301 frente a 304: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción a menudo se enfrentan a la elección entre dos aceros inoxidables austeníticos muy comunes: el 301 y el 304. La decisión suele girar en torno a las ventajas y desventajas de un equilibrio entre coste, resistencia a la corrosión, conformabilidad y resistencia final tras la fabricación (por ejemplo, si se desea un alto endurecimiento por deformación). En muchos contextos de producción —conformado de chapa metálica, componentes estructurales y productos de consumo— la selección se basa en cómo responde el material al trabajo en frío frente a su resistencia a ambientes corrosivos.

La diferencia fundamental entre estos grados radica en su equilibrio de aleación y la respuesta mecánica resultante a la deformación: el 301 está formulado para presentar una mayor capacidad de endurecimiento por deformación (puede adquirir una resistencia considerable mediante trabajo en frío), mientras que el 304 está optimizado para un comportamiento austenítico estable, maximizando la resistencia a la corrosión y la ductilidad en estado recocido. Debido a que ambos son aceros inoxidables austeníticos económicos y ampliamente disponibles, se comparan con frecuencia al diseñar piezas que requieren una combinación de conformado, soldadura, resistencia a la corrosión y control de costos.

1. Normas y designaciones

• ASTM/ASME:
• 301: AISI 301 (referencias ASTM A240/A666 para lámina/tubo/placa)
• 304: AISI 304 (ASTM A240/A666)
• EN (europeo):
• La norma 301 suele corresponder a las normas EN 1.4310 / 1.4311 en algunos casos; existen variantes.
• 304 corresponde a EN 1.4301 (304)
• JIS (japonés): existen equivalentes (por ejemplo, SUS301 / SUS304).
• GB (China): existen equivalentes (por ejemplo, los grados 301 y 304 en las normas GB/T).

Clasificación: ambos son aceros inoxidables austeníticos. No son aceros al carbono, aleados, para herramientas ni HSLA; pertenecen a la familia de los aceros inoxidables (austeníticos).

2. Composición química y estrategia de aleación

Las diferencias de composición son modestas pero deliberadas: el 304 es más rico en níquel y ligeramente más alto en cromo, lo que favorece la resistencia a la corrosión y estabiliza la fase austenítica; el 301 reduce el níquel y mantiene el cromo adecuado, lo que aumenta la tendencia a la martensita inducida por deformación y un mayor endurecimiento por deformación.

Elemento	301 (composición/rangos típicos)	304 (composición/rangos típicos)
C (máx.)	0,15% (máx.)	0,08% (máx.)
Mn (máx.)	2,0% (máx.)	2,0% (máx.)
Sí (máx.)	1,0% (máximo)	0,75% (máx.)
P (máx.)	0,045% (máx.)	0,045% (máx.)
S (máx.)	0,03% (máx.)	0,03% (máx.)
Cr	16,0–18,0%	18,0–20,0%
Ni	6,0–8,0%	8,0–10,5%
Mes	0% (generalmente)	0% (generalmente)
V, Nb, Ti, B	típicamente ninguno	típicamente ninguno
N (máx.)	~0,10% (trazas/bajo)	~0,10% (trazas/bajo)

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El cromo (Cr) proporciona la película de óxido pasiva que brinda resistencia a la corrosión; un mayor contenido de Cr mejora el desempeño frente a la corrosión en muchos entornos. - El níquel (Ni) estabiliza la fase austenítica, mejora la tenacidad y la ductilidad, y reduce la tendencia a formar martensita bajo deformación. - El carbono aumenta la resistencia pero puede reducir la resistencia a la corrosión (riesgo de sensibilización) y aumenta ligeramente la templabilidad. - El manganeso y el silicio son desoxidantes y pueden influir modestamente en las propiedades de tracción; el manganeso también ayuda a la estabilidad de la austenita en ocasiones. Debido a que el 301 contiene menos Ni y una cantidad similar de Cr, es más propenso a la transformación martensítica inducida por deformación y a un endurecimiento por trabajo más fuerte en comparación con el 304.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Tanto el acero 301 como el 304 son austeníticos a temperatura ambiente en estado recocido (estructura cúbica centrada en las caras, FCC). Principales comportamientos microestructurales y sus respuestas al procesamiento:

• Estado recocido:
• 301: totalmente austenítico (pero con una composición que lo hace más metaestable). Estructura de grano típica de la chapa de acero inoxidable laminada en frío y tratada térmicamente en solución.

• 304: austenita estable con excelente ductilidad y tenacidad.

• Trabajo en frío y transformación inducida por tensión:

• 301: diseñado para presentar una transformación significativa a martensita (α′) inducida por deformación durante la deformación plástica (conformado, doblado, estampado). Esta transformación aumenta la resistencia y la dureza local y globalmente (endurecimiento por deformación), pero reduce la ductilidad y puede afectar el comportamiento ante la corrosión en las zonas donde la martensita queda expuesta.

• 304: mucha menor tendencia a la martensita inducida por deformación; conserva la estructura austenítica y la ductilidad después de un trabajo en frío similar, con una tasa de endurecimiento por deformación menor que la del 301.

