309 vs 310S – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os graus 309 e 310S são aços inoxidáveis austeníticos amplamente utilizados onde são exigidos resistência a altas temperaturas e resistência à oxidação. Engenheiros e profissionais de compras geralmente ponderam os trade-offs entre resistência à corrosão em altas temperaturas, soldabilidade e custo do material ao escolher entre eles. Contextos típicos de decisão incluem componentes de fornos, gabaritos para tratamento térmico, dutos de alta temperatura e equipamentos para processos químicos onde temperatura, ciclos térmicos e integridade da solda orientam a seleção.
A principal distinção técnica entre esses dois graus é o equilíbrio da liga: o 310S é projetado com teor substancialmente maior de cromo e níquel e menor carbono que o 309, o que melhora a resistência à corrosão em alta temperatura e reduz o risco de sensibilização; o 309 contém menos níquel e carbono relativamente mais alto (na versão padrão), tornando-o mais econômico, porém levemente mais sensível à precipitação de carbonetos sob alguns ciclos térmicos. Como eles se sobrepõem no uso, os projetistas os comparam principalmente pelo desempenho à oxidação em altas temperaturas, soldabilidade (risco de sensibilização) e custo.
1. Normas e Designações
- Especificações e designações comuns:
- ASTM/ASME: A240 / SA240 (aços inoxidáveis resistentes ao calor)
- EN: família EN 10088 (diversas designações nacionais e pan-europeias)
- JIS/GB: equivalentes japonês e chinês para aços inoxidáveis resistentes ao calor
- UNS: UNS S30900 (309), UNS S31008 (310S)
- Classificação do material:
- Tanto 309 quanto 310S são aços inoxidáveis austeníticos (categoria inoxidável).
- Não são aços carbono, aços-ferramenta ou HSLA. São aços inoxidáveis ligados destinados a serviço em alta temperatura.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra os principais elementos de liga que definem o comportamento metalúrgico do 309 versus 310S. Os valores são apresentados qualitativamente como faixas típicas e diferenças relativas, em vez de valores pontuais certificados — sempre confirme com o certificado de fornecimento para compras.
| Elemento | 309 (faixas típicas / notas) | 310S (faixas típicas / notas) |
|---|---|---|
| C (carbono) | Moderado (309 padrão tem limite de C maior que versões ‘S’) | Baixo carbono (limite máximo reduzido; limita precipitação de carbonetos) |
| Mn (manganês) | Até moderado (melhora resistência a quente; comum até ~2%) | Semelhante ao 309 (permitido Mn comparável) |
| Si (silício) | Pequenas adições para resistência à oxidação (silício até ~1%) | Pequena adição similar para resistência à oxidação |
| P (fósforo) | Mantido baixo (controle de impurezas) | Mantido baixo |
| S (enxofre) | Mantido baixo (melhora conformabilidade apenas em graus usináveis) | Mantido baixo |
| Cr (cromo) | Alto (boa resistência à oxidação; menor que 310S) | Maior (melhor entre os dois; melhora resistência à oxidação e corrosão em alta temperatura) |
| Ni (níquel) | Elevado (mas inferior ao 310S) | Elevado e maior que 309 (estabiliza austenita, melhora ductilidade e resistência a fluência em alta temperatura) |
| Mo (molibdênio) | Geralmente não presente em quantidades significativas | Geralmente ausente (limita melhorias na resistência à corrosão por pite) |
| V, Nb, Ti, B | Não são elementos principais em ambos; podem aparecer em traços ou variantes estabilizadas | Nb/Ti raramente usados nestes graus; 310S é baixo carbono, não estabilizado |
| N (nitrogênio) | Baixo a muito baixo | Baixo a muito baixo |
Como a liga afeta as propriedades: - O cromo aumenta a resistência à oxidação e forma uma camada protetora de óxido em alta temperatura. - O níquel estabiliza a fase austenítica, melhora a ductilidade e a resistência em alta temperatura, e aumenta a resistência a esforços térmicos cíclicos. - O carbono aumenta a resistência, mas possibilita precipitação de carbonetos (sensibilização) ao resfriar lentamente entre 450–850°C; os graus ‘S’ de baixo carbono reduzem esse risco. - O molibdênio melhora a resistência à corrosão por pite, mas geralmente não está presente no 309/310S.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura:
- Tanto 309 quanto 310S são totalmente austeníticos na condição recozida. A microestrutura consiste em austenita cúbica de face centrada (FCC) com possíveis precipitados de carbonetos ou fase sigma sob certas exposições térmicas.
- Resposta ao tratamento térmico:
- Aços inoxidáveis austeníticos não são endurecíveis por têmpera e revenido como os aços ferríticos/martensíticos. Ajustes de resistência dependem de trabalho a frio, recozimento solubilizador, recristalização e encruamento.
