304 vs 316 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis austeníticos Tipo 304 e Tipo 316 estão entre as classificações mais amplamente especificadas em engenharia, aquisição e fabricação. O dilema de seleção para engenheiros e gerentes de aquisição geralmente gira em torno do equilíbrio entre resistência à corrosão e custo, e soldabilidade/formabilidade em relação à resistência e desempenho a longo prazo em ambientes agressivos. Os contextos típicos de decisão incluem equipamentos de processamento de alimentos, plantas químicas, estruturas marinhas e instalações farmacêuticas, onde a seleção de materiais deve levar em conta a exposição ao cloreto, métodos de fabricação e custo do ciclo de vida.
A principal distinção metalúrgica entre essas duas classificações é a adição deliberada de uma estratégia de liga contendo molibdênio no 316, que melhora a resistência à corrosão localizada (fissuração e ataque em fendas) em relação ao 304. Como ambos são austeníticos, compartilham muitas características mecânicas e de fabricação, razão pela qual os projetistas comparam rotineiramente quando especificam aço inoxidável para ambientes de uso geral a moderadamente agressivos.
1. Normas e Designações
- Normas internacionais comuns:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (placa, chapa), ASTM A312 (tubo), ASTM A276 (barras)
- EN: série EN 10088 (aços inoxidáveis)
- JIS: SUS304, SUS316 (Normas Industriais Japonesas)
- GB: 0Cr18Ni9 (304), 0Cr17Ni12Mo2 (316) (normas GB chinesas)
- Classificação: tanto o Tipo 304 quanto o Tipo 316 são aços inoxidáveis austeníticos (categoria inoxidável). Eles não são aços carbono, aços de liga, aços para ferramentas ou aços HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | Faixa/tipo típico (wt%) — 304 | Faixa/tipo típico (wt%) — 316 |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 18.0–20.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mo | — (tipicamente 0) | 2.0–3.0 |
| V | traço | traço |
| Nb (Cb) | traço (não presente no 304 padrão) | traço (não no 316 padrão) |
| Ti | traço (não presente no 304 padrão) | traço |
| B | traço | traço |
| N | ≤ 0.10 | ≤ 0.10 |
Notas: - A principal diferença intencional é a adição de Mo no Tipo 316, que visa melhorar a resistência à corrosão por cloreto e à corrosão em fendas. - Variantes de baixo carbono (304L, 316L) reduzem o risco de sensibilização durante a soldagem e o serviço em alta temperatura; graus estabilizados (por exemplo, 321, 347) contêm Ti ou Nb para amarrar o carbono.
Como a liga afeta as propriedades: - O cromo fornece o filme de óxido passivo (resistência à corrosão geral). - O níquel estabiliza a fase austenítica, melhorando a tenacidade e a formabilidade. - O molibdênio melhora a resistência à corrosão localizada (fissuração/fenda) e aumenta ligeiramente a resistência em algumas condições. - O teor de carbono influencia a resistência e o comportamento de precipitação de carbonetos (sensibilização) durante ciclos térmicos.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura típica: tanto o 304 quanto o 316 são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada, fcc) na condição recozida. Eles são essencialmente não magnéticos no estado totalmente recozido.
- Respostas ao tratamento térmico e processamento:
- Recozimento em solução (faixa típica 1010–1120 °C) seguido de resfriamento rápido restaura a ductilidade e dissolve precipitados.
- Nem o 304 nem o 316 podem ser endurecidos por ciclos de resfriamento e revenimento (sem transformação martensítica para explorar); a resistência mecânica é aumentada principalmente pelo trabalho a frio (endurecimento por deformação) ou pelo endurecimento por solução sólida da liga.
- A sensibilização (precipitação de carboneto de cromo) pode ocorrer na faixa de 450–850 °C após a soldagem ou resfriamento lento; isso depleta o Cr localmente e aumenta o risco de corrosão intergranular. Estratégias de mitigação: usar graus de baixo carbono (L), graus estabilizados ou realizar recozimento em solução se o serviço exigir.
