304 frente a 321: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros inoxidables 304 y 321 son dos de los grados austeníticos más utilizados en la industria. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen considerar la resistencia a la corrosión, la estabilidad a altas temperaturas, la soldabilidad y el coste al elegir entre ellos. El dilema de la selección generalmente se centra en si priorizar la resistencia general a la corrosión y la rentabilidad (304) o la resistencia a la precipitación de carburos y al ataque intergranular a altas temperaturas (321).

La principal diferencia metalúrgica radica en que el acero 321 se estabiliza mediante adiciones de titanio que fijan el carbono en forma de carbonitruros, mejorando notablemente su resistencia a la corrosión intergranular tras la exposición a rangos de temperatura sensibilizantes. Debido a que ambos son austeníticos, se comparan frecuentemente para tuberías, recipientes, intercambiadores de calor y componentes fabricados que se utilizan en servicio y que pueden estar sometidos a altas temperaturas y soldadura.

1. Normas y designaciones

• 304
• Designaciones comunes: AISI 304, UNS S30400, EN 1.4301, JIS SUS304, GB 06Cr19Ni10
• Tipo: Acero inoxidable austenítico (inoxidable)
• Normas relevantes: ASTM A240 (placas), ASTM A276 (barras), ASTM A312 (tuberías), ASME SA-240, EN 10088
• 321
• Designaciones comunes: AISI 321, UNS S32100, EN 1.4541 (o variantes 1.4541/1.4878), JIS SUS321, GB 06Cr19Ni10Ti
• Tipo: Acero inoxidable austenítico (acero inoxidable estabilizado con titanio)
• Normas relevantes: ASTM A240, ASTM A312, ASME SA-240, EN 10088

Ambos se clasifican como aceros inoxidables austeníticos; no son aceros al carbono, para herramientas ni HSLA.

2. Composición química y estrategia de aleación

La tabla siguiente muestra los rangos de composición típicos (en peso %) según las normas de uso común. Los límites exactos dependen de las normas específicas y de las formas del producto; los valores indicados son representativos.

Elemento	304 (rango típico, % en peso)	321 (rango típico, % en peso)
do	≤ 0,08	≤ 0,08
Minnesota	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	18.0–20.0	17.0–19.0
Ni	8.0–10.5	9.0–12.0
Mes	— (0)	— (0)
V	—	—
Nótese bien	—	—
Ti	—	min(5 × C, 0,70) (a menudo 0,20–0,70)
B	—	—
norte	típicamente ≤ 0,10	típicamente ≤ 0,10

Resumen de la estrategia de aleación: El cromo y el níquel producen una matriz austenítica estable y proporcionan resistencia general a la corrosión. El níquel también mejora la tenacidad y la conformabilidad. El titanio en el acero 321 forma preferentemente carburos/nitruros de titanio (TiC, TiN) que previenen la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano cuando el acero se expone a temperaturas de sensibilización (aproximadamente 450–850 °C). Esta estabilización reduce la susceptibilidad a la corrosión intergranular después de la soldadura o el servicio prolongado a altas temperaturas. - Los bajos límites de carbono reducen la fuerza motriz para la precipitación de carburos; en el 304L (304 de bajo carbono), la variante “L” ofrece otra vía para reducir la sensibilización sin estabilización.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura típica: Tanto el acero 304 como el 321 son totalmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado recocido. Contienen ferrita delta ocasionalmente, dependiendo del proceso de fusión y procesamiento, pero predomina la austenita.
• Respuesta a los ciclos térmicos:
• Recocido: El recocido de solubilización (p. ej., a 1010–1150 °C según el producto) disuelve los carburos y homogeneiza el material. Se utiliza un enfriamiento rápido para evitar la sensibilización, pero el acero 321 es menos sensible porque el titanio forma carburos estables.
• Soldadura: El calentamiento localizado entre 450 y 850 °C puede provocar la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano en aleaciones no estabilizadas. El titanio de la aleación 321 fija el carbono y el nitrógeno, limitando la formación de carburo de cromo y preservando la resistencia a la corrosión intergranular.
• Procesamiento termomecánico: El trabajo en frío aumenta la densidad de dislocaciones y puede provocar la formación de martensita inducida por deformación en algunos aceros inoxidables austeníticos (menos común en grados totalmente estabilizados). Ambos grados pueden endurecerse por deformación; la recuperación se produce al calentarlos.
• Los tratamientos térmicos como la normalización, el temple y el revenido no se suelen aplicar a los aceros inoxidables austeníticos para fortalecerlos; estos se fortalecen mediante endurecimiento por deformación y solución sólida; el endurecimiento por precipitación no es aplicable a los aceros 304/321.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades que se muestran a continuación son típicas del estado recocido: forma del producto (lámina, placa, barra), espesor y valores de influencia estándar.

