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

Introdução

304L e 321 são dois aços inoxidáveis austeníticos amplamente utilizados cuja seleção é um dilema frequente na engenharia. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação comumente ponderam a resistência à corrosão, o comportamento de fabricação e soldagem, a estabilidade em altas temperaturas e o custo ao escolher entre eles. O principal contraste prático é como cada liga lida com carbonetos durante a soldagem e o serviço em alta temperatura: 304L depende de baixo carbono para evitar sensibilização, enquanto 321 depende da estabilização por titânio para amarrar o carbono e prevenir a precipitação de carboneto de cromo.

Como ambas as ligas são aços inoxidáveis austeníticos com conteúdos semelhantes de cromo e níquel, elas são frequentemente comparadas em tubulações, vasos de pressão, trocadores de calor e componentes fabricados onde a soldabilidade e a resistência à corrosão em altas temperaturas determinam a escolha.

1. Normas e Designações

• Normas e designações internacionais comuns:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L corresponde aproximadamente a EN 1.4307; 321 corresponde a EN 1.4541 (ou variantes 1.4541/1.4550 dependendo do conteúdo de titânio).
• JIS, GB: equivalentes nacionais existem com químicas e propriedades semelhantes (consulte normas específicas para limites exatos).
• Classificação: Tanto 304L quanto 321 são aços inoxidáveis austeníticos (família inoxidável). Eles não são aços carbono, aços liga, aços para ferramentas ou graus HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir lista os elementos-chave e intervalos típicos ou máximos de acordo com especificações comuns (os intervalos são típicos e dependem da norma/especificação e forma do produto).

Elemento	304L (intervalos típicos de especificação)	321 (intervalos típicos de especificação)
C (máx, % em peso)	≤ 0.03	≤ 0.08
Mn (% em peso)	≤ 2.00	≤ 2.00
Si (% em peso)	≤ 0.75	≤ 0.75
P (% em peso)	≤ 0.045	≤ 0.045
S (% em peso)	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr (% em peso)	17.5–20.0	17.0–19.0
Ni (% em peso)	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo (% em peso)	— (geralmente ≤0.10)	— (geralmente ≤0.10)
V (% em peso)	—	—
Nb (% em peso)	—	—
Ti (% em peso)	—	tipicamente 0.15–0.70 (estabilizador)
B (% em peso)	—	—
N (% em peso)	≤ 0.10	≤ 0.10

Estratégia de liga e efeitos: - O cromo (Cr) fornece resistência geral à corrosão formando um filme de óxido passivo. - O níquel (Ni) estabiliza a estrutura austenítica, melhorando a tenacidade e a ductilidade. - O baixo carbono em 304L reduz a tendência à precipitação de carboneto de cromo (sensibilização) durante o resfriamento lento após a soldagem. - O titânio em 321 forma carbonetos/nitratos de titânio estáveis, prevenindo a formação de carboneto de cromo durante a exposição à faixa de sensibilização (~425–850°C). Isso dá a 321 uma vantagem para serviço em altas temperaturas e aplicações que envolvem exposição cíclica a altas temperaturas. - A ausência de Mo significa que nenhuma das ligas é otimizada para resistência à corrosão por picotamento em alta cloreto; ligas com Mo (por exemplo, 316) são preferidas para cloretos.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura: - Tanto 304L quanto 321 são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição recozida. Elas exibem boa tenacidade e ductilidade até temperaturas criogênicas. - 304L: matriz austenítica com precipitação mínima de carbonetos quando devidamente tratada termicamente ou quando o teor de carbono é mantido baixo. - 321: matriz austenítica com precipitados dispersos de Ti(C,N) que atuam como estabilizadores e reduzem a formação de carbonetos de cromo nas fronteiras de grão.

Resposta ao tratamento térmico: - Aços inoxidáveis austeníticos não são tratáveis termicamente para aumentar a resistência por meio de têmpera e revenimento como aços ferríticos/martensíticos. As propriedades mecânicas são obtidas por trabalho a frio ou por estabilização/recocimento em solução. - Recocimento em solução: aquecimento a ~1010–1120°C seguido de resfriamento rápido restaura a microestrutura dúctil e resistente à corrosão para ambas as ligas. - 304L: devido ao baixo carbono, é menos suscetível à corrosão intergranular após a soldagem e não requer estabilização. - 321: adições de titânio tornam-no mais tolerante ao resfriamento lento da soldagem ou temperaturas de alívio de tensão; o Ti deve estar presente em quantidade suficiente para se combinar com o carbono disponível (comumente pelo menos 5×C em peso).

