201 vs 304 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Os aços inoxidáveis austeníticos 201 e 304 estão entre os graus mais comumente considerados quando projetistas, equipes de compras e fabricantes equilibram resistência à corrosão, conformabilidade, desempenho mecânico e custo. Os contextos típicos de decisão incluem: minimizar o custo do material para ambientes decorativos ou pouco corrosivos versus garantir resistência à corrosão a longo prazo em aplicações alimentícias, químicas ou externas; e escolher entre conformação a frio mais fácil ou melhor tenacidade e desempenho de soldagem a longo prazo.
A principal distinção prática é que o Tipo 201 utiliza intencionalmente menor teor de níquel e maiores adições de manganês/nitrogênio como estratégia de substituição motivada por custo, enquanto o Tipo 304 mantém níveis mais elevados de níquel e cromo para maximizar a estabilidade da austenita e a resistência à corrosão. Devido a essa estratégia de substituição, 201 e 304 são frequentemente comparados sempre que custo, resistência à corrosão e conformabilidade são parâmetros em jogo na seleção do componente.
1. Normas e Designações
- 304: amplamente padronizado como ASTM/ASME A240 (chapa, folha), A312 (tubo), e equivalentes em outros sistemas; número europeu EN frequentemente citado como 1.4301 (frequentemente X5CrNi18-10); designação JIS SUS304; equivalentes chineses GB (comumente listados sob ligas Cr-Ni). Classificação: aço inoxidável austenítico.
- 201: comumente referenciado pelo UNS S20100 e em algumas especificações de produto como ASTM/AISI Tipo 201 ou SUS201 na JIS; normas regionais e designações de fornecedores variam. Classificação: aço inoxidável austenítico (níquel-reduzido, estabilizado com manganês e nitrogênio).
Nota: Ambos são graus inoxidáveis (austeníticos) e não aços carbono, liga, ferramenta ou HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo apresenta faixas típicas de composição (wt%) dos aços inoxidáveis comerciais Tipo 201 e Tipo 304. Os valores indicam faixas representativas da indústria; normas específicas ou certificados de laminador devem ser consultados para tolerâncias rigorosas.
| Elemento | Tipo 201 (faixa típica, wt%) | Tipo 304 (faixa típica, wt%) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0,15 | ≤ 0,08 |
| Mn | 5,5 – 7,5 | ≤ 2,0 |
| Si | ≤ 1,0 | ≤ 1,0 |
| P | ≤ 0,06 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 16,0 – 18,0 | 18,0 – 20,0 |
| Ni | 3,5 – 5,5 | 8,0 – 10,5 |
| Mo | — (normalmente 0) | — (normalmente 0 para 304; Mo presente no 316) |
| N | 0,1 – 0,25 (usado como estabilizador da austenita) | ≤ 0,10 |
| Outros (V, Nb, Ti, B) | Geralmente não adicionados intencionalmente | Geralmente não adicionados intencionalmente |
Efeitos da liga (resumo): - O Cromo (Cr) forma o filme passivo de óxido que confere aos aços inoxidáveis sua resistência à corrosão. - O Níquel (Ni) estabiliza a estrutura cúbica de face centrada (austenítica), melhorando ductilidade, tenacidade e resistência à sensibilização; maior Ni também melhora a tenacidade em baixas temperaturas. - O Manganês (Mn) e o Nitrogênio (N) são usados no 201 para substituir parte do níquel, estabilizando a austenita, porém alterando o comportamento mecânico e desempenho contra corrosão. - O Carbono (C) afeta resistência e suscetibilidade à precipitação de carbonetos (sensibilização) durante exposição térmica; variantes com baixo C (ex.: 304L) mitigam corrosão intergranular após soldagem.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- Microestrutura (como produzidos, recozidos): Tanto 201 quanto 304 são nominalmente totalmente austeníticos à temperatura ambiente quando recozidos. A estabilidade da austenita no 201 é mantida por maior teor de Mn + N ao invés de Ni. Como resultado, 201 é mais propenso à formação de martensita induzida por deformação durante trabalho a frio intenso do que 304 em algumas condições, pois sua austenita pode ser menos estável sob tensão.
- Tratamento térmico: Nem 201 nem 304 são endurecíveis por tratamento térmico convencional de têmpera e revenimento (são graus austeníticos não endurecíveis por tratamento térmico). O recozimento típico é recozimento em solução a aproximadamente 1010–1120 °C seguido de resfriamento rápido (têmpera em água ou resfriamento rápido a ar) para dissolver carbonetos e restaurar resistência à corrosão e ductilidade.
