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

Introducción

Los aceros inoxidables austeníticos 304H y 321H se especifican comúnmente para aplicaciones que requieren alta temperatura y resistencia a la corrosión. Al elegir entre ellos, los ingenieros y los profesionales de compras suelen sopesar las ventajas y desventajas de la resistencia a la corrosión, el rendimiento a altas temperaturas, la soldabilidad y el costo. Algunos contextos típicos de decisión incluyen componentes de recipientes a presión y hornos, tubos de intercambiadores de calor y tuberías en plantas petroquímicas o de generación de energía.

La principal diferencia técnica radica en su comportamiento a altas temperaturas: el acero 321H se estabiliza con titanio para resistir la precipitación de carburo de cromo y la consiguiente corrosión y oxidación en los límites de grano durante la exposición prolongada a altas temperaturas, mientras que el acero 304H, gracias a su mayor contenido de carbono, mantiene su resistencia a altas temperaturas, pero es más propenso a la sensibilización a menos que se procese cuidadosamente. Por ello, ambos grados se comparan habitualmente para su uso a temperaturas intermedias y altas, donde la oxidación, la resistencia a la fluencia y la corrosión posterior a la soldadura son factores críticos.

1. Normas y designaciones

• Normas y especificaciones comunes:
• ASTM/ASME: A240/A312 (láminas, placas y tubos para aceros inoxidables); A358/A213 para algunas aplicaciones de alta temperatura.
• EN: Serie EN 10088 (aceros inoxidables).
• JIS: Existen equivalentes JIS G4303/G4305 para la serie 300.
• GB: Normas GB/T para aceros inoxidables (normas nacionales de la República Popular China).
• Clasificación:
• Tanto el 304H como el 321H son aceros inoxidables (austeníticos).
• No son aceros al carbono, aceros para herramientas ni aceros HSLA.

2. Composición química y estrategia de aleación

Tabla: rangos de composición típicos (en % de peso) — los rangos reflejan bandas de especificación comunes; los límites exactos dependen de la norma y la forma del producto.

Elemento	304H (rangos típicos)	321H (rangos típicos)
do	0,04 – 0,10	0,04 – 0,10
Minnesota	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	17,5 – 19,5	17.0 – 19.0
Ni	8.0 – 11.0	9.0 – 12.0
Mes	Generalmente ≤ 0,6 (a menudo ausente)	Generalmente ≤ 0,6 (a menudo ausente)
V	—	—
Nótese bien	—	—
Ti	≤ 0,7 (normalmente bajo o nulo)	5 × C (min) a ≈ 0,7
B	Traza/controlado	Traza/controlado
norte	Trazas; pequeñas cantidades	Trazas; pequeñas cantidades

Notas: - El 304H es una variante con mayor contenido de carbono del 304 diseñada para mantener la resistencia a la tracción a temperaturas elevadas; no se añaden elementos estabilizantes intencionadamente. - El acero 321H está estabilizado con titanio: el titanio fija el carbono en forma de carburos/carbonitruros de titanio durante la exposición térmica, evitando la formación de carburo de cromo en los límites de grano. - La presencia de Ti en el 321H distingue su estrategia de aleación: estabilización para servicio a alta temperatura y resistencia a la corrosión intergranular después de ciclos de sensibilización.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono aumenta la resistencia a altas temperaturas, pero incrementa el riesgo de sensibilización (precipitación de carburo de cromo) que puede provocar corrosión intergranular. - El cromo proporciona resistencia a la corrosión y a la oxidación a altas temperaturas mediante la formación de una capa de óxido protectora. - El níquel estabiliza la fase austenítica, mejorando la tenacidad y la ductilidad. - El titanio (en 321H) elimina el carbono y reduce la formación de carburo de cromo, mejorando la resistencia al ataque de los límites de grano durante la exposición a altas temperaturas.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura típica (recocida): ambas calidades son totalmente austeníticas (cúbicas centradas en las caras) en estado recocido. Pueden aparecer dispersiones de carburo o carburo de titanio dependiendo del historial térmico.
• 304H: un mayor contenido de carbono produce una mayor tendencia a la precipitación de carburos (Cr₂₃C₆) tras la exposición en el rango de sensibilización (entre 450 y 850 °C). Dicha precipitación se produce en los límites de grano y puede provocar una disminución localizada del cromo y corrosión intergranular. Sin estabilización, la microestructura tras la exposición puede presentar redes continuas de carburos en los límites.
• 321H: el titanio forma preferentemente carburos/nitruros de titanio estables sobre los carburos de cromo. Esto da como resultado una menor pérdida de cromo en los límites de grano y una microestructura más resistente a la sensibilización a altas temperaturas y al ataque intergranular.

