304 vs 204Cu – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Escolher entre 304 e 204Cu é um dilema frequente de aquisição e design para engenheiros e planejadores de manufatura: você deve pagar por um maior teor de níquel e o longo histórico do 304, ou especificar uma alternativa de menor níquel e com cobre que pode reduzir o custo do material enquanto preserva propriedades-chave? Os contextos típicos de decisão incluem trade-offs entre corrosão e custo, soldabilidade e desempenho pós-solda, e se os requisitos de trabalho a frio ou conformação alteram o envelope de resistência efetiva.

A principal distinção técnica é que o 204Cu é um aço inoxidável austenítico econômico, com teor de cobre, projetado para reduzir o teor de níquel enquanto utiliza cobre (e às vezes nitrogênio/manganês) para o endurecimento por solução sólida e precipitação. O 304 é o aço inoxidável austenítico convencional com maior teor de níquel para uma austenita estável e ampla resistência ambiental. Essas duas ligas são comparadas porque ocupam a mesma classe de aço inoxidável austenítico, mas seguem diferentes estratégias de liga (níquel vs. cobre/manganês/nitrogênio) para atender aos objetivos de design.

1. Normas e Designações

• 304:
• Designações comuns: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Classificação: Aço inoxidável austenítico (aço inoxidável de uso geral).
• Coberto por normas como ASTM A240/A480 (placa/folha/barra), ASME SA240, família EN 10088.
• 204Cu:
• Designações comuns: UNS S20430, frequentemente referido como Tipo 204Cu na literatura comercial; verifique os equivalentes de normas locais.
• Classificação: Aço inoxidável austenítico, de baixo níquel, ligado ao cobre, frequentemente especificado como uma alternativa econômica ao 304.
• Coberto por várias especificações comerciais e algumas formas ASTM; a disponibilidade e a cobertura padrão podem ser menos onipresentes do que o 304—verifique o padrão específico do produto para cada forma.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo resume as faixas de composição típicas usadas comercialmente. Estas são faixas representativas extraídas de especificações comuns; sempre confirme a composição exata na especificação de compra.

Como a liga afeta as propriedades - O níquel (Ni) estabiliza a fase austenítica, melhora a tenacidade e a resistência à corrosão—especialmente em ambientes de cloreto—e aumenta a conformabilidade. O maior teor de Ni do 304 proporciona uma austenita estável sem depender de altos níveis de Mn/N. - O cobre (Cu) no 204Cu fornece endurecimento por solução sólida e resistência melhorada em certos ambientes ácidos (por exemplo, ácido sulfúrico) e pode aumentar a resistência a algumas formas de corrosão localizada ou bioincrustação em condições específicas. - O nitrogênio (N) e o manganês (Mn) são usados em ligas de baixo Ni para estabilizar a austenita e fornecer resistência por meio de solução intersticial e efeitos de envelhecimento por deformação. - O cromo (Cr) proporciona resistência geral à oxidação e corrosão através da formação de filme passivo; ambas as ligas têm Cr comparável.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestruturas típicas:
• Tanto o 304 quanto o 204Cu são totalmente austeníticos na condição recozida quando os limites químicos especificados são atendidos. A microestrutura é geralmente austenita equiaxial com possíveis pequenas quantidades de ferrita dependendo da composição e do resfriamento.
• Resposta ao processamento:
• O recozimento (recozimento de solução) a temperaturas nominalmente austenitizantes seguido de resfriamento rápido resulta em austenita dúctil e resistente à corrosão para ambas as ligas.
• O trabalho a frio aumenta a densidade de discordâncias e eleva a resistência enquanto reduz a ductilidade. O 204Cu frequentemente alcança uma taxa de endurecimento por trabalho mais alta devido aos efeitos combinados de Cu e N, portanto, níveis comparáveis de trabalho a frio podem produzir maior resistência de escoamento/tensão do que o 304.
• A normalização não é normalmente usada para aços inoxidáveis austeníticos; ciclos convencionais de têmpera e revenimento usados em ligas ferríticas/HSLA não são aplicáveis. Ambos os aços não são endurecíveis por têmpera térmica convencional; o endurecimento é alcançado por trabalho a frio e fenômenos de precipitação menores.
• O processamento termo-mecânico (laminação, resfriamento controlado) afeta o tamanho do grão e a textura; ambas as ligas se beneficiam de processamento controlado para ajustar a conformabilidade e a qualidade da superfície.

