la corrosión. En general, este alcance garantiza que las arandelas planas contribuyan eficazmente a la distribución de la carga y la resistencia a las vibraciones en las uniones atornilladas, previniendo fallos como el aflojamiento o la fatiga del material. La exclusión de la corrosión y la soldabilidad resalta la necesidad de un diseño de sistema integrado donde estos aspectos se aborden por separado. En la práctica, los ingenieros suelen combinar esta norma con otras como la GB/T 5267.3 para el galvanizado en caliente, con el fin de mejorar la durabilidad. Este enfoque integral ayuda a seleccionar arandelas que optimicen el rendimiento del conjunto, reduciendo los costes de mantenimiento y mejorando la integridad estructural. Además, las directrices de temperatura evitan el uso indebido en situaciones de altas temperaturas, donde podrían preferirse materiales alternativos como el acero inoxidable. El enfoque del documento en los aceros al carbono y aleados equilibra la rentabilidad con la resistencia mecánica, lo que los hace idóneos para los sectores automotriz, de la construcción y de maquinaria. Al cumplir con estos parámetros, los fabricantes pueden producir productos uniformes que cumplen con los estándares internacionales, facilitando así el comercio y la estandarización a nivel mundial.

Símbolos

En este documento se utilizan los siguientes símbolos:

• d₁: Diámetro interior del orificio pasante, en milímetros (mm).
• d₂: Diámetro exterior, en milímetros (mm).
• F: Carga, en newtons (N).
• G: Profundidad total de la capa de descarburación, en milímetros (mm).
• r: Radio de contacto entre las partes de soporte y presión, en milímetros (mm).
• t: Espesor nominal de la arandela plana, en milímetros (mm).
• t_eff: Espesor efectivo de la arandela plana, en milímetros (mm).
• α: Ángulo de contacto entre las partes de soporte y presión, en grados (°).

Estos símbolos estandarizan la comunicación en la documentación técnica, garantizando la precisión en el diseño y las pruebas. Por ejemplo, d₁ y d₂ son fundamentales para la compatibilidad dimensional con los pernos, evitando desalineaciones que podrían provocar fallos en el montaje. La carga F es esencial en las pruebas de rendimiento, ya que simula las tensiones reales. La profundidad de descarburación G se relaciona con la integridad de la superficie, puesto que una descarburación excesiva puede debilitar la arandela. El radio r y el ángulo α se utilizan en las configuraciones de prueba para replicar con precisión las condiciones de contacto. Los parámetros de espesor t y t_eff tienen en cuenta las variaciones de fabricación, influyendo en la capacidad de carga. En la práctica de la ingeniería, estos símbolos facilitan los cálculos de distribución de tensiones, donde las arandelas ayudan a distribuir uniformemente las fuerzas en las superficies de unión. Comprender estas notaciones es vital para interpretar los resultados de las pruebas y garantizar el cumplimiento. Se alinean con las normas internacionales, promoviendo la interoperabilidad. Los profesionales deben utilizarlas de forma coherente para evitar errores en las especificaciones. Por ejemplo, en el análisis de elementos finitos, estos parámetros introducidos en los modelos predicen el comportamiento de la arandela bajo carga. Este simbolismo mejora la usabilidad del documento, permitiendo una consulta rápida durante los procesos de control de calidad. Al definirlas desde el principio, la norma sienta las bases para las secciones posteriores sobre materiales y ensayos.

Sistema de designación

La clase de rendimiento de las arandelas planas consta de un número y un símbolo:

• El número indica el valor mínimo de dureza Vickers (véase la tabla 3).
• Las letras HV indican la dureza Vickers.

Ejemplo: Una arandela plana de acero con una dureza Vickers mínima de 200, según la Tabla 3, se designa como 200 HV.

