304 vs 310S – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

304 e 310S são dois dos aços inoxidáveis austeníticos mais frequentemente especificados na indústria. Engenheiros e profissionais de compras comumente ponderam as compensações entre desempenho à corrosão, estabilidade em alta temperatura, soldabilidade e custo do material ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem equipamentos para alimentos e farmacêuticos (onde 304 é frequentemente especificado para equilíbrio de custo e corrosão) versus hardware de forno e equipamentos de processo em alta temperatura (onde 310S é preferido pela resistência à oxidação e ao fluência).

A principal diferença que impulsiona a comparação é a química da liga: 310S contém substancialmente mais cromo e níquel do que 304, o que confere a 310S uma muito melhor resistência à oxidação em alta temperatura e retenção de resistência, mas também um custo de compra mais alto e características de fabricação diferentes. Como ambas as ligas são aços inoxidáveis austeníticos com metalurgia base semelhante, elas são frequentemente consideradas alternativas em design, com a escolha final sendo determinada pela temperatura de operação, ambiente de corrosão, necessidades de fabricação e orçamento.

1. Normas e Designações

• Normas e designações comuns:
• ASTM / ASME: 304 (UNS S30400), 310S (UNS S31008)
• EN: 1.4301 (aprox. 304), 1.4845 (aprox. 310S)
• JIS: SUS304, SUS310S
• GB (China): 06Cr19Ni10 (equivalentes a 304), 25Cr20Ni (equivalentes a 310/310S)
• Classificação:
• Tanto 304 quanto 310S são aços inoxidáveis austeníticos (família inoxidável).
• Não são aços carbono, aços de liga, aços para ferramentas ou classes HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: intervalos de composição típicos (wt.%). Os limites reais dependem da especificação e do moinho; os valores listados refletem os intervalos ASTM/EN comumente usados para orientação geral.

Notas: - “—” indica que não foi adicionado intencionalmente; apenas quantidades residuais de traço estão presentes. - 310S é a variante de baixo carbono da liga 310; o baixo carbono reduz a precipitação de carbonetos durante a exposição em alta temperatura. - O maior teor de cromo e níquel em 310S é deliberado para estabilizar a austenita em temperaturas elevadas e formar uma escala de óxido mais protetora durante a oxidação.

Como a liga afeta o desempenho: - O cromo contribui para a resistência à corrosão (formação de filme passivo) e resistência à oxidação em alta temperatura. O maior teor de Cr em 310S melhora a resistência à formação de escamas em temperaturas elevadas. - O níquel estabiliza a microestrutura austenítica e melhora a tenacidade e a resistência em alta temperatura; o Ni significativo em 310S melhora a retenção de ductilidade e o comportamento de fluência em temperatura. - O carbono promove a resistência através da formação de solução sólida e carbonetos, mas aumenta o risco de sensibilização; controlar o carbono (como em 310S) reduz a precipitação de carbonetos em serviço.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestruturas típicas:
• Ambas as ligas são totalmente austeníticas (cúbicas de face centrada) na condição recozida à temperatura ambiente devido ao teor de Ni.
• Nenhuma das ligas é tratável termicamente pelos métodos de têmpera e revenimento usados para aços ferríticos ou martensíticos. As propriedades mecânicas são modificadas pelo trabalho a frio e pelo recozimento em solução.
• Resposta ao tratamento térmico:
• Recozimento em solução recomendado: tipicamente na faixa de 1010–1150 °C seguido de resfriamento rápido (resfriamento em água ou ar conforme especificação) para restaurar a resistência à corrosão e ductilidade.
• 304: o recozimento em solução dissolve quaisquer carbonetos e restaura a ductilidade; a exposição prolongada na faixa de 425–850 °C pode causar sensibilização e corrosão intergranular devido à precipitação de carboneto de cromo se o carbono não for controlado.
• 310S: o baixo carbono e o alto Ni reduzem a precipitação de carbonetos e o risco de sensibilização; no entanto, exposições longas na faixa de precipitação da fase sigma (aprox. 600–1000 °C) ainda podem promover intermetálicos (fase sigma) em ligas altamente ricas em Cr sob algumas condições. O recozimento em solução adequado e a exposição controlada em serviço minimizam isso.
• Processamento termo-mecânico:
• O trabalho a frio aumenta a resistência por endurecimento por deformação, mas reduz a conformabilidade e pode aumentar a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão em certos ambientes.
• Para aplicações críticas de fluência em alta temperatura, 310S é preferido porque a liga oferece melhor resistência à fluência; nem 304 nem 310S podem ser endurecidos por precipitação.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: valores típicos recozidos à temperatura ambiente (intervalos indicativos; os valores reais dependem da forma do produto e da especificação).

