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

Introducción

El 304L y el 321 son dos aceros inoxidables austeníticos de uso común, cuya selección suele plantear un dilema en ingeniería. Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen sopesar la resistencia a la corrosión, el comportamiento durante la fabricación y la soldadura, la estabilidad a altas temperaturas y el coste al elegir entre ellos. La principal diferencia práctica radica en cómo cada aleación gestiona los carburos durante la soldadura y el servicio a altas temperaturas: el 304L se basa en un bajo contenido de carbono para evitar la sensibilización, mientras que el 321 se basa en la estabilización con titanio para fijar el carbono y prevenir la precipitación de carburo de cromo.

Debido a que ambos grados son aceros inoxidables austeníticos con contenidos similares de cromo y níquel, se comparan a menudo en tuberías, recipientes a presión, intercambiadores de calor y componentes fabricados donde la soldabilidad y la resistencia a la corrosión a altas temperaturas determinan la elección.

1. Normas y designaciones

• Normas y designaciones internacionales comunes:
• ASTM/ASME: 304L — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S30403), 321 — ASTM A240 / ASME SA-240 (UNS S32100).
• EN: 304L corresponde aproximadamente a EN 1.4307; 321 corresponde a EN 1.4541 (o variantes 1.4541/1.4550 dependiendo del contenido de titanio).
• JIS, GB: existen equivalentes nacionales con composiciones químicas y propiedades similares (consulte las normas específicas para conocer los límites exactos).
• Clasificación: Tanto el 304L como el 321 son aceros inoxidables austeníticos (familia de los aceros inoxidables). No son aceros al carbono, aceros aleados, aceros para herramientas ni aceros HSLA.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla enumera los elementos clave y los rangos o máximos típicos según las especificaciones comunes (los rangos son típicos y dependen de la norma/especificación y la forma del producto).

Elemento	304L (rangos de especificaciones típicos)	321 (rangos de especificaciones típicos)
C (máx., % en peso)	≤ 0,03	≤ 0,08
Mn (en peso %)	≤ 2.00	≤ 2.00
Si (en peso %)	≤ 0,75	≤ 0,75
P (en peso %)	≤ 0,045	≤ 0,045
S (en peso %)	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr (en peso %)	17,5–20,0	17.0–19.0
Ni (en peso %)	8.0–12.0	9.0–12.0
Mo (en peso %)	— (generalmente ≤0,10)	— (generalmente ≤0,10)
V (en peso %)	—	—
Nb (en peso %)	—	—
Ti (en peso %)	—	típicamente 0,15–0,70 (estabilizador)
B (en peso %)	—	—
N (en peso %)	≤ 0,10	≤ 0,10

Estrategia y efectos de la aleación: - El cromo (Cr) proporciona resistencia general a la corrosión mediante la formación de una película de óxido pasiva. - El níquel (Ni) estabiliza la estructura austenítica, mejorando la tenacidad y la ductilidad. - El bajo contenido de carbono en el acero 304L reduce la tendencia a la precipitación de carburo de cromo (sensibilización) durante el enfriamiento lento después de la soldadura. El titanio en el acero 321 forma carburos/nitruros de titanio estables, lo que impide la formación de carburo de cromo durante la exposición al rango de sensibilización (entre 425 y 850 °C). Esto confiere al acero 321 una ventaja para el servicio a altas temperaturas y aplicaciones que implican exposición cíclica a altas temperaturas. - La ausencia de Mo significa que ninguno de los grados está optimizado para una alta resistencia a la corrosión por picaduras de cloruros; los grados que contienen Mo (por ejemplo, 316) son preferibles para los cloruros.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura: Tanto el acero 304L como el 321 son totalmente austeníticos (estructura cúbica centrada en las caras) en estado recocido. Presentan buena tenacidad y ductilidad incluso a temperaturas criogénicas. - 304L: matriz austenítica con mínima precipitación de carburos cuando se trata térmicamente de forma adecuada o cuando el contenido de carbono se mantiene bajo. - 321: matriz de austenita con precipitados dispersos de Ti(C,N) que actúan como estabilizadores y reducen la formación de carburo de cromo en los límites de grano.

Respuesta al tratamiento térmico: Los aceros inoxidables austeníticos no son tratables térmicamente para aumentar su resistencia mediante temple y revenido, a diferencia de los aceros ferríticos/martensíticos. Sus propiedades mecánicas se obtienen mediante trabajo en frío o mediante recocido de estabilización/solubilización. - Recocido de solubilización: el calentamiento a ~1010–1120 °C seguido de un enfriamiento rápido restaura la microestructura dúctil y resistente a la corrosión para ambos grados. - 304L: debido a su bajo contenido de carbono, es menos susceptible a la corrosión intergranular después de la soldadura y no requiere estabilización. - 321: las adiciones de titanio lo hacen más tolerante al enfriamiento lento desde las temperaturas de soldadura o alivio de tensiones; el Ti debe estar presente en una cantidad suficiente para combinarse con el carbono disponible (generalmente al menos 5×C en peso).

