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

Introdução

As variantes do tipo 304 estão entre os aços inoxidáveis austeníticos mais amplamente utilizados na indústria. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente precisam decidir entre o 304L de baixo carbono e o 304H de carbono mais alto ao especificar materiais para equipamentos de pressão, tubulações, trocadores de calor ou componentes fabricados. A decisão geralmente equilibra a resistência à corrosão e a soldabilidade em relação à resistência a altas temperaturas e à resistência ao fluência.

A distinção prática central é que o 304L é otimizado para minimizar a precipitação de carbonetos durante a soldagem e o serviço (melhorando a resistência à corrosão intergranular e a soldabilidade), enquanto o 304H contém intencionalmente mais carbono para manter maior resistência a temperaturas elevadas. Como ambas as ligas compartilham a mesma matriz austenítica fundamental de cromo-níquel, elas são frequentemente comparadas em projetos onde a exposição à temperatura, a rota de fabricação e o desempenho pós-soldagem são os fatores decisivos.

1. Normas e Designações

• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240/A240M (chapas/placas), A312 (tubos) como UNS S30403; 304H — ASTM A240 (A240M) como UNS S30409 ou equivalente.
• EN (Europeia): EN 1.4306 (304L), EN 1.4948 às vezes usado para equivalente ao 304H ou outros austeníticos de alto C; variantes nacionais EN referenciam bandas de composição.
• JIS (Japão): Nomenclatura SUS304L e SUS304H nas normas do tipo JIS G4303/G4312.
• GB (China): 06Cr19Ni10/06Cr19Ni10-2L equivalentes para 304/304L; designações locais existem para 304H.
• Classificação: Ambos são aços inoxidáveis (austeníticos). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Como a liga afeta o desempenho: - O cromo (Cr) fornece o óxido passivo responsável pela resistência à corrosão. Ambas as ligas têm Cr semelhante, então o comportamento básico de corrosão é semelhante. - O níquel (Ni) estabiliza a fase austenítica e melhora a tenacidade e a resistência à corrosão; conteúdos semelhantes significam ductilidade semelhante. - O carbono (C) influencia a formação de carbonetos: maior C aumenta a resistência (especialmente a altas temperaturas), mas promove a precipitação de carboneto de cromo e possível corrosão intergranular se não for controlado adequadamente. - Elementos menores (Mn, Si, N) influenciam a resistência mecânica e o endurecimento por trabalho; o nitrogênio aumenta a resistência e a resistência à picotamento, o Mo aumentaria a resistência ao picotamento, mas não está presente.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

A microestrutura típica para ambos 304L e 304H é totalmente austenítica (cúbica de face centrada) na condição recozida. Como a austenita é estável à temperatura ambiente nessas composições, não há transformação martensítica durante o resfriamento para o processamento padrão.

• 304L: O baixo carbono minimiza a precipitação de carboneto de cromo ($\text{Cr}_{23}\text{C}_6$) nas fronteiras de grão durante o resfriamento da solda ou exposição ao calor de sensibilização (aproximadamente 450–850 °C). Como resultado, a microestrutura permanece livre de carbonetos significativos nas fronteiras de grão após a fabricação comum, preservando a resistência à corrosão intergranular.
• 304H: O carbono mais alto aumenta a força motriz para a precipitação de carbonetos durante a exposição térmica. A temperaturas elevadas, algum $\text{Cr}_{23}\text{C}_6$ pode se formar nas fronteiras de grão, o que pode reduzir localmente a resistência à corrosão, a menos que estabilizadores ou tratamentos térmicos pós-soldagem sejam aplicados. No entanto, o maior teor de carbono também aumenta o endurecimento por solução sólida e a resistência à fluência a temperaturas tipicamente acima de 500–600 °C.

Resposta ao tratamento térmico: - O recozimento (recozimento completo seguido de resfriamento rápido) restaura a ductilidade e dissolve a maioria dos carbonetos em ambas as ligas. Para 304H, a temperatura de dissolução e a cinética são semelhantes, mas a reprecipitação durante o resfriamento lento é mais provável. - A normalização não é tipicamente usada para aços inoxidáveis austeníticos porque a fase austenítica é estável; as propriedades mecânicas são controladas principalmente pelo trabalho a frio e pelo recozimento em solução. - O processamento termo-mecânico (trabalho a frio seguido de recozimento) altera o comportamento de escoamento e tração de maneira semelhante em ambas as ligas, mas o 304H manterá um pouco mais de escoamento/tração a temperaturas elevadas.

4. Propriedades Mecânicas

Notas: Os valores numéricos exatos dependem da forma do produto (chapas, placas, tubos), tratamento térmico e trabalho a frio. A principal conclusão: o 304H geralmente oferece maior resistência a temperaturas elevadas em detrimento de uma resistência um pouco reduzida à precipitação de carbonetos e margens de fabricabilidade ligeiramente inferiores.

5. Soldabilidade

A soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é geralmente excelente devido à sua matriz austenítica e baixa propensão a formar martensita.

Considerações chave sobre soldagem: - O teor de carbono é importante: o carbono mais baixo no 304L reduz o risco de sensibilização (corrosão intergranular) após a soldagem e permite a omissão do recozimento em solução pós-soldagem em muitas aplicações. - O maior carbono do 304H aumenta o risco de sensibilização; controles de procedimento de soldagem (seleção de material de adição, resfriamento rápido ou recozimento em solução pós-soldagem) podem ser necessários para ambientes corrosivos ou conformidade com normas. - A endurecibilidade é baixa para ambos; a suscetibilidade a trincas de microestruturas duras é limitada.

