Aço inoxidável resistente ao calor 347/347H: Guia essencial

O aço inoxidável resistente ao calor 347 (S34700) é um tipo de aço inoxidável muito estável. Mantém uma boa resistência à corrosão intergranular, mesmo em condições de precipitação de carboneto crómico a temperaturas de 800-1500°F (427-816°C).

Devido à adição de titânio na sua composição, o aço inoxidável resistente ao calor 347 mantém a estabilidade mesmo quando se forma carboneto crómico.

Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, o aço inoxidável resistente ao calor 347 aço tem vantagens significativas quando se trabalha em ambientes de alta temperatura.

Em comparação com a liga 304, o aço inoxidável resistente ao calor 347 apresenta uma ductilidade superior e resistência à rutura por tensão.

Além disso, o 304L também pode ser utilizado para resistir à sensibilização e corrosão intergranular.

I. Características gerais

A liga 321 (UNS S32100) é um aço inoxidável altamente estável. Mantém uma excelente resistência à corrosão intergranular em condições de precipitação de carboneto de crómio a temperaturas de 800-1500°F (427-816°C).

Graças à adição de titânio na sua composição, a liga 321 mantém a estabilidade mesmo na presença da formação de carboneto de crómio. A estabilidade do aço inoxidável resistente ao calor 347, por outro lado, é mantida pela adição de colúmbio e tântalo.

Os aços inoxidáveis resistentes ao calor 321 e 347 são normalmente utilizados para operações a longo prazo em ambientes de alta temperatura que variam entre 800-1500°F (427-816°C). No entanto, se as aplicações envolverem apenas soldadura ou aquecimento de curta duração, o 304L pode ser utilizado como substituto.

As vantagens da utilização dos aços inoxidáveis resistentes ao calor 321 e 347 em operações a alta temperatura residem também nas suas impressionantes propriedades mecânicas.

Em comparação com o 304 e o 304L, o 321 e o 347 têm propriedades superiores de resistência à fluência e à rutura por tensão. Isto permite que estas ligas estáveis suportem pressões a temperaturas ligeiramente mais elevadas que ainda cumprem os regulamentos para caldeiras e recipientes sob pressão definidos pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

Por conseguinte, a temperatura máxima de utilização dos aços inoxidáveis resistentes ao calor 321 e 347 pode atingir 1500°F (816°C), enquanto 304 e 304L estão limitados a 800°F (426°C).

Existem também versões com elevado teor de carbono das ligas 321 e 347, designadas UNS S32109 e S34709, respetivamente.

II. Composição química

ASTM A240 e ASME SA-240:

III. Resistência à corrosão

1. Corrosão uniforme

As ligas 321 e 347 possuem uma capacidade de resistência à corrosão geral semelhante à da instável liga de níquel-crómio 304. O aquecimento prolongado na gama de temperaturas do grau de carboneto de crómio pode afetar a resistência à corrosão das ligas 321 e 347 em meios corrosivos agressivos.

Na maioria dos ambientes, a resistência à corrosão de ambas as ligas é bastante comparável; no entanto, a resistência da liga 321 recozida em ambientes fortemente oxidantes é ligeiramente inferior à da liga 347 recozida.

Assim, a liga 347 é superior em ambientes aquáticos e noutras condições de baixa temperatura. A exposição a temperaturas entre 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) reduz significativamente a resistência global à corrosão da liga 321 em comparação com a liga 347.

A liga 347 é utilizada principalmente para aplicações a altas temperaturas, onde é necessária uma forte resistência à sensibilização para evitar a corrosão intergranular a temperaturas mais baixas.

2. Corrosão intergranular

O aço instável de níquel-crómio, como a liga 304, é suscetível à corrosão intergranular, enquanto as ligas 321 e 347 foram desenvolvidas para resolver este problema.

Quando o aço crómio-níquel instável é colocado num ambiente a temperaturas entre 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) ou arrefecido lentamente dentro deste intervalo de temperatura, o carboneto de crómio precipita nos limites dos grãos.

