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

Introducción

Los ingenieros y profesionales de compras se enfrentan con frecuencia a un dilema común en la selección de materiales: priorizar la resistencia a la corrosión y la soldabilidad a un costo económico, o invertir en una aleación de mayor resistencia que resista la corrosión localizada en ambientes agresivos con cloruros. Los aceros inoxidables tipo 304 (un acero inoxidable austenítico de uso común) y 2205 (un acero inoxidable dúplex de fase mixta) suelen presentarse como alternativas para equipos de proceso, tuberías, intercambiadores de calor y componentes estructurales donde se requiere el rendimiento del acero inoxidable.

La distinción metalúrgica fundamental entre estos grados radica en su composición de fases: uno es esencialmente un acero austenítico monofásico estabilizado con níquel; el otro es una aleación bifásica con un equilibrio preciso de ferrita y austenita. Esta diferencia genera contrastes en resistencia, resistencia a la corrosión en cloruros, comportamiento térmico y características de fabricación; por lo tanto, a menudo se comparan directamente durante el diseño, la adquisición y la planificación de la fabricación.

1. Normas y designaciones

• Tipo 304
• Normas comunes: ASTM A240 / ASME SA-240 (placa/lámina), ASTM A276 (barras), ASTM A312 (tubería), EN 1.4301 / X5CrNi18-10, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10.
• Clasificación: Acero inoxidable — austenítico (no magnético en estado recocido de solución).
• Tipo 2205
• Normas comunes: ASTM A240 (los grados dúplex según ASTM se enumeran frecuentemente como variantes UNS S32205 o S31803), ASTM A790 / A815 para tuberías dúplex, EN 1.4462 / X2CrNiMoN22-5-3, JIS a menudo hace referencia a equivalentes dúplex, GB para aceros inoxidables dúplex.
• Clasificación: Acero inoxidable — dúplex (ferrita + austenita mixta).

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla proporciona rangos de composición típicos para los aceros 304 y 2205 de grado comercial. Los valores son rangos representativos utilizados en las normas y en la práctica común de los molinos; consulte los certificados de materiales para conocer los valores exactos de cada lote.

Elemento	304 (rangos típicos, % en peso)	2205 (rangos típicos, % en peso)
do	≤ 0,08	≤ 0,03
Minnesota	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0,75	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,03
S	≤ 0,03	≤ 0,02
Cr	18.0–20.0	21.0–23.0
Ni	8.0–10.5	4.5–6.5
Mes	- (rastro)	2,5–3,5
V	—	—
Nótese bien	—	—
Ti	—	—
B	—	—
norte	≤ 0,10 (normalmente ≤0,1)	0,12–0,20 (añadido para equilibrar el dúplex)

Resumen de la estrategia de aleación: - El acero 304 depende en gran medida del níquel para estabilizar la austenita cúbica centrada en las caras y proporcionar ductilidad, tenacidad y buena resistencia general a la corrosión. La aleación 2205 combina un alto contenido de cromo, molibdeno y nitrógeno con un contenido reducido de níquel para obtener una microestructura bifásica de ferrita y austenita que aumenta la resistencia y mejora la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en cloruros. El nitrógeno también contribuye a la resistencia y a la resistencia a la corrosión por picaduras.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura: - 304: Austenita monofásica típica (FCC). Tras el tratamiento térmico de solubilización, es totalmente austenítica y no magnética (salvo un ligero magnetismo tras el trabajo en frío). La precipitación de carburos (p. ej., M23C6) puede producirse en los límites de grano si se expone a temperaturas de sensibilización (aprox. 450–850 °C), lo que reduce la resistencia a la corrosión intergranular a menos que se estabilice o se someta a un tratamiento térmico de solubilización. - 2205: Microestructura dúplex objetivo con aproximadamente 40-60 % de ferrita (cúbica centrada en el cuerpo) y 40-60 % de austenita. El equilibrio de fases proporciona mayor resistencia y una mejor resistencia a la corrosión bajo tensión en muchos ambientes clorados, en comparación con las austenitas.

Respuesta al tratamiento térmico: - 304: No se endurece mediante tratamiento térmico convencional (no presenta transformación martensítica por temple). Su resistencia puede incrementarse mediante trabajo en frío (endurecimiento por deformación). Para mejorar la resistencia a la corrosión tras soldadura o exposición a altas temperaturas, el recocido de solubilización (p. ej., 1010–1150 °C seguido de enfriamiento rápido) restaura la microestructura y disuelve los precipitados. - 2205: Tampoco se refuerza mediante endurecimiento convencional; se trata térmicamente mediante recocido de solubilización (normalmente alrededor de 1020 °C) seguido de un enfriamiento rápido para mantener el equilibrio dúplex. La exposición prolongada entre ~300 °C y 1000 °C favorece la formación de fases intermetálicas indeseables (sigma, chi) y nitruros que fragilizan el material y reducen su resistencia a la corrosión; por lo tanto, deben controlarse los ciclos térmicos. Los ciclos de normalizado o temple y revenido utilizados para los aceros al carbono/aleados no son aplicables.

