304 vs 309S – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

La elección entre los aceros inoxidables austeníticos 304 y 309S es una decisión frecuente en ingeniería que busca un equilibrio entre la resistencia a la corrosión, el rendimiento a altas temperaturas, la soldabilidad y el costo. Los equipos de compras y fabricación suelen optar por el 304 para una resistencia a la corrosión y una conformabilidad de uso general, mientras que el 309S se elige cuando la resistencia a la oxidación y a la formación de óxido a altas temperaturas son las principales preocupaciones.

La diferencia fundamental radica en que el acero 309S se alea para mejorar su estabilidad a altas temperaturas y su resistencia a la oxidación (mayor contenido de cromo y níquel con bajo contenido de carbono), mientras que el 304 se optimiza para ofrecer una amplia resistencia a la corrosión, buena conformabilidad y una excelente relación costo-beneficio. Dado que ambos son aceros inoxidables austeníticos, se suelen comparar cuando los diseños deben cumplir con requisitos de corrosión y temperatura.

1. Normas y designaciones

• ASTM/ASME:
• 304 — AISI/UNS S30400; rangos ASTM A240 (placas/láminas), A276 (barras), A312 (tuberías).
• 309S — AISI/UNS S30908; ASTM A240 (grado 309S) para placas/láminas, A312 para tuberías.
• EN (europeo): 304 corresponde a EN 1.4301/1.4306 (304L); 309S corresponde aproximadamente a las variantes de la familia EN 1.4828 para grados de alta temperatura (nota: la asignación directa de nombres EN varía).
• JIS/GB: Las normas locales proporcionan designaciones equivalentes (por ejemplo, SUS304 para 304).
• Clasificación: Ambos son aceros inoxidables austeníticos (aleación inoxidable resistente a la corrosión). No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los límites/rangos de composición típicos según las especificaciones de uso común. Los valores son máximos típicos o rangos nominales para grados comerciales; consulte las fichas técnicas correspondientes para conocer los límites contractuales del material.

Elemento	304 (típico, % en peso)	309S (típico, % en peso)
do	≤ 0,08	≤ 0,03
Minnesota	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 0,75	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18.0–20.0	22.0–24.0
Ni	8.0–10.5	12.0–15.0
Mes	— (normalmente ninguna)	— (normalmente ninguna)
V	—	—
Nb (Cb)	—	—
Ti	—	—
B	—	—
norte	≤ 0,10	≤ 0,10

Cómo afecta la aleación al comportamiento: - Cromo (Cr): elemento principal para la pasivación y la resistencia a la oxidación. Un mayor contenido de Cr en el acero inoxidable 309S mejora la resistencia a la formación de óxido a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión por picaduras en ciertos entornos de alta temperatura. - Níquel (Ni): estabiliza la estructura austenítica y mejora la tenacidad y la resistencia a la corrosión; un mayor contenido de Ni en el acero 309S estabiliza la austenita a temperaturas elevadas y aumenta la resistencia en caliente. - Carbono (C): el menor contenido de carbono en el 309S (grados “S”) reduce la precipitación de carburos durante la soldadura y mejora la resistencia a la corrosión intergranular; el máximo en el 304 es mayor, pero aún está controlado. - El silicio (Si) puede mejorar la resistencia a la oxidación a altas temperaturas; el manganeso (Mn) contribuye a la desoxidación y al comportamiento de procesamiento en frío. - La ausencia de molibdeno significa que ninguno de los grados está optimizado para la resistencia a la corrosión por picaduras inducida por cloruros en comparación con los grados que contienen Mo (por ejemplo, 316).

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas: Tanto el 304 como el 309S son esencialmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado de recocido de solubilización. No se transforman en martensita a temperatura ambiente bajo condiciones de recocido estándar.
• Respuesta al tratamiento térmico:
• Recocido de solución (común): calentar a ~1010–1120 °C seguido de un enfriamiento rápido (agua o aire según el tamaño de la sección) para restaurar una estructura austenítica dúctil y recristalizada.
• Ninguno de los dos grados se endurece mediante temple y revenido (no hay endurecimiento martensítico); el fortalecimiento se logra mediante trabajo en frío (endurecimiento por deformación) o mediante aleación.
• A temperaturas de servicio elevadas, el acero 309S conserva mejor la estabilidad estructural y resiste la oxidación que el 304 debido a su mayor contenido de Cr y Ni. La exposición prolongada en el rango de sensibilización (entre 450 y 850 °C) puede provocar la precipitación de carburos en las variantes con mayor contenido de carbono; el bajo contenido de carbono del 309S ayuda a evitar la sensibilización intergranular.
• El procesamiento termomecánico (laminado en frío + recocido) produce austenita dúctil de grano fino en ambos grados; las temperaturas de recristalización son similares, pero la composición del 309S modifica ligeramente el comportamiento de recristalización.

