310S frente a 309: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a un dilema al especificar aceros inoxidables de alta temperatura: resistencia a la corrosión, resistencia a altas temperaturas y a la fluencia, soldabilidad y coste del material. Los grados 310S y 309 (y sus variantes de bajo carbono "S") son aceros inoxidables austeníticos seleccionados para servicio a altas temperaturas, componentes de hornos y unión de metales distintos, pero su optimización difiere ligeramente.

La principal diferencia técnica entre ambos aceros radica en su composición de aleación: el 310S contiene significativamente más cromo y níquel que el 309, lo que le confiere una mayor resistencia a la oxidación a altas temperaturas y una mayor resistencia a la fluencia. Por otro lado, el 309 suele elegirse cuando se requiere un equilibrio entre buena resistencia a altas temperaturas, resistencia a la oxidación y economía (o compatibilidad para soldaduras de materiales diferentes). Dado que ambos son aceros inoxidables austeníticos con propiedades similares a temperatura ambiente, la selección generalmente se basa en la temperatura de servicio prevista, el entorno oxidante y el presupuesto.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes:
• ASTM / ASME: A240 (placa/lámina), A182 (para forjados/accesorios de tubería en algunas variantes), otras normas específicas del producto.
• EN: Serie EN 10088 (la designación varía según la numeración nacional).
• JIS y GB: equivalentes nacionales con composiciones y sufijos similares (por ejemplo, JIS SUS, GB/T).
• UNS: 309/309S (p. ej., UNS S30900/S30908), 310S (p. ej., UNS S31008).
• Clasificación: Tanto el 309 como el 310S son aceros inoxidables austeníticos (clase inoxidable), no aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA. El sufijo «S» indica la variante con bajo contenido de carbono, diseñada para reducir la sensibilización durante la soldadura.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos para los aceros comerciales 309 (y 309S) y 310S (310S de bajo carbono). Los valores son rangos representativos utilizados por la mayoría de las especificaciones y normas de las fábricas; siempre se deben consultar los certificados de producto para la adquisición de materiales para proyectos.

Elemento	309 / 309S (típico, % en peso)	310S (típico, % en peso)
do	≤ 0,08 (309S) / hasta ~0,20 (309)	≤ 0,08 (310S de bajo carbono)
Minnesota	1.0 – 2.0	1.0 – 2.0
Si	0,5 – 1,0	0,5 – 1,5
PAG	≤ 0,04 – 0,045	≤ 0,04 – 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	~22 – 24	~24 – 26
Ni	~12 – 15	~19 – 22
Mes	≤ 0,6 (normalmente nulo)	≤ 0,6 (normalmente nulo)
Nb / Ti / V	por lo general no se agrega	por lo general no se agrega
B	solo traza	solo traza
norte	traza – 0,12	traza – 0,12

Cómo afecta la aleación al rendimiento: El cromo es el principal responsable de la resistencia a la oxidación a altas temperaturas y de la resistencia a la corrosión pasiva. Un mayor contenido de cromo mejora la formación de incrustaciones a temperaturas elevadas. El níquel estabiliza la matriz austenítica, mejora la ductilidad y aumenta la resistencia a la fluencia y a altas temperaturas. El mayor contenido de níquel en el acero 310S es una de las principales razones de su excelente rendimiento a temperaturas muy elevadas. El contenido de carbono influye en la sensibilización (precipitación de carburo de cromo) durante la soldadura o el enfriamiento lento. Las calidades "S" con bajo contenido de carbono reducen el riesgo de corrosión intergranular tras la soldadura. - El manganeso y el silicio ayudan a la trabajabilidad en caliente y a la desoxidación; ninguno de los dos grados está destinado a la resistencia a la corrosión por picaduras o grietas, ya que ambos contienen poco o nada de molibdeno.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructura típica: Tanto el acero 309 como el 310S son completamente austeníticos en estado recocido. El tamaño de grano y los precipitados dependen del historial termomecánico y la velocidad de enfriamiento.
• Tratamiento térmico:
• Los aceros inoxidables austeníticos no se endurecen mediante los ciclos convencionales de temple y revenido; sus propiedades mecánicas se determinan por el trabajo en frío y la estructura del grano. El recocido de solubilización (por ejemplo, a 1040-1100 °C seguido de un enfriamiento rápido) disuelve los carburos y restaura la ductilidad.
• Para los grados “S”, el recocido de solución y el enfriamiento rápido minimizan la precipitación de carburos y preservan la resistencia a la corrosión.
• Efectos del procesamiento termomecánico:
• El trabajo en frío aumenta la resistencia (endurecimiento por deformación) y puede reducir la ductilidad; ambos grados responden de manera similar al trabajo en frío.
• A temperaturas de servicio elevadas, la exposición prolongada puede provocar el crecimiento del grano y, con mayores grados de carbono, la precipitación de carburos en los límites de grano. El mayor contenido de Ni y Cr del acero 310S tiende a ralentizar los cambios microestructurales perjudiciales a temperaturas muy altas en comparación con el acero 309.
• Normalización/templado: No aplicable de la misma manera que para los aceros ferríticos o martensíticos; el control de los ciclos térmicos y las consideraciones sobre el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) difieren porque estos grados austeníticos conservan la tenacidad y resisten el endurecimiento.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los aceros inoxidables austeníticos recocidos se ven influenciadas por la forma del producto (chapa, placa, tubo), el trabajo en frío y su composición química exacta. La tabla siguiente resume los rangos típicos representativos para el material recocido (los valores son indicativos; consulte los datos certificados del proveedor para los cálculos de diseño).