4. Propiedades mecánicas

La tabla siguiente muestra las propiedades mecánicas representativas para condiciones de recocido de solubilización. Los valores son aproximados y varían según la forma del producto, el procesamiento y la norma de ensayo.

Propiedad	304 (recocido, típico)	2205 (dúplex recocido en solución, típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	~500–700	~600–900
Límite elástico (0,2% de deformación, MPa)	~200–300	~450–550
Alargamiento (porcentaje)	~40–60%	~25–35%
Resistencia al impacto Charpy (temperatura ambiente)	Alta resistencia a bajas temperaturas	Bueno, pero inferior a 304 en porcentaje de elongación.
Dureza (HB o HRC aproximada)	~120–200 HB	~200–300 HB

Interpretación: El acero 2205 presenta una resistencia a la tracción y un límite elástico considerablemente superiores a los del acero 304 debido a su microestructura dúplex y su contenido de nitrógeno; el límite elástico típico puede ser aproximadamente el doble que el del acero 304. Esta mayor resistencia reduce el espesor de sección requerido en muchas aplicaciones estructurales o de presión. El acero 304 es más dúctil y, en general, presenta mayor elongación y muy buena tenacidad, sobre todo a bajas temperaturas. El acero 2205 mantiene una buena tenacidad, pero menor ductilidad y mayor recuperación elástica durante el conformado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del contenido de carbono, de la aleación que promueve la templabilidad y de la susceptibilidad a fases perjudiciales.

Índices útiles de soldabilidad (para interpretación cualitativa): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (para evaluaciones más complejas de acero inoxidable): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - 304: Excelente soldabilidad mediante procesos de fusión comunes (GMAW, GTAW, SMAW). Su bajo contenido en carbono y alto contenido en níquel reducen la tendencia al agrietamiento en caliente y favorecen la ductilidad del metal de soldadura. Raramente se requiere un tratamiento térmico de solubilización posterior a la soldadura, salvo en aplicaciones sensibles a los cloruros, donde podría producirse sensibilización. - 2205: Soldable, pero más exigente. El equilibrio dúplex puede verse afectado por el aporte térmico; es necesario controlar las temperaturas entre pasadas, utilizar metales de aporte adecuados (p. ej., 2209 o alambres de soldadura dúplex de formulación especial) y, en ocasiones, realizar un recocido de solubilización posterior a la soldadura para restablecer el equilibrio de fases deseado y minimizar la formación de la fase sigma. El 2205 tolera menos rangos de dilución amplios y un enfriamiento lento que favorezca la formación de fases intermetálicas; se recomienda la precalificación de los procedimientos para servicios críticos.

Resumen de soldabilidad: el 304 es más fácil de soldar en condiciones de taller rutinarias; el 2205 requiere un control de procedimientos más estricto para evitar la pérdida de propiedades dúplex y para mantener la resistencia a la corrosión.

6. Corrosión y protección de superficies

• Para los aceros inoxidables, la resistencia a la corrosión localizada se cuantifica a menudo mediante el número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice sugiere que las aleaciones con mayor contenido de Mo y N y un contenido adecuado de Cr resistirán mejor la corrosión por picaduras en cloruros.
• El acero 304 contiene poco o nada de molibdeno y generalmente bajo contenido de nitrógeno, por lo que su PREN es bajo en comparación con las aleaciones dúplex; tiene un buen desempeño contra la corrosión general, pero es propenso a la corrosión por picaduras y por hendiduras en ambientes ricos en cloruros (por ejemplo, agua de mar, salmueras).
• El acero 2205 presenta un alto contenido de cromo, una cantidad significativa de molibdeno y nitrógeno adicional, lo que resulta en un índice de refracción potencial (PREN) considerablemente mayor y una resistencia a la corrosión por picaduras y grietas mucho mejor en medios con presencia de cloruros. Además, en muchas situaciones, es más resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión que el acero 304.
• Aceros no inoxidables: no aplica en este caso, pero las aleaciones no inoxidables generalmente requieren protección superficial (galvanizado, pintura, revestimiento) para evitar la corrosión.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• 304: Maquinabilidad moderada; se endurece rápidamente por deformación, por lo que es esencial utilizar herramientas afiladas, controlar la velocidad de avance y controlar adecuadamente la viruta. Su maquinabilidad típica es de aproximadamente el 40-50 % de la de los aceros de fácil mecanizado.
• 2205: Más difícil de mecanizar debido a su mayor resistencia y endurecimiento por deformación; se requieren velocidades de corte más bajas y herramientas robustas. La vida útil de la herramienta suele ser menor que para el 304.
• Formabilidad:
• 304: Excelente conformabilidad en frío y capacidad de embutición profunda; ampliamente utilizado para componentes conformados y trabajos de prensado.
• 2205: Su conformado es limitado en comparación con el 304 debido a su mayor límite elástico y menor elongación; el conformado en frío severo conlleva riesgo de fisuración y debe realizarse con precaución. Se puede recurrir al conformado en caliente o a procesos especializados.
• Acabado superficial: Ambos tipos admiten acabados estándar (pulido, electropulido). El acero dúplex debe evitarse durante el postprocesamiento, evitando la exposición prolongada a temperaturas que provoquen la precipitación de compuestos intermetálicos.

