Tornillos de acero al carbono: grados, propiedades, revestimientos y guía de selección

¿Qué es un Tornillo de acero al carbono ?

un tornillo de acero al carbono es un elemento de fijación roscado fabricado a partir de una aleación de hierro y carbono en la que el carbono es el principal elemento de aleación, normalmente presente en concentraciones entre 0,05% y 1,70% en peso. El contenido de carbono, junto con trazas de manganeso, silicio, azufre y fósforo, determina la dureza, la resistencia a la tracción, la ductilidad y la maquinabilidad del acero y, por extensión, el rendimiento mecánico del tornillo terminado.

El acero al carbono es el material más utilizado en la fabricación de tornillos a nivel mundial y representa la mayor parte de la producción de sujetadores industriales en volumen. Su predominio se debe a una combinación de alta relación resistencia-coste , excelente conformabilidad durante el laminado en frío y el laminado de roscas, y la capacidad de recibir tratamiento térmico en una amplia gama de objetivos de propiedades mecánicas. Desde tornillos para metales de paso fino utilizados en ensamblajes electrónicos hasta grandes pernos hexagonales estructurales utilizados en la construcción, los tornillos de acero al carbono sirven prácticamente a todas las industrias que requieren fijación roscada.

La principal limitación del acero al carbono en comparación con el acero inoxidable es su susceptibilidad a la corrosión en ambientes húmedos o químicamente agresivos. Esto se soluciona mediante una variedad de tratamientos de superficie (galvanizado en caliente, revestimiento de fosfato y otros) que extienden significativamente la vida útil sin alterar las propiedades mecánicas básicas del sujetador.

Grados de acero al carbono utilizados en la fabricación de tornillos

No todo el acero al carbono es equivalente. El grado de acero seleccionado para la producción de tornillos determina directamente la clase de resistencia alcanzable, la respuesta al tratamiento térmico y el comportamiento de conformado en frío. Los fabricantes de tornillos trabajan principalmente con las siguientes categorías de materiales:

Acero con bajo contenido de carbono (acero dulce): 0,05%–0,30% C

Grados bajos en carbono como SAE 1008, 1010 y 1018 son el material estándar para tornillos de uso general, tornillos para madera, tornillos autorroscantes y tornillos para paneles de yeso. Su bajo contenido de carbono los hace altamente dúctiles y fáciles de enfriar (un proceso de fabricación de alta velocidad en el que el alambrón se forma en espacios en blanco para tornillos sin cortar), lo que da como resultado una excelente eficiencia de producción y un bajo costo por unidad. Sin embargo, el acero con bajo contenido de carbono no puede reforzarse significativamente mediante tratamiento térmico, por lo que estos tornillos generalmente se limitan a clase de propiedad 4.8 o inferior bajo clasificación ISO 898-1.

Acero con contenido medio de carbono: 0,30 %–0,60 % C

Grados como SAE 1035, 1038 y 1045 ofrecen un potencial de resistencia significativamente mayor y responden bien al tratamiento térmico de enfriamiento y revenido. Estos son los materiales primarios para clase de propiedad 8.8, 9.8 y 10.9 Tornillos métricos: la columna vertebral de los conjuntos estructurales y mecánicos en aplicaciones de automoción, maquinaria y construcción. Después del tratamiento térmico, los tornillos de acero con medio carbono alcanzan resistencias a la tracción de 800 a 1040 MPa, con rangos de dureza controlados (normalmente 22 a 39 HRC para las clases 8,8 y 10,9 respectivamente) que equilibran la resistencia con la resistencia a la fragilización por hidrógeno durante los procesos de galvanoplastia posteriores.