Rutas de tratamiento y procesamiento térmico: - Recocido: El recocido típico para los aceros inoxidables austeníticos (incluidos el 304H y el 321H) se realiza a unos 1010–1120 °C, seguido de un enfriamiento rápido para mantener una estructura austenítica homogénea. El enfriamiento rápido reduce la precipitación de carburos. - La normalización no es estándar para estos grados austeníticos porque no presentan la transformación ferrita-perlita típica de los aceros al carbono. - Temple y revenido: No aplicable en el sentido del acero al carbono; los aceros inoxidables austeníticos no se endurecen por transformación martensítica. - Tratamientos termomecánicos: El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante endurecimiento por deformación en ambos grados; se puede aplicar un recocido final dependiendo de las propiedades requeridas. - Para servicios que implican ciclos de temperaturas de sensibilización o requieren estabilidad a largo plazo a temperaturas elevadas, el acero 321H requiere menos control térmico posterior a la soldadura para evitar la sensibilización que el acero 304H.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades a temperatura ambiente tras el recocido (indicativos; dependen de la forma del producto, el espesor y las especificaciones exactas).

Propiedad	304H (recocido, típico)	321H (recocido, típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	480 – 700	480 – 700
Límite elástico al 0,2% (MPa)	190 – 310	190 – 310
Alargamiento (%)	40 – 60	40 – 60
Resistencia al impacto (Charpy V, temperatura ambiente)	Alta; buena ductilidad	Alta; buena ductilidad
Dureza (HB o HRB, recocida)	De baja a moderada (suave)	De baja a moderada (suave)

Interpretación: - A temperatura ambiente y en estado recocido, los aceros 304H y 321H tienen características de tracción, límite elástico y ductilidad muy similares porque ambos son aceros inoxidables austeníticos con contenidos de Cr y Ni comparables. Las diferencias se acentúan durante la exposición prolongada a altas temperaturas: el acero 304H puede perder resistencia a la corrosión localizada y ductilidad en los límites de grano si se sensibiliza; el acero 321H conserva una química de los límites de grano más estable y, por lo tanto, mantiene mejor la tenacidad y la resistencia a la corrosión en esos regímenes. - La selección de las propiedades mecánicas debe tener en cuenta la forma del producto (lámina, placa, tubo), el trabajo en frío y si el componente se utilizará en servicios de alta temperatura críticos para la fluencia.

5. Soldabilidad

Las consideraciones sobre la soldabilidad incluyen el contenido de carbono (un mayor contenido de carbono aumenta la templabilidad y el riesgo de sensibilización), la presencia de elementos estabilizadores y el control del aporte térmico.

