316 vs 316Ti – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Os tipos 316 e 316Ti são ambos aços inoxidáveis austeníticos amplamente utilizados nas indústrias de processamento químico, marinha, alimentos e trocadores de calor. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre desempenho de corrosão ligeiramente diferente, soldabilidade, estabilidade térmica e custo — por exemplo, escolher entre um material de custo inicial mais baixo com excelente resistência à corrosão geral e uma variante estabilizada destinada à exposição prolongada a temperaturas elevadas.

A principal diferença metalúrgica é que o 316Ti contém uma adição deliberada de titânio para ligar o carbono e reduzir o risco de precipitação de carbonetos de cromo durante a exposição a altas temperaturas; o 316 é a classe austenítica convencional, não estabilizada, contendo molibdênio. Devido a essa estratégia de estabilização, as duas classes são frequentemente comparadas quando os projetos devem tolerar exposição pós-solda, serviço prolongado em alta temperatura ou ao escolher o material de enchimento e os parâmetros do processo de soldagem.

1. Normas e Designações

• ASTM / ASME:
• 316: ASTM A240 / ASME SA240 (UNS S31600)
• 316Ti: ASTM A240 / ASME SA240 (comumente especificado como 316Ti, UNS S31635 ou EN 1.4571)
• EN (Europeu):
• 316: EN 1.4401
• 316Ti: EN 1.4571
• JIS (Japão): equivalentes existem (por exemplo, SUS316)
• GB (China): equivalentes existem (por exemplo, 0Cr17Ni12Mo2)

Classificação: tanto o 316 quanto o 316Ti são aços inoxidáveis (austeníticos). Eles não são aços carbono, aços para ferramentas ou aços HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

A tabela a seguir apresenta intervalos composicionais típicos (wt%) de acordo com normas comuns (os intervalos refletem especificações padrão em vez de uma única análise proprietária). A composição exata varia com a especificação e o produtor.

Como a liga afeta o comportamento: - O cromo (Cr) fornece o filme passivo que confere resistência à corrosão aos aços inoxidáveis. - O níquel (Ni) estabiliza a fase austenítica e melhora a tenacidade e ductilidade. - O molibdênio (Mo) aumenta a resistência à corrosão por picotamento e fendas em ambientes contendo cloreto. - O carbono (C) aumenta ligeiramente a resistência, mas promove a formação de carbonetos de cromo nas fronteiras de grão quando exposto à faixa de temperatura de sensibilização (aproximadamente 450–850°C), reduzindo a resistência à corrosão intergranular. - O titânio (Ti) no 316Ti forma preferencialmente carbonetos e nitretos de titânio estáveis, evitando que o carbono se ligue ao cromo e, assim, reduzindo o risco de sensibilização após a exposição a faixas de temperatura críticas.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Microestrutura: - Tanto o 316 quanto o 316Ti são totalmente austeníticos (cúbicos de face centrada) na condição de recozimento em solução. A microestrutura típica consiste em uma matriz austenítica; fases menores, como carbonetos (M23C6), nitretos ou intermetálicos, podem aparecer dependendo da história térmica. - No 316, o carbono pode se combinar com o cromo nas fronteiras de grão para formar carbonetos de cromo (M23C6) quando o material é resfriado lentamente através ou mantido dentro da faixa de sensibilização, levando a zonas empobrecidas de cromo e suscetibilidade à corrosão intergranular. - No 316Ti, o titânio forma TiC e TiN preferencialmente durante a exposição térmica, limitando a formação de carbonetos de cromo e ajudando a preservar o cromo nas fronteiras de grão.

Resposta ao tratamento térmico: - Recozimento em solução (intervalo típico para classes austeníticas): aquecer a aproximadamente $1040$–$1150^\circ\text{C}$ e resfriar. Isso dissolve precipitados e restaura a resistência à corrosão. - Normalização não é geralmente utilizada para aços inoxidáveis austeníticos, pois tem pouco efeito e não endurece a estrutura. - Nem o 316 nem o 316Ti são endurecíveis por resfriamento e têmpera convencionais — eles se endurecem por deformação a frio ou podem ser fortalecidos por trabalho a frio ou por endurecimento por precipitação em diferentes sistemas de liga (não típico para a família 316). - O processamento termo-mecânico (trabalho a frio, cronogramas de recozimento) afeta o tamanho do grão, textura e propriedades mecânicas de maneira semelhante para ambas as classes, mas o 316Ti mantém melhor resistência ao ataque intergranular após exposição a altas temperaturas.

4. Propriedades Mecânicas

As propriedades abaixo refletem condições típicas de recozimento em solução (recozido); os valores exatos dependem da forma do produto e do tratamento do moinho.

Explicação: - A resistência e a ductilidade são amplamente semelhantes; a estabilização por titânio não aumenta substancialmente a resistência à tração em temperatura ambiente na condição recozida. - O 316Ti pode apresentar ligeiramente maior resistência mínima ao escoamento ou dureza em alguns lotes de produção devido à precipitação de TiC/TiN, mas as diferenças são pequenas na maioria dos contextos de design estrutural. - A tenacidade permanece alta para ambos; nenhum deles é um material quebradiço a baixa temperatura.

5. Soldabilidade

Ambas as classes são consideradas prontamente soldáveis com práticas padrão de soldagem de aços inoxidáveis austeníticos, mas existem distinções práticas.

