304 vs 204Cu – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Elegir entre acero inoxidable 304 y 204Cu es un dilema frecuente en la adquisición y el diseño para ingenieros y planificadores de producción: ¿conviene pagar por el mayor contenido de níquel y la larga trayectoria del 304, o especificar una alternativa con menor contenido de níquel y cobre que permita reducir el costo del material sin comprometer las propiedades clave? Los factores típicos a considerar incluyen la relación entre corrosión y costo, la soldabilidad y el rendimiento posterior a la soldadura, y si los requisitos de trabajo en frío o conformado modifican la resistencia efectiva.

La principal diferencia técnica radica en que el 204Cu es un acero inoxidable austenítico económico con contenido de cobre, diseñado para reducir el contenido de níquel y utilizar cobre (y en ocasiones nitrógeno/manganeso) para el fortalecimiento por solución sólida y precipitación. El 304 es el acero inoxidable austenítico convencional con mayor contenido de níquel para lograr una austenita estable y una amplia resistencia ambiental. Estos dos grados se comparan porque pertenecen a la misma clase de acero inoxidable austenítico, pero emplean diferentes estrategias de aleación (níquel frente a cobre/manganeso/nitrógeno) para cumplir con los objetivos de diseño.

1. Normas y designaciones

• 304:
• Designaciones comunes: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Clasificación: Acero inoxidable austenítico (acero inoxidable de uso general).
• Cubierto por normas como ASTM A240/A480 (placa/lámina/barra), ASME SA240, familia EN 10088.
• 204Cu:
• Designaciones comunes: UNS S20430, a menudo denominado Tipo 204Cu en la literatura comercial; consulte los equivalentes de las normas locales.
• Clasificación: Acero inoxidable austenítico, bajo en níquel, aleado con cobre, a menudo especificado como una alternativa económica al 304.
• Cubierto por diversas especificaciones comerciales y algunos formularios ASTM; la disponibilidad y la cobertura estándar pueden ser menos ubicuas que 304; verifique el estándar de producto específico para cada formulario.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente resume los rangos de composición típicos utilizados comercialmente. Estos son rangos representativos extraídos de especificaciones comunes; confirme siempre la composición exacta en las especificaciones de compra.

Elemento	304 (rango típico, % en peso)	204Cu (rango típico, % en peso)
do	≤ 0,08	≤ 0,08
Minnesota	≤ 2.0	~1,5–3,0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,04
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18.0–20.0	~18.0–19.0
Ni	8.0–10.5	~3,5–5,0
Mes	0	0
V	rastro	rastro
Nb (Cb)	ninguno	ninguno
Ti	ninguno	ninguno
B	rastro	rastro
norte	≤ 0,10	~0,03–0,20
Cu	~0	~1.0–3.0

Cómo afecta la aleación a las propiedades El níquel (Ni) estabiliza la fase austenítica, mejora la tenacidad y la resistencia a la corrosión —especialmente en ambientes clorados— y aumenta la conformabilidad. El mayor contenido de Ni del acero 304 le confiere una austenita estable sin necesidad de una alta relación Mn/N. - El cobre (Cu) en 204Cu proporciona un fortalecimiento por solución sólida y una resistencia mejorada en ciertos entornos ácidos (por ejemplo, ácido sulfúrico) y puede mejorar la resistencia a algunas formas de corrosión localizada o bioincrustación en condiciones específicas. - El nitrógeno (N) y el manganeso (Mn) se utilizan en aleaciones de bajo contenido de níquel para estabilizar la austenita y proporcionar resistencia mediante la solución intersticial y los efectos del envejecimiento por deformación. - El cromo (Cr) proporciona resistencia general a la oxidación y corrosión a través de la formación de una película pasiva; ambos grados tienen un contenido de Cr comparable.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas:
• Tanto el 304 como el 204Cu son totalmente austeníticos en estado recocido cuando se cumplen los límites químicos especificados. La microestructura es generalmente austenita equiaxial con posibles pequeñas cantidades de ferrita, dependiendo de la composición y el enfriamiento.
• Respuesta al procesamiento:
• El recocido (recocido de solubilización) a temperaturas nominales de austenización seguido de un enfriamiento rápido produce austenita dúctil y resistente a la corrosión para ambos grados.
• El trabajo en frío aumenta la densidad de dislocaciones y la resistencia, pero reduce la ductilidad. El acero 204Cu suele alcanzar una mayor tasa de endurecimiento por deformación debido a los efectos combinados del cobre y el nitrógeno, por lo que niveles de trabajo en frío comparables pueden producir una mayor resistencia a la fluencia y a la tracción que el acero 304.
• El normalizado no se suele utilizar en aceros inoxidables austeníticos; los ciclos convencionales de temple y revenido empleados en aleaciones ferríticas/HSLA no son aplicables. Ambos aceros no son endurecibles mediante temple térmico convencional; el endurecimiento se consigue mediante deformación en frío y fenómenos menores de precipitación.
• El procesamiento termomecánico (laminado, enfriamiento controlado) afecta el tamaño del grano y la textura; ambos grados se benefician de un procesamiento controlado para adaptar la conformabilidad y la calidad de la superficie.