• Tratamiento térmico:

• Ninguno de los dos grados se puede endurecer mediante tratamiento térmico de temple y revenido (son aceros inoxidables austeníticos, no martensíticos). El recocido de solubilización (por ejemplo, calentamiento a unos 1000-1100 °C seguido de un enfriamiento rápido) se utiliza para disolver los carburos y recuperar la ductilidad. El recocido posterior a la fabricación recupera la conformabilidad y reduce el endurecimiento por deformación.
• Los tratamientos termomecánicos (laminación controlada, trabajo en frío más recocido) se utilizan industrialmente para producir láminas o tiras con combinaciones de resistencia/ductilidad adaptadas; las variantes 301 se pueden laminar en frío para obtener resistencias mayores que las 304 antes del recocido.

4. Propiedades mecánicas

La tabla siguiente compara cualitativamente el comportamiento mecánico típico (en estado de fabricación, recocido y tras trabajo en frío). Los valores exactos dependen de la forma del producto (lámina, tira, barra), el procesamiento y las especificaciones; consulte los datos de fábrica para obtener los valores críticos del proyecto.

Propiedad	301 (comportamiento típico)	304 (comportamiento típico)
Resistencia a la tracción	Moderado en estado recocido; aumenta sustancialmente con el trabajo en frío debido al endurecimiento por deformación.	Moderado en estado recocido; aumenta con el trabajo en frío pero menos de 301
Fuerza de fluencia	Menor dureza en estado recocido que en acero 301 trabajado en frío; fuerte ganancia tras la deformación.	Buen rendimiento en estado recocido; menor tasa de endurecimiento por deformación
Alargamiento (ductilidad)	Buena calidad tras el recocido; se deteriora más rápidamente con el trabajo en frío.	Alta ductilidad en estado recocido; conserva mayor ductilidad después del conformado
resistencia al impacto	Excelente a temperatura ambiente en estado recocido; conserva su tenacidad.	Excelente y más estable (menor variación con el trabajo en frío).
Dureza	Aumenta significativamente con el trabajo en frío (puede alcanzar una dureza mucho mayor que el acero 304 bajo la misma deformación).	Aumenta con el trabajo en frío, pero en menor medida.

¿Por qué?: El menor contenido de níquel del acero 301 hace que la austenita sea menos estable bajo tensión; la deformación mecánica convierte parte de la austenita en martensita, lo que aumenta la resistencia y la dureza (beneficioso en piezas que requieren mayor resistencia sin tratamiento térmico). El mayor contenido de níquel del acero 304 estabiliza la austenita, preservando la ductilidad y la tenacidad a costa de una mayor endurecimiento por deformación.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de ambos grados es generalmente buena para los aceros inoxidables austeníticos, pero hay que tener en cuenta algunas consideraciones:

• Contenido de carbono: un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de sensibilización (precipitación de carburo de cromo) durante el enfriamiento lento, especialmente en el acero inoxidable 304 con variantes de mayor contenido de carbono (304H). Existen variantes con menor contenido de carbono (304L, 301L) para reducir este riesgo.
• Templabilidad y transformación: La mayor tendencia del 301 a la martensita inducida por deformación no afecta directamente a las zonas de soldadura por fusión (que son austenita recalentada/solidificada), pero las regiones adyacentes trabajadas en frío pueden tener microestructuras mixtas que afectan a la tensión residual y a la distorsión.
• La compatibilidad del relleno y el control de la temperatura entre pasadas son preocupaciones típicas para ambos grados.
• El uso de variantes estabilizadas o de bajo carbono (por ejemplo, 304L) es típico cuando se necesita soldadura sin recocido posterior a la soldadura.

