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

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

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

Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, o aço inoxidável 347 resistente ao calor apresenta vantagens significativas ao trabalhar em ambientes de alta temperatura.

Guia essencial de aço inoxidável resistente ao calor 347347H

Comparado com a liga 304, o aço inoxidável 347 resistente ao calor apresenta ductilidade superior e resistência à ruptura por tensão.

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

EU. Características gerais

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

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

Os aços inoxidáveis ​​resistentes ao calor 321 e 347 são comumente usados ​​para operações de longo prazo em ambientes de alta temperatura variando de 800-1500°F (427-816°C). No entanto, se as aplicações envolverem apenas soldagem ou aquecimento de curto prazo, o 304L pode ser usado como substituto.

As vantagens de usar aços inoxidáveis ​​resistentes ao calor 321 e 347 em operações de alta temperatura também residem em suas impressionantes propriedades mecânicas.

Em comparação com 304 e 304L, 321 e 347 apresentam resistência à fluência e propriedades de ruptura por tensão superiores. Isto permite que estas ligas estáveis ​​suportem pressões a temperaturas ligeiramente mais elevadas que ainda cumprem os regulamentos para caldeiras e vasos de pressão estabelecidos pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.

Portanto, a temperatura máxima de uso para os aços inoxidáveis ​​resistentes ao calor 321 e 347 pode atingir até 1500°F (816°C), enquanto 304 e 304L são limitadas a 800°F (426°C).

Existem também versões com alto teor de carbono das ligas 321 e 347, designadas como UNS S32109 e S34709, respectivamente.

II. Composição química

ASTM A240 e ASME SA-240:

Composição Salvo indicação específica em contrário, os valores listados na tabela representam a percentagem máxima em peso.
321 347
Carbono 0,08 0,08
Manganês 2h00 2h00
Fósforo 0,045 0,045
Enxofre 0,030 0,03
Silício 0,75 0,75
Cromo 17h00-19h00 17h00-19h00
Níquel 9h00-12h00 9h00-13h00
Estrôncio + Tântalo 10x C – Mínimo
1,00 Máximo
Tântalo
Titânio 5x(C+N) mínimo
0,70 máximo
Cobalto
Azoto 0,10
Ferro Parte restante Parte restante
Observação * O teor de carbono do grau H está entre 0,04 e 0,10%.
*O estabilizador mínimo para grau H varia de acordo com a fórmula específica.

III. Resistência à corrosão

1. Corrosão Uniforme

As ligas 321 e 347 possuem uma capacidade semelhante de resistir à corrosão geral como a liga instável 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 agressivos.

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

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

A liga 347 é usada principalmente para aplicações de alta temperatura, onde 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 variando de 427°C a 816°C (800°F – 1500°F) ou resfriado lentamente dentro desta faixa de temperatura, o carboneto de cromo 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 desintegração total.

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

Ao soldar placas mais finas, a curta exposição a temperaturas entre 800°F – 1500°F (427°C – 816°C) reduz a probabilidade de corrosão intergranular, tornando classes instáveis ​​adequadas para a tarefa.

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

Para soldagem de chapas mais espessas, apesar de tempos de aquecimento mais longos, a classe L instável, com um teor de carbono de 0,03% ou menos, resulta em precipitação insuficiente de carboneto para representar uma ameaça a esta 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 Cobre-Sulfato de Cobre-Ácido Sulfúrico a 16% (ASTM A262, Prática E)).

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

Resultados de testes de corrosão nos limites de grãos sob efeitos de sensibilização de longo prazo.
ASTM A262 Prática E
Liga Taxa (ipm) Dobrar Taxa (mpy)
304 0,81 dissolvido 9720,0
304L 0,0013 IGA 15.6

Após um processo de recozimento de 240 horas a 1100°F, as amostras da Liga 347 não mostraram sinais de corrosão intergranular, indicando que não 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, sua resistência à corrosão foi superior à da Liga 304L nessas condições.

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

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

A experiência adquirida sob diversas condições operacionais fornece amplos dados para prever a probabilidade de corrosão intergranular na maioria das aplicações. Por favor, revise também algumas de nossas opiniões publicadas na seção de tratamento térmico.

3. Fissuração por corrosão sob tensão

Os aços inoxidáveis ​​austeníticos das ligas 321 e 347 são sensíveis à corrosão sob tensão em haletos, semelhante ao aço inoxidável da liga 304. Isto se deve ao seu teor semelhante de níquel. As condições que levam à fissuração por corrosão sob tensão incluem:

(1) exposição a íons haleto (geralmente cloretos)

(2) tensão de tração residual

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

A deformação a frio nas operações de conformação ou os ciclos térmicos encontrados nas operações de soldagem podem gerar tensão. O tratamento de recozimento ou 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 com alívio de tensão que podem causar corrosão intergranular em ligas instáveis.

