304 vs 321 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis austeníticos 304 e 321 estão entre as classificações mais comumente especificadas em design, fabricação e aquisição. Engenheiros e profissionais de compras pesam rotineiramente as compensações entre resistência à corrosão, estabilidade em altas temperaturas, soldabilidade e custo ao selecionar entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem a fabricação de vasos de pressão, equipamentos para alimentos e bebidas, componentes de trocadores de calor e montagens soldadas expostas a temperaturas elevadas.
A principal característica distintiva é que uma classificação é estabilizada contra a precipitação de carboneto de cromo pela adição intencional de um formador de carboneto, melhorando a resistência à corrosão intergranular na faixa de sensibilização de 425–870 °C. Como as duas classificações compartilham matrizes semelhantes de cromo-níquel, elas são frequentemente comparadas pelos benefícios de custo e desempenho incrementais que a estabilização oferece em aplicações de alta temperatura ou soldadas.
1. Normas e Designações
- Normas internacionais comuns:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (China): 06Cr19Ni10 (aprox. 304), 0Cr18Ni9Ti (aprox. 321)
- Classificação: Ambos são aços inoxidáveis austeníticos (inox), não magnéticos na condição recozida, não são aços de carbono, liga, ferramenta ou HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
| Elemento | 304 típico (wt%) | 321 típico (wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mo | 0.00–0.60 (geralmente nenhum) | 0.00–0.60 (geralmente nenhum) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (não adicionado) | — (não é estabilizador primário; geralmente não está presente) |
| Ti | — (tipicamente ≤ 0.10 se presente) | 0.15–0.70 (estabilizador) |
| B | — | — |
| N | traço até ~0.10 | traço até ~0.10 |
Notas: - A tabela lista faixas comerciais comuns; os limites exatos dependem da norma específica e da forma do produto. - A classificação 321 contém deliberadamente titânio em uma faixa controlada para amarrar carbono como carbonetos/nitretos de titânio, em vez de permitir a precipitação de carboneto de cromo nas fronteiras dos grãos. - Estratégia de liga: O cromo fornece resistência à corrosão; o níquel estabiliza a estrutura austenítica; o titânio em 321 previne a sensibilização, melhorando a resistência à corrosão intergranular após soldagem ou exposição a altas temperaturas.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura típica (recozida): Ambas as classificações são totalmente austeníticas com grãos de austenita uniformemente distribuídos. Os carbonetos são mínimos no 321 devidamente estabilizado e geralmente distribuídos finamente no 304 recozido.
- Sensibilização e estabilização:
- O 304 é suscetível à precipitação de carboneto de cromo nas fronteiras dos grãos quando mantido na faixa de 425–870 °C (sensibilização), o que pode promover a corrosão intergranular.
- O 321 forma carbonetos/nitretos de titânio que consomem preferencialmente carbono e nitrogênio, minimizando a formação de carboneto de cromo e, assim, reduzindo a suscetibilidade ao ataque intergranular.
- Resposta ao tratamento térmico:
- Aços inoxidáveis austeníticos não são endurecidos por resfriamento e revenimento, típico de aços ferríticos/pearlíticos. O recozimento de solução (por exemplo, 1010–1150 °C dependendo da especificação) seguido de resfriamento rápido restaura a resistência à corrosão e a ductilidade.
- O trabalho a frio aumenta a resistência por meio do endurecimento por deformação e pode alterar o desempenho de corrosão; a recuperação/recozimento é usada para restaurar a ductilidade.
- A normalização não é aplicável no mesmo sentido que para aços de carbono—o recozimento de solução e o resfriamento diferem dos processos de normalização/resfriamento e revenimento usados para ajustar a microestrutura em aços de liga.
