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

Introdução

Os aços inoxidáveis austeníticos 310S e 309S são frequentemente considerados lado a lado quando os projetistas devem equilibrar o desempenho em alta temperatura, resistência à corrosão, soldabilidade e custo do material. Os contextos típicos de decisão incluem hardware de forno e dispositivos de tratamento térmico (onde a resistência à oxidação e à escala dominam), componentes de exaustão e chaminé (ciclagem térmica e corrosão) e montagens soldadas onde o risco de distorção e trincas deve ser minimizado.

A principal distinção prática entre essas duas ligas é sua estratégia de liga: o equilíbrio de cromo e níquel difere, produzindo diferenças mensuráveis na resistência à oxidação em alta temperatura, ductilidade em temperaturas elevadas e custo. Como ambos são aços inoxidáveis austeníticos com química base semelhante, eles são frequentemente comparados ao selecionar material para serviço em alta temperatura ou para aplicações que requerem resistência à corrosão e conformabilidade.

1. Normas e Designações

• Normas comuns:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (chapas, folhas)
• EN: série EN 10088 (onde equivalentes são frequentemente mapeados por química)
• JIS/GB: designações locais existem nas normas japonesas e chinesas (consulte tabelas de equivalência)
• UNS: UNS S31008 (310S), UNS S30908 (309S) — as convenções de nomenclatura variam por registro
• Classificação:
• Tanto 310S quanto 309S são aços inoxidáveis (família austenítica).
• Não são aços carbono, HSLA, ferramentas ou aços de liga temperados e revenidos.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir apresenta intervalos composicionais típicos (percentagem em peso) comumente citados em especificações industriais e fichas de dados de materiais. Estes são intervalos nominais representativos — consulte a norma aplicável ou o certificado do moinho para limites específicos de aquisição.

Notas: - As ligas "S" denotam versões de baixo carbono destinadas a reduzir a sensibilização e a corrosão intergranular após a soldagem; os limites reais de carbono dependem da norma e da forma do produto. - Ambas as ligas são essencialmente livres de Mo e dependem de Cr e Ni para estabilizar a matriz austenítica.

Como a liga afeta as propriedades: - Cromo (Cr): elemento principal para resistência à oxidação e corrosão geral e resistência à formação de escala em altas temperaturas. Maior teor de Cr melhora a estabilidade do filme passivo e a resistência à oxidação em alta temperatura. - Níquel (Ni): estabilizador de austenita que melhora a ductilidade, tenacidade e resistência à ciclagem térmica; o aumento do Ni também reduz a suscetibilidade à formação de fase sigma em algumas condições. - Carbono (C): promove resistência, mas aumenta o risco de sensibilização e precipitação de carbonetos na faixa de 450–850 °C; as ligas de baixo carbono "S" são menos propensas à corrosão intergranular após a soldagem. - Elementos menores (Mn, Si) contribuem para resistência e resistência à oxidação (Si) e para comportamento de desoxidação/processamento (Mn).

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura: - Tanto 310S quanto 309S são totalmente austeníticos na condição recozida em faixas normais de temperatura industrial. A matriz de austenita cúbica de face centrada (FCC) proporciona excelente tenacidade, mesmo em temperaturas criogênicas, e boa conformabilidade. - Nenhuma das ligas é endurecível por têmpera e revenido convencionais: elas não sofrem transformação martensítica ao esfriar. A resistência é tipicamente aumentada pelo trabalho a frio.

Resposta ao tratamento térmico: - O recozimento em solução (comumente na vizinhança de 1010–1120 °C) seguido de resfriamento rápido restaura a ductilidade e dissolve precipitados. As temperaturas exatas e os tempos de permanência dependem da forma do produto. - Como o teor de ferrita é negligenciável, tratamentos de têmpera/envelhecimento usados para aços ou ligas endurecidas por precipitação não são aplicáveis para aumentar a resistência. - Em temperaturas intermediárias (aproximadamente 450–850 °C), carbonetos de cromo podem precipitar nas fronteiras de grão em material de maior carbono, causando sensibilização e suscetibilidade à corrosão intergranular. As ligas de baixo carbono "S" reduzem muito esse risco. - A ciclagem térmica em altas temperaturas pode promover a fase sigma em alguns aços inoxidáveis com alto Cr e Ni intermediário; o controle cuidadoso dos tempos de permanência e a evitação de exposição prolongada em faixas de temperatura suscetíveis mitigam esse risco. O 310S (com alto Ni) é geralmente menos suscetível à sigma em muitas condições práticas de serviço do que algumas outras ligas de alto Cr, mas os usuários ainda devem avaliar exposições de longo prazo.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas são fortemente influenciadas pela forma do produto (folha, chapa, barra), trabalho a frio e histórico térmico. Muitas especificações industriais fornecem valores mínimos para a condição recozida. Os números típicos de base (recozidos) usados na aquisição são mostrados como mínimos comuns ou intervalos representativos:

Interpretação: - No estado recozido, ambas as ligas são comparáveis mecanicamente porque ambas são austeníticas e frequentemente especificadas para mínimos semelhantes. As diferenças em ductilidade e tenacidade são sutis e mais pronunciadas em altas temperaturas, onde o equilíbrio de liga (Ni, Cr) afeta a resistência ao fluência e a estabilidade. - O trabalho a frio (endurecimento por deformação) aumentará a resistência e a dureza para ambas as ligas; o comportamento de endurecimento por trabalho é amplamente semelhante porque ambas permanecem austeníticas.