As ligas 321 e 347 são particularmente úteis em ambientes que causam corrosão sob tensão por ácido politiônico 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 à temperatura ambiente em um ambiente contendo enxofre, os sulfetos (geralmente sulfeto de hidrogênio) reagem com vapor e oxigênio para formar ácidos politiônicos que corroem os limites dos grãos sensibilizados.

A corrosão sob tensão por ácido politiônico 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 da corrosão sob tensão do ácido politiônico devido à sua resistência à sensibilização durante as operações de aquecimento. Se as condições operacionais puderem causar sensibilização, essas ligas deverão ser usadas sob condições termicamente estabilizadas para obter resistência ideal à sensibilização.

4. Corrosão por picadas/fendas

A resistência à corrosão por pites e frestas das ligas estáveis ​​321 e 347 em ambientes contendo íons cloreto é aproximadamente a mesma das ligas de aço inoxidável 304 ou 304L devido ao seu teor de cromo semelhante.

Geralmente, 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. Maior teor de íons cloreto pode causar corrosão por fissuras e picadas.

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

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

4. Resistência à oxidação em alta temperatura

A resistência à oxidação de 321 e 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.

Variação de peso (mg/cm2)
Período de exposição 1300°F 1350°F 1.400°F 1.450°F 1.500°F
168 horas 0,032 0,046 0,054 0,067 0,118
500 horas 0,045 0,065 0,108 0,108 0,221
1.000 horas 0,067 0,166 0,338
5.000 horas 0,443

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

Portanto, estes resultados de teste são representativos para ambas as séries. No entanto, as taxas de oxidação são afetadas por fatores inerentes, como o ambiente de exposição e a forma do produto.

Consequentemente, estes resultados devem ser meramente considerados como valores típicos de antioxidação para estes graus.

V. Propriedades físicas

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

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

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

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

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

Magnetismo

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

Propriedades físicas
Densidade
Nível g/cm3 lb/pol.3
321 7,92 0,286
347 7,96 0,288
Módulo Elástico de Tração
28×106 psi
193 GPa
Coeficiente Linear de Expansão térmica
Faixa de temperatura
°C °F cm/cm°C pol/pol °F
20-100 68 – 212 16,6 x 10-6 9,2 x 10-6
20 – 600 68 – 1112 18,9 x 10-6 10,5×10-6
20 – 1000 68 – 1832 20,5×10-6 11,4 x 10-6
Condutividade térmica
Faixa de temperatura
°C °F W/m•K Btu•pol/h•ft2•°F
20-100 68 – 212 16.3 112,5
20 – 500 68 – 932 21.4 14,7
Calor específico
Faixa de temperatura
°C °F J/kg K Btu/lb•°F
0-100 32 – 212 500 0,12
Resistividade
Faixa de temperatura
°C °F microhm•cm
20 68 72
100 213 78
200 392 86
400 752 100
600 1112 111
800 1472 121
900 1652 126
Intervalo de fusão
°C °F
1398 – 1446 2550 – 2635

VI. Propriedades mecânicas

1. Ductilidade à temperatura ambiente

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

2. Ductilidade em alta temperatura

As propriedades mecânicas típicas das ligas 321 e 347 em altas temperaturas são mostradas na tabela abaixo. Em ambientes de 538°C (1000°F) 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) apresentam maior resistência em ambientes acima de 1000°F (537°C). Os dados de tensão de projeto máxima permitida ASME da liga 347H mostram que a resistência desta classe é maior do que a da liga 347 com baixo teor de carbono.

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

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 de 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 sob pressão que operam em altas temperaturas, como caldeiras e vasos de pressão comumente vistos.

Resistência ao impacto de 321 e 347
Temperatura de teste Absorção de energia do carregamento de impacto
°F °C Pé-lb Joules
75 24 90 122
-25 -32 66 89
-80 -62 57 78
ASTM A 240 e ASME SA-240

