304 vs 304L – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
Compartilhar
Table Of Content
Table Of Content
Introdução
Os aços inoxidáveis 304 e 304L estão entre os graus austeníticos mais especificados em engenharia, fabricação e aquisição. Engenheiros e gerentes de compras geralmente ponderam a resistência à corrosão, soldabilidade, resistência mecânica e custo ao escolher entre eles. Os planejadores de fabricação também devem considerar a fabricação a montante: soldagem pesada, tratamentos pós-solda, conformação e requisitos de acabamento superficial.
A principal diferença prática é o teor de carbono: o 304L é a variante de baixo carbono do 304, formulada para reduzir o risco de precipitação de carbonetos de cromo (sensibilização) durante a soldagem e a exposição a altas temperaturas. Essa distinção é a razão pela qual 304 e 304L são comumente comparados — eles fornecem quase o mesmo desempenho de corrosão e microestrutura, mas o menor teor de carbono no 304L melhora o desempenho em montagens e componentes soldados que não podem ser recozidos após a fabricação.
1. Normas e Designações
Principais normas e designações comuns: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (placa, chapa, fita para vasos de pressão e uso geral). - EN: série EN 10088 (aços inoxidáveis — várias normas de produtos). - JIS: SUS304 e SUS304L. - GB: 0Cr18Ni9 (304) e 0Cr18Ni9L (304L) equivalentes nas normas chinesas.
Classificação do material: - Tanto o 304 quanto o 304L são aços inoxidáveis austeníticos (inox, não ferromagnéticos quando totalmente austeníticos). - Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA; são ligas inoxidáveis resistentes à corrosão.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Faixas de composição típicas (wt%) usadas em especificações; os máximos/mínimos permitidos reais variam ligeiramente por norma:
| Elemento | 304 (típico/faixa de especificação) | 304L (típico/faixa de especificação) |
|---|---|---|
| Carbono (C) | ≤ 0,08% | ≤ 0,03% |
| Manganês (Mn) | ≤ 2,0% | ≤ 2,0% |
| Silício (Si) | ≤ 1,0% | ≤ 1,0% |
| Fósforo (P) | ≤ 0,045% | ≤ 0,045% |
| Enxofre (S) | ≤ 0,03% | ≤ 0,03% |
| Cromo (Cr) | 18,0–20,0% | 18,0–20,0% |
| Níquel (Ni) | 8,0–10,5% | 8,0–12,0% |
| Molibdênio (Mo) | ≤ 0,10% (geralmente nenhum) | ≤ 0,10% |
| Azoto (N) | ≤ 0,10% (traço) | ≤ 0,10% |
| Nb, Ti, V, B | traço / tipicamente não adicionado | traço / tipicamente não adicionado |
Estratégia de liga e efeitos: - O cromo fornece o filme de óxido passivo que confere resistência à corrosão aos aços inoxidáveis. O teor típico de Cr (≈18–20%) define o aço inoxidável “18-8”. - O níquel estabiliza a estrutura austenítica (FCC), melhora a tenacidade e ductilidade, e melhora a conformabilidade. - O carbono aumenta ligeiramente a resistência e dureza, mas à custa do risco de sensibilização na faixa de 425–850°C; o carbono reage com o cromo para formar carbonetos de cromo nas fronteiras de grão, esgotando localmente o Cr e reduzindo a resistência à corrosão. - O 304L reduz o carbono para controlar a precipitação de carbonetos durante a soldagem; a faixa de níquel pode ser ajustada ligeiramente para preservar a estabilidade da austenita. - O manganês e o silício são desoxidantes e contribuintes menores para a resistência; o nitrogênio, quando presente, pode aumentar incrementalmente a resistência e a resistência à corrosão por picotamento.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura: - Ambos os graus são essencialmente totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição recozida. A austenita proporciona excelente ductilidade e tenacidade em temperaturas criogênicas a elevadas. - Nem o 304 nem o 304L respondem ao endurecimento convencional por têmpera e revenimento porque são austeníticos e não se transformam em martensita com o tratamento térmico. O fortalecimento é alcançado principalmente por trabalho a frio (endurecimento por deformação).
Tratamento térmico e evolução da microestrutura: - O recozimento em solução (faixa típica: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) dissolve quaisquer precipitados, restaura a ductilidade e retorna a resistência à corrosão; o resfriamento rápido (têmpera em água ou ar) é necessário para evitar a precipitação de carbonetos. - Sensibilização: a exposição na faixa aproximada de $425^\circ\text{C}$–$850^\circ\text{C}$ pode precipitar carbonetos de cromo nas fronteiras de grão. O 304 é mais suscetível do que o 304L devido ao maior teor de carbono; o 304L é especificado quando o recozimento em solução pós-solda é impraticável. - Longa exposição acima de ~600°C também pode promover a fase sigma ou outros intermetálicos em variantes pesadamente trabalhadas a frio ou ligadas; estes são incomuns no serviço padrão 304/304L, mas devem ser considerados para serviço em altas temperaturas.
