304H vs 321H – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

304H e 321H são dois aços inoxidáveis austeníticos amplamente utilizados em ambientes de vasos de pressão, alta temperatura e fabricação geral. Engenheiros e equipes de compras frequentemente ponderam a resistência à corrosão, o desempenho em alta temperatura e o custo de fabricação ao selecionar entre eles. Os contextos de decisão comuns incluem: temperatura de serviço (resistência ao fluência e à carbonização), suscetibilidade à sensibilização durante a soldagem e subsequente corrosão intergranular, e considerações de manutenção ao longo da vida útil.

A principal diferença prática é que uma liga é intencionalmente ligada a um elemento estabilizador para controlar a precipitação de carbonetos e preservar a resistência à corrosão após a exposição a faixas de temperatura intermediárias, enquanto a outra depende de um maior teor de carbono para melhorar a resistência em alta temperatura. Como ambas são derivadas da família austenítica da série 300, elas são frequentemente comparadas onde os trade-offs entre a resistência mecânica em alta temperatura e a resistência a ataques intergranulares a longo prazo devem ser equilibrados.

1. Normas e Designações

• Normas e especificações internacionais comuns:
• ASTM/ASME: A240/A312 (chapas/placas e tubos para inox), A182 (para forjados), etc.
• EN: Série EN 10088 / equivalentes EN ISO.
• JIS: JIS G4303, G4311, etc.
• GB: Normas nacionais chinesas para aços inoxidáveis.
• Classificação:
• 304H — Aço inoxidável, austenítico (variante de alto carbono de 304).
• 321H — Aço inoxidável, austenítico estabilizado com titânio (variante de alto carbono de 321 onde "H" denota maior carbono para resistência à fluência).

Nota: A designação numérica exata e os limites de composição podem variar conforme a norma; sempre confirme com a especificação aplicável e o certificado do moinho.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: Intervalos de composição típica (wt%). Os valores são intervalos representativos comumente usados em especificações; consulte a norma controladora ou o relatório de teste do moinho para limites exatos.

Elemento	304H (wt% típico)	321H (wt% típico)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0 (típ. 1.0–2.0)	≤ 2.0 (típ. 1.0–2.0)
Si	≤ 0.75	≤ 0.75
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.0 – 19.0	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 10.5	8.0 – 12.0
Mo	~0 (traço)	~0 (traço)
V	traço	traço
Nb (Cb)	traço/0	traço/0
Ti	0 (traço)	0.15 – 0.7 (estabilizador)
B	traço	traço
N	traço (até ~0.1)	traço (até ~0.1)

Como a liga afeta as propriedades - Carbono (C): O maior teor de carbono nas ligas "H" aumenta o endurecimento por solução e a resistência à fluência em temperaturas elevadas, mas aumenta o risco de formação de carbonetos de cromo em temperaturas intermediárias se não estabilizado. - Cromo (Cr): Elemento primário para resistência geral à corrosão e formação de filme de passivação. - Níquel (Ni): Estabiliza a austenita, melhora a tenacidade e ductilidade, e ajuda na resistência à corrosão. - Titânio (Ti) em 321H: Atua como formador de carbonetos que liga preferencialmente o carbono para formar TiC/Ti(C,N) em vez de carbonetos de cromo; isso reduz a sensibilização e a corrosão intergranular após a exposição a temperaturas sensibilizadoras. - Outros elementos (Mn, Si, N): Ajustam as propriedades mecânicas, o comportamento de desoxidação e a resistência à picotamento (N).

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestruturas - Ambas as ligas são austeníticas (cúbicas de face centrada) na condição de recozimento em solução. As características primárias são a matriz de austenita com possíveis carbonetos finos, nitretos e precipitados estabilizadores dependendo da química e da história térmica. - 304H: Com maior teor de carbono, há uma tendência aumentada para formar carbonetos de cromo (Cr23C6) ao longo das fronteiras de grão quando exposto à faixa de sensibilização (~425–850 °C). Se resfriado do recozimento em solução sem estabilização, a sensibilização pode ocorrer sob certos ciclos térmicos. - 321H: O titânio forma preferencialmente precipitados de TiC/Ti(C,N), ligando o carbono e reduzindo ou prevenindo a precipitação de carbonetos de Cr nas fronteiras de grão.

