GB/T 3098.26-2021: Propriedades de elementos de fixação – Arruelas planas

Esta norma especifica as propriedades mecânicas e físicas de arruelas planas fabricadas em aço carbono ou aço liga, destinadas ao uso em conexões aparafusadas com parafusos, pinos e porcas, em conformidade com as classes de desempenho definidas nas normas GB/T 3098.1 e GB/T 3098.2. Essas propriedades são testadas em temperaturas ambientes que variam de 10 °C a 35 °C.

Nota 1: Estas arruelas planas também podem ser utilizadas com outros fixadores, como parafusos autoatarraxantes.

Arruelas planas que atendam aos requisitos desta norma, sob as condições de teste especificadas, podem não manter suas propriedades mecânicas e físicas em altas e/ou baixas temperaturas. Nota 2: Arruelas planas em conformidade com este documento são adequadas para temperaturas de serviço de -50 °C a +150 °C. Para temperaturas superiores a -50 °C a +150 °C, até +300 °C, recomenda-se que os usuários consultem especialistas da área.

Este documento aplica-se a arruelas planas e arruelas para conjuntos fabricadas em aço carbono ou aço liga com espessuras de 0,2 mm a 12 mm, incluindo:

• Arruelas lisas (com ou sem padrões, nervuras ou chanfros).
• Arruelas planas quadradas.
• Arruelas planas com furo quadrado.
• Arruelas planas com formato especial.

Esta norma não especifica requisitos para:

• Resistência à corrosão.
• Soldabilidade.

O escopo enfatiza a importância da seleção de materiais e das condições de teste para garantir a confiabilidade em conjuntos de fixadores. Por exemplo, em aplicações que envolvem temperaturas extremas, considerações adicionais, como expansão térmica e degradação do material, devem ser avaliadas. Esta norma integra-se com outros documentos da série GB/T para fornecer uma estrutura holística para o desempenho de fixadores, garantindo compatibilidade e segurança em aplicações de engenharia mecânica. Ao limitar a faixa de espessura, ela se concentra em usos industriais comuns, permitindo extensões por meio de acordos. Os profissionais devem observar que, para ambientes especializados, como marítimo ou aeroespacial, normas suplementares para corrosão podem ser necessárias. No geral, este escopo garante que as arruelas planas contribuam efetivamente para a distribuição de carga e resistência à vibração em juntas aparafusadas, prevenindo falhas como afrouxamento ou fadiga do material. A exclusão da corrosão e da soldabilidade destaca a necessidade de um projeto de sistema integrado, onde esses aspectos são abordados separadamente. Na prática, os engenheiros frequentemente combinam isso com normas como a GB/T 5267.3 para galvanização a quente, a fim de aumentar a durabilidade. Essa abordagem abrangente auxilia na seleção de arruelas que otimizam o desempenho da montagem, reduzindo os custos de manutenção e melhorando a integridade estrutural. Além disso, as diretrizes de temperatura previnem o uso indevido em cenários de alta temperatura, onde materiais alternativos, como o aço inoxidável, podem ser preferíveis. O foco do documento em aços carbono e aços ligados equilibra a relação custo-benefício com a resistência mecânica, tornando-o adequado para os setores automotivo, de construção e de máquinas. Ao aderir a esses parâmetros, os fabricantes podem produzir produtos consistentes que atendam aos padrões internacionais, facilitando o comércio global e a padronização.

Símbolos

Os seguintes símbolos são utilizados neste documento:

• d₁: Diâmetro interno do furo passante, em milímetros (mm).
• d₂: Diâmetro externo, em milímetros (mm).
• F: Carga, em newtons (N).
• G: Profundidade total da camada de descarbonetação, em milímetros (mm).
• r: Raio de contato entre o suporte e as partes pressionadas, em milímetros (mm).
• t: Espessura nominal da arruela plana, em milímetros (mm).
• t_eff: Espessura efetiva da arruela plana, em milímetros (mm).
• α: Ângulo de contato entre o suporte e as partes pressionadas, em graus (°).

