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

Introducción

Los aceros inoxidables austeníticos 304H y 321H son dos ejemplos de aceros ampliamente utilizados en recipientes a presión, entornos de alta temperatura y fabricación en general. Al elegir entre ellos, los ingenieros y los equipos de compras suelen considerar la resistencia a la corrosión, el rendimiento a altas temperaturas y el coste de fabricación. Los factores que influyen en la decisión suelen ser: la temperatura de servicio (resistencia a la fluencia y a la carburización), la susceptibilidad a la sensibilización durante la soldadura y la consiguiente corrosión intergranular, así como las consideraciones de mantenimiento a lo largo de su vida útil.

La principal diferencia práctica radica en que una aleación se alea intencionalmente con un elemento estabilizador para controlar la precipitación de carburos y preservar la resistencia a la corrosión tras la exposición a temperaturas intermedias, mientras que la otra se basa en un mayor contenido de carbono para mejorar su resistencia a altas temperaturas. Dado que ambas son derivadas de la familia austenítica de la serie 300, se comparan frecuentemente cuando es necesario equilibrar las ventajas y desventajas entre la resistencia mecánica a altas temperaturas y la resistencia a largo plazo al ataque intergranular.

1. Normas y designaciones

• Normas y especificaciones internacionales comunes:
• ASTM/ASME: A240/A312 (láminas/placas y tubos de acero inoxidable), A182 (para forjados), etc.
• EN: Serie EN 10088 / Equivalentes EN ISO.
• JIS: JIS G4303, G4311, etc.
• GB: Normas nacionales chinas para aceros inoxidables.
• Clasificación:
• 304H — Acero inoxidable, acero inoxidable austenítico (variante de alto carbono del 304).
• 321H — Acero inoxidable, acero inoxidable austenítico estabilizado con titanio (variante de alto carbono del 321 donde "H" denota mayor carbono para mayor resistencia a la fluencia).

Nota: La designación numérica exacta y los límites de composición pueden variar según la norma; confirme siempre con la especificación aplicable y el certificado del fabricante.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: Rangos de composición típicos (en % peso). Los valores son rangos representativos que se utilizan comúnmente en las especificaciones; consulte la norma de control o el informe de ensayo del fabricante para conocer los límites exactos.

Elemento	304H (peso típico %)	321H (peso típico %)
do	0,04 – 0,10	0,04 – 0,10
Minnesota	≤ 2,0 (típ. 1,0–2,0)	≤ 2,0 (típ. 1,0–2,0)
Si	≤ 0,75	≤ 0,75
PAG	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17.0 – 19.0	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 10.5	8.0 – 12.0
Mes	~0 (traza)	~0 (traza)
V	rastro	rastro
Nb (Cb)	traza/0	traza/0
Ti	0 (rastro)	0,15 – 0,7 (estabilizador)
B	rastro	rastro
norte	traza (hasta ~0,1)	traza (hasta ~0,1)

Cómo afecta la aleación a las propiedades - Carbono (C): Un mayor contenido de carbono en los grados "H" aumenta el endurecimiento por solución y la resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas, pero aumenta el riesgo de formación de carburo de cromo a temperaturas intermedias si no se estabiliza. - Cromo (Cr): Elemento principal para la resistencia general a la corrosión y la formación de película de pasivación. - Níquel (Ni): Estabiliza la austenita, mejora la tenacidad y la ductilidad, y ayuda a la resistencia a la corrosión. - Titanio (Ti) en 321H: Actúa como formador de carburo que se une preferentemente al carbono para formar TiC/Ti(C,N) estable en lugar de carburos de cromo; esto reduce la sensibilización y la corrosión intergranular después de la exposición a temperaturas sensibilizantes. - Otros elementos (Mn, Si, N): Ajustan las propiedades mecánicas, el comportamiento de desoxidación y la resistencia a la corrosión por picaduras (N).

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras Ambos grados son austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado de recocido de solubilización. Sus características principales son una matriz de austenita con posibles precipitados finos de carburos, nitruros y estabilizadores, dependiendo de su composición química e historial térmico. - 304H: Con mayor contenido de carbono, aumenta la tendencia a la formación de carburos de cromo (Cr₂₃C₆) en los límites de grano al exponerse al rango de sensibilización (entre 425 y 850 °C). Si se enfría tras el recocido de solubilización sin estabilización, puede producirse sensibilización bajo ciertos ciclos térmicos. - 321H: El titanio forma preferentemente precipitados de TiC/Ti(C,N), fijando el carbono y reduciendo o evitando la precipitación de carburo de Cr en los límites de grano.

