304 vs 304L – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables 304 y 304L se encuentran entre los grados austeníticos más utilizados en ingeniería, fabricación y compras. Al elegir entre ellos, los ingenieros y gerentes de compras suelen considerar la resistencia a la corrosión, la soldabilidad, la resistencia mecánica y el costo. Los planificadores de producción también deben tener en cuenta los procesos posteriores: soldadura pesada, tratamientos posteriores a la soldadura, conformado y requisitos de acabado superficial.
La principal diferencia práctica radica en el contenido de carbono: el 304L es la variante con bajo contenido de carbono del 304, formulada para reducir el riesgo de precipitación de carburo de cromo (sensibilización) durante la soldadura y la exposición a altas temperaturas. Esta distinción explica por qué el 304 y el 304L se comparan habitualmente: ofrecen un comportamiento frente a la corrosión y una microestructura prácticamente idénticos, pero el menor contenido de carbono del 304L mejora su rendimiento en conjuntos soldados y componentes que no pueden someterse a un tratamiento térmico de solubilización tras su fabricación.
1. Normas y designaciones
Normas principales y designaciones comunes: - ASTM / ASME: ASTM A240 / ASME SA240 (placa, lámina, tira para recipientes a presión y uso general). - EN: Serie EN 10088 (aceros inoxidables — diversas normas de producto). - JIS: SUS304 y SUS304L. - GB: Equivalentes de 0Cr18Ni9 (304) y 0Cr18Ni9L (304L) en normas chinas.
Clasificación de materiales: - Tanto el 304 como el 304L son aceros inoxidables austeníticos (inoxidables, no ferromagnéticos cuando son totalmente austeníticos). No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA; son aleaciones inoxidables resistentes a la corrosión.
2. Composición química y estrategia de aleación
Rangos de composición típicos (en % peso) utilizados en las especificaciones; los máximos/mínimos permitidos reales varían ligeramente según la norma:
| Elemento | 304 (rango típico/especificado) | 304L (rango típico/especificado) |
|---|---|---|
| Carbono (C) | ≤ 0,08% | ≤ 0,03% |
| Manganeso (Mn) | ≤ 2,0% | ≤ 2,0% |
| Silicio (Si) | ≤ 1,0% | ≤ 1,0% |
| Fósforo (P) | ≤ 0,045% | ≤ 0,045% |
| Azufre (S) | ≤ 0,03% | ≤ 0,03% |
| Cromo (Cr) | 18,0–20,0% | 18,0–20,0% |
| Níquel (Ni) | 8,0–10,5% | 8,0–12,0% |
| Molibdeno (Mo) | ≤ 0,10% (generalmente ninguno) | ≤ 0,10% |
| Nitrógeno (N) | ≤ 0,10% (trazas) | ≤ 0,10% |
| Nb, Ti, V, B | rastro / normalmente no se añade | rastro / normalmente no se añade |
Estrategia y efectos de la aleación: El cromo proporciona la película de óxido pasiva que confiere a los aceros inoxidables resistencia a la corrosión. Un contenido típico de Cr (≈18–20%) define el acero inoxidable “18-8”. - El níquel estabiliza la estructura austenítica (FCC), mejora la tenacidad y la ductilidad, y aumenta la capacidad de conformado. - El carbono aumenta ligeramente la resistencia y la dureza, pero a costa de un riesgo de sensibilización en el rango de 425–850 °C; el carbono reacciona con el cromo para formar carburos de cromo en los límites de grano, agotando localmente el Cr y reduciendo la resistencia a la corrosión. - El acero 304L reduce el carbono para controlar la precipitación de carburos durante la soldadura; el rango de níquel puede ajustarse ligeramente para preservar la estabilidad de la austenita. - El manganeso y el silicio son desoxidantes y contribuyen en menor medida a la resistencia; el nitrógeno, cuando está presente, puede aumentar gradualmente la resistencia y la resistencia a la corrosión por picaduras.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructura: Ambos grados son esencialmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado recocido. La austenita proporciona una excelente ductilidad y tenacidad a temperaturas criogénicas y elevadas. Ni el acero 304 ni el 304L responden al endurecimiento convencional por temple y revenido, ya que son austeníticos y no se transforman en martensita con el tratamiento térmico. El fortalecimiento se logra principalmente mediante deformación en frío (endurecimiento por deformación).