Si cumple con las Tablas 2 y 3, este sistema de designación también puede aplicarse a especificaciones que superen los espesores estándar. Si bien se especifican varias clases de rendimiento, no todas son adecuadas para cada conjunto de perno, tuerca y arandela. En la Tabla 1 se muestran combinaciones de clases de rendimiento de arandelas planas con pernos, tornillos, espárragos y tuercas.

RC: Combinación recomendada.
^a Las clases de 200 HV y 300 HV se aplican en las normas de producto para conjuntos de pernos y arandelas, según GB/T 9074.1 y GB/T 97.4.
^b La tensión de 380 V no está contemplada en las normas de producto actuales; su uso requiere un acuerdo entre el proveedor y el comprador.
^c Para 380 HV, el diseño de la conexión de los pernos debe evitar la flexión y las tensiones de tracción en las arandelas, especialmente en las de tipo ranurado o avellanado.
^d Se pueden utilizar combinaciones con la nota al pie d si se verifica el diseño de la conexión y la instalación.
^e Las combinaciones que se encuentran por encima de la línea gruesa escalonada se pueden utilizar para conexiones atornilladas.
^f No se deben utilizar las combinaciones que se encuentran debajo de la línea gruesa escalonada (áreas grises).

Para tornillos autorroscantes y tornillos que unen materiales blandos (por ejemplo, plástico, madera), las combinaciones con arandelas planas de diferentes clases de rendimiento deben determinarse en función del uso previsto.

Este sistema de designación garantiza la trazabilidad y la compatibilidad en los ensamblajes, aspectos cruciales para la seguridad. Al vincular la dureza con las clases de rendimiento, permite a los ingenieros seleccionar arandelas que se ajusten a la resistencia de los pernos, evitando la sobredimensionamiento o la subdeterminación. Las recomendaciones de la Tabla 1 previenen desajustes que podrían causar fallas como el desgaste o el agrietamiento. En aplicaciones de alta carga, como puentes, las clases superiores, como 380 HV, ofrecen una resistencia superior, pero requieren un diseño cuidadoso para mitigar los riesgos de fragilización por hidrógeno (véase GB/Z 41117). La flexibilidad del sistema para espesores no estándar permite aplicaciones personalizadas. En general, promueve la estandarización, reduciendo los errores en la adquisición y el ensamblaje.

Materiales

La tabla 2 especifica los límites de composición química para el acero al carbono y el acero aleado utilizados en arandelas planas de diferentes clases de rendimiento. Estas composiciones deben cumplir con las normas nacionales pertinentes.

Nota: El acero aleado incluye acero para muelles y acero aleado para muelles apto para arandelas planas.

Para arandelas que requieren galvanizado en caliente, los materiales deben cumplir con los requisitos de la norma GB/T 5267.3. Si los conjuntos se templan y revenenan en su totalidad, se pueden suministrar arandelas sin tratar; en tales casos, la composición química según la norma GB/T 9074.1 se acordará previamente.

Para conjuntos de tornillos autorroscantes con endurecimiento superficial según GB/T 97.5, el contenido de carbono de la arandela no debe exceder 0,12%. Cada lote de fabricación debe utilizar material de la misma colada.

NA: No aplicable.
^a En caso de disputas, realice un análisis del producto.
^b Para arandelas de montaje, véase GB/T 9074.1 o GB/T 97.4; composición y temperatura de revenido según acuerdo.
^c Para aplicaciones especiales (por ejemplo, galvanizado en caliente), la composición y la temperatura de revenido se acordarán previamente.
^d Boro máximo 0,003%, hasta 0,005% si el boro no efectivo está controlado por titanio/aluminio.
^e Las arandelas de 200 HV pueden utilizar materias primas adecuadas o ser templadas y revenidas después de su fabricación; el proceso lo realizará el fabricante si se cumple la Tabla 3.
^f Los materiales deben tener suficiente templabilidad para la formación de martensita ~90% en el núcleo antes del revenido.
^gramo El acero al carbono puede contener cromo, manganeso, níquel, etc.
^h Los aceros aleados contienen al menos un elemento: Cr 0,30%, Mn 0,20%, Ni 0,30%, V 0,10%, Mo 0,08%, B 0,0008%. Para combinaciones, el total de mínimos individuales debe ser de al menos 70%.
ⁱ Para la fragilización por hidrógeno, véase GB/Z 41117.

