321 vs 347H – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Escolher entre os aços inoxidáveis 321 e 347H é um ponto de decisão comum para engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação que trabalham em ambientes de alta temperatura ou corrosivos. As compensações geralmente giram em torno da resistência à corrosão sob exposição térmica, soldabilidade e facilidade de fabricação, resistência a altas temperaturas a longo prazo e custo do ciclo de vida.

A principal distinção entre esses dois aços inoxidáveis austeníticos estabilizados reside em sua estratégia de estabilização contra a precipitação de carbonetos em temperaturas elevadas: uma liga é estabilizada por titânio, enquanto a outra é estabilizada por nióbio e oferecida em uma variante de maior carbono para melhorar a resistência a altas temperaturas. Essa diferença governa sua resistência ao ataque intergranular após ciclos térmicos, seu comportamento de fluência e ruptura, e influencia a seleção para hardware de forno, tubos de caldeira e superaquecedores, e componentes de plantas químicas.

1. Normas e Designações

• Normas e designações comuns:
• ASTM/ASME: 321 (frequentemente dado como ASTM A240 / ASME SA240), 347H (ASTM A240 / ASME SA240 variante de alto carbono de 347)
• EN: equivalentes aparecem como X6CrNiTi17-12 ou similar para 321; variantes 347/347H mapeadas para graus EN com estabilização de columbio/nióbio
• JIS/GB: normas nacionais fornecem designações correspondentes e faixas de composição
• Classificação:
• Tanto 321 quanto 347H são aços inoxidáveis austeníticos (família inoxidável).
• Não são aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA — são ligas inoxidáveis (resistentes à corrosão) destinadas a temperaturas elevadas.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

As duas ligas compartilham a mesma química da matriz austenítica (composição à base de níquel e cromo estabilizadora de austenita), mas diferem em elementos estabilizadores e controle de carbono.

Tabela: presença/papel dos elementos (qualitativa)

Elemento	321	347H	Papel / Notas
C (carbono)	Baixo carbono austenítico	Variante de maior carbono (H)	O carbono influencia a resistência à fluência e o comportamento de precipitação
Mn (manganês)	Presente (menor)	Presente (menor)	Estabilizador de austenita, afeta o trabalho a quente
Si (silício)	Presente (traço)	Presente (traço)	Desoxidante, efeito menor nas propriedades
P (fósforo)	Controle de traço	Controle de traço	Controle de impurezas para tenacidade
S (enxofre)	Controle de traço	Controle de traço	Afecta a usinabilidade; mantido baixo
Cr (cromo)	Elemento de liga principal	Elemento de liga principal	Contribuinte primário para resistência à corrosão
Ni (níquel)	Elemento de liga principal	Elemento de liga principal	Estabiliza austenita, melhora ductilidade e tenacidade
Mo (molibdênio)	Tipicamente mínimo/ausente	Tipicamente mínimo/ausente	Não é uma característica de projeto para essas ligas
V (vanádio)	Não é um estabilizador aqui	Não é um estabilizador aqui	Geralmente não utilizado nessas ligas
Nb (nióbio / columbio)	Não utilizado como estabilizador primário	Presente como estabilizador	Forma Nb-carbonitrídeos que fixam carbonetos e limites de grão
Ti (titânio)	Presente como estabilizador	Pode estar presente apenas em pequenas quantidades	Forma Ti-carbonitrídeos para prevenir a precipitação de carbonetos de cromo
B (boro)	Traço se houver	Traço se houver	Não é um fator determinante de projeto
N (nitrogênio)	Baixos níveis	Baixos níveis	Afecta ligeiramente a resistência e a resistência à picotamento

Explicação - Ambas as ligas são aços inoxidáveis austeníticos à base de cromo-níquel. O cromo fornece o filme passivo para resistência à corrosão geral; o níquel estabiliza a fase austenítica e melhora a tenacidade. - O 321 utiliza titânio como estabilizador: o titânio forma preferencialmente carbonetos/nitridos de titânio, que retêm carbono e previnem a precipitação de carbonetos de cromo nos limites de grão durante longas exposições térmicas. - O 347H utiliza nióbio (columbio) como estabilizador e é fornecido em uma variante de maior carbono (o "H") para aumentar a resistência a altas temperaturas e resistência à fluência. O nióbio tem uma ação estabilizadora semelhante à do titânio, mas é especialmente eficaz quando combinado com maior carbono para resistência a altas temperaturas a longo prazo.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura - À temperatura ambiente, ambas as ligas são austenita de fase única (cúbica de face centrada), com adições de liga e estabilizadores presentes como finos carbonetos/nitridos. - Precipitados estabilizadores: 321 apresenta carbonitrídeos de titânio; 347H apresenta carbonitrídeos de nióbio. Esses precipitados são tipicamente finos e distribuídos nos limites de grão e dentro dos grãos.