4. Propiedades mecánicas

La siguiente tabla proporciona características de rendimiento comparativas en condiciones de suministro habituales (recocido/tratado en solución). Los valores exactos varían según la forma del producto, el trabajo en frío y el proveedor.

Propiedad	304 (recocido)	204Cu (recocido/comportamiento típico)
Resistencia a la tracción	Buena resistencia a la tracción dúctil y equilibrada	Comparable a ligeramente inferior o similar; puede aumentar notablemente con el trabajo en frío.
Fuerza de fluencia	Ductilidad moderada y buena	Rendimiento ligeramente superior en algunas condiciones debido al fortalecimiento por solución sólida de Cu/N.
Alargamiento (ductilidad)	Alta ductilidad (excelente conformabilidad)	En general, alta, pero ligeramente inferior a 304 en niveles de trabajo en frío comparables.
resistencia al impacto	Muy bueno a temperatura ambiente	Muy bueno a temperatura ambiente; comparable al acero inoxidable 304.
Dureza	Moderado (blando en estado recocido)	Potencial de dureza ligeramente superior tras el endurecimiento por deformación

Explicación - El acero 304 presenta un equilibrio entre resistencia y ductilidad con una excelente tenacidad debido a su mayor contenido de níquel y a la austenita estable. El acero 204Cu utiliza cobre y nitrógeno/manganeso para su fortalecimiento; esto le permite alcanzar niveles de resistencia a la tracción similares cuando se trabaja en frío y, en ciertas condiciones de recocido, puede presentar un límite elástico ligeramente superior. La ductilidad se mantiene buena, pero puede verse ligeramente reducida en comparación con el acero 304 a niveles de trabajo similares.

