Referencia rápida de parámetros de tornillería: resistencia, rosca, tolerancia y recubrimiento

1. Cómo usar esta referencia: tres convenciones primero

Los datos de tornillería tienen un problema común. Están todos en las normas, pero repartidos entre siete u ocho, de modo que cuando se necesita una cifra se pasa media hora buscando o se copia una tabla de procedencia desconocida que nadie puede remontar a una edición ni a un rango de tamaño.

Esta referencia reúne los parámetros que más se consultan en planta, ordenados resistencia → rosca → tolerancia → material → recubrimiento, con la norma y la edición indicadas para cada tabla. Antes de empezar, tres convenciones: equivocarse en ellas hace que todas las tablas posteriores se lean mal.

2. Las nueve clases de calidad (tabla 3 de la ISO 898-1)

Es el cimiento de todo lo demás. La tabla reúne las cifras esenciales de la tabla 3 de la ISO 898-1:2013, que cubre roscas de paso grueso de M1.6 a M39 y roscas de paso fino de M8×1 a M39×3. La norma excluye los tornillos de presión, que se rigen por la ISO 898-5.

Varias cosas que retener al leerla:

• La clase 3.6 se retiró en la edición de 2009. La lista vigente son nueve: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Un plano que aún muestre 3.6 está citando una norma muy antigua.
• 4.8, 5.8 y 6.8 son clases endurecidas por deformación en frío. Su resistencia procede de la acritud del conformado en frío, sin temple ni revenido, de modo que la norma no especifica alargamiento de probeta mecanizada. Juzga en su lugar el alargamiento de probeta entera A_f —0.24d, 0.22d y 0.20d de la longitud inicial— junto con la tensión de prueba de probeta entera al 0.0048d, R_pf. Las rayas de la fila de alargamiento no son una omisión: el método de evaluación es distinto.
• La clase 9.8 se pasa por alto con facilidad. Su tracción mínima iguala a la 8.8 en un nivel superior (900 MPa frente a 830 MPa), pero su límite de prueba es claramente más alto (720 MPa frente a 660 MPa); el 9 del marcado representa R_p0.2,nom = 900 MPa. Encaja en uniones que necesitan resistencia sin la relación elástica extrema de la 10.9, y exige algo menos de templabilidad.
• Las clases 8.8, 9.8 y 10.9 llevan una puerta oculta frente a la 12.9. Deben templarse y revenirse con una temperatura de revenido no inferior a 425 °C. Para la 12.9 la norma prohíbe además una capa superficial rica en fósforo metalúrgicamente visible, y su eliminación debe hacerse antes del tratamiento térmico.

3. Cómo leer el marcado de una clase de calidad

El marcado no es arbitrario. Lo generan dos reglas: la cifra anterior al punto × 100 = R_m,nom nominal, y la cifra posterior al punto ÷ 10 = relación elástica nominal R_p0.2,nom / R_m,nom.

Más allá de las dos cifras, el sistema completo de marcado tiene varios añadidos, que se aplican sobre el producto o sobre el embalaje:

• La rosca a izquierdas añade LH detrás del marcado de clase, como en 8.8 LH.
• Las tuercas se marcan con una sola cifra: 8, 10 o 12, sin punto decimal.
• El acero inoxidable funciona de forma por completo distinta: grupo de acero más clase de calidad, como A2-70 o A4-80, que se trata en el apartado 9.

La forma más directa de identificar una clase es mirar el marcado de la cabeza. Los tornillos de acero suelen llevar las cifras de clase grabadas en la cara superior en las cabezas hexagonales o en el lateral en las cabezas de hexágono interior. La convención del «cuadrante de reloj» distingue las marcas de identidad del fabricante: el símbolo del fabricante ocupa una posición definida en el cuadrante y, junto con las cifras de clase, forma la identificación completa. Al especificar en un plano, la forma más segura es «clase más número de norma», por ejemplo ISO 4017-M12×40-8.8.

