310S vs 253MA – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura costumam escolher entre ligas de aço inoxidável com base na resistência à corrosão, desempenho em alta temperatura, soldabilidade e custo. 310S e 253MA são ambos aços inoxidáveis resistentes à corrosão usados em ambientes de alta temperatura, mas são otimizados para diferentes envelopes de serviço: um para resistência geral à oxidação em alta temperatura com excelente ductilidade, o outro para resistência à alta temperatura a longo prazo, resistência a escamas e estabilidade ao fluência.

A principal diferença prática é que 253MA é projetado para manter o comportamento de óxido protetor e resistência à fluência em temperaturas muito altas através de adições controladas de baixo carbono, silício e nióbio, enquanto 310S é uma liga austenítica de alto cromo-níquel otimizada principalmente para ampla resistência à oxidação em alta temperatura e conformabilidade. É por isso que os projetistas comumente pesam a facilidade de fabricação e o custo do 310S contra o desempenho superior a longo prazo do 253MA em serviços térmicos oxidantes extremos.

1. Normas e Designações

• 310S
• Designações comuns: UNS S31008, EN 1.4845 (para 310), especificações ASTM/ASME geralmente referenciam AISI/UNS. 310S é um aço inoxidável austenítico.
• 253MA
• Formas proprietárias e padronizadas existem (por exemplo, nomes de produtos da Sandvik e outros fornecedores). É comumente fornecido como um aço inoxidável austenítico de alta temperatura projetado para resistência à oxidação e à fluência.
• Identificação de categoria:
• 310S: Aço inoxidável austenítico.
• 253MA: Liga de aço inoxidável austenítico para serviço em alta temperatura (austenítico estabilizado/modificado).

Nota: Os números exatos das normas para 253MA podem variar de acordo com o fabricante e a forma do produto; consulte os certificados do fornecedor para a especificação de controle.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela abaixo mostra as faixas de composição típicas relatadas em folhas de dados públicas para cada grau. Estas são faixas nominais típicas para formas comerciais comuns (recozidas). Certificados de material e folhas de dados de fornecedores devem ser consultados para cálculos de aquisição e design.

Elemento	310S (faixas nominais típicas)	253MA (faixas nominais típicas)
C	≤ 0.08%	≤ 0.02% (muito baixo)
Mn	≤ 2.0%	≤ 2.0%
Si	≤ 1.5%	~0.4–1.0% (elevado para comportamento de óxido)
P	≤ 0.045%	≤ 0.03%
S	≤ 0.03%	≤ 0.01%
Cr	24–26%	~21–23%
Ni	19–22%	~11–13%
Mo	≤ 0.75% (tipicamente nenhum)	≤ 0.5% (tipicamente baixo)
V	traço	traço
Nb (Cb)	—	pequena adição (estabilizante; ~0.2–0.8%)
Ti	—	traço a pequeno se estabilizado
B	—	traço (se presente)
N	≤ 0.1%	nível baixo controlado

Comentários sobre a estratégia de liga: - 310S utiliza alto Cr e alto Ni para estabilizar a austenita e fornecer resistência à oxidação e ductilidade. Seu maior teor de Ni melhora a tenacidade e a conformabilidade. - 253MA utiliza um nível de Ni mais baixo, mas inclui adições controladas de Si e pequeno estabilizador de Nb (columbium) e carbono muito baixo para evitar a precipitação de carbonetos e formar uma escala de óxido estável e aderente. Esses ajustes melhoram a resistência à fluência e à oxidação/corrosão a longo prazo em atmosferas cíclicas ou agressivas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• 310S
• Microestrutura típica: totalmente austenítica na condição recozida. O tamanho do grão depende da fabricação e do recozimento. Não há endurecimento por precipitação; a precipitação de carbonetos pode ocorrer se mantido na faixa de sensibilização (mas o menor C em 310S reduz esse risco).
• Tratamento térmico: recozimento de solução e resfriamento rápido restauram a ductilidade e a resistência à corrosão. 310S não é endurecido por têmpera/recozimento.
• 253MA
• Microestrutura típica: matriz austenítica com dispersão controlada de fases estáveis (carbonetos/nitratos estabilizados por nióbio) projetadas para reduzir o empobrecimento da matriz e fixar os limites de grão em altas temperaturas.
• Tratamento térmico: recozimento de solução é usado para dissolver fases indesejáveis e reprecipitar fases estabilizadoras controladas. O processamento termo-mecânico e o tratamento térmico controlado melhoram as propriedades de fluência. Não responde ao endurecimento por têmpera/recozimento; melhorias de resistência vêm da liga e da precipitação controlada.

