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

Introducción

Los ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción a menudo se enfrentan a la decisión de elegir entre los aceros inoxidables AISI 304 y 309S al especificar componentes para servicios corrosivos o de alta temperatura. Esta decisión suele implicar un equilibrio entre la resistencia a la corrosión y el costo (el 304 es económico y muy resistente a la corrosión a temperatura ambiente) y la estabilidad a altas temperaturas y la resistencia a la oxidación (el 309S se selecciona para aplicaciones de alta temperatura). Algunos ejemplos típicos incluyen la selección de materiales para tuberías de proceso, componentes de hornos, sistemas de escape o conjuntos soldados que experimentan temperaturas altas de forma intermitente o sostenida.

La principal diferencia técnica entre estos dos grados de acero inoxidable austenítico radica en su aleación: el 309S contiene niveles considerablemente más altos de cromo y níquel que el 304, y presenta un contenido de carbono reducido (la "S" indica bajo contenido de carbono). Este equilibrio en la aleación confiere al 309S una mayor resistencia a la oxidación y a altas temperaturas, mientras que el 304 sigue siendo la opción predeterminada para aplicaciones generales con alta resistencia a la corrosión, buena conformabilidad y donde el costo es un factor crítico.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes:
• ASTM/ASME: A240 / ASME SA240 (placa, lámina) — Tipos 304 y 309S listados.
• EN/ISO: Serie EN 10088 (diversas designaciones según la forma del producto).
• JIS/GB: Las normas japonesas y chinas tienen grados correspondientes (equivalentes a SUS304; SUS309S).
• Clasificación:
• 304: Acero inoxidable austenítico (inoxidable).
• 309S: Acero inoxidable austenítico (inoxidable), variante de alta aleación y bajo contenido de carbono destinada a servicio a altas temperaturas.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los límites y rangos de composición típicos a los que hacen referencia las especificaciones comunes (los valores son máximos o rangos nominales utilizados en las normas industriales):

Elemento	304 (límites típicos)	309S (límites típicos)
do	≤ 0,08 % en peso	≤ 0,03 % en peso (bajo en carbono “S”)
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	22,0–24,0 % en peso
Ni	8,0–10,5 % en peso	12,0–15,0 % en peso
Mes	típicamente ninguno	típicamente ninguno
V, Nb, Ti, B	rastro/ninguno	rastro/ninguno
norte	≤ ~0,10 % en peso	≤ ~0,10 % en peso

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Cromo: elemento principal para la resistencia a la oxidación y la estabilidad de la película pasiva. Un mayor contenido de Cr en el acero 309S mejora la adherencia de la capa de óxido a altas temperaturas y la resistencia a atmósferas oxidantes agresivas. - Níquel: estabiliza la fase austenítica, mejora la ductilidad y la tenacidad a altas temperaturas; un mayor contenido de Ni en el acero 309S aumenta la estabilidad térmica y la resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas. - Carbono: el menor contenido de carbono en el acero 309S (grado “S”) minimiza la precipitación de carburos y mejora la resistencia a la sensibilización durante la soldadura y la exposición a altas temperaturas. El silicio y los elementos minoritarios influyen en el comportamiento de la formación de incrustaciones por oxidación; el Si en pequeñas cantidades puede mejorar la adherencia de las incrustaciones a altas temperaturas.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Tanto el acero 304 como el 309S son totalmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado recocido. No se transforman en ferrita ni en martensita bajo ciclos térmicos normales a temperatura ambiente.
• Microestructura bajo procesamiento estándar:
• Recocido: austenita equiaxial con maclas de recocido. El tamaño de grano depende de la temperatura final de recocido y de la historia termomecánica.
• Trabajo en frío: mayor densidad de dislocaciones y potencial martensita inducida por deformación en 304 bajo trabajo en frío severo; 309S, con mayor Ni, es menos propenso a la martensita inducida por deformación.
• Respuesta al tratamiento térmico:
• Los aceros inoxidables austeníticos no se pueden endurecer mediante temple y revenido. El recocido de solubilización (por ejemplo, a 1010-1150 °C seguido de un enfriamiento rápido) restaura la resistencia a la corrosión y la ductilidad al disolver los carburos.
• La sensibilización (precipitación de carburo de cromo a 450–850 °C) se mitiga por la composición de bajo carbono del 309S y por el recocido de solución; el 304 puede sensibilizarse si se suelda incorrectamente o se mantiene en el rango de sensibilización.
• Procesamiento termomecánico:
• El mayor contenido de aleación del 309S proporciona una mejor retención de la resistencia mecánica a temperaturas elevadas y una mayor resistencia a la fluencia; ambos grados dependen del fortalecimiento por trabajo en frío a temperatura ambiente.