Tratamiento térmico y evolución de la microestructura: - El recocido de solución (rango típico: $1010^\circ\text{C}$–$1150^\circ\text{C}$) disuelve cualquier precipitado, restaura la ductilidad y devuelve la resistencia a la corrosión; se requiere un enfriamiento rápido (templado en agua o aire) para evitar la precipitación de carburos. Sensibilización: la exposición a temperaturas entre 425 °C y 850 °C puede provocar la precipitación de carburos de cromo en los límites de grano. El acero 304 es más susceptible que el 304L debido a su mayor contenido de carbono; el 304L se especifica cuando el tratamiento térmico de solubilización posterior a la soldadura no es práctico. - La exposición prolongada a temperaturas superiores a ~600 °C también puede promover la formación de la fase sigma u otros compuestos intermetálicos en variantes muy trabajadas en frío o aleadas; estos son poco comunes en el servicio estándar 304/304L, pero deben tenerse en cuenta para el servicio a altas temperaturas.
Rutas de procesamiento: - La normalización no es una operación de fortalecimiento significativa para estos grados austeníticos. - Las rutas termomecánicas (laminación en frío, recocido) controlan el tamaño de grano y la textura de los productos en láminas o tiras; el recocido final fija la microestructura austenítica.
4. Propiedades mecánicas
Propiedades mecánicas mínimas típicas (estado recocido), comúnmente especificadas en las normas de producto:
| Propiedad | 304 (recocido, típico) | 304L (recocido, típico) |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (Rm) | ≈ 515 MPa (min) | ≈ 485 MPa (min) |
| Límite elástico del 0,2% (Rp0,2) | ≈ 205 MPa (min) | ≈ 170 MPa (min) |
| Alargamiento (A) | ≥ 40% (en 50 mm) | ≥ 40% (en 50 mm) |
| Resistencia al impacto (temperatura ambiente) | Alta tenacidad dúctil | Alta tenacidad dúctil |
| Dureza (HB / HRB) | Comportamiento moderado de endurecimiento por deformación | Dureza inicial ligeramente inferior |
Interpretación: El acero 304 suele presentar un límite elástico mínimo y una resistencia a la tracción ligeramente superiores a los del 304L debido a su mayor contenido de carbono. En la práctica, la diferencia es mínima y ambos aceros son dúctiles y tenaces. Ambas calidades mantienen una excelente tenacidad incluso a temperaturas criogénicas; ninguna es quebradiza a las temperaturas de servicio que se encuentran normalmente en la industria. Las diferencias de resistencia son más relevantes cuando el diseño se acerca a los límites de tensión admisibles o cuando la reducción de la resistencia posterior a la soldadura es un factor.
5. Soldabilidad
Factores de soldabilidad: El bajo contenido de carbono reduce la tendencia a la formación de carburos de cromo en los límites de grano durante el enfriamiento en el rango de sensibilización. Por lo tanto, un menor contenido de carbono disminuye la susceptibilidad a la corrosión intergranular después de la soldadura. La templabilidad de los aceros inoxidables austeníticos es baja; no forman estructuras martensíticas duras al enfriarse, por lo que el agrietamiento por fases duras no es una preocupación principal. Sin embargo, el trabajo en frío y los ciclos térmicos pueden generar martensita inducida por deformación en el acero 304 bajo ciertas condiciones; el acero 304L, con una composición ligeramente diferente, puede ser marginalmente menos propenso a la formación de martensita inducida por deformación.
