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

O aço inoxidável resistente ao calor 347 (S34700) é um tipo de aço inoxidável austenítico altamente estável, conhecido por sua excepcional resistência à corrosão intergranular. Essa liga mantém sua integridade estrutural e resistência à corrosão mesmo em condições severas, especialmente na faixa crítica de temperatura de 800-1500°F (427-816°C), onde normalmente ocorre a precipitação de carboneto de cromo.

A estabilidade superior do aço inoxidável 347 é atribuída à sua composição cuidadosamente projetada, especificamente à adição de titânio como elemento estabilizador. O titânio combina-se preferencialmente com o carbono para formar carbonetos de titânio, impedindo efetivamente a formação de carbonetos de cromo nos limites dos grãos. Esse mecanismo, conhecido como estabilização, preserva o cromo em solução sólida, mantendo assim a resistência à corrosão da liga, mesmo após exposição prolongada a temperaturas elevadas.

Em aplicações de alta temperatura, o aço inoxidável resistente ao calor 347 apresenta vantagens significativas devido às suas excelentes propriedades mecânicas. Ele apresenta resistência superior à fluência, resistência à fadiga térmica e estabilidade dimensional em comparação com os tipos não estabilizados. Essas características o tornam particularmente adequado para componentes de trocadores de calor, peças de fornos e equipamentos de processamento químico que operam em temperaturas elevadas.

Quando comparado ao aço inoxidável austenítico 304, amplamente utilizado, o 347 oferece melhorias notáveis na ductilidade e na resistência à ruptura por tensão em altas temperaturas. Esse desempenho aprimorado é crucial em aplicações que envolvem ciclos térmicos ou em que se espera uma exposição prolongada a altas temperaturas. A ductilidade aprimorada permite uma melhor conformabilidade e reduz o risco de rachaduras durante os ciclos de expansão e contração térmica.

Embora o 347 seja a escolha preferida para aplicações de alta temperatura que exigem máxima resistência à corrosão, vale a pena observar que o 304L (variante de baixo carbono do 304) também pode ser usado para atenuar a sensibilização e a corrosão intergranular em determinados ambientes menos severos. Entretanto, o 304L consegue isso por meio da redução do teor de carbono em vez da estabilização, o que pode limitar sua resistência a altas temperaturas em comparação com o 347.

I. Características gerais

A liga 321 (UNS S32100) é um aço inoxidável austenítico altamente estável, conhecido por sua excepcional resistência à corrosão intergranular, especialmente na faixa de temperatura crítica de 427-816°C (800-1500°F), onde normalmente ocorre a precipitação de carboneto de cromo. Essa estabilidade é obtida por meio da adição estratégica de titânio, que forma preferencialmente carbonetos de titânio, evitando assim o esgotamento do cromo nos limites dos grãos.

Em comparação, o aço inoxidável resistente ao calor 347 mantém sua estabilidade por meio da adição de columbium (nióbio) e tântalo. Ambos os elementos atuam como fortes formadores de carboneto, estabilizando efetivamente a liga contra a sensibilização.

Os aços inoxidáveis resistentes ao calor 321 e 347 são os materiais preferidos para serviços de longo prazo em ambientes de alta temperatura na faixa de 800-1500°F (427-816°C). Suas composições exclusivas os tornam ideais para aplicações que exigem exposição prolongada a temperaturas elevadas. Para cenários menos exigentes que envolvem apenas soldagem ou aquecimento de curto prazo, o 304L pode ser uma alternativa adequada devido ao seu menor teor de carbono, que reduz a suscetibilidade à sensibilização.

A superioridade do 321 e do 347 em operações de alta temperatura vai além da resistência à corrosão e inclui propriedades mecânicas aprimoradas. Essas ligas apresentam resistência à fluência e propriedades de ruptura por tensão significativamente melhores em comparação com os graus 304 e 304L. Esse desempenho superior permite que o 321 e o 347 suportem tensões maiores em temperaturas elevadas e, ao mesmo tempo, cumpram as rigorosas normas para caldeiras e vasos de pressão estabelecidas pela American Society of Mechanical Engineers (ASME).

Consequentemente, a temperatura máxima de uso permitida para os aços inoxidáveis resistentes ao calor 321 e 347 pode chegar a 816 °C (1.500 °F), substancialmente mais alta do que o limite de 426 °C (800 °F) para os tipos 304 e 304L. Essa faixa de temperatura estendida amplia significativamente o escopo de aplicação dessas ligas estabilizadas em processos industriais de alta temperatura.

Para aplicações que exigem resistência ainda maior em altas temperaturas, estão disponíveis versões com alto teor de carbono das ligas 321 e 347, designadas como UNS S32109 e S34709, respectivamente. Essas classes oferecem maior resistência à fluência e força em temperaturas elevadas, embora com ductilidade ligeiramente reduzida em comparação com suas contrapartes padrão.