Esses símbolos padronizam a comunicação na documentação técnica, garantindo precisão no projeto e nos testes. Por exemplo, d₁ e d₂ são cruciais para a compatibilidade dimensional com os parafusos, evitando desalinhamentos que poderiam levar a falhas na montagem. A carga F é essencial nos testes de desempenho, simulando as tensões reais. A profundidade de descarbonetação G está relacionada à integridade da superfície, pois a descarbonetação excessiva pode enfraquecer a arruela. O raio r e o ângulo α são usados ​​em configurações de teste para replicar com precisão as condições de contato. Os parâmetros de espessura t e t_eff consideram as variações de fabricação, influenciando a capacidade de carga. Na prática da engenharia, esses símbolos facilitam os cálculos de distribuição de tensão, onde as arruelas ajudam a distribuir uniformemente as forças nas superfícies de contato. Compreender essas notações é vital para interpretar os resultados dos testes e garantir a conformidade. Elas estão alinhadas com as normas internacionais, promovendo a interoperabilidade. Os profissionais devem usá-las consistentemente para evitar erros nas especificações. Por exemplo, na análise de elementos finitos, esses parâmetros inseridos nos modelos preveem o comportamento da arruela sob carga. Essa simbologia aprimora a usabilidade do documento, permitindo uma consulta rápida durante os processos de controle de qualidade. Ao defini-los logo no início, a norma cria uma base para as seções subsequentes sobre materiais e testes.

Sistema de Designação

A classe de desempenho das arruelas planas consiste em um número e um símbolo:

• O número indica o valor mínimo de dureza Vickers (ver Tabela 3).
• As letras HV denotam dureza Vickers.

Exemplo: Uma arruela plana de aço com dureza Vickers mínima de 200, conforme a Tabela 3, é designada como 200 HV.

Se em conformidade com as Tabelas 2 e 3, este sistema de designação também pode ser aplicado a especificações além das espessuras padrão. Embora várias classes de desempenho sejam especificadas, nem todas são adequadas para todos os conjuntos de parafuso, porca e arruela. Combinações de classes de desempenho de arruelas planas com parafusos, pinos e porcas são mostradas na Tabela 1.

RC: Combinação recomendada.
^um As classes 200 HV e 300 HV são aplicadas nas normas de produto para conjuntos de parafusos e arruelas, de acordo com as normas GB/T 9074.1 e GB/T 97.4.
^b 380 HV não está incluído nas normas de produto atuais; seu uso requer acordo entre fornecedor e comprador.
^c Para aços 380 HV, o projeto de conexão dos parafusos deve evitar tensões de flexão e tração nas arruelas, especialmente nos tipos ranhurados ou escareados.
^d As combinações com a nota de rodapé d podem ser usadas se o projeto e a instalação da conexão forem verificados.
^e As combinações acima da linha escalonada em negrito podem ser usadas para conexões aparafusadas.
^f Combinações abaixo da linha escalonada em negrito (áreas cinzentas) não devem ser usadas.

Para parafusos de rosca formadora e parafusos que conectam materiais macios (por exemplo, plástico, madeira), as combinações com arruelas planas devem ser definidas com base no uso pretendido.

Este sistema de designação garante rastreabilidade e compatibilidade em conjuntos, fatores críticos para a segurança. Ao associar a dureza às classes de desempenho, permite que os engenheiros selecionem arruelas que correspondam à resistência dos parafusos, evitando subespecificações ou superespecificações. As recomendações da Tabela 1 previnem incompatibilidades que podem causar falhas como desgaste ou fissuras. Em aplicações de alta carga, como pontes, classes mais elevadas, como 380 HV, oferecem resistência superior, mas exigem um projeto cuidadoso para mitigar os riscos de fragilização por hidrogênio (consulte GB/Z 41117). A flexibilidade do sistema para espessuras não padronizadas permite aplicações personalizadas. No geral, promove a padronização, reduzindo erros na aquisição e montagem.

Materiais

A Tabela 2 especifica os limites de composição química para aço carbono e aço liga utilizados em arruelas planas de diferentes classes de desempenho. Essas composições devem estar em conformidade com as normas nacionais pertinentes.

Observação: O aço-liga inclui o aço-mola e o aço-mola-liga adequados para arruelas planas.

Para arruelas que requerem galvanização a quente, os materiais devem atender aos requisitos da norma GB/T 5267.3. Se os conjuntos forem temperados e revenidos como um todo, as arruelas podem ser fornecidas sem tratamento; nesses casos, a composição química conforme a norma GB/T 9074.1 será definida em comum acordo.