5. Soldabilidade

Tanto 310S quanto 309S são considerados facilmente soldáveis usando métodos padrão (SMAW, GMAW, GTAW). Considerações chave para soldagem: - O baixo teor de carbono nas ligas "S" reduz o risco de corrosão intergranular após a soldagem, minimizando a precipitação de carbonetos de cromo. - A estrutura austenítica evita martensita dura e quebradiça na zona afetada pelo calor, portanto, a trinca a frio associada a aços martensíticos não é um problema. - No entanto, a alta expansão térmica e a baixa condutividade térmica nos austeníticos levam a maior distorção e tensões residuais; trincas de encolhimento em soldagens fortemente restritas são possíveis.

Índices de soldabilidade úteis: - Equivalente de carbono (fórmula IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Equivalente de corrosão por picotamento (para avaliação da composição de soldagem e suscetibilidade): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretação qualitativa: - Como ambas as ligas têm baixo carbono e alto teor de Ni (especialmente 310S), elas têm uma boa pontuação para soldabilidade em termos de evitar endurecimento e trincas na ZAC. - O maior teor de Ni do 310S pode melhorar a resistência a trincas de solidificação em algumas condições e mantém uma matriz austenítica estável; no entanto, o maior teor de liga eleva ligeiramente as tensões térmicas e o risco de distorção. - O pré-aquecimento geralmente não é necessário; o tratamento térmico pós-soldagem raramente é realizado para alívio de tensões em serviço normal, mas onde as temperaturas de serviço podem causar sensibilização ou formação de sigma, consulte orientações metalúrgicas.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Tanto 310S quanto 309S formam um filme passivo de óxido de cromo que proporciona resistência à corrosão em ambientes oxidantes. Suas químicas livres de Mo significam que nenhum deles é otimizado para forte resistência ao picotamento por cloretos; eles dependem de Cr e N para resistir à corrosão geral.
• O uso de PREN (Número Equivalente de Resistência ao Picotamento) é menos informativo para ligas livres de Mo, mas a fórmula ainda é instrutiva: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Como Mo ≈ 0 para ambos, as diferenças de PREN são impulsionadas por Cr e N. O 310S geralmente tem Cr marginalmente mais alto, potencialmente dando uma pequena vantagem na resistência à corrosão localizada quando N é comparável.
• Oxidação e formação de escala em alta temperatura: o 310S, com níveis mais altos de Cr e Ni, geralmente exibe resistência à oxidação superior e maior vida útil em atmosferas oxidantes contínuas em alta temperatura (fornos, revestimentos de fornos) em comparação com o 309S.
• Quando o inox não é necessário ou quando o custo domina, a proteção de superfície de aço convencional (galvanização a quente, pintura, revestimento) é utilizada. Esses métodos não são apropriados para ambientes oxidantes em alta temperatura onde as ligas inoxidáveis são escolhidas.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Conformabilidade: Ambas as ligas são altamente conformáveis na condição recozida. O maior teor de níquel do 310S tende a aumentar a ductilidade, portanto, operações de conformação complexas e de estampagem profunda podem favorecer o 310S, mas as diferenças na prática geralmente são modestas.
• Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos endurecem rapidamente; a maquinabilidade é geralmente ruim em relação às ligas ferríticas. O 309S e o 310S mostram comportamento de usinagem semelhante; geometria de ferramenta apropriada, montagens rígidas e taxas de avanço controladas são importantes.
• Fumos de corte e soldagem: A soldagem de inoxidáveis de alta liga produz mais fumos de elementos de liga; assegure a extração apropriada e EPI.
• Acabamento de superfície: Tanto os processos de polimento quanto de decapagem/passivação são eficazes. O trabalho a frio aumenta a dureza da superfície e pode dificultar ligeiramente o polimento mais do que o material recozido.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 310S onde a resistência à oxidação em alta temperatura, vida útil prolongada em serviço contínuo e superior resistência/ductilidade em alta temperatura são prioridades — mesmo a um custo de material mais alto. - Escolha 309S quando um desempenho aceitável puder ser alcançado a um custo de compra mais baixo, ou quando o design favorecer excursões de temperatura moderadas e ciclagem térmica frequente em vez de calor extremo contínuo.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo relativo: O 310S é tipicamente mais caro que o 309S devido ao seu maior teor de níquel. A volatilidade do preço do níquel contribui para a diferença de custo.
• Disponibilidade: Ambas as ligas estão amplamente disponíveis em formas de produto comuns (folha, chapa, tubo, barra). Tamanhos especiais ou seções pesadas podem ter prazos de entrega mais longos; 310/310S é muito comum para produtos em alta temperatura, portanto, questões de longo prazo geralmente são gerenciáveis, mas sujeitas a condições de mercado.

10. Resumo e Recomendação

Tabela de resumo (qualitativa):

Conclusão — orientação prática: - Escolha 310S se: - A aplicação requer resistência superior à oxidação e formação de escala a altas temperaturas contínuas. - A ductilidade em alta temperatura e a estabilidade sob exposição prolongada são importantes. - O custo do ciclo de vida justifica um custo de material inicial mais alto. - Escolha 309S se: - A aplicação envolve exposição moderada a altas temperaturas, ciclagem térmica, ou onde um desempenho ligeiramente inferior em alta temperatura é aceitável. - O custo inicial do material e a disponibilidade são preocupações primárias. - Você precisa de um bom compromisso entre soldabilidade, conformabilidade e resistência razoável em alta temperatura.

Nota final: Tanto 310S quanto 309S são escolhas robustas de aços inoxidáveis austeníticos. Para qualquer aplicação crítica de segurança ou de alta temperatura a longo prazo, confirme a seleção final com dados ambientais de design completos, certificados de material ASTM/EN relevantes, fichas técnicas do fornecedor e, se necessário, testes laboratoriais (testes de oxidação, testes de fluência ou qualificação de procedimento de soldagem) para validar o desempenho sob as condições de serviço específicas.