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

Introducción

Los aceros inoxidables tipo 304 y tipo 304H son dos grados de acero inoxidable austenítico ampliamente utilizados en las industrias de procesos, recipientes a presión y fabricación en general. Los ingenieros y profesionales de compras suelen considerar la resistencia a la corrosión, la soldabilidad, la conformabilidad, el rendimiento a altas temperaturas y el costo al elegir entre ellos. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la especificación del material para un recipiente a presión soldado, la selección de tubos para intercambiadores de calor o la elección de láminas para fabricación en general.

La principal diferencia entre ambos grados radica en el contenido de carbono: el 304H presenta una composición de carbono superior a la del 304 estándar. Este único cambio modifica el rendimiento de forma predecible, principalmente aumentando la resistencia mecánica y la resistencia a la fluencia a altas temperaturas, a la vez que incrementa el riesgo de precipitación de carburos y la sensibilización asociada durante ciertos ciclos térmicos. Dado que el 304 y el 304H son muy similares en otros aspectos (misma matriz austenítica estabilizada por cromo y níquel), se comparan cuando los diseños requieren un equilibrio entre el rendimiento mecánico a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y la conformabilidad.

1. Normas y designaciones

Las principales normas de especificación que abarcan los aceros 304 y 304H incluyen: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (placas, láminas), ASTM A312 (tubos sin costura y soldados), ASTM A269 (tubos forjados), etc. - EN: Serie EN 10088 para aceros inoxidables (EN 1.4301 corresponde a 304). - JIS: JIS G4303 / JIS G4305 (aceros inoxidables; equivalentes). - GB: GB/T 1220 y normas chinas relacionadas para aceros inoxidables.

Clasificación: - Tanto el 304 como el 304H son aceros inoxidables (austeníticos). No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni grados HSLA. - Se especifican y utilizan como aleaciones inoxidables (resistentes a la corrosión) en lugar de aceros al carbono estructurales.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla resume los rangos de composición típicos de las normas comunes (los valores se dan como porcentaje en peso y se entienden como rangos estandarizados típicos, no como certificados específicos de fábrica).

Elemento	304 (rango típico)	304H (rango típico)
do	≤ 0,08 % en peso	0,04 – 0,10 % en peso
Minnesota	≤ 2,0 % en peso	≤ 2,0 % en peso
Si	≤ 1,0 % en peso	≤ 1,0 % en peso
PAG	≤ 0,045 % en peso	≤ 0,045 % en peso
S	≤ 0,03 % en peso	≤ 0,03 % en peso
Cr	~18,0 – 20,0 % en peso	~18,0 – 20,0 % en peso
Ni	~8,0 – 10,5 % en peso	~8,0 – 11,0 % en peso
Mes	No especificado (generalmente ≈ 0)	No especificado (generalmente ≈ 0)
V, Nb, Ti, B	No especificado / solo traza	No especificado / solo traza
norte	Traza (normalmente ≤ 0,11)	Traza (normalmente ≤ 0,11)

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - El cromo (Cr) proporciona resistencia a la corrosión al formar una película de óxido protectora y es el principal elemento de aleación para el comportamiento inoxidable. - El níquel (Ni) estabiliza la fase austenítica y mejora la tenacidad y la formabilidad. - El carbono (C) fortalece la austenita mediante el fortalecimiento por solución sólida y puede formar carburos de cromo (Cr23C6) durante la exposición a temperaturas sensibilizantes; el aumento de C en 304H aumenta la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia, pero incrementa el riesgo de sensibilización. - El manganeso (Mn) y el silicio (Si) son estabilizadores y desoxidantes menores de la austenita; el azufre y el fósforo son elementos de impureza controlados a niveles bajos para preservar la tenacidad y la resistencia a la corrosión.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Tanto el 304 como el 304H son totalmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado de solubilización y recocido a temperatura ambiente. Bajo procesamiento estándar (laminado en caliente, recocido de solubilización, enfriamiento al aire), la microestructura es austenítica homogénea con posibles límites de macla y algunas maclas de recocido.

Diferencias microestructurales clave y respuestas al tratamiento térmico: - El acero 304 (menor contenido de C) es menos propenso a formar carburos de cromo durante el enfriamiento lento o las exposiciones a temperaturas intermedias; el recocido de solución por encima de ~1040–1100 °C seguido de un enfriamiento rápido restaura una matriz austenítica libre de carburos. El acero 304H (con mayor contenido de carbono) presenta una mayor tendencia a la precipitación de carburos de cromo al exponerse en el rango de sensibilización (entre 450 y 850 °C). La precipitación de carburos se produce en los límites de grano y puede agotar localmente el cromo, reduciendo la resistencia a la corrosión intergranular. Ninguno de los dos grados se endurece mediante temple y revenido como los aceros martensíticos; tampoco son tratables térmicamente para aumentar su resistencia mediante transformaciones convencionales. El ajuste de la resistencia se logra mediante trabajo en frío o especificando un mayor contenido de carbono (304H) para obtener resistencia a altas temperaturas. El procesamiento termomecánico (trabajo en frío, programas de recocido) afecta la densidad de dislocaciones, el tamaño de grano y la textura de manera similar en ambos grados. El recocido a temperaturas de solubilización disuelve los carburos si se mantiene y se enfría adecuadamente; el enfriamiento lento después de la soldadura o el servicio prolongado a temperaturas intermedias favorece la precipitación de carburos en el acero 304H con mayor facilidad que en el 304.

