304 vs 304H – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis tipo 304 e tipo 304H são duas classificações austeníticas amplamente utilizadas nas indústrias de processos, vasos de pressão e fabricação geral. Engenheiros e profissionais de compras comumente ponderam a resistência à corrosão, soldabilidade, conformabilidade, desempenho em altas temperaturas e custo ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem especificar material para um vaso de pressão soldado, selecionar tubos para trocadores de calor ou escolher chapas para fabricação geral.
A principal característica distintiva entre os dois graus é o teor de carbono: o 304H possui uma composição de carbono elevada em relação ao 304 padrão. Essa única mudança altera o desempenho de maneiras previsíveis—mais importante, aumenta a resistência e a resistência ao fluência em temperaturas elevadas, enquanto aumenta o risco de precipitação de carbonetos e sensibilização relacionada durante certos ciclos térmicos. Como o 304 e o 304H são de outra forma muito semelhantes (mesma matriz austenítica estabilizada por cromo e níquel), eles são comparados quando os projetos exigem um equilíbrio entre o desempenho mecânico em altas temperaturas e a resistência à corrosão, soldabilidade e conformabilidade.
1. Normas e Designações
As principais normas de especificação que cobrem 304 e 304H incluem: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (chapas, folhas), ASTM A312 (tubos sem costura e soldados), ASTM A269 (tubos forjados), etc. - EN: série EN 10088 para aços inoxidáveis (EN 1.4301 corresponde ao 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (aços inoxidáveis; equivalentes). - GB: GB/T 1220 e normas chinesas relacionadas para aços inoxidáveis.
Classificação: - Tanto o 304 quanto o 304H são aços inoxidáveis (austeníticos). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou graus HSLA. - Eles são especificados e utilizados como ligas inoxidáveis (resistentes à corrosão) em vez de aços carbono estruturais.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir resume as faixas de composição típicas de normas comuns (os valores são dados em porcentagem de peso e são destinados a faixas padronizadas típicas em vez de certificados específicos de usina).
| Elemento | 304 (faixa típica) | 304H (faixa típica) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | 0.04 – 0.10 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 1.0 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.045 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Cr | ~18.0 – 20.0 wt% | ~18.0 – 20.0 wt% |
| Ni | ~8.0 – 10.5 wt% | ~8.0 – 11.0 wt% |
| Mo | Não especificado (geralmente ≈ 0) | Não especificado (geralmente ≈ 0) |
| V, Nb, Ti, B | Não especificado / apenas traços | Não especificado / apenas traços |
| N | Traço (tipicamente ≤ 0.11) | Traço (tipicamente ≤ 0.11) |
Como a liga afeta o comportamento: - O cromo (Cr) fornece resistência à corrosão formando um filme de óxido protetor e é o principal elemento de liga para o comportamento inoxidável. - O níquel (Ni) estabiliza a fase austenítica e melhora a tenacidade e a conformabilidade. - O carbono (C) fortalece a austenita por meio do endurecimento por solução sólida e pode formar carbonetos de cromo (Cr23C6) durante a exposição a temperaturas sensibilizadoras; o aumento de C no 304H aumenta a resistência em altas temperaturas e a resistência ao fluência, mas eleva o risco de sensibilização. - O manganês (Mn) e o silício (Si) são estabilizadores menores da austenita e desoxidantes; o enxofre e o fósforo são elementos de impureza controlados em níveis baixos para preservar a tenacidade e a resistência à corrosão.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Tanto o 304 quanto o 304H são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição de recozimento em solução à temperatura ambiente. Sob processamento padrão (laminação a quente, recozimento em solução, resfriamento ao ar), a microestrutura é austenita homogênea com possíveis limites de gêmeos e alguns gêmeos de recozimento.
Principais diferenças microestruturais e respostas ao tratamento térmico: - O 304 (C mais baixo) é menos propenso a formar carbonetos de cromo durante o resfriamento lento ou exposições a temperaturas intermediárias; o recozimento em solução acima de ~1.040–1.100 °C seguido de resfriamento rápido restaura uma matriz austenítica livre de carbonetos. - O 304H (C mais alto) tem maior força motriz para a precipitação de carbonetos de cromo quando exposto na faixa de sensibilização (~450–850 °C). A precipitação de carbonetos ocorre em limites de grão e pode esgotar localmente o cromo, reduzindo a resistência à corrosão intergranular. - Nenhum dos graus endurece por têmpera e revenimento como os aços martensíticos; eles não são tratáveis termicamente para resistência por meio de transformações convencionais. Ajustes de resistência são alcançados por trabalho a frio ou especificando carbono mais alto (304H) para resistência em altas temperaturas. - O processamento termo-mecânico (trabalho a frio, cronogramas de recozimento) afeta a densidade de discordâncias, o tamanho do grão e a textura de maneira semelhante para ambos os graus. O recozimento em temperaturas de solução dissolverá carbonetos se mantido e resfriado adequadamente; o resfriamento lento após a soldagem ou serviço prolongado em temperaturas intermediárias promove a precipitação de carbonetos no 304H mais prontamente do que no 304.
