310S vs 309S – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros inoxidables austeníticos 310S y 309S se suelen considerar conjuntamente cuando los diseñadores deben equilibrar el rendimiento a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y el coste del material. Entre los contextos de decisión típicos se incluyen los componentes de hornos y los dispositivos de tratamiento térmico (donde predominan la resistencia a la oxidación y a la formación de incrustaciones), los componentes de escape y conductos de humos (ciclos térmicos y corrosión) y los conjuntos soldados donde se debe minimizar el riesgo de deformación y fisuración.

La principal diferencia práctica entre estos dos grados radica en su estrategia de aleación: la proporción de cromo y níquel difiere, lo que produce diferencias apreciables en la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, la ductilidad a temperaturas elevadas y el coste. Dado que ambos son aceros inoxidables austeníticos con una composición química base similar, se suelen comparar al seleccionar materiales para servicio a altas temperaturas o para aplicaciones que requieren tanto resistencia a la corrosión como conformabilidad.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes:
• ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (placa, lámina)
• ES: Serie EN 10088 (donde los equivalentes a menudo se mapean por química)
• JIS/GB: Existen designaciones locales en las normas japonesas y chinas (consulte las tablas de equivalencias).
• UNS: UNS S31008 (310S), UNS S30908 (309S) — las convenciones de nomenclatura varían según el registro
• Clasificación:
• Tanto el 310S como el 309S son aceros inoxidables (familia austenítica).
• No son aceros al carbono, HSLA, aceros para herramientas ni aceros aleados templados y revenidos.

2. Composición química y estrategia de aleación

La siguiente tabla muestra los rangos de composición típicos (porcentaje en peso) que se citan habitualmente en las especificaciones industriales y las fichas técnicas de materiales. Estos son rangos nominales representativos; consulte la norma o el certificado de fábrica correspondiente para conocer los límites específicos de la adquisición.

Elemento	310S (típico, % en peso)	309S (típico, % en peso)
do	≤ 0,08	≤ 0,08
Minnesota	≤ 2.0	≤ 2.0
Si	≤ 1.0	≤ 1.0
PAG	≤ 0,045	≤ 0,045
S	≤ 0,03	≤ 0,03
Cr	24 – 26	22 – 24
Ni	19 – 22	12 – 15
Mes	≈ 0	≈ 0
V	—	—
Nótese bien	—	—
Ti	—	—
B	—	—
norte	≤ 0,10	≤ 0,10

Notas: - Las clasificaciones "S" denotan versiones con bajo contenido de carbono destinadas a reducir la sensibilización y la corrosión intergranular después de la soldadura; los límites de carbono reales dependen de la norma y la forma del producto. - Ambos grados están esencialmente libres de Mo y dependen del Cr y el Ni para estabilizar la matriz austenítica.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - Cromo (Cr): elemento principal para la resistencia a la oxidación y a la corrosión en general, así como para la resistencia a la formación de incrustaciones a altas temperaturas. Un mayor contenido de Cr mejora la estabilidad de la película pasiva y la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. - Níquel (Ni): estabilizador de austenita que mejora la ductilidad, la tenacidad y la resistencia a los ciclos térmicos; el aumento de Ni también reduce la susceptibilidad a la formación de la fase sigma en algunas condiciones. - Carbono (C): promueve la resistencia pero aumenta el riesgo de sensibilización y precipitación de carburos en el rango de 450–850 °C; los grados "S" de bajo carbono son menos propensos a la corrosión intergranular después de la soldadura. - Los elementos menores (Mn, Si) contribuyen a la resistencia y a la resistencia a la oxidación (Si) y al comportamiento de desoxidación/procesamiento (Mn).

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructura: Tanto el acero 310S como el 309S son totalmente austeníticos en estado recocido en los rangos de temperatura industriales habituales. La matriz austenítica cúbica centrada en las caras (FCC) proporciona una excelente tenacidad, incluso a temperaturas criogénicas, y una buena conformabilidad. Ninguna de las dos calidades se puede endurecer mediante temple y revenido convencionales: no sufren transformación martensítica al enfriarse. Su resistencia suele incrementarse mediante trabajo en frío.

Respuesta al tratamiento térmico: El tratamiento térmico de solubilización (normalmente entre 1010 y 1120 °C) seguido de un enfriamiento rápido restaura la ductilidad y disuelve los precipitados. Las temperaturas y los tiempos de mantenimiento exactos dependen de la forma del producto. - Debido a que el contenido de ferrita es insignificante, los tratamientos de revenido/envejecimiento utilizados para aceros o aleaciones reforzadas por precipitación no son aplicables para aumentar la resistencia. A temperaturas intermedias (aproximadamente entre 450 y 850 °C), los carburos de cromo pueden precipitarse en los límites de grano de los materiales con alto contenido de carbono, lo que provoca sensibilización y susceptibilidad a la corrosión intergranular. Las calidades "S" con bajo contenido de carbono reducen considerablemente este riesgo. Los ciclos térmicos a temperaturas elevadas pueden favorecer la formación de la fase sigma en algunos aceros inoxidables con alto contenido de cromo y contenido intermedio de níquel. Un control estricto de los tiempos de mantenimiento y evitar la exposición prolongada a temperaturas susceptibles mitiga este riesgo. El acero 310S (con alto contenido de níquel) suele ser menos susceptible a la formación de la fase sigma en muchas condiciones de servicio prácticas que otras aleaciones con alto contenido de cromo; sin embargo, se recomienda evaluar los riesgos de exposiciones prolongadas.

4. Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas se ven fuertemente influenciadas por la forma del producto (chapa, placa, barra), el trabajo en frío y el historial térmico. Muchas especificaciones industriales establecen valores mínimos para la condición recocida. Los valores de referencia típicos (recocidos) utilizados en las adquisiciones se muestran como mínimos comunes o rangos representativos:

Propiedad (temperatura ambiente, recocido)	310S (típico)	309S (típico)
Resistencia a la tracción (MPa)	≈ 515 min; rango típico 515–690	≈ 515 min; rango típico 515–690
Límite elástico al 0,2% (MPa)	≈ 205 min	≈ 205 min
Alargamiento (%, 50 mm)	~40% (depende del formato del producto)	~40% (depende del formato del producto)
resistencia al impacto	Generalmente alta; conserva su resistencia a bajas temperaturas	Generalmente alta; resistencia criogénica similar
Dureza (HB)	Dureza típica tras recocido ≈ 70–95 HB (varía con el trabajo en frío)	Similar al 310S

Interpretación: En estado recocido, ambos grados presentan propiedades mecánicas comparables, ya que ambos son austeníticos y suelen especificarse con valores mínimos similares. Las diferencias en ductilidad y tenacidad son sutiles y se acentúan a temperaturas elevadas, donde el equilibrio de aleación (Ni, Cr) influye en la resistencia a la fluencia y la estabilidad. - El trabajo en frío (endurecimiento por deformación) aumentará la resistencia y la dureza en ambos grados; el comportamiento de endurecimiento por deformación es en general similar porque ambos permanecen austeníticos.

5. Soldabilidad

Tanto el acero 310S como el 309S se consideran fácilmente soldables mediante métodos estándar (SMAW, GMAW, GTAW). Consideraciones clave para la soldadura: - El bajo contenido de carbono en los grados "S" reduce el riesgo de corrosión intergranular después de la soldadura al minimizar la precipitación de carburo de cromo. - La estructura austenítica evita la formación de martensita dura y quebradiza en la zona afectada por el calor, por lo que el agrietamiento en frío asociado con los aceros martensíticos no es un problema. - Sin embargo, la alta expansión térmica y la baja conductividad térmica en los materiales austeníticos dan lugar a una mayor distorsión y tensiones residuales; es posible que se produzcan grietas por contracción en soldaduras muy restringidas.

Índices útiles de soldabilidad: - Equivalente de carbono (fórmula IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Equivalente a corrosión por picaduras (para la evaluación de la composición de la soldadura y su susceptibilidad): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa: - Debido a que ambos grados tienen bajo contenido de carbono y alto contenido de Ni (especialmente el 310S), obtienen buenos resultados en cuanto a soldabilidad, evitando el endurecimiento y el agrietamiento de la ZAT. - El mayor contenido de Ni del 310S puede mejorar la resistencia al agrietamiento por solidificación en algunas condiciones y mantiene una matriz de austenita estable; sin embargo, un mayor contenido de aleación aumenta ligeramente las tensiones térmicas y el riesgo de distorsión. - Normalmente no se requiere precalentamiento; rara vez se realiza un tratamiento térmico posterior a la soldadura para aliviar tensiones en condiciones normales de servicio, pero cuando las temperaturas de servicio puedan causar sensibilización o formación de sigma, consulte la guía metalúrgica.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el acero inoxidable 310S como el 309S forman una película pasiva de óxido de cromo que les confiere resistencia a la corrosión en ambientes oxidantes. Su composición química, libre de molibdeno, implica que ninguno de los dos está optimizado para una alta resistencia a la corrosión por picaduras de cloruros; su resistencia a la corrosión general depende del cromo y el nitrógeno.
• El uso del PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) es menos informativo para los grados libres de Mo, pero la fórmula sigue siendo instructiva: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dado que Mo ≈ 0 para ambos, las diferencias de PREN están impulsadas por Cr y N. El 310S normalmente tiene un Cr ligeramente superior, lo que potencialmente proporciona una pequeña ventaja en la resistencia a la corrosión localizada cuando N es comparable.
• Oxidación y formación de incrustaciones a alta temperatura: el acero 310S, con mayores niveles de Cr y Ni, generalmente presenta una resistencia a la oxidación superior y una vida útil más larga en atmósferas oxidantes continuas a alta temperatura (hornos, revestimientos de hornos) en comparación con el acero 309S.
• Cuando no se requiere acero inoxidable o cuando el costo es el factor determinante, se utiliza la protección superficial convencional del acero (galvanizado en caliente, pintura, revestimiento). Estos métodos no son apropiados para entornos oxidantes de alta temperatura donde se opta por aceros inoxidables.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: Ambos grados son altamente conformables en estado recocido. El mayor contenido de níquel del 310S tiende a mejorar la ductilidad, por lo que las operaciones complejas de conformado y embutición profunda pueden favorecer al 310S, aunque en la práctica las diferencias suelen ser mínimas.
• Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos se endurecen rápidamente por deformación; su maquinabilidad suele ser inferior a la de los aceros ferríticos. Los aceros 309S y 310S presentan un comportamiento de mecanizado similar; es importante utilizar una geometría de herramienta adecuada, configuraciones rígidas y velocidades de avance controladas.
• Humos de corte y soldadura: La soldadura de acero inoxidable de alta aleación produce más humos de elementos de aleación; asegúrese de una extracción adecuada y del uso de EPI.
• Acabado superficial: Tanto el pulido como el decapado/pasivación son procesos eficaces. El trabajo en frío aumenta la dureza superficial y puede dificultar ligeramente el pulido en comparación con el material recocido.

