310S vs 309 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura comumente enfrentam um compromisso ao especificar aços inoxidáveis de alta temperatura: resistência à corrosão, resistência à tração em alta temperatura e resistência ao fluência, soldabilidade e custo do material. As ligas 310S e 309 (e suas variantes de baixo carbono “S”) são ambos aços inoxidáveis austeníticos selecionados para serviço em altas temperaturas, componentes de forno e união de metais diferentes — mas são otimizados de maneira ligeiramente diferente.

A principal distinção técnica entre os dois é seu equilíbrio de liga: 310S contém significativamente mais cromo e níquel do que 309, o que desloca seu desempenho em direção à resistência à oxidação em altas temperaturas e à resistência ao fluência, enquanto 309 é frequentemente escolhido onde um equilíbrio de boa resistência em alta temperatura, resistência à formação de escamas e economia (ou compatibilidade para soldas dissimilares) é necessário. Como ambos são aços inoxidáveis austeníticos com propriedades semelhantes à temperatura ambiente, a seleção é mais frequentemente impulsionada pela temperatura de serviço esperada, ambiente de oxidação e orçamento.

1. Normas e Designações

• Normas comuns:
• ASTM / ASME: A240 (placa/folha), A182 (para forjados/acessórios de tubo em algumas variantes), outras normas específicas de produtos.
• EN: série EN 10088 (a designação varia conforme a numeração nacional).
• JIS e GB: equivalentes nacionais com composições e sufixos semelhantes (por exemplo, JIS SUS, GB/T).
• UNS: 309/309S (por exemplo, UNS S30900 / S30908), 310S (por exemplo, UNS S31008).
• Classificação: Tanto 309 quanto 310S são aços inoxidáveis austeníticos (classe inoxidável) — não são aços carbono, aços para ferramentas ou HSLA. O sufixo “S” denota a variante de baixo carbono destinada a reduzir a sensibilização durante a soldagem.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir mostra faixas de composição típicas para 309 (e 309S) e 310S (310S de baixo carbono). Os valores são faixas representativas usadas pela maioria das especificações e normas de usinas; os certificados de produtos devem sempre ser consultados para a aquisição do projeto.

Elemento	309 / 309S (típico, % em peso)	310S (típico, % em peso)
C	≤ 0.08 (309S) / até ~0.20 (309)	≤ 0.08 (310S de baixo carbono)
Mn	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0.5 – 1.0	0.5 – 1.5
P	≤ 0.04 – 0.045	≤ 0.04 – 0.045
S	≤ 0.03	≤ 0.03
Cr	~22 – 24	~24 – 26
Ni	~12 – 15	~19 – 22
Mo	≤ 0.6 (geralmente nulo)	≤ 0.6 (geralmente nulo)
Nb / Ti / V	geralmente não adicionado	geralmente não adicionado
B	apenas traços	apenas traços
N	traços – 0.12	traços – 0.12

Como a liga afeta o desempenho: - O cromo é o principal contribuinte para a resistência à oxidação em alta temperatura e resistência passiva à corrosão. Um maior teor de Cr melhora a formação de escamas em temperaturas elevadas. - O níquel estabiliza a matriz austenítica, aumenta a ductilidade e melhora a resistência ao fluência e à tração em alta temperatura. O maior teor de Ni em 310S é uma das principais razões para seu desempenho superior em temperaturas muito altas. - O teor de carbono afeta a sensibilização (precipitação de carboneto de cromo) durante a soldagem ou resfriamento lento. As ligas de baixo carbono “S” reduzem o risco de corrosão intergranular após a soldagem. - O manganês e o silício auxiliam na trabalhabilidade a quente e na desoxidação; nenhuma das ligas é destinada à resistência à corrosão por picotamento ou fendas, uma vez que ambas contêm pouco ou nenhum molibdênio.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura típica: Tanto 309 quanto 310S são totalmente austeníticos na condição recozida. O tamanho dos grãos e os precipitados dependem da história termomecânica e da taxa de resfriamento.
• Tratamento térmico:
• Aços inoxidáveis austeníticos não são endurecidos por ciclos convencionais de têmpera e revenido — as propriedades mecânicas são definidas pelo trabalho a frio e pela estrutura do grão. O recozimento em solução (por exemplo, 1.040–1.100 °C seguido de resfriamento rápido) dissolve os carbonetos e restaura a ductilidade.
• Para as ligas “S”, o recozimento em solução e o resfriamento rápido minimizam a precipitação de carbonetos e preservam a resistência à corrosão.
• Efeitos do processamento termomecânico:
• O trabalho a frio aumenta a resistência (endurecimento por trabalho) e pode reduzir a ductilidade; ambas as ligas respondem de maneira semelhante ao trabalho a frio.
• Em temperaturas de serviço elevadas, exposições longas podem causar crescimento de grãos e, com ligas de maior teor de carbono, precipitação de carbonetos nas fronteiras dos grãos. O maior teor de Ni e Cr em 310S tende a desacelerar mudanças microestruturais prejudiciais em temperaturas muito altas em comparação com 309.
• Normalização/têmpera: Não aplicável da mesma forma que para aços ferríticos ou martensíticos; o controle dos ciclos térmicos e as considerações de tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) diferem porque essas ligas austeníticas mantêm tenacidade e resistem ao endurecimento.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas dos aços inoxidáveis austeníticos recozidos são influenciadas pela forma do produto (folha, placa, tubo), trabalho a frio e química exata. A tabela abaixo resume faixas representativas e típicas para material recozido (os valores são indicativos; consulte dados certificados pelo fornecedor para cálculos de projeto).

