316 frente a 316L: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables austeníticos tipo 316 y 316L son dos de los grados más utilizados en la industria, desde tuberías y recipientes a presión hasta equipos para el procesamiento químico y superficies en contacto con alimentos. Al elegir entre ellos, los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen sopesar las ventajas y desventajas de una resistencia ligeramente superior, un mejor comportamiento durante la fabricación, una mayor resistencia a la corrosión y un menor precio. Entre los contextos típicos de decisión se incluyen los ensamblajes soldados, donde la corrosión intergranular o la sensibilización son un factor importante, frente a aplicaciones donde se prefiere una resistencia a la fluencia ligeramente superior o un menor coste del material.
La distinción fundamental radica en el contenido controlado de carbono: la variante “L” se produce con un nivel máximo de carbono inferior para reducir el riesgo de precipitación de carburo de cromo en los límites de grano tras la soldadura o la exposición a temperaturas sensibilizantes. Esta diferencia afecta directamente a la susceptibilidad a la corrosión intergranular e influye en la selección del material para componentes soldados o expuestos a altas temperaturas.
1. Normas y designaciones
Las normas y designaciones internacionales comunes para estos grados incluyen:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (placa, lámina) — UNS S31600 (316), UNS S31603 (316L)
- EN: EN 10088-2 / EN 10088-3 (aceros inoxidables) — X5CrNiMo17-12-2 (316), X2CrNiMo17-12-2 (316L)
- JIS: SUS316, SUS316L
- GB (China): 0Cr17Ni12Mo2 y 00Cr17Ni12Mo2 (aproximadamente correspondientes)
Clasificación: Tanto el 316 como el 316L son aceros inoxidables austeníticos. No son aceros al carbono, aleados, para herramientas ni HSLA.
2. Composición química y estrategia de aleación
Ambos grados comparten prácticamente los mismos elementos de aleación principales (Cr, Ni, Mo), siendo el carbono la principal variable controlada. A continuación, se presenta una tabla de composición concisa que muestra los límites comunes o rangos típicos especificados por las normas de uso común. Los valores se expresan en porcentaje en peso (wt%); cuando una norma establece un máximo, este se indica.
| Elemento | 316 (límites típicos) | 316L (límites típicos) |
|---|---|---|
| do | ≤ 0,08 % en peso (máx.) | ≤ 0,03–0,035 % en peso (máx.) |
| Minnesota | ≤ 2,0 % en peso (máx.) | ≤ 2,0 % en peso (máx.) |
| Si | ≤ 1,0 % en peso (máx.) | ≤ 1,0 % en peso (máx.) |
| PAG | ≤ 0,045 % en peso (máx.) | ≤ 0,045 % en peso (máx.) |
| S | ≤ 0,030 % en peso (máx.) | ≤ 0,030 % en peso (máx.) |
| Cr | 16,0–18,0 % en peso (típico) | 16,0–18,0 % en peso (típico) |
| Ni | 10,0–14,0 % en peso (típico) | 10,0–14,0 % en peso (típico) |
| Mes | 2,0–3,0 % en peso (típico) | 2,0–3,0 % en peso (típico) |
| V | No especificado / seguimiento | No especificado / seguimiento |
| Nb (Cb) | Normalmente no está presente (a menos que esté estabilizado). | Normalmente no está presente (a menos que esté estabilizado). |
| Ti | Normalmente no está presente (a menos que esté estabilizado como 316Ti). | No suele estar presente |
| B | Normalmente no está presente / rastro | Normalmente no está presente / rastro |
| norte | Controlado a niveles bajos (trazas) | Controlado a niveles bajos (trazas) |
Estrategia y efectos de la aleación: - El cromo (Cr) proporciona una película de óxido pasiva que otorga a los aceros inoxidables su resistencia a la corrosión. - El níquel (Ni) estabiliza la microestructura austenítica y mejora la tenacidad y la formabilidad. - El molibdeno (Mo) aumenta la resistencia a la corrosión por picaduras y grietas en ambientes que contienen cloruros. El carbono aumenta la resistencia mediante el fortalecimiento por solución sólida y puede contribuir a la formación de carburos en los límites de grano cuando se combina con cromo y se expone al calor. La reducción del contenido de carbono en el acero inoxidable 316L minimiza la precipitación de carburos de cromo y mejora la resistencia a la corrosión intergranular tras la soldadura o la exposición a temperaturas sensibilizantes.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructura: - Tanto el 316 como el 316L son totalmente austeníticos después del recocido de solución; la microestructura es austenita cúbica centrada en las caras (FCC) con posibles pequeñas cantidades de ferrita delta en algunas microestructuras fundidas o soldadas. Precipitación de carburos: A temperaturas comprendidas entre aproximadamente 425 y 870 °C (el rango de sensibilización), el carbono y el cromo pueden formar carburos ricos en cromo (Cr₂₃C₆) en los límites de grano. Esto reduce la concentración de cromo en las proximidades de los límites de grano y aumenta la susceptibilidad a la corrosión intergranular.