Índices comunes de soldabilidad: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (cuando sea relevante para la evaluación de la corrosión por picaduras): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: Tanto el acero 304H como el 321H se sueldan fácilmente mediante procesos estándar (TIG, MIG, SMAW, etc.). Debido a su composición austenítica, no sufren endurecimiento martensítico y no son susceptibles al agrietamiento en frío. El mayor contenido de carbono en el acero 304H aumenta el riesgo de sensibilización tras la soldadura si el enfriamiento es lento; esto puede provocar corrosión intergranular en la zona afectada por el calor (ZAC). El recocido de solubilización posterior a la soldadura o las prácticas de enfriamiento rápido pueden mitigar este problema. El acero 321H, con estabilización de titanio, es menos propenso a la sensibilización posterior a la soldadura; el titanio fija el carbono durante el calentamiento/soldadura y forma precipitados estables de Ti(C,N), lo que reduce la pérdida de cromo en los límites de grano. Esto convierte al 321H en la opción preferida para soldaduras que estarán expuestas durante periodos prolongados en el rango de sensibilización. Para ambos grados, las buenas prácticas de soldadura —control del aporte térmico, la temperatura entre pasadas y el uso de metales de aporte adecuados— garantizan un rendimiento aceptable de la unión. Cuando la resistencia a la corrosión en la ZAT es fundamental, se recomienda elegir un grado estabilizado o alternativas de grado L con bajo contenido de carbono (p. ej., 304L).

6. Corrosión y protección de superficies

• En el caso del acero inoxidable (tanto 304H como 321H): la capa pasiva de óxido de cromo proporciona resistencia general a la corrosión. Ninguno de los dos grados contiene cantidades significativas de molibdeno, por lo que la resistencia a la corrosión localizada por picaduras y grietas en ambientes clorados es limitada en comparación con los grados que contienen molibdeno (por ejemplo, 316).
• PREN (para equivalencia de resistencia a picaduras donde Mo y N importan): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Debido a que el Mo suele estar ausente o en bajas concentraciones en 304H/321H y el N es bajo, los valores de PREN serán modestos; el PREN es más aplicable a los aceros austeníticos dúplex y con contenido de Mo.
• Corrosión/oxidación a altas temperaturas:
• El acero 321H demuestra una mayor resistencia a la corrosión intergranular relacionada con la sensibilización y a la adherencia de incrustaciones durante la exposición prolongada al rango de 500–800 °C debido a la estabilización con titanio.
• Aunque el acero 304H está diseñado para mantener la resistencia a la tracción a temperaturas elevadas, puede formar carburos de cromo en los límites de grano, lo que conduce a un agotamiento local del cromo y a una menor resistencia a la corrosión intergranular a menos que se controlen el aporte de calor y el enfriamiento.
• Materiales no inoxidables (no aplicable aquí): cuando se utilizan aceros no inoxidables, las opciones de protección incluyen galvanizado, sistemas de pintura o recubrimientos de alta temperatura; para los aceros inoxidables de alta temperatura, predominan las características de la capa de óxido protectora y la elección de la aleación.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Maquinabilidad: Ambos grados presentan características típicas de los aceros inoxidables austeníticos: el endurecimiento por deformación y el comportamiento gomoso requieren herramientas rígidas, velocidades adecuadas e insertos afilados. La maquinabilidad es moderada y similar para el 304H y el 321H; el 321H puede ser ligeramente más difícil debido a la presencia de carburos de titanio que afectan al desgaste de la herramienta.
• Conformabilidad: Ambos grados son altamente dúctiles y conformables en estado recocido. El trabajo en frío aumenta la resistencia mediante endurecimiento por deformación, pero reduce la ductilidad.
• Acabado superficial: Ambos utilizan métodos comunes de acabado de acero inoxidable (rectificado, pulido, electropulido) y responden de manera similar, aunque las inclusiones que contienen Ti en el 321H pueden afectar el comportamiento de micrograbado.
• Operaciones de soldadura y post-soldadura: Como se mencionó, el 321H reduce la necesidad de recocido de solución posterior a la soldadura cuando el servicio incluye una exposición prolongada a altas temperaturas; el 304H puede requerir más cuidado para evitar la sensibilización.