Las especificaciones de los materiales garantizan que las arandelas alcancen la dureza y durabilidad requeridas. Los límites de carbono controlan la resistencia, mientras que los bajos niveles de P y S minimizan la fragilidad. Los elementos de aleación mejoran la templabilidad para clases superiores. Las temperaturas de revenido evitan el endurecimiento excesivo, reduciendo el riesgo de agrietamiento. Esta sección orienta a los fabricantes en la selección de aceros para un rendimiento constante, fundamental en industrias como la automotriz, donde la resistencia a las vibraciones es clave. El cumplimiento de las normas pertinentes garantiza la compatibilidad con el galvanizado, evitando problemas como la falta de adherencia del recubrimiento.

Propiedades mecánicas y físicas

Las arandelas planas de las clases de rendimiento especificadas deben cumplir con las propiedades mecánicas y físicas que se indican en la Tabla 3 a temperatura ambiente, ya sea que se prueben durante la fabricación o en la inspección final.

El capítulo 6 proporciona los métodos de prueba y los procedimientos de arbitraje aplicables para verificar el cumplimiento de la tabla 3. Para las arandelas de clase 380 HV, se requiere la prueba de ductilidad según el Anexo A cuando se especifique.

^a 380 HV no está incluido en las normas de producto actuales; su uso está sujeto a acuerdo.
^b Superar el máximo de 250 HV no es motivo de rechazo.
^c Para arandelas moleteadas o acanaladas, los límites son los mismos que para 380 HV.
^d Medido según 6.2.3 en sección transversal; dureza a 0,1 mm de la superficie de soporte ≥ dureza central – 30 HV.
^e El que sea más pequeño.
^f Medido por 6,3 en sección transversal; dureza a 0,1 mm de la superficie de soporte ≤ dureza central + 30 HV.

Estas propiedades garantizan que las arandelas soporten cargas de compresión sin deformarse ni fallar. Los rangos de dureza equilibran la resistencia y la ductilidad, evitando el agrietamiento. Los controles de descarburación y carburación mantienen la integridad superficial, crucial para la resistencia a la corrosión en arandelas recubiertas. Los límites de revenido verifican la idoneidad del tratamiento térmico. En aplicaciones, estas especificaciones garantizan uniones fiables, por ejemplo, en maquinaria donde la vibración podría aflojar las conexiones. Las pruebas de conformidad según el Capítulo 6 garantizan la calidad.

Métodos de prueba

Prueba de dureza

General

La prueba de dureza tiene como objetivo verificar el cumplimiento de los valores mínimos y máximos de la Tabla 3 y los requisitos de material para arandelas templadas y revenidas. Aplicable a todas las clases, probadas en estado original, excepto aquellas tratadas después del ensamblaje.

Realizar sobre superficies o secciones transversales adecuadas según la Tabla 4.

^a Para 200 HV templados y revenidos según pedido, la prueba de sección transversal es arbitraje en caso de disputa.

Dureza Vickers en la superficie

Seleccione la carga de prueba según la clase y el espesor, como se muestra en la Figura 1. Utilice la medida Rockwell si no dispone de una carga Vickers adecuada.

Ejemplo: Para una arandela de 0,3 mm de espesor y 300 HV, utilice HV5.

 Dureza Rockwell en la superficie

Seleccione la carga según la Figura 2, en función de la clase y el espesor. Utilice la dureza Vickers si no dispone de una carga Rockwell adecuada.

Ejemplo: Para una arandela de 0,5 mm de espesor y 380 HV, utilice 294 N (HR30N).

