TP304 vs TP304L – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
TP304 e TP304L são graus de aço inoxidável austenítico comumente especificados para vasos de pressão, tubulações, tanques e fabricados em geral resistentes à corrosão. Engenheiros e equipes de compras frequentemente ponderam a resistência à corrosão, soldabilidade, desempenho mecânico e custo do ciclo de vida ao escolher entre eles. Os contextos típicos de decisão incluem montagens soldadas que requerem a evitação do recozimento em solução pós-solda, ou projetos que priorizam uma resistência ligeiramente maior onde o risco de sensibilização é controlado.
A principal distinção metalúrgica entre os dois graus é seu conteúdo máximo de carbono: TP304 permite o limite superior normal para o tipo 304 inoxidável, enquanto TP304L é uma variante de baixo carbono destinada a reduzir o risco de precipitação de carbonetos de cromo e consequente corrosão intergranular em componentes soldados. Como seus níveis de cromo e níquel são de outra forma semelhantes, os graus são comparados principalmente pelo comportamento de soldagem, sensibilidade ao processamento térmico e propriedades mecânicas resultantes.
1. Normas e Designações
Normas e especificações internacionais comuns que cobrem esses graus incluem: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (chapas e placas), ASTM A276 (barras), ASTM A312 (tubos) — TP304 e TP304L aparecem sob a família do tipo 304. - EN: série EN 10088; designações EN 1.4301 (304) e EN 1.4306 (304L) frequentemente usadas na Europa. - JIS: SUS304 e SUS304L (Padrão Industrial Japonês). - GB: GB/T 3280 etc. (normas nacionais chinesas) usam nomes semelhantes.
Classificação: tanto TP304 quanto TP304L são aços inoxidáveis austeníticos (inoxidáveis, não carbono, liga, ferramenta ou aços HSLA). O prefixo “TP” é comumente usado no contexto de vasos de pressão ASME/ASTM para indicar um material permitido.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Composição química típica (wt %) — os valores são dados como limites de especificação comuns da prática ASTM/ASME amplamente utilizada. Normas individuais e fabricantes podem publicar limites ligeiramente diferentes; sempre confirme contra a especificação de compra específica.
| Elemento | TP304 (limites típicos de especificação) | TP304L (limites típicos de especificação) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 | ≤ 0.03 |
| Mn | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.030 | ≤ 0.030 |
| Cr | 18.0 – 20.0 | 18.0 – 20.0 |
| Ni | 8.0 – 10.5 | 8.0 – 10.5 (ocasionalmente permitido ligeiramente mais alto por algumas especificações) |
| Mo | — (tipicamente ≤ 0.60) | — (tipicamente ≤ 0.60) |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 (traço) | ≤ 0.10 (traço) |
Como a estratégia de liga afeta as propriedades: - Cromo (Cr ~18–20%): fornece o filme de óxido passivo responsável pela resistência geral à corrosão e resistência à oxidação. - Níquel (Ni ~8–10.5%): estabiliza a estrutura cristalina austenítica, melhora a tenacidade e ductilidade, e melhora a resistência à corrosão em certos ambientes. - Carbono (C): aumenta a resistência através da solidificação em solução e contribui para a formação de carbonetos de cromo nas fronteiras de grão se exposto a temperaturas de sensibilização (aprox. 425–850°C). O limite de carbono mais baixo do TP304L é a estratégia deliberada para suprimir a precipitação de carbonetos em regiões afetadas pelo calor da solda ou pós-solda. - Manganês e silício estão presentes como desoxidantes e modificadores de resistência; enxofre e fósforo são controlados como impurezas que podem prejudicar a tenacidade e resistência à corrosão. - Elementos de liga como Mo, Nb, Ti ou V não são característicos do 304/304L simples (esses são característicos de outros graus como 316, 347, etc.).
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Tanto TP304 quanto TP304L são austeníticos (cúbicos de face centrada) à temperatura ambiente quando recozidos em solução. Características microestruturais típicas e resposta térmica:
- Microestrutura recozida: totalmente austenítica, com carbonetos dispersos tipicamente em solução se o material foi adequadamente recozido em solução (por exemplo, 1010–1150°C seguido de resfriamento rápido).
- Sensibilização: TP304, com um carbono permitido mais alto, é mais suscetível à precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras de grão quando mantido dentro da faixa de sensibilização (aproximadamente 425–850°C), levando à depleção local de cromo e risco elevado de corrosão intergranular. O baixo teor de carbono do TP304L reduz a força motriz para a formação de carbonetos, melhorando a resistência à sensibilização em juntas soldadas ou resfriamento lento.
- Tratamentos térmicos:
- Recozimento em solução / decapagem: rota padrão para dissolver carbonetos e restaurar a resistência à corrosão — comumente realizado a cerca de 1010–1150°C seguido de resfriamento rápido.