8. Aplicaciones típicas

304H — Usos típicos	321H — Usos típicos
Recipientes a presión y tuberías para sistemas de vapor a alta temperatura donde se requiere una mayor resistencia al carbono, pero se puede controlar la sensibilización.	Componentes de escape de aeronaves, piezas de hornos y tubos de intercambiadores de calor expuestos a altas temperaturas cíclicas donde se requiere estabilización
Tubos y colectores de intercambiadores de calor en calderas donde se requiere una mayor resistencia a la tracción a altas temperaturas	Equipos de procesos químicos y petroquímicos expuestos a rangos de temperatura sensibilizantes o a ciclos térmicos repetitivos
Componentes estructurales y accesorios generales para altas temperaturas donde se acepta la resistencia a la corrosión de la familia 304.	Chimeneas de escape, carcasas de convertidores catalíticos y muflas de hornos que requieren una química estable de los límites de grano a temperatura ambiente

Justificación de la selección: - Elija 304H cuando la tenacidad a temperatura ambiente y una resistencia a la tracción a temperaturas elevadas algo mayores sean necesidades primordiales y cuando se puedan controlar las prácticas de soldadura y enfriamiento para limitar la sensibilización. - Elija 321H cuando el servicio implique una exposición prolongada en el rango de temperatura de sensibilización, ciclos térmicos repetidos o cuando la oxidación/comportamiento de grietas en la ZAT sea una preocupación.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero 321H suele ser ligeramente más caro que el 304H debido a la adición de titanio y su uso específico a altas temperaturas. Los precios de mercado fluctúan con los precios del níquel y de los elementos de aleación.
• Disponibilidad: El acero 304H está ampliamente disponible en placas, láminas, tubos y barras. El acero 321H también está disponible en formatos comunes, pero los plazos de entrega para algunos tamaños o acabados especiales pueden ser más largos, dependiendo de la región.
• Consejo de compras: Especifique explícitamente la forma del producto, el tratamiento térmico requerido y cualquier requisito de recocido posterior a la soldadura para evitar desajustes en la cadena de suministro o costos de fabricación inesperados.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida

Criterio	304H	321H
Soldabilidad	Bien, pero existe riesgo de sensibilización a la zona afectada por el calor con enfriamiento lento.	Muy bien; la estabilización con Ti reduce el riesgo de sensibilización de la ZAT
Resistencia-Tenacidad	Similar a temperatura ambiente; buena resistencia a la tracción a temperaturas elevadas	Similar a temperatura ambiente; conserva la tenacidad intergranular en servicio a altas temperaturas.
Resistencia a la sensibilización/oxidación a altas temperaturas	Menor (más propenso a la precipitación de carburos)	Mayor (la estabilización con Ti mejora la estabilidad a altas temperaturas)
Costo	Más bajo	Mayor (modestamente)

Conclusión — Elija 304H si: - El componente requiere un mayor contenido de carbono para lograr resistencia a la tracción a temperaturas elevadas, pero las prácticas de servicio o soldadura minimizan el tiempo en el rango de sensibilización de 450–850 °C. El coste y la amplia disponibilidad son consideraciones primordiales, y la exposición a picaduras/corrosión es moderada.

Conclusión — Elija 321H si: - El servicio implica una exposición prolongada a temperaturas elevadas, ciclos térmicos repetidos o situaciones en las que la sensibilización posterior a la soldadura y la corrosión intergranular son motivo de preocupación. - Necesitas una aleación austenítica estabilizada que conserve mejor el cromo en los límites de grano y la resistencia a la oxidación en la ZAT y en servicio prolongado a alta temperatura.

Recomendación final: Para aplicaciones estructurales o de presión a altas temperaturas, donde la fabricación permite controlar la refrigeración y la exposición a la corrosión no es extrema, el acero 304H es una opción económica. Para componentes que estarán expuestos a altas temperaturas sostenidas, calor cíclico o entornos sensibles a la soldadura, el acero 321H ofrece una opción más robusta y de menor riesgo, a pesar de un ligero sobrecoste. Valide la selección de la aleación específica con los perfiles de temperatura de servicio reales, los procedimientos de soldadura y los datos de corrosión del entorno previsto.