- Trabalho a frio e processamento termomecânico: A resistência em ambos os graus é predominantemente aumentada pelo trabalho a frio. O trabalho a frio elevado aumenta limite de escoamento e resistência à tração e reduz alongamento; o 201 normalmente endurece por trabalho mais rapidamente.
- Sensibilização: Ambos os graus podem sofrer precipitação de carbonetos de cromo se expostos na faixa de temperatura de sensibilização (aproximadamente 500–800 °C) por tempos prolongados, levando à corrosão intergranular. Variantes de baixo carbono (ex.: 304L) ou graus estabilizados (com adições de Ti ou Nb) são usados quando soldagem ou exposição a alta temperatura for uma preocupação.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela compara o comportamento mecânico qualitativamente (típico em produtos recozidos). Valores exatos dependem da forma do produto (chapa, placa, tubo), condição e dados do fornecedor.
| Propriedade | Tipo 201 | Tipo 304 |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Ligeiramente maior (devido a Mn/N e trabalho a frio comum) | Moderada (bom equilíbrio entre resistência e ductilidade) |
| Limite de escoamento | Maior (tende a apresentar limite de escoamento mais alto em condições comparáveis) | Menor (maior ductilidade ao escoamento) |
| Alongamento (ductilidade) | Menor (reduzido em relação ao 304 no estado recozido) | Maior (melhor ductilidade e conformabilidade) |
| Tenacidade ao impacto | Boa à temperatura ambiente; inferior ao 304 em alguns tratamentos | Excelente tenacidade em entalhe à temperatura ambiente e baixas temperaturas |
| Dureza | Ligeiramente maior (e aumenta mais com trabalho a frio) | Menor em condição recozida; aumenta com trabalho a frio |
Interpretação: O Tipo 201 frequentemente apresenta maior resistência e dureza no estado recebido para a mesma rota de processamento, porém às custas da ductilidade e por vezes tenacidade. O Tipo 304 oferece melhor combinação ductilidade–tenacidade, o que beneficia conformação e confiabilidade em serviço em muitas aplicações corrosivas e estruturais.
5. Soldabilidade
A soldabilidade de ambos os graus é geralmente boa quando comparada a aços carbono, pois aços inoxidáveis austeníticos não endurecem por transformação martensítica no resfriamento. Considerações:
- Equivalentes de carbono e risco de trinca de soldagem podem ser estimados com fórmulas empíricas aceitas. Dois índices comumente usados são:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretação (qualitativa): O menor níquel no 201 reduz a estabilidade da austenita em relação ao 304, o que pode influenciar o modo de solidificação, suscetibilidade a trincas a quente e o grau de martensita induzida por deformação na zona afetada pelo calor (ZAC) sob algumas condições. Maior Mn e N no 201 também podem alterar a seleção do metal de adição e a composição do metal de solda.
- Orientações práticas:
- Use metais de adição apropriados. Para metal base 304 soldado com 304, ligas 308/308L são comuns. Para 201, muitos fabricantes escolhem ligas que restauram maior teor de Ni no metal de solda para melhorar resistência à corrosão e ductilidade.
- Pré-aquecimento geralmente não é necessário; recozimento pós-soldagem normalmente não é usado em austeníticos para aplicações comuns.
- Para juntas críticas em resistência à corrosão, selecione a química do metal de adição para garantir que o metal de solda e ZAC atendam às necessidades de resistência à corrosão.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Comportamento inoxidável: Ambos os graus formam filme passivo rico em cromo; entretanto, a resistência geral à corrosão difere.
- PREN (útil principalmente para avaliar resistência à corrosão por pite em ambientes com cloretos quando Mo e N estão presentes) é calculado como:
- $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Nota: Para o Tipo 304 (Mo ≈ 0), o PREN é dominado por Cr e N; para o Tipo 201, menor Cr e diferente N resultam em PREN inferior ao do 304, portanto a resistência à corrosão por pite em cloretos é geralmente inferior.
- Aspectos práticos:
- O Tipo 304 tem resistência geral à corrosão superior em muitos ambientes aquosos e atmosféricos e é o mínimo preferido para contato com alimentos, equipamentos médicos e muitas exposições químicas.
- O Tipo 201 tem desempenho adequado em ambientes internos e pouco corrosivos (painéis decorativos, equipamentos de cozinha em condições de baixo teor de cloretos, eletrodomésticos), mas não é recomendado para aplicações com exposição significativa a cloretos (ambientes costeiros, sais de degelo) ou onde se exige estabilidade passiva a longo prazo.
