1Cr18Ni9Ti vs 0Cr18Ni9 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros e equipes de compras frequentemente enfrentam a escolha entre dois graus de aço inoxidável próximos: 1Cr18Ni9Ti e 0Cr18Ni9. A decisão geralmente equilibra o desempenho contra corrosão após soldagem ou exposição a altas temperaturas, restrições de fabricação e soldabilidade, e custo do ciclo de vida. Em muitas aplicações, a troca é entre uma resistência melhorada à corrosão intergranular e estabilidade metalúrgica (a um custo de material ligeiramente mais alto) versus ampla disponibilidade e menor custo para inoxidável austenítico de uso geral.
A principal distinção metalúrgica centra-se no controle de carbono e na estratégia de estabilização: um grau é intencionalmente estabilizado com titânio para mitigar a precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos, enquanto o outro é o grau comum de cromo-níquel austenítico com limites de carbono padrão. Essa diferença influencia seu comportamento durante a soldagem, serviço em altas temperaturas e ambientes propensos à corrosão.
1. Normas e Designações
- Equivalentes internacionais comuns:
- 1Cr18Ni9Ti ≈ AISI/UNS 321 (aço inoxidável austenítico estabilizado por titânio)
- 0Cr18Ni9 ≈ AISI/UNS 304 (aço inoxidável austenítico padrão 18/8)
- Normas nas quais esses graus aparecem: GB (chinês), ASTM/ASME (equivalentes AISI/UNS), EN (EN 1.4541 para 321, EN 1.4301 para 304), JIS e ISO.
- Classificação: ambos são aços inoxidáveis austeníticos (não aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA). Eles são aços inoxidáveis de liga com cromo e níquel como principais elementos de liga.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Abaixo estão os intervalos de composição típicos expressos em porcentagem de peso para os equivalentes comumente referenciados (AISI 321 para 1Cr18Ni9Ti e AISI 304 para 0Cr18Ni9). Os limites exatos dependem da norma e do fabricante; sempre consulte o certificado do material.
| Elemento | 1Cr18Ni9Ti (intervalos típicos, % em peso) | 0Cr18Ni9 (intervalos típicos, % em peso) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 (estabilizado por Ti) | ≤ 0.08 (grau padrão) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | ~17.0–19.5 | ~17.0–19.5 |
| Ni | ~8.0–10.5 | ~8.0–10.5 |
| Mo | — (geralmente nenhum) | — (geralmente nenhum) |
| V | — | — |
| Nb | — | — |
| Ti | ~0.5–0.7 (estabilizador) | — |
| B | traço | traço |
| N | traço até ~0.1 | traço até ~0.1 |
Como a liga afeta o desempenho - Cromo (Cr): principal contribuinte para a formação de filme passivo e resistência geral à corrosão. - Níquel (Ni): estabiliza a fase austenítica, melhora a tenacidade e ductilidade. - Carbono (C): aumenta a resistência, mas pode se combinar com cromo para formar carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos quando exposto a 450–850°C; essa sensibilização reduz a resistência à corrosão intergranular. - Titânio (Ti): liga-se ao carbono (e nitrogênio) formando carbonetos/nitratos de titânio estáveis, prevenindo a precipitação de carbonetos de cromo e melhorando o desempenho contra corrosão pós-soldagem e a estabilidade em altas temperaturas. - Elementos menores (Mn, Si, N) ajustam o desempenho mecânico e de corrosão; Mo e Nb estão ausentes nesses dois graus, a menos que especificado.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura base: ambos os graus são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição de recozimento padrão.
- 0Cr18Ni9 (304): no estado recozido, a microestrutura é austenita homogênea. Se exposto a temperaturas de sensibilização (aproximadamente 450–850°C) por períodos prolongados—como certos ciclos de soldagem—o carbono pode se combinar com cromo para formar carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos. Isso leva à depleção local de cromo e suscetibilidade à corrosão intergranular.
- 1Cr18Ni9Ti (321): a presença de titânio promove a formação de carbonetos/nitratos de titânio que consomem preferencialmente carbono e nitrogênio, reduzindo a formação de carbonetos de cromo durante a exposição térmica. A matriz austenítica permanece estabilizada, o que melhora a resistência ao ataque intergranular após aquecimento e soldagem.
- Tratamento térmico: ambos os graus são geralmente fornecidos na condição recozida. Eles não são endurecidos por processos convencionais de têmpera e revenimento (como aços martensíticos). Tratamentos padrão:
- Recozimento de solução seguido de resfriamento rápido restaura a resistência à corrosão (dissolve carbonetos).