4. Propiedades mecánicas

A continuación se muestran rangos representativos de propiedades mecánicas en estado recocido para productos de chapa/placa. Estos son valores típicos; los valores reales dependen de la forma, el acabado y la norma del producto.

Propiedad (recocida)	304 (típico)	309S (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	~485–620	~515–690
Límite elástico 0,2% (MPa)	~205–310	~215–360
Elongación (%)	≥40 (calibre fino)	≥35 (calibre fino)
Resistencia al impacto (J, temperatura ambiente)	Bueno; alta resistencia	Bueno; comparable, aunque puede ser ligeramente inferior dependiendo del procesamiento.
Dureza (HB)	~120–200	~130–220

Interpretación: - El acero 309S suele presentar una resistencia a la tracción y una resistencia a la fluencia algo mayores en estado recocido debido a un mayor contenido de aleación (fortalecimiento por solución sólida). - El acero 304 es generalmente un poco más dúctil y más fácil de conformar, con una excelente tenacidad a temperatura ambiente y bajas temperaturas. Las diferencias son moderadas; para las decisiones de diseño se deben utilizar datos de prueba certificados por el proveedor para análisis deterministas.

5. Soldabilidad

• Tanto el 304 como el 309S se sueldan fácilmente con metales de aporte austeníticos estándar; el 309S se utiliza con frecuencia como aporte o recubrimiento para unir aceros diferentes o para servicio a alta temperatura debido a su mayor equilibrio Cr/Ni.
• La susceptibilidad al agrietamiento por soldadura y al agrietamiento en caliente es generalmente baja para ambos grados, pero la elección del material de aporte, el diseño de la junta y el aporte de calor son importantes.
• El uso de acero con bajo contenido de carbono (309S bajo C) reduce el riesgo de sensibilización y corrosión intergranular después de la soldadura.
• Índices comunes de soldabilidad:
• Para el equivalente de carbono (IIW):
  $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Para una predicción más amplia 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 cualitativa: ambos grados tienen un bajo contenido de carbono en comparación con los aceros martensíticos o de baja aleación y alta resistencia, por lo que rara vez se requiere precalentamiento ni precauciones especiales de soldadura. Para soldaduras críticas, de gran espesor o sometidas a esfuerzos cíclicos, consulte las especificaciones del procedimiento de soldadura y considere el uso de metales de aporte compatibles (por ejemplo, ER309L para unir acero 304 con aceros de alta aleación).

6. Corrosión y protección de superficies

• Comportamiento inoxidable: Ambos son inoxidables (forman un óxido protector rico en Cr), pero el entorno y los regímenes de temperatura determinan su rendimiento relativo.
• PREN (resistencia a la corrosión por picaduras) se aplica principalmente donde el Mo y el N contribuyen significativamente. Para referencia:
  $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Debido a que el Mo suele estar ausente y el N es bajo, los valores PREN para 304 y 309S son modestos; ninguno está optimizado para picaduras severas por cloruros en comparación con los grados que contienen Mo.
• Comportamiento relativo a la corrosión:
• 304: Excelente resistencia general a la corrosión en muchos entornos acuosos a temperatura ambiente (procesamiento de alimentos, exposición química general).
• 309S: Resistencia superior a la oxidación y la formación de incrustaciones a altas temperaturas (componentes de hornos, chimeneas de alta temperatura). En algunos entornos corrosivos gaseosos a alta temperatura, el 309S ofrece un mejor rendimiento que el 304.
• Protección de superficies no inoxidables: No aplicable a estos grados, salvo que se desee un recubrimiento o pintura adicional por motivos de resistencia al desgaste o estéticos. Para aceros que no son inoxidables, el galvanizado o la pintura serían opciones viables, pero para el 304/309S el objetivo principal es mantener la película pasiva y evitar contaminantes (p. ej., cloruros).