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-cromo 304. O aquecimento prolongado na faixa de temperatura do grau de carboneto de cromo pode afetar a resistência à corrosão das ligas 321 e 347 em meios corrosivos severos.

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 em outras condições de baixa temperatura. A exposição a temperaturas que variam de 427°C a 816°C (800°F a 1500°F) reduz significativamente a resistência geral à corrosão da liga 321 em comparação com a liga 347.

A liga 347 é usada principalmente em aplicações de alta temperatura, nas quais é necessária uma forte resistência à sensibilização para evitar a corrosão intergranular em temperaturas mais baixas.

2. Corrosão intergranular

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

Quando o aço cromo-níquel instável é colocado em um ambiente com temperaturas que variam de 427°C a 816°C (800°F a 1500°F) ou resfriado lentamente dentro dessa faixa de temperatura, o carboneto de cromo precipita nos limites dos grãos.

Quando expostos a meios corrosivos agressivos, esses limites de grãos podem ser os primeiros a corroer, o que pode enfraquecer o desempenho do metal e levar à desintegração total.

Em meios orgânicos ou soluções de água fracamente corrosivas, leite ou outros produtos lácteos, ou condições atmosféricas, a corrosão intergranular raramente é observada, mesmo na presença de precipitação substancial de carboneto.

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

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

Para a soldagem de chapas mais grossas, apesar dos tempos de aquecimento mais longos, a instável classe L, com um teor de carbono de 0,03% ou menos, resulta em uma precipitação de carboneto insuficiente para representar uma ameaça a essa classe.

A forte resistência à sensibilização e à corrosão intergranular do aço inoxidável 321 estabilizado e da liga 347 é demonstrada na tabela abaixo (Teste de ácido sulfúrico Copper-Copper Sulfate-16% (ASTM A262, Practice E)).

Antes do teste, as amostras recozidas da usina siderúrgica são submetidas a um tratamento térmico de sensibilização a 566°C (1050°F) por 48 horas.

Após 240 horas recozimento Em um processo de corrosão a 1100°F, as amostras de Alloy 347 não apresentaram sinais de corrosão intergranular, indicando que não se sensibilizaram quando expostas a essas condições de calor. A baixa taxa de corrosão das amostras de liga 321 sugere que, embora tenham sofrido alguma corrosão intergranular, sua resistência à corrosão foi superior à da liga 304L nessas condições.

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

De modo geral, as ligas 321 e 347 são usadas na fabricação de equipamentos de soldagem para serviços pesados que não podem ser submetidos a tratamento de recozimento, bem como em equipamentos que operam ou resfriam lentamente na faixa de 800°F a 1500°F (427°C a 816°C).

A experiência adquirida em várias condições operacionais fornece dados amplos para prever a probabilidade de corrosão intergranular na maioria das aplicações. Consulte também algumas de nossas opiniões publicadas na revista tratamento térmico seção.

3. Rachaduras por corrosão sob tensão

Ligas 321 e 347 austenítico Os aços inoxidáveis são sensíveis à rachadura por corrosão sob tensão em haletos, semelhante ao aço inoxidável Alloy 304. Isso se deve ao teor semelhante de níquel. As condições que levam à rachadura por corrosão sob tensão incluem:

(1) exposição a íons de haleto (geralmente cloretos)

(2) tensão residual de tração

(3) temperaturas ambientais acima de 120°F (49°C).

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

As ligas estabilizadas 321 e 347 são adequadas para operações de alívio de tensão 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 politônico em aços inoxidáveis austeníticos instáveis, como a liga 304. O aço inoxidável austenítico instável, quando exposto a temperaturas que causam sensibilização, precipitará carbonetos de cromo nos limites dos grãos.

Após o resfriamento até a temperatura ambiente em um ambiente contendo enxofre, os sulfetos (geralmente sulfeto de hidrogênio) reagem com vapor e oxigênio para formar ácidos politônicos que corroem os limites de grãos sensibilizados.

A rachadura por corrosão sob tensão do ácido politônico ocorre em ambientes de refinaria onde os sulfetos são predominantes, sob condições de tensão e corrosão intergranular.

As ligas estabilizadas 321 e 347 resolvem o problema de rachaduras por corrosão sob tensão com ácido politônico devido à sua resistência à sensibilização durante operações de aquecimento. Se as condições de operação puderem causar sensibilização, essas ligas devem ser usadas em condições termicamente estabilizadas para obter a melhor resistência à sensibilização.