Acero de aleación de carbono medio: con adiciones de Cr, Mn o B

Para las clases de mayor resistencia: clase de propiedad 12.9 y aplicaciones especializadas de alta resistencia: los fabricantes utilizan grados de acero aleado como SAE 4135, 4140 (cromo-molibdeno) o grados mejorados con boro como 10B38 . Pequeñas adiciones de boro de 0,0005% a 0,003% mejoran drásticamente la templabilidad, lo que permite el endurecimiento completo de tornillos de mayor diámetro durante el enfriamiento. Los tornillos de clase 12.9 producidos a partir de estos materiales alcanzan resistencias a la tracción de 1220MPa mínimo , lo que los convierte en la opción para componentes de motores de alto rendimiento, abrazaderas de herramientas y juntas estructurales críticas donde la integridad de las juntas no es negociable.

Tratamientos Superficiales y Protección contra la Corrosión

El acero al carbono desnudo se corroe rápidamente cuando se expone a la humedad y al oxígeno. En la mayoría de las aplicaciones, se aplica un tratamiento de superficie después de la fabricación para proporcionar un nivel definido de protección contra la corrosión; la elección del tratamiento depende del entorno de exposición, la vida útil requerida, si el tornillo se pintará o se procesará más y cualquier requisito normativo (como el cumplimiento de RoHS para aplicaciones electrónicas).

Galvanoplastia de zinc

El tratamiento más común para tornillos de acero al carbono en aplicaciones de interior y exterior ligero. Una fina capa de zinc de 5–12 micras se deposita electrolíticamente, proporcionando una protección sacrificatoria contra la corrosión: el zinc se oxida preferentemente para proteger el sustrato de acero. Los tornillos estándar galvanizados normalmente logran 72-200 horas de resistencia a la niebla salina según ASTM B117. La pasivación con cromato amarillo aplicada sobre la capa de zinc extiende esta duración a 200 horas y proporciona el familiar acabado dorado que se ve en muchos tornillos de hardware. Para tornillos de clase 10.9 y 12.9 de alta resistencia, es obligatorio un horneado posterior al recubrimiento con hidrógeno para aliviar la fragilidad (normalmente a 190 °C durante 4 horas) para evitar una fractura retardada.

Galvanizado en caliente

Los tornillos se sumergen en zinc fundido a aproximadamente 450 °C, formando una capa de aleación de zinc y hierro unida metalúrgicamente. 45–85 micras . Este recubrimiento mucho más grueso proporciona una resistencia a la corrosión sustancialmente mayor, generalmente 500–1000 horas niebla salina y es la especificación estándar para sujetadores estructurales exteriores, equipos agrícolas y aplicaciones de infraestructura, como postes de servicios públicos y barandillas de carreteras. El proceso no es adecuado para tornillos de alta resistencia con propiedades de clase 10.9 y 12.9 debido al riesgo de absorción de hidrógeno y la posible distorsión de roscas de tolerancia estricta.

Recubrimiento de fosfato (negro o gris)

Los tratamientos con fosfato de zinc o manganeso crean una capa de conversión cristalina en la superficie del acero que proporciona una resistencia mínima a la corrosión independiente pero una excelente retención de aceite y adhesión de la pintura. Los tornillos fosfatados y engrasados ​​se utilizan ampliamente en maquinaria y ensamblajes de automóviles donde el sujetador se instalará en un entorno lubricado o se pintará posteriormente. El fosfato de manganeso también se especifica por su propiedades anti-irritación en tornillos de cabeza hueca de alta resistencia, lo que reduce el riesgo de atascamiento de la rosca durante el apriete controlado por torsión.

Recubrimientos Geomet / Dacromet y Escamas de Zinc

Los recubrimientos inorgánicos en escamas de zinc aplicados mediante procesos de inmersión, centrifugado o pulverización se especifican cada vez más para sujetadores estructurales de alta resistencia donde el riesgo de fragilización por hidrógeno de la galvanoplastia es inaceptable. Estos recubrimientos logran 720–1000 horas de resistencia a la niebla salina con espesores de recubrimiento de 8 a 12 µm, no contienen hidrógeno por naturaleza y proporcionan coeficientes de fricción consistentes, fundamentales para el control de torsión y tensión en conexiones estructurales atornilladas. Son el recubrimiento dominante en los sujetadores de clase 10.9 en las industrias europeas de automoción y energía eólica.