Índices de soldabilidade importantes: - Formas equivalentes de carbono podem ser usadas para avaliar a endurecibilidade e a suscetibilidade a trincas. Um índice padrão é: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ - Um parâmetro mais detalhado para aços inoxidáveis: $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Interpretação qualitativa: - Tanto o 316 quanto o 316Ti têm baixo carbono em relação a muitos aços estruturais, portanto, não são propensos a trincas a frio devido à formação de martensita; enchimentos austeníticos inoxidáveis e gases de proteção são padrão. - O 316L (variante de baixo carbono) é frequentemente preferido onde se espera soldagem extensiva, pois o menor carbono elimina a necessidade de estabilização. Para 316 (padrão) e 316Ti: - O 316Ti oferece melhor resistência à sensibilização pós-solda quando as temperaturas da HAZ passam pela faixa de sensibilização, porque o titânio liga o carbono. Isso pode ser vantajoso para a fabricação onde o componente experimenta ciclos repetidos de alta temperatura. - No entanto, o titânio no metal base pode complicar a seleção do metal de enchimento e requer atenção ao procedimento de soldagem para evitar a formação de precipitados de titânio grosseiros no metal de solda que poderiam afetar a ductilidade ou resistência à corrosão localmente. Em muitas aplicações de soldagem, o enchimento 316L é usado para reduzir o risco de sensibilização no metal de solda. - O recozimento em solução pré e pós-solda pode restaurar a resistência à corrosão onde necessário. Para aplicações críticas, testes para corrosão intergranular (por exemplo, práticas ASTM A262) são utilizados.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Para classes inoxidáveis como 316 e 316Ti, a resistência à corrosão geral deriva do filme passivo de óxido de cromo; o Mo melhora a resistência ao picotamento em ambientes contendo cloreto.
• Use o Número Equivalente de Resistência ao Picotamento (PREN) para resistência comparativa ao picotamento quando relevante: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Nota: O titânio não entra na expressão do PREN; adicionar Ti não aumenta diretamente o PREN, mas ajuda a manter o cromo em solução, evitando a formação de carbonetos de cromo.
• Sensibilização: o 316 (não estabilizado) pode se tornar sensibilizado se exposto à faixa aproximada de 450–850°C por tempo suficiente, levando à corrosão intergranular devido à precipitação de carbonetos de cromo. O 316Ti é especificamente projetado para reduzir esse risco por meio da formação de TiC/TiN.
• A suscetibilidade à trinca por corrosão sob tensão (SCC) em ambientes de cloreto é uma consideração de projeto para aços inoxidáveis austeníticos; reduzir o carbono não previne SCC; a seleção do material, controle de tensões residuais e controle ambiental são necessários.
• Proteção de superfície: Para aços não inoxidáveis, medidas comuns incluem galvanização ou pintura; para 316/316Ti, essas não são tipicamente necessárias, a menos que proteção estética ou contra desgaste abrasivo seja necessária.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Formabilidade

• Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos são geralmente mais difíceis de usinar do que aços carbono devido ao endurecimento por trabalho e baixa condutividade térmica. O 316 e o 316Ti são semelhantes; a estabilização por Ti pode reduzir marginalmente a maquinabilidade em alguns lotes devido à presença de partículas duras de TiC/TiN.
• Formabilidade: Ambas as classes têm excelente ductilidade e podem ser moldadas, dobradas e formadas usando técnicas padrão. Material recozido é preferido para formação para evitar retorno excessivo ou endurecimento por deformação.
• Acabamento de superfície: Ambos podem ser retificados, polidos e eletropolidos. Precipitados contendo titânio no 316Ti são geralmente em escala microscópica e não impedem acabamentos de superfície de alta qualidade.
• Soldagem e tratamentos pós-solda: Metais de enchimento 316L são frequentemente usados; onde se espera fluência em alta temperatura ou exposição prolongada a temperaturas elevadas, um enchimento especializado que corresponda à estratégia do metal base pode ser selecionado.

8. Aplicações Típicas

Racional de seleção: - Escolha 316 para resistência geral à corrosão, custo-benefício e ampla disponibilidade. - Escolha 316Ti quando o serviço incluir exposição repetida ou prolongada a temperaturas onde a sensibilização é uma preocupação, ou onde a estabilidade térmica de longo prazo das fronteiras de grão é necessária.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 316 é geralmente mais comum e ligeiramente menos caro que o 316Ti, pois este último inclui uma adição deliberada de titânio e frequentemente um controle de processamento mais rigoroso. As diferenças de preço são tipicamente modestas em relação aos custos gerais do projeto, mas podem depender dos preços de mercado do titânio e do processamento da liga.
• Disponibilidade: O 316 está amplamente disponível em chapa, placa, tubo, barra e forjados. O 316Ti também está amplamente disponível, mas pode ter prazos de entrega mais longos para algumas formas de produto, espessuras ou acabamentos especiais. Para estoque padrão de grande volume, o 316 geralmente será mais fácil de obter.

10. Resumo e Recomendação

Recomendações: - Escolha 316 se: você precisar de um aço inoxidável austenítico versátil e econômico para resistência geral à corrosão, componentes de bombas e válvulas, equipamentos de processamento de alimentos, ou quando uma soldagem extensiva em oficina ou campo será realizada e o menor custo geral da liga for uma prioridade (considere 316L para soldagem pesada). - Escolha 316Ti se: o componente sofrer exposição prolongada ou repetida na faixa de temperatura de sensibilização (por exemplo, trocadores de calor, partes de forno, alguns serviços petroquímicos), ou onde a preservação do cromo nas fronteiras de grão após ciclos térmicos for crítica. O 316Ti é uma opção preferida quando os projetistas desejam um inoxidável austenítico estabilizado sem recorrer a uma classe de baixo carbono.

Nota de fechamento: Para qualquer aplicação crítica, especifique a designação exata da classe ASTM/EN, a forma do produto necessária e quaisquer requisitos de tratamento térmico pós-solda ou recozimento em solução. Testes de corrosão, qualificação de procedimento de soldagem e certificação de fornecedor são recomendados para garantir que a classe selecionada atenda às expectativas de serviço.