Referência rápida de parâmetros de fixações: resistência, rosca, tolerância e revestimento

1. Como utilizar esta referência: três convenções antes de começar

Os dados sobre fixações têm um problema comum. Estão todos nas normas, mas dispersos por sete ou oito delas, pelo que, quando é preciso um número, ou se perdem trinta minutos à procura ou se copia um quadro de proveniência desconhecida que ninguém consegue rastrear até uma edição ou um intervalo de dimensões.

Esta referência reúne os parâmetros mais utilizados no chão de fábrica, ordenados por resistência → rosca → tolerância → material → revestimento, com a norma e a edição identificadas em cada quadro. Antes de começar, três convenções — se forem mal interpretadas, todos os quadros seguintes serão lidos erradamente:

2. As nove classes de propriedade (quadro 3 da ISO 898-1)

É o fundamento de tudo o resto. O quadro reúne os valores essenciais do quadro 3 da ISO 898-1:2013, abrangendo roscas de passo grosso M1.6 a M39 e roscas de passo fino M8×1 a M39×3. A norma exclui os parafusos de fixação sem cabeça, abrangidos pela ISO 898-5.

Vários aspetos a retirar da leitura:

• A classe 3.6 foi retirada na edição de 2009. A lista atual tem nove: 4.6, 4.8, 5.6, 5.8, 6.8, 8.8, 9.8, 10.9, 12.9. Um desenho que ainda indique 3.6 está a citar uma norma muito antiga.
• As classes 4.8, 5.8 e 6.8 são endurecidas por deformação a frio. A sua resistência vem do encruamento durante a conformação a frio, sem têmpera e revenido, pelo que a norma não especifica alongamento em provete maquinado. Avalia antes o alongamento em provete inteiro A_f — 0.24d, 0.22d e 0.20d do comprimento inicial — em conjunto com a tensão de prova em provete inteiro R_pf de 0.0048d. Os traços na linha do alongamento não são uma omissão; o método de avaliação é diferente.
• A classe 9.8 passa facilmente despercebida. O seu mínimo de tração acompanha o da 8.8 num patamar superior (900 MPa contra 830 MPa), mas a tensão de prova é claramente mais alta (720 MPa contra 660 MPa); o 9 da marcação representa R_p0.2,nom = 900 MPa. Adequa-se a juntas que exigem resistência sem o rácio de cedência extremo da 10.9 e requer um pouco menos de temperabilidade.
• As classes 8.8, 9.8 e 10.9 têm todas uma condição oculta em relação à 12.9. Estas classes têm de ser temperadas e revenidas com uma temperatura de revenido não inferior a 425 °C. Para a 12.9, a norma proíbe adicionalmente uma camada branca rica em fósforo, metalurgicamente visível à superfície, cuja remoção tem de ocorrer antes do tratamento térmico.

3. Ler a marcação de uma classe de propriedade

A marcação não é arbitrária. Duas regras geram-na: o número antes do ponto × 100 = R_m,nom nominal, e o número depois do ponto ÷ 10 = rácio de cedência nominal R_p0.2,nom / R_m,nom.

Além dos dois dígitos, o sistema completo de marcação inclui vários complementos, aplicados ao produto ou à embalagem:

• A rosca à esquerda acrescenta LH após a marcação da classe, como em 8.8 LH.
• As porcas são marcadas com um único número, 8, 10 ou 12, sem casa decimal.
• O inoxidável funciona de forma completamente diferente: grupo de aço mais classe de propriedade, como A2-70 ou A4-80, tratado na secção 9.

A forma mais direta de identificar uma classe é observar a marcação da cabeça. Os pernos de aço trazem normalmente os dígitos da classe cunhados no topo da cabeça, no caso das cabeças sextavadas, ou na lateral, no caso das cabeças sextavadas interiores. A convenção do «mostrador do relógio» distingue as marcas de identidade do fabricante — o símbolo do fabricante ocupa uma posição definida no mostrador e, com os dígitos da classe, forma a identificação completa. Ao especificar num desenho, a forma mais segura é «classe mais número da norma», por exemplo ISO 4017-M12×40-8.8.