5. Soldabilidad

• Puntos generales:
• Ambos grados se sueldan habitualmente mediante procesos estándar (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Generalmente no se requiere precalentamiento para secciones delgadas.
• Los límites más bajos de carbono ayudan a evitar la precipitación de carburos y la sensibilización durante el enfriamiento lento, pero los controles del procedimiento de soldadura siguen siendo importantes para los componentes críticos ante la corrosión.
• Efecto de la composición:
• El mayor contenido de Ni del acero 304 lo hace más tolerante con respecto a la microestructura de la soldadura y reduce el riesgo de agrietamiento por solidificación en muchas condiciones.
• La aleación 204Cu, al tener menor contenido de níquel y mayor relación manganeso/cobre/nitrógeno, puede alterar su modo de solidificación y su susceptibilidad al agrietamiento en caliente; es posible que sea necesario ajustar algunos metales de aporte y parámetros de soldadura. Utilice un metal de aporte compatible o uno del tipo 308/309L, según la aplicación y la resistencia a la corrosión requerida.
• Índices de endurecimiento y equivalencia de carbono:
• Para la interpretación cualitativa de la soldabilidad, utilice índices tales como: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$ $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$
• Interpretación: Valores más altos de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ indican una mayor propensión al endurecimiento y agrietamiento durante la soldadura, y pueden requerir tratamientos térmicos previos o posteriores a la soldadura, o un enfriamiento controlado. El menor contenido de Ni, pero el elevado contenido de Cu y Mn, del acero 204Cu alteran los índices en comparación con el 304. Cualitativamente, el acero 204Cu se puede soldar con éxito, pero requiere procedimientos especializados y atención a la selección del material de aporte y a la limpieza posterior a la soldadura.
• Nota práctica: al soldar 204Cu en aplicaciones críticas para la corrosión, califique el procedimiento de soldadura y pruebe el rendimiento de la junta frente a la corrosión; la selección del material de aporte a menudo opta por materiales que contienen Ni para mantener el rendimiento frente a la corrosión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento del acero inoxidable:
• Ambas aleaciones dependen de una película pasiva rica en cromo para lograr resistencia a la corrosión en ambientes atmosféricos y muchos ambientes acuosos.
• El acero inoxidable 304 es un acero inoxidable de uso general de eficacia comprobada, con buena resistencia a ambientes oxidantes, al procesamiento de alimentos y a muchos productos químicos. Sin embargo, no es tan resistente como los aceros con molibdeno (por ejemplo, el 316) en ambientes con cloruros o corrosión por picaduras.
• Función del cobre:
• El cobre en el acero 204Cu puede mejorar la resistencia a ciertos ácidos reductores (especialmente el ácido sulfúrico) y contribuir a la resistencia a la bioincrustación en condiciones de servicio específicas. Sin embargo, el cobre no sustituye al molibdeno en cuanto a la resistencia a la corrosión por picaduras en ambientes clorados.
• Número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN):
• Para la clasificación por puntos, se suele utilizar el sistema PREN: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Interpretación: debido a la ausencia de molibdeno en los aceros 304 y 204Cu, sus valores de PREN son moderados. El nitrógeno en el acero 204Cu puede aumentar ligeramente el PREN, pero este sigue siendo considerablemente inferior al de los aceros inoxidables aleados con molibdeno. El PREN resulta más útil para comparar aleaciones con molibdeno; en el caso de los aceros con cobre, su utilidad es limitada en cuanto a su comportamiento en presencia de ácidos.
• Protección de superficies para componentes no inoxidables:
• Si los componentes no son de acero inoxidable (no aplica en este caso), las protecciones típicas incluyen galvanizado, pintura o recubrimientos de conversión. Para el acero inoxidable 304/204Cu, el acabado superficial, la pasivación y la limpieza adecuada son las estrategias de protección habituales.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformado y doblado:
• El acero 304 tiene una excelente conformabilidad y características de embutición profunda en estado recocido.
• El 204Cu también es conformable, pero debido a que se endurece fácilmente por deformación, la recuperación elástica y la fuerza requerida pueden ser mayores para deformaciones equivalentes.
• Maquinabilidad:
• Los aceros inoxidables austeníticos suelen ser más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono debido al endurecimiento por deformación y su baja conductividad térmica. El acero 204Cu puede mecanizarse de forma similar o ligeramente mejor que el 304 en ciertas condiciones debido a las diferencias en la aleación, pero las herramientas y los avances deben seleccionarse específicamente para el mecanizado de aceros inoxidables austeníticos.
• Refinamiento:
• Ambos materiales logran buenos acabados superficiales con las prácticas de acabado estándar (rectificado, pulido). El contenido de cobre puede afectar ligeramente la coloración en algunos acabados, pero generalmente no representa un problema práctico.
• Fabricación mediante soldadura:
• Para ambos grados, se requiere una cuidadosa selección de los metales de aporte, las temperaturas entre pasadas y el diseño de las juntas para evitar la distorsión y mantener la resistencia a la corrosión.