- Proteção para aços não inoxidáveis: Se estiver comparando um aço não inoxidável, as proteções superficiais comuns incluem galvanização, pintura ou galvanoplastia — mas essas não substituem o comportamento do aço inoxidável. Para ambos os tipos 201 e 304, os acabamentos superficiais (polimento eletroquímico, tratamentos de passivação) podem afetar significativamente o desempenho contra corrosão.
7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade
- Conformação e estampagem profunda: O tipo 304 geralmente oferece superior conformabilidade e alongamento na condição recozida devido ao maior teor de níquel e maior ductilidade. O tipo 201 pode ser conformado, mas apresenta maior retorno elástico (springback) e o metal endurece por trabalho mais rapidamente; ferramentas e parâmetros do processo devem levar isso em consideração.
- Dobra e distorção na soldagem: A melhor ductilidade do 304 reduz o risco de trincas durante conformações severas; o 201 pode exigir maior força e controle mais rigoroso do processo.
- Usinabilidade: Os aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar que os aços carbono. O tipo 201 tende a endurecer rapidamente por trabalho, o que pode reduzir a usinabilidade; ferramentas com ângulos de corte maiores, fixações rígidas e velocidades de alimentação mais baixas são comumente usadas. O 304 também é “pegajoso” e exige ferramentas adequadas, mas muitos usinadores consideram o 304 marginalmente mais fácil de usinar em tratamentos térmicos comparáveis.
- Acabamento superficial: Ambos os graus podem ser polidos até obter acabamentos elevados. Devido à maior suscetibilidade à corrosão localizada em ambientes agressivos, o 201 pode apresentar manchas mais cedo se o acabamento superficial e a passivação não forem adequados.
8. Aplicações Típicas
| Tipo 201 | Tipo 304 |
|---|---|
| Acabamentos decorativos, painéis arquitetônicos internos, painéis de eletrodomésticos, acabamentos externos de panelas de baixo custo, tubos leves em ambientes não agressivos | Equipamentos para processamento de alimentos, pias e bancadas de cozinha, componentes para processos químicos (sem Mo), tubulações, trocadores de calor, dispositivos médicos (não implantáveis), fixadores para ambientes externos e próximos ao mar |
| Justificativa para escolha: | |
| - Escolha o 201 quando restrições orçamentárias forem determinantes e o ambiente de serviço for brando (interno, baixo teor de cloretos), ou quando se priorizar maior resistência na condição entregue e acabamento superficial brilhante. | |
| - Escolha o 304 quando for necessário desempenho superior contra corrosão, higiene, soldabilidade com amplo suporte na indústria e confiabilidade a longo prazo em ambientes variados. |
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: O tipo 201 é tipicamente mais barato que o 304 devido ao significativamente menor teor de níquel. O níquel é o principal fator de custo nos aços inoxidáveis; substituir Ni por Mn e N reduz a sensibilidade do custo do material às variações do mercado de níquel.
- Disponibilidade: O tipo 304 é onipresente mundialmente em chapas, placas, bobinas, tubos e barras, e geralmente é mais fácil de obter com certificação para aplicações críticas. O tipo 201 é comum regionalmente e amplamente disponível em formas de produtos commodities, mas dados certificados de laminação e algumas formas de produto podem ser menos prontamente estocados que o 304 em certos mercados.
10. Resumo e Recomendação
Tabela resumo (qualitativa):
| Atributo | Tipo 201 | Tipo 304 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa, mas a escolha do material de adição pode precisar de ajuste | Muito boa, práticas consolidadas para material de adição |
| Equilíbrio resistência–tenacidade | Maior resistência, menor ductilidade/tenacidade | Resistência balanceada com ductilidade e tenacidade superiores |
| Custo | Menor (níquel reduzido) | Maior (teor padrão de Ni) |
Recomendações: - Escolha o Tipo 201 se: - O projeto for sensível a custos e a exposição for limitada a ambientes brandos, internos ou com baixo teor de cloretos. - Maior resistência na condição entregue e economia de custo forem mais importantes que a resistência máxima à corrosão. - A aparência superficial e o baixo custo em produtos de consumo forem priorizados. - Escolha o Tipo 304 se: - Houver expectativa de resistência à corrosão de longo prazo, serviço higiênico ou exposição a cloretos. - Formabilidade, soldabilidade e certificação de material estabelecida forem importantes. - A aplicação precisar atender a normas industriais comuns para contato com alimentos, farmacêuticos ou exposição externa.
Nota final: A seleção do material deve sempre ser validada considerando as condições ambientais específicas, cargas mecânicas, sequências de soldagem e conformação, além das restrições de aquisição e fornecimento do projeto. Para aplicações críticas, consulte certificados de laminação e realize testes de corrosão ou avaliações de engenharia para confirmar a adequação do 201 versus 304 para o serviço pretendido.