Respuesta al tratamiento térmico - Recocido de solubilización (típico para aceros inoxidables austeníticos): un recocido a alta temperatura seguido de un enfriamiento rápido restaura una austenita homogénea y disuelve la mayoría de los precipitados. Para ambos grados, el recocido de solubilización es el método estándar para eliminar la sensibilización previa si es posible realizar solubilizaciones completas. - Estabilización: El contenido de titanio del 321H no requiere un tratamiento térmico de estabilización especial más allá del recocido de solución normal; la estabilización se produce metalúrgicamente a través de la formación de TiC. - Trabajo en frío y envejecimiento: El trabajo en frío aumenta la resistencia, pero puede incrementar la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión bajo tensión en ambientes clorados para cualquier acero inoxidable austenítico. - Normalización/templado y revenido: No aplicable en el sentido tradicional porque se trata de grados de acero inoxidable austeníticos no transformables; no responden al temple y revenido de la misma manera que los aceros ferríticos o martensíticos.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades mecánicas (temperatura ambiente, condiciones de recocido/recocido de solubilización). Estos valores son representativos y dependen en gran medida de la forma del producto, la temperatura y el tratamiento térmico.

Propiedad	304H (típico)	321H (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	~500 – 700	~480 – 700
Límite elástico (0,2% de prueba, MPa)	~200 – 310	~200 – 310
Alargamiento (%)	~40 – 60	~40 – 60
Resistencia al impacto (Charpy V, J)	Buen rendimiento en RT; disminuye con el trabajo en frío.	Buen rendimiento en RT; disminuye con el trabajo en frío.
Dureza (HB/HRB)	Relativamente bajo en estado recocido	Similar al acero 304H en estado recocido

Explicación Resistencia: Ambos grados presentan propiedades de tracción y límite elástico muy similares en estado recocido. Pueden existir ligeras diferencias debido al contenido de níquel y a pequeñas variaciones en el estado del carbono/estabilizador. El refuerzo de carbono "H" proporciona una mayor resistencia a altas temperaturas en comparación con el acero inoxidable 304 estándar a temperaturas de servicio elevadas. Tenacidad/ductilidad: La estructura austenítica confiere una excelente ductilidad y tenacidad a temperatura ambiente. El trabajo en frío y los precipitados que provocan fragilidad (por ejemplo, carburos de cromo continuos) pueden reducir la tenacidad. Temperaturas elevadas: Los aceros 304H y 321H conservan su ductilidad a temperaturas elevadas; sin embargo, debido a la resistencia del 321H a la precipitación de carburos, se prefiere cuando se prevén exposiciones repetidas o prolongadas en el rango de sensibilización y cuando las propiedades anticorrosivas tras ciclos térmicos son críticas. Para obtener información sobre la resistencia a la fluencia a largo plazo a altas temperaturas, consulte los datos de fluencia específicos del producto/colada.

5. Soldabilidad

Tanto el acero 304H como el 321H se consideran soldables mediante procesos estándar (SMAW, GMAW/MIG, GTAW/TIG, etc.), pero existen consideraciones importantes:

• Carbono/templabilidad: Un mayor contenido de carbono aumenta el riesgo de sensibilización o formación de intermetálicos frágiles en la ZAT. La estabilización (321H) minimiza este riesgo al fijar el carbono.
• Índices de soldabilidad: Las fórmulas empíricas comúnmente utilizadas para estimar el riesgo de soldabilidad incluyen:
• Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Índice de Dearden & Smith (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 (cualitativa): Valores más altos de $CE_{IIW}$ o $P_{cm}$ se correlacionan con una mayor templabilidad y un mayor riesgo de fisuración en la ZAT en aceros al carbono; para aceros inoxidables austeníticos, estas fórmulas se utilizan con precaución. El mayor contenido de carbono del 304H puede aumentar la sensibilidad a la precipitación de carburos en la ZAT y requiere atención a la temperatura entre pasadas y a los tratamientos posteriores a la soldadura. El 321H generalmente presenta mejor resistencia al ataque intergranular después de la soldadura debido a la estabilización con titanio; esto hace que el 321H sea preferible en ensamblajes soldados de alta temperatura donde se produce exposición al rango de sensibilización.

Orientación práctica - Utilice consumibles con bajo contenido de oxígeno y azufre y metales de relleno adecuados (equivalentes coincidentes o estabilizados). - Controlar el aporte de calor y las temperaturas entre pasadas para limitar la precipitación en los límites de grano. - Para servicios críticos donde la corrosión intergranular es inaceptable, seleccione grados estabilizados (321/321H) o aplique un recocido de solución posterior a la soldadura cuando sea factible.