4. Propriedades Mecânicas

A tabela a seguir fornece características de desempenho comparativas na condição comumente fornecida (recozida/tratada por solução). Os valores exatos variam com a forma do produto, trabalho a frio e fornecedor.

Explicação - O 304 exibe um equilíbrio de resistência e ductilidade com excelente tenacidade devido ao maior teor de níquel e austenita estável. - O 204Cu utiliza cobre e nitrogênio/manganês para endurecimento; isso permite que alcance níveis de tração semelhantes quando trabalhado a frio e em algumas condições recozidas pode mostrar resistência de escoamento modestamente maior. A ductilidade permanece boa, mas pode ser ligeiramente reduzida em relação ao 304 em níveis de trabalho semelhantes.

5. Soldabilidade

• Pontos gerais:
• Ambas as ligas são comumente soldadas por processos padrão (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). O pré-aquecimento geralmente não é necessário para seções finas.
• Limites de carbono mais baixos ajudam a evitar a precipitação de carbonetos e sensibilização durante o resfriamento lento, mas os controles do procedimento de soldagem ainda são importantes para componentes críticos à corrosão.
• Efeito da composição:
• O maior Ni do 304 torna-o tolerante em relação à microestrutura da solda e reduz o risco de trincas de solidificação em muitas condições.
• O 204Cu tem menor Ni e maior Mn/Cu/N pode alterar o modo de solidificação e a suscetibilidade a trincas a quente; alguns metais de adição e parâmetros de soldagem podem precisar ser ajustados. Use um metal de adição compatível ou um metal de adição do tipo 308/309L dependendo da aplicação e da resistência à corrosão requerida.
• Endurecibilidade e índices de equivalente de carbono:
• Para interpretação qualitativa da soldabilidade, use índices como: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Interpretação: índices mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ indicam maior propensão ao endurecimento e trincas durante a soldagem e podem exigir tratamentos térmicos pré/pós-solda ou resfriamento controlado. O menor Ni do 204Cu, mas o elevado Cu e Mn alterarão os índices em relação ao 304; qualitativamente, o 204Cu pode ser soldado com sucesso, mas requer procedimentos qualificados e atenção à seleção do metal de adição e limpeza pós-solda.
• Nota prática: ao soldar 204Cu em aplicações críticas à corrosão, qualifique o procedimento de solda e teste o desempenho de corrosão da junta; a seleção do metal de adição geralmente opta por metais de adição contendo Ni para manter o desempenho à corrosão.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