4. Propiedades mecánicas

Debido a que las propiedades varían según la forma y el temple del producto, la tabla a continuación proporciona evaluaciones comparativas y cualitativas en lugar de garantías numéricas absolutas.

Propiedad	304	309S	Comentario
Resistencia a la tracción	rango austenítico típico	Ligeramente superior (reforzado por la solución de Ni/Cr)	El acero 309S suele presentar una resistencia a la tracción ligeramente superior en estado recocido debido a la aleación.
Fuerza de fluencia	Comparable	Comparable a ligeramente superior	El comportamiento de fluencia es similar; las diferencias dependen del trabajo en frío.
Alargamiento (ductilidad)	Alta (excelente conformabilidad)	Bien, pero normalmente un poco inferior a 304.	El menor contenido de aleación del acero 304 generalmente permite un conformado más fácil y una mayor elongación.
resistencia al impacto	Muy bueno a temperaturas ambiente	Muy bueno; conserva mejor su resistencia a temperaturas elevadas.	Ambos conservan su tenacidad a bajas temperaturas; el 309S muestra una mejor retención de la tenacidad a altas temperaturas.
Dureza	Bajo (el trabajo lo endurece)	Ligeramente superior en estado recocido	La dureza aumenta con el trabajo en frío para ambos grados.

Interpretación: El acero 309S generalmente ofrece una resistencia ligeramente mayor y un rendimiento superior a temperaturas elevadas, mientras que el acero 304 proporciona una excelente ductilidad y conformabilidad para aplicaciones a temperatura ambiente.

5. Soldabilidad

• Ambos grados son altamente soldables con metales de aporte estándar de acero inoxidable austenítico. Debido a su carácter austenítico, la soldabilidad suele ser excelente (en la mayoría de los casos no se requiere precalentamiento para mitigar el agrietamiento por hidrógeno).
• Nivel de carbono y aleación:
• El acero 309S tiene un límite de carbono más bajo para reducir la sensibilización; su mayor contenido de Ni reduce la tendencia a la fase sigma y promueve una estructura dúctil del metal de soldadura.
• El acero 304 puede ser más susceptible a la sensibilización en la zona afectada por el calor (ZAC) si el enfriamiento es lento; se puede utilizar acero 304L de bajo carbono o un recocido de solución posterior a la soldadura para mitigar la sensibilización.
• La templabilidad y el agrietamiento de la ZAT no suelen ser factores limitantes para estos grados austeníticos.
• Uso de índices predictivos de soldabilidad:
• Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Cromo equivalente (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: El mayor contenido de Cr y Ni del acero 309S aumenta los términos de aleación, pero su bajo contenido de carbono reduce la contribución de C. En la práctica, los soldadores suelen utilizar material de aporte con una aleación similar o ligeramente superior (por ejemplo, material de aporte 309L) al unir aceros distintos o cuando se requiere una soldadura con una resistencia superior a la oxidación a altas temperaturas.

6. Corrosión y protección de superficies

• Acero inoxidable (tanto 304 como 309S): la resistencia a la corrosión está determinada principalmente por el contenido de cromo y la integridad de la película pasiva.
• Para la corrosión acuosa a temperatura ambiente, el acero inoxidable 304 ofrece un excelente rendimiento en diversos entornos (procesamiento de alimentos, exposición a productos químicos leves). El acero inoxidable 309S no suele mejorar significativamente la resistencia a la corrosión acuosa con respecto al 304; su ventaja radica en las temperaturas elevadas.
• Para la oxidación a alta temperatura y el calentamiento cíclico, el acero 309S forma una capa de óxido más protectora y adherente debido a su mayor contenido de Cr y Ni, lo que lo hace preferible para piezas de hornos, quemadores e intercambiadores de calor.
• Uso de PREN (para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras donde Mo y N son significativos): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• El valor PREN no es particularmente informativo para 304 o 309S porque ninguno de los dos grados contiene cantidades significativas de Mo; las contribuciones de nitrógeno son menores, por lo que los números PREN no reflejarán sus diferencias primarias en el rendimiento de oxidación.
• Aceros no inoxidables: a modo de referencia, los aceros al carbono o de baja aleación requieren recubrimientos (galvanizado, pintura, recubrimientos de barrera térmica) para la protección contra la corrosión; estas medidas no se suelen aplicar a los aceros inoxidables de la misma manera.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad:
• Los aceros inoxidables austeníticos son generalmente más difíciles de mecanizar que los aceros dulces debido al endurecimiento por deformación y a su baja conductividad térmica.
• El acero 309S puede ser ligeramente más difícil de mecanizar que el 304 debido a su mayor contenido de aleación y tendencia al endurecimiento por deformación; la vida útil de la herramienta puede ser más corta y las velocidades de avance/tracción pueden ajustarse.
• Formabilidad y embutición profunda:
• El acero 304 tiene una excelente conformabilidad y se utiliza ampliamente para embutición profunda, estampado y formas complejas.
• El acero 309S es conformable pero menos adecuado para el embutido profundo extenso debido a su ductilidad ligeramente reducida y su mayor límite elástico/resistencia.
• Acabado superficial:
• Las prácticas de pulido y decapado son estándar; el acero 309S a veces requiere atención a la coloración térmica de la superficie después de un servicio a temperatura elevada, y las capas de óxido pueden requerir eliminación mecánica o química.

