Grau de aço inoxidável 309S: composição, propriedades, tratamento térmico e aplicações

O aço inoxidável 309S é a versão de baixo carbono do grau 309, uma liga austenítica de cromo-níquel com 22,0–24,0% de cromo e 12,0–15,0% de níquel. Designado UNS S30908 nos Estados Unidos e 1.4833 no sistema europeu, é especificado principalmente para componentes que operam em atmosferas oxidantes a temperaturas de até aproximadamente 1000 °C em serviço contínuo.

O limite de especificação definidor é o carbono: o 309S é limitado a 0,08% C, enquanto o 309 puro permite até 0,20%. O menor teor de carbono suprime a precipitação de carboneto de cromo nos limites dos grãos quando o material é soldado ou mantido na faixa de 430 a 900 °C, portanto, o 309S é preferido para fabricações soldadas e equipamentos de ciclo térmico.

Não confunda forma do produto com qualidade. 309S é uma especificação forjada usada para chapas, chapas, barras e tubos. Quando a mesma família de ligas Cr-Ni é necessária para uma peça fundida, como um rolo de forno, uma placa de forno ou um dispositivo de tratamento térmico, as fundições trabalham com classes de fundição como ASTM A297 Grau HH, em vez da especificação forjada 309S.

Composição Química de 309S (UNS S30908)

A química do 309S é definida por padrões como ASTM A240 e especificações europeias equivalentes; toda propriedade de alta temperatura segue o equilíbrio abaixo.

Comparado com o 310S de liga superior (24–26% Cr, 19–22% Ni), o 309S oferece uma base de custo mais baixo e ainda oferece resistência prática à oxidação em torno de 1000 °C. O níquel extra no 310S compra uma margem visível na resistência à fluência e resistência a ciclos térmicos severos, razão pela qual o 310S tende a substituir o 309S quando a temperatura operacional sobe acima de aproximadamente 1000 °C.

Propriedades Mecânicas e Físicas

Na condição recozida, o 309S é macio, dúctil e não magnético; os valores abaixo descrevem a condição de fabricação, não a condição de serviço a quente.

Não selecione 309S com base em seu mínimo de tração de 515 MPa se a temperatura de serviço for 900 °C. A tensão admissível cai acentuadamente acima de 600 °C, e o limite prático é definido pela taxa de oxidação e vida útil de fluência para a espessura exata da seção. Ao enviar uma RFQ, indique a atmosfera, a temperatura de pico e a carga; o fornecedor pode então decidir entre 309S, um grau fundido HH/HK ou uma atualização 310S.

309S vs. 310S e classes fundidas resistentes ao calor

O parente fundido mais próximo do 309S é o ASTM A297 Grau HH, uma liga 25Cr-12Ni cuja composição nominal compartilha cerca de 96% de seus elementos com o grau forjado, mas carrega mais carbono para dar às peças fundidas resistência à fluência em altas temperaturas.

Esta distinção é a fonte mais comum de confusão nas compras. Se você enviar um desenho para um rolo de forno e escrever “309S” nele, uma fundição normalmente proporá química do tipo HH (24–28% Cr, 11–14% Ni, 0,20–0,50% C), porque uma química forjada com baixo teor de carbono não desenvolverá a microestrutura fundida e a resistência à ruptura necessárias em uma seção espessa de suporte de carga. Selecione primeiro a forma do produto: 309S forjado, onde você pode cortar, formar e soldar chapas ou tubos; fundir classes A297 onde a peça é moldada, pesada e carregada em temperatura.

Para componentes redondos que transportam carga em um forno, a fundição centrífuga geralmente é o caminho certo porque produz uma estrutura densa e solidificada direcionalmente. Um tubo 309S laminado e soldado é aceitável para dutos de gás; um tubo que deve manter seu próprio peso a 1000 °C deve ser um produto fundido centrifugamente com química controlada.

Tubo de aço inoxidável resistente ao calor fundido centrifugamente Este tubo é produzido por fundição centrífuga para uma estrutura densa e solidificada direcionalmente, tornando-o adequado para componentes de fornos que suportam carga em altas temperaturas, como dutos de gás e tubos que devem suportar seu próprio peso a 1000 °C. Ver Produto →

Fabricação e Tratamento Térmico

O 309S pode ser cortado, formado, usinado e soldado por procedimentos padrão de aço inoxidável austenítico; a única regra crítica é terminar o trabalho a quente com um recozimento de solução completo e um resfriamento rápido.

O recozimento da solução é realizado a 1038–1120 °C com retenção suficiente para dissolver carbonetos de cromo, seguido de têmpera em água ou resfriamento vigoroso com ar. A classe não pode ser endurecida por tratamento térmico; a rigidez obtida através do trabalho a frio é simplesmente endurecida e desaparece no recozimento.

A soldagem é simples. Use enchimento 309 ou 309L correspondente, evite o pré-aquecimento, exceto em seções muito rígidas, e mantenha as temperaturas interpasses moderadas. A cobertura de carbono de 0,08% reduz bastante a precipitação de carboneto de cromo na zona afetada pelo calor em comparação com o 309 reto, razão pela qual as soldagens no 309S podem entrar em serviço no forno sem um tratamento pós-soldagem separado.

O mesmo raciocínio se estende aos acessórios que transportam as peças através dos ciclos de tratamento térmico. O design e o material da bandeja determinam em conjunto a uniformidade da temperatura, e nossa análise de otimizando o design da bandeja de tratamento térmico explica os fatores estruturais que uma fundição verifica antes de fundir as ferramentas. Para ciclos térmicos repetidos, os acessórios fundidos com nervuras reforçadas superam as versões de chapa metálica fina, e é por isso que a maioria dos operadores muda de estruturas soldadas 309S para cestos e bandejas fundidas do tipo HH para linhas contínuas de tratamento térmico.