Propriedade (recozido, típico)	309 / 309S	310S
Resistência à tração (MPa)	~510 – 750	~520 – 750
Resistência ao escoamento, 0.2% (MPa)	~200 – 320	~200 – 320
Alongamento (%, em 50 mm)	~35 – 55	~35 – 55
Tenacidade ao impacto (Charpy V‑notch, J)	Dúctil à temperatura ambiente; mantém tenacidade	Dúctil à temperatura ambiente; mantém tenacidade
Dureza (HRB)	~80 – 95	~80 – 95

Interpretação: - À temperatura ambiente, ambas as ligas exibem faixas de resistência e ductilidade semelhantes; as diferenças são modestas porque ambas são austeníticas. - Em temperaturas elevadas, 310S geralmente mantém melhor a resistência à formação de escamas e à fluência do que 309, atribuível ao seu maior teor combinado de Cr e Ni. - A tenacidade ao impacto à temperatura ambiente é geralmente boa para ambas; nenhuma das ligas é escolhida para aplicações de alta dureza.

5. Soldabilidade

Aços inoxidáveis austeníticos são geralmente soldáveis, e as variantes de baixo carbono “S” melhoram a resistência à sensibilização. A avaliação da soldabilidade frequentemente utiliza índices empíricos, como o equivalente de carbono:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

e a fórmula Pcm mais detalhada:

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - O baixo teor de carbono em 309S e 310S reduz o risco de precipitação de carboneto de cromo e ataque intergranular após a soldagem; isso os torna mais fáceis de soldar do que as ligas de alto carbono correspondentes. - Ambas as ligas têm baixa endurecibilidade (aços inoxidáveis austeníticos não formam martensita ao resfriar), minimizando o risco de trincas a frio. Os riscos de trincas durante a soldagem são dominados por trincas de solidificação, rasgos a quente e contaminação, em vez de transformação martensítica. - 309 é frequentemente usado como metal de adição para unir aços inoxidáveis a aços carbono (porque sua composição faz a ponte entre os dois), enquanto 310S é selecionado quando a soldagem deve manter uma resistência superior à oxidação em alta temperatura. - O pré-aquecimento e o tratamento térmico pós-soldagem geralmente não são necessários para evitar a transformação martensítica, mas a atenção à diluição, temperaturas entre passes e seleção de metal de adição é crítica para serviço em alta temperatura e atmosferas carburizantes/oxidantes.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Como ligas inoxidáveis austeníticas, tanto 309 quanto 310S formam um filme passivo de óxido de cromo que fornece resistência geral à corrosão em ambientes não agressivos.
• PREN (Número Equivalente de Resistência a Picotamento) é comumente usado para avaliar a resistência ao picotamento localizado quando molibdênio e nitrogênio estão presentes:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Aplicabilidade:
• Para 309 e 310S, o PREN tem utilidade limitada porque ambos normalmente contêm pouco ou nenhum molibdênio e apenas baixos níveis de nitrogênio; sua resistência ao picotamento e à corrosão por fendas em ambientes contendo cloreto é, portanto, limitada em comparação com ligas inoxidáveis contendo Mo (por exemplo, 316, ligas duplex).
• Oxidação em alta temperatura:
• 310S, com seu maior teor de Cr e Ni, tem resistência superior à formação de escamas e mantém melhor a resistência em temperaturas de serviço contínuas superiores a 309.
• 309 oferece boa resistência à oxidação até temperaturas moderadamente altas e pode ser mais econômico em muitas aplicações de forno e tratamento térmico.
• Proteção de superfície para peças não inoxidáveis: Não aplicável para essas ligas inoxidáveis; se usadas em ambientes agressivos contendo cloreto ou ácidos, considere revestimentos, revestimentos ou ligas diferentes.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Formabilidade e dobra: Ambas as ligas são altamente dúcteis e exibem excelente formabilidade na condição recozida. As operações típicas de conformação de chapa são diretas, mas o retorno deve ser considerado devido ao alto endurecimento por trabalho.
• Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são mais difíceis de usinar do que aços carbono. 309 e 310S endurecem rapidamente e têm menor condutividade térmica — isso exige configurações rígidas, ferramentas afiadas e controle da taxa de alimentação. 310S pode ser marginalmente mais dúctil e ligeiramente mais fácil de usinar em algumas condições, mas nenhuma delas é classificada como de fácil usinagem.
• Acabamento de superfície: Ambas aceitam acabamentos inoxidáveis padrão e polimento bem. Deve-se ter cuidado para evitar contaminação (captura de ferro) durante a fabricação, o que pode prejudicar a resistência à corrosão.
• Fabricação por soldagem: Use a metalurgia de adição apropriada para as condições de serviço; selecione o metal de adição 309 para juntas dissimilares e o metal de adição 310/310S quando alta resistência à oxidação for necessária.