Desempenho mecânico mínimo exigido à temperatura ambiente

Tipo Força de rendimento
0,2% de compensação
psi (MPa)
Resistência à tração
psi (MPa)
Alongamento
(%)
321 30.000
(205)
75.000
(515)
40,0
347 30.000
(205)
75.000
(515)
40,0
ASTM A 240 e ASME SA-240
Desempenho mecânico mínimo exigido à temperatura ambiente
Tipo Dureza, valor máximo.
Folha Placa Faixa
321 217
Brinell
95Rb 95Rb
347 201
Brinell
92Rb 92Rb
Resistência à tração sob condições de alta temperatura
Liga 321 (0,036 polegadas de espessura / 0,9 mm de espessura)
Temperatura de teste Força de rendimento
0,2% de compensação
psi (MPa)
Resistência à tração
psi (MPa)
Taxa de alongamento
(%)
°F °C
68 20 31.400
(215)
85.000
(590)
55,0
400 204 23.500
(160)
66.600
(455)
38,0
800 427 19.380
(130)
66.300
(455)
32,0
1000 538 19.010
(130)
64.400
(440)
32,0
1200 649 19.000
(130)
55.800
(380)
28,0
1350 732 18.890
(130)
41.500
(285)
26,0
1500 816 17.200
(115)
26.000
(180)
45,0
Resistência à tração sob condições de alta temperatura
Liga 347 (0,060 polegadas de espessura / 1,54 mm de espessura)
Temperatura de teste Força de rendimento
0,2% de compensação
psi (MPa)
Resistência à tração
psi (MPa)
Taxa de alongamento
(%)
°F °C
68 20 36.500
(250)
93.250
(640)
45,0
400 204 36.600
(250)
73.570
(505)
36,0
800 427 29.680
(205)
69.500
(475)
30,0
1000 538 27.400
(190)
63.510
(435)
27,0
1200 649 24.475
(165)
52.300
(360)
26,0
1350 732 22.800
(155)
39.280
(270)
40,0
1500 816 18.600
(125)
26.400
(180)
50,0

4. Força de impacto

Ambas 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 347.

5. Força de fadiga

Na verdade, a resistência à fadiga de cada metal é afetada por fatores como ambiente de corrosão, acabamento superficial, formato do produto e tensão média.

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

VII. Em processamento

Soldagem

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

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

Durante a soldagem, é crucial preservar os elementos estabilizadores nas ligas 321 e 347. O titânio na liga 321 é mais propenso ao esgotamento, enquanto o nióbio na liga 347 costuma ser facilmente perdido. É necessário evitar elementos de carbono do petróleo e 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 contra gases inertes devem ser mantidas.

Ao soldar metais com estrutura austenítica, rachaduras são facilmente causadas durante a operação. Por esta razão, as ligas 321 e 347 necessitam que uma pequena quantidade de sal férrico seja adicionada durante a resolidificação para minimizar a sensibilidade à trinca. O aço inoxidável contendo nióbio é mais propenso a trincas a quente do que aquele que contém titânio.

Metais de adição correspondentes podem ser usados ​​para soldar aços estáveis, como as ligas 321 e 347. O metal de adição correspondente da liga 347 às vezes também pode ser usado para soldar a liga 321.

Estas 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 para 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 melhorar a maciez e a ductilidade da liga, a tensão também pode ser eliminada dentro da faixa de precipitação do carboneto de 800 a 1500°F (427 a 816°C) sem causar corrosão intergranular.

Embora o aquecimento prolongado dentro desta 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 800 – 1500°F (427 a 816°C), e sua resistência geral a resistência 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 levará à corrosão intergranular.

Para obter ductilidade ideal, recomenda-se usar uma temperatura de recozimento mais alta, de 928 a 1.093°C (1.800 a 2.000°F).

Ao processar esses aços inoxidáveis ​​à base de níquel em equipamentos que precisam evitar ao máximo a precipitação de carboneto de cromo, deve-se reconhecer que a estabilidade do columbio não é a mesma que a do titânio. Por estas razões, ao utilizar a liga 321, os resultados de estabilidade e proteção não são tão óbvios.

Quando é necessária resistência máxima à corrosão, a liga 321 deve passar por tratamento de recozimento de estabilização. Aqueça na faixa de temperatura de 843 a 899°C (1.550 a 1.650°F) por até 5 horas, com o tempo de aquecimento dependendo da espessura.

Esta faixa de temperatura excede a faixa de temperatura para a formação do carboneto de cromo e também é suficiente para decompor e dissolver o carboneto de cromo 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 cromo é reduzido a uma solução sólida e o carbono é forçado a se combinar com o titânio para formar carbonetos inofensivos.

A liga estabilizada 347 contendo colúbio nem sempre requer esse tratamento adicional.

Após a conclusão do tratamento térmico em 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.

Estas ligas não podem ser endurecidas por tratamento térmico.

IX. Limpeza

Independentemente da sua resistência à corrosão, o aço inoxidável requer limpeza superficial durante todo o seu uso e processo de fabricação, mesmo em condições normais de trabalho.

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

Após a remoção da ferrugem, a superfície do aço inoxidável deve ser bem enxaguada para remover qualquer solução ácida residual.

Em áreas sem litoral, os materiais utilizados nas indústrias leves requerem menos manutenção. Somente áreas protegidas ocasionalmente requerem limpeza com água pressurizada. As indústrias pesadas, no entanto, são recomendadas a limpar frequentemente para remover a poeira acumulada, o que pode levar à corrosão e danificar a aparência da superfície do aço inoxidável.

Auxílios de design apropriados na limpeza. Equipamentos com filetes redondos, raios internos e sem folgas facilitam a limpeza e o polimento superficial.

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 de um material específico podem não estar alinhados com os dados de referência acima.

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