4. Corrosão por pites/cravos

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

Em geral, para ligas instáveis e estáveis, o teor máximo de cloreto em um ambiente aquático é de cem partes por milhão, especialmente quando há corrosão em frestas. Um teor mais alto de íons de cloreto pode levar à corrosão em frestas e por pite.

Em condições adversas com maior teor de cloreto, pH mais baixo e/ou temperaturas mais altas, deve-se considerar o uso de ligas contendo molibdênio, como a liga 316. As ligas estáveis 321 e 347 passaram no teste de 100 horas de névoa salina 5% (ASTM B117) sem ferrugem ou descoloração nas amostras testadas.

Entretanto, se essas ligas forem expostas à névoa salina marinha, podem ocorrer corrosão por pite, corrosão em frestas e descoloração severa. A exposição das ligas 321 e 347 a ambientes marinhos não é recomendada.

IV. Resistência à oxidação em alta temperatura

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

A pesagem regular das amostras removidas 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 testadas diferentes.

A principal diferença entre o 321 e o 347 está em seus sutis aditivos de liga, mas isso não afeta suas propriedades antioxidantes.

Portanto, esses resultados de teste são representativos de ambos os tipos. Entretanto, as taxas de oxidação são afetadas por fatores inerentes, como o ambiente de exposição e a forma do produto.

Consequentemente, esses resultados devem ser considerados apenas como valores típicos de antioxidação para esses graus.

V. Propriedades físicas

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

Com o tratamento de recozimento adequado, os aços inoxidáveis Alloys 321 e 347 contêm principalmente austenita e carbetos de titânio ou carbetos de nióbio. Uma pequena quantidade de ferrita pode ou não aparecer na microestrutura. Se exposto a temperaturas entre 593°C e 816°C (1000°F e 1500°F) por um período prolongado, uma pequena quantidade de fase sigma pode se formar.

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

O coeficiente geral de transferência de calor do metal depende não apenas da condutividade térmica do metal, mas também de outros fatores.

Na maioria dos casos, isso inclui o coeficiente de resfriamento do filme, a escala e a condição da superfície do metal. O aço inoxidável mantém uma superfície limpa, o que torna sua transferência de calor melhor do que a de metais com maior condutividade térmica.

Magnetismo

As ligas estabilizadas 321 e 347 geralmente não são magnéticas. Na condição recozida, sua permeabilidade magnética é menor que 1,02. A permeabilidade magnética muda com a composição e aumenta com o trabalho a frio. A permeabilidade magnética das soldas que contêm ferrita é um pouco maior.

VI. Propriedades mecânicas

1. Ductilidade em temperatura ambiente

As propriedades mecânicas mínimas das ligas estáveis 321 e 347 no nível de cromo e níquel no estado recozido (2000°F [1093°C], resfriado a ar) são mostradas na tabela abaixo.

2. Ductilidade em altas temperaturas

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

As ligas de alto carbono 321H e 347H (UNS32109 e S34700) têm maior resistência em ambientes acima de 1000°F (537°C). Os dados de tensão de projeto máxima permitida da ASME para a liga 347H mostram que a resistência dessa classe é maior do que a da liga de baixo carbono 347.

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

3. Propriedades de fluência e ruptura por tensão

Os dados típicos de fluência e ruptura por tensão das ligas de aço inoxidável 321 e 347 são mostrados na tabela abaixo. A resistência à fluência e à ruptura por tensão das ligas estáveis em altas temperaturas é maior do que a das ligas instáveis 304 e 304L.

O desempenho superior das ligas 321 e 347 as torna adequadas para peças de pressão que operam em altas temperaturas, como caldeiras e vasos de pressão comumente vistos.

4. Resistência ao impacto

As ligas 321 e 347 apresentam excelente resistência ao impacto, seja em condições internas ou em ambientes abaixo de zero.

O teste de impacto Charpy V da liga 347 após o recozimento, que foi deixado em uma temperatura de teste especificada por uma hora, é mostrado no gráfico a seguir. A situação da liga 321 é semelhante à da 347.

5. Resistência à fadiga

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

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

VII. Processamento

Soldagem

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

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

Durante a soldagem, é fundamental preservar os elementos estabilizadores nas ligas 321 e 347. O titânio na liga 321 é mais propenso a se esgotar, enquanto o nióbio na liga 347 costuma se perder facilmente. É necessário evitar elementos de carbono do petróleo e de outras fontes de contaminação, bem como elementos de nitrogênio do ar.

Portanto, seja na soldagem de ligas estáveis ou instáveis, a limpeza e a proteção do gás inerte devem ser mantidas.

Quando metais de solda Com uma estrutura austenítica, a rachadura é facilmente causada durante a operação. Por esse motivo, as ligas 321 e 347 precisam de uma pequena quantidade de sal férrico a ser adicionada durante a ressolidificação para minimizar a sensibilidade à rachadura. O aço inoxidável que contém nióbio é mais propenso a rachaduras a quente do que o que contém titânio.

