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

Introducción

Los aceros inoxidables austeníticos 301 y 304 son dos de los más comúnmente especificados en la fabricación, la automoción, los electrodomésticos y la arquitectura. Los ingenieros y los equipos de compras suelen sopesar las ventajas e inconvenientes de la resistencia a la corrosión, la conformabilidad, la soldabilidad y el coste al elegir entre ellos. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la selección de un grado para componentes conformados en frío, donde el aumento de resistencia por endurecimiento por deformación es importante, o la selección de un material para aplicaciones alimentarias, químicas o arquitectónicas, donde la resistencia a la corrosión y la estabilidad a largo plazo son primordiales.

La principal diferencia funcional entre los aceros 301 y 304 radica en su respuesta a la deformación en frío: el 301 se endurece por deformación con mayor facilidad que el 304, lo que le confiere una resistencia considerablemente mayor tras el trabajo en frío, pero a costa de la ductilidad y, en ocasiones, de la estabilidad dimensional. Este comportamiento, junto con las diferencias en el contenido de cromo y níquel, determina su rendimiento comparativo en aplicaciones críticas de conformado, fatiga y corrosión.

1. Normas y designaciones

• Normas internacionales comunes:
• ASTM/ASME: A240/A666 (láminas/placas/bobinas), A276 (barras), a menudo referenciadas tanto para 301 como para 304.
• EN: Serie EN 10088 para aceros inoxidables (por ejemplo, números de familia EN 1.4310/1.4301).
• JIS: JIS G4303 / G4305 y normas de productos relacionadas en Japón.
• GB: Normas GB/T para aceros inoxidables en China.
• Clasificación:
• Tanto el 301 como el 304 son aceros inoxidables austeníticos.
• No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni aceros HSLA; pertenecen a la familia de los aceros inoxidables, caracterizados por un alto contenido de cromo y un contenido significativo de níquel.
• Existen variantes (por ejemplo, 301LN, 301Ti, 304L, 304H) que introducen nitrógeno, titanio o menor contenido de carbono para un control específico de las propiedades.

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	301 (rango típico / comentario)	304 (rango típico / comentario)
do	límite superior al 304 (existen variantes como el 301L)	bajo contenido de carbono (por ejemplo, la variante 304L tiene un contenido de carbono menor para mejorar la soldabilidad)
Minnesota	rangos similares; el Mn es un fortalecedor de solución sólida.	rangos similares
Si	bajas adiciones para la desoxidación	bajas adiciones para la desoxidación
PAG	límites de impurezas traza	límites de impurezas traza
S	límites de impurezas traza	límites de impurezas traza
Cr	Contenido de cromo ligeramente inferior al del acero inoxidable 304	mayor contenido de cromo (mejora la resistencia a la corrosión)
Ni	con menor contenido de níquel que el 304	mayor contenido de níquel (estabiliza la austenita y mejora la corrosión/ductilidad)
Mes	generalmente no se agrega	generalmente no se agrega (304 vs 316 difiere aquí)
V	No es típico	No es típico
Nb (Nb/Ti)	disponible en variantes estabilizadas (por ejemplo, 301Ti)	Existen variantes estabilizadas (por ejemplo, 304Ti).
Ti	presente en variantes estabilizadas	presente en variantes estabilizadas
B	No es típico	No es típico
norte	pequeñas cantidades controladas (algunas calidades como la 301LN incluyen N)	Pueden estar presentes pequeñas cantidades; el nitrógeno puede mejorar la fuerza y ​​la resistencia.

Notas: - El acero 301 utiliza una estrategia con menor contenido de níquel y ligeramente menor contenido de cromo en comparación con el acero 304; esto reduce los costos y aumenta la susceptibilidad a la transformación durante el trabajo en frío, lo cual se aprovecha cuando se desea una mayor resistencia posterior al conformado. Los elementos de aleación influyen en tres comportamientos fundamentales: la resistencia a la corrosión (dominada por el Cr y el Ni), la estabilidad y tenacidad de la austenita (el Ni estabiliza la austenita) y el comportamiento de endurecimiento por deformación (la composición y la energía de falla de apilamiento influyen en la transformación martensítica inducida por deformación).