4. Propriedades Mecânicas
Ambos os aços oferecem boa ductilidade e tenacidade na condição recozida; o 304H geralmente oferece resistência ligeiramente maior, especialmente em altas temperaturas, atribuível ao seu maior teor de carbono.
| Propriedade | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Resistência à Tração (relativa) | Nível austenítico padrão | Ligeiramente maior (notável em T elevadas) |
| Resistência ao Escoamento (relativa) | Base para austeníticos da série 300 | Ligeiramente maior que 304 |
| Elongação / Ductilidade | Alta ductilidade; boa conformabilidade | Ductilidade ligeiramente reduzida em comparação ao 304 |
| Tenacidade ao Impacto | Excelente à temperatura ambiente | Comparável à temperatura ambiente se não sensibilizado; reduzida se ocorrer precipitação de carbonetos |
| Dureza | Dureza austenítica recozida típica | Ligeiramente maior na condição recozida devido ao C |
Explicação: - À temperatura ambiente, as diferenças são modestas—ambos os graus exibem resistências à tração e ao escoamento semelhantes com alta elongação. O 304H tipicamente apresenta valores de tração e escoamento marginalmente mais altos porque o carbono é um endurecedor por solução sólida. - Em altas temperaturas ou sob condições de fluência, o 304H mantém maior resistência do que o 304 e, portanto, é especificado para serviço em vasos de pressão em temperaturas permitidas mais altas. - Se o 304H for exposto a ciclos térmicos sensibilizadores (por exemplo, soldagem sem tratamento térmico pós-soldagem adequado ou serviço prolongado na faixa de 450–850 °C), a corrosão intergranular e a redução da tenacidade podem resultar da precipitação de carbonetos de cromo.
5. Soldabilidade
A soldabilidade do 304 e do 304H é geralmente boa; ambos são facilmente soldados por processos comuns (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). No entanto, o nível de carbono afeta o risco de sensibilização e as propriedades da ZTA.
Índices relevantes de equivalente de carbono/soldabilidade: - Interpretados qualitativamente usando o equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Para aços inoxidáveis, uma influência composicional mais complexa pode ser expressa com $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - O 304 (C mais baixo) tem uma contribuição menor de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ do carbono do que o 304H, o que significa que o 304 é menos provável de formar microestruturas duras e quebradiças na ZTA e é menos sensível à corrosão intergranular da soldagem se o material de adição e os procedimentos adequados forem utilizados. - O maior carbono do 304H aumenta o potencial de endurecimento durante ciclos térmicos rápidos e aumenta o risco de sensibilização na zona afetada pelo calor (ZTA) se carbonetos de grão austenítico se formarem. Para trabalhos de soldagem em vasos de pressão em altas temperaturas, o 304H é frequentemente especificado para atender aos requisitos de tensão permitida; a seleção do material de adição e a prática de soldagem (por exemplo, uso de graus estabilizados ou recozimento em solução pós-soldagem, quando viável) mitigam os riscos. - O pré-aquecimento geralmente não é necessário para esses aços inoxidáveis austeníticos, mas o controle da entrada de calor e a seleção do metal de adição apropriado (por exemplo, graus compatíveis ou de baixo carbono/estabilizados) são considerações importantes para o 304H a fim de evitar fragilização ou corrosão intergranular.
6. Corrosão e Proteção da Superfície
- Tanto o 304 quanto o 304H são resistentes à corrosão em uma ampla variedade de ambientes devido à passivação do cromo. Nenhum deles contém molibdênio, portanto, são menos resistentes à corrosão por pites de cloreto do que os graus com Mo (por exemplo, 316).
- O aumento de carbono no 304H torna a sensibilização e a corrosão intergranular uma preocupação prática se o material for exposto a temperaturas sensibilizadoras sem controle adequado. Para aplicações onde a resistência à corrosão intergranular é crítica após a soldagem, o 304L de baixo carbono ou graus estabilizados (321, 347) podem ser preferidos.
- PREN (Número Equivalente de Resistência a Pites) é uma métrica útil para resistência a pites onde Mo e N estão presentes: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Para 304/304H, Mo ≈ 0 e N é baixo, então o PREN é relativamente baixo; o PREN é mais significativo para austeníticos duplex ou com Mo.