Processamento termo-mecânico: - O trabalho a frio aumenta a resistência e a dureza para ambas as ligas por meio do endurecimento por deformação; a recristalização ocorre apenas após o recocimento em solução. - Exposição a altas temperaturas: 321 apresenta melhor desempenho do que ligas não estabilizadas na faixa de 400–900°C porque o Ti previne a precipitação de carbonetos de cromo que causa sensibilização.

4. Propriedades Mecânicas

Intervalos típicos de propriedades mecânicas (condição recozida) dependem da forma do produto (chapas, placas, barras) e da norma — os valores abaixo são intervalos representativos para comparação de engenharia.

Propriedade	304L (recozido, típico)	321 (recozido, típico)
Resistência à tração (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
Resistência ao escoamento (0.2% offset)	~170–300 MPa	~170–300 MPa
Alongamento (em 50 mm)	≥40% (típico)	≥40% (típico)
Tenacidade ao impacto (qualitativa)	Boa, mantém tenacidade em temperaturas baixas	Boa, semelhante a 304L
Dureza (HRB/HV)	Moderada (recozido)	Moderada (recozido)

Interpretação: - Na condição recozida, 304L e 321 têm resistência, ductilidade e tenacidade muito semelhantes. - Diferenças no desempenho mecânico são tipicamente pequenas em temperatura ambiente; a principal vantagem de 321 se mostra na estabilidade em altas temperaturas e resistência à fluência/oxidação, onde a estabilização por titânio ajuda a manter as propriedades após exposição prolongada.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do carbono, elementos de liga e suscetibilidade a trincas de solidificação ou sensibilização.

Índices de soldabilidade relevantes: - O equivalente de carbono (IIW) é um índice amplamente utilizado para avaliar a soldabilidade e a influência da temperabilidade: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - O índice Pcm é outra medida relacionada à propensão a trincas a frio e soldabilidade: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - 304L: O teor de carbono deliberadamente baixo reduz as contribuições de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ do carbono, diminuindo o risco de corrosão intergranular (sensibilização) após a soldagem. Como resultado, 304L é amplamente considerado fácil de soldar com metais de adição convencionais (composição correspondente ou metal de adição 308L), e muitas oficinas de fabricação preferem-no para construções soldadas que não passarão por serviço severo em altas temperaturas. - 321: A estabilização por titânio reduz a sensibilidade à precipitação de carbonetos na zona afetada pelo calor; portanto, 321 pode ser soldado sem a mesma restrição de baixo carbono e ainda resistir à corrosão intergranular no resfriamento lento. No entanto, a prática de soldagem ainda deve controlar a diluição e a seleção do metal de adição; o metal de adição 321 correspondente ou um metal de adição estabilizado é frequentemente recomendado para aplicações críticas em altas temperaturas. - Trincas de solidificação e trincas a quente geralmente não são problemáticas para esses aços inoxidáveis austeníticos na fabricação normal. O pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldagem não são tipicamente necessários para espessuras estruturais, mas os parâmetros dependem do design da junta e do serviço.

Orientação prática: - Escolha um metal de adição de baixo carbono (por exemplo, 308L) para o metal base 304L para manter baixo carbono no metal de solda e evitar sensibilização. - Para 321, um metal de adição estabilizado correspondente ou um metal de adição austenítico convencional é aceitável quando as temperaturas de soldagem e serviço são consideradas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto 304L quanto 321 são inoxidáveis e dependem de um óxido passivo rico em Cr para resistência à corrosão. Nenhum deles possui Mo significativo; portanto, nenhum é ideal para ambientes ricos em cloretos e propensos a picotamento (as ligas 316/316L ou duplex seriam preferidas).
• Uso de índices:
• O Número Equivalente de Resistência a Picotamento (PREN) é normalmente usado para comparar a resistência a picotamento em aços inoxidáveis contendo Mo: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para 304L e 321, Mo ≈ 0, então o PREN se reduz a aproximadamente $\text{Cr} + 16\times\text{N}$; no entanto, o conceito de PREN é mais relevante onde Mo e nitrogênio mais alto produzem diferenças mensuráveis.
• Sensibilização:
• 304L: baixo carbono minimiza a precipitação de carboneto de cromo durante a soldagem — boa resistência à corrosão intergranular após a soldagem.
• 321: Ti amarra o carbono, proporcionando resistência à sensibilização mesmo que o carbono seja mais alto, o que é benéfico para aplicações sustentadas em altas temperaturas.
• Métodos de proteção não inoxidáveis (para aços não inoxidáveis) como galvanização ou pintura não se aplicam a essas ligas inoxidáveis para controle geral de corrosão, mas podem ser usados para proteção estética ou adicional quando apropriado.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Formabilidade: Tanto 304L quanto 321 se destacam na conformação a frio e na estampagem profunda devido à ductilidade austenítica. 304L é ligeiramente mais popular para conformação complexa devido à ampla disponibilidade e química de baixo carbono consistente.
• Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos têm baixa maquinabilidade em comparação com aços carbono devido ao alto endurecimento por trabalho; 321 pode mostrar maquinabilidade semelhante a 304L, com pequenas diferenças dependendo da microestrutura final e do conteúdo de inclusões. Use ferramentas afiadas, montagens rígidas e velocidades e avanços de corte apropriados.
• Acabamento de superfície: Ambos respondem bem a tratamentos de polimento e passivação. O eletropolimento melhora a resistência à corrosão e o acabamento da superfície.
• Fabricação por soldagem: 304L geralmente requer metais de adição de grau L para baixo carbono no metal de solda; 321 pode usar metais de adição estabilizados, especialmente quando a estrutura permanecer em altas temperaturas.