- Processamento termo-mecânico (laminação a frio, trefilação a frio) aumenta a resistência pelo endurecimento por trabalho e pode introduzir leve resposta magnética; o recozimento subsequente restaura a austenita e a formabilidade.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade (recozido, mínimas típicas/especificadas) | Tipo 304 | Tipo 316 |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ≥ 515 (típico) | ≥ 515 (típico) |
| Resistência ao escoamento, 0.2% (MPa) | ≥ 205 (típico) | ≥ 205 (típico) |
| Alongamento (%) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| Tenacidade ao impacto | Excelente comportamento dúctil em temperaturas ambiente e baixas; não tipicamente especificado | Excelente comportamento dúctil em temperaturas ambiente e baixas; não tipicamente especificado |
| Dureza (recozido) | Tipicamente ≤ 95 HRB (aprox.) | Tipicamente ≤ 95 HRB (aprox.) |
Interpretação: - Na condição recozida, as mínimas de tração e escoamento são semelhantes para ambas as classificações; as diferenças de resistência são pequenas e normalmente dependentes do processo ou do trabalho a frio. - Ambas as classificações são dúcteis e resistentes; nenhuma é inerentemente mais forte que a outra no estado recozido. O trabalho a frio aumenta a resistência e diminui a ductilidade de forma semelhante para ambas. - Quaisquer pequenas diferenças no comportamento mecânico são normalmente atribuíveis à história de processamento (trabalho a frio, tratamento térmico) em vez do teor de Mo.
5. Soldabilidade
- Tanto o 304 quanto o 316 têm excelente soldabilidade com processos de soldagem por fusão e resistência padrão. Seu baixo teor de carbono (≤ 0.08) ajuda a limitar a suscetibilidade ao endurecimento e à fissuração.
- Índices de soldabilidade baseados em equivalente de carbono e composição podem orientar a seleção de preenchimento e práticas de pré/pós-soldagem. Fórmulas empíricas comuns:
- $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- Interpretação qualitativa:
- Ambas as classificações geralmente se enquadram na faixa de “boa soldabilidade”; variantes de baixo carbono (L) são preferidas onde a corrosão intergranular é uma preocupação após a soldagem.
- O uso de metal de enchimento 316 correspondente é comum ao soldar metal base 316 para preservar a resistência à corrosão; para 304, metais de enchimento 308 são típicos.
- O recozimento em solução pós-soldagem raramente é necessário para 304/316 na maioria das aplicações, a menos que as condições de serviço exijam a restauração total da resistência à corrosão em componentes sensibilizados. Para ambientes com alto teor de cloreto, recomenda-se selecionar 316L ou usar graus estabilizados para evitar sensibilização.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Como aços inoxidáveis, ambos dependem principalmente de um filme passivo de óxido de cromo para resistência à corrosão geral. Tratamentos de superfície (passivação, decapagem) podem melhorar a qualidade e a longevidade do filme passivo.
- Para ambientes agressivos (com cloreto, marinhos, processos químicos), o Tipo 316 fornece resistência superior à corrosão localizada (fissuração e fenda) devido à adição de molibdênio.
- O número equivalente de resistência à fissuração (PREN) é um índice comum: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
- Usando composições típicas, o PREN para o Tipo 304 está aproximadamente na faixa alta das dezenas (≈ 18–19), enquanto o Tipo 316 geralmente cai na faixa média das 20 (≈ 24–26). Um PREN mais alto implica melhor resistência à fissuração em ambientes com cloreto.
- Quando o inox não é adequado ou para aços carbono/ligados, as estratégias de proteção convencionais são galvanização, pintura e outros revestimentos; tais métodos estão fora do uso típico para 304/316, que são frequentemente selecionados para evitar manutenção de revestimento.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade: ambas as classificações têm excelente formabilidade na condição recozida; o 304 é ligeiramente mais comum para conformação profunda e complexa devido à ampla disponibilidade e comportamento previsível.
