304 vs 309S – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

A escolha entre os aços inoxidáveis austeníticos 304 e 309S é um trade-off frequente na engenharia que equilibra resistência à corrosão, desempenho em altas temperaturas, soldabilidade e custo. Equipes de compras e fabricação geralmente optam pelo 304 para resistência geral à corrosão e conformabilidade, enquanto o 309S é selecionado quando a resistência à oxidação e à formação de escamas em altas temperaturas são preocupações principais.

A distinção fundamental é que o 309S é ligado para maior estabilidade em alta temperatura e resistência à oxidação (com maiores teores de cromo e níquel e baixo carbono), enquanto o 304 é otimizado para resistência à corrosão em espectro amplo, conformabilidade e custo-benefício. Por serem ambos aços inoxidáveis austeníticos, são frequentemente comparados quando os projetos enfrentam demandas tanto de corrosão quanto de temperatura.

1. Normas e Designações

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; ASTM A240 (chapas/folhas), A276 (barras), A312 (tubos).
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (grau 309S) para chapas/folhas, A312 para tubos.
• EN (Europeia): 304 corresponde a EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S corresponde aproximadamente às variantes da família EN 1.4828 para graus de alta temperatura (observação: o mapeamento direto para nomes EN pode variar).
• JIS/GB: Normas locais fornecem designações equivalentes (ex.: SUS304 para 304).
• Classificação: Ambos são aços inoxidáveis austeníticos (liga inox, resistente à corrosão). Não são aços carbono, tool steels ou HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo lista os limites/faixas típicos de composição segundo especificações comuns. Valores são máximos típicos ou faixas nominais para graus comerciais; consulte folhas de dados normativas para limites contratuais de material.

Como a liga afeta o comportamento: - Cromo (Cr): elemento principal para passivação e resistência à oxidação. Maior Cr no 309S melhora resistência à escala em alta temperatura e resistência a pite em certos ambientes de alta temperatura. - Níquel (Ni): estabiliza a estrutura austenítica e melhora tenacidade e resistência à corrosão; maior Ni no 309S estabiliza a austenita em altas temperaturas e aumenta resistência a quente. - Carbono (C): menor teor no 309S (“grau S”) reduz precipitação de carbonetos durante soldagem e melhora resistência à corrosão intergranular; o limite máximo do 304 é maior mas controlado. - Silício (Si) pode melhorar resistência à oxidação em altas temperaturas; manganês (Mn) contribui para desoxidação e comportamento na conformação a frio. - Ausência de molibdênio significa que nenhum dos graus é otimizado para resistência a pite induzida por cloretos comparado com graus com Mo (ex.: 316).

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestruturas típicas: Ambos 304 e 309S são essencialmente totalmente austeníticos (cúbica de faces centradas) na condição de recozimento em solução. Não se transformam em martensita à temperatura ambiente sob condições normais de recozimento.
• Resposta ao tratamento térmico:
• Recozimento em solução (comum): aquecer a ~1010–1120°C seguido de resfriamento rápido (água ou ar conforme tamanho da seção) para restaurar estrutura austenítica dúctil e recristalizada.
• Nenhum dos graus é endurecido por têmpera e revenimento (sem endurecimento martensítico); fortalecimento é alcançado por trabalho a frio (endurecimento por deformação) ou por liga.
• Em temperaturas elevadas de serviço, 309S mantém estabilidade estrutural e resiste melhor à formação de escamas que 304 devido ao maior Cr e Ni. Exposição prolongada na faixa de sensibilização (~450–850°C) pode causar precipitação de carbonetos em variantes com maior carbono; o baixo carbono do 309S ajuda a evitar sensibilização intergranular.
• Processamento termo-mecânico (laminação a frio + recozimento) produz grão fino, austenita dúctil em ambos os graus; temperaturas de recristalização são similares, mas a composição do 309S desloca ligeiramente o comportamento de recristalização.

4. Propriedades Mecânicas

Abaixo estão faixas representativas de propriedades mecânicas na condição recozida para produtos em chapa/placa. São valores típicos; valores reais dependem da forma do produto, acabamento e norma.

Interpretação: - O 309S geralmente apresenta resistência à tração e escoamento um pouco maiores na condição recozida devido ao maior teor de liga (endurecimento por solução sólida). - O 304 é tipicamente ligeiramente mais dúctil e fácil de conformar, com excelente tenacidade em temperaturas ambiente e baixas. - As diferenças são moderadas; decisões de projeto devem usar dados de testes certificados pelo fornecedor para análises determinísticas.