Para conjuntos de parafusos autoatarraxantes com têmpera superficial conforme GB/T 97.5, o teor de carbono das arruelas não deve exceder 0,12%. Cada lote de fabricação deve utilizar material da mesma corrida.

NA: Não aplicável.
^um Em caso de litígios, realize análises de produto.
^b Para arruelas de montagem, consulte GB/T 9074.1 ou GB/T 97.4; composição e temperatura de têmpera a combinar.
^c Para aplicações especiais (ex.: galvanização a quente), a composição e a temperatura de têmpera serão definidas em comum acordo.
^d Teor máximo de boro: 0,003%, podendo chegar a 0,005% se o boro não efetivo for controlado por titânio/alumínio.
^e As arruelas 200 HV podem utilizar matérias-primas adequadas ou serem temperadas e revenidas após a fabricação; o processo deve ser feito pelo fabricante se a Tabela 3 for atendida.
^f Os materiais devem ter temperabilidade suficiente para formar martensita ~90% no núcleo antes do revenido.
^g O aço carbono pode conter cromo, manganês, níquel, etc.
^h Os aços-liga contêm pelo menos um dos seguintes elementos: Cr 0,30%, Mn 0,20%, Ni 0,30%, V 0,10%, Mo 0,08%, B 0,0008%. Para combinações, o total mínimo individual deve ser de pelo menos 70%.
^eu Para fragilização por hidrogênio, consulte GB/Z 41117.

As especificações dos materiais garantem que as arruelas atinjam a dureza e a durabilidade necessárias. Os limites de carbono controlam a resistência, enquanto os baixos teores de fósforo (P) e enxofre (S) minimizam a fragilidade. Os elementos de liga melhoram a temperabilidade para classes mais elevadas. As temperaturas de revenido evitam o endurecimento excessivo, reduzindo os riscos de fissuras. Esta seção orienta os fabricantes na seleção de aços para um desempenho consistente, vital em indústrias como a automotiva, onde a resistência à vibração é fundamental. A conformidade com as normas pertinentes garante a compatibilidade com a galvanização, evitando problemas como a falha na adesão do revestimento.

Propriedades Mecânicas e Físicas

As arruelas planas das classes de desempenho especificadas devem atender às propriedades mecânicas e físicas da Tabela 3 em temperatura ambiente, independentemente de serem testadas durante a fabricação ou na inspeção final.

O Capítulo 6 apresenta os métodos de teste aplicáveis ​​e os procedimentos de arbitragem para verificar a conformidade com a Tabela 3. Para arruelas da classe 380 HV, o teste de ductilidade conforme o Anexo A é obrigatório quando especificado.

^um 380 HV não consta nas normas de produto atuais; uso mediante acordo.
^b Exceder o limite máximo de 250 HV não é motivo para rejeição.
^c Para arruelas serrilhadas ou com nervuras, os limites são os mesmos que para 380 HV.
^d Medido conforme 6.2.3 na seção transversal; dureza a 0,1 mm da superfície de apoio ≥ dureza central – 30 HV.
^e O que for menor.
^f Medido por 6,3 na seção transversal; dureza a 0,1 mm da superfície de apoio ≤ dureza central + 30 HV.

Essas propriedades garantem que as arruelas suportem cargas de compressão sem deformação ou falha. As faixas de dureza equilibram resistência e ductilidade, prevenindo rachaduras. Os controles de descarbonetação e carbonetação mantêm a integridade da superfície, crucial para a resistência à corrosão em arruelas revestidas. Os limites de retêmpera verificam a adequação do tratamento térmico. Em aplicações práticas, essas especificações garantem juntas confiáveis, por exemplo, em máquinas onde a vibração pode afrouxar as conexões. Os testes de conformidade com o Capítulo 6 garantem a qualidade.

Métodos de teste

Teste de dureza

Em geral

O teste de dureza tem como objetivo verificar a conformidade com os valores mínimos e máximos da Tabela 3 e com os requisitos de material para arruelas temperadas e revenidas. Aplicável a todas as classes, testadas no estado em que foram recebidas, exceto para arruelas tratadas após a montagem.

Realizar em superfícies ou seções transversais adequadas, conforme a Tabela 4.