4. Propiedades mecánicas

Ambos aceros proporcionan buena ductilidad y tenacidad en estado recocido; el 304H generalmente ofrece una resistencia ligeramente mayor, especialmente a temperaturas elevadas, atribuible a su mayor contenido de carbono.

Propiedad	304	304H
Resistencia a la tracción (relativa)	nivel austenítico estándar	Ligeramente más alto (notable a temperaturas elevadas)
Resistencia a la fluencia (relativa)	Línea base para la serie 300 de acero austenítico	Ligeramente superior a 304
Alargamiento / Ductilidad	Alta ductilidad; buena conformabilidad	Ductilidad ligeramente reducida en comparación con el acero 304
Resistencia al impacto	Excelente a temperatura ambiente	Comparable a temperatura ambiente si no está sensibilizado; reducido si se produce precipitación de carburo
Dureza	Dureza típica del austenítico recocido	Ligeramente superior en estado recocido debido al C

Explicación: A temperatura ambiente, las diferencias son mínimas: ambos grados presentan resistencias a la tracción y a la fluencia similares, con una alta elongación. El acero 304H suele presentar valores de resistencia a la tracción y a la fluencia ligeramente superiores debido a que el carbono actúa como agente de refuerzo por solución sólida. - A temperaturas elevadas o bajo condiciones de fluencia, el 304H conserva una resistencia mayor que el 304 y, por lo tanto, se especifica para el servicio de recipientes a presión a temperaturas permitidas más altas. - Si el acero 304H se expone a ciclos térmicos sensibilizantes (por ejemplo, soldadura sin un tratamiento térmico posterior a la soldadura adecuado o servicio prolongado en el rango de 450–850 °C), la corrosión intergranular y la reducción de la tenacidad pueden ser consecuencia de la precipitación de carburo de cromo.

5. Soldabilidad

La soldabilidad de los aceros 304 y 304H es generalmente buena; ambos se sueldan fácilmente mediante procesos comunes (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Sin embargo, el contenido de carbono influye en el riesgo de sensibilización y en las propiedades de la zona afectada por el calor (ZAC).

Índices relevantes de equivalencia de carbono/soldabilidad: - Interpretado cualitativamente utilizando el equivalente de carbono del IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Para los aceros inoxidables, una influencia composicional más compleja puede expresarse con $P_{cm}$: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - El acero 304 (menor contenido de C) tiene una menor contribución de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ proveniente del carbono que el acero 304H, lo que significa que es menos probable que el acero 304 forme microestructuras duras y quebradizas en la ZAT y es menos sensible a la corrosión intergranular por soldadura si se utilizan materiales de aporte y procedimientos adecuados. El mayor contenido de carbono del acero 304H incrementa su potencial de endurecimiento durante ciclos térmicos rápidos y aumenta el riesgo de sensibilización en la zona afectada por el calor (ZAC) y sus inmediaciones si se forman carburos en los límites de grano de la austenita. Para trabajos de soldadura en recipientes a presión a altas temperaturas, el acero 304H se suele especificar para cumplir con los requisitos de tensión admisible; la selección del material de aporte y las prácticas de soldadura (por ejemplo, el uso de grados estabilizados o el recocido de solubilización posterior a la soldadura cuando sea factible) mitigan los riesgos. - Generalmente no se requiere precalentamiento para estos aceros inoxidables austeníticos, pero el control del aporte de calor y la selección del metal de relleno apropiado (por ejemplo, grados coincidentes o de bajo carbono/estabilizados) es una consideración importante para el 304H para evitar la fragilización o la corrosión intergranular.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el acero inoxidable 304 como el 304H son resistentes a la corrosión en una amplia variedad de entornos gracias a la pasivación con cromo. Ninguno contiene molibdeno, por lo que son menos resistentes a la corrosión por picaduras causada por cloruros que las calidades que sí lo contienen (por ejemplo, el 316).
• El aumento de carbono en el acero inoxidable 304H hace que la sensibilización y la corrosión intergranular sean un problema práctico si el material se expone a temperaturas sensibilizantes sin un control adecuado. Para aplicaciones donde la resistencia a la corrosión intergranular es crítica después de la soldadura, se recomienda el acero inoxidable 304L con bajo contenido de carbono o aceros estabilizados (321, 347).
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) es una métrica útil para la resistencia a la picadura cuando están presentes Mo y N: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para 304/304H, Mo ≈ 0 y N es bajo, por lo que PREN es relativamente bajo; PREN es más significativo para austeníticos dúplex o que contienen Mo.
• La protección de superficies para sustratos que no sean de acero inoxidable (no aplicable en este caso) incluiría galvanizado o recubrimientos; para el acero inoxidable, a menudo se utilizan tratamientos de acabado superficial y pasivación para maximizar la vida útil.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: El acero 304 (menor contenido de carbono) es ligeramente superior para el embutido profundo y el conformado debido a su mayor ductilidad y menor sensibilidad al endurecimiento por deformación tras el calentamiento posterior. Ambos aceros son adecuados para operaciones de conformado si se utilizan las herramientas apropiadas y técnicas de conformado incremental.
• 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 304H puede ser ligeramente más difícil de mecanizar que el 304, ya que su mayor contenido de carbono y la consiguiente mayor resistencia generan mayores fuerzas de corte y desgaste de la herramienta. El uso de herramientas afiladas, configuraciones rígidas y lubricantes adecuados reduce los problemas.
• Acabado superficial: Tanto el pulido como el electropulido son similares; sin embargo, el acero 304H puede requerir un control más cuidadoso de la exposición térmica durante el acabado para evitar la precipitación de carburos si el material se calienta.