Quando expostos a meios corrosivos agressivos, estes limites de grão podem ser os primeiros a corroer, enfraquecendo potencialmente o desempenho do metal e levando à sua desintegração total.

Em meios orgânicos ou soluções aquosas pouco corrosivas, leite ou outros produtos lácteos, ou condições atmosféricas, a corrosão intergranular é raramente observada, mesmo na presença de uma precipitação substancial de carbonetos.

Quando soldadura placas mais finas, a curta exposição a temperaturas entre 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) reduz a probabilidade de corrosão intergranular, tornando as classes instáveis adequadas para a tarefa.

A extensão da precipitação de carbonetos nocivos depende da duração da exposição a temperaturas entre 800°F - 1500°F (427°C - 816°C) e do meio corrosivo.

Para a soldadura de chapas mais grossas, apesar de tempos de aquecimento mais longos, a classe L instável, com um teor de carbono de 0,03% ou menos, resulta numa precipitação de carbonetos insuficiente para constituir uma ameaça para esta classe.

A forte resistência à sensibilização e à corrosão intergranular dos aços inoxidáveis 321 e 347 estabilizados é demonstrada na tabela abaixo (Teste de ácido sulfúrico Copper-Copper Sulfate-16% (ASTM A262, Practice E)).

Antes do ensaio, as amostras recozidas de aciaria são submetidas a um tratamento térmico de sensibilização a 566°C (1050°F) durante 48 horas.

Após um período de 240 horas recozimento No processo de corrosão a 1100°F, as amostras de liga 347 não mostraram sinais de corrosão intergranular, indicando que não se sensibilizaram quando expostas a tais condições de calor. A baixa taxa de corrosão das amostras da liga 321 sugere que, embora tenham sofrido alguma corrosão intergranular, a sua resistência à corrosão foi superior à da liga 304L nestas condições.

No ambiente deste teste, todas estas ligas tiveram um desempenho significativamente melhor do que o aço inoxidável padrão Alloy 304.

De um modo geral, as ligas 321 e 347 são utilizadas para o fabrico de equipamento de soldadura pesado que não pode ser submetido a um tratamento de recozimento, bem como para equipamento que funcione ou arrefeça lentamente no intervalo de 800°F a 1500°F (427°C a 816°C).

A experiência adquirida em várias condições de funcionamento fornece dados suficientes para prever a probabilidade de corrosão intergranular na maioria das aplicações. Consulte também algumas das nossas opiniões publicadas no tratamento térmico secção.

3. Fratura por corrosão sob tensão

Ligas 321 e 347 austenítico Os aços inoxidáveis são sensíveis à fissuração por corrosão sob tensão em halogenetos, à semelhança do aço inoxidável Alloy 304. Isto deve-se ao facto de terem um teor de níquel semelhante. As condições que conduzem à fissuração por corrosão sob tensão incluem:

(1) exposição a iões halogenetos (geralmente cloretos)

(2) tensão residual de tração

(3) temperaturas ambientais superiores a 120°F (49°C).

A deformação a frio nas operações de conformação ou os ciclos térmicos encontrados nas operações de soldadura podem gerar tensões. O tratamento de recozimento ou o tratamento térmico de alívio de tensões após a deformação a frio pode reduzir os níveis de tensão.

As ligas estabilizadas 321 e 347 são adequadas para operações de alívio de tensões que poderiam causar corrosão intergranular em ligas instáveis.

As ligas 321 e 347 são particularmente úteis em ambientes que causam corrosão sob tensão por ácido politónico em aços inoxidáveis austeníticos instáveis, como a liga 304. Os aços inoxidáveis austeníticos instáveis, quando expostos a temperaturas que causam sensibilização, precipitam carbonetos de crómio nos limites dos grãos.

Após o arrefecimento até à temperatura ambiente num ambiente contendo enxofre, os sulfuretos (normalmente sulfureto de hidrogénio) reagem com vapor e oxigénio para formar ácidos politónicos que corroem os limites de grão sensibilizados.

A fissuração por corrosão sob tensão do ácido politónico ocorre em ambientes de refinaria onde os sulfuretos são predominantes, em condições de corrosão sob tensão e intergranular.

