310S frente a 321: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen enfrentarse a la decisión de elegir entre los aceros inoxidables 310S y 321 al especificar piezas que deben equilibrar el rendimiento a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la soldabilidad y el coste. Entre los contextos de decisión típicos se incluyen componentes de hornos de alta temperatura, intercambiadores de calor, sistemas de escape y conjuntos soldados que pueden estar expuestos a condiciones de sensibilización.
La principal diferencia práctica entre ambos grados radica en su estrategia de aleación para lograr estabilidad a altas temperaturas y tras la soldadura: el 310S es una aleación austenítica con alto contenido de cromo y níquel, optimizada para la resistencia a la oxidación y a la fluencia a temperaturas elevadas, mientras que el 321 es una aleación austenítica estabilizada con titanio, diseñada para resistir la corrosión intergranular tras la soldadura, evitando la precipitación de carburos de cromo. Debido a esta diferencia, los diseñadores los comparan cuando la aplicación exige simultáneamente capacidad de temperatura, buen rendimiento de la soldadura y resistencia a la corrosión a largo plazo.
1. Normas y designaciones
Las principales normas y designaciones que se utilizan habitualmente para estas calificaciones incluyen: - ASTM/ASME: 310S — ASTM A240/A240M (acero inoxidable resistente al calor), 321 — ASTM A240/A240M (acero inoxidable austenítico estabilizado). - EN (Europa): 310S aproximadamente EN 1.4845 / X10CrNi25-21; 321 aproximadamente EN 1.4541 / X6CrNiTi18-10. - JIS (Japón): existen equivalentes (por ejemplo, SUS310S, SUS321). - GB (China): las designaciones GB/T correspondientes se utilizan comúnmente para chapa y placa.
Clasificación: tanto el 310S como el 321 son aceros inoxidables austeníticos (clase de aleación inoxidable), no aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA.
2. Composición química y estrategia de aleación
| Elemento (% en peso) | 310S (rango típico) | 321 (rango típico) |
|---|---|---|
| do | ≤ 0,08 | ≤ 0,08 |
| Minnesota | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si | ≤ 1.5 | ≤ 0,75 |
| PAG | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 24 – 26 | 17 – 19 |
| Ni | 19 – 22 | 9 – 12 |
| Mes | — (rastro si lo hubiera) | — (rastro si lo hubiera) |
| V | — | — |
| Nótese bien | — | — |
| Ti | — | ~0,4 – 0,7 (estabilizador; típicamente ≥ 5×C) |
| B | — | — |
| norte | ≤ 0,10 | ≤ 0,10 |
Notas sobre la estrategia de aleación - El acero 310S se basa en altos contenidos de cromo y níquel para estabilizar una matriz austenítica a temperaturas elevadas, mejorando la resistencia a la oxidación y la resistencia a altas temperaturas. El acero 321 contiene titanio en cantidades suficientes para fijar el carbono en forma de carburos estables (TiC) y, por lo tanto, prevenir la precipitación (sensibilización) de carburos de cromo en el rango de 425–870 °C. El titanio no aumenta sustancialmente la resistencia a la corrosión base, pero la preserva después de la soldadura o la exposición térmica.
Cómo afecta la aleación a las propiedades - El cromo aumenta la resistencia a la oxidación y la estabilidad de la película pasiva. - El níquel estabiliza la matriz austenítica, mejora la tenacidad y la ductilidad, y aumenta la resistencia a temperaturas elevadas. - El titanio en el acero 321 mejora la resistencia a la corrosión intergranular posterior a la soldadura al formar carburos estables en lugar de carburos de cromo. - Un mayor contenido de carbono (poco común aquí) aumenta la resistencia pero también la susceptibilidad a la sensibilización; ambas calidades son variantes con bajo contenido de carbono para limitar ese efecto.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
microestructuras típicas Tanto el 310S como el 321 son totalmente austeníticos a temperatura ambiente en condiciones de recocido estándar. La estructura del grano es austenita equiaxial después del recocido. - El acero 321, en condiciones de soldadura o exposición, contiene precipitados de TiC/Ti(C,N) que fijan el carbono; estos precipitados suelen ser finos y se distribuyen en los límites de grano y dentro de los granos. - El acero 310S no contiene titanio: en excursiones térmicas dentro del rango de sensibilización, los carburos de cromo (Cr23C6) pueden precipitarse cerca de los límites de grano a menos que se tenga cuidado con la entrada de calor y el enfriamiento.
