321 vs 347 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

O Tipo 321 e o Tipo 347 são ambos aços inoxidáveis austeníticos, de cromo-níquel, amplamente utilizados em sistemas projetados onde resistência à corrosão, conformabilidade e estabilidade em altas temperaturas são necessárias. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de fabricação frequentemente decidem entre eles ao equilibrar desempenho contra corrosão, comportamento de fabricação, estabilidade a longo prazo em temperatura e custo.

A principal distinção técnica entre os dois graus é a escolha do elemento estabilizador de carboneto: o Tipo 321 é estabilizado com titânio (Ti), enquanto o Tipo 347 é estabilizado com nióbio (colúmbio, Nb). Essa diferença controla como cada grau resiste à precipitação de carboneto de cromo (sensibilização) durante a soldagem ou serviço a 450–850 °C, e influencia a estabilidade a longo prazo, particularmente para aplicações em alta temperatura ou cíclicas.

1. Normas e Designações

• ASTM/ASME: A240 / SA-240 (comum para chapa e folha).
• UNS: 321 = UNS S32100; 347 = UNS S34700.
• EN: 321 / 347 equivalentes existem, mas consulte os números EN (por exemplo, EN 1.4541 para 321 às vezes, verifique as referências cruzadas atuais).
• JIS / GB: Normas japonesas e chinesas têm austeníticos estabilizados semelhantes; consulte tabelas de referência cruzada locais para a designação precisa.

Classificação: Tanto 321 quanto 347 são aços inoxidáveis (austeníticos, não magnéticos na condição recozida). Eles não são aços carbono, aços ferramenta de carbono-ligado ou aços HSLA.

2. Composição Química e Estratégia de Liga

Tabela — Intervalos típicos de composição nominal (percentagem em peso). Os valores são indicativos para material recozido, especificado comercialmente; consulte a norma específica ou o certificado do fornecedor para limites exatos.

Notas: - O 321 utiliza adições de titânio dimensionadas em relação ao carbono para amarrar C como TiC/Ti(C,N) para prevenir a formação de Cr23C6. As normas geralmente exigem Ti ≥ 5 × C até um máximo prático. - O 347 utiliza nióbio (frequentemente com uma pequena quantidade de tântalo como impureza natural) para formar NbC/Nb(C,N) para o mesmo propósito. Os limites de especificação e os conteúdos típicos de Nb variam conforme a norma e a forma do produto. - Nenhum dos graus normalmente contém molibdênio significativo; eles não pertencem às famílias duplex ou super-austeníticas com Mo.

Como a liga afeta as propriedades: - O cromo fornece resistência à corrosão de filme passivo geral. - O níquel estabiliza a fase austenítica e melhora a tenacidade e a conformabilidade. - O titânio ou nióbio previnem a sensibilização formando carbonetos e carbonitretos estáveis, protegendo o cromo de se amarrar como Cr-carbonetos nas fronteiras de grão durante a exposição a temperaturas sensibilizadoras. - Pequenas adições de N aumentam a resistência através do endurecimento intersticial.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