Resposta ao tratamento térmico e processamento - Aços inoxidáveis austeníticos geralmente não são endurecíveis por têmpera; ajustes de resistência são feitos por trabalho a frio ou recozimento em solução. - O recozimento em solução seguido de resfriamento rápido dissolve os precipitados e restaura a resistência à corrosão se feito corretamente. - Para ligas estabilizadas, o estabilizador retém carbono durante a soldagem ou resfriamento lento, reduzindo o risco de precipitação de carbonetos de cromo (sensibilização). - O 347H, com maior carbono e nióbio, é projetado para manter melhor resistência à fluência e estabilidade dos limites de grão sob exposição prolongada a altas temperaturas; no entanto, os procedimentos de soldagem ainda devem controlar os ciclos térmicos para evitar precipitados indesejáveis.

Efeitos do processo - Normalização não é uma prática padrão para essas ligas austeníticas; o recozimento (tratamento em solução) é o processo térmico usual para restaurar a estrutura após a fabricação. - O processamento termo-mecânico (laminação controlada para tubos ou forjados) afeta principalmente o tamanho do grão e a resistência à fluência; ambas as ligas respondem de maneira semelhante em termos de recristalização e crescimento de grão, mas o comportamento de precipitação do 347H melhora a resistência à fluência em temperaturas mais altas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: comparação qualitativa em considerações de serviço ambiente e elevado

Propriedade	321	347H	Notas
Resistência à tração (temperatura ambiente)	Semelhante	Semelhante	Ambas têm propriedades de tração à temperatura ambiente comparáveis, típicas de aços inoxidáveis austeníticos
Resistência ao escoamento	Comparável	Levemente maior em temperaturas elevadas	O maior carbono e a precipitação de Nb do 347H melhoram a resistência a altas temperaturas
Elongação / ductilidade	Boa, maior ductilidade	Boa, ductilidade ligeiramente reduzida em comparação com 321	O maior carbono reduz modestamente a ductilidade no 347H
Tenacidade ao impacto	Excelente à temperatura ambiente	Excelente à temperatura ambiente	Ambas mantêm boa tenacidade; controle cuidadoso é necessário após trabalho a frio
Dureza	Semelhante na condição recozida	Semelhante (pode ser ligeiramente maior se trabalhado a frio)	A dureza aumenta com o trabalho a frio para ambas as ligas

Interpretação - À temperatura ambiente, as propriedades mecânicas são amplamente semelhantes, e ambas oferecem boa tenacidade e ductilidade características de aços inoxidáveis austeníticos. - Em serviço a longo prazo em altas temperaturas, o 347H geralmente oferece melhor retenção de tração/escoamento e resistência à fluência devido ao maior carbono e precipitados estabilizados por nióbio que fortalecem a matriz e desaceleram a degradação dos limites.

5. Soldabilidade

A soldabilidade é crítica para a confiabilidade da fabricação e do serviço.

Fatores - Tanto 321 quanto 347H são geralmente considerados soldáveis por práticas padrão de soldagem de aços inoxidáveis austeníticos, mas a estratégia de estabilização e o teor de carbono afetam a suscetibilidade à sensibilização e fases secundárias. - O menor carbono no 321 reduz a tendência de formar carbonetos de cromo, e a estabilização por titânio ajuda a prevenir a sensibilização. A estabilização por nióbio do 347H e o maior carbono requerem cuidado com os ciclos térmicos de soldagem para garantir que o nióbio efetivamente retenha carbono e evite zonas locais empobrecidas em cromo.

Índices de soldabilidade comuns (para interpretação) - O equivalente de carbono (forma IIW) frequentemente utilizado qualitativamente para avaliar a endurecibilidade/risco de trincas de solda: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Um parâmetro mais detalhado para aços inoxidáveis: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação (qualitativa) - Ambas as ligas apresentam valores moderados nesses índices em relação a aços ferríticos/temprados; não são propensas a trincas a frio assistidas por hidrogênio, mas podem apresentar trincas de solidificação e formação de fases intermetálicas prejudiciais se um material de enchimento ou entrada de calor inadequados forem utilizados. - O pré-aquecimento geralmente não é necessário para aços inoxidáveis austeníticos, mas o tratamento térmico pós-soldagem e a seleção do material de enchimento devem ser escolhidos para preservar a eficácia da estabilização: para 321, garantir que a relação titânio-carbono seja adequada no metal de solda; para 347H, escolher material de enchimento e procedimento que acomodem a estabilização por nióbio e evitem o empobrecimento local.

6. Corrosão e Proteção da Superfície

Corrosão geral - Tanto 321 quanto 347H dependem do cromo para formar um filme óxido passivo; eles fornecem boa resistência à corrosão geral em muitas atmosferas e ambientes químicos leves.

Corrosão intergranular e sensibilização a altas temperaturas - Os estabilizadores (Ti no 321 e Nb no 347H) são especificamente incluídos para prevenir a precipitação de carbonetos de cromo nos limites de grão durante a exposição a faixas de temperatura sensibilizadoras, reduzindo assim a suscetibilidade à corrosão intergranular. - A estabilização por nióbio do 347H, combinada com seu maior teor de carbono, melhora a resistência ao ataque intergranular durante a exposição prolongada a altas temperaturas e ciclos térmicos comuns em aplicações de caldeiras e superaquecedores.