8. Aplicaciones típicas

304 (usos comunes)	204Cu (usos comunes)
Equipos para el procesamiento de alimentos, utensilios de cocina, fregaderos, electrodomésticos	Componentes de electrodomésticos sensibles al costo, molduras decorativas, molduras interiores/exteriores de automóviles
Revestimiento arquitectónico y estructural, barandillas	Componentes resistentes a la corrosión en general donde se utiliza acero inoxidable 304, pero la reducción de costes es atractiva.
Intercambiadores de calor, tanques y tuberías en servicio sin alto contenido de cloruros	Intercambiadores de calor y accesorios en ciertos servicios ácidos (sulfúricos) donde el cobre proporciona beneficios
Sujetadores, resortes (ciertas variantes)	Componentes que requieren mayor resistencia tras el trabajo en frío y una resistencia a la corrosión moderada

Justificación de la selección - Elija la aleación 304 cuando se requiera una aleación probada, ampliamente estandarizada, con un comportamiento ante la corrosión bien documentado y una amplia disponibilidad, especialmente para aplicaciones alimentarias, sanitarias y muchas aplicaciones arquitectónicas. - Elija 204Cu cuando el costo de adquisición sea un factor determinante, cuando se desee una reducción del níquel y cuando los entornos de servicio previstos sean moderados (sin exposición severa a picaduras/cloruros) o sean específicamente compatibles con los beneficios del cobre.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 204Cu está diseñado para reducir el contenido de níquel y, por lo tanto, puede ser menos costoso que el 304 cuando los precios del níquel son altos. La ventaja en costos está ligada a los precios de mercado del níquel y el cobre.
• 304 tiene precios y cadenas de suministro estables y bien establecidas; suele ser más predecible en las adquisiciones a largo plazo.
• Disponibilidad:
• El acero 304 es uno de los aceros inoxidables más disponibles a nivel mundial y se ofrece en muchas formas de producto (lámina, bobina, placa, barra, tubo, alambre).
• El acero 204Cu se ofrece cada vez más en láminas, bobinas y algunos formatos de barras/tubos, pero puede que no esté disponible en todas las regiones ni en todos los formatos de producto; conviene consultar con los proveedores los plazos de entrega y las cantidades mínimas de pedido.

10. Resumen y recomendación

Cuadro resumen (cualitativo)

Métrico	304	204Cu
Soldabilidad	Excelente, bien comprendido; indulgente.	Buen manejo de procedimientos cualificados; la selección del relleno es importante.
Fuerza – Resistencia	Resistencia equilibrada y alta tenacidad; excelente ductilidad	Resistencia a la tracción comparable, límite elástico ligeramente superior con trabajo en frío; muy buena tenacidad.
Costo	Suministro moderado, a buen precio y estable	Generalmente, el potencial de costos de materiales es menor cuando el níquel es caro; la oferta varía.

Recomendación - Elija 304 si: - Necesita una aleación bien establecida y ampliamente estandarizada con un rendimiento anticorrosivo comprobado en servicio general, especialmente para alimentos, sanitarios o exposición arquitectónica exterior a largo plazo. - La disponibilidad global constante y la trazabilidad de los materiales son prioritarias. - Prefieres un margen de soldadura y fabricación flexible con una amplia gama de opciones de metal de aporte y procedimientos.

• Elige 204Cu si:
• Es importante reducir el contenido de níquel y el costo del material, y el entorno de servicio es moderado (sin corrosión severa por picaduras de cloruro) o se beneficia del comportamiento electroquímico del cobre (por ejemplo, ciertos servicios ácidos).
• Se espera un trabajo en frío sustancial o cuando se desea un rendimiento ligeramente superior tras el trabajo.
• Usted está preparado para calificar los procedimientos de soldadura y confirmar la disponibilidad de suministro para la forma de producto requerida.

Nota final: ambas aleaciones son aceros inoxidables austeníticos con propiedades similares. La elección óptima depende del entorno corrosivo específico, el plan de conformado/soldadura, los objetivos de costes y las consideraciones de la cadena de suministro. Para especificaciones o componentes críticos, exija la certificación del proveedor sobre la composición y los ensayos mecánicos, y realice ensayos de corrosión o soldadura específicos para la aplicación, según sea necesario.