304 vs 2205 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam o trade-off entre resistência à corrosão, desempenho mecânico e custo ao selecionar aços inoxidáveis para equipamentos de processo, tubulações e componentes estruturais. O grau 304 é amplamente utilizado onde a conformabilidade, soldabilidade e resistência moderada à corrosão são requisitos primários; o grau 2205 (um aço inoxidável duplex) é selecionado quando maior resistência e melhor resistência à corrosão localizada são necessárias.
A distinção metalúrgica fundamental é que um grau é uma liga totalmente austenítica, enquanto o outro é uma liga de fase dupla (ferrita + austenita). Essa diferença gera disparidades em resistência, tenacidade, comportamento de soldagem e suscetibilidade à formação de fases intermetálicas, razão pela qual esses dois graus são frequentemente comparados em decisões de projeto e fabricação.
1. Normas e Designações
- 304
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (variantes 304, 304L)
- EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
- JIS: SUS304
- GB: 0Cr18Ni9 (designação aproximada)
- Classificação: Inoxidável — austenítico
- 2205
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803 historicamente)
- EN: EN 1.4462
- Outros: UNS S32205, às vezes marcado como Duplex 2205
- Classificação: Inoxidável — duplex (ferrita + austenita)
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Faixas composicionais típicas (valores representativos para graus comerciais padrão). Os limites exatos dependem da norma específica e da forma do produto.
| Elemento | 304 (típico) | 2205 (típico) |
|---|---|---|
| C | ≤ 0.08 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| Mn | ≤ 2.0 wt% | ≤ 2.0 wt% |
| Si | ≤ 1.0 wt% | ≤ 0.8 wt% |
| P | ≤ 0.045 wt% | ≤ 0.03 wt% |
| S | ≤ 0.03 wt% | ≤ 0.02 wt% |
| Cr | 17.0–19.0 wt% | 21.0–23.0 wt% |
| Ni | 8.0–10.5 wt% | 3.0–5.5 wt% |
| Mo | ~0 wt% | 2.5–3.5 wt% |
| V | traço / não especificado | traço / não especificado |
| Nb | — | tipicamente muito baixo / nenhum |
| Ti | — | tipicamente muito baixo / nenhum |
| B | — | traço, se houver |
| N | ~0.03–0.10 wt% | 0.14–0.20 wt% (significativo) |
Estratégia de liga e efeitos: - 304: Ni é o principal estabilizador da austenita; Cr proporciona passividade para resistência à corrosão. Baixo C limita a precipitação de carbonetos e melhora a soldabilidade (a variante 304L reduz ainda mais o C). - 2205: Cr, Mo e N elevados aumentam a resistência à corrosão por picotamento e fendas e promovem maior resistência. Menor Ni reduz o custo e estabiliza um equilíbrio de fase duplex (ferrita + austenita). Mo e N são fundamentais para a resistência à corrosão localizada e maior resistência ao escoamento.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
- 304 (austenítico):
- Microestrutura: Totalmente austenítica (FCC) em condição de recozimento em solução.
- Tratamento térmico: Recozimento em solução (~1010–1100°C) seguido de resfriamento rápido preserva a austenita de fase única; não há endurecimento por resfriamento/tempera. A precipitação de carbonetos (sensibilização) pode ocorrer na faixa de 450–850°C se mantida, levando à corrosão intergranular; graus de baixo carbono (304L) ou estabilizados (304H, 321/347) abordam isso.
- Processamento termo-mecânico: O trabalho a frio aumenta a resistência por endurecimento por deformação e reduz a ductilidade; a recristalização ocorre durante o recozimento.
- 2205 (duplex):
- Microestrutura: Mistura de ferrita (α, BCC) e austenita (γ, FCC) com aproximadamente 40–60% de ferrita em condições equilibradas. A ferrita proporciona resistência e resistência à fissuração por corrosão sob tensão; a austenita proporciona tenacidade e ductilidade.
- Tratamento térmico: Recozimento em solução (~1020–1100°C) seguido de resfriamento rápido restaura o equilíbrio de fase e dissolve intermetálicos prejudiciais. A exposição prolongada na faixa de 600–1000°C promove a fase sigma e outros intermetálicos que tornam o material quebradiço e reduzem a resistência à corrosão; portanto, ciclos térmicos controlados e resfriamento rápido são críticos.