As ligas estabilizadas 321 e 347 resolvem o problema da fissuração por corrosão sob tensão com ácido politónico devido à sua resistência à sensibilização durante as operações de aquecimento. Se as condições de funcionamento puderem causar sensibilização, estas ligas devem ser utilizadas em condições termicamente estabilizadas para uma resistência óptima à sensibilização.

4. Corrosão por picadas/cravos

A resistência à corrosão por pite e em fendas das ligas estáveis 321 e 347 em ambientes que contêm iões cloreto é aproximadamente a mesma que a das ligas de aço inoxidável 304 ou 304L devido ao seu teor de crómio semelhante.

Geralmente, para ligas instáveis e estáveis, o teor máximo de cloreto num ambiente aquoso é de cem partes por milhão, especialmente quando está presente a corrosão em fendas. Um teor mais elevado de iões cloreto pode levar à corrosão em fendas e por picadas.

Em condições adversas com um teor de cloreto mais elevado, pH mais baixo e/ou temperaturas mais elevadas, deve ser considerada a utilização de ligas que contenham molibdénio, como a liga 316. As ligas estáveis 321 e 347 passaram o teste de 100 horas de névoa salina 5% (ASTM B117) sem ferrugem ou descoloração nas amostras testadas.

No entanto, se estas ligas forem expostas a névoa salina marinha, podem ocorrer corrosão por picadas, corrosão em fendas e descoloração grave. A exposição das ligas 321 e 347 a ambientes marinhos não é recomendada.

IV. Resistência à oxidação a alta temperatura

A resistência à oxidação do 321 e do 347 pode ser comparada com a de outros aços inoxidáveis austeníticos 18-8. As amostras são expostas a atmosferas laboratoriais de alta temperatura.

A pesagem regular das amostras retiradas do ambiente de alta temperatura pode prever o grau de formação de incrustações. Os resultados dos testes são representados por alterações de peso (miligramas/centímetro quadrado), calculando a média dos valores mínimos de duas amostras diferentes testadas.

A principal diferença entre o 321 e o 347 reside nos seus subtis aditivos de liga, mas isso não afecta as suas propriedades antioxidantes.

Por conseguinte, estes resultados de ensaio são representativos de ambos os tipos. No entanto, as taxas de oxidação são afectadas por factores inerentes, tais como o ambiente de exposição e a forma do produto.

Por conseguinte, estes resultados devem apenas ser considerados como valores típicos de antioxidação para estas qualidades.

V. Propriedades físicas

As propriedades físicas das ligas 321 e 347 são bastante semelhantes, de facto, podem ser consideradas idênticas. Os valores indicados na tabela aplicam-se a ambas as ligas.

Com um tratamento de recozimento adequado, os aços inoxidáveis das ligas 321 e 347 contêm principalmente austenite e carbonetos de titânio ou carbonetos de nióbio. Uma pequena quantidade de ferrite pode ou não aparecer na microestrutura. Se for exposto a temperaturas entre 1000°F e 1500°F (593°C e 816°C) durante um período prolongado, pode formar-se uma pequena quantidade de fase sigma.

O tratamento térmico não pode endurecer os aços inoxidáveis estabilizados das ligas 321 e 347.

O coeficiente global de transferência de calor do metal depende não só da condutividade térmica do metal, mas também de outros factores.

Na maioria dos casos, estes incluem o coeficiente de arrefecimento da película, a escala e o estado da superfície do metal. O aço inoxidável mantém uma superfície limpa, o que faz com que a sua transferência de calor seja melhor do que a dos metais com maior condutividade térmica.

Magnetismo

As ligas estabilizadas 321 e 347 são geralmente não magnéticas. No estado recozido, a sua permeabilidade magnética é inferior a 1,02. A permeabilidade magnética varia com a composição e aumenta com o trabalho a frio. A permeabilidade magnética das soldaduras que contêm ferrite é ligeiramente superior.

VI. Propriedades mecânicas

1. Ductilidade à temperatura ambiente

As propriedades mecânicas mínimas das ligas estáveis 321 e 347 ao nível do crómio-níquel no estado recozido (2000°F [1093°C], arrefecido ao ar) são as indicadas no quadro seguinte.

