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

Introdução

304H e 321H são duas ligas de aço inoxidável austenítico comumente especificadas para aplicações de alta temperatura e resistência à corrosão. Engenheiros e profissionais de compras frequentemente ponderam as compensações entre resistência à corrosão, desempenho em alta temperatura, soldabilidade e custo ao selecionar entre elas. Os contextos típicos de decisão incluem componentes de vasos de pressão e fornos, tubulações de trocadores de calor e tubulações em plantas petroquímicas ou de geração de energia.

A principal distinção técnica é seu comportamento em temperaturas elevadas: 321H é estabilizado com titânio para resistir à precipitação de carbonetos de cromo e à corrosão e oxidação nas fronteiras de grão durante a exposição prolongada a altas temperaturas, enquanto 304H depende de um maior teor de carbono para manter a resistência à temperatura, mas é mais propenso à sensibilização, a menos que seja processado com cuidado. Por causa disso, as duas ligas são rotineiramente comparadas para serviço em temperaturas intermediárias e altas, onde a oxidação, resistência ao fluência e corrosão pós-solda são preocupações.

1. Normas e Designações

• Normas e especificações comuns:
• ASTM/ASME: A240/A312 (chapas, placas e tubos para aços inoxidáveis); A358/A213 para algumas aplicações de alta temperatura.
• EN: série EN 10088 (aços inoxidáveis).
• JIS: equivalentes JIS G4303/G4305 existem para a série 300.
• GB: normas GB/T para aços inoxidáveis (normas nacionais da RPC).
• Classificação:
• Tanto 304H quanto 321H são aços inoxidáveis (austeníticos).
• Não são aços carbono, aços para ferramentas ou ligas HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela: intervalos de composição típica (peso %) — os intervalos refletem bandas de especificação comuns; os limites exatos dependem da norma e da forma do produto.

Elemento	304H (intervalos típicos)	321H (intervalos típicos)
C	0.04 – 0.10	0.04 – 0.10
Mn	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
P	≤ 0.045	≤ 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	17.5 – 19.5	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mo	Geralmente ≤ 0.6 (frequentemente ausente)	Geralmente ≤ 0.6 (frequentemente ausente)
V	—	—
Nb	—	—
Ti	≤ 0.7 (tipicamente baixo ou nenhum)	5 × C (mín) a ≈ 0.7
B	Traço/controlado	Traço/controlado
N	Traço; pequenas quantidades	Traço; pequenas quantidades

Notas: - 304H é uma variante de maior carbono de 304 projetada para manter a resistência à tração em temperaturas elevadas; elementos estabilizadores não são adicionados intencionalmente. - 321H é estabilizado com titânio: o titânio liga-se ao carbono como carbonetos/nitruretos de titânio durante a exposição térmica, prevenindo a formação de carbonetos de cromo nas fronteiras de grão. - A presença de Ti em 321H distingue sua estratégia de liga: estabilização para serviço em alta temperatura e resistência à corrosão intergranular após ciclos de sensibilização.

Como a liga afeta as propriedades: - O carbono aumenta a resistência em alta temperatura, mas eleva o risco de sensibilização (precipitação de carbonetos de cromo) que pode levar à corrosão intergranular. - O cromo proporciona resistência à corrosão e resistência à oxidação em alta temperatura ao formar uma camada de óxido protetora. - O níquel estabiliza a fase austenítica, melhorando a tenacidade e a ductilidade. - O titânio (em 321H) captura carbono e reduz a formação de carbonetos de cromo, melhorando a resistência ao ataque nas fronteiras de grão durante a exposição a altas temperaturas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura típica (recozido): ambas as ligas são totalmente austeníticas (cúbicas de face centrada) na condição recozida. Dispersion de carbonetos ou carbonetos de Ti podem aparecer dependendo da história térmica.
• 304H: maior teor de carbono produz mais tendência à precipitação de carbonetos (Cr23C6) após exposição na faixa de sensibilização (~450–850 °C). Tal precipitação ocorre nas fronteiras de grão e pode levar à depleção local de cromo e corrosão intergranular. Sem estabilização, a microestrutura após a exposição pode mostrar redes contínuas de carbonetos nas fronteiras.
• 321H: o titânio forma carbonetos/nitruretos de titânio estáveis preferencialmente em relação aos carbonetos de cromo. Isso resulta em menor depleção de cromo nas fronteiras e uma microestrutura mais resistente à sensibilização em alta temperatura e ao ataque intergranular.