8. Aplicaciones típicas

Tipo 304 (usos típicos)	Tipo 2205 (usos típicos)
Equipos para el procesamiento de alimentos, utensilios de cocina, intercambiadores de calor para servicios sin cloruros, paneles arquitectónicos, tanques químicos para ambientes suaves.	Tuberías y recipientes para procesos químicos en medios que contienen cloruros, sistemas de agua de mar y desalinización, componentes de superficie y submarinos para la industria del petróleo y el gas, tanques de licor para la industria de la pulpa y el papel.
Elementos de fijación, molduras, conductos de climatización, accesorios sanitarios	Recipientes a presión y tuberías donde una mayor resistencia permite reducir el espesor de la pared, intercambiadores de calor en agua salobre o de mar, accesorios y bridas para entornos agresivos
Componentes resistentes a la corrosión de uso general donde la rentabilidad y la conformabilidad son prioritarias.	Aplicaciones que requieren una resistencia superior a la corrosión por picaduras, una mayor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión y una mayor resistencia mecánica.

Justificación de la selección: Elija el acero 304 cuando la excelente conformabilidad, soldabilidad y economía sean prioritarias y la exposición a cloruros sea limitada. Elija el acero 2205 cuando la corrosión por picaduras o grietas inducida por cloruros, o la necesidad de reducir el espesor de la sección aprovechando una mayor resistencia, sean los factores determinantes.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero 2205 suele ser más caro que el 304 debido a su mayor contenido de aleación (Mo y N), controles de proceso más estrictos y menores volúmenes de producción. La diferencia de precio varía según las condiciones del mercado y el tipo de producto.
• Disponibilidad: El acero inoxidable 304 es uno de los más comunes a nivel mundial en láminas, placas, tubos, barras y elementos de fijación. El acero inoxidable 2205 está ampliamente disponible para placas, tubos y accesorios en tamaños industriales, pero puede tener plazos de entrega más largos o una gama limitada de acabados especiales o elementos de fijación de pequeño diámetro.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Criterio	304	2205
Soldabilidad	Excelente; indulgente	Bueno, pero sensible al procedimiento.
Resistencia-Tenacidad	Resistencia moderada, alta ductilidad y tenacidad	Alta resistencia, buena tenacidad, menos dúctil
Resistencia a la corrosión (picaduras/grietas)	Limitado en cloruros	Superior en cloruros
Costo	Más bajo	Más alto
Formabilidad	Excelente	Limitado

Recomendación: - Elija 304 si: - Se requiere una buena resistencia general a la corrosión, una excelente conformabilidad y una soldadura sencilla al menor coste posible. - El servicio implica entornos alimentarios, sanitarios o con productos químicos suaves sin exposición prolongada al cloruro. La facilidad de fabricación, la disponibilidad y la ductilidad son factores clave.

• Elige 2205 si:
• El componente funcionará en entornos que contengan cloruros o en otros entornos agresivos donde la corrosión por picaduras, la corrosión por hendiduras o el agrietamiento por corrosión bajo tensión sean motivo de preocupación.
• Se requiere una mayor resistencia mecánica (que permita secciones más delgadas o clasificaciones de presión más elevadas).
• El rendimiento a largo plazo en medios agresivos justifica un mayor coste de materiales y procesamiento; y el proyecto puede incorporar procedimientos de soldadura y fabricación más controlados.

Nota final: La elección correcta depende del equilibrio entre el entorno corrosivo, los requisitos mecánicos, la capacidad de fabricación y el coste del ciclo de vida. Para sistemas críticos, se recomienda realizar pruebas de corrosión localizadas, cualificar los procedimientos de soldadura y utilizar modelos de coste del ciclo de vida, en lugar de basarse únicamente en heurísticas a nivel de composición.