4. Propriedades Mecânicas
| Propriedade (recozida) | 304 típico | 321 típico |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~500–600 | ~500–600 |
| Prova de 0.2% / Esforço (MPa) | ~170–275 (comumente ≈205) | ~170–275 (comumente ≈205) |
| Alongamento (% em 50 mm) | ~40–60 | ~40–60 |
| Dureza de impacto | Boa em temperatura ambiente; mantém tenacidade em temperaturas moderadamente baixas | Semelhante ao 304; mantém tenacidade em temperaturas de serviço elevadas melhor devido à estabilização |
| Dureza (Brinell / HB) | ~100 HB (~80–200 dependendo do endurecimento por trabalho) | ~100 HB (semelhante) |
Explicação: - Na condição recozida, ambas as classificações têm propriedades mecânicas de base muito semelhantes porque a química da matriz (austenita Cr–Ni) é comparável. - O trabalho a frio ou o endurecimento por deformação aumentam marcadamente a resistência e a dureza para ambos. - A estabilização com titânio tem influência mínima na resistência à temperatura ambiente, mas melhora o desempenho sob ciclos térmicos, prevenindo a precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos que podem embrittle as fronteiras dos grãos no 304 sensibilizado.
5. Soldabilidade
- Tanto o 304 quanto o 321 são considerados facilmente soldáveis usando processos comuns (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). O baixo teor de carbono ajuda a evitar problemas de endurecimento do metal de solda e trincas por hidrogênio típicos em aços de maior carbono.
- Considerações sobre soldagem:
- O 304 pode ser suscetível à corrosão intergranular na zona afetada pelo calor (HAZ) se o resfriamento for lento através da faixa de sensibilização ou se o serviço expuser montagens soldadas a temperaturas sensibilizadoras.
- O estabilizador de titânio do 321 amarra o carbono, reduzindo a precipitação de carboneto de cromo na HAZ; portanto, o 321 é preferido para componentes soldados que estarão expostos a altas temperaturas por longos períodos.
- Índices de soldabilidade comuns (interprete qualitativamente):
- Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Um $CE_{IIW}$ mais baixo indica soldagem mais fácil; ambas as classificações têm baixos equivalentes de carbono em comparação com aços de alta liga. - O número equivalente de resistência à corrosão por pite (PREN) não é um índice de soldabilidade, mas útil para classificação de corrosão (veja a próxima seção).
- Parâmetro combinado simplificado:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Um $P_{cm}$ mais alto pode indicar maior tendência a trincas; o titânio aumenta ligeiramente o $P_{cm}$, mas fornece estabilização benéfica contra sensibilização. - Orientação prática: Para fabricação geral onde a exposição a altas temperaturas pós-soldagem é improvável, o 304 é aceitável e econômico. Para componentes soldados que operarão ou estarão expostos a temperaturas sensibilizadoras, o 321 reduz o risco de corrosão intergranular sem exigir recozimento de solução pós-soldagem.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Classificações inoxidáveis:
- Use PREN para avaliar a resistência a pites quando Mo e N variam:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Para 304 e 321, Mo e N são baixos, então os valores de PREN são modestos e ambos não são altamente resistentes a pites em comparação com classificações duplex ou superausteníticas que contêm Mo. - Corrosão geral: Ambas as classificações exibem excelente resistência à corrosão aquosa geral em temperaturas ambiente devido ao seu teor de cromo.
- Corrosão intergranular: O 304 pode ser vulnerável após exposição a temperaturas sensibilizadoras; o 321 é estabilizado para reduzir esse risco.
- Aços não inoxidáveis:
- Não aplicável aqui; métodos comuns de proteção de superfície não inoxidáveis (galvanização, pintura) são irrelevantes para 304/321 destinados a fornecer resistência à corrosão por composição.
- Quando o inoxidável é insuficiente:
- Para ambientes poluídos por cloretos ou onde pites são uma preocupação, considere classificações que contenham Mo (por exemplo, 316) ou ligas duplex/superausteníticas.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade:
- Aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que aços de carbono devido ao alto endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica.
- 304 e 321 têm maquinabilidade comparável; ferramentas especializadas, velocidades mais lentas e alimentações mais pesadas são típicas.
- Formabilidade:
- Excelente ductilidade e formabilidade na condição recozida permitem conformação profunda e formação complexa para ambas as classificações.
- Retorno e endurecimento por trabalho são maiores do que para aço macio; planeje folgas de conformação e recozimentos intermediários para deformação severa.