2. Ductilidade a altas temperaturas

As propriedades mecânicas típicas das ligas 321 e 347 a altas temperaturas são as indicadas na tabela abaixo. Em ambientes de 1000°F (538°C) e temperaturas mais elevadas, a resistência destas ligas estáveis é significativamente mais elevada do que a da liga 304 instável.

As ligas de elevado teor de carbono 321H e 347H (UNS32109 e S34700) têm uma resistência superior em ambientes acima de 1000°F (537°C). Os dados de tensão de projeto máxima admissível ASME da liga 347H mostram que a resistência deste tipo é superior à da liga 347 de baixo carbono.

A liga 321H não é permitida para utilização em aplicações da Secção VIII e, para aplicações da Secção III, está limitada a temperaturas iguais ou inferiores a 800°F (427°C).

3. Propriedades de fluência e rutura por tensão

Os dados típicos de fluência e de rutura por tensão das ligas de aço inoxidável 321 e 347 são os apresentados no quadro seguinte. A resistência à fluência e à rutura por tensão das ligas estáveis a altas temperaturas é superior à das ligas instáveis 304 e 304L.

O desempenho superior das ligas 321 e 347 torna-as adequadas para peças sob pressão que operam a altas temperaturas, tais como as caldeiras e os recipientes sob pressão normalmente vistos.

4. Resistência ao impacto

Tanto as ligas 321 como 347 apresentam uma excelente resistência ao impacto, quer em condições interiores quer em ambientes abaixo de zero.

O ensaio de impacto Charpy V da liga 347 após o recozimento, que foi deixado a uma temperatura de ensaio especificada durante uma hora, é apresentado no gráfico seguinte. A situação da liga 321 é semelhante à da 347.

5. Resistência à fadiga

De facto, o resistência à fadiga de cada metal é afetado por factores como o ambiente de corrosão, o acabamento da superfície, a forma do produto e a tensão média.

Por esta razão, é impossível representar o valor da resistência à fadiga em todas as condições de funcionamento com um número exato. O limite de fadiga das ligas 321 e 347 é aproximadamente 35% da sua resistência à tração.

VII. Processamento

Soldadura

O aço inoxidável austenítico é considerado o mais fácil liga de aço para soldar e pode ser soldado com todas as substâncias de fusão, bem como por soldadura por resistência.

Ao soldar aço inoxidável austenítico, devem ser considerados dois factores: 1) manter a sua resistência à corrosão e 2) evitar a fissuração.

Durante a soldadura, é crucial preservar os elementos estabilizadores nas ligas 321 e 347. O titânio da liga 321 é mais suscetível de se esgotar, enquanto o nióbio da liga 347 se perde facilmente. É necessário evitar os elementos de carbono provenientes do petróleo e de outras fontes de contaminação, bem como os elementos de azoto provenientes do ar.

Por conseguinte, quer se trate de soldar ligas estáveis ou instáveis, a limpeza e a proteção do gás inerte devem ser mantidas.

Quando metais de soldadura com uma estrutura austenítica, a fissuração é facilmente causada durante a operação. Por este motivo, as ligas 321 e 347 necessitam da adição de uma pequena quantidade de sal férrico durante a ressolidificação para minimizar a sensibilidade à fissuração. O aço inoxidável que contém nióbio é mais suscetível de fissuração a quente do que o que contém titânio.

Os metais de adição correspondentes podem ser utilizados para soldar aços estáveis, como as ligas 321 e 347. O metal de adição correspondente da liga 347 também pode, por vezes, ser utilizado para liga de soldadura 321.

Estas ligas estáveis podem ser adicionadas a outros aços inoxidáveis ou aços ao carbono. A liga 309 (23% Cr-13.5% Ni) ou metais de adição à base de níquel podem servir este objetivo.