• Microestrutura (recozido): Ambos os graus são totalmente austeníticos com uma matriz cúbica de face centrada (FCC). Carbonetos/nitretos estabilizadores (TiC/TiN no 321, NbC/Nb(C,N) no 347) estão presentes, geralmente como precipitados finos distribuídos nas fronteiras de grão e dentro dos grãos.
• Resistência à sensibilização: Estabilizadores formam preferencialmente carbonetos; isso previne zonas empobrecidas de cromo nas fronteiras de grão e protege contra corrosão intergranular após exposição a 450–850 °C.
• Resposta ao tratamento térmico:
• Recozimento (típico): Recozimento em solução a ~1010–1150 °C seguido de resfriamento rápido para reter a estrutura austenítica e dissolver precipitados indesejáveis.
• Normalização/Resfriamento & Têmpera: Estes não são caminhos padrão para aços inoxidáveis austeníticos — eles não endurecem por resfriamento e têmpera como os aços martensíticos. O processamento termomecânico influencia o tamanho do grão e a textura, mas a estabilização química governa principalmente o comportamento em alta temperatura.
• Serviço em alta temperatura: Após longas exposições a temperaturas elevadas, o 321 estabilizado com Ti pode formar precipitados complexos ricos em Ti e, se a relação Ti/C for inadequada ou se ocorrer longa exposição, pode desenvolver precipitação secundária de carboneto de cromo. O 347 estabilizado com Nb tende a manter a resistência e resistir ao empobrecimento de cromo nas fronteiras de grão melhor durante serviço prolongado em alta temperatura, razão pela qual o 347 (e a variante 347H com maior C) é frequentemente especificado para operação prolongada em altas temperaturas.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela — Intervalos típicos de propriedades mecânicas para material recozido à temperatura ambiente (indicativo; a forma do produto e a especificação determinam os valores garantidos).

Interpretação: - Na condição recozida à temperatura ambiente, as propriedades mecânicas do 321 e do 347 são muito semelhantes. O elemento estabilizador tem apenas um efeito modesto na resistência à tração/escoamento estático e na ductilidade em condições ambientes. - Em temperatura elevada e durante longos períodos de exposição, o 347 (estabilizado com nióbio) pode mostrar melhor retenção de ductilidade e resistência ao fluência porque os carbonetos de nióbio são mais estáveis e menos propensos a coarsen em certos regimes de serviço em comparação com os precipitados de titânio — isso é particularmente relevante para serviço em alta temperatura de longa duração e exposição térmica cíclica.

5. Soldabilidade

• Tanto o 321 quanto o 347 têm boa soldabilidade típica de aços inoxidáveis austeníticos: baixo teor de carbono e a presença de estabilizadores reduzem o risco de ataque intergranular após a soldagem.
• Considerações chave na soldagem:
• A seleção adequada do material de enchimento e o procedimento de soldagem continuam importantes para evitar trincas a quente e controlar o delta-ferrita quando necessário.
• O recozimento pós-soldagem geralmente não é necessário apenas para evitar corrosão intergranular, desde que a relação estabilizador-carbono e o controle do processo estejam corretos.
• Índices de soldabilidade importantes (exemplos — use-os qualitativamente):
• Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Equivalente de cromo (Pcm) — um estimador de suscetibilidade a trincas na soldagem: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Interpretação qualitativa:
• Ambos os graus têm bom desempenho em soldagem por fusão geral devido ao baixo C e estabilização. O nióbio no 347 aparece no termo $P_{cm}$; enquanto contribui para a resistência à sensibilização, pode influenciar ligeiramente o comportamento de solidificação da solda. Na prática, as diferenças de soldabilidade são pequenas; selecionar o metal de enchimento apropriado (frequentemente combinando ou usando enchimentos da família 308/309 conforme especificado) e controlar a entrada de calor é mais impactante do que a escolha entre Ti e Nb.
• Para soldagem de reparo ou fabricação onde ocorrem ciclos térmicos repetidos, o 347 pode ser preferido quando a estabilidade a longo prazo do carboneto estabilizador é crítica.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Corrosão geral: Ambos os graus formam um filme passivo rico em cromo e mostram resistência à corrosão semelhante ao 304 em muitos ambientes. Nenhum contém Mo, portanto a resistência à corrosão por picotamento em ambientes de cloreto não é tão alta quanto a de graus com Mo.
• Corrosão intergranular: Ambos são estabilizados contra sensibilização por seus respectivos estabilizadores; no entanto, níveis corretos de estabilizador em relação ao teor de carbono e processamento controlado são necessários.
• Uso do PREN: O Número de Equivalente de Resistência ao Picotamento é comumente usado onde Mo e N fornecem resistência ao picotamento: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para 321 e 347 (Mo ~ 0), o PREN é principalmente impulsionado por Cr e N e, portanto, é modesto; o PREN tem valor limitado para diferenciar esses dois graus porque ambos carecem de Mo.
• Proteção de superfície para aços não inoxidáveis: Não aplicável aqui — ambos são inoxidáveis. No entanto, onde proteção aprimorada é necessária (serviço em cloreto, água do mar), considere aços inoxidáveis com Mo ou duplex ou revestimentos.

