316Ti vs 321H – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
316Ti e 321H são ambos aços inoxidáveis austeníticos usados onde a combinação de resistência à corrosão e desempenho em altas temperaturas é necessária. Escolher entre eles é um dilema recorrente para engenheiros e equipes de compras que equilibram resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas, soldabilidade e custo do ciclo de vida: 316Ti é uma liga com molibdênio estabilizada com titânio para melhorar a resistência à sensibilização, enquanto 321H é uma liga de cromo-níquel estabilizada com titânio oferecida com maior teor de carbono para melhorar a resistência ao fluência e à resistência em altas temperaturas. Essas diferenças tornam as duas ligas atraentes para envelopes de serviço sobrepostos, mas distintos—316Ti onde a resistência à corrosão por picotamento e a resistência geral à corrosão são priorizadas, e 321H onde a estabilidade a longo prazo em ambientes oxidantes de alta temperatura e a resistência à fluência são importantes.
1. Normas e Designações
Normas e designações internacionais comuns onde essas ligas são encontradas:
- ASTM/ASME: A240 (chapas, folhas e tiras), A312 (tubos), A403 (conexões) — variantes 316Ti e 321/321H são especificadas.
- EN: EN 1.4571 (316Ti), EN 1.4878 (321H) equivalentes são usados em normas europeias.
- JIS: A família JIS G4303/G4313 inclui austeníticos estabilizados com designações locais.
- GB (China): As normas GB/T listam ligas inoxidáveis comparáveis a 316Ti e 321H.
Classificação: - Tanto 316Ti quanto 321H são aços inoxidáveis (austeníticos). Eles não são aços carbono, aços de liga, aços para ferramentas ou HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: intervalos de composição típicos (expressos em porcentagem de peso). Os valores variam de acordo com a especificação e a forma do produto; a tabela mostra intervalos representativos comumente citados nas normas. Sempre consulte a norma relevante ou o certificado do fabricante para a composição exata.
| Elemento | 316Ti (intervalo típico) | 321H (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (controle para baixo carbono) | ~0.04–0.10 (variante de maior C de 321) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~16–18 | ~17–19 |
| Ni | ~10–14 | ~9–12 |
| Mo | ~2.0–3.0 | ≤ 0.5 (tipicamente nenhum) |
| V | traço ou não especificado | traço ou não especificado |
| Nb | — (não é um estabilizador primário) | — (Ti é o estabilizador; Nb às vezes usado em ligas relacionadas) |
| Ti | adição controlada (≥ 5 × C, até ~0.7) | adição controlada (≥ 5 × C, até ~0.7) |
| B | traço | traço |
| N | traço a pequenas adições possíveis | traço |
Notas sobre a estratégia de liga: - 316Ti: baseado na família 316—cromo, níquel e molibdênio fornecem resistência superior à corrosão geral e por picotamento. O titânio é adicionado para estabilizar o carbono, formando precipitados de carbono-titânio para evitar a precipitação de carboneto de cromo durante a exposição na faixa de sensibilização (aproximadamente 450–850 °C). - 321H: derivado de 321 (Cr–Ni com estabilização de Ti) mas fornecido com maior teor de carbono para melhorar a resistência à fluência e as propriedades de alta temperatura sustentadas. O titânio em 321H liga-se ao carbono e reduz a sensibilização enquanto retém maior C para resistência à fluência.
Efeitos da liga: - O cromo fornece passividade e resistência geral à corrosão. - O níquel estabiliza a estrutura austenítica e melhora a tenacidade. - O molibdênio em 316Ti aumenta a resistência à corrosão localizada (picotamento/fenda). - O titânio liga o carbono livre para prevenir a corrosão intergranular após a soldagem ou exposição a temperaturas sensibilizadoras; em 321H, o maior carbono aumenta a resistência em altas temperaturas, mas requer o conteúdo correto de titânio para prevenir a sensibilização.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Ambas as ligas são totalmente austeníticas na condição recozida com carbonetos ou intermetálicos dispersos dependendo da história térmica. - O titânio forma precipitados de TiC ou Ti(C,N) preferencialmente antes da formação de carboneto de cromo, mantendo o cromo em solução nas fronteiras dos grãos.