Como o processamento afeta cada um: - Normalização/recozimento restaura a austenita e alivia tensões em ambas as ligas; as vantagens do 253MA em fluência e aderência de escamas derivam de sua química e da estabilidade das fases de óxido e precipitado após o tratamento térmico adequado. - Têmpera e recozimento não são aplicáveis a essas ligas austeníticas; o trabalho a frio aumentará a resistência via endurecimento por deformação, mas pode reduzir a ductilidade.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas típicas dependem fortemente da forma do produto e do tratamento térmico. A tabela mostra valores representativos para produtos recozidos comumente fornecidos; verifique os valores reais com relatórios de teste de usina.

Propriedade	310S (recozido, típico)	253MA (recozido, típico)
Resistência à tração (UTS)	~500–600 MPa	Geralmente mais alta à temperatura ambiente; frequentemente ~550–750 MPa
Resistência ao escoamento (0.2% offset)	~200–300 MPa	Tipicamente mais alta que 310S; resistência ao escoamento/fluência em alta temperatura melhorada
Alongamento (A%)	~35–50%	Moderado a bom; tipicamente mais baixo que 310S, mas ainda dúctil (varia de 20–45%)
Tenacidade ao impacto (Charpy)	Boa à temperatura ambiente; mantém a tenacidade	Boa à temperatura ambiente; projetado para manter a tenacidade em temperaturas elevadas
Dureza (HB ou HRB)	Relativamente baixa (macia, dúctil)	Um pouco mais alta devido ao microaleamento e precipitados

Interpretação: - 253MA geralmente fornece maior resistência, especialmente para carregamento em alta temperatura a longo prazo e resistência à fluência, enquanto 310S tende a ser mais dúctil e mais fácil de formar e usinar. - A tenacidade ao impacto à temperatura ambiente é geralmente aceitável para ambos; 253MA é projetado para preservar a tenacidade útil após longas exposições a altas temperaturas.

5. Soldabilidade

A soldabilidade de ambas as ligas é boa em relação a muitos aços, mas as diferenças são importantes na prática.

Fatores-chave que influenciam: - Carbono e nitrogênio: menor carbono reduz o risco de sensibilização e corrosão intergranular; o nitrogênio pode estabilizar a austenita. - Teor de liga e estabilizadores (por exemplo, Nb) afetam a fissuração a quente e os ciclos térmicos de soldagem.

Índices empíricos úteis: - Equivalente de carbono para austeníticos (tipo IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Índice 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: - 310S: Alto teor de Ni melhora a soldabilidade e a ductilidade do metal de solda; seu carbono relativamente modesto (em 310S) reduz a sensibilidade à sensibilização. O pré-aquecimento geralmente não é necessário para seções finas; o recozimento pós-solda pode ser usado para restaurar propriedades onde necessário. - 253MA: Soldável, mas requer atenção: a estabilização por nióbio e o silício elevado podem alterar a química do metal de solda; carbono muito baixo minimiza a sensibilização, mas a seleção do material de enchimento é importante para manter as propriedades em alta temperatura. Para serviço em alta temperatura a longo prazo, o tratamento térmico pós-solda e o uso de metais de enchimento compatíveis ou aprovados podem ser necessários para evitar degradação localizada e preservar a resistência à fluência/oxidação.

Sempre siga os procedimentos de soldagem do fabricante e realize soldas de qualificação para componentes críticos.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Não inoxidável vs inoxidável: tanto 310S quanto 253MA são graus inoxidáveis (austeníticos); as estratégias de proteção de superfície diferem dos aços carbono.
• Oxidação e corrosão em alta temperatura:
• 310S: Alto Cr e Ni conferem boa resistência à oxidação em alta temperatura até aproximadamente 1000–1150 °C em muitos ambientes; forma escalas de óxido protetor sob muitas condições.
• 253MA: Formulado para formar um óxido estável e aderente (geralmente óxido de superfície rico em Si) e resistir à descamação de escamas e oxidação agressiva sob exposições cíclicas e de longo prazo; superior para uso a longo prazo em ambientes agressivos de alta temperatura.
• Índices de corrosão localizada:
• Onde a resistência à corrosão localizada é avaliada pelo PREN, use: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para ambos 310S e 253MA, Mo é baixo e os valores de PREN são moderados; nenhum dos graus é destinado a serviço severo de pitting por cloreto em comparação com ligas duplex ou superausteníticas contendo Mo.
• Quando a proteção inoxidável é insuficiente, revestimentos (spray térmico, aluminização, revestimentos cerâmicos) ou atmosferas controladas podem ser usados para ambas as ligas.

