304 vs 321 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Os aços inoxidáveis 304 e 321 são duas das classificações austeníticas mais especificadas na indústria. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente ponderam a resistência à corrosão, a estabilidade em altas temperaturas, a soldabilidade e o custo ao escolher entre eles. O dilema da seleção geralmente gira em torno de priorizar a resistência geral à corrosão e a eficiência de custo (304) ou resistir à precipitação de carbonetos e ao ataque intergranular em temperaturas elevadas (321).

A principal distinção metalúrgica é que o 321 é estabilizado por adições de titânio que ligam o carbono como carbonetos, melhorando marcadamente a resistência à corrosão intergranular após a exposição a faixas de temperatura sensibilizadoras. Como ambos são austeníticos, eles são frequentemente comparados para tubulações, vasos, trocadores de calor e componentes fabricados usados em serviço que podem experimentar temperaturas elevadas e soldagem.

1. Normas e Designações

• 304
• Designações comuns: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
• Tipo: Aço inoxidável austenítico (inox)
• Normas relevantes: ASTM A240 (chapas), ASTM A276 (barras), ASTM A312 (tubos), ASME SA-240, EN 10088
• 321
• Designações comuns: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (ou variantes 1.4541/1.4878), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
• Tipo: Aço inoxidável austenítico (inox estabilizado por titânio)
• Normas relevantes: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088

Ambos são classificados como aços inoxidáveis austeníticos; não são aços carbono, aços para ferramentas ou aços HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo mostra faixas de composição típicas (peso %) por normas amplamente utilizadas. Os limites exatos dependem de normas específicas e formas de produto; os valores listados são representativos.

Resumo da estratégia de liga: - O cromo e o níquel produzem uma matriz austenítica estável e fornecem resistência geral à corrosão. O níquel também melhora a tenacidade e a conformabilidade. - O titânio no 321 forma preferencialmente carbonetos/nitretos de titânio (TiC, TiN) que impedem a precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos quando o aço é exposto a temperaturas sensibilizadoras (aproximadamente 450–850 °C). Essa estabilização reduz a suscetibilidade à corrosão intergranular após a soldagem ou serviço prolongado em altas temperaturas. - Limites de baixo carbono reduzem a força motriz para a precipitação de carbonetos; no 304L (304 de baixo carbono), a variante “L” oferece outra rota para reduzir a sensibilização sem estabilização.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura típica: Tanto o 304 quanto o 321 são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição recozida. Eles contêm ocasionalmente ferrita delta dependendo da fusão e processamento, mas predominantemente austenita.
• Resposta a ciclos térmicos:
• Recozimento: O recozimento em solução (por exemplo, 1010–1150 °C dependendo do produto) dissolve carbonetos e homogeneíza. O resfriamento rápido é usado para evitar a sensibilização, mas o 321 é menos sensível porque o Ti forma carbonetos estáveis.
• Soldagem: O aquecimento localizado na faixa de 450–850 °C pode permitir a precipitação de carbonetos de cromo nas fronteiras dos grãos em graus não estabilizados. O titânio do 321 liga o carbono e o nitrogênio, limitando a formação de carbonetos de cromo e preservando a resistência à corrosão intergranular.
• Processamento termo-mecânico: O trabalho a frio aumenta a densidade de discordâncias e pode levar à formação de martensita induzida por deformação em alguns aços inoxidáveis austeníticos (menos comum em graus totalmente estabilizados). Ambos os graus podem ser endurecidos por trabalho; a recuperação ocorre ao aquecer.
• Rotas de tratamento térmico como normalização, têmpera e revenimento não são tipicamente aplicadas a aços inoxidáveis austeníticos para endurecimento — eles são endurecidos por trabalho e solução sólida; o endurecimento por precipitação não é aplicável ao 304/321.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades abaixo são típicas para a condição recozida; a forma do produto (chapas, placas, barras), espessura e norma influenciam os valores.

Interpretação: - Na condição recozida, 304 e 321 têm características de tração, escoamento e ductilidade muito semelhantes porque a química de sua matriz é amplamente comparável. Diferenças no desempenho mecânico são tipicamente menores e ofuscadas pela história de processamento (trabalho a frio) ou forma do produto. - A tenacidade é alta para ambos em temperaturas ambiente; ambos mantêm resistência ao impacto razoável em temperaturas moderadamente elevadas. A resistência aumenta com o trabalho a frio para ambos os graus.

5. Soldabilidade

Tanto o 304 quanto o 321 são considerados facilmente soldáveis com a prática padrão de soldagem de aços inoxidáveis austeníticos. Considerações de soldagem: - Teor de carbono e estabilização: Teores de carbono mais altos aumentam o risco de precipitação de carbonetos de cromo na zona afetada pelo calor (HAZ). O titânio do 321 reduz esse risco formando TiC/TiN, o que é especialmente valioso quando se espera exposição ao calor pós-soldagem ou longo serviço em temperaturas sensibilizadoras. - A dureza é baixa; os aços inoxidáveis austeníticos não são endurecíveis por têmpera; preocupações com hidrogênio e trincas de solidificação devem ser gerenciadas por meio de metal de adição apropriado e técnica.

