304 frente a 316: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables 304 y 316 son dos de los grados austeníticos más utilizados en la industria. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción a menudo deben elegir entre ellos al equilibrar la resistencia a la corrosión, la soldabilidad, los requisitos mecánicos y el coste. Algunos contextos típicos de decisión incluyen el procesamiento de alimentos y los equipos de cocina (donde el coste y la conformabilidad son importantes) frente a los servicios marinos o químicos (donde la resistencia a la corrosión por cloruros es fundamental).
La principal diferencia metalúrgica radica en que el acero 316 está aleado con molibdeno (y a menudo presenta un contenido de níquel ligeramente superior), lo que mejora su resistencia a la corrosión localizada, especialmente a la corrosión por picaduras y por hendiduras en ambientes con cloruros. Dado que ambos son aceros inoxidables austeníticos con contenidos similares de cromo y níquel, suelen compararse para sustituciones o especificaciones.
1. Normas y designaciones
Las normas y designaciones internacionales comunes para 304 y 316 incluyen:
- ASTM/ASME: A240/A276/A312 (placa, barra, tubo respectivamente)
- EN: 1.4301 (304), 1.4401 (316) y sus variantes bajas en carbono/estabilizadas (por ejemplo, 1.4307 = 304L, 1.4404 = 316L)
- JIS: SUS304, SUS316
- GB (China): 0Cr18Ni9 (aprox. 304), 0Cr17Ni12Mo2 (aprox. 316)
Clasificación: tanto el 304 como el 316 son aceros inoxidables (austeníticos). No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni aceros HSLA.
2. Composición química y estrategia de aleación
La siguiente tabla resume los rangos de composición típicos para las calidades comerciales comunes 304 y 316 (recocidas, calidades estándar). Las normas de producto y los proveedores pueden especificar límites ligeramente diferentes; las variantes estabilizadas o de bajo carbono (por ejemplo, 304L, 316L, 316Ti, 316Nb) modifican algunos valores.
| Elemento | 304 (rango típico, % en peso) | 316 (rango típico, % en peso) |
|---|---|---|
| do | ≤ 0,08 | ≤ 0,08 |
| Minnesota | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 0,75 | ≤ 0,75 |
| PAG | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 17.0–19.0 | 16.0–18.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 10.0–14.0 |
| Mes | — (normalmente 0) | 2.0–3.0 |
| V | traza (no especificada) | traza (no especificada) |
| Nótese bien | no presente (excepto grados estabilizados) | no presente (excepto grados estabilizados) |
| Ti | no presente (excepto grados estabilizados) | no presente (excepto grados estabilizados) |
| B | traza / no especificado | traza / no especificado |
| norte | pequeño, controlado (a menudo ≤ 0,1) | pequeño, controlado (a menudo ≤ 0,1) |
Cómo afecta la aleación al rendimiento - El cromo (Cr) proporciona la película de óxido pasiva que confiere al acero inoxidable su resistencia básica a la corrosión. - El níquel (Ni) estabiliza la fase cúbica centrada en las caras (austenítica), mejorando la tenacidad, la ductilidad y el rendimiento a bajas temperaturas. - El molibdeno (Mo), presente en el acero 316, aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en ambientes que contienen cloruros y mejora la resistencia a algunos medios químicos. - El contenido de carbono afecta la resistencia y la susceptibilidad a la sensibilización (precipitación de carburos) durante el calentamiento/soldadura; las variantes de bajo carbono (304L, 316L) o los grados estabilizados mitigan la sensibilización.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructura - Tanto el 304 como el 316 son totalmente austeníticos a temperatura ambiente (cúbico centrado en las caras, FCC) después del recocido de solución estándar. - La microestructura generalmente consiste en una austenita monofásica con posibles trazas de ferrita delta, dependiendo del procesamiento y la composición.
Respuesta y procesamiento del tratamiento térmico Los aceros inoxidables austeníticos, a diferencia de los aceros ferríticos/martensíticos, no son susceptibles de tratamiento térmico para su fortalecimiento mediante temple y revenido. Sus propiedades mecánicas se determinan principalmente mediante deformación en frío y endurecimiento por deformación. - Procesos térmicos comunes: - El recocido de solución (normalmente a unos 1.050–1.100 °C seguido de enfriamiento rápido) disuelve los carburos y restaura la resistencia a la corrosión y la ductilidad. - El recocido de alivio de tensiones a temperaturas más bajas se utiliza selectivamente, pero puede conllevar el riesgo de precipitación de carburos si se mantiene en el rango de sensibilización (~500–800 °C). Sensibilización: la exposición prolongada a temperaturas entre 500 y 800 °C provoca la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano, lo que reduce el contenido de cromo en las zonas adyacentes e incrementa la susceptibilidad a la corrosión intergranular. Mitigación: se recomienda utilizar aceros con bajo contenido de carbono (304L/316L) o aceros estabilizados (TP347/316Ti) para soldadura o cuando el servicio implique temperaturas que puedan causar sensibilización. - El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante el endurecimiento por deformación, pero también aumenta la susceptibilidad a la corrosión localizada si la deformación daña la película pasiva.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas dependen de la forma del producto (lámina, placa, barra, alambre), el tratamiento térmico y el trabajo en frío. La tabla muestra rangos típicos de materiales recocidos disponibles comercialmente; los valores precisos deben confirmarse mediante certificados o normas de materiales para su adquisición.