Interpretação: - À temperatura ambiente, as propriedades mecânicas de 304 e 310S são amplamente semelhantes; ambos são dúcteis e tenazes. - Em temperaturas elevadas, 310S exibe melhor retenção de resistência e resistência à fluência devido ao maior teor de Ni e Cr. - Nenhuma das ligas deve ser confiada para aplicações estruturais de alta resistência sem cálculos de projeto que considerem a fluência e relaxamento dependentes da temperatura.

5. Soldabilidade

• Tanto 304 quanto 310S são geralmente altamente soldáveis usando processos de fusão padrão (TIG, MIG, SMAW). Aços inoxidáveis austeníticos não são suscetíveis à fissuração a frio assistida por hidrogênio que pode afetar aços carbono de alta resistência.
• Teor de carbono e endurecibilidade:
• Menor teor de carbono reduz a precipitação de carbonetos e a corrosão intergranular pós-solda. 310S (baixo carbono) reduz o risco de sensibilização em comparação com variantes de maior carbono.
• A endurecibilidade e o risco de fissuração são baixos; no entanto, o trabalho de endurecimento e os ciclos térmicos podem criar distorção, e um bom projeto de junta e fixação são importantes.
• Índices comuns de metalurgia de solda (para interpretação qualitativa):
• Exibir fórmula de equivalente de carbono: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
• Fórmula de Pcm parisiense: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Interpretação qualitativa para essas ligas:
• Ambas as ligas têm baixo teor de carbono (especialmente 310S), então $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ são baixos em comparação com aços endurecíveis; isso prevê baixa endurecibilidade e baixo risco de fissuração induzida por martensita.
• O maior teor de Ni em 310S aumenta ligeiramente o CE numérico via o termo da fórmula, mas o níquel também melhora a ductilidade e reduz a suscetibilidade à fissuração a frio na prática.
• Prática de soldagem:
• Use metais de enchimento correspondentes ou apropriados selecionados para a temperatura de serviço pretendida.
• Para 304, evite tempos interpasso prolongados na faixa de sensibilização sem recozimento em solução pós-solda se a aplicação for suscetível a ataque intergranular.
• As soldas de 310S requerem atenção à expansão térmica e distorção devido ao maior teor de liga e podem ser menos tolerantes a tensões de resfriamento rápido em seções grossas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Corrosão geral (ambientes aquosos à temperatura ambiente):
• 304 oferece boa resistência à corrosão geral para muitos ambientes de serviço, incluindo ar, ácidos brandos e processamento de alimentos.
• 310S oferece resistência à corrosão geral semelhante ou ligeiramente melhorada, mas sua principal vantagem é o desempenho em alta temperatura, em vez de resistência melhorada à corrosão por pites ou fendas em ambientes aquosos contendo cloreto.
• Resistência a pites:
• O Número Equivalente de Resistência a Pites (PREN) é útil quando Mo e N são significativos: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Nem 304 nem 310S contêm Mo; ambos têm baixo N—portanto, o PREN não é um forte diferenciador. Para resistência a pites de cloreto, ligas com Mo (por exemplo, 316) têm melhor desempenho.
• Corrosão/oxidação em alta temperatura:
• 310S tem resistência significativamente melhor à oxidação e formação de escamas em temperaturas elevadas (por exemplo, atmosferas de forno) devido ao maior teor de Cr e Ni, que estabilizam escalas de óxido protetoras.