Propiedad (recocida)	304 (típico)	321 (típico)
Resistencia a la tracción (UTS)	500–750 MPa	500–750 MPa
Límite elástico del 0,2 %	205–310 MPa	205–310 MPa
Alargamiento (en 50 mm)	≥ 40%	≥ 40%
Impacto Charpy (temperatura ambiente)	Buena; fractura dúctil, alta energía absorbida	Similar al acero 304; conserva su tenacidad a temperaturas elevadas.
Dureza (HB)	Entre 150 y 220 HB, dependiendo del trabajo en frío.	Entre 150 y 220 HB, dependiendo del trabajo en frío.

Interpretación: En estado recocido, los aceros 304 y 321 presentan características de tracción, límite elástico y ductilidad muy similares, debido a la gran comparabilidad de su composición química. Las diferencias en el comportamiento mecánico suelen ser mínimas y quedan eclipsadas por el historial de procesamiento (trabajo en frío) o la forma del producto. Ambos materiales presentan una alta tenacidad a temperatura ambiente y mantienen una resistencia al impacto razonable a temperaturas moderadamente elevadas. La resistencia aumenta con el trabajo en frío en ambos grados.

5. Soldabilidad

Tanto el acero 304 como el 321 se consideran fácilmente soldables con las prácticas estándar de soldadura de acero inoxidable austenítico. Consideraciones para la soldadura: Contenido de carbono y estabilización: Un mayor contenido de carbono incrementa el riesgo de precipitación de carburo de cromo en la zona afectada por el calor (ZAC). El titanio del acero 321 reduce este riesgo mediante la formación de TiC/TiN, lo cual resulta especialmente valioso cuando se prevé exposición al calor posterior a la soldadura o un servicio prolongado a temperaturas de sensibilización. - La templabilidad es baja; los aceros inoxidables austeníticos no son templables por temple; los problemas de agrietamiento por hidrógeno y solidificación deben controlarse mediante el uso de metal de aporte y técnicas adecuadas.

Uso de índices de soldabilidad (orientación cualitativa): - Ejemplo de equivalente de carbono para soldadura: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Esta fórmula ayuda a predecir la susceptibilidad al agrietamiento en frío y la necesidad de tratamiento térmico previo o posterior a la soldadura en aceros. Para los aceros inoxidables austeníticos, el valor absoluto de CE es menos directamente aplicable, pero el enfoque destaca que los elementos de aleación influyen en el comportamiento de la soldadura. - Un parámetro extendido utilizado en aceros inoxidables: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ se utiliza para estimar la propensión a formar intermetálicos o ferrita delta en las soldaduras; la interpretación cualitativa sugiere que pequeñas adiciones de Ti (como en 321) alteran el equilibrio de fases en la ZAT y el metal de soldadura.

Implicaciones prácticas: - Utilice metales de aporte con contenido de carbono similar o bajo para aplicaciones 304 para evitar la sensibilización (por ejemplo, ER308L para soldar 304). - Al unir 304 que se utilizará en el rango de sensibilización, considere el material base 321, 304L de bajo carbono o metal de relleno estabilizado, según la aplicación y el costo.

6. Corrosión y protección de superficies

• Solo para aceros inoxidables (304, 321):
• La resistencia general a la corrosión depende en gran medida del contenido de cromo y de la continuidad de la película pasiva de Cr₂O₃. Ninguna de las dos calidades contiene molibdeno, por lo que su resistencia a la corrosión por picaduras en ambientes clorados es limitada en comparación con las calidades que contienen molibdeno.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) no es particularmente discriminatorio en este caso porque las contribuciones de Mo y N son pequeñas o nulas; a modo de referencia: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Para 304/321 (Mo = 0), PREN es esencialmente el contenido de Cr más cualquier pequeño efecto de N; ambos grados tienen un PREN similar.
• Corrosión intergranular: El acero 304 es susceptible a la corrosión intergranular tras su exposición en el rango de sensibilización si hay presencia de carbono y se produce precipitación de carburos en los límites de grano. El titanio del acero 321 elimina el carbono y reduce este tipo de corrosión, lo que lo convierte en la opción preferible para componentes soldados o expuestos a temperaturas elevadas de forma sostenida.
• Para aceros no inoxidables (no aplicable aquí): las protecciones comunes incluyen galvanización, pintura y recubrimientos; irrelevantes para la selección de 304/321 excepto cuando se utilizan sistemas de materiales mixtos.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte y 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. En la práctica, el acero 304 es ligeramente más fácil de mecanizar que el 321, pero las diferencias son mínimas.
• Utilice configuraciones rígidas, herramientas afiladas, velocidades de avance más altas y refrigerante apropiado para minimizar el endurecimiento por deformación.
• Formabilidad y flexión:
• Ambas calidades presentan una excelente conformabilidad en estado recocido y pueden someterse a embutición profunda y conformado. La estabilización con titanio de la aleación 321 puede reducir ligeramente la susceptibilidad a los efectos del envejecimiento por deformación en algunos casos, pero no modifica sustancialmente la conformabilidad para la mayoría de las operaciones.
• Acabado superficial:
• Ambos materiales responden bien al pulido y al electropulido; tenga en cuenta que el esmerilado o la soldadura requerirán una pasivación posterior al proceso para restaurar la resistencia a la corrosión en aplicaciones críticas.