Índices comunes de soldabilidad (interpretación cualitativa; no se proporcionan datos numéricos): - El equivalente de carbono del IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - La fórmula alemana Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: Un valor elevado de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ sugiere un mayor riesgo de endurecimiento, agrietamiento o menor soldabilidad en aceros donde es posible la formación de martensita. Para los aceros 301 y 304, las diferencias numéricas en estos índices son pequeñas debido a que ambos tienen bajo contenido de carbono y una composición de aleación similar; el acero 301 puede tener un contenido de carbono ligeramente superior o un contenido de níquel inferior en algunas palanquillas, lo que afecta mínimamente a los índices. En general, ambos se consideran fácilmente soldables mediante las prácticas estándar de soldadura de acero inoxidable.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento del acero inoxidable: Tanto el 301 como el 304 forman películas pasivas ricas en cromo. Dado que el 304 suele contener algo más de cromo y níquel, ofrece una resistencia a la corrosión general ligeramente superior y es la opción más común donde la corrosión es un factor primordial (procesamiento de alimentos, equipos de cocina, aplicaciones arquitectónicas).
• Corrosión localizada (picaduras/grietas): Ninguna de las calidades contiene molibdeno; en ambientes ricos en cloruros, ni la 301 ni la 304 son tan resistentes como las calidades con molibdeno (p. ej., la 316). El uso de un diseño protector y un acabado superficial adecuado es fundamental en ambientes agresivos.
• PREN (para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras en aceros inoxidables con Mo y N): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Interpretación:
• PREN no es un diferenciador útil entre 301 y 304 porque ambos prácticamente no tienen Mo y tienen bajo N; por lo tanto, los valores de PREN son bajos y similares.
• La protección de la superficie para aceros no inoxidables (no aplicable aquí) incluiría galvanizado o recubrimientos; para 301/304, la pasivación, el electropulido y el pulido mecánico mejoran la resistencia a la corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformado y estampado:
• 301: Excelente conformabilidad en estado recocido; debido a que se endurece rápidamente por deformación, se puede utilizar para producir piezas que ganan resistencia durante el proceso de conformado (se debe tener en cuenta el comportamiento de recuperación elástica).
• 304: Altamente conformable y más tolerante a las operaciones de embutición profunda; menor endurecimiento por deformación simplifica las predicciones de conformado.
• Maquinabilidad:
• Ambos aceros inoxidables austeníticos tienen un rendimiento inferior al de los aceros al carbono; se endurecen por deformación plástica y por trabajo en la zona de corte. El acero 301 tiende a endurecerse por trabajo más rápidamente, lo que dificulta su mecanizado (requiere herramientas afiladas, configuraciones rígidas, rompevirutas y velocidades de corte moderadas). El acero 304 es ligeramente más fácil de mecanizar en muchas condiciones, pero aun así exige herramientas y refrigerante optimizados.
• Refinamiento:
• El acabado superficial, la pasivación y el pulido son similares para ambas calidades. Cabe destacar que el acero 301 trabajado en frío puede presentar zonas martensíticas que reaccionan de forma diferente al grabado/pulido.

8. Aplicaciones típicas

301 — Usos típicos	304 — Usos típicos
Molduras y componentes estructurales para automóviles donde se requiere mayor resistencia tras el trabajo en frío; muelles y clips; molduras arquitectónicas que requieren mayor resistencia.	Equipos de cocina, procesamiento de alimentos, equipos químicos, paneles arquitectónicos, elementos de fijación y componentes resistentes a la corrosión de uso general
Componentes de resortes y electrodomésticos que aprovechan el endurecimiento por deformación.	Recipientes a presión, tuberías y accesorios (304L para aplicaciones críticas de soldadura)
Accesorios interiores y piezas estructurales aeroespaciales donde se requiere resistencia de calibre ligero después del conformado	Equipos médicos, manipulación de bebidas y aplicaciones sanitarias

Justificación de la selección: - Elija el acero 301 cuando las piezas vayan a ser sometidas a un intenso trabajo en frío y los diseñadores quieran aprovechar el endurecimiento por deformación para lograr una mayor resistencia en servicio sin tratamiento térmico. - Elija el acero 304 cuando la resistencia a la corrosión, la ductilidad y la soldabilidad en estado recocido sean prioridades más altas.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero inoxidable 304 suele ser ligeramente más caro que el 301 debido a su mayor contenido de níquel. El precio de mercado varía según los precios al contado del níquel y la oferta regional; el 301 se suele elegir como una alternativa rentable cuando no se requiere la misma resistencia a la corrosión que el 304.
• Disponibilidad: El acero inoxidable austenítico 304 es el más común a nivel mundial y está disponible en una amplia gama de formatos (lámina, placa, barra, tubo, elementos de fijación). El 301 también es ampliamente disponible, aunque menos común; se utiliza frecuentemente en tiras, láminas y algunos perfiles estructurales.

10. Resumen y recomendación

Atributo	301	304
Soldabilidad	Buena (práctica estándar; ver variantes de carbono)	Muy buena (austenita estable; ampliamente utilizada para ensamblajes soldados)
Resistencia-Tenacidad	Mayor resistencia alcanzable tras el trabajo en frío; excelente tenacidad tras el recocido.	Tenacidad y ductilidad estables; menor aumento de resistencia con el trabajo en frío
Costo	Generalmente más bajo (menos Ni)	Generalmente más alto (más Ni)

Recomendación: - Elija 301 si necesita piezas que se formarán en frío y luego dependerán del endurecimiento por deformación para aumentar la resistencia en servicio (clips, resortes, piezas estructurales formadas), o cuando sea aceptable un acero inoxidable de menor costo con una resistencia a la corrosión razonable. - Elija 304 si su prioridad es una resistencia a la corrosión constante, una alta ductilidad y tenacidad en estado recocido, una amplia disponibilidad y un comportamiento de conformado/soldadura más sencillo para entornos de producción donde se necesitan propiedades austeníticas predecibles y estables.

Nota final: Para cualquier especificación crítica, solicite certificados de prueba de fábrica y hojas de datos del proveedor para la forma exacta del producto y considere variantes de bajo carbono o estabilizadas (304L, 301L, 301LN) cuando la soldadura, el programa de recocido o el contenido de nitrógeno sean críticos para el rendimiento.