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura tal como se fabrica:
• Tanto el 301 como el 304 son predominantemente austeníticos a temperatura ambiente cuando se encuentran en estado recocido de solución.
• El acero 301 tiene una estabilidad de austenita menor que el 304; bajo un trabajo en frío significativo, el 301 puede transformarse parcialmente en martensita inducida por deformación o exhibir una mayor densidad de dislocaciones y maclado por deformación dependiendo de la variante de aleación y la temperatura.
• Respuesta al trabajo en frío y al tratamiento térmico:
• El recocido (tratamiento de solubilización) devuelve a ambos grados una estructura dúctil y totalmente austenítica.
• Para estos aceros inoxidables austeníticos no existe un endurecimiento convencional por temple y revenido como para los aceros ferríticos/martensíticos; los tratamientos térmicos se utilizan principalmente para aliviar tensiones, realizar recocido de solución o estabilizar carburos (con adiciones de Ti o Nb).
• Procesamiento termomecánico: el 301 a menudo se lamina en frío para lograr un mayor límite elástico y resistencia a la tracción mediante endurecimiento por deformación; el 304 también se endurecerá, pero en menor medida, y conserva una mayor ductilidad en el estado recocido.
• Implicación práctica: la propensión del 301 a endurecerse por deformación (y formar martensita en algunas condiciones) se aprovecha para tiras de resorte, marcos de asientos y piezas formadas de alta resistencia; el 304 se prefiere donde se requiere estabilidad dimensional y resistencia a la corrosión consistente.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad (estado típico, recocido)	301 (relativo)	304 (relativo)
Resistencia a la tracción	Moderado en estado recocido; aumenta sustancialmente tras el trabajo en frío	De moderado a ligeramente superior en el recocido; menor aumento con el trabajo en frío
Fuerza de fluencia	Menor en la muestra recocida; gran aumento tras el conformado en frío	Moderado en estado recocido; menor respuesta al endurecimiento por deformación
Alargamiento (ductilidad)	Buena en estado recocido, pero pierde propiedades tras un trabajo en frío intenso.	Generalmente, mayor ductilidad en estado recocido.
resistencia al impacto	Funciona bien a temperatura ambiente; depende de la composición y el historial de uso.	Funciona bien a temperatura ambiente; generalmente estable en diversas condiciones
Dureza	Menor dureza en estado recocido; puede alcanzar una dureza mucho mayor tras el trabajo en frío.	Menor dureza en la versión recocida; endurecimiento limitado por deformación en frío en comparación con el acero 301.

Explicación: El acero 301 puede alcanzar mayor resistencia que el 304 mediante deformación en frío debido a que su composición de aleación (menor contenido de níquel, energía de falla de apilamiento ligeramente diferente) favorece una acumulación más rápida de dislocaciones y, en algunos casos, la formación de martensita inducida por deformación. Esto se traduce en una mayor resistencia a la tracción y al límite elástico tras el conformado, lo cual resulta ventajoso para resortes y componentes conformados de alta resistencia. - El acero 304 conserva una ductilidad uniforme superior y una tenacidad más consistente en aplicaciones donde hay un mínimo de trabajo en frío o donde las tensiones de conformado deben mantenerse bajas para preservar la resistencia a la corrosión o el acabado superficial.