Resposta ao tratamento térmico - Recozimento em solução (típico para inox austeníticos): recozimento em alta temperatura seguido de resfriamento rápido restaura uma austenita homogênea e dissolve a maioria dos precipitados. Para ambas as ligas, o recozimento em solução é a maneira padrão de remover a sensibilização anterior se soluções completas forem viáveis. - Estabilização: O teor de titânio em 321H não requer tratamento térmico de estabilização especial além do recozimento em solução normal; a estabilização ocorre metalurgicamente através da formação de TiC. - Trabalho a frio e envelhecimento: O trabalho a frio aumenta a resistência, mas pode aumentar a suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão em ambientes de cloreto para qualquer inox austenítico. - Normalização/resfriamento e têmpera: Não aplicável no sentido tradicional porque estas são ligas inox austeníticas, não transformáveis; elas não respondem ao resfriamento e têmpera da mesma forma que os aços ferríticos ou martensíticos.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Intervalos típicos de propriedades mecânicas (temperatura ambiente, condições recozidas/recozidas em solução). Estes são representativos e dependem fortemente da forma do produto, temperatura e tratamento térmico.

Propriedade	304H (típico)	321H (típico)
Resistência à tração (MPa)	~500 – 700	~480 – 700
Resistência ao escoamento (0.2% prova, MPa)	~200 – 310	~200 – 310
Alongamento (%)	~40 – 60	~40 – 60
Tenacidade ao impacto (Charpy V, J)	Boa a RT; diminui com o trabalho a frio	Boa a RT; diminui com o trabalho a frio
Dureza (HB/HRB)	Relativamente baixa na condição recozida	Semelhante a 304H na condição recozida

Explicação - Resistência: Ambas as ligas têm propriedades de tração e escoamento amplamente semelhantes na condição recozida. Diferenças sutis podem ocorrer devido ao teor de Ni e pequenas diferenças no estado de carbono/estabilizador. O aumento de carbono "H" proporciona uma resistência em alta temperatura um pouco aprimorada em relação ao 304 padrão em temperaturas de serviço elevadas. - Tenacidade/ductilidade: A estrutura austenítica confere excelente ductilidade e tenacidade à temperatura ambiente para ambas. O trabalho a frio e os precipitados embrittlers (por exemplo, carbonetos de Cr contínuos) podem reduzir a tenacidade. - Temperatura elevada: 304H e 321H mantêm ductilidade em temperaturas elevadas; no entanto, como 321H resiste à precipitação de carbonetos, é favorecido onde se espera exposições repetidas ou prolongadas na faixa de sensibilização e onde as propriedades de corrosão após ciclos térmicos são críticas. Para resistência à fluência a longo prazo em altas temperaturas, consulte dados de fluência específicos para o produto/aquecimento.

5. Soldabilidade

Tanto 304H quanto 321H são considerados soldáveis por processos padrão (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG, etc.), mas há considerações importantes:

• Carbono/dureza: O maior teor de carbono aumenta o risco de sensibilização ou formação de intermetálicos frágeis na HAZ. A estabilização (321H) minimiza esse risco ao ligar o carbono.
• Índices de soldabilidade: Fórmulas empíricas comumente usadas para estimar o risco de soldabilidade incluem:
• Equivalente de Carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Índice Dearden & Smith (Pcm): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretação (qualitativa): Valores mais altos de $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ correlacionam-se com maior dureza e aumento do risco de fissuração na HAZ em aços carbono; para aços inox austeníticos, essas fórmulas são usadas com cautela. O maior teor de carbono de 304H pode aumentar a sensibilidade à precipitação de carbonetos na HAZ e exigir atenção à temperatura entre passes e tratamentos pós-soldagem. 321H geralmente mostra melhor resistência ao ataque intergranular após a soldagem devido à estabilização com Ti; isso torna 321H preferível em montagens soldadas de alta temperatura onde ocorre exposição à faixa de sensibilização.

Orientação prática - Use consumíveis de baixo oxigênio, baixo enxofre e metais de enchimento apropriados (equivalentes correspondentes ou estabilizados). - Controle a entrada de calor e as temperaturas entre passes para limitar a precipitação nas fronteiras de grão. - Para serviços críticos onde a corrosão intergranular é inaceitável, selecione ligas estabilizadas (321/321H) ou aplique recozimento em solução pós-soldagem onde viável.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Contexto inox austenítico: Ambos são inoxidáveis; a resistência geral à corrosão em ambientes oxidantes é excelente devido à passivação do cromo. O ataque localizado (picotamento/fenda) depende dos níveis de cloreto e não é materialmente diferente entre os dois quando a composição e o acabamento da superfície são semelhantes.
• Sensibilização e corrosão intergranular: 304H, com carbono elevado, é mais propenso a formar carbonetos de cromo após exposição térmica na faixa de temperatura de sensibilização, o que pode levar à corrosão intergranular. O estabilizador de titânio em 321H reduz esse risco formando carbonetos de titânio em vez disso.
• PREN (número equivalente de resistência ao picotamento) não é muito útil para essas ligas da série 300 sem molibdênio, mas a fórmula geral é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Nessas ligas, Mo é efetivamente zero, então as diferenças de PREN são mínimas e dependem principalmente do teor de nitrogênio.
• Proteção de superfície para cenários não inoxidáveis: Não aplicável aqui; no entanto, em ambientes altamente agressivos, revestimentos adicionais ou proteção catódica podem ser necessários.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Formabilidade: A estrutura austenítica proporciona excelente formabilidade e características de conformação profunda para ambas as ligas na condição recozida. O trabalho a frio aumenta a resistência, mas reduz a ductilidade.
• Maquinabilidade: Os aços inox austeníticos típicos têm maquinabilidade ruim a moderada em comparação com aços carbono; o maior carbono (304H/321H) não melhora substancialmente a maquinabilidade. Use materiais de ferramenta apropriados (pontas de carboneto), montagens rígidas e ferramentas de alta inclinação positiva. Espere endurecimento durante a usinagem, então o controle de cavacos e os parâmetros de corte são importantes.
• Acabamento de superfície e polimento: Ambos polidos e acabados bem; 321H pode exigir parâmetros de decapagem/polimento ligeiramente diferentes se partículas de TiN/TiC estiverem presentes após a fabricação.