4. Área resistente A_s y carga de rotura mínima

Todo cálculo de resistencia parte de una sola magnitud: el área resistente nominal de la rosca A_s. No es el círculo del diámetro exterior, sino un área equivalente deducida del paso y de los diámetros primitivo e interior, un 20–25 % menor que el círculo nominal. Con A_s, la carga de rotura mínima es una línea:

Áreas resistentes de las roscas de paso grueso habituales, con la carga de rotura mínima para las cuatro clases más usadas, redondeada a la centena de newton más próxima:

Dos advertencias:

• Para la clase 8.8 por encima de 16 mm, R_m,mín es 830 MPa en lugar de 800 MPa. La columna de 8.8 anterior usa 800 MPa y por tanto es conservadora; el valor real en tamaños grandes es algo mayor.
• Las piezas galvanizadas en caliente deben corregirse. Los elementos de fijación galvanizados en caliente con tolerancia de rosca 6az según ISO 965-4 ven reducida su carga de rotura mínima conforme a la ISO 10684. La tabla anterior no se les aplica.

5. Carga de prueba de la tuerca y emparejamiento de clases

Las tuercas no se ensayan a tracción, sino a carga de prueba: bajo la tensión de prueba especificada, la tuerca no debe ni barrer la rosca ni romper. La finalidad es que el tornillo rompa antes de que la tuerca barra, de modo que el fallo sea predecible.

Dos reglas que merece la pena memorizar:

• Una tuerca puede ser de clase superior a su tornillo; nunca inferior. Cuando es inferior, el modo de fallo pasa de la rotura del tornillo al barrido de la rosca: repentino, a menudo arrastrando toda la longitud de rosca y sin aviso.
• Las tuercas bajas usan una tensión de prueba reducida. Las tuercas con altura nominal entre 0.5d y 0.8d tienen su propio sistema de marcado y su propia tensión de prueba, como la clase 04 con 380 MPa y la clase 05 con 500 MPa. No pueden tomar prestados los valores de una tuerca de altura normal, y solo sirven para cargas ligeras o espacio restringido.

6. Dureza: tres escalas que no se comparan

En tornillería se emplean tres escalas de dureza: Vickers HV en todo el intervalo, Brinell HBW para materiales más blandos y Rockwell HRB o HRC, HRB para lo blando y HRC para lo duro. La ISO 18265 da las conversiones, pero declara expresamente que solo son válidas para acero al carbono, acero de baja aleación y acero fundido en estado conformado en caliente o tratado térmicamente; los aceros muy aleados y los conformados en frío, incluidas las clases 6.8, A2 y A4, se desvían de forma sustancial.

Compilada a partir de las relaciones de la ISO 18265 y redondeada; la columna de tracción es solo orientativa y no se usa para un veredicto.

Lo práctico: la ISO 898-1 fija límites HV para cada clase y da además las bandas HRB o HRC correspondientes. Conviene preferir HV para la aceptación, ya que cubre el intervalo más amplio. Si se usa HRB o HRC, hay que confirmar que la pieza cae dentro de la banda sensata de esa escala: la clase 12.9 no puede medirse en HRB. La norma limita también cuánto puede exceder la dureza superficial a la del núcleo, medida como diferencia en HV0.3, que es como se detectan la cementación y la descarburación.

7. Límites de rosca y clases de tolerancia

Las roscas exteriores usan normalmente la clase de tolerancia 6g, antes designada 6h; las interiores, 6H. Los diámetros exterior y primitivo siguientes son límites de rosca exterior y pueden usarse directamente en un plano o para inspección, según ISO 965-1 y -2.

El recubrimiento consume tolerancia. La galvanoplastia tiene espesor, y una rosca mecanizada en el límite superior de la banda 6g puede no montar después del recubrimiento; a la inversa, un recubrimiento demasiado grueso puede bloquear por completo una rosca interior. Por eso la ISO 4042 exige desplazar la desviación fundamental antes del recubrimiento en función de su espesor, como se trata en el apartado 12. Cuánto margen dejar antes del recubrimiento debe figurar en el plano como código de recubrimiento, y el proveedor lo asigna según la norma. Si se omite, la responsabilidad no puede asignarse cuando la producción va mal.