Procedimiento de prueba

Retire los recubrimientos/óxidos y realice la prueba a medio radio sobre la superficie de soporte. Para acero galvanizado, retire la capa de transición. Promedie tres lecturas a 120° si el tamaño lo permite.

Requisitos para 100 HV, 140 HV, 200 HV

Rutina: Según 6.1.2, cumplir con la Tabla 3. Arbitraje: Vickers según la Figura 1; para t_eff > 0,5 mm, carga inferior ≥ HV1.

Requisitos para 300 HV, 380 HV

Rutina: Según 6.1.2, cumplir con la Tabla 3. Arbitraje: Sección transversal según 6.1.3.

Ensayo de dureza de sección transversal radial

General

Según GB/T 4340.1, dureza Vickers para arandelas templadas y revenidas.

Procedimiento

Realizar una sección radial a través del centro del orificio, incrustar/montar, pulir/desbastar para metalografía. Probar en la sección central según la Figura 3; promediar al menos tres puntos si es posible.

1: Área de prueba (radio 0,25 t_eff).

Requisitos

Consulte la Tabla 3. Si la diferencia es > 30 HV en un radio t_eff de 0,25, verifique la martensita ~90% según la Tabla 2.

Prueba de descarburación

General

Detecta la descarburación superficial en arandelas moleteadas/acanaladas de 300 HV y en todas las arandelas de 380 HV. Áreas según la Figura 4.

1: Superficie de soporte; 2: Capa de descarbonización total; 3: Capa de descarbonización parcial; 4: Metal base; x: Sin área de prueba.

Método metalográfico

Preparación de muestras

Retire los recubrimientos, tome una sección radial, incruste/monte, muela/pula. Nota: Grabe con nital 3% para revelar los cambios.

Procedimiento

Examine con un aumento de 100x; mida con la escala o el ocular.

Requisitos

G máximo según la Tabla 3.

Método de dureza

Preparación de muestras

Para t ≥ 0,4 mm; preparar según 6.2.2.1 sin grabado.

Procedimiento

Mida los puntos 1 y 2 según la Figura 5 con HV0.3 (2.942 N).

Sin descarbonización: HV(2) > HV(1) – 30 HV; Sin carb: HV(2) ≤ HV(1) + 30 HV. 1: Centro; 2: 0,1 mm de la superficie.

Requisitos

HV(2) ≥ HV(1) – 30 HV. Nota: No para G máximo según la Tabla 3.

Prueba de carburación

General

Detecta la carburización superficial durante el tratamiento térmico de arandelas moleteadas/acanaladas de 300 HV y de todas las arandelas de 380 HV, t ≥ 0,4 mm. Medida en la dureza de la sección transversal radial.

Procedimiento

Preparar según 6.2.2.1 sin grabado; medir según la Figura 5 con HV0.3.

Requisitos

HV(2) ≤ HV(1) + 30 HV. Si se supera, indica carburización. Además, la superficie de soporte debe ser ≤ 370 HV0.3 para 300 HV y ≤ 450 HV0.3 para 380 HV según la Tabla 3.

Prueba de retemperado

General

Verifica la temperatura mínima de revenido en el tratamiento térmico para arandelas de 300 HV y 380 HV.

Procedimiento

Mida la dureza Vickers en el área de la Figura 3 (tres puntos). Retemple a 10 °C por debajo de la Tabla 2 min, mantenga durante 30 min; vuelva a medir en la misma área.

Requisitos

Reducción media de la dureza < 20 HV después del retemplado.

Los métodos de ensayo garantizan la calidad de las arandelas mediante procedimientos estandarizados, fundamentales para su fiabilidad. Las pruebas de dureza confirman la resistencia del material, mientras que las comprobaciones de descarburación/carburación previenen la debilidad superficial. El retemplado valida el tratamiento térmico, evitando la fragilidad. Estos métodos se ajustan a las prácticas internacionales, lo que permite una fabricación uniforme.

Calificación

General

Las arandelas fabricadas de acuerdo con este documento solo podrán marcarse según el Capítulo 3 si cumplen totalmente con la normativa.