- Rotas termo-mecânicas: O trabalho a quente e o resfriamento controlado influenciam o equilíbrio de fase; trabalho a frio excessivo aumenta a tensão e pode exigir recozimento para restaurar a tenacidade.
Normalização, resfriamento e têmpera: Estes são termos padrão para aços carbono e de liga. Para 304 e 2205, "resfriamento e têmpera" não é aplicável como rotas de endurecimento; o recozimento em solução e o resfriamento controlado são os processos térmicos relevantes.
4. Propriedades Mecânicas
Propriedades mecânicas típicas em condições comuns de recozimento/tratamento em solução. Os valores variam com a forma do produto (chapas, placas, tubos) e norma.
| Propriedade | 304 (recozido) | 2205 (recozido em solução) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~490–750 | ~630–900 |
| Resistência ao escoamento 0.2% (MPa) | ~200–300 | ~450–550 |
| Alongamento (% em 50 mm) | ~40–60 | ~20–35 |
| Tenacidade ao impacto (Charpy, J) | Alta, mantém tenacidade em baixa T | Boa, mas inferior a 304 em algumas orientações; excelente em ambiente |
| Dureza (HRB/HRc aprox.) | ~70–100 HRB | Tipicamente mais alta, ~100–150 HRB |
Interpretação: - 2205 tem resistência ao escoamento substancialmente mais alta e frequentemente maior resistência à tração do que 304 devido à fase ferrítica e à liga de nitrogênio/Mo. - 304 oferece maior ductilidade e geralmente melhor tenacidade em seções pesadas trabalhadas a frio; 2205 mantém boa tenacidade para sua resistência, mas tem alongamento reduzido. - A seleção deve pesar os requisitos de resistência contra as necessidades de conformabilidade e tenacidade.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende do equivalente de carbono, equilíbrio de fase e suscetibilidade a fissuras ou formação de intermetálicos.
Índices de soldabilidade comuns: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - 304: Excelente soldabilidade na maioria das condições; baixo carbono (especialmente 304L) minimiza o risco de sensibilização. A estrutura austenítica resiste a fissuras a frio; pré-aquecimento normalmente não é necessário, e o recozimento pós-soldagem raramente é necessário. - 2205: Soldável, mas mais exigente. O controle da entrada de calor e das temperaturas entre passes é necessário para preservar um equilíbrio de ferrita/austenita na zona de solda. Calor excessivo ou resfriamento lento pode produzir intermetálicos (sigma) ou soldas excessivamente ferríticas que são quebradiças ou têm baixa resistência à corrosão. O uso de metal de enchimento duplex compatível e procedimentos apropriados gera bons resultados; o recozimento em solução pós-soldagem é às vezes utilizado para aplicações críticas, embora nem sempre seja prático para grandes montagens.
Notas práticas: - Para 2205, o enchimento compatível e o controle rigoroso do calor ajudam a alcançar o equilíbrio de fase desejado (tipicamente 40–60% de ferrita). Evite entradas de calor altas e longos tempos de espera na janela de formação da fase sigma. - Para 304, a seleção do enchimento é direta (por exemplo, ER308/ER308L); fique atento à sensibilização se um serviço em alta temperatura for esperado.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Comportamento inoxidável:
- Use o Número Equivalente de Resistência à Picotamento (PREN) para comparar a resistência à corrosão por picotamento em ambientes de cloreto: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Exemplo aproximado (composições de faixa média): 304 (Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, N pequeno) resulta em PREN ≈ 18; 2205 (Cr ≈ 22, Mo ≈ 3.0, N ≈ 0.17) resulta em PREN ≈ 34–35. Isso ilustra por que o duplex 2205 é marcadamente mais resistente à corrosão por picotamento e fendas em ambientes ricos em cloreto.
- Aços não inoxidáveis: Para aços carbono ou de baixa liga (não é o caso aqui), galvanização, pintura e proteção catódica são típicas; para 304/2205, a proteção de superfície geralmente não é necessária quando a seleção do grau corresponde ao ambiente.
- Limitações:
- 304 é suscetível a ataques localizados (picotamento, fenda) em ambientes ricos em cloreto e a fissuração por corrosão sob tensão em certas temperaturas e químicas de cloreto.
