310 vs 310S – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
O tipo 310 e 310S são aços inoxidáveis austeníticos comumente especificados para serviço em alta temperatura. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente ponderam as compensações entre resistência à corrosão, resistência em alta temperatura e soldabilidade ao escolher entre eles—especialmente onde componentes de forno, trocadores de calor ou montagens soldadas operarão em ambientes de alta temperatura.
A principal distinção técnica entre os dois graus é a especificação de carbono: 310 permite um teor máximo de carbono mais alto do que 310S, enquanto seus níveis de cromo e níquel são essencialmente os mesmos. Essa diferença de carbono influencia decisões sobre suscetibilidade à precipitação de carbonetos (sensibilização), soldabilidade e, às vezes, diferenças marginais na resistência em alta temperatura. Como eles compartilham a mesma química austenítica, são comparados de perto em decisões de design e fabricação.
1. Normas e Designações
As normas e designações comuns para esses graus incluem: - ASTM/ASME: Tipo 310 (UNS S31000), Tipo 310S (UNS S31008); referenciados na ASTM A240 (placa, chapa e fita), A312 (tubo sem costura e soldado) e outras normas de produtos. - EN: 1.4841 (310), 1.4845 (310S) em alguns esquemas de designação europeus. - JIS: SUS310, SUS310S (as normas japonesas correspondem de perto). - GB (China): As normas de produtos GB/T para aços inoxidáveis frequentemente referenciam químicas equivalentes.
Classificação: tanto 310 quanto 310S são aços inoxidáveis austeníticos (grupo inoxidável de alta liga). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA.
2. Composição Química e Estratégia de Liga
Tabela: Intervalos de composição típica (wt%) conforme comumente especificado em normas como ASTM A240. Os valores são intervalos representativos; verifique o certificado de material específico para valores de lote.
| Elemento | 310 (intervalo típico) | 310S (intervalo típico) |
|---|---|---|
| C | 0.08–0.25 (máx 0.25) | 0.03–0.08 (máx 0.08) |
| Mn | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P | ≤ 0.045 | ≤ 0.045 |
| S | ≤ 0.03 | ≤ 0.03 |
| Cr | 24.0–26.0 | 24.0–26.0 |
| Ni | 19.0–22.0 | 19.0–22.0 |
| Mo | — (traço) | — (traço) |
| V | — | — |
| Nb (Cb) | — | — |
| Ti | — | — |
| B | — | — |
| N | ≤ 0.10 (traço) | ≤ 0.10 (traço) |
Como a liga afeta o desempenho: - O cromo e o níquel estabelecem a matriz austenítica e fornecem resistência à oxidação e à corrosão em alta temperatura. Alto Cr (~25%) proporciona excelente resistência ao escalonamento. - O níquel estabiliza a fase austenítica e mantém a tenacidade. - O carbono aumenta a resistência em alta temperatura e a resistência ao fluência até certo ponto, mas também aumenta o risco de precipitação de carbonetos na faixa de temperatura de sensibilização (aproximadamente 425–870°C). - O menor teor de carbono em 310S reduz o risco de precipitação de carbonetos intergranulares após a soldagem ou exposição na faixa de sensibilização, melhorando a resistência à corrosão em componentes soldados ou sensibilizados.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestrutura: - Ambos os graus são totalmente austeníticos na condição recozida. Estruturas de grão típicas são austenita estável, a menos que ocorra trabalho a frio significativo ou formação de ferrita delta durante os ciclos térmicos de soldagem. - Nenhuma transformação martensítica ocorre durante o resfriamento (aços inoxidáveis austeníticos não são endurecíveis por resfriamento e têmpera).