Tratamento térmico e rotas de processamento: - Recozimento: O recozimento típico para aços inoxidáveis austeníticos (incluindo 304H e 321H) é em torno de 1010–1120 °C seguido de resfriamento rápido para manter uma estrutura austenítica homogênea. O resfriamento rápido reduz a precipitação de carbonetos. - Normalização não é padrão para essas ligas austeníticas porque não exibem a transformação de ferrita-perlita típica dos aços carbono. - Tempera e revenimento: Não aplicável no sentido do aço carbono; aços inoxidáveis austeníticos não são endurecidos por transformação martensítica. - Tratamentos termo-mecânicos: O trabalho a frio aumenta a resistência por meio do endurecimento por deformação para ambas as ligas; um recozimento final pode ser aplicado dependendo das propriedades requeridas. - Para serviço que passa por temperaturas de sensibilização ou requer estabilidade em alta temperatura a longo prazo, 321H requer menos controle de calor pós-solda para evitar sensibilização do que 304H.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: Intervalos típicos de propriedades em temperatura ambiente (indicativos; dependem da forma do produto, espessura e especificação exata)

Propriedade	304H (recozido, típico)	321H (recozido, típico)
Resistência à Tração (MPa)	480 – 700	480 – 700
Resistência ao Escoamento, 0.2% (MPa)	190 – 310	190 – 310
Alongamento (%)	40 – 60	40 – 60
Tenacidade ao Impacto (Charpy V, temperatura ambiente)	Alta; boa ductilidade	Alta; boa ductilidade
Dureza (HB ou HRB, recozido)	Baixa–moderada (macio)	Baixa–moderada (macio)

Interpretação: - Em temperatura ambiente e na condição recozida, 304H e 321H têm características de resistência à tração, escoamento e ductilidade muito semelhantes, pois ambos são aços inoxidáveis austeníticos com conteúdos comparáveis de Cr e Ni. - As diferenças tornam-se mais pronunciadas durante a exposição prolongada a altas temperaturas: 304H pode perder resistência à corrosão localizada e ductilidade nas fronteiras de grão se sensibilizado; 321H mantém uma química de fronteira de grão mais estável e, portanto, mantém melhor a tenacidade e resistência à corrosão nesses regimes. - A seleção de propriedades mecânicas deve levar em conta a forma do produto (chapas, placas, tubos), trabalho a frio e se o componente será utilizado em serviço crítico de fluência em alta temperatura.

5. Soldabilidade

Considerações sobre soldabilidade incluem teor de carbono (maior carbono aumenta a endurecibilidade e o risco de sensibilização), presença de elementos estabilizadores e controle de entrada de calor.

Índices de soldabilidade comuns: - Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Número equivalente de resistência à corrosão por pite (quando relevante para avaliação de corrosão por pite): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Tanto 304H quanto 321H são facilmente soldados por processos padrão (TIG, MIG, SMAW, etc.). Como são austeníticos, não endurecem martensiticamente e não são suscetíveis a trincas a frio. - O maior teor de carbono em 304H aumenta o risco de sensibilização após a soldagem se ocorrer resfriamento lento; isso pode levar à corrosão intergranular na zona afetada pelo calor (HAZ). O recozimento ou práticas de resfriamento rápido pós-solda podem mitigar isso. - 321H, com estabilização de titânio, é menos propenso à sensibilização pós-solda; o Ti liga-se ao carbono durante o aquecimento/soldagem e forma precipitados estáveis de Ti(C,N), reduzindo a depleção de cromo nas fronteiras de grão. Isso torna 321H uma escolha preferida para soldagens que sofrerão exposição prolongada na faixa de sensibilização. - Para ambas as ligas, boas práticas de soldagem — controle da entrada de calor, temperatura entre passes e uso de metais de adição apropriados — garantem desempenho aceitável da junta. Quando a resistência à corrosão na HAZ é crítica, escolha uma liga estabilizada ou alternativas de baixa carbono da classe L (por exemplo, 304L).

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Para inoxidáveis (tanto 304H quanto 321H): a camada passiva de óxido de cromo fornece resistência geral à corrosão. Nenhuma das ligas contém molibdênio significativo, portanto, a resistência à corrosão por pite e fendas em ambientes de cloreto é limitada em comparação com ligas contendo Mo (por exemplo, 316).
• PREN (para equivalência de resistência à corrosão por pite onde Mo e N são relevantes): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Como o Mo está tipicamente ausente ou baixo em 304H/321H e o N é baixo, os valores de PREN serão modestos; PREN é mais aplicável a austeníticos duplex e contendo Mo.
• Corrosão/oxidação em alta temperatura:
• 321H demonstra resistência melhorada à corrosão intergranular relacionada à sensibilização e aderência de escala durante exposição prolongada na faixa de 500–800 °C devido à estabilização com titânio.
• 304H, embora projetado para manter a resistência à tração em temperaturas elevadas, pode formar carbonetos de cromo nas fronteiras de grão, levando à depleção local de cromo e reduzida resistência à corrosão intergranular, a menos que a entrada de calor e o resfriamento sejam controlados.
• Materiais não inoxidáveis (não aplicável aqui): onde aços não inoxidáveis são utilizados, as opções de proteção incluem galvanização, sistemas de pintura ou revestimentos de alta temperatura; para aços inoxidáveis de alta temperatura, as características da camada de óxido protetora e a escolha da liga dominam.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Ambas as ligas são típicas de aços inoxidáveis austeníticos — o trabalho de endurecimento e o comportamento pegajoso requerem ferramentas rígidas, velocidades adequadas e insertos afiados. A maquinabilidade é moderada e semelhante para 304H e 321H; 321H pode ser marginalmente mais difícil devido à presença de carbonetos de Ti que afetam o desgaste da ferramenta.
• Formabilidade: Ambas as ligas são altamente dúcteis e moldáveis na condição recozida. O trabalho a frio aumenta a resistência por meio do endurecimento por deformação, mas reduz a ductilidade.
• Acabamento de superfície: Ambas aceitam métodos comuns de acabamento inoxidável (desbaste, polimento, eletropolimento) e respondem de maneira semelhante, embora inclusões contendo Ti em 321H possam impactar o comportamento de micro-etching.
• Soldagem e operações pós-solda: Como observado, 321H reduz a necessidade de recozimento de solução pós-solda quando o serviço inclui exposição prolongada a altas temperaturas; 304H pode exigir mais cuidado para evitar sensibilização.