Propiedad (recocida, típica)	309 / 309S	310S
Resistencia a la tracción (MPa)	~510 – 750	~520 – 750
Límite elástico, 0,2% (MPa)	~200 – 320	~200 – 320
Alargamiento (%, en 50 mm)	~35 – 55	~35 – 55
Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J)	Dúctil a temperatura ambiente; conserva su tenacidad.	Dúctil a temperatura ambiente; conserva su tenacidad.
Dureza (HRB)	~80 – 95	~80 – 95

Interpretación: - A temperatura ambiente, ambos grados presentan rangos de resistencia y ductilidad similares; las diferencias son modestas porque ambos son austeníticos. - A temperaturas elevadas, el 310S generalmente mantiene una mejor resistencia a la oxidación y a la fluencia que el 309, debido a su mayor contenido combinado de Cr y Ni. - La resistencia al impacto a temperatura ambiente suele ser buena para ambos; ninguno de los dos grados se elige para aplicaciones de alta dureza.

5. Soldabilidad

Los aceros inoxidables austeníticos son generalmente soldables, y las variantes "S" de bajo carbono mejoran la resistencia a la sensibilización. La evaluación de la soldabilidad a menudo utiliza índices empíricos como el equivalente de carbono:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

y la fórmula Pcm más detallada:

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - El bajo contenido de carbono en los aceros 309S y 310S reduce el riesgo de precipitación de carburo de cromo y ataque intergranular después de la soldadura; esto los hace más fáciles de soldar que los grados equivalentes con alto contenido de carbono. Ambos grados presentan baja templabilidad (los aceros inoxidables austeníticos no forman martensita al enfriarse), lo que minimiza el riesgo de fisuración en frío. Los riesgos de fisuración por soldadura se deben principalmente a la fisuración por solidificación, el desgarro en caliente y la contaminación, más que a la transformación martensítica. - El 309 se utiliza frecuentemente como metal de aporte para unir aceros inoxidables con aceros al carbono (porque su composición sirve de puente entre ambos), mientras que el 310S se selecciona cuando la soldadura debe mantener una resistencia superior a la oxidación a altas temperaturas. - Generalmente no se requiere precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura para evitar la transformación martensítica, pero la atención a la dilución, las temperaturas entre pasadas y la selección del material de aporte es fundamental para el servicio a altas temperaturas y en atmósferas carburantes/oxidantes.

6. Corrosión y protección de superficies

• Como grados austeníticos inoxidables, tanto el 309 como el 310S forman una película pasiva de óxido de cromo que proporciona resistencia general a la corrosión en ambientes no agresivos.
• El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) se utiliza comúnmente para evaluar la resistencia a la picadura localizada cuando están presentes el molibdeno y el nitrógeno:

