304 frente a 2205: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Al seleccionar aceros inoxidables para equipos de proceso, tuberías y componentes estructurales, los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse al dilema entre resistencia a la corrosión, rendimiento mecánico y costo. El grado 304 se utiliza ampliamente cuando la conformabilidad, la soldabilidad y una resistencia a la corrosión moderada son requisitos primordiales; el grado 2205 (un acero inoxidable dúplex) se selecciona cuando se requiere mayor resistencia y una mejor resistencia a la corrosión localizada.

La distinción metalúrgica fundamental radica en que una aleación es totalmente austenítica, mientras que la otra es bifásica (ferrita + austenita). Esta diferencia genera disparidades en resistencia, tenacidad, comportamiento de soldadura y susceptibilidad a la formación de fases intermetálicas, razón por la cual estas dos aleaciones se comparan frecuentemente en las decisiones de diseño y fabricación.

1. Normas y designaciones

• 304
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (variantes 304, 304L)
• EN: EN 1.4301 (304), EN 1.4306 (304L)
• JIS: SUS304
• GB: 0Cr18Ni9 (designación aproximada)
• Clasificación: Acero inoxidable — austenítico
• 2205
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32205 / S31803 históricamente)
• EN: EN 1.4462
• Otros: UNS S32205, a veces comercializado como Duplex 2205
• Clasificación: Acero inoxidable — dúplex (ferrita + austenita)

2. Composición química y estrategia de aleación

Rangos de composición típicos (valores representativos para grados comerciales estándar). Los límites exactos dependen de la norma específica y de la forma del producto.

Elemento	304 (típico)	2205 (típico)
do	≤ 0,08 % en peso	≤ 0,03 % en peso
Minnesota	≤ 2,0 % en peso	≤ 2,0 % en peso
Si	≤ 1,0 % en peso	≤ 0,8 % en peso
PAG	≤ 0,045 % en peso	≤ 0,03 % en peso
S	≤ 0,03 % en peso	≤ 0,02 % en peso
Cr	17,0–19,0 % en peso	21,0–23,0 % en peso
Ni	8,0–10,5 % en peso	3,0–5,5 % en peso
Mes	~0 % en peso	2,5–3,5 % en peso
V	traza / no especificado	traza / no especificado
Nótese bien	—	típicamente muy bajo / nulo
Ti	—	típicamente muy bajo / nulo
B	—	rastro si lo hay
norte	~0,03–0,10 % en peso	0,14–0,20 % en peso (significativo)

Estrategia y efectos de la aleación: - 304: El níquel es el principal estabilizador de la austenita; el cromo proporciona pasividad para la resistencia a la corrosión. El bajo contenido de carbono limita la precipitación de carburos y mejora la soldabilidad (la variante 304L reduce aún más el contenido de carbono). - 2205: El alto contenido de Cr, Mo y N aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas, y favorece una mayor resistencia mecánica. Un menor contenido de Ni reduce el costo y estabiliza el equilibrio de fases dúplex (ferrita + austenita). El Mo y el N son fundamentales para la resistencia a la corrosión localizada y una mayor resistencia a la fluencia.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• 304 (austenítico):
• Microestructura: Totalmente austenítica (FCC) en estado recocido de solución.
• Tratamiento térmico: El recocido de solubilización (entre 1010 y 1100 °C) seguido de un enfriamiento rápido preserva la austenita monofásica; no se produce endurecimiento por temple/revenido. La precipitación de carburos (sensibilización) puede ocurrir en el rango de 450 a 850 °C si se mantiene la temperatura, lo que provoca corrosión intergranular; las aleaciones de bajo carbono (304L) o estabilizadas (304H, 321/347) solucionan este problema.
• Procesamiento termomecánico: El trabajo en frío aumenta la resistencia por endurecimiento por deformación y reduce la ductilidad; la recristalización ocurre durante el recocido.
• 2205 (dúplex):
• Microestructura: Ferrita mixta (α, BCC) y austenita (γ, FCC), aproximadamente entre un 40 % y un 60 % de ferrita en condiciones equilibradas. La ferrita aporta resistencia mecánica y a la corrosión bajo tensión; la austenita aporta tenacidad y ductilidad.
• Tratamiento térmico: El recocido de solubilización (entre 1020 y 1100 °C) seguido de un enfriamiento rápido restablece el equilibrio de fases y disuelve los compuestos intermetálicos perjudiciales. La exposición prolongada en el rango de 600 a 1000 °C favorece la formación de la fase sigma y otros compuestos intermetálicos que fragilizan el material y reducen su resistencia a la corrosión; por lo tanto, los ciclos térmicos controlados y el enfriamiento rápido son fundamentales.
• Rutas termomecánicas: El trabajo en caliente y el enfriamiento controlado influyen en el equilibrio de fases; el trabajo en frío excesivo aumenta la tensión y puede requerir recocido para restaurar la tenacidad.