Rotas de processamento: - A normalização não é uma operação de fortalecimento significativa para esses graus austeníticos. - Rotas termo-mecânicas (laminação a frio, recozimento) controlam o tamanho do grão e a textura para produtos de chapa ou fita; o recozimento final fixa a microestrutura austenítica.
4. Propriedades Mecânicas
Mínimos típicos de propriedades mecânicas (condição recozida), comumente especificados em normas de produtos:
| Propriedade | 304 (recozido, típico) | 304L (recozido, típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (Rm) | ≈ 515 MPa (mín) | ≈ 485 MPa (mín) |
| Resistência ao escoamento de 0,2% (Rp0,2) | ≈ 205 MPa (mín) | ≈ 170 MPa (mín) |
| Alongamento (A) | ≥ 40% (em 50 mm) | ≥ 40% (em 50 mm) |
| Tenacidade ao impacto (temperatura ambiente) | Alta tenacidade dúctil | Alta tenacidade dúctil |
| Dureza (HB / HRB) | Comportamento moderado de endurecimento por deformação | Dureza inicial ligeiramente inferior |
Interpretação: - O 304 geralmente apresenta resistência mínima à tração e ao escoamento ligeiramente superiores ao 304L devido ao maior teor de carbono. Na prática, a diferença é modesta e ambos são dúcteis e resistentes. - Ambos os graus mantêm excelente tenacidade até temperaturas criogênicas; nenhum deles é quebradiço em temperaturas de serviço normalmente encontradas na indústria. - As diferenças de resistência são mais relevantes onde o projeto está próximo dos limites de tensão permitidos ou onde a redução de resistência pós-solda é um fator.
5. Soldabilidade
Fatores de soldabilidade: - O baixo carbono reduz a tendência de formar carbonetos de cromo nas fronteiras de grão durante o resfriamento através da faixa de sensibilização. Portanto, o menor teor de carbono diminui a suscetibilidade à corrosão intergranular após a soldagem. - A dureza em aços inoxidáveis austeníticos é baixa; eles não formam estruturas martensíticas duras ao resfriar, portanto, a fratura devido a fases duras não é uma preocupação primária. No entanto, o trabalho a frio e os ciclos térmicos podem criar martensita induzida por deformação no 304 sob certas condições; o 304L, com composição ligeiramente diferente, pode ser marginalmente menos propenso à martensita induzida por deformação.
Índices de soldabilidade úteis (interpretação qualitativa): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Equivalente de corrosão por picotamento (Pcm) para avaliação de soldabilidade: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação: - Um menor $C$ reduz tanto $CE_{IIW}$ quanto $P_{cm}$, indicando menor sensibilidade a trincas a quente e menor risco de segregação/sensibilização durante a soldagem. - Na prática, o 304L geralmente solda mais facilmente em grandes soldagens intensivas em calor porque o menor teor de carbono reduz o risco de corrosão intergranular sem exigir recozimento em solução pós-solda. - Ao soldar 304 (maior teor de carbono), os projetistas frequentemente controlam a entrada de calor, usam metais de adição com estabilizadores (por exemplo, Ti ou Nb em alguns enchimentos) ou realizam recozimento em solução pós-solda quando a resistência à corrosão da zona de solda deve igualar a do metal base.
Notas sobre práticas de soldagem: - Use metais de enchimento correspondentes ou de baixo carbono, dependendo dos requisitos de serviço e corrosão. - Minimize os tempos de espera na faixa de sensibilização e use resfriamento rápido ou controle de aquecimento local. - Para ambientes corrosivos críticos, 304L ou graus estabilizados (por exemplo, 321, 347) são preferidos quando o recozimento em solução pós-solda é impraticável.
6. Corrosão e Proteção Superficial
Comportamento à corrosão: - Tanto o 304 quanto o 304L dependem do filme passivo rico em cromo para resistência geral à corrosão em ambientes atmosféricos, levemente ácidos e alcalinos. - A resistência à corrosão por picotamento e fendas é limitada porque ambos carecem de molibdênio; portanto, em cloretos ou ambientes marinhos agressivos, graus mais ligados (316, duplex, etc.) são preferidos.
Relevância do PREN: - O PREN é usado para avaliar a resistência ao picotamento por cloretos; para esses graus: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Para 304/304L, Mo é essencialmente zero ou muito baixo e N é baixo; os valores de PREN são modestos, portanto, nenhum dos graus é recomendado para ambientes severos de cloretos.
Sensibilização e corrosão intergranular: - A principal preocupação com a corrosão onde o 304 pode ser desfavorecido é a corrosão intergranular após a soldagem ou exposição prolongada na faixa crítica de temperatura onde os carbonetos de cromo precipitam. - O baixo carbono do 304L reduz a formação de carbonetos e, assim, diminui o risco de corrosão intergranular em zonas soldadas.