4. Área resistente A_s e carga mínima de rotura

Todos os cálculos de resistência partem de uma grandeza: a área resistente nominal da rosca A_s. Não é o círculo do diâmetro exterior, mas uma área equivalente derivada do passo e dos diâmetros primitivo e interior, cerca de 20–25 % menor do que o círculo nominal. Com A_s, a carga mínima de rotura resume-se a uma linha:

Áreas resistentes para as roscas de passo grosso mais comuns, com a carga mínima de rotura para as quatro classes mais utilizadas, arredondadas à centena de newtons mais próxima:

Duas precauções:

• Para a classe 8.8 acima de 16 mm, R_m,min é 830 MPa e não 800 MPa. A coluna 8.8 acima utiliza 800 MPa e é, por isso, conservadora; o valor real para dimensões grandes é ligeiramente superior.
• As peças galvanizadas a quente têm de ser reduzidas. Os elementos de fixação galvanizados a quente com tolerância de rosca 6az segundo a ISO 965-4 têm a carga mínima de rotura reduzida segundo a ISO 10684. O quadro acima não se lhes aplica.

5. Carga de prova da porca e emparelhamento de classes

As porcas não são ensaiadas à resistência à tração, mas à carga de prova: sob a tensão de prova especificada, a porca não pode sofrer arrancamento da rosca nem fraturar. O objetivo é que o perno rompa antes de a porca arrancar a rosca, tornando a falha previsível.

Duas regras que vale a pena memorizar:

• Uma porca pode ser de classe superior à do perno; nunca inferior. Quando é inferior, o modo de falha passa da rotura do perno para o arrancamento da rosca — súbito e, muitas vezes, levando consigo todo o comprimento da rosca, sem aviso.
• As porcas finas utilizam uma tensão de prova reduzida. As porcas com altura nominal entre 0.5d e 0.8d têm sistema de marcação e tensão de prova próprios, como a classe 04 a 380 MPa e a classe 05 a 500 MPa. Não podem adotar os valores de uma porca de altura normal e destinam-se apenas a cargas ligeiras ou a espaços restritos.

6. Dureza: três escalas que não se comparam

Utilizam-se três escalas de dureza em fixações: Vickers HV em toda a gama, Brinell HBW para materiais mais macios e Rockwell HRB ou HRC, HRB para macio e HRC para duro. A ISO 18265 fornece as conversões, mas declara explicitamente que só são válidas para aço ao carbono, aço de baixa liga e aço fundido no estado conformado a quente ou tratado termicamente; os aços de alta liga e endurecidos por deformação, incluindo as classes 6.8, A2 e A4, desviam-se substancialmente.

Compilado a partir das relações da ISO 18265 e arredondado; a coluna da resistência à tração é apenas de referência e não serve para um veredicto.

O ponto prático: a ISO 898-1 fixa limites HV para cada classe e indica também as faixas HRB ou HRC correspondentes. Preferir o HV para a aceitação, uma vez que cobre a gama mais ampla. Ao utilizar HRB ou HRC, confirmar que a peça se situa dentro da faixa sensata dessa escala — a classe 12.9 não pode ser medida em HRB. A norma limita também o quanto a dureza superficial pode exceder a dureza do núcleo, medida como a diferença em HV0.3, que é como se detetam a cementação e a descarbonetação.

7. Limites de rosca e classes de tolerância

As roscas exteriores utilizam normalmente a classe de tolerância 6g, anteriormente designada 6h; as roscas interiores utilizam 6H. Os diâmetros exterior e primitivo abaixo indicados são limites de rosca exterior e podem ser usados diretamente num desenho ou na inspeção, segundo a ISO 965-1 e -2.

O revestimento consome tolerância. A zincagem eletrolítica tem espessura, e uma rosca maquinada no limite superior da banda 6g pode não assentar depois da zincagem; inversamente, um revestimento demasiado espesso pode bloquear uma rosca interior. É por isso que a ISO 4042 exige que o afastamento fundamental antes da zincagem seja deslocado em função da espessura do revestimento, como se aborda na secção 12. A folga a deixar antes da zincagem deve constar do desenho como código de revestimento, cabendo ao fornecedor atribuí-la segundo a norma. Se for omitida, não é possível atribuir responsabilidades quando a produção corre mal.