Normalización, temple y revenido: Estos son términos estándar para aceros al carbono y aleados. Para los aceros 304 y 2205, el temple y revenido no se aplican como métodos de fortalecimiento; el recocido de solubilización y el enfriamiento controlado son los procesos térmicos relevantes.

4. Propiedades mecánicas

Propiedades mecánicas típicas en condiciones comunes de recocido/tratamiento de solubilización. Los valores varían según la forma del producto (lámina, placa, tubo) y la norma.

Propiedad	304 (recocido)	2205 (recocido en solución)
Resistencia a la tracción (MPa)	~490–750	~630–900
Límite elástico 0,2% (MPa)	~200–300	~450–550
Alargamiento (% en 50 mm)	~40–60	~20–35
Resistencia al impacto (Charpy, J)	Alta resistencia, conserva su tenacidad a bajas temperaturas.	Bueno, pero inferior a 304 en algunas orientaciones; excelente a temperatura ambiente
Dureza (HRB/HRc aprox.)	~70–100 HRB	Normalmente más alto, entre 100 y 150 HRB

Interpretación: - El acero 2205 tiene una resistencia a la fluencia sustancialmente mayor y, a menudo, una resistencia a la tracción mayor que el acero 304 debido a la fase ferrítica y a la aleación con nitrógeno/Mo. - El 304 ofrece mayor ductilidad y, en general, mejor tenacidad en secciones pesadas trabajadas en frío; el 2205 mantiene una buena tenacidad para su resistencia, pero tiene una elongación reducida. - La selección debe sopesar los requisitos de resistencia frente a las necesidades de conformabilidad y tenacidad.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono, el equilibrio de fases y la susceptibilidad al agrietamiento o la formación de compuestos intermetálicos.

Índices comunes de soldabilidad: - CE IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - 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: - 304: Excelente soldabilidad en la mayoría de las condiciones; el bajo contenido de carbono (especialmente el 304L) minimiza el riesgo de sensibilización. Su estructura austenítica resiste el agrietamiento en frío; normalmente no requiere precalentamiento y rara vez es necesario un recocido posterior a la soldadura. - 2205: Soldable, pero más exigente. Se requiere controlar el aporte térmico y las temperaturas entre pasadas para mantener una relación ferrita/austenita equilibrada en la zona de soldadura. Un calor excesivo o un enfriamiento lento pueden producir intermetálicos (sigma) o soldaduras demasiado ferríticas, frágiles o con baja resistencia a la corrosión. El uso de metal de aporte dúplex compatible y procedimientos adecuados ofrece buenos resultados; el recocido de solubilización posterior a la soldadura se utiliza a veces para aplicaciones críticas, aunque no siempre es práctico para grandes conjuntos.

Notas prácticas: Para el acero 2205, el uso de un material de relleno adecuado y un control preciso de la temperatura ayudan a lograr el equilibrio de fases deseado (normalmente entre un 40 % y un 60 % de ferrita). Evite altas temperaturas y tiempos de mantenimiento prolongados en el intervalo de formación de la fase sigma. - Para el acero 304, la selección del material de relleno es sencilla (por ejemplo, ER308/ER308L); tenga cuidado con la sensibilización si se espera un servicio a alta temperatura.