Índices útiles de soldabilidad (interpretación cualitativa): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Equivalente de corrosión por picaduras (Pcm) para la evaluación de la soldabilidad: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación: - Un valor menor de $C$ reduce tanto $CE_{IIW}$ como $P_{cm}$, lo que indica una menor sensibilidad al agrietamiento en caliente y un menor riesgo de segregación/sensibilización durante la soldadura. - En la práctica, el acero 304L suele soldarse más fácilmente en soldaduras grandes y con alta intensidad de calor porque el menor contenido de carbono reduce el riesgo de corrosión intergranular sin necesidad de un recocido de solubilización posterior a la soldadura. - Al soldar acero 304 (con mayor contenido de carbono), los diseñadores a menudo controlan el aporte de calor, utilizan metales de aporte con estabilizadores (por ejemplo, Ti o Nb en algunos aportes) o realizan un recocido de solución posterior a la soldadura cuando la resistencia a la corrosión de la zona de soldadura debe ser igual a la del metal base.
Notas prácticas de soldadura: - Utilice metales de relleno compatibles o con bajo contenido de carbono según los requisitos de servicio y corrosión. - Minimice los tiempos de mantenimiento en el rango de sensibilización y utilice enfriamiento rápido o control de calentamiento local. - Para entornos corrosivos críticos, se prefieren los grados 304L o estabilizados (por ejemplo, 321, 347) cuando el recocido de solución posterior a la soldadura no es práctico.
6. Corrosión y protección de superficies
Comportamiento ante la corrosión: - Tanto el acero 304 como el 304L dependen de la película pasiva rica en cromo para una resistencia general a la corrosión en ambientes atmosféricos, ligeramente ácidos y alcalinos. - La resistencia a la corrosión por picaduras y grietas es limitada porque ambas carecen de molibdeno; por lo tanto, en cloruros o ambientes marinos agresivos, se prefieren grados de aleación más altos (316, dúplex, etc.).
Relevancia de PREN: - El PREN se utiliza para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras de cloruros; para estos grados: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Para el acero 304/304L, el Mo es prácticamente nulo o muy bajo y el N es bajo; los valores de PREN son moderados, por lo que ninguno de los dos grados se recomienda para entornos con alto contenido de cloruros.
Sensibilización y corrosión intergranular: - La principal preocupación en cuanto a corrosión, donde el acero 304 puede verse perjudicado, es la corrosión intergranular después de la soldadura o la exposición prolongada en el rango de temperatura crítico donde precipitan los carburos de cromo. - El bajo contenido de carbono del acero 304L reduce la formación de carburos y, por lo tanto, disminuye el riesgo de corrosión intergranular en las zonas soldadas.
Protección de superficies para aceros no inoxidables: No aplica en este caso; para aceros al carbono no inoxidables, son comunes la galvanización o los recubrimientos. Para el acero 304/304L, se suele recurrir a la pasivación superficial (con ácido nítrico o cítrico) y al decapado para restaurar o mejorar la película pasiva después de la fabricación.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
Conformado y doblado: - Ambos grados presentan una excelente conformabilidad en frío; el 304L puede ser ligeramente más fácil de conformar debido a su menor límite elástico. Todos los aceros inoxidables austeníticos se endurecen rápidamente por deformación; las operaciones de conformado a menudo requieren recocidos intermedios para deformaciones severas.
Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono debido a su alta ductilidad y endurecimiento por deformación. Los aceros 304 y 304L tienen una maquinabilidad similar; el control del proceso (herramientas rígidas, plaquitas afiladas, control adecuado de virutas y lubricante/refrigerante) es fundamental. - La resistencia ligeramente inferior del acero 304L puede facilitar marginalmente las fuerzas de corte en algunas operaciones.
Acabado superficial: Ambos grados de acero pueden pulirse, pasivarse, someterse a tratamiento electroquímico y granallarse para lograr los acabados superficiales requeridos. El acero 304L se utiliza frecuentemente en ensamblajes soldados donde se necesita un acabado uniforme en las soldaduras sin necesidad de recocido de solubilización.