8. Furos de pré-furação e furos de passagem

A dimensão do furo de pré-furação e a do furo de passagem do perno são os dois números mais consultados no projeto e na montagem. Notar que a dimensão do furo de pré-furação depende do passo e da forma da rosca, não da classe de propriedade — nunca a deduzir da classe do perno.

Dimensões de broca de pré-furação para roscas de passo grosso comuns

⚠ Estes valores aplicam-se apenas à abertura de rosca simples. Quando é montado um inserto, como um inserto helicoidal, o furo tem de ser ampliado para o valor STI dedicado e aberto com um macho dedicado: para M6 × 1.0 a broca de pré-furação simples é 5.0 mm, enquanto o furo para o inserto é de cerca de 6.3 mm. Os dois nunca devem ser confundidos.

Furos de passagem segundo a ISO 273

A banda a utilizar depende da precisão de montagem e do material apertado. A fina destina-se a localização precisa com folga controlada; a grossa adequa-se a estruturas soldadas e peças pintadas que têm de absorver maiores erros de posição dos furos.

9. Fixações inoxidáveis: um sistema diferente

O aço inoxidável não pode ser consultado nas classes de propriedade do aço. A ISO 3506 utiliza uma marcação em duas partes, grupo de aço mais classe de propriedade, como A2-70 ou A4-80. O grupo identifica a família de composição; o número, o nível de resistência.

O alongamento do inoxidável é um valor de provete inteiro, expresso em múltiplos de d, e não medido num provete maquinado. Não é o mesmo que o valor A do aço ao carbono, e os dois não devem ser comparados diretamente.

Os parafusos inoxidáveis de pequena dimensão são também habitualmente aceites com base no binário mínimo de rotura M_B,min segundo a ISO 3506:

O primeiro princípio na escolha de um grupo é o ambiente, não a resistência. A2 e A4 diferem sobretudo no molibdénio: o A4 contém-no e resiste nitidamente melhor ao pitting por cloretos e aos ácidos. Ambientes costeiros, químicos e de limpeza com cloretos devem ir para A4, a família 316. Escolher A2-70 apenas pela resistência pode levar ao aparecimento de manchas de ferrugem em poucos meses.

10. Fixações não ferrosas

Os parafusos de alumínio são usados onde o peso é determinante, onde é necessário evitar a corrosão galvânica ou onde o elemento de fixação deve corresponder ao material apertado. A resistência é muito inferior à do aço, pelo que o projeto tem de usar o R_p0.2 real do alumínio e não pode adotar valores de binário do aço.

Duas notas de segurança. As ligas 2xxx com alto teor de cobre, como a 2017A, são sensíveis à corrosão sob tensão e exigem cuidado em serviço húmido ou com cloretos. As ligas 7xxx têm de ser utilizadas num estado sobreenvelhecido, como T73, porque o T6 subenvelhecido apresenta risco de SCC sob tensão elevada. O alumínio tem cerca de um terço do módulo de elasticidade do aço, aproximadamente 70 GPa, pelo que deforma muito mais com o mesmo binário, o que torna o aperto por sensação especialmente perigoso no alumínio.

11. Limites de composição química

Uma classe de propriedade não é apenas uma classificação mecânica; implica também um conjunto de restrições de composição, o que constitui uma corroboração útil para saber se um lote é realmente de classe 8.8. Do quadro 2 da ISO 898-1:

Restrições que passam facilmente despercebidas:

• A partir da classe 8.8, os limites de P e S descem de 0.05/0.06 para 0.025/0.025. O aço estrutural ao carbono de qualidade corrente muitas vezes não os cumpre, o que explica por que muitos «pernos de classe 8.8 feitos de aço 45 comum» são não conformes só pela composição.
• O boro está limitado a 0.003 % nas classes 8.8, 9.8, 10.9 e 12.9.
• O aço ligado tem uma definição. Tem de conter pelo menos um de Cr 0.30 %, Ni 0.30 %, Mo 0.20 % ou V 0.10 % e, quando vários são adicionados, o teor total de liga deve ser pelo menos 70 % da soma dos teores mínimos individuais.
• A classe 10.9 restringe os graus de baixo carbono. A temperatura mínima de revenido de 425 °C exclui alguns aços ligados de baixo carbono, como o 20MnTiB, que só atingem a classe 10.9 com uma temperatura de revenido inferior.