7. Fabricação, Usinabilidade e Conformabilidade

• 310S
• Excelente conformabilidade e características de estampagem profunda devido ao alto Ni e estrutura totalmente austenítica.
• A usinabilidade é razoável; práticas típicas de usinagem de inox se aplicam (configuração rígida, ferramentas afiadas, alimentação reduzida se ocorrer galgamento).
• 253MA
• Boa conformabilidade, mas o maior endurecimento por trabalho e matriz mais forte podem exigir forças de conformação maiores.
• A usinagem pode ser mais exigente do que a de 310S devido à maior resistência e possível endurecimento; a vida útil da ferramenta e as velocidades devem ser otimizadas para a liga.

Acabamento de superfície e tratamentos pós-fabricação destinados ao alívio de tensões e controle de escala de óxido podem diferir com base na temperatura e ambiente da aplicação final.

8. Aplicações Típicas

310S – Usos Típicos	253MA – Usos Típicos
Muflas de forno, tubos radiantes, elementos de trocadores de calor, revestimentos de câmaras de combustão, peças gerais resistentes ao calor	Componentes de queimadores de alta temperatura, fixações de fornos industriais, tubos radiantes em atmosferas agressivas, fixações de tratamento térmico de longa duração, componentes expostos à oxidação cíclica e fluência
Equipamentos de processo químico onde resistência à corrosão em alta temperatura e conformabilidade são necessárias	Aplicações que exigem estabilidade dimensional a longo prazo e adesão de escala de óxido sob cargas térmicas cíclicas

Racional de seleção: - Escolha 310S quando a aplicação precisar de boa resistência à oxidação em alta temperatura combinada com excelente conformabilidade e custo-efetividade. - Escolha 253MA quando a exposição a longo prazo, condições cíclicas e resistência ao crescimento/descamação de escamas e fluência forem críticas.

9. Custo e Disponibilidade

• 310S
• Amplamente disponível globalmente em formas de chapa, placa, tubo e barra de muitos fabricantes. O custo relativo é moderado entre austeníticos de alta liga devido ao maior teor de Ni, mas a produção em massa e a disponibilidade reduzem os prazos de entrega.
• 253MA
• Tipicamente uma liga especial produzida em formas e volumes de produtos mais limitados. O custo unitário é geralmente mais alto que o de 310S e os prazos de entrega podem ser mais longos, especialmente para grandes quantidades ou formas de produtos especializadas.

Dica de aquisição: especifique a norma exata do material, forma do produto e certificados necessários; para 253MA, permita prazos de entrega do fornecedor e confirme as dimensões disponíveis.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Atributo	310S	253MA
Soldabilidade	Excelente (boas opções de enchimento)	Boa, mas requer controle de procedimento
Resistência–Tenacidade	Boa ductilidade; resistência moderada	Maior resistência à alta temperatura a longo prazo; boa tenacidade
Custo & Disponibilidade	Mais econômico e amplamente disponível	Custo mais alto; disponibilidade especial

Conclusão — recomendações: - Escolha 310S se você precisar de uma liga austenítica geralmente disponível e econômica com excelente conformabilidade e resistência confiável à oxidação em alta temperatura para serviço de curto a médio prazo (por exemplo, componentes de forno, peças gerais resistentes ao calor), e quando a facilidade de fabricação e a menor complexidade de aquisição forem prioridades. - Escolha 253MA se sua aplicação exigir resistência superior à oxidação a longo prazo, adesão estável de escala de óxido e resistência à fluência em ambientes agressivos ou cíclicos de alta temperatura onde a vida útil e a estabilidade dimensional justifiquem custos de material mais altos e controle de processo mais rigoroso.

Recomendação final: especifique os requisitos de desempenho (temperatura de operação, atmosfera, vida útil esperada, cargas mecânicas, design de solda/junta) e solicite certificados de usina ou folhas de dados do fornecedor. Para componentes críticos em alta temperatura, realize uma análise comparativa de custo de ciclo de vida: o custo inicial mais alto para 253MA pode ser justificado pela redução do tempo de inatividade, intervalos mais longos entre substituições e melhor desempenho em alta temperatura.