8. Aplicaciones típicas

310S (usos comunes)	309S (usos comunes)
Componentes de hornos y tratamientos térmicos (retortas, muflas, tubos radiantes)	Revestimientos de hornos, piezas de quemadores y piezas de transición de soldadura
Equipos de proceso de alta temperatura e intercambiadores de calor en atmósferas oxidantes	Elementos arquitectónicos o estructurales expuestos a temperaturas moderadamente altas y ciclos térmicos
Procesamiento químico a temperaturas elevadas donde la resistencia a la oxidación es crítica	Sistemas de escape, componentes de chimenea y aplicaciones donde se necesita un equilibrio entre resistencia a altas temperaturas y menor costo
Soportes de aislamiento térmico para funcionamiento continuo	Revestimientos o recubrimientos para resistencia al choque térmico donde se acepta un contenido de Ni ligeramente inferior

Justificación de la selección: - Elija 310S cuando la resistencia a la oxidación a altas temperaturas, la vida útil prolongada en servicio continuo y la resistencia/ductilidad superior a altas temperaturas sean prioridades, incluso a un costo de material más elevado. - Elija 309S cuando se pueda lograr un rendimiento aceptable a un menor costo de compra, o cuando el diseño favorezca excursiones de temperatura moderadas y ciclos térmicos frecuentes en lugar de calor extremo continuo.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El acero 310S suele ser más caro que el 309S debido a su mayor contenido de níquel. La volatilidad del precio del níquel contribuye a esta diferencia de precio.
• Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en formatos comunes (lámina, placa, tubería, tubo, barra). Los tamaños especiales o las secciones gruesas pueden tener plazos de entrega más largos; el 310/310S es muy común en productos de alta temperatura, por lo que los plazos de entrega prolongados suelen ser manejables, aunque dependen de las condiciones del mercado.

10. Resumen y recomendación

Tabla resumen (cualitativa):

Atributo	310S	309S
Soldabilidad	Bien (un nivel bajo de C ayuda)	Bien (un nivel bajo de C ayuda)
Resistencia-Tenacidad (temperatura elevada)	Mejor (mayor contenido de Ni y Cr para mayor estabilidad)	Bueno (comparable a temperatura ambiente; ligeramente inferior a alta temperatura)
Costo	Mayor (más Ni)	Menor (menos Ni)

Conclusión — orientación práctica: - Elige 310S si: - La aplicación requiere una resistencia superior a la oxidación y a la formación de incrustaciones a largo plazo a altas temperaturas continuas. - La ductilidad y la estabilidad a temperaturas elevadas bajo exposición prolongada son importantes. - El coste del ciclo de vida justifica un mayor coste inicial de los materiales. - Elija 309S si: - La aplicación implica una exposición a temperaturas moderadamente altas, ciclos térmicos, o donde se acepta un rendimiento a temperaturas altas ligeramente inferiores. - El coste inicial de los materiales y su disponibilidad son las principales preocupaciones. - Se necesita un buen equilibrio entre soldabilidad, conformabilidad y una resistencia razonable a altas temperaturas.

Nota final: Tanto el 310S como el 309S son aceros inoxidables austeníticos robustos. Para cualquier aplicación crítica para la seguridad o que requiera alta temperatura a largo plazo, confirme la selección final con los datos ambientales de diseño completos, los certificados de materiales ASTM/EN pertinentes, las fichas técnicas del proveedor y, si es necesario, ensayos de laboratorio (ensayos de oxidación, de fluencia o de calificación del procedimiento de soldadura) para validar el rendimiento bajo las condiciones de servicio específicas.