$$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$

• Aplicabilidad:
• Para los aceros 309 y 310S, el PREN tiene una utilidad limitada porque ambos suelen contener poco o nada de molibdeno y solo bajos niveles de nitrógeno; por lo tanto, su resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en ambientes que contienen cloruros es limitada en comparación con las aleaciones inoxidables que contienen Mo (por ejemplo, 316, grados dúplex).
• Oxidación a alta temperatura:
• El 310S, con su mayor contenido de Cr y Ni, tiene una resistencia superior a la formación de incrustaciones y conserva mejor su resistencia a temperaturas de servicio continuo superiores a 309.
• El acero 309 ofrece una buena resistencia a la oxidación hasta temperaturas moderadamente altas y puede resultar más económico en muchas aplicaciones de hornos y tratamientos térmicos.
• Protección de superficies para piezas no inoxidables: No aplicable para estos grados de acero inoxidable; si se utilizan en entornos agresivos con cloruros o ácidos, considere recubrimientos, revestimientos o aleaciones diferentes.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad y doblado: Ambos grados son altamente dúctiles y presentan una excelente conformabilidad en estado recocido. Las operaciones típicas de conformado de chapa son sencillas, pero debe tenerse en cuenta la recuperación elástica debido a su elevado endurecimiento por deformación.
• Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono. Los aceros 309 y 310S se endurecen rápidamente por deformación y tienen una conductividad térmica menor; esto exige configuraciones rígidas, herramientas afiladas y un control preciso de la velocidad de avance. El acero 310S puede ser ligeramente más dúctil y un poco más fácil de mecanizar en ciertas condiciones, pero ninguno de los dos se clasifica como de fácil mecanizado.
• Acabado superficial: Ambos materiales admiten acabados estándar de acero inoxidable y se pulen bien. Debe tenerse cuidado para evitar la contaminación (captación de hierro) durante la fabricación, ya que puede afectar la resistencia a la corrosión.
• Fabricación mediante soldadura: utilice la metalurgia de aporte apropiada para las condiciones de servicio; seleccione aporte 309 para juntas disímiles y aporte 310/310S cuando se requiera alta resistencia a la oxidación.

8. Aplicaciones típicas

309 / 309S (Usos comunes)	310S (Usos comunes)
Piezas y revestimientos de hornos expuestos a calentamiento cíclico	Elementos de hornos y servicio continuo a alta temperatura (calentadores, muflas)
aparatos y retortas para tratamiento térmico	Recipientes y conductos de proceso a alta temperatura (atmósferas oxidantes)
Material de aporte para soldadura para unir acero inoxidable con acero al carbono	Componentes resistentes a la corrosión/oxidación a altas temperaturas, hasta las temperaturas prácticas más elevadas.
Sistemas de escape y herrajes para hornos industriales	Intercambiadores de calor y equipos de combustión donde se necesita una alta relación Ni/Cr
Juntas de dilatación y revestimientos de chimenea	Equipos para procesos petroquímicos y de vidrio a temperaturas elevadas

Justificación de la selección: - Elija el acero 309 cuando se necesiten un buen rendimiento a altas temperaturas, pero la temperatura máxima de servicio sea moderada y cuando se una con frecuencia a aceros al carbono. - Elija 310S cuando la aplicación requiera una resistencia superior a la oxidación a largo plazo y un buen comportamiento ante la fluencia a temperaturas sostenidas más elevadas, y el presupuesto permita asumir el mayor coste de la aleación.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 310S suele ser más caro que el 309 debido a su mayor contenido de níquel y cromo. La volatilidad del precio del níquel puede afectar significativamente al precio del 310S.
• Disponibilidad: Ambos grados se producen ampliamente y están disponibles en láminas, placas, tubos y barras. Ciertos formatos de productos especializados o tamaños muy grandes de 310S pueden tener plazos de entrega más largos que el 309, dependiendo de los inventarios de las fábricas y las condiciones del mercado.
• Consejo de compras: Para proyectos sensibles al costo de los materiales, evalúe si el mayor rendimiento del 310S a temperatura de funcionamiento genera ahorros en el ciclo de vida (mayor vida útil, menos reemplazos) que compensen el mayor costo inicial de los materiales.

10. Resumen y recomendación

Propiedad	309 / 309S	310S
Soldabilidad	Excelente para soldadura de acero inoxidable; material de aporte preferido para uniones de materiales disímiles.	Excelente; el grado S con bajo contenido de carbono reduce la sensibilización
Resistencia-Tenacidad (RT)	Bueno, similar a otros austeníticos	Buena, similar a temperatura ambiente; resistencia superior a la fluencia y a la formación de incrustaciones a altas temperaturas.
Costo	Más bajo	Más alto

Recomendaciones finales: - Elija 310S si su diseño requiere la mejor resistencia a la oxidación a altas temperaturas y al desgaste por fluencia disponibles para un servicio continuo o de larga duración a temperaturas elevadas, o cuando la resistencia a la formación de óxido en el extremo superior de los rangos de temperatura austenítica sea fundamental. - Elija 309 (o 309S) si necesita un acero inoxidable austenítico rentable que ofrezca buena resistencia a altas temperaturas, compatibilidad frecuente para soldadura de metales diferentes (por ejemplo, unión con aceros al carbono o de baja aleación) y resistencia adecuada a la oxidación para servicio a temperaturas moderadamente altas.

Confirme siempre la especificación exacta de la aleación y los certificados de prueba de fábrica para los componentes críticos, y considere los datos de laboratorio o del proveedor para los límites de ruptura por fluencia, los resultados de las pruebas de oxidación y la compatibilidad del material de aporte de soldadura para el entorno y la temperatura de servicio previstos.