Procesamiento termomecánico: - El trabajo en frío aumenta la resistencia y la dureza de ambos grados mediante endurecimiento por deformación; la recristalización se produce solo después del recocido de solubilización. - Exposición a temperaturas elevadas: el acero 321 tiene un mejor desempeño que los grados no estabilizados en el rango de 400–900 °C porque el Ti evita la precipitación de carburo de cromo que causa sensibilización.

4. Propiedades mecánicas

Los rangos típicos de propiedades mecánicas (estado recocido) dependen de la forma del producto (lámina, placa, barra) y de la norma; los valores que se muestran a continuación son rangos representativos para la comparación en ingeniería.

Propiedad	304L (recocido, típico)	321 (recocido, típico)
Resistencia a la tracción (UTS)	~480–700 MPa	~480–700 MPa
Límite elástico (0,2% de deformación)	~170–300 MPa	~170–300 MPa
Alargamiento (en 50 mm)	≥40% (típico)	≥40% (típico)
Resistencia al impacto (cualitativa)	Bueno, conserva su resistencia a bajas temperaturas.	Bueno, similar al acero 304L.
Dureza (HRB/HV)	Moderado (recocido)	Moderado (recocido)

Interpretación: - En estado recocido, los aceros 304L y 321 tienen una resistencia, ductilidad y tenacidad muy similares. - Las diferencias en el rendimiento mecánico suelen ser pequeñas a temperatura ambiente; la principal ventaja del 321 se manifiesta en su estabilidad a altas temperaturas y su resistencia a la fluencia/oxidación, donde la estabilización con titanio ayuda a mantener las propiedades después de una exposición prolongada.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del carbono, los elementos de aleación y la susceptibilidad al agrietamiento por solidificación o a la sensibilización.

Índices de soldabilidad relevantes: - El equivalente de carbono (IIW) es un índice ampliamente utilizado para evaluar la influencia de la soldabilidad y la templabilidad: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - El índice Pcm es otra medida relacionada con la propensión al agrietamiento en frío y la soldabilidad: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - 304L: Su contenido de carbono deliberadamente bajo reduce la contribución del carbono a la corrosión intergranular (sensibilización), disminuyendo así el riesgo de corrosión intergranular. Por ello, el acero 304L se considera fácil de soldar con metales de aporte convencionales (de composición similar o 308L), y muchos talleres de fabricación lo prefieren para estructuras soldadas que no estarán expuestas a altas temperaturas extremas. - 321: La estabilización con titanio reduce la sensibilidad a la precipitación de carburos en la zona afectada por el calor; por lo tanto, el 321 se puede soldar sin la misma restricción de bajo contenido de carbono y aún así resiste la corrosión intergranular durante el enfriamiento lento. Sin embargo, en las prácticas de soldadura se debe controlar la dilución y la selección del material de aporte; para aplicaciones críticas a altas temperaturas, se suele recomendar el uso de un material de aporte compatible con el 321 o un material de aporte estabilizado. En condiciones normales de fabricación, la fisuración por solidificación y la fisuración en caliente no suelen ser problemáticas para estos aceros inoxidables austeníticos. Normalmente, no se requiere tratamiento térmico previo ni posterior a la soldadura para espesores estructurales, pero los parámetros dependen del diseño de la unión y del servicio.

Orientación práctica: - Elija un material de aporte con bajo contenido de carbono (por ejemplo, 308L) para el metal base 304L para mantener un bajo contenido de carbono en el metal de soldadura y evitar la sensibilización. - Para el acero 321, es aceptable utilizar un material de aporte estabilizado o un material de aporte austenítico convencional que coincida con el del acero, teniendo en cuenta las temperaturas de soldadura y de servicio.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el 304L como el 321 son aceros inoxidables y su resistencia a la corrosión se basa en una capa pasiva de óxido rico en cromo. Ninguno contiene cantidades significativas de molibdeno; por lo tanto, ninguno es óptimo para entornos ricos en cloruros y propensos a la corrosión por picaduras (se preferirían los aceros 316/316L o dúplex).
• Uso de índices:
• El número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) se utiliza normalmente para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras en aceros inoxidables que contienen molibdeno: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Para 304L y 321, Mo ≈ 0, por lo que PREN se reduce a aproximadamente $\text{Cr} + 16\times\text{N}$; sin embargo, el concepto PREN es más relevante donde el Mo y el nitrógeno superior producen diferencias medibles.
• Sensibilización:
• 304L: su bajo contenido en carbono minimiza la precipitación de carburo de cromo durante la soldadura; ofrece buena resistencia a la corrosión intergranular después de la soldadura.
• 321: El Ti une el carbono, proporcionando resistencia a la sensibilización incluso si el carbono es mayor, lo cual es beneficioso para aplicaciones sostenidas a altas temperaturas.
• Los métodos de protección no inoxidables (para aceros no inoxidables), como la galvanización o la pintura, no se aplican a estos grados de acero inoxidable para el control general de la corrosión, pero pueden utilizarse con fines estéticos o de protección adicional cuando sea apropiado.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: Tanto el 304L como el 321 destacan en el conformado en frío y el embutido profundo gracias a su ductilidad austenítica. El 304L es ligeramente más popular para conformados complejos debido a su amplia disponibilidad y a su composición química consistente de bajo contenido en carbono.
• Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos presentan una maquinabilidad inferior a la de los aceros al carbono debido a su elevado endurecimiento por deformación; el acero 321 puede presentar una maquinabilidad similar a la del 304L, con ligeras diferencias en función de la microestructura final y el contenido de inclusiones. Utilice herramientas afiladas, configuraciones rígidas y velocidades de corte y avances adecuados.
• Acabado superficial: Ambos materiales responden bien a los tratamientos de pulido y pasivación. El electropulido mejora la resistencia a la corrosión y el acabado superficial.
• Fabricación mediante soldadura: el acero 304L suele requerir materiales de aporte de grado L para metales de soldadura con bajo contenido de carbono; el acero 321 puede utilizar materiales de aporte estabilizados, especialmente cuando la estructura permanecerá a temperaturas elevadas.

