304 frente a 321: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables austeníticos 304 y 321 se encuentran entre los grados más comúnmente especificados en diseño, fabricación y adquisición. Los ingenieros y profesionales de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas de la resistencia a la corrosión, la estabilidad a altas temperaturas, la soldabilidad y el costo al momento de elegir entre ellos. Algunos contextos típicos de decisión incluyen la fabricación de recipientes a presión, equipos para la industria alimentaria y de bebidas, componentes de intercambiadores de calor y conjuntos soldados expuestos a altas temperaturas.
La principal característica distintiva es que una de las calidades se estabiliza contra la precipitación de carburo de cromo mediante la adición intencional de un agente formador de carburo, lo que mejora la resistencia a la corrosión intergranular en el rango de sensibilización de 425–870 °C. Debido a que ambas calidades comparten matrices de cromo-níquel similares, a menudo se comparan para evaluar las ventajas incrementales en costos y rendimiento que ofrece la estabilización en aplicaciones de alta temperatura o soldadas.
1. Normas y designaciones
- Normas internacionales comunes:
- ASTM/ASME: 304 (UNS S30400 / ASTM A240), 321 (UNS S32100 / ASTM A240)
- EN: 1.4301 (304), 1.4541 (321)
- JIS: SUS304, SUS321
- GB (China): 06Cr19Ni10 (aprox. 304), 0Cr18Ni9Ti (aprox. 321)
- Clasificación: Ambos son aceros inoxidables austeníticos (inoxidables), no magnéticos en estado recocido, no son aceros al carbono, de aleación, para herramientas ni HSLA.
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento | Típico 304 (en peso %) | Típico 321 (en peso %) |
|---|---|---|
| do | ≤ 0,08 | ≤ 0,08 |
| Minnesota | ≤ 2.00 | ≤ 2.00 |
| Si | ≤ 1.00 | ≤ 1.00 |
| PAG | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,030 | ≤ 0,030 |
| Cr | 18.0–20.0 | 17.0–19.0 |
| Ni | 8.0–10.5 | 9.0–12.0 |
| Mes | 0,00–0,60 (normalmente ninguno) | 0,00–0,60 (normalmente ninguno) |
| V | — | — |
| Nb (Nb) | — (no añadido) | — (no es estabilizador primario; generalmente no está presente) |
| Ti | — (normalmente ≤ 0,10 si está presente) | 0,15–0,70 (estabilizador) |
| B | — | — |
| norte | traza hasta ~0.10 | traza hasta ~0.10 |
Notas: - La tabla enumera los rangos comerciales comunes; los límites exactos dependen de la norma específica y del formato del producto. - El grado 321 contiene deliberadamente titanio en un rango controlado para fijar el carbono en forma de carburos/nitruros de titanio en lugar de permitir la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano. - Estrategia de aleación: El cromo proporciona resistencia a la corrosión; el níquel estabiliza la estructura austenítica; el titanio en el 321 previene la sensibilización, mejorando la resistencia a la corrosión intergranular después de la soldadura o la exposición a altas temperaturas.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
- Microestructura típica (recocido): Ambos grados son totalmente austeníticos, con granos de austenita distribuidos uniformemente. Los carburos son mínimos en el 321 estabilizado correctamente y suelen estar finamente distribuidos en el 304 recocido.
- Sensibilización y estabilización:
- El acero 304 es susceptible a la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano cuando se mantiene en el rango de 425–870 °C (sensibilización), lo que puede promover la corrosión intergranular.
- El 321 forma carburos/nitruros de titanio que consumen preferentemente carbono y nitrógeno, minimizando la formación de carburo de cromo y reduciendo así la susceptibilidad al ataque intergranular.
- Respuesta al tratamiento térmico:
- Los aceros inoxidables austeníticos no se fortalecen mediante el temple y revenido típico de los aceros ferríticos/perlíticos. El recocido de solubilización (p. ej., a 1010-1150 °C según las especificaciones) seguido de un enfriamiento rápido restaura la resistencia a la corrosión y la ductilidad.
- El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante el endurecimiento por deformación y puede alterar el comportamiento frente a la corrosión; la recuperación/recocido se utiliza para restaurar la ductilidad.