5. Soldabilidade

• Ambos 304 e 309S soldam facilmente com metais de adição tradicionais austeníticos; 309S é frequentemente usado como metal de adição ou sobreposição para unir aços diferentes ou para serviço em altas temperaturas devido ao balanço maior de Cr/Ni.
• Suscetibilidade à fissuração por solda e fissuração a quente são geralmente baixas para ambos os graus, mas a escolha do metal de adição, projeto da junta e aporte térmico têm influência.
• Uso do controle de carbono (baixa C no 309S) reduz risco de sensibilização e corrosão intergranular após soldagem.
• Índices comuns de soldabilidade:
• Para equivalente de carbono (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Para uma previsão mais ampla 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 qualitativa: ambos os graus têm baixos equivalentes de carbono comparados a aços martensíticos ou HSLA, portanto pré-aquecimento e precauções especiais de soldagem raramente são necessários. Para soldas críticas, de seções grossas ou submetidas a esforços cíclicos, consulte especificações do procedimento de soldagem e considere metais de adição compatíveis (ex.: ER309L para unir 304 a aços de alta liga).

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Comportamento inox: ambos são inoxidáveis (formam filme passivo rico em Cr), mas ambientes e regimes de temperatura determinam desempenho relativo.
• PREN (para resistência a pite) aplica-se principalmente onde Mo e N contribuem significativamente. Para referência:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Como Mo é tipicamente ausente e N baixo, valores de PREN para 304 e 309S são modestos; nenhum é otimizado para pite severo por cloretos comparado a graus com Mo.
• Comportamento relativo à corrosão:
• 304: Excelente resistência geral à corrosão em muitos ambientes aquosos à temperatura ambiente (processamento de alimentos, exposições químicas gerais).
• 309S: Resistência superior à oxidação e formação de escamas em altas temperaturas (componentes de fornos, chaminés de alta temperatura). Em alguns ambientes gasosos corrosivos de alta temperatura, 309S supera o 304.
• Proteção de superfície para não inoxidáveis: Não aplicável para estes graus, exceto se for desejado revestimento adicional ou pintura para desgaste ou estética. Para aços não inoxidáveis, galvanização ou pintura são opções, mas para 304/309S o foco é manter o filme passivo e evitar contaminantes (ex.: cloretos).

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade: 304 é mais facilmente conformado (estampagem profunda, dobra) do que 309S devido à ductilidade ligeiramente superior e menor taxa de encruamento. 309S pode exigir raios de dobra mais apertados e maior força; recozimento antes da conformação é uma prática comum para 309S em aplicações de conformação estreita.
• Usinabilidade: Ambos são mais difíceis de usinar do que aços usináveis facilmente. 304 é um pouco mais fácil de usinar que 309S; ferramentas, velocidades e avanços devem ser ajustados; recomenda-se o uso de fluidos de corte pesados e ferramentas de metal duro.
• Acabamento: Ambos aceitam uma variedade de acabamentos superficiais (recocido brilhante, decapagem, passivação). Conjuntos soldados tipicamente necessitam de decapagem e passivação para restaurar a resistência à corrosão.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 304 quando resistência geral à corrosão, conformação, acabamento superficial e menor custo forem requisitos primários. - Escolha 309S quando forem necessárias resistência à oxidação em temperaturas elevadas contínuas, resistência à formação de escama ou soldagem em sistemas de ligas mais altas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 309S é geralmente mais caro que 304 devido ao maior teor de cromo e níquel. Os preços de mercado variam conforme o custo do níquel.
• Disponibilidade: 304 é amplamente disponível e encontrado em uma grande variedade de formas de produtos (chapa, placa, bobina, tubo, barra, fio). 309S é amplamente disponível, mas pode estar estocado em menos combinações de acabamento/grau e às vezes em menos bitolas ou formas especiais.
• Prazos de entrega: 304 frequentemente possui prazos menores devido a volumes mais altos de produção; para pedidos grandes ou especiais de 309S, consulte os fornecedores antecipadamente.

10. Resumo e Recomendação

Recomendação: - Escolha 304 se precisar de um aço inoxidável econômico, altamente conformável e com resistência à corrosão ampla para serviço em temperaturas ambiente a moderadamente elevadas (ex.: processamento de alimentos, tanques de armazenamento, aplicações arquitetônicas). - Escolha 309S se a aplicação envolver temperaturas elevadas contínuas, ambientes oxidantes agressivos ou exigir metal de adição/revestimento para união com materiais de liga superior — especialmente quando resistência à escama e força em alta temperatura forem prioritárias em relação à facilidade de conformação e custo.

Nota final: ambos os graus são aços inoxidáveis austeníticos com capacidades sobrepostas; a especificação deve ser finalizada com base na temperatura real de serviço, espécies corrosivas, método de fabricação e relatórios de ensaios materiais certificados pelo fornecedor.