- A proteção da superfície para substratos não inoxidáveis (não aplicável aqui) incluiria galvanização ou revestimentos; para inoxidáveis, acabamentos de superfície e tratamentos de passivação são frequentemente usados para maximizar a vida útil.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
- Conformabilidade: o 304 (carbono mais baixo) é marginalmente melhor para estampagem profunda e conformação devido à ductilidade ligeiramente maior e menor sensibilidade ao endurecimento por trabalho em relação à sensibilização após aquecimento subsequente. Ambos são bons para operações de conformação se ferramentas apropriadas e práticas de conformação incremental forem utilizadas.
- Maquinabilidade: os aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que os aços carbono devido ao endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica. O 304H pode ser ligeiramente mais desafiador de usinar do que o 304 porque seu maior teor de carbono e a resultante maior resistência levam a forças de corte e desgaste de ferramentas aumentadas. O uso de ferramentas afiadas, montagens rígidas e lubrificantes apropriados reduz problemas.
- Acabamento de superfície: ambos polidos e eletropolidos de maneira semelhante; no entanto, o 304H pode exigir um controle mais cuidadoso da exposição térmica durante o acabamento para evitar a precipitação de carbonetos se o material for aquecido.
8. Aplicações Típicas
| 304 (usos comuns) | 304H (usos comuns) |
|---|---|
| Equipamentos de processamento de alimentos, pias, utensílios de cozinha, acabamentos arquitetônicos | Vasos de pressão e caldeiras onde são necessárias tensões permitidas mais altas em temperaturas elevadas |
| Tubulações e tanques de processos químicos em ambientes brandos | Tubos de superaquecedores e recalentadores em aplicações de caldeiras (onde é necessária maior resistência à fluência) |
| Trocadores de calor, tubos sanitários, fixadores | Componentes fabricados para fornos e altas temperaturas onde a temperatura de operação é elevada |
| Fabricação geral, componentes decorativos de construção | Aplicações que requerem as propriedades mecânicas de um austenítico de maior carbono em T elevadas |
Racional de seleção: - Escolha 304 quando a resistência geral à corrosão, conformabilidade e soldabilidade em temperaturas de serviço normais forem os requisitos dominantes e quando minimizar o risco de sensibilização após a soldagem for importante. - Escolha 304H quando o projeto exigir maior tensão permitida ou resistência melhorada em temperaturas elevadas (por exemplo, vasos de pressão operando acima dos limites típicos de 300 °C) e quando o projeto especificar controles de fabricação apropriados para gerenciar o risco de sensibilização e corrosão.
9. Custo e Disponibilidade
- O 304 é um dos graus inoxidáveis mais comuns em todo o mundo e está amplamente disponível em chapa, folha, bobina, tubo e barra. Seu custo é tipicamente competitivo dentro da família da série 300.
- O 304H é uma variante reconhecida e está disponível em formas de produto comumente usadas para serviço em altas temperaturas (chapas, tubos para caldeiras e componentes de pressão). É menos comumente estocado em mercados de commodities genéricas do que o 304 e pode ter um pequeno prêmio dependendo das práticas regionais de estoque e da necessidade de certificação específica de usina do teor de carbono.
- Os prazos de entrega e a disponibilidade dependem da forma do produto (folha/chapa versus tubo sem costura) e das certificações necessárias para serviço em vasos de pressão ou em altas temperaturas.
10. Resumo e Recomendação
| Aspecto | 304 | 304H |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente; menor risco de sensibilização | Bom, mas maior risco de sensibilização; requer controles procedimentais |
| Força–Tenacidade | Bom equilíbrio; excelente ductilidade | Maior resistência em T elevadas; ductilidade ligeiramente menor quando comparada diretamente |
| Custo & Disponibilidade | Amplamente disponível; geralmente menor custo | Facilmente disponível para aplicações de pressão-temperatura; pode ter prêmio |
Conclusões: - Escolha 304 se você precisar de excelente resistência geral à corrosão, superior fabricabilidade e conformabilidade, e risco mínimo de sensibilização a partir de processos de soldagem normais. O 304 é o padrão prático para equipamentos sanitários, aplicações arquitetônicas e muitos casos de serviço químico em temperaturas ambiente a moderadas. - Escolha 304H se o projeto exigir maior tensão permitida ou resistência melhorada à deformação em temperaturas de serviço elevadas (por exemplo, vasos de pressão, caldeiras, trocadores de calor operando em temperaturas mais altas), e você puder aceitar e gerenciar o maior risco de precipitação de carbonetos por meio de procedimentos de soldagem apropriados, tratamentos pós-soldagem, se viável, ou selecionando metais de adição compatíveis e práticas de fabricação.
Se a resistência à fluência em altas temperaturas e as tabelas de tensão permitida estiverem governando a seleção de material (códigos ASME, especificações de vasos de pressão), consulte o código aplicável para o grau e as temperaturas exigidas; em muitos casos, o 304H aparecerá onde os limites de tensão permitida do 304 são insuficientes para a temperatura de serviço pretendida.