Respuesta y procesamiento del tratamiento térmico - Recocido: ambos materiales se recocen para recuperar la ductilidad tras el trabajo en frío (recocido típico seguido de enfriamiento controlado). Las soluciones para aceros inoxidables austeníticos suelen estar dentro del rango recomendado por las normas (consulte las fichas técnicas del proveedor). Normalización y temple/revenido: no aplicable en el mismo sentido que para los aceros martensíticos; estas aleaciones austeníticas no se endurecen mediante temple. Su respuesta al temple y revenido convencionales es mínima debido a que son aleaciones austeníticas no transformables. - Procesamiento termomecánico: el trabajo en frío aumenta la resistencia por endurecimiento por deformación en ambos grados; sin embargo, el trabajo en frío más el calentamiento posterior en 321 no produce sensibilización en la misma medida que en 310S porque el titanio estabiliza el carbono.
Implicación práctica Para componentes sometidos a ciclos térmicos repetidos o soldadura, el acero 321 ofrece una microestructura post-soldadura más predecible y mayor resistencia al ataque intergranular. Para un servicio continuo a alta temperatura y resistente a la oxidación, el mayor contenido de Cr/Ni del acero 310S ofrece una ventaja.
4. Propiedades mecánicas
| Propiedad (típica, recocida, a temperatura ambiente) | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Comparables; ambos son moderados (austeníticos). | Rango comparable; similar |
| Límite elástico (0,2 % de compensación) | Comparable; moderado | Comparable; moderado |
| Alargamiento (ductilidad) | Alta (buena conformabilidad) | Alta (buena conformabilidad) |
| resistencia al impacto | Buena resistencia a temperaturas ambiente; conserva su resistencia a temperaturas elevadas. | Bueno; conserva su tenacidad tras la exposición a la soldadura gracias a su estabilización. |
| Dureza (recocida) | De baja a moderada resistencia (fácilmente trabajable en frío) | De baja a moderada resistencia (fácilmente trabajable en frío) |
Interpretación Ambos grados presentan un comportamiento mecánico similar a temperatura ambiente, ya que ambos son aceros inoxidables austeníticos en estado recocido. Las diferencias son sutiles: el mayor contenido de níquel y cromo del 310S proporciona una resistencia a altas temperaturas y una resistencia a la fluencia ligeramente superiores; el contenido de titanio del 321 ayuda a mantener la tenacidad y la resistencia a la corrosión tras la soldadura y la exposición térmica. Para piezas estructurales críticas que soportan cargas, los diseñadores deben utilizar datos de ensayos mecánicos certificados por el proveedor para la forma del producto y el tratamiento térmico especificados.
5. Soldabilidad
Las consideraciones sobre soldabilidad se centran en el contenido de carbono, los elementos estabilizadores y la templabilidad. Para los aceros inoxidables, los equivalentes de carbono y el Pcm pueden ser indicadores cualitativos útiles.
Ecuaciones comunes utilizadas para estimar las tendencias de agrietamiento/endurecimiento de las soldaduras: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa - Tanto el 310S como el 321 son relativamente fáciles de soldar en comparación con los aceros ferríticos o martensíticos porque la microestructura austenítica no sufre transformación martensítica y tiene baja templabilidad. - El 321 tiene una ventaja para los componentes soldados sometidos a ciclos térmicos posteriores a la soldadura porque el titanio previene la formación de carburo de cromo y, por lo tanto, reduce el riesgo de corrosión intergranular en la zona afectada por el calor (ZAC). - Aunque el acero 310S es soldable, requiere un control cuidadoso de los parámetros de soldadura y de los procedimientos posteriores a la soldadura si el conjunto va a estar expuesto a temperaturas sensibilizantes o ambientes corrosivos; la selección del material de aporte y un enfriamiento posterior a la soldadura adecuado son importantes. - Generalmente no se requiere precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura para estos grados austeníticos, pero es importante aplicar buenas prácticas de soldadura (consumibles adecuados, control del aporte de calor y limpieza) para evitar la contaminación y la pérdida de nitrógeno.
6. Corrosión y protección de superficies
Comportamiento inoxidable - Tanto el 310S como el 321 forman películas pasivas protectoras ricas en cromo en ambientes oxidantes; su resistencia a la corrosión general es similar en muchos ambientes acuosos. - El acero 310S tiene un mayor contenido de Cr y Ni, por lo que ofrece una resistencia superior a la oxidación a altas temperaturas y un mejor rendimiento en atmósferas oxidantes a temperaturas elevadas. - La estabilización con titanio del 321 está específicamente diseñada para prevenir la corrosión intergranular después de la exposición al rango de temperatura de sensibilización.
El PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras) se utiliza a menudo para comparar la resistencia a la corrosión por picaduras en ambientes que contienen cloruros: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ La PREN es especialmente útil para aceros inoxidables dúplex y austeníticos que contienen molibdeno y nitrógeno. Para los aceros 310S y 321, que normalmente contienen poco o nada de molibdeno, la PREN no es un criterio de selección primordial: ambos presentan una resistencia a la corrosión por picaduras moderada en comparación con los aceros que contienen molibdeno.