- Para 0Cr18Ni9, variantes de baixo carbono ou recozimento de solução + têmpera são usados para mitigar a sensibilização.
- Para 1Cr18Ni9Ti, o teor estabilizador de Ti reduz a necessidade de recozimento de solução pós-soldagem para prevenção da corrosão intergranular, mas cuidado na soldagem e fabricação ainda é importante.
- Processamento termo-mecânico (trabalho a frio, recozimento) afeta resistência e ductilidade de maneira semelhante em ambos os graus; o trabalho a frio aumenta a resistência e diminui a ductilidade.
4. Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas típicas (condição recozida) são semelhantes para os dois graus; o grau estabilizado por titânio é selecionado mais pela estabilidade metalúrgica do que por grandes diferenças nas propriedades mecânicas estáticas.
| Propriedade (típica, recozida) | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (UTS) | ~500–700 MPa | ~500–700 MPa |
| Resistência ao escoamento (0.2% proof) | ~200–300 MPa | ~200–300 MPa |
| Alongamento (A%) | ~40% (boa ductilidade) | ~40% (boa ductilidade) |
| Tenacidade ao impacto | Boa em temperaturas ambiente; permanece tenaz até temperaturas subzero moderadas | Boa em temperaturas ambiente |
| Dureza | Relativamente baixa (valores típicos de HB/HRB consistentes com inoxidável austenítico recozido) | Semelhante a 1Cr18Ni9Ti |
Interpretação - Nenhum dos graus é selecionado principalmente por força estática superior; ambos fornecem um equilíbrio de resistência e ductilidade típico dos aços inoxidáveis austeníticos. - 1Cr18Ni9Ti oferece vantagens marginais em resistência ao fluência e estabilidade durante exposição prolongada a altas temperaturas porque o titânio estabiliza os carbonetos e reduz a precipitação nas fronteiras dos grãos. - A tenacidade é geralmente comparável; as diferenças dependem da aplicação, em vez de serem grandes.
5. Soldabilidade
A soldabilidade dos aços inoxidáveis austeníticos é geralmente excelente, mas o teor de carbono e a estabilização afetam a suscetibilidade à sensibilização e fissuração a quente.
Índices de soldabilidade comumente usados: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Índice de corrosão por pite ou índice de 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 - 0Cr18Ni9: a liga convencional e o teor de carbono tornam-no soldável com procedimentos de soldagem austeníticos padrão. No entanto, a soldagem pode produzir zonas sensibilizadas se o material for mantido na faixa de 450–850°C; o recozimento de solução ou o uso de variantes de baixo carbono (por exemplo, 304L) é uma mitigação. - 1Cr18Ni9Ti: o titânio reduz a tendência de formar carbonetos de cromo, melhorando a resistência à corrosão intergranular pós-soldagem. Os procedimentos de soldagem são, de outra forma, semelhantes; as temperaturas de pré-aquecimento e interpassagem devem ser controladas de acordo com a prática padrão para evitar crescimento excessivo dos grãos. - Ambos os graus são propensos à fissuração a quente se a composição do metal de solda e os parâmetros de soldagem não forem controlados; a seleção do material de adição e boas práticas de soldagem mitigam esses riscos. - Para ambientes corrosivos críticos, considere graus de baixo carbono (L) ou graus estabilizados (Ti/Nb) para evitar riscos de sensibilização.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Ambos os graus dependem do filme passivo enriquecido com cromo para resistência à corrosão em ambientes oxidantes.
- Para índices de corrosão localizada (PREN), a fórmula habitual é: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Como nenhum dos graus contém molibdênio, e o nitrogênio é baixo, os valores de PREN são modestos; esses graus não são otimizados para resistência à corrosão por pite de cloreto agressivo em comparação com ligas duplex ou superausteníticas contendo Mo.
- 0Cr18Ni9 (304): boa resistência geral à corrosão em ambientes atmosféricos, químicos leves e de contato com alimentos. Em ambientes com cloreto, é suscetível à corrosão por pite e fendas, dependendo da concentração de cloreto e temperatura.
- 1Cr18Ni9Ti (321): resistência geral à corrosão semelhante à 304, mas melhor resistência à corrosão intergranular após exposição a temperaturas sensibilizadoras devido à estabilização por titânio.
- Proteção de superfície para não-inoxidáveis ou onde desempenho aprimorado é necessário:
- Aços não inoxidáveis requerem galvanização, pintura ou revestimento.