Tornillos de acero al carbono versus tornillos de acero inoxidable: cuándo elegir cada uno

La elección entre tornillos de acero al carbono y de acero inoxidable a menudo se malinterpreta como una simple cuestión de corrosión, cuando en realidad implica una compensación más amplia entre resistencia, costo, propiedades magnéticas, resistencia al desgaste y entorno de aplicación.

Los tornillos de acero al carbono son la elección correcta cuando:

• Se requiere una alta resistencia a la tracción: el acero inoxidable A2-70 alcanza los 700 MPa, mientras que el acero al carbono de clase 10.9 alcanza los 1040 MPa y la clase 12.9 alcanza los 1220 MPa. Para juntas estructurales y de alta carga, el acero al carbono suele ser la única opción práctica.
• El costo es un factor principal: los tornillos de acero al carbono generalmente son 30-70% menos costoso que los grados inoxidables equivalentes en volumen, lo que los convierte en estándar para la producción industrial general.
• El conjunto se realiza en un ambiente interior controlado o se pintará, lo que significa que un tornillo de acero al carbono recubierto proporciona una protección adecuada a un costo menor que el acero inoxidable.
• Se requiere una respuesta magnética, por ejemplo, en accesorios de ensamblaje magnético o sistemas automatizados de alimentación de sujetadores que dependen de la orientación magnética.

Los tornillos de acero inoxidable son la elección correcta cuando:

• El sujetador está expuesto a humedad prolongada, agua salada o productos químicos agresivos sin posibilidad de mantenimiento del recubrimiento: herrajes marinos, equipos de procesamiento de alimentos y aplicaciones arquitectónicas exteriores.
• unppearance is critical and the natural silver finish must be maintained without periodic re-coating.
• El ensamblaje involucra metales diferentes donde el riesgo de corrosión galvánica debe gestionarse mediante la selección del material en lugar del recubrimiento.

Proceso de fabricación: cómo se fabrican los tornillos de acero al carbono

Comprender el proceso de fabricación aclara por qué ciertas características de calidad son importantes al evaluar tornillos de acero al carbono como comprador o ingeniero especificador.

El método de producción dominante es partida en frio , también llamado conformado en frío. El alambrón se estira hasta obtener un diámetro preciso, se corta a la longitud en bruto y luego se moldea progresivamente mediante troqueles a temperatura ambiente en la geometría de la cabeza del tornillo, sin retirar material. El estampado en frío endurece el acero en la unión cabeza-vástago, mejorando la resistencia a la fatiga en este punto crítico de concentración de tensiones. También alinea el flujo de grano del acero con la geometría de la pieza, lo que es mecánicamente superior a los tornillos mecanizados donde el flujo de grano se interrumpe mediante el corte.

enrollado de hilo sigue rumbo frío. Los troqueles con el perfil de rosca inverso presionan la forma de la rosca en la pieza en bruto mediante deformación plástica en lugar de cortarla. Al igual que el cabezal en frío, esto produce tensiones residuales de compresión en la raíz de la rosca (la región de mayor tensión del tornillo bajo carga de tracción), lo que mejora sustancialmente la vida útil a la fatiga en comparación con las roscas cortadas. Los datos de la industria muestran consistentemente que los sujetadores de hilo enrollado logran 20-30 % más resistencia a la fatiga que los sujetadores de hilo cortado de tamaño equivalente en el mismo grado de material.

Para la clase de propiedad 8.8 y superior, tratamiento térmico de enfriamiento y revenido sigue el enrollado del hilo. Los tornillos se austenizan a 820–880 °C, se templan en aceite o solución de polímero para lograr una transformación completa de martensita y luego se templan a 425–500 °C para aliviar la fragilidad y lograr la dureza objetivo y la banda de resistencia a la tracción especificada por la norma ISO 898-1. El tratamiento superficial final (chapado, recubrimiento o pasivación) se aplica después del tratamiento térmico y de cualquier inspección requerida.