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: El acero 304 se conforma con mayor facilidad (embutición profunda, doblado) que el 309S debido a su ductilidad ligeramente superior y menor endurecimiento por deformación. El 309S puede requerir radios de curvatura más ajustados y mayor fuerza; el recocido previo al conformado es una práctica común para el 309S en aplicaciones de conformado preciso.
• Maquinabilidad: Ambos aceros son más difíciles de mecanizar que los aceros de fácil mecanizado. El 304 es algo más fácil de mecanizar que el 309S; es necesario ajustar las herramientas, las velocidades y los avances; se recomienda el uso de fluidos de corte de alta resistencia y herramientas de carburo.
• Acabado: Ambos materiales admiten diversos acabados superficiales (recocido brillante, decapado, pasivado). Los conjuntos soldados suelen requerir decapado y pasivado para recuperar su resistencia a la corrosión.

8. Aplicaciones típicas

304 – Usos típicos	309S – Usos típicos
Equipos para el procesamiento de alimentos, fregaderos, utensilios de cocina, tanques y recipientes para alimentos y productos farmacéuticos.	Piezas de hornos, retortas, cámaras de combustión y hornos de alta temperatura
Molduras arquitectónicas, pasamanos y aplicaciones decorativas	Intercambiadores de calor y componentes de conductos de humos expuestos a gases de alta temperatura
Equipos de procesos químicos no expuestos a un ataque severo de cloruros	Recubrimientos de soldadura y soldaduras de transición de metales diferentes; reparación de ambientes oxidantes.
Elementos de fijación, resortes (en muchos casos), tuberías y tubos para servicio a temperaturas moderadas	Mobiliario para hornos, componentes de silenciadores y soportes estructurales de alta temperatura

Justificación de la selección: - Elija el acero 304 cuando la resistencia general a la corrosión, la facilidad de conformado, el acabado superficial y un menor costo sean requisitos primordiales. - Elija 309S cuando se requiera resistencia sostenida a la oxidación a altas temperaturas, resistencia a la oxidación por corrosión, o soldadura a sistemas de aleación superior.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero 309S suele ser más caro que el 304 debido a su mayor contenido de cromo y níquel. Los precios de mercado varían según el costo del níquel.
• Disponibilidad: El acero 304 es muy común y está disponible en una amplia gama de formatos (lámina, placa, bobina, tubo, barra, alambre). El acero 309S también es muy común, pero puede encontrarse en menos combinaciones de acabado/grado y, a veces, en menos calibres o formatos especiales.
• Plazos de entrega: El modelo 304 suele tener plazos de entrega más cortos debido a los mayores volúmenes de producción; para pedidos grandes o especiales del modelo 309S, consulte con los proveedores con antelación.

10. Resumen y recomendación

Aspecto	304	309S
Soldabilidad	Excelente; prácticas estándar	Excelente; se utiliza a menudo para soldaduras de alta temperatura o de materiales disímiles.
Resistencia-Tenacidad (recocido)	Buena ductilidad, menor resistencia a la tracción/límite elástico	Resistencia ligeramente superior, buena tenacidad
Costo	Más bajo (más económico)	Mayor (premium para un rendimiento óptimo a altas temperaturas)

Recomendación: - Elija el acero inoxidable 304 si necesita un acero inoxidable rentable, altamente moldeable y ampliamente resistente a la corrosión para servicios a temperatura ambiente o moderadamente elevada (por ejemplo, procesamiento de alimentos, tanques de almacenamiento, aplicaciones arquitectónicas). - Elija 309S si la aplicación implica temperaturas altas sostenidas, ambientes de oxidación agresivos o requiere un relleno/recubrimiento para unir materiales de aleación superior, especialmente cuando la resistencia a la oxidación y la resistencia a altas temperaturas tienen prioridad sobre la facilidad de conformado y el costo.

Nota final: ambos grados son aceros inoxidables austeníticos con capacidades superpuestas; la especificación debe finalizarse en función de la temperatura de servicio real, las especies corrosivas, el método de fabricación y los informes de pruebas de materiales certificados por el proveedor.