- Recozimento solubilizador (prática industrial típica) restaura ductilidade e dissolve precipitados; temperaturas convencionais desse recozimento situam-se na faixa usada para ligas inoxidáveis resistentes ao calor (consulte o produto/norma para temperaturas exatas).
- Sensibilização: O maior carbono no 309 padrão pode causar precipitação de carboneto de cromo em contornos de grão se exposto entre 450–850°C; 310S (baixo carbono) reduz esse risco, sendo preferido onde o recozimento pós-solda não é viável ou onde ciclos de serviço cruzam repetidamente essa faixa térmica.
- Fase sigma e outros intermetálicos: Exposições prolongadas entre aproximadamente 600–900°C podem promover formação da fase sigma em ligas ricas em cromo, que tornam o material quebradiço; a suscetibilidade depende da composição e histórico térmico.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas variam conforme a forma do produto (chapas, placas, barras) e condição de trabalho a frio. Em vez de números absolutos, os usuários devem consultar certificados de fornecimento. Abaixo, tabela comparativa qualitativa em condições recozidas típicas.
| Propriedade | 309 (recozido) | 310S (recozido) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Comparável a aços inoxidáveis austeníticos; ligeiramente inferior ao 310S em alguns casos | Semelhante ou marginalmente maior devido ao maior teor de Ni que melhora a resistência a alta temperatura |
| Limite de escoamento | Semelhante; ambos têm limite relativamente baixo comparado a aços ferríticos/martensíticos | Semelhante; 310S pode manter resistência ligeiramente melhor em altas temperaturas |
| Alongamento (ductilidade) | Alta ductilidade típica de aços inoxidáveis austeníticos | Alta ductilidade; teor de níquel ajuda a manter ductilidade em temperatura elevada |
| Tenacidade ao impacto | Boa tenacidade à temperatura ambiente; não sensível a entalhe como aços martensíticos | Boa tenacidade; baixo carbono reduz risco de fragilização pós-solda |
| Dureza | Baixa dureza em estado recozido (macio, dúctil) | Baixa dureza em estado recozido |
Interpretação: - Nenhum dos graus é usado prioritariamente para alta resistência estática em temperatura ambiente; são selecionados pelo desempenho em alta temperatura e comportamento à corrosão/oxidação. - O 310S geralmente oferece retenção de força e resistência à oxidação um pouco superior em altas temperaturas devido ao maior teor de Cr e Ni; 309 é um compromisso entre custo e capacidade em temperatura elevada.
5. Soldabilidade
A soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é geralmente excelente em termos de evitar fases duras e frágeis, mas requer atenção para sensibilização, distorção e fissuração a quente.
Índices úteis: - Equivalente de carbono (forma IIW) para comparar tendências de endurecimento (qualitativo para ligas inox): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm para avaliar tendência a fissuração 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: - O 310S tem carbono mais baixo, o que reduz o risco de corrosão intergranular (sensibilização) após a soldagem e minimiza precipitação de carbonetos — melhorando o desempenho à corrosão pós-soldagem. - O maior teor de níquel no 310S estabiliza austenita e reduz a tendência a fissuração a quente; o 309, com menos níquel, é marginalmente mais propenso a problemas relacionados à solda em certas condições mas ainda assim geralmente soldável com metais de adição austeníticos padrão. - Pré-aquecimento e temperaturas entre passes normalmente não são exigidos para esses graus austeníticos; contudo, restrição, projeto da junta e escolha do tratamento térmico pós-soldagem devem considerar risco de precipitação da fase sigma se as peças forem expostas longamente entre 600–900°C.
6. Corrosão e Proteção Superficial
- Corrosão geral e oxidação em alta temperatura:
- Ambos os graus dependem do cromo para desenvolver uma camada protetora de óxido. O 310S, com maior teor de cromo e níquel, normalmente oferece resistência superior à oxidação em alta temperatura em comparação com o 309.
- Corrosão localizada por pite e frestas:
- Nem o 309 nem o 310S contêm quantidades significativas de molibdênio; portanto, eles possuem resistência limitada à corrosão por pite induzida por cloretos em relação aos graus contendo Mo. O uso do PREN para avaliar a propensão à pite (onde Mo é relevante) é dado por: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Na aplicação dos graus 309/310S, o PREN tem utilidade limitada porque normalmente Mo está ausente e N é baixo; a resistência à corrosão por pite é, portanto, modesta.
- Proteção superficial para aços não inoxidáveis:
- Não aplicável — ambos são graus inoxidáveis. Para componentes onde se espera dano local na superfície ou ambientes severos com presença de cloretos, considere graus com Mo ou revestimentos protetores.