- Acabamento de superfície:
- Ambos aceitam acabamentos padrão (polimento, passivação, eletropolimento) bem. A passivação com ácido nítrico ou cítrico é comumente usada para restaurar o óxido de cromo na superfície após a fabricação.
- Soldagem e pós-processamento:
- Para montagens que devem evitar sensibilização e não podem ser tratadas termicamente após a soldagem, o 321 pode eliminar a necessidade de tratamento térmico pós-soldagem caro.
8. Aplicações Típicas
| 304 — Usos Típicos | 321 — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos para alimentos e bebidas, utensílios de cozinha, pias | Sistemas de escape de aeronaves, juntas de expansão e componentes de fornos de alta temperatura |
| Equipamentos químicos para serviços não clorados | Tubulação de trocadores de calor e montagens soldadas expostas a 500–800 °C |
| Acabamentos arquitetônicos e corrimãos internos | Dutos de gás quente petroquímicos onde existe risco de sensibilização |
| Vasos de pressão e tubulações em temperaturas ambiente a moderadas | Componentes aeroespaciais e industriais de alta temperatura que requerem estabilização |
Racional de seleção: - Escolha 304 onde a resistência à corrosão geral, formabilidade e custo são critérios primários e onde a exposição a temperaturas sensibilizadoras a longo prazo é improvável. - Escolha 321 quando montagens ou componentes soldados experimentarem temperaturas cíclicas ou sustentadas na faixa de sensibilização, ou onde a corrosão intergranular após exposição térmica é um modo crítico de falha.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- O 304 é mais comum e geralmente menos caro que o 321 devido a volumes de produção mais altos e química mais simples.
- O 321 tem um pequeno prêmio pelo acréscimo de titânio e por ser uma classificação especial de alta temperatura.
- Disponibilidade por forma de produto:
- O 304 está amplamente disponível em chapa, placa, bobina, tubo, barra e fixadores globalmente.
- O 321 está amplamente disponível, mas os prazos de entrega e tamanhos de estoque podem ser menores para algumas formas de produto (por exemplo, tubos especiais ou forjados de grande diâmetro) em comparação com o 304.
- Considerações de aquisição:
- Para grandes projetos, a volatilidade de preços nos mercados de níquel afeta ambas as classificações; o 321 pode mostrar uma sensibilidade ligeiramente maior devido a lotes de produção mais restritos.
10. Resumo e Recomendação
| Atributo | 304 | 321 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente para a maioria das aplicações; atenção ao risco de sensibilização na HAZ | Excelente; a química estabilizada reduz o risco de corrosão intergranular após a soldagem |
| Resistência–Tenacidade (recozida) | Comparável; boa tenacidade e ductilidade | Comparável; tenacidade semelhante com estabilidade térmica melhorada |
| Custo | Mais baixo (mais comum) | Mais alto (classe especial estabilizada com titânio) |
Recomendações: - Escolha 304 se: - A aplicação requer resistência à corrosão de uso geral em temperaturas ambiente ou moderadas. - Custo, disponibilidade e conveniência de conformação/maquinagem são preocupações primárias. - Montagens soldadas não estarão expostas a serviço prolongado na faixa de sensibilização de 425–870 °C ou o tratamento térmico pós-soldagem é viável. - Escolha 321 se: - A peça será soldada e operará ou será exposta repetidamente a temperaturas que promovem a precipitação de carboneto de cromo (sensibilização), ou onde o recozimento de solução pós-soldagem é impraticável. - A estabilidade em altas temperaturas e a resistência à corrosão intergranular são críticas para a missão (por exemplo, trocadores de calor, sistemas de escape). - Um custo de material ligeiramente mais alto é aceitável para reduzir a manutenção e melhorar a confiabilidade a longo prazo.
Nota final: Ambas as classificações são aços inoxidáveis austeníticos duráveis e amplamente utilizados. A decisão entre 304 e 321 geralmente depende do perfil de temperatura de exposição do componente e se a estabilização contra corrosão intergranular (por meio da adição de titânio) é justificada para garantir o desempenho a longo prazo após soldagem ou ciclos térmicos.