8. Aplicaciones típicas
| 304 — Usos típicos | 304L — Usos típicos |
|---|---|
| Equipos de cocina, procesamiento de alimentos, plantas de bebidas | Recipientes y tuberías soldadas de gran tamaño en plantas químicas |
| Molduras arquitectónicas, paneles decorativos | Tanques y recipientes de almacenamiento soldados donde el recocido posterior a la soldadura resulta impracticable. |
| Intercambiadores de calor (ambientes templados) | Tuberías y depósitos de aguas residuales con amplia soldadura. |
| Elementos de fijación, muelles (donde se requiera resistencia a la corrosión y resistencia mecánica) | Sistemas soldados farmacéuticos y biotecnológicos que requieren resistencia a la corrosión en las soldaduras |
| Acabados para automóviles, bienes de consumo | Recipientes a presión y tuberías con grandes volúmenes de soldadura donde el riesgo de sensibilización es una preocupación. |
Justificación de la selección: - Elija 304 cuando se acepte una mayor resistencia mínima y un coste de material ligeramente inferior, y cuando la soldadura sea limitada o sea posible un recocido posterior a la soldadura. - Elija 304L cuando se prevea una soldadura intensa, la imposibilidad de realizar un recocido de solución después de la fabricación o un servicio en condiciones posteriores a la soldadura ligeramente más corrosivas.
9. Costo y disponibilidad
- Ambos grados están ampliamente disponibles en todo el mundo en forma de placas, láminas, tiras, tubos y barras.
- El 304 suele ser el más común y, en muchos mercados, ligeramente menos costoso debido a mayores volúmenes de producción y un control de carbono menos estricto.
- El acero 304L puede tener un pequeño sobreprecio debido a un control más estricto del carbono durante la fusión y el procesamiento, pero el sobreprecio suele ser pequeño en comparación con el costo total de fabricación al eliminar el costoso tratamiento térmico posterior a la soldadura.
- Los plazos de entrega y la disponibilidad suelen ser excelentes para ambos tipos de productos en formatos estándar; para artículos fabricados de gran tamaño o certificaciones especiales de fábrica, conviene verificar con los proveedores el impacto en los plazos de entrega.
10. Resumen y recomendación
| Criterio | 304 | 304L |
|---|---|---|
| Soldabilidad (resistencia a la sensibilización) | Bueno; requiere cuidado en soldaduras gruesas. | Mejor para soldaduras pesadas y donde no se realiza tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). |
| Resistencia-Tenacidad | Resistencia mínima ligeramente superior; tenacidad igualmente alta. | Resistencia mínima ligeramente inferior; tenacidad igualmente alta. |
| Costo | Normalmente ligeramente inferior | Generalmente un poco más caro, pero a menudo rentable para sistemas soldados. |
Recomendación: - Elija 304 si: su diseño se beneficia de una resistencia mínima ligeramente superior y puede controlar las prácticas de soldadura (bajo aporte de calor, uso de metales de relleno apropiados) o realizar un recocido de solución después de la soldadura para restaurar la resistencia a la corrosión. Elija acero inoxidable 304L si: el componente o la tubería presentarán numerosas soldaduras, el recocido de solubilización posterior a la soldadura no es práctico o existe preocupación por la corrosión intergranular en las juntas soldadas. El acero inoxidable 304L suele ser la opción más segura y de menor riesgo para recipientes a presión soldados, tanques de almacenamiento y tuberías de gran espesor donde es fundamental mantener la resistencia a la corrosión en las zonas afectadas por el calor de la soldadura y sus inmediaciones.
Nota final: Tanto el 304 como el 304L son aceros inoxidables austeníticos robustos y ampliamente especificados. La decisión de diseño suele depender de las prácticas de soldadura y de la aceptabilidad de la ligera reducción en la resistencia mínima a cambio de una mayor resistencia a la corrosión en la zona soldada. Para servicios críticos o expuestos a cloruros, considere aceros inoxidables con mayor aleación (que contengan molibdeno) o alternativas dúplex.