Efeitos do tratamento térmico e processamento: - O recozimento (tratamento de solução) em temperaturas típicas de austenitização seguido de resfriamento rápido retorna ambos os materiais a uma microestrutura austenítica dúctil e de fase única. - Para 316Ti, o recozimento padrão elimina a precipitação anterior de carbonetos; os precipitados de Ti–C permanecem estáveis se o Ti for suficiente em relação ao carbono. - 321H é normalmente fornecido na condição recozida em solução; o maior carbono proporciona maior endurecimento por precipitação em exposições mais longas a altas temperaturas, aumentando a resistência à fluência. - Normalização, resfriamento e têmpera não são aplicáveis a aços inoxidáveis austeníticos no mesmo sentido que para aços ferríticos/pearlíticos; as propriedades mecânicas são alcançadas principalmente por trabalho a frio, recozimento em solução e efeitos de envelhecimento/precipitação na temperatura de serviço. - O processamento termo-mecânico (trabalho a frio + recozimento) pode aumentar a resistência via endurecimento por deformação; longas exposições de serviço entre cerca de 500–800 °C podem causar precipitação complexa de carbonetos e intermetálicos afetando a tenacidade e a resistência à corrosão se o titânio for inadequado.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dependem da forma do produto (folha, chapa, tubo), tratamento térmico e norma de teste. A tabela abaixo fornece descritores comparativos qualitativos em vez de valores numéricos absolutos—consulte os certificados do fabricante para números precisos.
| Propriedade | 316Ti (recozido, comportamento típico) | 321H (recozido ou estabilizado) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Moderada — consistente com a família austenítica 316 | Semelhante ou ligeiramente superior em altas temperaturas devido ao fortalecimento por C |
| Resistência ao escoamento | Moderada — boa ductilidade | Ligeiramente maior escoamento em altas temperaturas; escoamento à temperatura ambiente semelhante ao 316Ti |
| Alongamento | Alto (boa ductilidade e conformabilidade) | Bom, mas pode ser modestamente reduzido se maior C ou trabalhado a frio |
| Tenacidade ao impacto | Alta à temperatura ambiente; boa tenacidade em baixa temperatura | Boa à temperatura ambiente; retém tenacidade em alta temperatura, mas longas exposições podem afetar a tenacidade se ocorrer precipitação |
| Dureza | Baixa a moderada (macio, dúctil, facilmente trabalhado a frio) | Comparável; maior C pode aumentar marginalmente a dureza |
Interpretação: - À temperatura ambiente, ambas as ligas exibem a característica ductilidade e tenacidade dos aços inoxidáveis austeníticos. - O maior carbono e a estratégia de estabilização de 321H lhe conferem uma vantagem para resistência à fluência em altas temperaturas e retenção de resistência ao longo de um serviço prolongado, enquanto 316Ti oferece ligeiramente melhor resistência à corrosão localizada devido ao molibdênio.
5. Soldabilidade
A soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é geralmente boa; dois aspectos são importantes aqui: suscetibilidade à sensibilização/corrosão intergranular e efeitos de trabalho a frio/endurecimento próximos às soldas.
Índices-chave de soldabilidade: - O equivalente de carbono (fórmula IIW) é útil para avaliar a tendência ao endurecimento na soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - A fórmula de equivalente de cromo ou Pcm também é usada para avaliar a suscetibilidade a trincas na solda: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 316Ti: Soldabilidade geralmente excelente. Baixo carbono e estabilização por titânio reduzem o risco de corrosão intergranular após a soldagem. O molibdênio não prejudica seriamente a soldabilidade, mas aumenta a tendência da liga a formar fases de baixo ponto de fusão em circunstâncias raras; a metalurgia do filler padrão e o controle da entrada de calor evitam problemas. - 321H: Também soldável, mas o maior carbono eleva as medidas teóricas do equivalente de carbono, aumentando a necessidade de controle da entrada de calor e potenciais tratamentos pós-solda em seções grossas. A estabilização por titânio mitiga a formação de carboneto de cromo, mas quando o teor de carbono é deliberadamente maior (como em 321H) o controle da relação Ti:C é crítico. O pré-aquecimento geralmente não é necessário para seções finas; para seções pesadas e serviço cíclico em alta temperatura, a qualificação do procedimento de soldagem é recomendada.
No geral: ambas as ligas são consideradas soldáveis com procedimentos padrão; 316Ti é frequentemente considerado mais fácil com menos necessidade de controles adicionais quando a resistência à corrosão é a principal preocupação, enquanto 321H requer atenção quando usado em seções grossas ou em aplicações onde o tratamento térmico pós-solda e o desempenho em fluência são importantes.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Para ligas inoxidáveis, o desempenho contra corrosão é impulsionado principalmente pelo teor de cromo e pela presença de molibdênio e nitrogênio.
- PREN (número equivalente de resistência ao picotamento) é útil para comparar a resistência ao picotamento: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Aplicação do PREN: 316Ti se beneficia de seu teor de molibdênio, resultando em um PREN mais alto do que 321H em composições típicas; a falta de Mo em 321H significa menor resistência ao picotamento em ambientes de cloreto.
Aços não inoxidáveis: - Não aplicável aqui, uma vez que ambas as ligas são inoxidáveis. Se usar aços carbono alternativos, revestimentos (galvanização, pintura, revestimentos) seriam necessários.