Uso de índices de corrosão - O Número Equivalente de Resistência à Picotamento (PREN) é relevante para avaliar a resistência ao picotamento em ambientes de cloreto: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Para 321 e 347H, o PREN tem utilidade limitada porque essas ligas não são projetadas principalmente para alta resistência ao picotamento (pobres em Mo); o PREN é mais significativo para duplex ou austeníticos/ferríticos de alto Mo.

Proteção da superfície para alternativas não inoxidáveis - Não aplicável aqui (ambos são inoxidáveis). Para aços não inoxidáveis, a proteção incluiria galvanização, pintura ou revestimento.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos endurecem rapidamente; tanto 321 quanto 347H requerem ferramentas afiadas, montagens rígidas e parâmetros de corte adequados. O 347H (maior carbono) pode ser um pouco menos fácil de usinar do que o 321, mas a diferença é modesta.
• Formabilidade e dobra: Ambos são altamente formáveis na condição recozida. O 321 pode mostrar uma formabilidade marginalmente melhor devido ao menor teor de carbono, enquanto a estrutura de maior carbono e precipitados do 347H pode endurecer o material.
• Acabamento superficial: Ambos aceitam processos de acabamento e polimento semelhantes; tratamentos de decapagem e passivação são padrão após a soldagem para restaurar o filme passivo rico em cromo.

8. Aplicações Típicas

321 – Usos Típicos	347H – Usos Típicos
Componentes de escape e trocadores de calor em sistemas aeronáuticos e automotivos	Tubos de caldeira, tubos de superaquecedor e reaquecedor em plantas fósseis e nucleares
Equipamentos de processo químico expostos a temperaturas moderadas e atmosferas corrosivas	Hardware de forno a altas temperaturas e tubulação que requer resistência à fluência a longo prazo
Equipamentos de processamento de alimentos e dispositivos de tratamento térmico onde a estabilização é desejada	Tubulação e componentes de vasos petroquímicos a altas temperaturas onde o risco de sensibilização é alto
Componentes aeroespaciais e de motores onde a estabilização por titânio é bem compreendida	Componentes expostos a ciclos térmicos de longa duração onde a estabilização por nióbio preserva a integridade dos limites de grão

Racional de seleção - Escolha 321 quando resistência geral à corrosão em altas temperaturas e boa soldabilidade forem necessárias, e custo ou facilidade de conformação forem uma prioridade. - Escolha 347H quando o serviço envolver exposições prolongadas a temperaturas elevadas onde a corrosão intergranular (sensibilização) e resistência à fluência sejam preocupações primárias, e um custo de material ligeiramente mais alto seja aceitável.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: 321 está comumente disponível e geralmente é menos caro do que 347H porque as ligas estabilizadas de alto carbono com nióbio são itens especiais e utilizam controles de liga e processamento mais caros.
• Disponibilidade: 321 é amplamente estocado em chapas, folhas, barras e tubos soldados/sem costura. O 347H está disponível em formas de produto padrão, mas pode ser menos comum em algumas regiões de mercado e em produtos sem costura de grande diâmetro — os prazos de entrega e os pedidos mínimos podem ser mais longos.
• Nota de aquisição: especifique a liga exata e o requisito de estabilização (Ti vs Nb, faixa de carbono) nos pedidos de compra para evitar receber a variante não-H de 347 ou uma liga não estabilizada.

10. Resumo e Recomendação

Tabela: resumo qualitativo

Critério	321	347H
Soldabilidade	Boa — mais fácil de controlar com estabilização por Ti	Boa — requer atenção à estabilização por Nb e escolha do material de enchimento
Resistência–Tenacidade (alta temperatura)	Boa em temperaturas moderadas	Melhor resistência a altas temperaturas e resistência à fluência
Custo	Geralmente mais baixo / amplamente disponível	Geralmente mais alto / grau especial

Conclusão (recomendações) - Escolha 321 se: - A aplicação envolver temperaturas moderadas altas com ciclos térmicos ocasionais, onde boa resistência geral à corrosão e facilidade de fabricação são necessárias. - Custo, formabilidade e formas de produto prontamente disponíveis são importantes. - Escolha 347H se: - O serviço envolver exposição prolongada a temperaturas elevadas, estresse de fluência a longo prazo ou ciclos térmicos repetidos que arrisquem sensibilização e corrosão intergranular. - A retenção de propriedades mecânicas em altas temperaturas e a estabilidade dos limites de grão forem críticas e você puder aceitar um custo de material mais alto e controles de soldagem/fabricação ligeiramente mais exigentes.

Nota prática final - Para componentes críticos expostos a serviços de alta temperatura de longa duração, especifique a liga estabilizada, o tratamento térmico pós-fabricação necessário (se houver), a composição do material de enchimento e os critérios de inspeção. O envolvimento precoce da metalurgia e da engenharia de soldagem durante o design e a aquisição evita falhas dispendiosas em campo ou remanufatura.