5. Soldabilidad

• Tanto el acero inoxidable 301 como el 304 se sueldan fácilmente con los procesos comunes de soldadura de acero inoxidable (TIG, MIG, soldadura por resistencia). Las principales consideraciones sobre la soldabilidad son el contenido de carbono (riesgo de sensibilización), la presencia de estabilizadores (Ti/Nb) y las tensiones residuales.
• Carbono y templabilidad: un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de sensibilización (precipitación de carburo de cromo) en la zona afectada por el calor durante el enfriamiento lento, especialmente en grados con mayor contenido de C. Las variantes con bajo contenido de carbono (por ejemplo, 304L, 301L) reducen este riesgo.
• Uso de índices de soldabilidad:
• El equivalente de carbono del IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Interpretación cualitativa de $CE_{IIW}$: los valores más altos indican un mayor riesgo de agrietamiento relacionado con la templabilidad en los aceros; para los aceros inoxidables austeníticos, el índice ayuda a enmarcar la susceptibilidad, aunque los austeníticos suelen comportarse de manera diferente a los aceros ferríticos.
• La fórmula 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 cualitativa de $P_{cm}$: los valores más altos sugieren una mayor preocupación por el agrietamiento en frío y el comportamiento de la zona afectada por el calor de la soldadura; para 301 y 304 los valores son generalmente bajos en comparación con los aceros de alta aleación, pero el control del carbono y la selección del material de aporte siguen siendo importantes.
• Guía práctica sobre soldadura:
• Utilice aceros de bajo carbono o estabilizados para soldaduras en condiciones críticas de corrosión o para secciones gruesas donde se produce un enfriamiento lento.
• Utilice materiales de relleno con el mismo contenido de níquel o con un contenido ligeramente superior para juntas críticas en cuanto a corrosión; para el acero 301, elija materiales de relleno que mantengan la ductilidad y la resistencia a la corrosión después del trabajo en frío y la soldadura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento del acero inoxidable:
• El cromo proporciona la película pasiva; el níquel estabiliza la estructura austenítica y promueve la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros en algunos contextos.
• Utilice el índice PREN para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras cuando corresponda: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Nota: El sistema PREN es más aplicable para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras de aceros inoxidables con mayor grado de aleación (por ejemplo, dúplex, superaustenítico); los aceros 301 y 304 suelen obtener puntuaciones comparativamente bajas en PREN porque ninguno contiene Mo.
• Resistencia comparativa a la corrosión:
• En general, el acero 304 ofrece una mejor resistencia a la corrosión general que el 301 debido a su mayor contenido de cromo y níquel.
• Cuando existe riesgo de corrosión severa por picaduras de cloruro o corrosión por grietas, ni el 301 ni el 304 son ideales; se prefieren los grados que contienen Mo (por ejemplo, 316) o los grados dúplex.
• Alternativas no inoxidables y protección de superficies:
• Para los aceros que no son inoxidables, se utilizan métodos como la galvanización, la pintura o los recubrimientos chapados; estos están fuera del alcance de 301/304, pero son pertinentes cuando el costo obliga a la sustitución.
• El acabado superficial, el trabajo en frío y las tensiones residuales influyen en el comportamiento frente a la corrosión. Un trabajo en frío intenso en el acero 301 puede provocar cambios locales en su comportamiento electroquímico; para restaurar la resistencia a la corrosión, se puede recurrir a la pasivación o el recocido posteriores al conformado.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Formabilidad:
• El acero 301 se suele especificar para aplicaciones que requieren un alto control de la recuperación elástica y una mayor resistencia después del conformado, ya que se endurece mucho por deformación; sin embargo, un conformado excesivo puede provocar una reducción de la ductilidad y riesgo de agrietamiento si se trabaja en exceso.
• El acero 304 ofrece una excelente conformabilidad en estado recocido, con excelentes características de estiramiento, embutición profunda y doblado.
• Maquinabilidad:
• Ambos tienen una maquinabilidad relativamente pobre en comparación con los aceros al carbono; el 301 puede ser más difícil de mecanizar en estado deformado en frío debido a su mayor dureza.
• La elección de las herramientas, las velocidades de corte y las estrategias de refrigeración es importante.
• Acabado superficial y acabado:
• El trabajo en frío del acero 301 puede causar distorsión superficial o marcas de tensión; los tratamientos de pulido y pasivación son comunes para restaurar la apariencia y la resistencia a la corrosión.
• En general, el acero 304 es más fácil de pulir hasta obtener una superficie cosmética en estado recocido.