8. Aplicações Típicas

304H — Usos Típicos	321H — Usos Típicos
Vasos de pressão e tubulações para sistemas de vapor em alta temperatura onde maior resistência de carbono é necessária, mas a sensibilização pode ser controlada	Componentes de exaustão de aeronaves, partes de fornos e tubulações de trocadores de calor expostas a altas temperaturas cíclicas onde a estabilização é necessária
Tubos e cabeçotes de trocadores de calor em caldeiras onde resistência à tração em alta temperatura é necessária	Equipamentos de processo químico e petroquímico expostos a faixas de temperatura de sensibilização ou com ciclos térmicos repetitivos
Componentes estruturais gerais de alta temperatura e conexões onde a resistência à corrosão da família 304 é aceitável	Chaminés, carcaças de conversores catalíticos e muflas de fornos que requerem química de fronteira de grão estável em temperatura

Racional de seleção: - Escolha 304H quando a tenacidade em temperatura ambiente e uma resistência à tração em alta temperatura um pouco maior forem necessidades primárias e quando as práticas de soldagem e resfriamento puderem ser controladas para limitar a sensibilização. - Escolha 321H quando o serviço envolver exposição prolongada na faixa de temperatura de sensibilização, ciclos térmicos repetidos ou quando o comportamento de oxidação/fenda na HAZ for uma preocupação.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 321H é tipicamente modestamente mais caro que 304H devido à adição de titânio e seu uso específico em alta temperatura. Os preços de mercado flutuam com os mercados de Ni e elementos de liga.
• Disponibilidade: 304H está amplamente disponível em chapa, folha, tubo e barra. 321H também está disponível em formas de produto comuns, mas pode ter prazos de entrega mais longos para alguns tamanhos ou acabamentos especiais, dependendo da região.
• Dica de aquisição: Especifique a forma do produto, o tratamento térmico necessário e qualquer requisito de recozimento pós-solda explicitamente para evitar incompatibilidades na cadeia de suprimentos ou custos de fabricação inesperados.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: Comparação rápida

Critério	304H	321H
Soldabilidade	Boa, mas risco de sensibilização na HAZ com resfriamento lento	Muito boa; estabilização de Ti reduz o risco de sensibilização na HAZ
Resistência–Tenacidade	Semelhante em temperatura ambiente; boa resistência à tração em alta temperatura	Semelhante em temperatura ambiente; mantém tenacidade intergranular em serviço em alta temperatura
Resistência à sensibilização/oxidação em alta temperatura	Menor (mais propenso à precipitação de carbonetos)	Maior (estabilização de Ti melhora a estabilidade em alta temperatura)
Custo	Menor	Maior (modestamente)

Conclusão — Escolha 304H se: - O componente requer maior teor de carbono para resistência à tração em alta temperatura, mas o serviço ou as práticas de soldagem minimizam o tempo na janela de sensibilização de 450–850 °C. - O custo e a ampla disponibilidade são considerações primárias e a exposição a pites/corrosão é moderada.

Conclusão — Escolha 321H se: - O serviço envolve exposição prolongada a altas temperaturas, ciclos térmicos repetidos ou situações onde a sensibilização pós-solda e a corrosão intergranular são uma preocupação. - Você precisa de uma liga austenítica estabilizada que preserve melhor o cromo nas fronteiras de grão e a resistência à oxidação na HAZ e em serviços de alta temperatura de longa duração.

Recomendação final: - Para aplicações estruturais ou de pressão em alta temperatura onde a fabricação pode controlar o resfriamento e a exposição à corrosão não é extrema, 304H é uma escolha econômica. Para componentes que experimentarão altas temperaturas sustentadas, calor cíclico ou ambientes sensíveis à soldagem, 321H oferece uma opção mais robusta e de menor risco, apesar de um modesto prêmio de custo. Valide a seleção específica da liga com perfis de temperatura de serviço reais, procedimentos de soldagem e dados de corrosão para o ambiente pretendido.