12. Limites de espessura de revestimento e a linha do hidrogénio

Um revestimento mais espesso não é melhor. A ISO 4042 fixa tetos de espessura de revestimento a partir da posição de tolerância da rosca, para que a rosca continue a montar depois da zincagem. Tetos habituais para roscas exteriores de passo grosso em 6g:

Apenas um extrato; os valores reais variam com a posição de tolerância e o comprimento nominal, pelo que se deve consultar o quadro da ISO 4042 antes de processar. As roscas nas classes de tolerância f e e permitem revestimentos mais espessos.

A fragilização por hidrogénio é o maior inimigo das peças de alta resistência zincadas. A ISO 4042 define-a com clareza:

• Limiar de risco: os elementos de fixação fabricados com material de R_m ≥ 1,000 MPa, cerca de 320 HV ou mais, sujeitos a tensão de tração e zincados eletroliticamente estão em risco de falha por fragilização por hidrogénio.
• Redução do risco: um tratamento térmico de desidrogenação após a decapagem ou a zincagem reduz o risco de fratura, mas não garante a eliminação. Para a classe 10.9 e superior, a 320 HV ou mais, a norma recomenda por isso revestimentos inorgânicos de zinco ou zincagem mecânica, processos que não geram hidrogénio.
• Se a zincagem for inevitável: desidrogenar o mais cedo possível após a zincagem, normalmente no prazo de quatro horas, a 200–230 °C e abaixo da temperatura de revenido, tipicamente durante 4–24 horas.

Por outras palavras: escolher um processo isento de hidrogénio para as peças de alta resistência, em vez de zincar e depois tentar corrigir. É uma decisão de projeto, não algo que a produção possa salvar.

13. Conversões de unidades

14. As cinco armadilhas deste manual

15. Fontes e normas

• ISO 898-1:2013, Propriedades mecânicas de elementos de fixação de aço ao carbono e aço ligado, Parte 1: Pernos, parafusos e pernos prisioneiros com classes de propriedade especificadas — rosca de passo grosso e rosca de passo fino: propriedades mecânicas e físicas das nove classes, quadro 3; material e composição química, quadro 2; área resistente e carga mínima de rotura; carga de prova; sistema de marcação.
• ISO 898-2, Propriedades mecânicas de elementos de fixação, Parte 2: Porcas com classes de propriedade especificadas: carga de prova da porca, porcas de estilo 1 e estilo 2, tensão de prova para porcas finas.
• ISO 3506-1 e -2, Propriedades mecânicas de elementos de fixação inoxidáveis resistentes à corrosão: grupos A1 a A5, classes de propriedade 50, 70 e 80, binário mínimo de rotura.
• ISO 965-1, -2 e -4, Roscas métricas ISO de uso geral — Tolerâncias: classes e limites de tolerância 6g e 6H; 6az para peças galvanizadas a quente.
• ISO 4042, Elementos de fixação — Sistemas de revestimento eletrolítico: tetos de espessura de revestimento em função da tolerância da rosca, limiar de risco de fragilização por hidrogénio e requisitos de desidrogenação.
• ISO 18265, Materiais metálicos — Conversão de valores de dureza: comparações Vickers, Brinell e Rockwell, com a indicação dos materiais aplicáveis.
• ISO 273, Elementos de fixação — Furos de passagem para pernos e parafusos: diâmetros de passagem finos H12, médios H13 e grossos H14.
• ISO 10684, Elementos de fixação — Revestimentos por galvanização a quente: correção da carga mínima de rotura para peças galvanizadas a quente.
• ISO 898-5, Parafusos de fixação sem cabeça e elementos de fixação roscados semelhantes: os elementos de fixação roscados excluídos da ISO 898-1.
• ISO 724 e ISO 262, Roscas métricas ISO de uso geral — Dimensões básicas e Dimensões selecionadas para parafusos, pernos e porcas: dimensões básicas da rosca e séries de seleção de passo grosso e fino.