- La normalización no es aplicable en el mismo sentido que para los aceros al carbono; el recocido de solubilización y el temple difieren de los procesos de normalización/temblor y revenido utilizados para ajustar la microestructura en los aceros aleados.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad (recocida) | Típico 304 | Típico 321 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | ~500–600 | ~500–600 |
| 0,2% de prueba / rendimiento (MPa) | ~170–275 (generalmente ≈205) | ~170–275 (generalmente ≈205) |
| Alargamiento (% en 50 mm) | ~40–60 | ~40–60 |
| resistencia al impacto | Buen comportamiento a temperatura ambiente; conserva su resistencia a temperaturas moderadamente bajas. | Similar al acero 304; conserva mejor su tenacidad a temperaturas de servicio elevadas debido a su estabilización. |
| Dureza (Brinell / HB) | ~100 HB (~80–200 dependiendo del endurecimiento por deformación) | ~100 HB (similar) |
Explicación: - En estado recocido, ambos grados presentan propiedades mecánicas básicas muy similares debido a que la composición química de la matriz (austenita Cr-Ni) es comparable. - El trabajo en frío o el endurecimiento por deformación aumentan notablemente la resistencia y la dureza en ambos casos. - La estabilización con titanio tiene una influencia mínima en la resistencia a temperatura ambiente, pero mejora el rendimiento bajo ciclos térmicos al prevenir la precipitación de carburos en los límites de grano que pueden fragilizar los límites de grano en el acero 304 sensibilizado.
5. Soldabilidad
- Tanto el acero 304 como el 321 se consideran fácilmente soldables mediante procesos comunes (GMAW/MIG, GTAW/TIG, SMAW). Su bajo contenido en carbono ayuda a evitar el endurecimiento del metal de soldadura y los problemas de fisuración por hidrógeno típicos de los aceros con mayor contenido de carbono.
- Consideraciones sobre soldadura:
- El acero 304 puede ser susceptible a la corrosión intergranular en la zona afectada por el calor (ZAC) si el enfriamiento es lento a través del rango de sensibilización o si el servicio expone conjuntos soldados a temperaturas de sensibilización.
- El estabilizador de titanio del 321 fija el carbono, reduciendo la precipitación de carburo de cromo en la ZAT; por lo tanto, el 321 es preferible para componentes soldados que estarán expuestos a altas temperaturas de forma prolongada.
- Índices comunes de soldabilidad (interpretación cualitativa):
- Equivalente de carbono (IIW):
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
Un valor menor de $CE_{IIW}$ indica una soldadura más fácil; ambos grados tienen equivalentes de carbono bajos en comparación con los aceros de alta aleación. - El número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) no es un índice de soldabilidad, pero es útil para la clasificación de la corrosión (ver la siguiente sección).
- Parámetro combinado simplificado:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Un valor más alto de $P_{cm}$ puede indicar una mayor tendencia al agrietamiento; el titanio aumenta ligeramente el $P_{cm}$ pero proporciona una estabilización beneficiosa contra la sensibilización. - Orientación práctica: Para la fabricación general donde la exposición a altas temperaturas posterior a la soldadura es improbable, el acero 304 es aceptable y rentable. Para componentes soldados que operarán o estarán expuestos a temperaturas de sensibilización, el acero 321 reduce el riesgo de corrosión intergranular sin necesidad de recocido de solubilización posterior a la soldadura.
6. Corrosión y protección de superficies
- Grados de acero inoxidable:
- Utilice PREN para evaluar la resistencia a la corrosión por picaduras cuando Mo y N varían:
$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Para los aceros 304 y 321, el Mo y el N son bajos, por lo que los valores de PREN son modestos y ambos no son altamente resistentes a la corrosión por picaduras en comparación con los grados dúplex o superausteníticos que contienen Mo. - Corrosión general: Ambos grados presentan una excelente resistencia a la corrosión acuosa general a temperaturas ambiente debido a su contenido de cromo.
- Corrosión intergranular: el acero 304 puede ser vulnerable después de la exposición a temperaturas de sensibilización; el acero 321 está estabilizado para reducir este riesgo.
- Aceros no inoxidables:
- No aplicable en este caso; los métodos comunes de protección de superficies no inoxidables (galvanizado, pintura) son irrelevantes para los aceros 304/321 destinados a proporcionar resistencia a la corrosión por composición.
- Cuando el acero inoxidable no es suficiente:
- Para entornos contaminados con cloruros o donde la corrosión por picaduras sea una preocupación, considere grados que contengan Mo (por ejemplo, 316) o aleaciones dúplex/superausteníticas.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad:
- Los aceros inoxidables austeníticos son generalmente más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono debido a su alto endurecimiento por deformación y su baja conductividad térmica.
- Los aceros 304 y 321 tienen una maquinabilidad comparable; son típicos las herramientas especializadas, las velocidades más lentas y los avances más pesados.
- Formabilidad:
- Su excelente ductilidad y conformabilidad en estado recocido permiten el embutido profundo y el conformado complejo para ambos grados.