6. Corrosión y protección de superficies

• Contexto del acero inoxidable austenítico: Ambos son aceros inoxidables; su resistencia general a la corrosión en ambientes oxidantes es excelente gracias a la pasivación con cromo. El ataque localizado (picaduras/grietas) depende de los niveles de cloruros y no presenta diferencias significativas entre ambos cuando la composición y el acabado superficial son similares.
• Sensibilización y corrosión intergranular: El acero 304H, con alto contenido de carbono, es más propenso a formar carburos de cromo tras la exposición térmica en el rango de temperatura de sensibilización, lo que puede provocar corrosión intergranular. El estabilizador de titanio del acero 321H reduce este riesgo al formar carburos de titanio.
• El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) no es muy útil para estas aleaciones de la serie 300 sin molibdeno, pero la fórmula general es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ En estos grados, el Mo es prácticamente cero, por lo que las diferencias de PREN son mínimas y dependen principalmente del contenido de nitrógeno.
• Protección de superficies para escenarios que no sean de acero inoxidable: No aplicable en este caso; sin embargo, en entornos altamente agresivos pueden ser necesarios recubrimientos adicionales o protección catódica.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: La estructura austenítica proporciona una excelente conformabilidad y capacidad de embutición profunda para ambos grados en estado recocido. El trabajo en frío aumenta la resistencia, pero reduce la ductilidad.
• Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos típicos presentan una maquinabilidad de baja a moderada en comparación con los aceros al carbono; un mayor contenido de carbono (304H/321H) no mejora sustancialmente la maquinabilidad. Utilice materiales de herramientas adecuados (puntas de carburo), configuraciones rígidas y herramientas con un ángulo de ataque positivo elevado. Es de esperar que se produzca endurecimiento por deformación durante el mecanizado, por lo que el control de la viruta y los parámetros de corte son importantes.
• Acabado superficial y pulido: Ambos se pulen y acaban bien; el 321H puede requerir parámetros de decapado/pulido ligeramente diferentes si hay partículas de TiN/TiC presentes después de la fabricación.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos comunes por grado

304H – Aplicaciones típicas	321H – Aplicaciones típicas
Piezas de hornos, tuberías de alta temperatura y recipientes a presión donde se requiere una mayor resistencia a altas temperaturas y se puede gestionar el riesgo de sensibilización.	Componentes de escape y turbocompresores, conductos de aeronaves y aeroespaciales, tuberías de procesos químicos e intercambiadores de calor expuestos a ciclos térmicos y temperaturas de sensibilización.
Componentes de la caldera, tubos del sobrecalentador/recalentador (donde se especifica un refuerzo de carbono para la fluencia).	Componentes de motores a reacción y turbinas de gas donde la estabilización contra el ataque intergranular es fundamental.
Fabricación general donde se requiere resistencia a altas temperaturas con sensibilidad a los costos	Conjuntos soldados expuestos a rangos de temperatura intermedios que requieren resistencia a la corrosión intergranular después de la soldadura

Justificación de la selección - Elija 304H cuando se requiera resistencia a temperaturas elevadas y el ciclo térmico o la ruta de fabricación eviten una sensibilización prolongada o cuando sea factible un recocido de solución posterior a la soldadura. - Elija 321H cuando los ciclos térmicos o la soldadura en componentes expuestos al servicio hagan esencial la protección contra la sensibilización y cuando la resistencia a la corrosión intergranular a largo plazo sea una prioridad.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: Ambos grados se producen comúnmente y están ampliamente disponibles. El 321H suele tener un precio ligeramente superior al del 304H debido a la adición de titanio y al estricto control requerido para los niveles de estabilizadores. El precio depende del contenido de níquel, las condiciones del mercado y la presentación (placa, tubo, barra).
• Disponibilidad por formato: Ambos grados están ampliamente disponibles en placas, láminas, tubos y tuberías; las piezas forjadas especiales sin soldadura o de alta integridad pueden tener plazos de entrega. El acero 304H se especifica comúnmente para aceros de recipientes a presión; el 321H suele estar en stock para aplicaciones de alta temperatura y estabilizadas.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida (cualitativa)

Atributo	304H	321H
Soldabilidad	Bueno con precaución; un nivel elevado de C aumenta el riesgo de sensibilización	Muy bueno para conjuntos soldados y sometidos a ciclos térmicos (estabilizados).
Resistencia-Tenacidad (alta temperatura)	Buena resistencia a altas temperaturas debido a su mayor contenido de carbono.	Buena resistencia a altas temperaturas; la estabilización preserva la tenacidad tras los ciclos de calentamiento y enfriamiento.
Costo	De bajo a moderado	Moderado (ligeramente superior)

Recomendaciones Elija el acero inoxidable 304H si necesita una mayor resistencia a altas temperaturas en un acero inoxidable austenítico de alto carbono para aplicaciones donde la exposición térmica evita periodos prolongados en el rango de sensibilización, o donde se puede aplicar un recocido de solubilización posterior a la fabricación y una soldadura cuidadosa. Es adecuado cuando el costo es un factor importante y no se requieren las ventajas de un estabilizador. Elija 321H si: la pieza se someterá a soldadura, ciclos térmicos repetidos o servicio prolongado en el rango de temperatura de sensibilización y la resistencia a la corrosión intergranular es fundamental. Se prefiere 321H cuando se requiere minimizar el tratamiento térmico posterior a la soldadura o cuando preservar la resistencia a la corrosión después de la fabricación es un requisito primordial.

Nota final: La elección entre 304H y 321H debe realizarse considerando la temperatura de servicio específica, el ciclo térmico, el entorno corrosivo y los requisitos reglamentarios/estándares del componente. Consulte los certificados de ensayo de fábrica, los datos de fluencia/rotura para las temperaturas de operación previstas y las cualificaciones del procedimiento de soldadura al especificar cualquiera de los dos grados.