8. Aplicaciones típicas

304L — Usos típicos	321 — Usos típicos
Equipos para procesos químicos en ambientes moderadamente corrosivos (sin cloruros pesados).	Sistemas de escape de aeronaves y colectores de alta temperatura
Equipos para el procesamiento de alimentos, productos lácteos, tanques de fermentación y equipos de cocina	Intercambiadores de calor y componentes de hornos expuestos a servicio cíclico a alta temperatura
Tuberías, tanques y conjuntos soldados donde la resistencia a la corrosión posterior a la soldadura es importante	Componentes automotrices y petroquímicos que operan en un rango de 400 a 900 °C
Aplicaciones arquitectónicas y estructurales donde la soldabilidad y la conformabilidad son prioritarias.	Componentes que requieren estabilización contra la sensibilización durante la exposición prolongada a altas temperaturas

Justificación de la selección: - Utilice acero 304L cuando la economía de fabricación, la soldabilidad con un manejo especial mínimo y la resistencia general a la corrosión sean las prioridades. - Utilice 321 cuando el servicio incluya exposición repetida a temperaturas elevadas, ciclos térmicos o cuando sea necesaria la estabilización contra la precipitación de carburos.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero 304L suele ser más económico que el 321 debido a su mayor producción y a que no requiere el costoso inventario de elementos estabilizadores ni los procesos de fabricación complejos. El precio de mercado varía según las condiciones del mercado del níquel y el cromo.
• Disponibilidad: El acero 304L se encuentra con mayor frecuencia en una amplia variedad de formatos (lámina, placa, tubo, barra, alambre) y acabados superficiales. El acero 321 es ampliamente disponible, pero puede ser menos común en algunos formatos de productos especiales o secciones gruesas.
• Nota de compras: Para proyectos grandes, confirme las certificaciones de la fábrica y el tiempo de entrega disponible; los grados estabilizados como el 321 pueden tener plazos de entrega más largos para ciertas formas de producto.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa)

Atributo	304L	321
Soldabilidad	Excelente para fabricación en general (el bajo contenido de C reduce la sensibilización).	Muy bueno; superior para la estabilidad post-soldadura a altas temperaturas debido a la estabilización con Ti.
Resistencia-Tenacidad (ambiente)	Ductilidad y tenacidad similares y buenas.	Ductilidad y tenacidad similares y buenas.
Estabilidad a altas temperaturas	Moderado (puede sensibilizar si no se controla el carbono)	Superior para exposición cíclica/a altas temperaturas (estabilización de Ti)
Costo	Generalmente más bajo	Generalmente más alto
Disponibilidad	Muy alto	Alto, pero a veces menor en formas especializadas

Recomendación: Elija acero inoxidable 304L si su aplicación requiere una excelente resistencia a la corrosión de uso general, soldadura frecuente con prácticas de fabricación estándar, buena conformabilidad y un menor costo del material. El acero inoxidable 304L es la opción predeterminada para muchos componentes de la industria alimentaria, farmacéutica, arquitectónica y de procesamiento químico general donde la exposición a cloruros es limitada. Elija el acero 321 si los componentes estarán expuestos de forma prolongada o cíclica a temperaturas elevadas (normalmente entre 400 y 900 °C), o si la estabilidad a altas temperaturas tras la soldadura y la resistencia a la precipitación de carburos son fundamentales. El acero 321 es preferible para aplicaciones en sistemas de escape, hornos y ciertos intercambiadores de calor, donde la estabilización con titanio previene la sensibilización sin un control estricto del contenido de carbono.

Nota final: Ambos grados son aceros inoxidables austeníticos maduros y de especificación amplia. La selección óptima depende del equilibrio entre las prácticas de fabricación (especialmente los procedimientos de soldadura), el perfil de temperatura de operación, la exposición a la corrosión (cloruros vs. corrosión general) y el costo del ciclo de vida. Para estructuras soldadas críticas expuestas a altas temperaturas, consulte las normas de materiales y a los ingenieros de soldadura para especificar el metal de aporte, los tratamientos previos y posteriores a la soldadura y las pruebas de control de calidad adecuados.