• Se as ligas inoxidáveis não forem adequadas, as proteções de superfície típicas para aços não inoxidáveis (galvanização, revestimentos, forros, pintura) se aplicam; para essas duas ligas, as considerações protetoras se concentram na manutenção da passividade e na evitação da sensibilização.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade:
• Ambas são altamente conformáveis na condição recozida. 304 é comumente usada para operações de estampagem profunda e conformação complexa.
• 310S é menos comumente usada para conformação extensiva porque o maior teor de liga pode aumentar a taxa de endurecimento por trabalho e o retorno elástico; no entanto, continua sendo trabalhável com ferramentas apropriadas e ciclos de recozimento.
• Maquinabilidade:
• Aços inoxidáveis austeníticos endurecem por trabalho e são mais difíceis de usinar do que aços de baixo carbono.
• 304 é moderada em maquinabilidade para ligas inoxidáveis; controle de cavacos, montagens rígidas, ferramentas de ângulo positivo e insertos de carboneto ajudam.
• 310S, devido ao maior teor de Ni e liga mais resistente, pode ser mais difícil para as ferramentas e pode exigir velocidades de corte mais lentas e ferramentas mais robustas.
• Acabamento de superfície e polimento:
• Ambas polem bem; 304 é amplamente utilizada onde acabamentos brilhantes são exigidos. 310S também pode ser acabada em altos padrões, mas pode apresentar um pouco mais de dificuldade devido à tenacidade do material.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 304 quando a resistência à corrosão em temperaturas ambiente, a relação custo-benefício e a ampla disponibilidade forem os principais fatores. - Escolha 310S quando a resistência à alta temperatura sustentada, a resistência à oxidação e a baixa precipitação de carbonetos em temperaturas elevadas forem críticas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo:
• 310S é mais caro que 304 devido ao teor significativamente maior de Ni e Cr.
• Diferenciais de preço flutuam com os mercados globais de níquel e cromo; o teor de níquel é o principal fator de custo.
• Disponibilidade:
• 304 é um dos aços inoxidáveis mais comumente estocados em todo o mundo nas formas de chapa, placa, barra, tubo e tubo.
• 310S está amplamente disponível, mas algumas formas de produto (por exemplo, placas muito grandes ou seções especiais formadas a frio) podem ter prazos de entrega mais longos ou fornecedores limitados em comparação com 304.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumindo as principais compensações:

Recomendações: - Escolha 304 se: - A aplicação for principalmente de serviço em temperatura ambiente a moderadamente elevada. - Você precisar de ampla disponibilidade, menor custo e boa resistência à corrosão geral (alimentos, arquitetura, planta de processo geral). - Operações extensivas de conformação ou estampagem profunda forem necessárias. - Escolha 310S se: - O requisito principal for desempenho sustentado em alta temperatura, resistência à oxidação ou resistência à fluência melhorada (fornos, hardware de processo em alta temperatura). - O risco de sensibilização deve ser minimizado em um ambiente cíclico de alta temperatura. - Um custo de material mais alto for aceitável para melhorar a vida útil e reduzir a formação de escamas.

Nota final: a seleção de material deve sempre considerar todo o envelope de serviço (temperatura, atmosfera, carga mecânica, projeto da junta, rota de fabricação e custo total do ciclo de vida). Em caso de dúvida para serviços críticos em alta temperatura ou corrosivos, confirme a seleção com testes de corrosão, consulte dados de fluência e oxidação de longo prazo e envolva fornecedores de materiais ou consultores metalúrgicos para verificar a adequação.