8. Aplicaciones típicas

304 (usos comunes)	304H (usos comunes)
Equipos para el procesamiento de alimentos, fregaderos, utensilios de cocina, molduras arquitectónicas	Recipientes a presión y calderas donde se requieren tensiones admisibles más elevadas a temperaturas elevadas
Tuberías y tanques para procesos químicos en ambientes moderados	Tuberías de sobrecalentador y recalentador en aplicaciones de calderas (donde se necesita una mayor resistencia a la fluencia).
Intercambiadores de calor, tuberías sanitarias, elementos de fijación	Hornos y componentes fabricados a alta temperatura donde la temperatura de funcionamiento es elevada
Fabricación general, componentes decorativos para la construcción	Aplicaciones que requieren las propiedades mecánicas de un acero austenítico con mayor contenido de carbono a temperaturas elevadas

Justificación de la selección: - Elija el acero 304 cuando la resistencia general a la corrosión, la conformabilidad y la soldabilidad a temperaturas normales de servicio sean los requisitos predominantes y cuando sea importante minimizar el riesgo de sensibilización después de la soldadura. - Elija 304H cuando el diseño requiera una tensión admisible mayor o una resistencia mejorada a temperaturas elevadas (por ejemplo, recipientes a presión que operan por encima de los umbrales típicos de 300 °C), y cuando el proyecto especifique controles de fabricación adecuados para gestionar el riesgo de sensibilización y corrosión.

9. Costo y disponibilidad

• El acero inoxidable 304 es uno de los más comunes a nivel mundial y está ampliamente disponible en placas, láminas, bobinas, tubos y barras. Su precio suele ser competitivo dentro de la serie 300.
• El acero 304H es una variante reconocida y está disponible en formatos de producto comúnmente utilizados para servicio a alta temperatura (placas, tubos para calderas y componentes a presión). Su disponibilidad en los mercados de materias primas es menor que la del acero 304 y puede tener un precio ligeramente superior, dependiendo de las prácticas de almacenamiento regionales y la necesidad de una certificación específica del fabricante respecto al contenido de carbono.
• Los plazos de entrega y la disponibilidad dependen del formato del producto (lámina/placa frente a tubo sin soldadura) y de las certificaciones requeridas para su uso en recipientes a presión o a altas temperaturas.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	304	304H
soldabilidad	Excelente; menor riesgo de sensibilización	Bueno, pero con mayor riesgo de sensibilización; requiere controles de procedimiento.
Resistencia-Tenacidad	Buen equilibrio; excelente ductilidad	Mayor resistencia a temperaturas elevadas; ductilidad ligeramente menor en comparación directa.
Coste y disponibilidad	Ampliamente disponible; generalmente de menor costo	Disponible para aplicaciones de presión y temperatura; puede contener componentes premium.

Conclusiones: Elija el acero inoxidable 304 si necesita una excelente resistencia a la corrosión general, una maquinabilidad y conformabilidad superiores, y un riesgo mínimo de sensibilización por procesos de soldadura normales. El acero inoxidable 304 es la opción práctica por defecto para equipos sanitarios, aplicaciones arquitectónicas y muchos servicios químicos a temperaturas ambiente o moderadas. - Elija 304H si el diseño requiere una tensión admisible más alta o una mayor resistencia a la deformación a temperaturas de servicio elevadas (por ejemplo, recipientes a presión, calderas, intercambiadores de calor que operan a temperaturas más altas), y puede aceptar y gestionar el mayor riesgo de precipitación de carburos mediante procedimientos de soldadura adecuados, tratamientos posteriores a la soldadura si es factible, o mediante la selección de metales de aporte y prácticas de fabricación compatibles.

Si la selección de materiales se rige por tablas de resistencia a la fluencia a altas temperaturas y de tensiones admisibles (códigos ASME, especificaciones de recipientes a presión), consulte el código aplicable para conocer el grado y las temperaturas requeridos; en muchos casos, aparecerá el 304H cuando los límites de tensión admisible del 304 sean insuficientes para la temperatura de servicio prevista.