8. Taladros de roscado y taladros de paso

El tamaño del taladro de pretaladro y el del taladro de paso del tornillo son las dos cifras más consultadas en diseño y montaje. Conviene notar que el tamaño del taladro de roscado depende del paso y de la forma de la rosca, no de la clase de calidad: nunca debe deducirse de la clase del tornillo.

Medidas de broca de roscado para roscas de paso grueso habituales

⚠ Estas cifras solo valen para el roscado directo. Cuando se monta un inserto, como un inserto helicoidal, el taladro debe ampliarse al valor STI específico y roscarse con un macho dedicado: para M6 × 1.0 la broca de roscado directa es 5.0 mm, mientras que el taladro para inserto es de unos 6.3 mm. Nunca deben confundirse.

Taladros de paso según ISO 273

Qué banda usar depende de la exactitud del montaje y del material apretado. La fina sirve para posicionamiento ajustado con juego controlado; la gruesa encaja en estructuras soldadas y piezas pintadas que deben absorber mayores errores de posición de los taladros.

9. Tornillería de acero inoxidable: otro sistema

El acero inoxidable no puede consultarse contra las clases de calidad del acero. La ISO 3506 emplea un marcado de dos partes, grupo de acero más clase de calidad, como A2-70 o A4-80. El grupo identifica la familia de composición y la cifra, el nivel de resistencia.

El alargamiento del inoxidable es una cifra de probeta entera, expresada como múltiplo de d, y no se mide sobre probeta mecanizada. No es lo mismo que el valor A del acero al carbono, y ambos no deben compararse directamente.

Los tornillos pequeños de inoxidable se aceptan además habitualmente por el par de rotura mínimo M_B,min según ISO 3506:

El primer criterio para elegir grupo es el ambiente, no la resistencia. A2 y A4 se diferencian sobre todo en el molibdeno: A4 lo contiene y resiste mucho mejor la picadura por cloruros y los ácidos. Los ambientes costeros, químicos y de limpieza con cloruros deben ir a A4, la familia 316. Si se elige A2-70 solo por resistencia, pueden aparecer manchas de óxido en pocos meses.

10. Tornillería no férrea

Los tornillos de aluminio se emplean donde el peso importa, donde hay que evitar la corrosión galvánica o donde el elemento de fijación debe casar con el material apretado. La resistencia queda muy por debajo del acero, así que el diseño debe usar el R_p0.2 real del aluminio y no puede tomar prestados pares de acero.

Dos avisos de seguridad. Las aleaciones 2xxx de alto contenido en cobre, como la 2017A, son sensibles a la corrosión bajo tensión y exigen cuidado en servicio húmedo o con cloruros. Las aleaciones 7xxx deben emplearse en estado sobremadurado, como T73, porque el T6 infraenvejecido conlleva riesgo de corrosión bajo tensión a tensiones altas. El aluminio tiene aproximadamente un tercio del módulo elástico del acero, en torno a 70 GPa, así que se deforma mucho más con el mismo par, lo que hace especialmente peligroso apretar «a ojo» sobre aluminio.

11. Límites de composición química

Una clase de calidad no es solo una calificación mecánica; implica además un conjunto de restricciones de composición, lo que resulta una corroboración útil de si un envío es realmente de clase 8.8. Según la tabla 2 de la ISO 898-1:

Restricciones que se escapan con facilidad:

• A partir de la clase 8.8, los límites de P y S bajan de 0.05/0.06 a 0.025/0.025. El acero estructural al carbono de calidad corriente a menudo no puede cumplirlo, lo que explica por qué muchos «tornillos 8.8 fabricados con acero 45 corriente» son no conformes solo por composición.
• El boro está limitado a 0.003 % en las clases 8.8, 9.8, 10.9 y 12.9.
• El acero aleado tiene definición. Debe contener al menos uno de estos elementos: Cr 0.30 %, Ni 0.30 %, Mo 0.20 % o V 0.10 %; y cuando se añaden varios, el contenido total de aleación debe ser al menos el 70 % de la suma de los contenidos mínimos individuales.
• La clase 10.9 restringe las calidades de bajo carbono. La temperatura mínima de revenido de 425 °C descarta algunos aceros aleados de bajo carbono, como el 20MnTiB, que solo alcanzan la clase 10.9 con una temperatura de revenido más baja.