- 2205 resiste muito melhor à fissuração por corrosão sob tensão induzida por cloreto devido ao maior teor de ferrita e maior PREN, mas é sensível à fragilização por fases intermetálicas se processado inadequadamente.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
- Maquinabilidade:
- 304: Maquinabilidade justa; aços inoxidáveis austeníticos endurecem ao trabalho e requerem configurações rígidas, ferramentas afiadas e velocidades de corte adequadas. Inserções e alimentações controladas ajudam.
- 2205: Mais difícil de usinar do que 304 devido à maior resistência e endurecimento ao trabalho; espere forças de corte mais altas e desgaste mais rápido das ferramentas. Ferramentas de carboneto e estratégias de profundidade de corte reduzida são comuns.
- Conformabilidade:
- 304: Excelente conformabilidade a frio e capacidade de estampagem profunda; alta ductilidade suporta operações de conformação complexas.
- 2205: Conformabilidade a frio limitada em relação ao 304; a conformação pode exigir níveis de deformação mais baixos ou recozimento intermediário. Os raios de curvatura devem ser maiores e o retorno elástico mais alto.
- Acabamento de superfície:
- Ambos os graus podem ser polidos e passivados; 2205 requer cuidado para evitar coloração por calor e precipitados intermetálicos durante a soldagem; decapagem e passivação restauram os óxidos de superfície.
8. Aplicações Típicas
| 304 — Usos Típicos | 2205 — Usos Típicos |
|---|---|
| Equipamentos de processamento de alimentos, utensílios de cozinha, componentes HVAC, acabamentos arquitetônicos internos, tubulações de processos químicos com serviço leve | Trocadores de calor químicos e petroquímicos, tubulações de água do mar, equipamentos de superfície de petróleo e gás, dessalinização, flanges e conexões expostas a cloretos |
| Acabamentos automotivos, fixadores, tanques de grau alimentício | Estruturas offshore, componentes de fundo de poço, ambientes agressivos de cloreto, vasos de pressão que requerem maior resistência |
| Tubulações de uso geral, equipamentos sanitários | Tanques criogênicos e aplicações estruturais onde maior relação resistência/peso é desejada |
Racional de seleção: - Escolha 304 quando a conformação, facilidade de soldagem e resistência à corrosão em ambientes não agressivos forem prioridades e quando a sensibilidade ao custo for significativa. - Escolha 2205 quando resistência, resistência à corrosão por picotamento/fenda em meios de cloreto e menor suscetibilidade à fissuração por corrosão sob tensão forem necessárias, e quando custos de material mais altos forem justificados.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo:
- 304 é geralmente de menor custo devido ao maior teor de Ni do que alguns graus ferríticos, mas menor Mo e N do que duplex; é produzido em volumes muito altos, o que mantém os preços competitivos.
- 2205 é mais caro por kg do que 304 devido ao Mo e ao teor controlado de N e requisitos de processamento mais complexos.
- Disponibilidade:
- 304 é onipresente em formas de chapa, placa, barra, tubo e fixadores e está disponível em todo o mundo.
- 2205 está amplamente disponível, mas menos onipresente; comum em tubos, conexões, placas e barras para mercados industriais. Longos prazos de entrega e fontes limitadas de usinas podem ocorrer para formas de produtos muito grandes ou exóticas.
10. Resumo e Recomendação
| Propriedade | 304 | 2205 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Excelente, tolerante | Boa com controles; precisa de enchimento compatível e controle de calor |
| Resistência – Tenacidade | Resistência moderada, alta ductilidade | Alta resistência, boa tenacidade para a resistência |
| Custo | Mais baixo (mais econômico) | Mais alto (liga premium, processamento) |
Orientação final: - Escolha 304 se precisar de excelente conformabilidade e soldabilidade, menor custo e serviço em ambientes levemente corrosivos (alimentos, arquitetônicos, linhas de processo gerais). - Escolha 2205 se o projeto exigir maior resistência ao escoamento e à tração, resistência superior à corrosão por picotamento/fenda e fissuração por corrosão sob tensão induzida por cloreto, ou economia de peso/espaço através de seções mais finas — e você puder aceitar custos de material e fabricação mais altos.
Se o ambiente de corrosão, resistência ou suscetibilidade à SCC for um fator crítico de design, realize um estudo focado de seleção de materiais (incluindo cálculos de PREN, qualificação de procedimento de soldagem e testes de corrosão) para confirmar a melhor escolha para o serviço específico.