- Para 304 ou 321, o acabamento de superfície (eletropolimento) e os tratamentos de passivação melhoram a resistência à corrosão; para ambientes agressivos com cloreto, escolha graus contendo Mo (por exemplo, 316) ou aplique revestimentos.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Maquinabilidade: os aços inoxidáveis austeníticos são geralmente menos usináveis do que os aços carbono devido ao alto endurecimento por trabalho. Entre 1Cr18Ni9Ti e 0Cr18Ni9, a maquinabilidade é comparável; pequenas variações podem surgir do tamanho dos grãos e da liga menor.
- Formabilidade: ambos os graus têm excelente formabilidade e podem ser moldados a fundo, dobrados ou formados a frio na condição recozida.
- Soldagem e operações pós-soldagem: 1Cr18Ni9Ti reduz a necessidade de recozimento de solução pós-soldagem custoso em alguns casos devido à estabilização, melhorando o rendimento para montagens soldadas que seriam sensíveis à corrosão intergranular.
- Acabamento de superfície: ambos respondem bem ao polimento e passivação; ligas estabilizadas por titânio podem exigir atenção para garantir que precipitados ricos em Ti não sejam deixados em superfícies onde poderiam afetar o acabamento.
8. Aplicações Típicas
| 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|
| Coletor de escape, partes de forno e tubos de aeronaves onde ocorre exposição a altas temperaturas e aquecimento cíclico | Equipamentos de cozinha, processamento de alimentos, aplicações arquitetônicas, tanques e tubulações para produtos químicos leves |
| Componentes de planta química sujeitos a ciclos térmicos ou estruturas soldadas onde a sensibilização pós-soldagem é uma preocupação | Bens de consumo, fixadores e componentes estruturais gerais em ambientes não clorados |
| Componentes automotivos e aeroespaciais expostos à oxidação em altas temperaturas | Trocadores de calor, vasos de armazenamento e fabricação onde custo e disponibilidade favorecem 304 |
Racional de seleção - Escolha o grau estabilizado por Ti quando o serviço incluir excursões térmicas repetidas através da faixa de sensibilização ou quando resistência à corrosão pós-soldagem sem recozimento de solução caro for necessária. - Escolha o grau não estabilizado, comum, quando resistência geral à corrosão, custo e facilidade de aquisição forem preocupações primárias e as condições de serviço não forem propensas a causar sensibilização.
9. Custo e Disponibilidade
- 0Cr18Ni9 (304) é um dos aços inoxidáveis mais comuns no mundo—amplamente disponível em chapa, placa, tubo, barra e componentes soldados, geralmente a um custo menor do que as variantes estabilizadas.
- 1Cr18Ni9Ti (321) é amplamente disponível, mas tipicamente com preço modestamente mais alto do que 304 devido ao titânio adicionado e seu nicho marcado em aplicações de alta temperatura/soldadas.
- Considerações de fornecimento: ambos são produzidos em formas padrão de usina; para prazos críticos ou para formas de produto incomuns (placa grossa, forjados grandes), é recomendado o planejamento de aquisição.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo
| Atributo | 1Cr18Ni9Ti (≈ 321) | 0Cr18Ni9 (≈ 304) |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Muito boa; melhor estabilidade contra corrosão pós-soldagem devido ao Ti | Muito boa; risco de sensibilização a menos que controlado |
| Força–Tenacidade | Comparável; ambos exibem boa ductilidade e tenacidade | Comparável |
| Custo | Prêmio moderado sobre 304 | Mais econômico e altamente disponível |
Recomendações finais - Escolha 1Cr18Ni9Ti se: - O componente sofrerá exposição térmica cíclica na faixa de sensibilização, ou - A corrosão intergranular pós-soldagem for uma preocupação e o recozimento de solução for impraticável, ou - Melhor estabilidade em altas temperaturas/resistência à fluência for necessária. - Escolha 0Cr18Ni9 se: - A aplicação requer ampla disponibilidade e menor custo de material, e - As condições de serviço não são esperadas para causar precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos (ou estratégias de mitigação—304L, recozimento de solução—são usadas quando necessário).
Nota final Confirme os limites químicos e mecânicos exatos com a norma aplicável e o certificado de usina para o material adquirido. Para projetos críticos, especifique um grau estabilizado (Ti ou Nb) ou uma variante de baixo carbono (L), e documente os tratamentos pós-soldagem ou controles de fabricação necessários nas especificações de aquisição e fabricação.