321 vs 347 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
O Tipo 321 e o Tipo 347 são dois aços inoxidáveis austeníticos estabilizados comumente especificados, usados onde a combinação de resistência à corrosão, soldabilidade e estabilidade a altas temperaturas é necessária. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente decidem entre eles ao equilibrar o desempenho contra corrosão, comportamento de fabricação e custo de ciclo de vida — por exemplo, escolhendo entre melhor resistência ao ataque intergranular após a soldagem versus custo ou disponibilidade de material marginalmente mais baixos.
A distinção metalúrgica central é que o 321 é estabilizado principalmente por adições de titânio, enquanto o 347 é estabilizado por nióbio (columbium) — cada um forma precipitados de carbonitrure estáveis que reduzem a formação de carbonetos de cromo durante a exposição térmica. Como ambos são aços inoxidáveis austeníticos do tipo 18–8, eles são frequentemente comparados para aplicações como componentes de escape, hardware de forno e equipamentos de processo químico, onde a sensibilização e o serviço a altas temperaturas são preocupações.
1. Normas e Designações
Normas e designações comuns onde 321 e 347 aparecem:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (chapas, folhas e tiras de aço inoxidável)
- EN: série EN 10088 (normas europeias de aço inoxidável)
- JIS: JIS G4303 / G4311 (aços inoxidáveis japoneses) — equivalentes existem, mas verifique o mapeamento de grau específico
- GB: normas chinesas GB/T (existem graus comparáveis; verifique a química e a designação)
- UNS: UNS S32100 (Tipo 321), UNS S34700 (Tipo 347)
Classificação: tanto o 321 quanto o 347 são aços inoxidáveis austeníticos (inox), não aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA. Eles são graus de aço inoxidável austenítico estabilizados destinados a limitar a sensibilização e a corrosão intergranular.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela a seguir mostra os elementos composicionais típicos e as faixas de controle comuns para os Tipos 321 e 347 em suas variantes comerciais padrão. Os valores mostrados são faixas representativas encontradas em normas comuns (por exemplo, ASTM A240, especificações EN); os limites composicionais exatos devem ser verificados no certificado do lote para um determinado calor.
| Elemento | Tipo 321 (faixas típicas) | Tipo 347 (faixas típicas) |
|---|---|---|
| C (wt%) | ≤ 0.08 | ≤ 0.08 |
| Mn (wt%) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (wt%) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (wt%) | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S (wt%) | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr (wt%) | 17–19 | 17–19 |
| Ni (wt%) | 9–13 | 9–13 |
| Mo (wt%) | — / traços | — / traços |
| V (wt%) | — / traços | — / traços |
| Nb (wt%) | tipicamente ≤ 0.10 (pode conter traços) | tipicamente 0.8–1.25 |
| Ti (wt%) | tipicamente 0.5–1.0 (pelo menos ~5×C) | tipicamente ≤ 0.10 (pode conter traços) |
| B (wt%) | traço se presente | traço se presente |
| N (wt%) | pequenas quantidades (≤ 0.1) | pequenas quantidades (≤ 0.1) |
Como a estratégia de liga funciona: - Cr e Ni produzem a matriz austenítica base, conferindo resistência à corrosão e ductilidade. - O titânio ou nióbio combina preferencialmente com carbono e nitrogênio para formar partículas de carboneto/nitreto estáveis (TiC/TiN ou NbC/Nb(C,N)), prevenindo a precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos durante ciclos térmicos (sensibilização). - Limites de baixo carbono também reduzem a quantidade de carbonetos de cromo que poderiam se formar; os estabilizadores atuam como uma margem de segurança, particularmente importante durante a soldagem ou exposição prolongada na faixa de sensibilização (~450–850°C).
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura: - Ambos os graus são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição de recozimento em solução. - Elementos estabilizadores formam carbonitrure de titânio ou nióbio finamente dispersos. Sua distribuição e tamanho dependem da prática de fusão, trabalho a quente e histórico térmico. - Se o conteúdo de estabilizador for insuficiente em relação ao carbono, carbonetos de cromo podem precipitar nas fronteiras dos grãos durante a exposição a temperaturas sensibilizadoras, reduzindo a resistência à corrosão intergranular.