7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade

• Maquinabilidade: Aços inoxidáveis austeníticos endurecem rapidamente; 321 e 347 são semelhantes ao 304 nesse aspecto. Estratégias de usinagem (configuração rígida, ferramentas afiadas, alta inclinação positiva, resfriamento intenso) se aplicam igualmente.
• O 347 pode ser marginalmente mais difícil de usinar se um maior teor de carboneto de Nb aumentar o desgaste da ferramenta em algumas alimentações, mas as diferenças são pequenas na prática.
• Conformabilidade: Ambos exibem excelente conformabilidade a frio e características de conformação profunda na condição recozida. O comportamento de retorno elástico e endurecimento por trabalho é comparável.
• Acabamento de superfície e polimento: Ambos polem bem e aceitam a maioria dos tratamentos de superfície; áreas soldadas devem ser passivadas se resistência à corrosão elevada for necessária.

8. Aplicações Típicas

Tabela — Usos típicos de cada grau e justificativa de seleção.

Justificativa de seleção: - Escolha o 321 quando a exposição típica envolver excursões ocasionais ou curtas em altas temperaturas e quando a estabilização por titânio for eficaz para os ciclos térmicos esperados. - Escolha o 347 quando a exposição prolongada a altas temperaturas ou serviço prolongado na faixa de temperatura de sensibilização exigir a estabilidade dos carbonetos de nióbio (a variante 347H pode ser especificada para maior resistência à fluência/resistência à temperatura devido ao maior teor de carbono).

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: O 347 é frequentemente modestamente mais caro que o 321 porque o nióbio é uma adição de liga de custo mais alto do que o titânio. Os preços de mercado flutuam com os custos de matéria-prima de nióbio.
• Disponibilidade: Ambos os graus estão amplamente disponíveis em formas de chapa, placa, tubo e barra de grandes usinas. O 321 historicamente tem uma disponibilidade muito ampla, pois tem sido uma liga comum em aplicações aeroespaciais e industriais. O 347 e o 347H são bem fornecidos, mas a disponibilidade em certas formas de produto ou tratamentos especiais pode ser mais limitada e os prazos de entrega ligeiramente mais longos.
• Conselho de compras: Especifique o grau exato UNS/ASTM e a forma do produto nos pedidos de compra; se o prazo de entrega ou custo for crítico, confirme o estoque da usina ou considere a substituição com aprovação de engenharia.

10. Resumo e Recomendação

Tabela — Comparação rápida (qualitativa).

Conclusões: - Escolha o Tipo 321 se você precisar de um aço inoxidável austenítico estabilizado com excelente resistência geral à corrosão, boa soldabilidade e sensibilidade ao custo, onde o serviço inclui ciclos térmicos ou exposição a altas temperaturas de curta duração. O 321 é uma escolha comum para partes de forno, juntas de expansão e aplicações onde a estabilização por titânio é adequada. - Escolha o Tipo 347 se a aplicação envolver exposição prolongada a altas temperaturas, serviço prolongado próximo à faixa de sensibilização, ou onde a fluência a longo prazo e a estabilidade das fronteiras de grão são críticas. O 347 (ou 347H para maior resistência à temperatura) é preferido quando a estabilidade do carboneto de nióbio oferece vantagens mensuráveis ao longo do ciclo de vida, apesar de um modesto prêmio de custo.

Nota prática final: Sempre revise os limites específicos ASTM/UNS/EN e solicite certificados da usina para projetos críticos. Para ambientes críticos de alta temperatura ou corrosivos, realize testes de corrosão específicos para a aplicação e consulte metalurgistas para validar a seleção do grau e os procedimentos de soldagem/fabricação.