Cesto empilhável de tratamento térmico para fornos tipo poço Projetado para organizar peças durante o tratamento térmico, este cesto empilhável melhora a capacidade do forno e o fluxo de ar, garantindo aquecimento uniforme e resultados consistentes, especialmente adequado para linhas de tratamento térmico contínuo onde os cestos fundidos do tipo HH superam as versões de chapa metálica soldada. Ver Produto →

Aplicações típicas de alta temperatura

O 309S é o aço inoxidável econômico padrão para atmosferas limpas e oxidantes de até cerca de 1000 °C e para componentes que podem ser fabricados por soldagem ou conformação a frio.

• Dispositivos de tratamento térmico: bandejas, cestos, retortas e muflas operando a 850–1000 °C.
• Internos do forno: tubos radiantes, bicos de queimador, câmaras de combustão e âncoras refratárias.
• Ferragens para fornos rotativos: mobília do forno, placas de proteção da boca e da cauda do forno e tiras de vedação resistentes ao calor.
• Equipamentos de geração de energia e de resíduos: componentes de caldeiras, seções de pré-aquecedores de ar e lanças de sopradores de fuligem.
• Componentes da planta petroquímica: poços termométricos, coletores de ar, grades de suporte do catalisador e componentes internos do reator.

Vale lembrar dois limites de aplicação. Em atmosferas contendo enxofre acima de aproximadamente 500 °C, o níquel no 309S é vulnerável à sulfetação, portanto, uma família de ligas diferente pode ser necessária. Sob fortes ciclos térmicos próximos a 1000 °C, um revestimento forjado fino irá distorcer antes de um componente fundido com nervuras projetadas, razão pela qual os rolos do forno e as placas de proteção para fornos são quase sempre fundidos em vez de fabricados a partir de chapas.

Rolo de forno de fundição centrífuga resistente ao calor Este rolo é projetado a partir de ligas resistentes ao calor para suportar altas temperaturas e tensões rotacionais, proporcionando movimento confiável em fornos de fundição centrífuga. Seu design fundido com nervuras oferece melhor resistência ao choque térmico do que revestimentos forjados finos, prolongando a vida útil em aplicações exigentes. Ver Produto →

Como especificar componentes 309S: considerações sobre aquisição

A etapa mais útil é indicar a forma do produto e o padrão aplicável em cada RFQ; um pedido de “casting 309S” é tecnicamente ambíguo e produzirá cotações não comparáveis.

• Especifique ASTM A240 para chapas e chapas forjadas, ASTM A312 ou A358 para tubos soldados e ASTM A297 para peças fundidas.
• Solicite a análise térmica real e verifique os valores de cromo, níquel e carbono no certificado de teste do moinho.
• Para peças fundidas, confirme a química da carga, a rota de fundição e o procedimento de tratamento térmico pós-moldado usado pela fundição.
• Envie o ciclo de trabalho: temperatura de pico, composição da atmosfera, tempo de permanência e frequência cíclica.
• Para peças críticas que suportam carga acima de 900 °C, exija dados de ruptura por fluência ou histórico de serviço documentado em vez de valores de tração à temperatura ambiente.

Um fornecedor que trabalha com fabricações forjadas e fundidas na mesma família de ligas Cr-Ni pode traduzir seu ciclo de trabalho na forma correta do produto sem suposições. Nosso fundição de liga de aço resistente ao calor produziu os tipos de fundição descritos aqui para fornos, fornalhas e linhas de tratamento térmico e pode recomendar uma fundição química quando um componente forjado 309S não for a solução certa para o caso de carga.

Perguntas frequentes sobre 309S

Qual é a diferença entre 309 e 309S?

Apenas o limite de carbono. 309 permite 0,20% de carbono máximo; 309S é limitado a 0,08%. O menor teor de carbono restringe a precipitação de carboneto de cromo durante a soldagem e serviço na faixa de 430 a 900 °C, razão pela qual o 309S é preferido para equipamentos soldados e de ciclo térmico.

O 309S pode ser usado para peças fundidas?

309S é formalmente uma designação forjada. Para peças fundidas, as fundições utilizam classes ASTM A297 com a mesma base Cr-Ni, geralmente Grau HH (25Cr-12Ni com 0,20–0,50% C) em torno de 1000 °C. Se você enviar um desenho de “fundição 309S”, espere que a fundição proponha produtos químicos do tipo HH e explique a substituição.

O que é melhor em altas temperaturas: 309S ou 310S?

310S. Seu cromo (24–26%) e níquel (19–22%) mais elevados proporcionam uma incrustação de óxido mais estável e melhor resistência à fluência, por isso é especificado acima de cerca de 1000 °C ou sob ciclos térmicos severos. O 309S continua sendo a escolha de valor em ar oxidante limpo dentro de sua classificação.

O 309S precisa ser recozido após a soldagem?

Para a maioria dos serviços de alta temperatura, não. O baixo teor de carbono evita a sensibilização da zona afetada pelo calor. Se a soldagem também enfrentar meios corrosivos aquosos, um recozimento completo em solução a 1038–1120 °C seguido de resfriamento rápido pode ser especificado.

O 309S é magnético?

Na condição recozida é essencialmente não magnético, como esperado para um grau austenítico. O trabalho a frio pode induzir leve magnetismo, mas raramente é significativo para aplicações em fornos e fornos.