Resposta ao tratamento térmico e processamento: - Recozimento em solução: as temperaturas típicas de recozimento em solução para aços inoxidáveis austeníticos variam de cerca de 1010°C a 1120°C, seguidas de resfriamento rápido (água ou ar) para manter uma estrutura austenítica homogênea. Tanto o 321 quanto o 347 são normalmente fornecidos na condição recozida. - Têmpera/resfriamento: ao contrário dos aços ferríticos ou martensíticos, os ciclos tradicionais de resfriamento e têmpera não são aplicáveis a esses graus austeníticos; eles não se transformam martensiticamente de uma maneira que se beneficie da têmpera. - Normalização: não é comumente usada para aços inoxidáveis austeníticos. - Processamento termo-mecânico: o trabalho a frio (laminação, trefilação) aumenta a resistência por meio do endurecimento por trabalho e influencia a deformação dos grãos; o recozimento subsequente é usado para restaurar a ductilidade. - Eficácia da estabilização: carbonitretos de nióbio geralmente formam precipitados muito estáveis em uma ampla faixa de temperatura e podem fornecer excelente estabilização para exposições a temperaturas mais altas ou de longa duração. A estabilização por titânio é eficaz para muitos ciclos comuns de fabricação/soldagem, mas requer controle da relação Ti/C para evitar a formação de precipitados grosseiros.
4. Propriedades Mecânicas
Ambos os graus exibem propriedades mecânicas típicas de aços inoxidáveis austeníticos 18–8 na condição recozida. Como são ligas intimamente relacionadas, suas faixas de propriedades mecânicas se sobrepõem substancialmente.
| Propriedade (recozido, faixas típicas) | Tipo 321 | Tipo 347 |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | 500–700 (típica) | 500–700 (típica) |
| Resistência ao escoamento, 0.2% (MPa) | 190–310 (típica) | 190–310 (típica) |
| Alongamento (%) | 40–60% | 40–60% |
| Dureza de impacto | Alta tenacidade à temperatura ambiente; sem requisito universal específico de Charpy | Alta tenacidade à temperatura ambiente; semelhante ao 321 |
| Dureza (recozido) | ~70–95 HRB (aprox.) | ~70–95 HRB (aprox.) |
Interpretação: - As resistências mecânicas são essencialmente semelhantes na condição recozida porque os níveis de Ni–Cr base são comparáveis. - O endurecimento por trabalho durante a conformação aumentará a resistência e reduzirá a ductilidade para ambos os graus; a propensão ao endurecimento rápido por trabalho é semelhante. - Quaisquer pequenas diferenças na fluência a altas temperaturas ou resistência a longo prazo podem resultar de diferentes estabilidade e distribuição de precipitados de carboneto/nitreto (material estabilizado por nióbio pode mostrar melhor resistência à fluência em algumas aplicações de alta temperatura a longo prazo).
5. Soldabilidade
Soldabilidade geral: - Ambos os graus soldam bem com procedimentos de soldagem austeníticos padrão (TIG, MIG, soldagem por resistência) devido ao baixo carbono e à estrutura austenítica que resiste a trincas. - A estabilização reduz o risco de corrosão intergranular após a soldagem, ligando o carbono, eliminando a necessidade de algumas operações de recozimento em solução pós-soldagem em muitos casos.
Índices de soldabilidade relevantes: - Fórmula de equivalente de carbono comumente usada para avaliar a endurecibilidade e a tendência a trincas: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula mais detalhada de fósforo–manganês–cromo: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Ambos os graus geralmente têm baixos valores de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ em relação aos aços martensíticos, indicando boa soldabilidade. - A presença de estabilizadores (Ti ou Nb) reduz o risco de sensibilização pós-soldagem; no entanto, precipitados de estabilizadores grosseiros ou relações inadequadas de Ti/Nb podem criar heterogeneidades locais. Os procedimentos de soldagem ainda devem seguir as melhores práticas: controle da entrada de calor, seleção apropriada de material de adição e, se necessário, recozimento em solução pós-soldagem para serviços críticos severos. - O 347 pode ter um desempenho melhor que o 321 em algumas exposições de soldagem de longa duração ou alta temperatura, porque o nióbio forma precipitados mais estáveis em certas temperaturas; no entanto, ambos são considerados soldáveis e são frequentemente usados em montagens soldadas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
Comportamento à corrosão: - Ambos os graus são resistentes à corrosão em uma ampla gama de ambientes típicos para aços inoxidáveis austeníticos 18–8. Sua estratégia de estabilização visa especificamente a resistência à corrosão intergranular após exposição térmica (soldagem ou aquecimento prolongado na faixa de sensibilização). - Nenhum dos graus é significativamente mais resistente à corrosão uniforme do que o outro em ambientes aquosos ou atmosféricos comuns; as diferenças aparecem em contextos especializados de alta temperatura ou sensíveis à sensibilização.
Quando usar índices de corrosão: - PREN (Número Equivalente de Resistência à Perfuração) é aplicável para comparar resistência à perfuração (principalmente relevante quando Mo e N são significativos): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Para 321 e 347, Mo está tipicamente ausente ou presente apenas em quantidades traço, e N é baixo, portanto, PREN não é um índice discriminatório entre esses dois graus.