Uso de índices de soldabilidade (orientação qualitativa): - Exemplo de equivalente de carbono para soldagem: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Esta fórmula ajuda a prever a suscetibilidade a trincas a frio e a necessidade de tratamento térmico pré/pós-soldagem em aços. Para aços inoxidáveis austeníticos, o CE absoluto é menos diretamente aplicável, mas a abordagem enfatiza que os elementos de liga influenciam o comportamento da solda. - Um parâmetro estendido usado em aços inoxidáveis: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ é usado para estimar a propensão a formar intermetálicos ou ferrita delta em soldas; a interpretação qualitativa sugere que pequenas adições de Ti (como no 321) alteram o equilíbrio de fases na HAZ e no metal de solda.

Implicações práticas: - Use metais de adição de correspondência ou de baixo carbono para aplicações de 304 para evitar sensibilização (por exemplo, ER308L para soldagem de 304). - Ao unir 304 que verá serviço na faixa sensibilizadora, considere material base 321, 304L de baixo carbono ou metal de adição estabilizado, dependendo da aplicação e do custo.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Para graus inoxidáveis apenas (304, 321):
• A resistência geral à corrosão é governada em grande parte pelo teor de cromo e pela continuidade do filme passivo de Cr2O3. Nenhum dos graus contém molibdênio, portanto, sua resistência à corrosão em ambientes de cloreto é limitada em comparação com graus contendo Mo.
• PREN (Número Equivalente de Resistência à Corrosão por Pite) não é particularmente discriminatório aqui porque as contribuições de Mo e N são pequenas ou ausentes; para referência: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Para 304/321 (Mo = 0), PREN é essencialmente o teor de Cr mais qualquer pequeno efeito de N — ambos os graus têm PREN semelhante.
• Corrosão intergranular: O 304 é suscetível ao ataque intergranular após exposição na faixa de sensibilização se o carbono estiver presente e a precipitação de carbonetos ocorrer nas fronteiras dos grãos. O titânio do 321 captura o carbono e reduz esse modo de corrosão, tornando o 321 preferível para componentes soldados ou componentes expostos a temperaturas elevadas sustentadas.
• Para aços não inoxidáveis (não aplicável aqui): as proteções comuns incluem galvanização, pintura e revestimentos — irrelevantes para a seleção de 304/321, exceto onde sistemas de materiais mistos são usados.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Corte e Maquinabilidade:
• Os aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que os aços carbono devido ao endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica. O 304 é ligeiramente mais fácil de usinar do que o 321 na prática, mas as diferenças são modestas.
• Use configurações rígidas, ferramentas afiadas, taxas de avanço mais altas e refrigerante apropriado para minimizar o endurecimento por trabalho.
• Conformabilidade e dobra:
• Ambos os graus têm excelente conformabilidade na condição recozida e podem ser moldados e conformados. A estabilização por titânio do 321 pode reduzir ligeiramente a suscetibilidade aos efeitos de envelhecimento por deformação em alguns casos, mas não altera materialmente a conformabilidade para a maioria das operações.
• Acabamento de superfície:
• Ambos respondem bem ao polimento e ao eletropolimento; observe que a moagem ou soldagem precisará de passivação pós-processo para restaurar a resistência à corrosão em aplicações críticas.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 304 para resistência à corrosão de uso geral sensível ao custo e onde as temperaturas de operação permanecem abaixo da faixa de sensibilização ou onde 304L de baixo carbono é especificado para estruturas soldadas. - Escolha 321 onde montagens ou componentes soldados estão expostos a temperaturas repetidas ou sustentadas na faixa sensibilizadora e o risco de corrosão intergranular deve ser minimizado, ou onde resistência à oxidação em temperaturas moderadamente elevadas é necessária.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 321 é tipicamente precificado modestamente mais alto do que o 304 devido às adições de titânio e volumes de demanda mais baixos. A diferença varia com as condições de mercado e a forma do produto.
• Disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em chapa, placa, bobina, tubo, tubo e barra. O 304 é mais ubíquo globalmente, portanto, os prazos de entrega e a flexibilidade de fornecimento são geralmente melhores para o 304 do que para o 321, particularmente em formas de produtos especiais.
• Dica de aquisição: Para grandes projetos, especifique acabamento, forma do produto e quaisquer requisitos de certificação cedo; considere 304L como uma alternativa ao 321 quando a preocupação principal for a sensibilização da solda e o controle de custos.

10. Resumo e Recomendação

Conclusão e orientação prática: - Escolha 304 se precisar de um aço inoxidável austenítico de custo eficaz e de uso geral para serviço em temperatura ambiente, ambientes de alimentos e bebidas, ou aplicações onde a soldagem pode ser controlada por metais de adição de baixo carbono ou onde o recozimento pós-soldagem é viável. - Escolha 321 se o componente for soldado e depois exposto a temperaturas na faixa de sensibilização (por exemplo, 450–850 °C) ou se a peça deve suportar ciclos térmicos repetidos ou serviço prolongado em altas temperaturas onde a precipitação de carbonetos comprometeria a resistência à corrosão e a estabilidade mecânica.

Nota final: a seleção de materiais deve considerar as condições exatas de serviço (perfil de temperatura, produtos químicos presentes, estado de estresse e rota de fabricação). Quando incerto, consulte dados de testes de corrosão ou um engenheiro metalúrgico e, quando necessário, especifique testes (por exemplo, testes de corrosão intergranular) ou escolha ligas de baixo carbono ou estabilizadas para mitigar o risco de sensibilização.