VIII. Tratamento térmico

O intervalo de temperatura de recozimento para as ligas 321 e 347 é de 1800 - 2000°F (928 a 1093°C). Embora o objetivo principal do recozimento seja aumentar a suavidade e a ductilidade da liga, a tensão também pode ser eliminada dentro do intervalo de precipitação de carbonetos de 800 - 1500°F (427 a 816°C) sem causar corrosão intergranular.

Embora o aquecimento prolongado dentro desta gama de temperaturas possa reduzir um pouco a resistência geral à corrosão da liga, as ligas 321 e 347 podem aliviar a tensão após o recozimento durante algumas horas dentro da gama de temperaturas de 800 - 1500°F (427 a 816°C), e a sua resistência geral à corrosão não será significativamente reduzida.

Como enfatizado, o recozimento a baixa temperatura dentro da faixa de 800 - 1500°F (427 a 816°C) não levará à corrosão intergranular.

Para obter uma ductilidade óptima, recomenda-se a utilização de uma temperatura de recozimento mais elevada de 1800 a 2000°F (928 a 1093°C).

Ao processar estes aços inoxidáveis à base de níquel em equipamento que necessita de evitar ao máximo a precipitação de carboneto de crómio, deve reconhecer-se que a estabilidade do columbium não é a mesma que a do titânio. Por estas razões, quando se utiliza a liga 321, os resultados de estabilidade e proteção não são tão óbvios.

Quando é necessária uma resistência máxima à corrosão, a liga 321 deve ser submetida a um tratamento de recozimento de estabilização. Aquecer no intervalo de temperatura de 1550 a 1650°F (843 a 899°C) durante um máximo de 5 horas, sendo que o tempo de aquecimento depende da espessura.

Esta gama de temperaturas excede a gama de temperaturas para a formação de carboneto de crómio e é também suficiente para decompor e dissolver o carboneto de crómio previamente formado.

Além disso, a esta temperatura, o titânio pode combinar-se com o carbono para formar carboneto de titânio inofensivo. O resultado é que o crómio volta a ser reduzido a uma solução sólida e o carbono é forçado a combinar-se com o titânio para formar carbonetos inofensivos.

A liga estabilizada 347, que contém colúmbio, não requer frequentemente este tratamento adicional.

Após a conclusão do tratamento térmico num ambiente oxidante, os óxidos formados na superfície recozida são removidos numa solução de decapagem, tal como uma mistura de ácido nítrico e ácido fluorídrico. Após a decapagem, a superfície do aço inoxidável deve ser cuidadosamente lavada para eliminar a solução ácida residual.

Estas ligas não podem ser endurecidas por tratamento térmico.

IX. Limpeza

Independentemente da sua resistência à corrosão, o aço inoxidável requer a limpeza da superfície durante todo o seu processo de utilização e fabrico, mesmo em condições normais de trabalho.

Durante a soldadura, é utilizado um processo de gás inerte e os óxidos e escórias formados são removidos com uma escova de aço inoxidável. As escovas de aço-carbono comuns deixam partículas de aço-carbono na superfície do aço inoxidável, o que pode levar à oxidação da superfície. Em circunstâncias rigorosas, a área de soldadura tem de ser tratada com uma solução de remoção de ferrugem (como uma mistura de ácido nítrico e ácido fluorídrico) para eliminar óxidos e escórias.

Após a remoção da ferrugem, a superfície de aço inoxidável deve ser cuidadosamente enxaguada para eliminar qualquer solução ácida residual.

Nas zonas sem litoral, os materiais utilizados nas indústrias ligeiras requerem menos manutenção. Apenas as áreas blindadas necessitam ocasionalmente de limpeza com água pressurizada. No entanto, recomenda-se que as indústrias pesadas procedam a limpezas frequentes para remover o pó acumulado, que pode potencialmente levar à corrosão e danificar o aspeto da superfície do aço inoxidável.

Uma conceção adequada facilita a limpeza. Equipamento com redondo Os filetes, os raios internos e a ausência de folgas facilitam a limpeza e o polimento da superfície.

Os dados de referência são simplesmente uma análise típica e não podem ser utilizados como especificação ou valor máximo ou mínimo do produto final. Os dados relativos a um material específico podem não estar em conformidade com os dados de referência acima referidos.