Proteção superficial para aços não inoxidáveis: - Não aplicável aqui; para aços carbono não inoxidáveis, a galvanização ou revestimentos são comuns. Para 304/304L, a passivação superficial (passivação com ácido nítrico ou ácido cítrico) e o decapagem são comuns para restaurar ou melhorar o filme passivo após a fabricação.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
Conformação e dobra: - Ambos os graus apresentam excelente conformabilidade a frio; o 304L pode ser marginalmente mais fácil de conformar devido à ligeiramente menor resistência ao escoamento. - Todos os aços inoxidáveis austeníticos endurecem rapidamente; operações de conformação frequentemente requerem recozimentos intermediários para deformações severas.
Maquinabilidade: - Aços inoxidáveis austeníticos são mais difíceis de usinar do que aços carbono devido à alta ductilidade e endurecimento por trabalho. O 304 e o 304L têm maquinabilidade semelhante; controles de processo (ferramentas rígidas, inserts afiados, controle adequado de cavacos e lubrificante/refrigerante) são críticos. - A ligeiramente menor resistência do 304L pode facilitar marginalmente as forças de corte em algumas operações.
Acabamento superficial: - Ambos os graus podem ser polidos, passivados, tratados eletroquimicamente e jateados para alcançar os acabamentos superficiais requeridos. O 304L é frequentemente usado para montagens soldadas onde um acabamento consistente em soldas é necessário sem recozimento em solução.
8. Aplicações Típicas
| 304 — Usos Típicos | 304L — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos de cozinha, processamento de alimentos, plantas de bebidas | Vasos e tubulações soldados pesados em plantas químicas |
| Acabamentos arquitetônicos, painéis decorativos | Tanques e vasos de armazenamento soldados onde o recozimento pós-solda é impraticável |
| Trocadores de calor (ambientes leves) | Tubulações e tanques de esgoto e águas residuais com soldagem extensiva |
| Fixadores, molas (onde resistência à corrosão e resistência são necessárias) | Sistemas soldados farmacêuticos e biotecnológicos que requerem resistência à corrosão nas soldas |
| Acabamentos automotivos, bens de consumo | Vasos de pressão e tubulações com grandes volumes de solda onde o risco de sensibilização é uma preocupação |
Racional de seleção: - Escolha 304 onde maior resistência mínima e ligeiramente menor custo do material são aceitáveis e onde a soldagem é limitada ou o recozimento pós-solda é possível. - Escolha 304L onde soldagem pesada, incapacidade de recozimento em solução após a fabricação ou serviço em condições pós-solda ligeiramente mais corrosivas é esperado.
9. Custo e Disponibilidade
- Ambos os graus estão amplamente disponíveis em todo o mundo nas formas de placa, chapa, fita, tubo e barra.
- O 304 é tipicamente o mais comum e, em muitos mercados, marginalmente menos caro devido a volumes de produção mais amplos e controle de carbono menos rigoroso.
- O 304L pode ter um pequeno prêmio devido ao controle mais rigoroso de carbono durante a fusão e processamento, mas o prêmio é frequentemente pequeno em comparação com o custo total de fabricação ao eliminar o caro tratamento térmico pós-solda.
- Os prazos de entrega e a disponibilidade são geralmente excelentes para ambos em formas de produtos padrão; para itens fabricados muito grandes ou certificações especiais de usina, os impactos no cronograma devem ser verificados com os fornecedores.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Soldabilidade (resistência à sensibilização) | Boa; requer cuidado para soldas pesadas | Melhor para soldagens pesadas e onde PWHT não é feito |
| Resistência–Tenacidade | Resistência mínima ligeiramente superior; tenacidade igualmente alta | Resistência mínima ligeiramente inferior; tenacidade igualmente alta |
| Custo | Tipicamente marginalmente mais baixo | Tipicamente marginalmente mais alto, mas frequentemente custo-efetivo para sistemas soldados |
Recomendação: - Escolha 304 se: seu projeto se beneficia de resistência mínima ligeiramente maior e você pode controlar as práticas de soldagem (baixa entrada de calor, uso de metais de enchimento apropriados) ou realizar recozimento em solução após a soldagem para restaurar a resistência à corrosão. - Escolha 304L se: o componente ou tubulação tiver soldagem extensiva, o recozimento em solução pós-solda for impraticável ou houver preocupação com a corrosão intergranular em juntas soldadas. O 304L é frequentemente a escolha mais segura e de menor risco para vasos de pressão soldados, tanques de armazenamento e tubulações pesadas onde a manutenção da resistência à corrosão nas zonas afetadas pelo calor da solda é crítica.
Nota final: Tanto o 304 quanto o 304L são aços inoxidáveis austeníticos robustos e amplamente especificados. A decisão de projeto geralmente se baseia na prática de soldagem e na aceitabilidade da pequena troca em resistência mínima por resistência à corrosão melhorada após a soldagem. Para serviços críticos ou expostos a cloretos, considere graus inoxidáveis de maior liga (contendo Mo) ou alternativas duplex.