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento del acero inoxidable:
• Utilice el Número Equivalente de Resistencia a la Corrosión por Picaduras (PREN) para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras en ambientes clorados: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Ejemplo aproximado (composiciones de rango medio): 304 (Cr ≈ 18, Mo ≈ 0, N pequeño) produce un PREN ≈ 18; 2205 (Cr ≈ 22, Mo ≈ 3,0, N ≈ 0,17) produce un PREN ≈ 34–35. Esto ilustra por qué el acero dúplex 2205 es notablemente más resistente a la corrosión por picaduras y grietas en ambientes con cloruros.
• Aceros no inoxidables: Para los aceros al carbono o de baja aleación (no es el caso aquí), el galvanizado, la pintura y la protección catódica son típicos; para 304/2205, la protección de la superficie generalmente no es necesaria cuando la selección del grado coincide con el entorno.
• Limitaciones:
• El acero 304 es susceptible a ataques localizados (picaduras, grietas) en ambientes ricos en cloruros y a agrietamiento por corrosión bajo tensión en ciertas temperaturas y composiciones químicas de cloruros.
• El acero 2205 resiste mucho mejor el agrietamiento por corrosión bajo tensión inducido por cloruros debido a su mayor contenido de ferrita y mayor PREN, pero es sensible a la fragilización por fases intermetálicas si no se procesa correctamente.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 304: Maquinabilidad aceptable; los aceros inoxidables austeníticos se endurecen por deformación y requieren configuraciones rígidas, herramientas afiladas y velocidades de corte adecuadas. El uso de insertos y avances controlados facilita el proceso.
• 2205: Más difícil de mecanizar que el 304 debido a su mayor resistencia y endurecimiento por deformación; cabe esperar mayores fuerzas de corte y un desgaste más rápido de la herramienta. Es común el uso de herramientas de carburo y estrategias de profundidad de corte reducida.
• Formabilidad:
• 304: Excelente capacidad de conformado en frío y de embutición profunda; su alta ductilidad permite operaciones de conformado complejas.
• 2205: Conformabilidad en frío limitada en comparación con el 304; el conformado puede requerir niveles de deformación menores o un recocido intermedio. Los radios de curvatura deben ser mayores y la recuperación elástica superior.
• Acabado superficial:
• Ambos grados pueden pulirse y pasivarse; el 2205 requiere cuidado para evitar la coloración por calor y los precipitados intermetálicos durante la soldadura; el decapado y la pasivación restauran los óxidos superficiales.

8. Aplicaciones típicas

304 — Usos típicos	2205 — Usos típicos
Equipos para el procesamiento de alimentos, utensilios de cocina, componentes de climatización, molduras arquitectónicas interiores, tuberías para procesos químicos con servicio suave	Intercambiadores de calor para la industria química y petroquímica, tuberías de agua de mar, equipos de superficie para la industria del petróleo y el gas, plantas desalinizadoras, bridas y accesorios expuestos a cloruros.
Molduras para automóviles, sujetadores, tanques aptos para uso alimentario	Estructuras marinas, componentes de fondo de pozo, entornos agresivos con cloruros, recipientes a presión que requieren mayor resistencia
Tuberías de uso general, equipos sanitarios	Tanques criogénicos y aplicaciones estructurales donde se desea una mayor relación resistencia-peso

Justificación de la selección: - Elija el acero 304 cuando la facilidad de conformado, soldadura y resistencia a la corrosión en entornos no agresivos sean prioridades y cuando la sensibilidad al costo sea significativa. - Elija 2205 cuando se requiera resistencia, resistencia a la corrosión por picaduras/grietas en medios clorurados y menor susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión, y cuando se justifiquen costos de material más elevados.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero 304 suele ser más económico debido a su mayor contenido de Ni que algunos grados ferríticos, pero menor contenido de Mo y N que el acero dúplex; se produce en volúmenes muy altos, lo que mantiene los precios competitivos.
• El acero 2205 es más caro por kg que el 304 debido a su contenido de Mo y N controlado y a sus requisitos de procesamiento más complejos.
• Disponibilidad:
• El acero 304 es omnipresente en forma de láminas, placas, barras, tubos y elementos de fijación, y se encuentra disponible en todo el mundo.
• El acero 2205 está ampliamente disponible, aunque su uso es menos generalizado; es común en tuberías, accesorios, placas y barras para el sector industrial. Para productos de gran tamaño o con formas especiales, pueden presentarse plazos de entrega prolongados y una oferta limitada de fábricas.

10. Resumen y recomendación

Propiedad	304	2205
Soldabilidad	Excelente, indulgente	Buen manejo de los controles; necesita un sistema de llenado y control de calor adecuado.
Fuerza – Resistencia	Resistencia moderada, alta ductilidad	Alta resistencia, buena tenacidad para la fuerza
Costo	Más bajo (más económico)	Mayor (aleación premium, procesamiento)

Orientación final: - Elija el acero 304 si necesita una excelente conformabilidad y soldabilidad, un menor costo y servicio en entornos ligeramente corrosivos (alimentarios, arquitectónicos, líneas de procesos generales). - Elija el acero 2205 si el diseño requiere mayor límite elástico y resistencia a la tracción, mayor resistencia a la corrosión por picaduras/grietas y al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruros, o ahorro de peso/espacio mediante secciones más delgadas, y puede aceptar mayores costos de material y fabricación.

Si el entorno corrosivo, la resistencia o la susceptibilidad a la corrosión bajo tensión (SCC) son factores críticos de diseño, realice un estudio de selección de materiales específico (que incluya cálculos PREN, calificación del procedimiento de soldadura y pruebas de corrosión) para confirmar la mejor opción para el servicio específico.