12. Límites de espesor de recubrimiento y la línea del hidrógeno

Más recubrimiento no es mejor. La ISO 4042 fija techos de espesor a partir de la posición de tolerancia de la rosca, de modo que la rosca siga montando después del recubrimiento. Techos habituales para roscas exteriores de paso grueso en 6g:

Es solo un extracto; los valores reales varían con la posición de tolerancia y la longitud nominal, así que debe consultarse la tabla de la ISO 4042 antes de mecanizar. Las roscas en clases de tolerancia f y e admiten recubrimientos más gruesos.

La fragilización por hidrógeno es el mayor enemigo de las piezas de alta resistencia recubiertas. La ISO 4042 la define con claridad:

• Umbral de riesgo: los elementos de fijación fabricados con material de R_m ≥ 1,000 MPa, aproximadamente 320 HV o más, que soportan tensión de tracción y se recubren por vía electrolítica están en riesgo de fallo por fragilización por hidrógeno.
• Reducción del riesgo: un tratamiento térmico, una etapa de desgasificación, después del decapado o del recubrimiento reduce el riesgo de rotura pero no puede garantizar su eliminación. Para clase 10.9 y superiores, a 320 HV o más, la norma recomienda por ello recubrimientos inorgánicos de cinc o cincado mecánico, procesos que no generan hidrógeno.
• Si el recubrimiento es inevitable: desgasificar lo antes posible tras el recubrimiento, normalmente en un plazo de cuatro horas, a 200–230 °C y por debajo de la temperatura de revenido, en general durante 4–24 horas.

Dicho de otro modo: para piezas de alta resistencia hay que elegir un proceso libre de hidrógeno, en lugar de recubrir y luego intentar arreglarlo. Es una decisión de la fase de diseño, no algo que producción pueda rescatar.

13. Conversión de unidades

14. Las cinco trampas de este manual

15. Fuentes y normas

• ISO 898-1:2013, Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel, Part 1: Bolts, screws and studs with specified property classes — coarse thread and fine pitch thread: propiedades mecánicas y físicas de las nueve clases, tabla 3; material y composición química, tabla 2; área resistente y carga de rotura mínima; carga de prueba; sistema de marcado.
• ISO 898-2, Mechanical properties of fasteners, Part 2: Nuts with specified property classes: carga de prueba de la tuerca, tuercas de estilo 1 y estilo 2, tensión de prueba de las tuercas bajas.
• ISO 3506-1 y -2, Mechanical properties of corrosion-resistant stainless steel fasteners: grupos A1 a A5, clases de calidad 50, 70 y 80, par de rotura mínimo.
• ISO 965-1, -2 y -4, ISO general purpose metric screw threads — Tolerances: clases de tolerancia 6g y 6H y sus límites; 6az para piezas galvanizadas en caliente.
• ISO 4042, Fasteners — Electroplated coating systems: techos de espesor de recubrimiento frente a la tolerancia de rosca, umbral de riesgo de fragilización por hidrógeno y requisitos de desgasificación.
• ISO 18265, Metallic materials — Conversion of hardness values: comparaciones Vickers, Brinell y Rockwell, con la declaración de materiales aplicables.
• ISO 273, Fasteners — Clearance holes for bolts and screws: diámetros de paso fino H12, medio H13 y grueso H14.
• ISO 10684, Fasteners — Hot dip galvanized coatings: corrección de la carga de rotura mínima para piezas galvanizadas en caliente.
• ISO 898-5, Set screws and similar threaded fasteners: los elementos de fijación roscados excluidos de la ISO 898-1.
• ISO 724 e ISO 262, ISO general purpose metric screw threads — Basic dimensions e Selected sizes for screws, bolts and nuts: dimensiones básicas de rosca y las series de selección de paso grueso y fino.