- Normalização e resfriamento não são tratamentos de endurecimento eficazes para aços inoxidáveis austeníticos (eles são austenita estável à temperatura ambiente); esses graus não endurecem por transformação martensítica como alguns aços.
- Processamento termo-mecânico e trabalho a frio aumentam a resistência por endurecimento por deformação e podem induzir pequenas quantidades de martensita em 304 dependendo da deformação e temperatura (mais em 304 do que em alguns graus estabilizados).
- Variantes estabilizadas (por exemplo, 347 com Nb ou 321 com Ti) são alternativas onde a evitação do recozimento pós-solda é necessária, mas maior resistência ou resistência específica à fluência também é necessária.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Propriedades mecânicas típicas para condição recozida (os valores são representativos e dependem da forma do produto e da especificação exata; verifique os certificados de teste de material).
| Propriedade | TP304 (recozido, típico) | TP304L (recozido, típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | ~ 515–700 MPa | ~ 485–690 MPa |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset) | ~ 205–310 MPa | ~ 170–270 MPa |
| Alongamento (em 50 mm) | ≥ 40% | ≥ 40% |
| Tenacidade ao impacto (Charpy V, se especificado) | Geralmente alta; não rotineiramente especificada | Geralmente alta; não rotineiramente especificada |
| Dureza (faixa HRB/HRC) | Moderada; HRB recozido ~70–90 | Ligeiramente mais baixa em alguns lotes devido ao menor C |
Explicação: - TP304 geralmente apresenta resistências ao escoamento e à tração marginalmente mais altas do que TP304L porque o carbono contribui para o endurecimento por solução sólida. As diferenças são modestas no estado recozido. - Ambos os graus mostram excelente ductilidade e tenacidade em temperaturas ambiente; a tenacidade em baixa temperatura permanece boa devido à matriz austenítica. - Como o carbono é um contribuinte de resistência relativamente menor em comparação com o níquel e os efeitos do trabalho a frio, o controle rigoroso do processo e o nível de trabalho a frio podem mudar as propriedades mais do que a diferença de carbono entre 304 e 304L.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade focam no risco de sensibilização, trincas a quente e na necessidade de tratamento térmico pós-solda.
- Efeito do carbono: o limite máximo de carbono mais baixo em TP304L reduz a tendência de formar carbonetos de cromo na zona afetada pelo calor da solda; assim, TP304L é preferido para soldagens de múltiplas passagens ou grandes soldagens onde o recozimento em solução pós-solda não será realizado.
- Dureza/durecibilidade: aços inoxidáveis austeníticos não são suscetíveis ao endurecimento por resfriamento; trincas a quente são a principal preocupação na soldagem e normalmente são gerenciadas controlando a contaminação, seleção de material de adição e design da junta.
- Equivalente de carbono e índices de soldabilidade podem ser usados qualitativamente. Exemplos:
- $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$
- $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
- Interpretação: menor $C$ reduz $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$, indicando menor propensão a problemas relacionados à solda, como corrosão intergranular e certos tipos de trincas. Na prática, TP304L frequentemente permite soldagem sem recozimento em solução subsequente, enquanto TP304 pode exigir mais atenção (controle da entrada de calor, resfriamento rápido ou recozimento pós-solda) para evitar sensibilização em serviço crítico.
Metais de adição: composições de adição correspondentes ou superiores são usadas; para estruturas soldadas onde a resistência à corrosão é primordial, materiais de adição de famílias de baixo carbono ou estabilizadas são frequentemente selecionados.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto TP304 quanto TP304L dependem do conteúdo de Cr/Ni para a formação de filme passivo e exibem boa resistência à corrosão atmosférica, muitos ácidos orgânicos e ambientes inorgânicos leves.
- O risco de corrosão intergranular é maior para TP304 se o material for exposto a temperaturas de sensibilização após a fabricação. TP304L minimiza esse risco devido ao menor carbono.
- PREN (Número Equivalente de Resistência à Perfuração) é tipicamente aplicado a graus contendo Mo; para contexto: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Para 304/304L, Mo está essencialmente ausente e N é baixo, então PREN é modesto — significando que nenhum dos graus é adequado para ambientes altamente carregados de cloreto onde a corrosão por perfuração e fendas são preocupações críticas (graus com Mo, por exemplo, 316, ou superausteníticos de alto Cr/N, são selecionados para tal serviço).