Alternativas no inoxidables y protección de superficies Cuando no se requieren grados de acero inoxidable, las protecciones superficiales comunes incluyen el galvanizado, la pintura y el revestimiento. Estas no sustituyen el rendimiento del acero inoxidable a altas temperaturas ni en ambientes oxidantes agresivos; la selección depende de las condiciones de servicio previstas.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Maquinabilidad: Al ser aceros inoxidables austeníticos, ambos son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono; se endurecen fácilmente por deformación y requieren herramientas afiladas, configuraciones rígidas y velocidades de avance adecuadas. El 310S puede ser algo más difícil de mecanizar debido a su mayor contenido de aleación, pero las diferencias son mínimas.
- Conformabilidad: Ambos materiales presentan una excelente ductilidad y conformabilidad en estado recocido. La recuperación elástica y el endurecimiento por deformación son consideraciones comunes; para conformados de gran tamaño, pueden ser necesarios recocidos intermedios.
- Acabado superficial y pulido: La mayor resistencia a la corrosión del 310S generalmente permite un buen pulido y soporta la exposición a altas temperaturas oxidantes; el 321 también se pule bien.
- Trabajo en frío: Ambos materiales pueden trabajarse en frío para aumentar su resistencia, pero el trabajo en frío reduce la ductilidad y puede alterar su comportamiento ante la corrosión a menos que se vuelvan a recocer.
8. Aplicaciones típicas
| 310S — Usos típicos | 321 — Usos típicos |
|---|---|
| Piezas de hornos, muflas y tubos radiantes (servicio de oxidación a alta temperatura) | Componentes de escape de aeronaves, juntas de expansión y equipos de procesamiento químico soldados (estabilizados contra la corrosión intergranular). |
| Componentes del intercambiador de calor que operan a temperatura elevada | Pernos, bridas y estructuras soldadas donde la resistencia a la corrosión posterior a la soldadura es fundamental. |
| Revestimientos de quemadores, cestas de recocido | Equipos petroquímicos y de procesamiento de alimentos expuestos a cargas térmicas cíclicas y soldadura |
Justificación de la selección - Elija 310S cuando la resistencia a la oxidación continua o cíclica a altas temperaturas y la resistencia a altas temperaturas sean requisitos primordiales. - Elija 321 cuando las juntas soldadas deban mantener la resistencia a la corrosión en el rango de sensibilización o cuando el componente vaya a sufrir ciclos térmicos repetidos y la soldadura sea extensa.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero 310S suele ser más caro que el 321 por kilogramo debido a su mayor contenido de níquel y cromo. El níquel es el principal factor que influye en el costo.
- Disponibilidad: Ambos materiales están ampliamente disponibles a nivel mundial en forma de láminas, placas, tubos y barras, pero ciertas presentaciones (por ejemplo, tubos sin soldadura de gran diámetro en 310S) pueden ser menos comunes y tener plazos de entrega más largos. Las condiciones del mercado local y la volatilidad del precio del níquel afectan el costo relativo y los plazos de entrega.
10. Resumen y recomendación
| Atributo | 310S | 321 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Bien, pero cuidado con la sensibilización a HAZ en algunas condiciones | Muy bueno para estructuras soldadas (estabilizadas con titanio). |
| Resistencia-Tenacidad (temperatura ambiente) | Similar al acero 321; mayor resistencia a altas temperaturas. | Similar al acero 310S; mejor resistencia a la corrosión después de la soldadura. |
| Costo | Mayor (mayor relación Ni/Cr) | Menor (moderado Ni/Cr) |
Recomendaciones - Elige 310S si: - La aplicación requiere una resistencia superior a la oxidación a altas temperaturas o una resistencia a la fluencia. - El funcionamiento continuo a temperaturas elevadas o en atmósferas oxidantes es el factor determinante del diseño. - El coste adicional del material se justifica por el rendimiento a temperatura ambiente.
- Elige 321 si:
- La pieza se soldará con frecuencia o estará expuesta a ciclos térmicos transitorios que podrían causar sensibilización.
- La resistencia a largo plazo a la corrosión intergranular en estructuras soldadas es importante.
- Se busca un acero austenítico económico con buena resistencia general a la corrosión y un rendimiento estable después de la soldadura.
Nota final Siempre confirme la selección de materiales con los certificados de fábrica del proveedor y considere la geometría del componente, los ciclos térmicos previstos, el entorno (oxidante o reductor, presencia de cloruros) y el proceso de fabricación. Para aplicaciones críticas, solicite los datos completos de las pruebas mecánicas para la forma específica del producto y, en caso de duda, realice pruebas de soldadura y corrosión representativas para validar el grado elegido en las condiciones de servicio previstas.