Proteção de superfície para contextos não inoxidáveis: - Não aplicável aqui — ambos são inoxidáveis. Para aços não inoxidáveis, as opções seriam galvanização, pintura ou revestimentos.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
Notas de fabricação: - Maquinabilidade: aços inoxidáveis austeníticos, incluindo 321 e 347, são mais difíceis de usinar do que aços carbono devido ao alto endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica. Ferramentas de carboneto, montagens rígidas e alimentação/velocidades controladas são recomendadas. - Formabilidade: ambos os graus têm boa ductilidade e podem ser moldados, profundos e girados; no entanto, eles endurecem rapidamente — recozimentos frequentes podem ser necessários para sequências de deformação pesada. - Acabamento de superfície: a suscetibilidade a desgaste e desgaste de ferramentas requer atenção; eletropolimento ou passivação melhora a resistência à corrosão após a fabricação. - Consumíveis de soldagem: ligas de enchimento com teor de níquel igual ou ligeiramente superior são comumente usadas; a escolha do enchimento deve considerar a temperatura de serviço e o ambiente de corrosão.
8. Aplicações Típicas
| Tipo 321 (usos comuns) | Tipo 347 (usos comuns) |
|---|---|
| Sistemas de escape de aeronaves e automóveis | Equipamentos de processo químico expostos a temperaturas contínuas mais altas |
| Hardware de forno, fornos de cozimento e trocadores de calor onde a estabilidade da solda é necessária | Vasos de pressão e tubulações em serviço a altas temperaturas onde pode ocorrer exposição prolongada a temperaturas elevadas |
| Componentes petroquímicos, fixadores e molas onde a estabilização contra sensibilização é desejada | Tubos de caldeira e superaquecedores, onde a estabilização por nióbio pode ajudar na resistência à fluência a longo prazo |
| Equipamentos de processamento de alimentos onde ciclos térmicos e soldagem são comuns | Componentes de forno de alta temperatura e conexões petroquímicas com longa permanência a temperaturas elevadas |
Racional de seleção: - Escolha com base no fator de serviço dominante: se a soldagem e o ciclo térmico moderado são a principal preocupação, ambos têm bom desempenho; se a fluência a longo prazo ou a exposição sustentada a temperaturas mais altas são esperadas, o 347 estabilizado por nióbio pode oferecer uma vantagem. A disponibilidade, forma (tubo, chapa, bobina) e os estoques de fornecedores locais também influenciam a seleção.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: ambos os graus são amplamente comparáveis em preço porque seus conteúdos base de Ni e Cr são semelhantes. O Tipo 347 pode ser ligeiramente mais caro em algumas regiões devido ao conteúdo de nióbio e variações de mercado desse elemento de liga.
- Disponibilidade: ambos estão amplamente disponíveis em formas de chapa, placa, tubo e barra de grandes usinas e distribuidores de inox. Formas de produto específicas (por exemplo, chapa de espessura pesada ou tamanhos de tubo especiais) devem ser confirmadas com os fornecedores; os prazos de entrega podem variar por região e ciclo de mercado.
10. Resumo e Recomendação
| Critérios | Tipo 321 | Tipo 347 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente; a estabilização por Ti reduz o risco de sensibilização | Excelente; a estabilização por Nb reduz o risco de sensibilização (frequentemente preferido para exposições de soldagem a altas temperaturas) |
| Resistência–Tenacidade | Resistência austenítica típica e alta tenacidade; semelhante ao 347 | Comparável ao 321; potencial vantagem em estabilidade a longo prazo a altas temperaturas |
| Custo | Comumente ligeiramente mais baixo ou semelhante | Comparável; pode ser marginalmente mais alto devido ao Nb |
Recomendação: - Escolha o Tipo 321 se: você precisar de um aço inoxidável austenítico estabilizado bem comprovado para montagens soldadas e ciclos térmicos onde a estabilização por titânio é eficaz; se as formas de material e o estoque do fornecedor favorecerem o 321; ou se a sensibilidade ao custo e o serviço convencional a altas temperaturas (durações moderadas) forem preocupações primárias. - Escolha o Tipo 347 se: o componente sofrer exposição prolongada a temperaturas mais altas, onde os carbonetos estabilizados por nióbio oferecem estabilidade superior e potencial resistência à fluência; se o histórico de soldagem ou serviço indicar longos tempos de permanência na faixa de sensibilização; ou se as especificações exigirem liga estabilizada por Nb por razões de desempenho.
Nota final: Tanto o 321 quanto o 347 são excelentes escolhas onde a estabilização contra sensibilização é necessária. A decisão geralmente depende do perfil térmico específico (duração e temperatura máxima), expectativas de fluência a altas temperaturas a longo prazo e logística (disponibilidade de forma do produto e custo). Para aplicações críticas ou de longa duração a altas temperaturas, consulte dados de teste de materiais e certificados de fornecedores para o lote específico e considere avaliação de engenharia (testes de fluência, ensaios de exposição à corrosão ou qualificações de procedimentos de soldagem) para validar o grau escolhido para o serviço pretendido.