Tratamento térmico e processamento térmico: - O recozimento de solução (comumente 1050–1120 °C) seguido de resfriamento rápido restaura uma microestrutura austenítica resistente à corrosão e dissolve precipitados. - Como não podem ser endurecidos por resfriamento, os ajustes de resistência dependem do trabalho a frio ou da seleção da liga. - O maior teor de carbono em 310 aumenta a força motriz para a precipitação de carbonetos de cromo durante a exposição na faixa de sensibilização, o que pode levar ao empobrecimento de cromo nas fronteiras de grão e à corrosão intergranular. O menor carbono de 310S minimiza esse risco. - Ciclos térmicos de soldagem: ambos os graus são soldáveis, mas 310S é menos propenso à sensibilização pós-soldagem e requer menos atenção aos tratamentos térmicos pós-soldagem destinados a evitar corrosão intergranular.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Propriedades mecânicas representativas para material recozido (condições típicas de laminação a frio). Estes são indicativos; a forma do produto, espessura e especificação podem alterar os valores.
| Propriedade | 310 (recozido, típico) | 310S (recozido, típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | ~500–600 (típico) | ~500–600 (típico) |
| Resistência ao escoamento (0.2% offset, MPa) | ~200–260 | ~200–240 |
| Alongamento (%) | ≥ 40 (boa ductilidade) | ≥ 40 (tendência de ductilidade ligeiramente melhor) |
| Tenacidade ao impacto | Alta, mantém tenacidade em baixa T | Alta, semelhante ou marginalmente melhor devido ao menor carbono |
| Dureza (HB / HRC) | Moderada; dureza recozida tipicamente na faixa de aços inoxidáveis austeníticos | Semelhante ou ligeiramente inferior na condição recozida |
Interpretação: - As propriedades mecânicas no estado recozido são muito semelhantes porque a matriz austenítica é a mesma. O carbono ligeiramente mais alto em 310 pode proporcionar resistência marginalmente maior em algumas condições, especialmente após algum trabalho a frio ou exposição prolongada em alta temperatura, mas à custa de um risco aumentado de sensibilização. - Ambos os graus têm excelente tenacidade e ductilidade em comparação com aços ferríticos/martensíticos, especialmente em baixas temperaturas.
5. Soldabilidade
A soldabilidade depende fortemente do equivalente de carbono e da tendência de formar microestruturas duras ou quebradiças na zona afetada pelo calor (HAZ). Indicadores empíricos úteis incluem o equivalente de carbono IIW e a fórmula Pcm:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa para 310 vs 310S: - A principal variável nessas fórmulas para 310/310S é $C$. O menor carbono de 310S resulta em um $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ mais baixos, indicando menor risco de problemas na HAZ e melhor soldabilidade em termos de evitar sensibilização e manter ductilidade após a soldagem. - Aços inoxidáveis austeníticos geralmente não formam martensita dura na HAZ, mas a precipitação de carbonetos e o ataque intergranular são preocupações. Para fabricados soldados expostos na faixa de sensibilização, 310S é geralmente preferido. Onde o serviço pós-soldagem envolve apenas temperaturas muito altas (acima da faixa de dissolução de carbonetos) ou onde a resistência à fluência é crítica e a sensibilização não é um problema, 310 pode ser aceitável. - Pré-aquecimento e PWHT raramente são usados para evitar martensita (não aplicável), mas o recozimento de solução pode ser especificado pós-soldagem onde o desempenho à corrosão é crítico.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Tanto 310 quanto 310S são resistentes à corrosão devido ao alto teor de Cr e Ni. Eles oferecem excelente resistência à oxidação em atmosferas oxidantes de alta temperatura (resistência ao escalonamento).
- Para resistência à corrosão sob tensão por cloretos, aços austeníticos sem molibdênio são geralmente suscetíveis em ambientes agressivos de cloreto; nenhum dos graus é especializado para resistência a cloretos.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) é geralmente aplicado a aços inoxidáveis contendo Mo e N. Para referência:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Como 310/310S normalmente contêm Mo desprezível e baixo N, o PREN não é um discriminador significativo para resistência à corrosão por pite nesses graus; sua resistência depende mais da condição da superfície, ambiente e temperatura.
- Proteção de superfície: para aços não inoxidáveis, consideraria-se galvanização ou revestimentos; para 310/310S, acabamento de superfície, decapagem, passivação ou aluminização (para resistência extrema à oxidação) são relevantes, dependendo do serviço. O menor C de 310S melhora a resistência à corrosão intergranular onde os carbonetos poderiam se formar.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade
- Formabilidade: Ambos os graus formam e dobram bem na condição recozida, mas endurecem rapidamente (comportamento austenítico típico). Use ferramentas adequadas e considere a recuperação.
- Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são difíceis de usinar em comparação com aços macios: eles endurecem, têm baixa condutividade térmica e requerem montagens rígidas, ferramentas afiadas e alimentações apropriadas. 310/310S são semelhantes em maquinabilidade; 310S pode ser ligeiramente mais fácil devido à dureza ligeiramente inferior em algumas condições.
- Planejamento da sequência de soldagem e conformação: prefira conformar antes de soldar, quando possível, para evitar endurecimento localizado e controlar a distorção.
- Acabamento de superfície: moagem, polimento e passivação seguem as práticas padrão de aços inoxidáveis austeníticos.
8. Aplicações Típicas
| 310 (usos comuns) | 310S (usos comuns) |
|---|---|
| Partes de forno, muflas, cestos de tratamento térmico, fornos industriais onde a resistência à oxidação em alta temperatura é primária e a soldagem é controlada | Componentes de trocadores de calor soldados, equipamentos de processamento químico onde a sensibilização da solda deve ser minimizada |
| Hardware de queimador e combustão, tubos radiantes, componentes de forno onde resistência à fluência em alta temperatura e resistência ao escalonamento são necessárias | Tubulações, conexões e vasos soldados em ambientes de alta temperatura, mas corrosivos, onde resistência à corrosão pós-soldagem é necessária |
| Aplicações de gases de combustão em alta temperatura onde a fabricação ocasional pode ser feita sem soldagem extensiva | Onde soldagem frequente, usinagem pós-fabricação ou serviço na faixa de sensibilização requer uma alternativa de baixo carbono |
Racional de seleção: - Escolha 310 onde a máxima resistência em alta temperatura e resistência à oxidação são a prioridade e onde a fabricação pode ser controlada para evitar problemas de sensibilização. - Escolha 310S onde montagens soldadas serão colocadas na janela de temperatura de sensibilização, ou onde resistência à corrosão pós-soldagem e melhor soldabilidade são necessárias.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 310S é frequentemente precificado um pouco mais alto do que 310 devido aos controles de produção necessários para atingir a especificação de baixo carbono e porque é comumente especificado para aplicações soldadas mais críticas. As diferenças reais de preço são modestas e variam com os preços de níquel e cromo no mercado.
- Disponibilidade: ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas de chapa, placa, bobina, tubo e tubo. 310 é às vezes mais comumente estocado para componentes padrão de alta temperatura, enquanto 310S é comumente estocado para peças de pressão e fabricados soldados.
- Prazos de entrega: dependem da forma e tamanho do produto; a aquisição de produtos de grande diâmetro ou seção pesada em graus especiais pode aumentar o prazo de entrega.
10. Resumo e Recomendação
Tabela: Resumo rápido
| Atributo | 310 | 310S |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Boa, mas maior risco de sensibilização após a soldagem | Melhor — menor carbono reduz a sensibilização e melhora a resistência à corrosão pós-soldagem |
| Resistência – Tenacidade | Resistência em alta temperatura comparável; 310 pode mostrar resistência marginalmente maior em algumas exposições em alta temperatura | Tenacidade semelhante; ductilidade ligeiramente melhor e menor risco de problemas de carbonetos nas fronteiras de grão |
| Custo | Ligeiramente mais baixo ou comparável | Prêmio ligeiro típico |
Recomendações finais: - Escolha 310 se sua prioridade for máxima resistência à oxidação/corrosão em alta temperatura onde o componente não será suscetível a problemas de sensibilização (por exemplo, como internos de forno substituíveis ou componentes de alta temperatura não soldados), ou quando resistência à fluência em alta temperatura ligeiramente maior for necessária e a exposição/condições de soldagem forem controladas. - Escolha 310S se seu projeto envolver soldagem extensiva, exigir minimização do risco de corrosão intergranular após a soldagem, ou passar um tempo significativo na faixa de temperatura de sensibilização. 310S é a especificação mais segura para peças de pressão soldadas e vasos fabricados onde a resistência à corrosão pós-fabricação é crítica.
Nota de fechamento: Ambos os graus são excelentes escolhas para serviço em alta temperatura. A especificação de carbono é o principal diferenciador: avalie os procedimentos de soldagem, as temperaturas de serviço pretendidas (particularmente se os componentes irão transitar ou permanecer na faixa de sensibilização de 425–870°C) e custo/disponibilidade para fazer a seleção final.