- Proteção de superfície: para aços não inoxidáveis, galvanização/pintura são padrão; para TP304/TP304L, geralmente são desnecessárias, a menos que proteção estética ou abrasiva seja necessária. A passivação com ácido nítrico após a fabricação é comum para restaurar a resistência à corrosão ideal.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade: ambos os graus são altamente formáveis na condição recozida e são frequentemente usados para operações de estampagem profunda, dobra e furação. O baixo carbono em TP304L não altera materialmente as características de conformação.
- Maquinabilidade: aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que aços carbono devido à alta tenacidade e endurecimento por trabalho. TP304 pode mostrar dureza ligeiramente mais alta e endurecimento por trabalho mais rápido do que TP304L, o que pode reduzir marginalmente a vida útil da ferramenta; no entanto, as diferenças são pequenas e a estratégia de ferramentas (rigidez, taxa de alimentação, refrigerante) domina.
- Acabamento de superfície e polimento: ambos apresentam bons acabamentos de superfície; soldagem e coloração térmica requerem limpeza química/mecânica para restaurar o filme passivo da superfície.
- Resposta ao trabalho a frio: a conformação a frio aumenta a resistência por endurecimento por deformação; recozimento cuidadoso é usado para restaurar a ductilidade, se necessário.
8. Aplicações Típicas
| TP304 (usos típicos) | TP304L (usos típicos) |
|---|---|
| Equipamentos de processamento de alimentos, acabamentos arquitetônicos gerais, trocadores de calor onde o recozimento pós-solda pode ser feito | Grandes tanques químicos soldados, sistemas de tubulação onde o recozimento pós-solda é impraticável |
| Carcaças e componentes de vasos de pressão em ambientes moderados (com práticas de soldagem controladas) | Vasos de processo de laticínios e farmacêuticos onde a soldagem sem sensibilização é necessária |
| Fixadores, barras e conexões onde uma resistência ligeiramente maior é aceitável | Trocadores de calor soldados, tubulações de meios corrosivos (cloretos moderados) onde a resistência à corrosão da HAZ da solda é essencial |
| Equipamentos de cozinha, pias, eletrodomésticos | Tanques de armazenamento químico, cotovelos de tubulação de refinaria, montagens soldadas com múltiplas passagens |
Racional de seleção: - Escolha TP304 onde resistências à tração/escoamento ligeiramente mais altas são benéficas e onde controles de fabricação (ou recozimento em solução pós-fabricação) gerenciarão o risco de sensibilização. - Escolha TP304L onde soldagem extensa é necessária e evitar o tratamento térmico pós-solda é importante para preservar a resistência à corrosão na zona afetada pelo calor.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: TP304 é tipicamente marginalmente menos caro do que TP304L em uma base por quilograma porque as especificações do 304L podem exigir controle mais rigoroso de fusão e carbono, e às vezes ajustes de níquel ligeiramente mais altos. Os preços de mercado variam com os preços das commodities de Ni e Cr; o prêmio para graus L é geralmente modesto.
- Disponibilidade: ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas de chapa, folha, bobina, tubo, barra e fio de fornecedores globais. Algumas formas de produto destinadas a fabricados soldados pesados (por exemplo, tubo de grande diâmetro) podem ser mais comumente especificadas e estocadas como 304L.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: comparação concisa
| Atributo | TP304 | TP304L |
|---|---|---|
| Soldabilidade (risco de sensibilização) | Bom com controles de soldagem; maior risco de sensibilização | Melhor para soldagem sem recozimento pós-solda |
| Resistência–Tenacidade | Resistência ligeiramente mais alta (contribuição do C); excelente tenacidade | Resistência ligeiramente mais baixa; resistência à corrosão da HAZ igual ou superior |
| Custo | Ligeiramente mais baixo (tipicamente) | Ligeiramente mais alto (tipicamente) |
Conclusão e orientação prática: - Escolha TP304 se: você precisar da resistência ao escoamento/tração ligeiramente mais alta na condição recozida, o processo de fabricação permitir parâmetros de soldagem controlados ou recozimento em solução pós-solda, ou você estiver trabalhando com componentes menores ou facilmente recozidos onde a sensibilização pode ser mitigada. - Escolha TP304L se: o componente passar por soldagem extensa de múltiplas passagens, montagens soldadas grandes no local forem especificadas onde o recozimento em solução pós-solda é impraticável, a aplicação for sensível à corrosão intergranular na zona de solda, ou requisitos de código para tubulações/tanques de pressão favorecerem a variante de baixo carbono para serviço soldado.
Nota prática: para aplicações soldadas críticas que também requerem resistência a altas temperaturas ou resistência à fluência, considere graus estabilizados (por exemplo, TP321, TP347) ou graus inoxidáveis contendo Mo (por exemplo, TP316) dependendo da química ambiental e dos requisitos mecânicos. Sempre confirme a composição exata e os dados mecânicos contra o certificado de teste do moinho e a especificação governante para o projeto.