- Quando preferir 310S em relação ao 309:
- Para oxidação sustentada em altas temperaturas, atmosferas carburizantes e exposição térmica cíclica, o 310S é preferido devido à sua melhor aderência da camada de óxido e maior teor de liga.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade e dobra:
- Ambos são facilmente formados no estado recozido; possuem excelente ductilidade. O maior teor de níquel no 310S proporciona uma formabilidade ligeiramente melhor em temperaturas elevadas e melhor resistência ao encruamento durante a conformação.
- Usinabilidade:
- Aços inoxidáveis austeníticos geralmente apresentam baixa usinabilidade devido ao encruamento durante o corte; sua usinabilidade é inferior à dos aços carbono. Os graus 309 e 310S são similares em usinabilidade, sendo que o 310S pode ser ligeiramente mais difícil devido ao maior teor de liga e tenacidade.
- Acabamento superficial:
- Ambos aceitam bem acabamentos comuns para inox (polimento, retificação, jateamento de esferas), mas a dureza das ferramentas e os parâmetros de corte devem ser ajustados para evitar encruamento e acúmulo de material nas arestas das ferramentas.
8. Aplicações Típicas
| 309 — Usos Típicos | 310S — Usos Típicos |
|---|---|
| Camisas de fornos, dispositivos para tratamento térmico onde a resistência à oxidação é requerida com custo moderado | Componentes de forno em alta temperatura, camisas e retortas que exigem resistência superior à oxidação e estabilidade cíclica |
| Peças para trocadores de calor em ambientes aéreos de alta temperatura menos severos | Componentes expostos a atmosferas mais oxidantes, tubos radiantes, revestimentos de cestos para tratamento térmico |
| Fornos industriais, revestimentos de fornalhas onde o custo é importante e o serviço extremo é limitado | Aplicações com exposição prolongada a 900–1100°C ou serviço térmico cíclico onde a redução da sensibilização é crítica |
Racional para seleção: - Escolha 309 quando for necessária resistência à oxidação em temperatura elevada, mas com restrições orçamentárias e menor teor de níquel. - Escolha 310S quando a máxima resistência à oxidação em alta temperatura, resistência à fluência e baixo teor de carbono para evitar sensibilização forem mais importantes que o custo do material.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo relativo:
- 310S normalmente apresenta preço mais alto que o 309 devido ao maior teor de níquel e cromo.
- 309 é comumente oferecido como uma opção inoxidável econômica para altas temperaturas.
- Disponibilidade por forma do produto:
- Ambos os graus são amplamente disponíveis em chapas, placas, tubos e barras de múltiplos fornecedores. A disponibilidade pode variar regionalmente e por tamanho; é importante confirmar prazos para a forma e acabamento necessários.
- Formas em estoque:
- Formas padrão (chapas laminadas a frio, placas laminadas a quente, tubos soldados) são comuns; tamanhos especiais ou seções pesadas podem apresentar prazos maiores.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo (qualitativa)
| Atributo | 309 | 310S |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa; risco ligeiramente maior de sensibilização no 309 padrão em comparação ao 310S | Muito boa; baixo carbono reduz o risco de sensibilização |
| Resistência e Tenacidade (Alta temperatura) | Boa para muitos usos em alta temperatura; inferior ao 310S em temperaturas muito elevadas | Superiores retenção de resistência e ductilidade em alta temperatura |
| Custo | Menor (mais econômico) | Maior (premium devido ao teor de Ni/Cr) |
Recomendação (orientação prática) - Escolha 309 se: - Sua aplicação requer boa resistência à oxidação em altas temperaturas, mas o orçamento é restrito. - As temperaturas de serviço forem moderadas para aços resistentes ao calor e o projeto permitir tratamentos pós-soldagem ou exposição limitada à faixa de sensibilização. - Necessitar de uma solução econômica para cestos de forno, componentes de forno ou dutos onde a estabilidade térmica cíclica extrema não seja crítica. - Escolha 310S se: - Você requer resistência superior à oxidação em alta temperatura, vida útil mais longa sob cargas térmicas cíclicas ou melhor resistência à fluência em temperaturas elevadas. - A soldagem sem recozimento pós-soldagem é necessária e minimizar o risco de sensibilização é importante. - A aplicação envolve atmosferas oxidantes mais agressivas ou operação sustentada próxima ao limite superior da capacidade térmica dessas ligas.
Nota final: Desempenho e custo dependem da composição exata, forma do material e condições de serviço. Sempre verifique certificados de laminação e realize validação técnica (ensaios laboratoriais, qualificação de procedimento de soldagem ou análise térmica por elemento finito) ao selecionar entre 309 e 310S para aplicações críticas.