Notas práticas: - 316Ti: preferido para ambientes com cloretos (água do mar, correntes de processos químicos) devido à resistência ao picotamento aprimorada pelo Mo e estabilização por Ti para prevenir sensibilização. - 321H: mais adequado para ambientes oxidantes em alta temperatura (sistemas de escape, aquecedores, caldeiras) onde a resistência à fluência e resistência à corrosão/oxidação em alta temperatura são prioridades; não é ideal para ambientes agressivos de cloreto, a menos que protegido.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
- Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais adesivos e endurecíveis do que aços ferríticos. 316Ti e 321H são usinados de forma semelhante, embora o aumento do carbono em 321H possa melhorar ligeiramente a interação da ferramenta, mas também pode aumentar o endurecimento localmente.
- Conformabilidade: Ambas as ligas se conformam bem na condição recozida; 316Ti geralmente tem conformabilidade ligeiramente melhor devido ao menor carbono e a presença de molibdênio não impede a conformação. 321H é conformável, mas os processos devem levar em conta o potencial de retorno e o comportamento de endurecimento por deformação.
- Acabamento de superfície: Ambas aceitam tratamentos padrão de moagem, polimento e passivação. Os produtos químicos e parâmetros de passivação são os mesmos que para outras ligas austeníticas, mas verificar a resistência à corrosão pós-processamento é recomendado, especialmente após a soldagem.
- Trabalho a frio: A deformação a frio aumenta a resistência, mas reduz a ductilidade; o recozimento final pode ser usado para restaurar a conformabilidade e a resistência à corrosão.
8. Aplicações Típicas
| 316Ti — Usos Típicos | 321H — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos de processo químico expostos a cloretos, trocadores de calor, tanques e tubulações em ambientes corrosivos, acessórios marinhos, equipamentos farmacêuticos onde a resistência ao picotamento é importante | Chaminés de escape, componentes de fornos e caldeiras, tubulações de processo em alta temperatura, acessórios resistentes ao calor, escapamentos de aeronaves e motores onde a exposição sustentada a altas temperaturas e resistência à fluência são necessárias |
| Equipamentos de alimentos e bebidas onde resistência à corrosão e facilidade de limpeza são necessárias | Componentes estruturais de alta temperatura e juntas de expansão em aquecedores petroquímicos/industriais |
Justificativa da seleção: - Escolha 316Ti para ambientes onde a corrosão por picotamento e fenda devido a cloretos ou fluidos de processo agressivos são preocupações primárias e onde montagens soldadas devem evitar corrosão intergranular. - Escolha 321H para serviço sustentado em alta temperatura onde resistência à fluência, resistência à oxidação e estabilidade após exposição prolongada são mais críticas do que a resistência máxima ao picotamento.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 316Ti geralmente tem um preço premium em relação ao 316 não estabilizado e algumas variantes de 321 devido ao teor de molibdênio e adição de titânio. O custo de 321H é influenciado pelo tratamento térmico, maior teor de carbono e disponibilidade no mercado; como não possui Mo, pode ser menos custoso do que 316Ti em termos de teor de liga bruto, mas o fornecimento especial e formas de produto podem afetar o preço.
- Disponibilidade: Ambas estão amplamente disponíveis em formas de produto comuns (folha, chapa, tubo, barra e conexões) de grandes produtores de aço inoxidável. 316Ti é onipresente nas indústrias de processo; 321H está comumente disponível onde ligas de alta temperatura são estocadas. Longos prazos de entrega são possíveis para diâmetros grandes, seções pesadas ou requisitos especiais de acabamento/rastreabilidade.
10. Resumo e Recomendação
| Critério | 316Ti | 321H |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Muito boa — estabilização por titânio reduz o risco de sensibilização | Boa — maior C requer atenção à entrada de calor e controle de Ti:C |
| Resistência–Tenacidade | Boa combinação à temperatura ambiente; resistência moderada a altas temperaturas | Melhor resistência a altas temperaturas/fluência sustentada para exposições longas |
| Custo | Custo de liga mais alto (Mo), mas amplamente estocado | Custo de liga comparável ou mais baixo; demanda especial por formas de alta temperatura pode variar a disponibilidade |
Recomendação: - Escolha 316Ti se sua principal exigência for resistência à corrosão em ambientes com cloretos ou químicos agressivos, combinada com a necessidade de manter a resistência à corrosão após a soldagem e boas propriedades mecânicas gerais. - Escolha 321H se sua aplicação expuser componentes a temperaturas elevadas prolongadas onde resistência à fluência, resistência à oxidação e estabilidade dimensional a longo prazo são a prioridade, e onde o picotamento em ambientes de cloreto não é o modo de falha dominante.
Nota final: ambos os materiais atendem a nichos importantes, mas diferentes. Especifique a liga exata, forma do produto, tratamento térmico e testes de aceitação na documentação de compras e solicite certificados do fabricante. Para montagens soldadas críticas ou serviço em alta temperatura a longo prazo, realize avaliações específicas da aplicação (qualificação do procedimento de soldagem, testes de corrosão e estimativa da vida útil em fluência) em vez de confiar na seleção genérica de ligas.