8. Aplicações Típicas

304L — Usos típicos	321 — Usos típicos
Equipamentos de processo químico para ambientes moderadamente corrosivos (sem cloretos pesados)	Sistemas de escape de aeronaves e coletores de alta temperatura
Equipamentos de processamento de alimentos, laticínios, tanques de cervejaria e equipamentos de cozinha	Trocadores de calor e componentes de fornos expostos a serviço cíclico em alta temperatura
Tubulações, tanques e montagens soldadas onde a resistência à corrosão pós-soldagem é importante	Componentes automotivos e petroquímicos operando na faixa de 400–900°C
Aplicações arquitetônicas e estruturais onde a soldabilidade e a formabilidade são prioridades	Componentes que requerem estabilização contra sensibilização durante exposição prolongada a altas temperaturas

Racional de seleção: - Use 304L onde a economia de fabricação, a soldabilidade com manuseio especial mínimo e a resistência geral à corrosão são as prioridades. - Use 321 onde o serviço inclui exposição repetida a altas temperaturas, ciclagem térmica ou onde a estabilização contra precipitação de carbonetos é necessária.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 304L é geralmente mais econômico do que 321 porque é produzido em volumes maiores e não possui o caro elemento de estabilização em estoque e considerações de processamento. O preço de mercado varia com as condições do mercado de níquel e cromo.
• Disponibilidade: 304L é mais comumente estocado em uma ampla variedade de formas (chapas, placas, tubos, barras, fios) e acabamentos de superfície. 321 está amplamente disponível, mas pode ser menos comum em algumas formas de produtos especiais ou seções grossas.
• Nota de aquisição: Para grandes projetos, confirme as certificações do moinho e o tempo de entrega de disponibilidade; ligas estabilizadas como 321 podem ter prazos de entrega mais longos para certas formas de produtos.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumo (qualitativa)

Atributo	304L	321
Soldabilidade	Excelente para fabricação geral (baixo-C reduz sensibilização)	Muito boa; superior para estabilidade pós-soldagem em alta temperatura devido à estabilização por Ti
Resistência–Tenacidade (ambiente)	Semelhante, boa ductilidade e tenacidade	Semelhante, boa ductilidade e tenacidade
Estabilidade em alta temperatura	Moderada (pode sensibilizar se o carbono não for controlado)	Superior para exposição cíclica/em alta temperatura (estabilização por Ti)
Custo	Geralmente mais baixo	Geralmente mais alto
Disponibilidade	Muito alta	Alta, mas às vezes menos em formas especiais

Recomendação: - Escolha 304L se: sua aplicação requer excelente resistência à corrosão de uso geral, soldagem frequente com prática de fabricação normal, boa formabilidade e menor custo de material. 304L é o padrão para muitos componentes de alimentos, farmacêuticos, arquitetônicos e de processamento químico geral onde a exposição ao cloreto é limitada. - Escolha 321 se: os componentes passarão por exposição prolongada ou cíclica a altas temperaturas (tipicamente na faixa de 400–900°C), ou onde a estabilidade em alta temperatura pós-soldagem e resistência à precipitação de carbonetos são críticas. 321 é preferido para aplicações de escape, forno e certos trocadores de calor onde a estabilização por titânio previne a sensibilização sem controle rigoroso de baixo carbono.

Nota final: Ambas as ligas são aços inoxidáveis austeníticos maduros e amplamente especificados. A seleção ideal depende do equilíbrio entre práticas de fabricação (especialmente procedimentos de soldagem), perfil de temperatura de operação, exposição à corrosão (cloretos vs. geral) e custo do ciclo de vida. Para estruturas soldadas críticas expostas a altas temperaturas, consulte normas de materiais e engenheiros de soldagem para especificar o metal de adição apropriado, tratamentos pré/pós-soldagem e testes de controle de qualidade.