^um Para amostras temperadas e revenidas de 200 HV, conforme solicitação, o teste de seção transversal será arbitrado em caso de disputa.

Dureza Vickers na superfície

Selecione a carga de teste com base na classe e espessura, conforme a Figura 1. Utilize a carga Rockwell caso não haja uma carga Vickers adequada.

Exemplo: Para uma arruela de 300 HV com 0,3 mm de espessura, use HV5.

 Dureza Rockwell na superfície

Selecione a carga conforme a Figura 2, com base na classe e na espessura. Use a carga Vickers se não houver uma carga Rockwell adequada.

Exemplo: Para uma arruela de 380 HV com 0,5 mm de espessura, utilize 294 N (HR30N).

Procedimento de teste

Remova os revestimentos/óxidos e faça o teste na metade do raio da superfície de apoio. Para superfícies galvanizadas, remova a camada de transição. Se o tamanho permitir, faça a média de três leituras a 120°.

Requisitos para 100 HV, 140 HV, 200 HV

Rotina: Conforme 6.1.2, atender à Tabela 3. Arbitragem: Vickers conforme Figura 1; para t_eff > 0,5 mm, carga inferior ≥ HV1.

Requisitos para 300 HV, 380 HV

Rotina: Conforme 6.1.2, atender à Tabela 3. Arbitragem: Seção transversal conforme 6.1.3.

Teste de dureza da seção transversal radial

Em geral

De acordo com a norma GB/T 4340.1, Vickers para arruelas temperadas e revenidas.

Procedimento

Faça uma seção radial passando pelo centro do furo, embuta/monte, esmerilhe/polia para metalografia. Teste na seção intermediária conforme a Figura 3; calcule a média de pelo menos três pontos, se possível.

1: Área de teste (raio 0,25 t_eff).

Requisitos

Consulte a Tabela 3. Se a diferença for > 30 HV em um raio de 0,25 t_eff, verifique a martensita ~90% conforme a Tabela 2.

Teste de descarbonetação

Em geral

Detecta a descarbonetação superficial em arruelas serrilhadas/com nervuras de 300 HV e em todas as arruelas de 380 HV. Áreas conforme Figura 4.

1: Superfície de suporte; 2: Camada de descarbonetação total; 3: Camada de descarbonetação parcial; 4: Metal base; x: Sem área de teste.

Método Metalográfico

Preparação da amostra

Remova os revestimentos, faça uma secção radial, embuta/monte, lixe/polia. Nota: Faça um ataque químico com nital 3% para revelar as alterações.

Procedimento

Examine com ampliação de 100x; meça com escala ou ocular.

Requisitos

G máximo conforme a Tabela 3.

Método de dureza

Preparação da amostra

Para t ≥ 0,4 mm; preparar conforme 6.2.2.1 sem condicionamento ácido.

Procedimento

Meça os pontos 1 e 2 conforme a Figura 5 com HV0,3 (2,942 N).

Sem descarboxilação: HV(2) > HV(1) – 30 HV; Sem carbonatação: HV(2) ≤ HV(1) + 30 HV. 1: Centro; 2: 0,1 mm da superfície.

Requisitos

HV(2) ≥ HV(1) – 30 HV. Nota: Não para G máximo conforme Tabela 3.

Teste de cementação

Em geral

Detecta a carbonização superficial durante o tratamento térmico de arruelas serrilhadas/com nervuras de 300 HV e de todas as arruelas de 380 HV, com espessura ≥ 0,4 mm. Medição da dureza da seção transversal radial.

Procedimento

Preparar conforme 6.2.2.1 sem ataque químico; medir conforme Figura 5 com HV0.3.

Requisitos

HV(2) ≤ HV(1) + 30 HV. Exceder esse valor indica cementação. Além disso, a superfície de suporte ≤ 370 HV0,3 para 300 HV, ≤ 450 HV0,3 para 380 HV, conforme a Tabela 3.

Teste de retemperagem

Em geral

Verifica a temperatura mínima de revenimento no tratamento térmico para arruelas de 300 HV e 380 HV.

Procedimento

Meça a dureza Vickers na área da Figura 3 (três pontos). Repita a retermia a 10°C abaixo do tempo indicado na Tabela 2, mantenha por 30 minutos e meça novamente na mesma área.