Fórmulas empíricas úteis para avaliar soldabilidade/endurecibilidade: - Equivalente de carbono (IIW): $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - A diminuição da soldabilidade correlaciona-se com um maior $CE_{IIW}$. - Equivalente de cromo ou Pcm para aços inoxidáveis: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$ - Um maior $P_{cm}$ sugere uma maior tendência a formar problemas de equilíbrio ferrita/austenita e pode informar requisitos de pré-aquecimento/pós-soldagem.

Interpretação: - O 304L geralmente pontua mais baixo em índices sensíveis ao carbono e é preferido onde a integridade da solda sem tratamento térmico pós-soldagem é necessária. - O 304H pode exigir um controle de soldagem mais rigoroso em aplicações corrosivas ou vinculadas a normas, mas oferece melhor resistência para montagens soldadas a altas temperaturas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Ambos, 304L e 304H, são inoxidáveis (contêm ~18% de Cr) e dependem de um filme passivo de Cr2O3 para resistência geral à corrosão em muitos ambientes.
• A resistência à corrosão por picotamento e fendas é moderada porque o Mo não está presente. Para avaliação da resistência ao picotamento, o PREN é um índice comum: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Para variantes 304 (Mo ≈ 0), o PREN é impulsionado por Cr e N; com Cr semelhante e N baixo, ambas as ligas têm resistência geral e resistência ao picotamento comparáveis.
• Risco de sensibilização: O maior carbono do 304H promove a formação de carboneto de cromo nas fronteiras de grão quando exposto a faixas de temperatura sensibilizadoras, o que pode reduzir localmente a resistência à corrosão (ataque intergranular). O 304L é escolhido para mitigar esse risco.
• A proteção de superfície para aços não inoxidáveis (não aplicável aqui) incluiria galvanização ou revestimentos; para essas ligas inoxidáveis, a limpeza, passivação e a evitação de ambientes contendo cloreto são medidas primárias.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade/dobra: O 304L tem excelente conformabilidade e características de estampagem profunda devido à menor resistência e maior ductilidade no estado recozido. O 304H ainda é trabalhável, mas pode apresentar limites de conformação ligeiramente reduzidos.
• Usinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são endurecíveis e têm menor usinabilidade do que aços carbono. O maior carbono do 304H e a potencial resistência aumentada podem reduzir ligeiramente a vida útil da ferramenta e exigir ferramentas mais robustas ou alimentações lentas; versões de corte livre ou adição de enxofre melhoram a usinabilidade, mas reduzem a resistência à corrosão.
• Acabamento de superfície: Ambas as ligas polem e passivam bem; no entanto, a moagem ou acabamento agressivo que aquece a superfície pode sensibilizar localmente o 304H mais prontamente do que o 304L.
• Fabricação por soldagem: O 304L é geralmente a escolha preferida para estruturas soldadas, a menos que a resistência a altas temperaturas seja necessária.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 304L onde a simplicidade da soldagem, resistência à corrosão intergranular e conformação são prioridades mais altas. - Escolha 304H onde a resistência sustentada a altas temperaturas e a resistência à fluência são necessárias, e onde medidas pós-soldagem ou de fabricação podem controlar o risco de sensibilização.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 304L é amplamente produzido e estocado; o custo relativo é semelhante ao do 304 padrão, mas ligeiramente mais alto devido ao processamento controlado de baixo carbono. O 304H é uma liga mais especializada—o custo do material pode ser comparável ou ligeiramente mais alto devido à especificação de carbono mais rigorosa e possivelmente a volumes de produção mais baixos.
• Disponibilidade: O 304L está amplamente disponível em muitas formas de produto (chapas, placas, bobinas, tubos, barras, forjados). O 304H está disponível, mas é menos comum em alguns mercados e formas de produto; os prazos de entrega para formas especiais ou grandes quantidades podem ser mais longos.
• Nota de aquisição: Ao especificar, inclua a designação correta ASTM/EN/JIS e a forma de produto desejada para evitar a substituição por 304 padrão ou ligas estabilizadas.

10. Resumo e Recomendação

Escolha 304L se: - O componente será soldado extensivamente e o tratamento térmico pós-soldagem é impraticável. - A resistência à corrosão intergranular (por exemplo, tubulações para alimentos, farmacêuticos ou água potável) é uma prioridade. - Boa conformabilidade e estampagem profunda são necessárias.

Escolha 304H se: - A aplicação envolve serviço sustentado a altas temperaturas onde maior resistência à tração ou resistência à fluência é necessária (por exemplo, trocadores de calor, caldeiras, componentes de forno). - O plano de aquisição e fabricação permite controles de soldagem, seleção de metais de adição compatíveis e, se necessário, recozimento em solução pós-soldagem ou mitigação alternativa para gerenciar a sensibilização.

Nota final: Tanto o 304L quanto o 304H são escolhas válidas dentro de seus envelopes de projeto. Especifique a temperatura de serviço pretendida, ambiente corrosivo (exposição a cloretos, acidez), sequência de fabricação e códigos/normas aplicáveis ao selecionar entre eles para garantir o equilíbrio correto de soldabilidade, resistência à corrosão e desempenho a altas temperaturas.