| Propiedad (recocida, típica) | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (UTS) | ~480–620 MPa (rango típico) | ~480–620 MPa (rango típico) |
| Límite elástico (0,2 % de compensación) | ~190–310 MPa (varía según el producto) | ~190–310 MPa (varía según el producto) |
| Alargamiento (A%) | ≥ 40% (calibre fino superior) | ≥ 40% (calibre fino superior) |
| Resistencia al impacto (temperatura ambiente) | Alta; conserva la ductilidad y la tenacidad | Alto; similar o ligeramente mejor a baja temperatura |
| Dureza (recocida) | HB ~120–200 (dependiendo del endurecimiento por deformación) | HB ~120–200 (dependiendo del endurecimiento por deformación) |
Interpretación - Resistencia: En estado recocido, los aceros 304 y 316 presentan resistencias a la tracción y a la fluencia muy similares; las diferencias en la resistencia suelen ser pequeñas en comparación con los efectos del trabajo en frío o la forma del producto. Tenacidad y ductilidad: Ambos grados son tenaces y dúctiles a temperatura ambiente y bajo cero gracias a su microestructura austenítica estable. El grado 316 puede presentar una tenacidad ligeramente superior en algunos entornos de baja temperatura o altamente corrosivos debido a su aleación, pero las diferencias son mínimas. - Dureza: Ambos son relativamente blandos en estado recocido; la dureza puede aumentar sustancialmente con el trabajo en frío.
5. Soldabilidad
La soldabilidad de los aceros 304 y 316 es generalmente muy buena utilizando procesos de soldadura por fusión estándar (TIG, MIG, SMAW, etc.). Consideraciones clave:
- Nivel de carbono y sensibilización: el contenido de carbono controla la susceptibilidad a la corrosión intergranular después de la soldadura. Utilice variantes con bajo contenido de carbono (304L, 316L) o grados estabilizados (p. ej., 316Ti) para soldaduras de gran espesor o cuando el recocido de solubilización posterior a la soldadura no sea práctico.
- Dureza y templabilidad: los aceros inoxidables austeníticos tienen baja templabilidad; la formación de martensita en la ZAT de soldadura es poco común en comparación con los aceros ferríticos.
- Índices de soldabilidad (cualitativos): las fórmulas de equivalencia de carbono ayudan a evaluar el riesgo de fisuración o templabilidad. Algunos ejemplos de índices comúnmente utilizados por los ingenieros son: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ y $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Interpretación cualitativa: tanto el acero 304 como el 316 producen soldaduras dúctiles y resistentes a la fisuración con los procedimientos adecuados. El mayor contenido de molibdeno y níquel del acero 316 puede requerir especial atención en la selección del material de aporte para lograr un buen comportamiento frente a la corrosión. El recocido de solubilización posterior a la soldadura o el uso de aleaciones con bajo contenido de carbono/estabilizadas minimiza la sensibilización.
6. Corrosión y protección de superficies
Grados de acero inoxidable - La película pasiva de Cr2O3 en los aceros 304 y 316 proporciona resistencia general a la corrosión en el aire y en muchos entornos acuosos. Para la corrosión localizada (picaduras, corrosión por hendiduras) en ambientes con cloruros, el molibdeno es un elemento de aleación eficaz. Utilice el número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) como índice comparativo. $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Cualitativamente, el 316 (con Mo) tendrá un PREN más alto que el 304 y, por lo tanto, una resistencia superior a la corrosión por picaduras en medios que contienen cloruros. La sensibilización y la corrosión intergranular se producen si el carbono se combina con el cromo en los límites de grano; los grados con bajo contenido de carbono o estabilizados mitigan este problema.
Aceros no inoxidables Para los aceros al carbono y de baja aleación (que no son objeto de esta comparación), los métodos de protección contra la corrosión incluyen la galvanización, la pintura, los recubrimientos poliméricos o la protección catódica. La norma PREN no se aplica a los metales que no son inoxidables.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Conformabilidad: En general, se considera que el acero 304 es ligeramente más fácil de conformar y estirar que el 316 en estado recocido; ambos se utilizan ampliamente para embutición profunda y formas complejas. El trabajo en frío aumenta la resistencia, pero reduce la ductilidad.
- Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono debido a su endurecimiento por deformación y tenacidad. El acero 316, debido a su contenido de molibdeno y níquel, suele ser ligeramente más difícil de mecanizar que el 304 y puede generar un rápido desgaste de la herramienta; utilice herramientas afiladas, configuraciones rígidas, avances positivos y refrigerante adecuado.
- Acabado superficial: ambos tipos admiten acabados mecánicos estándar y electropulido. El acero 316 suele preferirse cuando se requiere electropulido y pasivación en ambientes clorados.
- Directrices para el conformado y la soldadura: evite el sobrecalentamiento y las temperaturas prolongadas en el rango de 500–800 °C para prevenir la sensibilización; planifique las secuencias de soldadura y la selección de materiales de relleno para preservar el rendimiento frente a la corrosión.
8. Aplicaciones típicas
| 304 — Usos típicos | 316 — Usos típicos |
|---|---|
| Equipamiento de cocina, fregaderos, equipos para el procesamiento de alimentos (sin cloro) | Componentes marinos, bombas, válvulas y accesorios expuestos al agua de mar |
| Molduras arquitectónicas y barandillas interiores | Equipos químicos y petroquímicos que manipulan cloruros o ácidos |
| Equipos para bebidas y productos lácteos | Productos farmacéuticos y dispositivos médicos donde se necesita resistencia al cloruro |
| Elementos de fijación (para uso interior), paneles decorativos | Intercambiadores de calor, tubos de condensador en plantas marinas o costeras |
| Componentes interiores y de acabado automotriz | Plataformas marinas, componentes de construcción naval, infraestructura costera |
Justificación de la selección - Elija el acero 304 cuando el servicio no implique un ataque significativo de cloruros y el costo y la conformabilidad sean prioridades. - Elija 316 cuando el servicio incluya la exposición a agua de mar, salmueras o productos químicos ricos en cloruros donde se requiera una mayor resistencia a las picaduras y grietas.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero 316 suele ser más caro que el 304 debido a que el molibdeno y, a menudo, el níquel (con mayor contenido de este elemento) incrementan el costo del material. Las diferencias de precio varían según las fluctuaciones del mercado del níquel y el molibdeno.
- Disponibilidad: El acero 304 se encuentra en mayor cantidad y en una gama más amplia de formatos (láminas, placas, barras, sujetadores) y espesores. El acero 316 también está ampliamente disponible, pero puede tener plazos de entrega más largos o cantidades mínimas de pedido más elevadas para algunos formatos especiales (por ejemplo, tubos sin soldadura de gran diámetro o placas gruesas).
- Nota de compra: al realizar el pedido, especifique el grado exacto, la forma del producto y cualquier variante baja en carbono o estabilizada para evitar sustituciones que podrían perjudicar el rendimiento anticorrosivo.
10. Resumen y recomendación
Tabla resumen (cualitativa)
| Aspecto | 304 | 316 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Excelente (usar acero inoxidable 304L o estabilizador según sea necesario) | Excelente (utilizar acero inoxidable 316L o estabilización según sea necesario) |
| Resistencia-Tenacidad | Bueno; similar al 316 en estado recocido | Bueno; similar al acero 304 en estado recocido; conserva su tenacidad en ambientes corrosivos. |
| Resistencia a la corrosión (general) | Bien | Mejor en ambientes con cloruros/picaduras debido al Mo |
| Formabilidad | Ligeramente mejor para el dibujo profundo | Ligeramente menos moldeable; mejor para condiciones de corrosión severa. |
| Maquinabilidad | Ligeramente más fácil que 316 | Un poco más exigente; el trabajo se vuelve más duro |
| Costo | Más bajo | Mayor contenido de Mo y Ni (aumenta el costo) |
Conclusiones y recomendaciones - Elija 304 si: - La aplicación es en interiores o implica un servicio sin cloruros (equipos para alimentos, acabados arquitectónicos) donde la resistencia general a la corrosión, el menor costo y la buena conformabilidad son la prioridad. - Se busca la máxima disponibilidad en diferentes formatos y tamaños de producto al menor coste de material. - Elige 316 si: - El entorno de servicio incluye cloruros, agua de mar, salmueras o medios químicos que favorecen la corrosión por picaduras y grietas. Una mayor vida útil en entornos agresivos, un mantenimiento reducido o una mayor fiabilidad del material justifican el mayor coste del material. - Se requiere un mejor rendimiento en conjuntos soldados donde la resistencia a la corrosión localizada en la zona de soldadura es fundamental (y se seleccionan opciones adecuadas de bajo carbono/estabilizadas según sea necesario).
Consejo final para la adquisición: Siempre especifique la variante exacta del grado (p. ej., 304L, 316L, 316Ti), la forma del producto, el acabado superficial y cualquier requisito de prueba o certificación. Para entornos críticos o agresivos, considere realizar pruebas de corrosión en laboratorio, ensayos de campo o la calificación del material para validar la selección del grado para el servicio previsto.