Requisitos

Redução média de dureza < 20 HV após revenido.

Os métodos de teste garantem a qualidade das arruelas por meio de procedimentos padronizados, essenciais para a confiabilidade. Os testes de dureza confirmam a resistência do material, enquanto as verificações de descarbonetação/carbonetação previnem fragilidades na superfície. O revenido valida o tratamento térmico, evitando a fragilidade. Esses métodos estão em conformidade com as práticas internacionais, permitindo uma fabricação consistente.

Marcação

Em geral

As arruelas fabricadas de acordo com este documento podem ser marcadas conforme o Capítulo 3 somente se estiverem em total conformidade.

Marcação da arruela

Por decisão ou acordo do fabricante; se acordado, inclua a identificação do fabricante e a classe de desempenho. Distribuidores que utilizam identificação própria são considerados fabricantes. Não utilize marcações em relevo; marcações rebaixadas não são recomendadas devido aos efeitos de aperto por torque ou concentrações de tensão. Utilize métodos duráveis, como a laser. Marque a classe conforme o código da Tabela 5 ou símbolos de relógio.

Marcação de embalagens

Todas as embalagens devem ser etiquetadas com a identificação do fabricante/vendedor, a classe de desempenho conforme o Capítulo 3 e o número do lote conforme GB/T 3099.4.

A marcação garante a rastreabilidade, essencial para o controle de qualidade e a responsabilidade. Ela previne a falsificação de produtos e auxilia em recalls. Nas cadeias de suprimentos, a marcação adequada facilita a gestão de estoque e a verificação de conformidade.

Anexo A: Teste de ductilidade para arruelas da classe de desempenho 380 HV

A.1 Geral

Determina se as arruelas se tornaram quebradiças durante a fabricação. Aplicável mediante solicitação do cliente, a arruelas acabadas, incluindo revestimentos.

A.2 Procedimento de teste

Utilize suporte e indentador com ângulo α baseado na espessura; dureza mínima de 60 HRC, superfícies retificadas. Para arruelas redondas concêntricas, utilize contatos cônicos conforme a Figura A.1. Para as demais, utilize contatos em formato de V conforme a Figura A.2. Posicione a arruela no dispositivo; desmonte os conjuntos primeiro. Alinhe os eixos. Aplique carga axial de forma constante até o contato total; mantenha por 2 minutos e remova a carga.

A.3 Requisitos

Sem fratura. Se estiver danificado, corte no lado oposto à fratura; a separação em duas partes indica falha.

Este anexo verifica a ductilidade de arruelas de alta dureza, prevenindo falhas por fragilidade em serviço. É crucial para aplicações críticas de segurança, garantindo que as arruelas se deformem sem quebrar sob carga.

Perguntas frequentes

1. Qual a faixa de temperatura adequada para arruelas planas de acordo com esta norma? A temperatura de serviço recomendada é de -50°C a +150°C. Para temperaturas extremas de até +300°C, consulte especialistas para avaliar a conservação do imóvel.
2. Como faço para selecionar a classe de desempenho adequada para meu conjunto de parafusos? Consulte a Tabela 1 para as combinações recomendadas (RC). Evite áreas cinzentas para prevenir incompatibilidades que possam levar à falha das juntas; verifique o projeto se estiver usando as combinações da nota de rodapé d.
3. E se minhas arruelas precisarem de galvanização a quente? Os materiais devem estar em conformidade com a norma GB/T 5267.3. A composição química e o tratamento térmico podem exigir acordo entre fornecedor e comprador para aplicações especiais.
4. Por que o teste de descarbonetação é importante para categorias de alto desempenho? A descarbonetação excessiva enfraquece a superfície, aumentando o risco de falhas sob carga. Os testes garantem os limites conforme a Tabela 3, mantendo a integridade, especialmente para arruelas de 380 HV.
5. Posso usar lavadoras de alta tensão de 380V sem acordo? Não, pois não estão incluídos nas normas de produto atuais. O uso requer protocolo específico, com considerações de projeto para evitar tensões de flexão ou tração.
6. Como o teste de retêmpera confirma a qualidade do tratamento térmico? Verifica se a redução da dureza após o revenimento adicional é ≤20 HV, confirmando se o processo original atendeu às temperaturas mínimas da Tabela 2, prevenindo a fragilidade.