8. Aplicaciones típicas

304 — Usos típicos	309S — Usos típicos
Equipos para el procesamiento de alimentos, utensilios de cocina, fregaderos, molduras arquitectónicas, tuberías para procesos químicos a temperatura ambiente/moderada.	Revestimientos de hornos, herrajes para hornos, tubos radiantes, conductos de alta temperatura, quemadores, accesorios para tratamiento térmico
Intercambiadores de calor, tanques y recipientes para agua potable y muchos productos químicos	Material de aporte para soldadura para unir aceros al carbono con aceros inoxidables; soldaduras de recubrimiento que requieren resistencia a la oxidación.
Molduras, fijaciones y piezas fabricadas de uso general para automóviles	Colectores de escape y conductos de humos de alta temperatura (servicio intermitente)

Justificación de la selección: elija el 304 por su resistencia a la corrosión y conformabilidad a temperatura ambiente con una buena relación costo-beneficio; elija el 309S cuando el servicio implique temperaturas altas sostenidas o cíclicas o cuando los recubrimientos/materiales de relleno de soldadura deban resistir la oxidación.

9. Costo y disponibilidad

• Costo:
• El acero inoxidable 304 es uno de los grados de acero inoxidable más utilizados y, por lo general, es el acero inoxidable austenítico de menor costo debido a su contenido moderado de níquel.
• El acero 309S contiene significativamente más níquel (y cromo), por lo que el costo de la materia prima y, por lo tanto, el costo del producto terminado son mayores.
• Disponibilidad:
• El acero 304 es omnipresente en diversas formas de producto: lámina, placa, bobina, tubo, barra, alambre.
• El acero 309S está disponible en láminas, placas, barras y como material de aporte para soldadura, pero puede ser menos común en algunos productos especiales o en mercados más pequeños. Los plazos de entrega y las cantidades mínimas de pedido pueden ser mayores para el acero 309S en ciertos tamaños.

10. Resumen y recomendación

Criterio	304	309S
soldabilidad	Excelente; riesgo de sensibilización a menos que se controle.	Excelente; el bajo contenido de carbono reduce la sensibilización
Resistencia-Tenacidad	Muy buena tenacidad, excelente ductilidad	Resistencia a altas temperaturas ligeramente superior; buena tenacidad.
Costo	Menor (económico, ampliamente disponible)	Mayor (más aleación, mayor costo)

Recomendación: - Elija el acero inoxidable 304 si necesita un acero inoxidable austenítico rentable y altamente moldeable para condiciones de servicio de ambiente a moderadamente corrosivas donde la resistencia a la oxidación a altas temperaturas no es un requisito principal (por ejemplo, equipos para la industria alimentaria, elementos arquitectónicos, tuberías de procesos generales). Elija 309S si la pieza funcionará en entornos de alta temperatura (hornos, escapes, tubos radiantes), requiere mayor resistencia a la oxidación o a altas temperaturas, o si la aplicación incluye recubrimientos de soldadura para servicio a alta temperatura. Elija también 309S cuando se necesite un bajo contenido de carbono para evitar la sensibilización y mejorar el comportamiento de la zona afectada por el calor (ZAC) de la soldadura en ciclos de alta temperatura.

Nota final: La selección del material final debe considerar los perfiles de temperatura de servicio, las atmósferas de exposición (oxidantes o reductoras), los requisitos de carga mecánica y fluencia, los procesos de fabricación y el costo del ciclo de vida. Para aplicaciones críticas, confirme los certificados específicos del material y realice pruebas de corrosión y alta temperatura específicas para la aplicación, o consulte con el proveedor del material y con expertos en ingeniería metalúrgica.