• Comportamento inoxidável:
• Ambas as ligas dependem de um filme passivo rico em cromo para resistência à corrosão em ambientes atmosféricos e muitos ambientes aquosos.
• O 304 é um inoxidável de uso geral bem comprovado com boa resistência a ambientes oxidantes, processamento de alimentos e muitos produtos químicos. Não é tão resistente quanto as ligas com Mo (por exemplo, 316) em ambientes de cloreto/pitting.
• Papel do cobre:
• O cobre no 204Cu pode melhorar a resistência a certos ácidos redutores (notavelmente ácido sulfúrico) e pode ajudar com a resistência à bioincrustação em condições de serviço específicas. No entanto, o cobre não substitui o molibdênio em relação à resistência ao pitting em ambientes de cloreto.
• Número Equivalente de Resistência ao Pitting (PREN):
• Para classificação de pitting, o PREN é comumente usado: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Interpretação: como tanto o 304 quanto o 204Cu não possuem Mo, os valores de PREN são modestos; o nitrogênio no 204Cu pode aumentar o PREN um pouco, mas o PREN permanece substancialmente mais baixo do que os aços inoxidáveis ligados ao Mo. O PREN é mais útil para comparar ligas com Mo presente; para ligas com Cu, o PREN fornece uma visão limitada sobre o comportamento em ácidos.
• Proteção da superfície para componentes não inoxidáveis:
• Se os componentes não forem inoxidáveis (não aplicável aqui), as proteções típicas incluem galvanização, pintura ou revestimentos de conversão. Para 304/204Cu, o acabamento da superfície, passivação e limpeza apropriada são as estratégias de proteção usuais.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformação e dobra:
• O 304 tem excelente conformabilidade e características de estampagem a fundo na condição recozida.
• O 204Cu também é conformável, mas como endurece facilmente, o retorno elástico e a força necessária podem ser maiores para deformações equivalentes.
• Maquinabilidade:
• Aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que aços carbono devido ao endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica. O 204Cu pode ser usinado de forma semelhante ou ligeiramente melhor que o 304 em certas condições devido a diferenças na liga, mas as ferramentas e os avanços devem ser selecionados para a prática de aços inoxidáveis austeníticos.
• Acabamento:
• Ambos alcançam bons acabamentos de superfície com práticas de acabamento padrão (moagem, polimento). O teor de cobre pode afetar ligeiramente a coloração em alguns acabamentos, mas normalmente não é um problema prático.
• Fabricação por soldagem:
• A seleção cuidadosa de metais de adição, temperaturas entre passes e design de juntas é necessária para ambas as ligas para evitar distorções e manter a resistência à corrosão.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção - Escolha 304 quando uma liga comprovada, amplamente padronizada com comportamento de corrosão bem documentado e ampla disponibilidade for necessária—especialmente para aplicações alimentícias, sanitárias e muitas arquitetônicas. - Escolha 204Cu quando o custo de aquisição for um fator significativo, quando a redução de níquel for desejável e quando os ambientes de serviço esperados forem moderados (não severo pitting/exposição a cloretos) ou forem especificamente compatíveis com os benefícios do Cu.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo:
• O 204Cu é projetado para reduzir o teor de níquel e, portanto, pode ser menos caro que o 304 quando os preços do níquel estão altos. A vantagem de custo está ligada ao preço de mercado do Ni e Cu.
• O 304 tem preços estáveis e bem estabelecidos e cadeias de suprimento; é frequentemente mais previsível em aquisições de longo prazo.
• Disponibilidade:
• O 304 é um dos aços inoxidáveis mais amplamente disponíveis globalmente e oferecido em muitas formas de produto (folha, bobina, placa, barra, tubo, fio).
• O 204Cu está sendo cada vez mais oferecido em formas de folha, bobina e algumas formas de barra/tubo, mas pode não estar tão universalmente estocado em todas as regiões ou formas de produto; os prazos de entrega e as quantidades mínimas de pedido devem ser verificados com os fornecedores.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa)

Recomendação - Escolha 304 se: - Você precisa de uma liga bem estabelecida, amplamente padronizada com desempenho de corrosão comprovado em serviço geral, especialmente para alimentos, sanitários ou exposição arquitetônica externa de longo prazo. - Disponibilidade global consistente e rastreabilidade do material são prioridades. - Você prefere uma janela de solda e fabricação tolerante com amplas opções de metal de adição e procedimentos.

• Escolha 204Cu se:
• Reduzir o teor de níquel e o custo do material for importante, e o ambiente de serviço for moderado (não severo pitting de cloreto) ou se beneficiar do comportamento eletroquímico do cobre (por exemplo, certos serviços ácidos).
• Você espera um trabalho a frio substancial ou onde uma resistência de escoamento ligeiramente maior após o trabalho for desejável.
• Você está preparado para qualificar procedimentos de soldagem e confirmar a disponibilidade de fornecimento para a forma de produto necessária.

Nota final: ambas as ligas são aços inoxidáveis austeníticos com capacidades sobrepostas. A escolha ideal depende do ambiente de corrosão específico, plano de conformação/soldagem, metas de custo e considerações da cadeia de suprimento. Para especificações ou componentes críticos, exija certificação do fornecedor sobre a composição e testes mecânicos e realize testes de corrosão ou solda específicos da aplicação conforme necessário.