Marcado de arandelas

Por decisión o acuerdo del fabricante; si se acuerda, incluya la identificación del fabricante y la clase de rendimiento. Los distribuidores que utilizan su propia identificación se consideran fabricantes. No se permiten marcas en relieve; no se recomiendan las marcas hundidas debido a los efectos de apriete o las concentraciones de tensión. Utilice métodos duraderos como el láser. Marque la clase según el código de la Tabla 5 o los símbolos de la esfera del reloj.

Marcado de paquetes

Todos los paquetes deben estar etiquetados con la identificación del fabricante/vendedor, la clase de rendimiento según el Capítulo 3 y el número de lote según GB/T 3099.4.

El marcado garantiza la trazabilidad, esencial para el control de calidad y la responsabilidad. Previene la falsificación de productos y facilita las retiradas del mercado. En las cadenas de suministro, un marcado adecuado simplifica la gestión de inventarios y la verificación del cumplimiento normativo.

Anexo A: Prueba de ductilidad para arandelas de clase de rendimiento 380 HV

A.1 General

Determina si las arandelas se volvieron quebradizas durante la fabricación. Aplicable a petición del cliente, a arandelas terminadas, incluidos los recubrimientos.

A.2 Procedimiento de prueba

Utilice un soporte y un indentador con un ángulo α según el espesor; dureza mínima de 60 HRC, superficies rectificadas. Para arandelas redondas concéntricas, utilice contactos cónicos según la figura A.1. Para las demás, contactos en forma de V según la figura A.2. Coloque la arandela en el dispositivo; desmonte primero los conjuntos. Alinee los ejes. Aplique una carga axial de forma constante hasta el contacto total; mantenga la carga durante 2 minutos y retírela.

A.3 Requisitos

Sin fractura. Si está dañado, corte en el lado opuesto a la fractura; la separación en dos partes indica una falla.

Este anexo verifica la ductilidad de las arandelas de alta dureza, evitando roturas por fragilidad durante su uso. Es fundamental para aplicaciones críticas de seguridad, ya que garantiza que las arandelas se deformen sin romperse bajo carga.

Preguntas frecuentes

1. ¿Qué rango de temperatura es adecuado para las arandelas planas según esta norma? La temperatura de servicio recomendada es de -50 °C a +150 °C. Para temperaturas extremas de hasta +300 °C, consulte a expertos para evaluar la conservación de la propiedad.
2. ¿Cómo selecciono la clase de rendimiento adecuada para mi conjunto de pernos? Consulte la Tabla 1 para ver las combinaciones recomendadas (RC). Evite las zonas grises para prevenir desajustes que podrían provocar fallos en la unión; verifique el diseño si utiliza las combinaciones indicadas en la nota al pie d.
3. ¿Qué ocurre si mis arandelas necesitan galvanizado en caliente? Los materiales deben cumplir con la norma GB/T 5267.3. La composición química y el templado pueden requerir un acuerdo entre el proveedor y el comprador para aplicaciones especiales.
4. ¿Por qué es importante la prueba de descarburación para las categorías de mayor rendimiento? La descarburación excesiva debilita la superficie, aumentando el riesgo de fallo bajo carga. Las pruebas garantizan el cumplimiento de los límites establecidos en la Tabla 3, manteniendo la integridad, especialmente en el caso de las arandelas de 380 HV.
5. ¿Puedo usar lavadoras de 380 V sin autorización? No, ya que no están contemplados en las normas de producto vigentes. Su uso requiere un protocolo específico, con consideraciones de diseño para evitar esfuerzos de flexión o tracción.
6. ¿Cómo confirma la prueba de retemperado la calidad del tratamiento térmico? Comprueba si la reducción de dureza después del revenido adicional es ≤20 HV, verificando que el proceso original cumplió con las temperaturas mínimas según la Tabla 2, evitando la fragilidad.