8. Aplicaciones típicas

301 (usos típicos)	304 (usos típicos)
Muelles, armazones de asientos, molduras automotrices, paneles perforados donde se requiere alta resistencia postformada	Equipos para el procesamiento de alimentos, utensilios de cocina, paneles arquitectónicos, componentes de plantas químicas donde la resistencia a la corrosión es una prioridad.
Componentes estructurales conformados en frío, tiras de alta resistencia	Piezas embutidas, elementos de fijación, accesorios sanitarios
Adornos decorativos donde se requiere mayor resistencia después del conformado	Componentes de acero inoxidable de uso general con buena soldabilidad y resistencia a la corrosión

Justificación de la selección: - Elija 301 cuando la alta resistencia después del conformado en frío y la sensibilidad al costo (menor contenido de Ni) sean prioridades, y cuando la aplicación tolere una resistencia a la corrosión algo menor o cuando las piezas vayan a ser tratadas posteriormente. - Elija el acero 304 cuando el rendimiento constante contra la corrosión, la conformabilidad y la amplia aplicabilidad en servicios higiénicos o arquitectónicos sean los factores predominantes en las especificaciones.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 301 suele tener un coste de aleación inferior al del 304 debido a su menor contenido de níquel; esto lo hace atractivo cuando la sensibilidad al precio del níquel y la resistencia mediante conformado son prioridades.
• El acero 304 es más costoso que el 301 en función de su contenido de aleación, pero sigue siendo uno de los grados de acero inoxidable más comunes en todo el mundo.
• Disponibilidad:
• Ambos grados están ampliamente disponibles en láminas, bobinas, flejes, barras y tubos soldados. El 304 suele tener una mayor variedad de formatos y un inventario más amplio debido a su carácter de acero de uso general.
• Las variantes especiales o los productos con tolerancias ajustadas pueden tener plazos de entrega; especifique las certificaciones de fábrica y la forma del producto al inicio del proceso de adquisición.

10. Resumen y recomendación

Atributo	301	304
soldabilidad	Bien; considere variantes bajas en C o estabilizadas para articulaciones críticas.	Muy bien; las variantes con bajo contenido de carbono mejoran el comportamiento de la zona afectada por el calor.
Resistencia-Tenacidad	Menor resistencia al recocido pero alto potencial de endurecimiento por deformación → mayor resistencia tras el trabajo en frío; la tenacidad puede disminuir con un trabajo en frío intenso.	Buen equilibrio entre resistencia y ductilidad en estado recocido; menor incremento por deformación en frío
Costo	Generalmente, menor coste de aleación (menor contenido de Ni).	Mayor coste de aleación, pero amplia disponibilidad y versatilidad.

Conclusión: - Elija 301 si necesita mayor resistencia en el conformado en frío (por ejemplo, resortes, piezas estampadas de alta resistencia), desea reducir el costo del material utilizando un menor contenido de níquel y puede gestionar cualquier tratamiento posterior al conformado necesario para mantener el rendimiento contra la corrosión. - Elija el acero 304 si la resistencia a la corrosión, la ductilidad constante, la amplia soldabilidad y la aplicabilidad de uso general son requisitos primordiales, en particular para aplicaciones alimentarias, farmacéuticas, arquitectónicas y muchas aplicaciones de servicios químicos.

Si los requisitos del proyecto incluyen una exposición severa a cloruros, servicio a temperaturas elevadas o una estricta resistencia a la corrosión por picaduras, considere grados de aleación más altos (por ejemplo, 316, acero inoxidable dúplex) en lugar de seleccionar entre 301 y 304.