8. Aplicações Típicas

Tabela: Usos comuns por liga

304H – Aplicações típicas	321H – Aplicações típicas
Partes de forno, tubulações de alta temperatura e vasos de pressão onde é necessária maior resistência em alta temperatura e o risco de sensibilização pode ser gerenciado	Componentes de escape e turbocompressor, dutos de aeronaves e aeroespaciais, tubulações de processos químicos e trocadores de calor expostos a ciclos térmicos e temperaturas sensibilizadoras
Componentes de caldeira, tubos de superaquecedor/reaquecer (onde o aumento de carbono é especificado para fluência)	Componentes de motores a jato e turbinas a gás onde a estabilização contra ataque intergranular é crítica
Fabricação geral onde é necessária resistência em temperatura elevada com sensibilidade ao custo	Montagens soldadas expostas a faixas de temperatura intermediárias que requerem resistência à corrosão intergranular após a soldagem

Racional de seleção - Escolha 304H quando a resistência em temperatura elevada for necessária e o ciclo térmico ou a rota de fabricação evitará sensibilização prolongada ou quando o recozimento em solução pós-soldagem for viável. - Escolha 321H quando o ciclo térmico ou a soldagem em componentes expostos ao serviço tornarem a proteção contra sensibilização essencial e quando a resistência à corrosão intergranular a longo prazo for uma prioridade.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: Ambas as ligas são comumente produzidas e amplamente disponíveis. 321H geralmente tem um pequeno prêmio sobre 304H devido à adição de titânio e ao controle rigoroso necessário para os níveis de estabilizador. O preço depende do teor de Ni, das condições de mercado e da forma (placa, tubo, barra).
• Disponibilidade por forma de produto: Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em placa, chapa, tubo e tubo; forjados sem costura ou de alta integridade podem ter prazos de entrega. 304H é comumente especificado para aços de vasos de pressão; 321H é frequentemente estocado para aplicações de alta temperatura e estabilizadas.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Comparação rápida (qualitativa)

Atributo	304H	321H
Soldabilidade	Boa com cuidado; maior C aumenta o risco de sensibilização	Muito boa para montagens soldadas, ciclando termicamente (estabilizado)
Resistência–Tenacidade (alta temp)	Boa resistência em temperatura elevada devido ao maior C	Boa resistência em temperatura elevada; estabilização preserva a tenacidade após o ciclo
Custo	Baixo a moderado	Moderado (ligeiramente mais alto)

Recomendações - Escolha 304H se: você precisar de resistência em alta temperatura aprimorada de um inox austenítico de alto carbono em aplicações onde a exposição térmica evite longos períodos na faixa de sensibilização, ou onde o recozimento em solução pós-fabricação e práticas de soldagem cuidadosas possam ser aplicadas. É adequado quando a sensibilidade ao custo é um fator e os benefícios do estabilizador não são necessários. - Escolha 321H se: a peça passar por soldagem, ciclos térmicos repetidos ou serviço a longo prazo na faixa de temperatura de sensibilização e a resistência à corrosão intergranular for crítica. 321H é preferido quando minimizar o tratamento térmico pós-soldagem ou preservar a resistência à corrosão após a fabricação é um requisito primário.

Nota final: A escolha entre 304H e 321H deve ser feita com referência à temperatura de serviço específica, ciclo térmico, ambiente de corrosão e requisitos regulatórios/normativos para o componente. Consulte certificados de teste do moinho, dados de fluência/ruptura para temperaturas operacionais pretendidas e qualificações de procedimento de soldagem ao especificar qualquer uma das ligas.