8. Aplicações Típicas

309 / 309S (Usos comuns)	310S (Usos comuns)
Partes e revestimentos de forno expostos a aquecimento cíclico	Elementos de forno e serviço contínuo em alta temperatura (aquecedores, muflas)
Fixações e retortas para tratamento térmico	Vasos de processo em alta temperatura e dutos (atmosferas oxidantes)
Metal de adição para unir inox a aço carbono	Componentes resistentes à corrosão/oxidação em alta temperatura até as temperaturas práticas mais altas
Sistemas de escape e hardware de forno industrial	Trocadores de calor e equipamentos de combustão onde alto Ni/Cr é necessário
Juntas de expansão e revestimentos de chaminé	Equipamentos de processo de vidro e petroquímicos em temperaturas elevadas

Racional de seleção: - Escolha 309 quando o custo e um bom desempenho em alta temperatura forem necessários, mas a temperatura máxima de serviço for moderada e quando frequentemente se unir a aços carbono. - Escolha 310S quando a aplicação exigir resistência superior à formação de escamas a longo prazo e desempenho de fluência em temperaturas sustentadas mais altas, e o orçamento permitir o custo mais alto da liga.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: 310S é geralmente mais caro do que 309 devido aos maiores teores de níquel e cromo. A volatilidade do preço do níquel pode afetar significativamente o preço do 310S.
• Disponibilidade: Ambas as ligas são amplamente produzidas e disponíveis em chapa, placa, tubo, barra e barra. Certas formas de produto especializadas ou tamanhos muito grandes de 310S podem ter prazos de entrega mais longos do que 309, dependendo dos estoques da usina e das condições de mercado.
• Dica de aquisição: Para projetos sensíveis ao custo do material, avalie se o desempenho superior do 310S em temperatura de operação gera economias ao longo do ciclo de vida (maior vida útil, menos substituições) que compensam o custo inicial mais alto do material.

10. Resumo e Recomendação

Propriedade	309 / 309S	310S
Soldabilidade	Excelente para soldagem inox; metal de adição preferido para juntas dissimilares	Excelente; a liga de baixo carbono S reduz a sensibilização
Resistência–Tenacidade (RT)	Boa, semelhante a outros austeníticos	Boa, semelhante à temperatura ambiente; resistência superior à fluência/escamas em alta temperatura
Custo	Menor	Maior

Recomendações finais: - Escolha 310S se seu projeto exigir a melhor resistência à oxidação em alta temperatura e desempenho de fluência disponível para serviço contínuo ou de longa duração em temperaturas elevadas, ou quando a resistência à formação de escamas na extremidade superior das faixas de temperatura austenítica for crítica. - Escolha 309 (ou 309S) se você precisar de um inoxidável austenítico econômico que ofereça boa resistência em alta temperatura, compatibilidade frequente para soldagem de metais dissimilares (por exemplo, união a aços carbono ou de baixo liga) e resistência adequada à formação de escamas para serviço em alta temperatura moderada.

Confirme sempre a especificação exata da liga e os certificados de teste da usina para componentes críticos, e considere dados de laboratório ou do fornecedor para limites de ruptura por fluência, resultados de testes de oxidação e compatibilidade do metal de adição para o ambiente e temperatura de serviço pretendidos.