8. Aplicaciones típicas

304 — Usos típicos	321 — Usos típicos
Equipos para el procesamiento de alimentos, electrodomésticos de cocina, fregaderos y utensilios	Colectores de escape y componentes de motor para aeronaves y la industria aeroespacial
Equipos de procesos químicos no expuestos a temperaturas elevadas y sostenidas.	Componentes de hornos y estufas, intercambiadores de calor que operan a temperaturas elevadas
Molduras arquitectónicas, pasamanos, aplicaciones decorativas	Juntas de expansión, fuelles y tuberías en servicios petroquímicos de alta temperatura
Sujetadores, resortes y molduras para automóviles	Componentes de autoclave y vapor donde la sensibilización es un problema.
Tuberías y depósitos generales para agua y productos químicos suaves	Tuberías en servicio a alta temperatura; conjuntos soldados donde es probable la sensibilización de la ZAT.

Justificación de la selección: - Elija 304 para una resistencia a la corrosión de uso general y sensible al costo, y donde las temperaturas de operación se mantengan por debajo del rango de sensibilización o donde se especifique 304L de bajo carbono para estructuras soldadas. - Elija 321 cuando los conjuntos o componentes soldados estén expuestos a temperaturas repetidas o sostenidas en el rango de sensibilización y se deba minimizar el riesgo de corrosión intergranular, o cuando se requiera resistencia a la oxidación a temperaturas moderadamente elevadas.

9. Costo y disponibilidad

• Coste: El acero 321 suele tener un precio ligeramente superior al del 304 debido a la adición de titanio y a una menor demanda. La diferencia varía según las condiciones del mercado y el formato del producto.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en láminas, placas, bobinas, tubos, tuberías y barras. El 304 es más común a nivel mundial, por lo que los plazos de entrega y la flexibilidad de abastecimiento suelen ser mejores para el 304 que para el 321, especialmente en productos especiales.
• Consejo de compras: Para proyectos grandes, especifique con anticipación el acabado, la forma del producto y cualquier requisito de certificación; considere el acero 304L como alternativa al 321 cuando la principal preocupación sea la sensibilización de la soldadura y el control de costos.

10. Resumen y recomendación

Atributo	304	321
Soldabilidad	Excelente con las precauciones estándar; usar relleno bajo en vitamina C para controlar la sensibilización.	Excelente; la estabilización reduce el riesgo de sensibilización a la zona afectada por el calor.
Resistencia-Tenacidad (recocido)	Alta tenacidad, buena ductilidad; resistencia similar a la del acero 321.	Resistencia y tenacidad comparables; mejor estabilidad tras exposición a altas temperaturas
Costo	Inferior (más común)	Mayor (estabilizado con titanio)

Conclusión y orientación práctica: - Elija 304 si necesita un acero inoxidable austenítico de uso general y rentable para servicio a temperatura ambiente, entornos de alimentos y bebidas, o aplicaciones donde la soldadura se puede controlar mediante metales de relleno de bajo carbono o donde es factible el recocido de solución posterior a la soldadura. - Elija 321 si el componente se soldará y luego se expondrá a temperaturas en el rango de sensibilización (por ejemplo, 450–850 °C) o si la pieza debe soportar ciclos térmicos repetidos o un servicio prolongado a temperatura elevada donde la precipitación de carburo comprometería de otro modo la resistencia a la corrosión y la estabilidad mecánica.

Nota final: la selección del material debe considerar las condiciones exactas de servicio (perfil de temperatura, sustancias químicas presentes, estado de tensión y proceso de fabricación). En caso de duda, consulte los datos de ensayos de corrosión o a un ingeniero metalúrgico y, si es necesario, especifique los ensayos (p. ej., ensayos de corrosión intergranular) o elija aleaciones con bajo contenido de carbono o estabilizadas para mitigar el riesgo de sensibilización.