Os metais de adição correspondentes podem ser usados para soldar aços estáveis, como as ligas 321 e 347. Às vezes, o metal de adição correspondente da liga 347 também pode ser usado para liga de soldagem 321.

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

VIII. Tratamento térmico

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

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

Conforme enfatizado, o recozimento em baixa temperatura na faixa de 800 a 1500°F (427 a 816°C) não causará corrosão intergranular.

Para obter a ductilidade ideal, recomenda-se usar uma temperatura de recozimento mais alta, de 1800 a 2000°F (928 a 1093°C).

Ao processar esses aços inoxidáveis à base de níquel em equipamentos que precisam evitar ao máximo a precipitação de carboneto de cromo, é preciso reconhecer que a estabilidade do columbium não é a mesma do titânio. Por esses motivos, ao usar a liga 321, os resultados de estabilidade e proteção não são tão óbvios.

Quando for necessária a máxima resistência à corrosão, a liga 321 deverá passar por um tratamento de recozimento de estabilização. Aqueça na faixa de temperatura de 843 a 899°C (1550 a 1650°F) por até 5 horas, sendo que o tempo de aquecimento depende da espessura.

Essa faixa de temperatura excede a faixa de temperatura para a formação de carbeto de cromo e também é suficiente para decompor e dissolver o carbeto de cromo formado anteriormente.

Além disso, a essa temperatura, o titânio pode se combinar com o carbono para formar carboneto de titânio inofensivo. O resultado é que o cromo é reduzido novamente a uma solução sólida, e o carbono é forçado a se combinar com o titânio para formar carbonetos inofensivos.

A liga estabilizada 347 contendo cólon geralmente não requer esse tratamento adicional.

Após a conclusão do tratamento térmico em um ambiente oxidante, os óxidos formados na superfície recozida são removidos em uma solução de decapagem, como uma mistura de ácido nítrico e ácido fluorídrico. Após a decapagem, a superfície do aço inoxidável deve ser bem enxaguada para remover a solução ácida residual.

Essas ligas não podem ser endurecidas por meio de tratamento térmico.

IX. Limpeza

Manter a limpeza da superfície é fundamental para o aço inoxidável durante todo o seu ciclo de vida, desde a fabricação até o uso final, mesmo em condições operacionais padrão. Essa prática é essencial para preservar a resistência à corrosão e o apelo estético inerentes ao material.

Durante os processos de soldagem, uma técnica de proteção com gás inerte é empregada para minimizar a oxidação. Após a soldagem, é imperativo remover todos os óxidos e escórias usando uma escova de aço inoxidável específica. O uso de escovas de aço-carbono é estritamente proibido, pois elas podem depositar partículas de aço-carbono na superfície do aço inoxidável, o que pode iniciar uma corrosão localizada. Em aplicações críticas ou em ambientes de alto desempenho, a área soldada pode exigir tratamento com uma solução de decapagem especializada (geralmente uma mistura de ácidos nítrico e fluorídrico) para eliminar completamente os óxidos e a escória, garantindo a resistência ideal à corrosão.

Após qualquer tratamento químico, a superfície do aço inoxidável deve ser meticulosamente enxaguada com água deionizada para remover todos os vestígios de resíduos ácidos, evitando possíveis corrosões por pite ou rachaduras por corrosão sob tensão.

Os fatores ambientais influenciam significativamente os requisitos de manutenção. Em áreas do interior, as aplicações industriais leves geralmente exigem manutenção mínima. A limpeza periódica com água pressurizada pode ser necessária apenas para áreas blindadas ou rebaixadas propensas ao acúmulo de contaminantes. No entanto, em ambientes industriais pesados, a limpeza regular e completa é altamente recomendada para remover as partículas acumuladas, que podem reter umidade e agentes corrosivos, comprometendo potencialmente a camada passiva do aço inoxidável e a integridade da superfície.

A incorporação de considerações de limpeza na fase de projeto pode facilitar substancialmente a manutenção. Equipamentos com filetes arredondados, raios internos generosos e construção sem emendas não apenas simplificam os processos de limpeza, mas também aumentam a eficácia dos tratamentos de superfície, como o eletropolimento, que pode melhorar ainda mais a resistência à corrosão e a capacidade de limpeza.

É importante observar que os dados de referência fornecidos representam análises típicas e não devem ser interpretados como especificações definitivas ou limites absolutos para o produto final. As propriedades do material podem variar com base em lotes de produção específicos, métodos de processamento e aplicações pretendidas. Consulte sempre os relatórios de teste de material certificados do fabricante para obter dados precisos de composição e propriedade mecânica para aplicações críticas.