- La recuperación elástica y el endurecimiento por deformación son mayores que para el acero dulce; se aplican tolerancias de conformado plano y recocidos intermedios para deformaciones severas.
- Acabado superficial:
- Ambos materiales admiten bien los acabados estándar (pulido, pasivación, electropulido). La pasivación con ácido nítrico o cítrico se utiliza comúnmente para restaurar el óxido de cromo superficial después de la fabricación.
- Soldadura y postprocesamiento:
- Para los conjuntos que deben evitar la sensibilización y no pueden someterse a un tratamiento de solución después de la soldadura, el 321 puede eliminar la necesidad de un costoso tratamiento térmico posterior a la soldadura.
8. Aplicaciones típicas
| 304 — Usos típicos | 321 — Usos típicos |
|---|---|
| Equipos para alimentos y bebidas, utensilios de cocina, fregaderos | Sistemas de escape de aeronaves, juntas de expansión y componentes de hornos de alta temperatura |
| Equipos químicos para servicios sin cloruros | Tubos de intercambiadores de calor y conjuntos soldados expuestos a 500–800 °C |
| Molduras arquitectónicas y pasamanos interiores | Conductos de gases calientes en la industria petroquímica donde existe riesgo de sensibilización |
| Recipientes a presión y tuberías a temperatura ambiente o moderada. | Componentes aeroespaciales e industriales de alta temperatura que requieren estabilización |
Justificación de la selección: - Elija el acero 304 cuando la resistencia general a la corrosión, la conformabilidad y el costo sean criterios primordiales y cuando sea improbable una exposición prolongada a temperaturas de sensibilización. - Elija 321 cuando los conjuntos o componentes soldados experimenten temperaturas cíclicas o sostenidas en el rango de sensibilización, o cuando la corrosión intergranular después de la exposición térmica sea un modo de falla crítico.
9. Costo y disponibilidad
- Coste relativo:
- El acero 304 es más común y generalmente menos costoso que el 321 debido a mayores volúmenes de producción y una química más simple.
- El acero 321 tiene un precio ligeramente superior debido a la adición de titanio y por ser un grado especial para altas temperaturas.
- Disponibilidad por formato de producto:
- El acero 304 está ampliamente disponible en láminas, placas, bobinas, tubos, barras y elementos de fijación a nivel mundial.
- El acero 321 está ampliamente disponible, pero los plazos de entrega y los tamaños de existencias pueden ser menores para algunas formas de productos (por ejemplo, tubos especiales o forjados de gran diámetro) en comparación con el acero 304.
- Consideraciones de adquisición:
- Para proyectos de gran envergadura, la volatilidad de los precios en los mercados del níquel afecta a ambos grados; el 321 puede mostrar una sensibilidad ligeramente mayor debido a series de producción más ajustadas.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | 304 | 321 |
|---|---|---|
| soldabilidad | Excelente para la mayoría de las aplicaciones; tenga en cuenta el riesgo de sensibilización a la zona afectada por el calor. | Excelente; su composición química estabilizada reduce el riesgo de corrosión intergranular tras la soldadura. |
| Resistencia-Tenacidad (recocido) | Comparable; buena tenacidad y ductilidad | Comparable; resistencia similar con estabilidad térmica mejorada |
| Costo | Inferior (más común) | Grado especial superior (estabilizado con titanio) |
Recomendaciones: - Elija 304 si: - La aplicación requiere resistencia a la corrosión de uso general a temperatura ambiente o moderada. - El coste, la disponibilidad y la facilidad de conformado/mecanizado son las principales preocupaciones. - Los conjuntos soldados no estarán expuestos a un servicio prolongado en el rango de sensibilización de 425–870 °C o es factible un tratamiento térmico posterior a la soldadura. - Elige 321 si: La pieza se soldará y funcionará o estará expuesta repetidamente a temperaturas que favorecen la precipitación de carburo de cromo (sensibilización), o en las que el recocido de solución posterior a la soldadura no es práctico. - La estabilidad a altas temperaturas y la resistencia a la corrosión intergranular son fundamentales para la misión (por ejemplo, intercambiadores de calor, sistemas de escape). Un coste de materiales ligeramente superior es aceptable a cambio de un menor mantenimiento y una mayor fiabilidad a largo plazo.
Nota final: Ambos grados son aceros inoxidables austeníticos duraderos y de uso común. La decisión entre el 304 y el 321 generalmente depende del perfil de temperatura de exposición del componente y de si se justifica la estabilización contra la corrosión intergranular (mediante la adición de titanio) para garantizar el rendimiento a largo plazo después de la soldadura o los ciclos térmicos.