- Maquinabilidade: os aços inoxidáveis austeníticos endurecem facilmente; o 316 tende a ser ligeiramente mais difícil de usinar do que o 304 porque o molibdênio pode aumentar o desgaste da ferramenta e o 316 endurece mais. Use ferramentas robustas, geometria afiada e taxas de avanço mais altas com lubrificação suficiente para reduzir a formação de bordas acumuladas.
- Acabamento: ambos polidos bem; o 316 pode exigir química de decapagem/passivação ligeiramente diferente em ambientes agressivos para otimizar o filme passivo.
8. Aplicações Típicas
| Tipo 304 — Usos Típicos | Tipo 316 — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos de processamento de alimentos, utensílios de cozinha, acabamentos arquitetônicos, armazenamento químico (ambientes leves), componentes HVAC | Hardware marinho, trocadores de calor, equipamentos de processo farmacêutico, processamento químico com cloretos, elementos arquitetônicos costeiros |
| Acabamentos decorativos, pias domésticas, equipamentos de bebidas | Instrumentos cirúrgicos, dispositivos médicos (quando maior resistência à corrosão é necessária), componentes de dessalinização |
| Tubos, tubos, fixadores de uso geral em ambientes não clorados | Fixadores, bombas e válvulas expostas a água do mar ou correntes de processo ricas em cloreto |
Racional de seleção: - Escolha 304 onde resistência geral à corrosão, formabilidade, soldabilidade e menor custo são as prioridades e a exposição ao cloreto é limitada. - Escolha 316 onde o ambiente de serviço inclui cloretos, haletos ou outros meios que promovem corrosão por fissuração e fenda, ou onde o maior teor de liga justifica maior durabilidade e menor manutenção.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo: o 316 é geralmente mais caro que o 304 devido ao maior teor de níquel e à adição de molibdênio. Os preços flutuam com os valores de mercado de Ni e Mo.
- Disponibilidade: ambas as classificações estão amplamente disponíveis em chapa, placa, bobinas, barras, tubos e tubos. O 304 geralmente tem a base de fornecimento mais ampla e disponibilidade em estoque; o 316 é amplamente estocado, mas pode ter um prazo de entrega ligeiramente mais longo ou ser mais caro em formas de produtos especiais ou grandes volumes.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | Tipo 304 | Tipo 316 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente (use variantes L se o risco de sensibilização) | Excelente (use variantes L ou enchimento correspondente para melhor desempenho contra corrosão) |
| Resistência–Tenacidade | Boa, semelhante; propriedades dependem do trabalho a frio | Boa, semelhante; propriedades dependem do trabalho a frio |
| Custo | Menor (mais econômico) | Maior (molibdênio e maior teor de Ni) |
Recomendação: - Escolha 304 se: o serviço for não clorado ou levemente corrosivo, a sensibilidade ao custo for significativa e excelente formabilidade/soldabilidade for necessária para equipamentos de uso geral (por exemplo, processamento de alimentos, instalações domésticas, aplicações arquitetônicas). - Escolha 316 se: o componente enfrentar ambientes contendo cloreto (marinhos, costeiros ou correntes de processo ricas em cloreto), onde a resistência aprimorada à corrosão por fissuração e fenda justifica o maior custo do material; também escolha 316 para muitas aplicações de processos farmacêuticos e químicos onde a confiabilidade do serviço em meios agressivos é crítica.
Nota final: especifique variantes de baixo carbono (L) ou estabilizadas e metais de enchimento apropriados quando ciclos de soldagem ou exposição a altas temperaturas puderem causar sensibilização. Para aplicações críticas, realize uma avaliação de risco de corrosão específica do local (incluindo concentração de cloreto, temperatura, geometrias de fenda e exposição cíclica) para confirmar a seleção da classificação e considere aços inoxidáveis duplex ou austeníticos mais altamente ligados quando necessário.