Respuesta y procesamiento del tratamiento térmico: - Recocido de solución (típico para el procesamiento final): El calentamiento a una temperatura de solución (por ejemplo, 1000–1100 °C) seguido de un enfriamiento rápido restaura una estructura austenítica de fase única y disuelve los precipitados para ambos grados. - La normalización y el temple no se utilizan comúnmente para los aceros inoxidables austeníticos porque no se transforman en martensita; el procesamiento termomecánico (trabajo en frío seguido de recocido de solubilización) es más típico. - El acero 316L es menos susceptible a la precipitación de carburos durante el enfriamiento lento o los ciclos térmicos posteriores a la soldadura debido a su menor contenido de carbono; esto mejora la resistencia a la corrosión intergranular sin necesidad de un recocido de solución posterior a la soldadura en muchos casos. - Las variantes estabilizadas (por ejemplo, 316Ti o 316Cb/Nb) añaden intencionalmente Ti o Nb para fijar el carbono como carburos estables y, por lo tanto, evitar la formación de carburo de cromo; esto es útil cuando el servicio a alta temperatura impide el recocido de solución.
4. Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas cuantitativas dependen de la forma del producto (placa, barra, tubo), el trabajo en frío y el tratamiento térmico. En lugar de valores fijos, la comparación práctica es:
| Propiedad | 316 | 316L |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción | Similar (resistencia a la tracción máxima comparable) | Similar |
| Resistencia a la fluencia | Ligeramente más alta (debido a una mayor concentración de C) | Ligeramente inferior (rendimiento reducido) |
| Alargamiento / Ductilidad | Ductilidad comparable y buena | Ductilidad comparable, a menudo ligeramente superior |
| Dureza al impacto | Comparable y generalmente bueno a temperaturas ambiente | Comparable y en general bueno |
| Dureza | Similar / dependiente del trabajo en frío | Similar; ligeramente inferior en estado recocido. |
¿Por qué estas diferencias? - El carbono contribuye a la resistencia a la fluencia a través de la solución sólida y la posible presencia de carburos; el 316 normalmente muestra una resistencia a la fluencia ligeramente superior a la del 316L en condiciones recocidas. - Un menor contenido de carbono en el acero 316L puede mejorar ligeramente la ductilidad y la tenacidad, y se prefiere cuando la ductilidad después de la soldadura es crítica.
5. Soldabilidad
La soldabilidad de ambos grados es excelente en comparación con muchos aceros; los aceros inoxidables austeníticos se utilizan ampliamente en fabricaciones soldadas. Consideraciones clave sobre la soldabilidad:
- Efecto del carbono: Un menor contenido de carbono reduce la fuerza impulsora para la precipitación de carburo de cromo durante el enfriamiento posterior a la soldadura; por lo tanto, el 316L tiene una resistencia superior a la sensibilización por soldadura en comparación con el 316.
- Templabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos no se transforman en martensita al enfriarse, por lo que el agrietamiento por hidrógeno es menos preocupante que en los aceros ferríticos o martensíticos. Sin embargo, el agrietamiento en caliente y la formación de fase sigma en ciertos ciclos térmicos pueden ser relevantes.
- Uso de metales de relleno: Es común utilizar aleaciones de relleno que coincidan o superen la especificación (por ejemplo, ER316L) para preservar la resistencia a la corrosión.
Ecuaciones relevantes utilizadas por los ingenieros de soldadura (solo interpretación cualitativa): - Equivalente de cromo / equivalente de carbono para la evaluación de la templabilidad o soldabilidad: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Un índice predictivo más complejo: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación: Un valor menor de $C$ reduce las contribuciones de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$, lo que indica una menor tendencia a formar fases perjudiciales durante un enfriamiento más lento o exposiciones prolongadas. Por lo tanto, el 316L obtiene mejores resultados en estos índices para minimizar el riesgo de sensibilización. - Implicación práctica: Para estructuras soldadas con largos periodos isotérmicos o enfriamiento lento en el rango de sensibilización, se recomiendan grados 316L o estabilizados; para ciclos de soldadura cortos y donde se prioriza la resistencia, el 316 puede ser aceptable con los procedimientos adecuados.
6. Corrosión y protección de superficies
Contexto del acero inoxidable: - Para los aceros inoxidables, el número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras (PREN) se utiliza comúnmente para comparar la resistencia a la corrosión localizada en ambientes clorados: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dado que los aceros 316 y 316L tienen contenidos similares de Cr y Mo, su resistencia intrínseca a la corrosión por picaduras es prácticamente equivalente (siempre que los niveles de nitrógeno sean similares). La diferencia crucial radica en las condiciones posteriores a la soldadura o tras la exposición al calor: el menor contenido de carbono del 316L reduce la disminución del cromo en los límites de grano y, por lo tanto, disminuye su susceptibilidad a la corrosión intergranular.
Contexto no inoxidable: - (No aplicable en este caso; para aceros no inoxidables, se analizan sistemas de protección como la galvanización o los recubrimientos).
Cuando los índices no son aplicables: El índice PREN es útil para clasificar aleaciones específicamente en cuanto a su resistencia a la corrosión por picaduras en medios que contienen cloruros. No refleja la resistencia general a la corrosión, el comportamiento mecánico ni la susceptibilidad a la corrosión intergranular debida a la precipitación de carburos.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
- Conformabilidad: Tanto el 316 como el 316L presentan una excelente conformabilidad (embutición profunda, doblado) gracias a la ductilidad austenítica. El 316L puede ser ligeramente más fácil de conformar en estado recocido debido a su menor límite elástico.
- Maquinabilidad: Los aceros inoxidables austeníticos se endurecen por deformación; su maquinabilidad suele ser de moderada a baja en comparación con los aceros al carbono. Los aceros 316 y 316L se mecanizan de forma similar, aunque los parámetros del proceso y las herramientas determinan el control práctico de la viruta y el acabado superficial.
- Acabado superficial: Ambos tipos admiten acabados comunes para acero inoxidable (pulido, granallado, pasivado). Se recomienda el pasivado posterior a la fabricación para restaurar la película pasiva rica en cromo, especialmente después de la soldadura o el decapado.
- Soldadura y tratamiento posterior a la soldadura: El acero 316L reduce la necesidad de recocido de solución posterior a la soldadura en muchas situaciones; sin embargo, en aplicaciones altamente corrosivas o donde se requiere máxima resistencia, aún se puede especificar el recocido de solución.
8. Aplicaciones típicas
| 316 | 316L |
|---|---|
| Intercambiadores de calor, bombas y válvulas para uso marino y químico (donde se dispone de material de resistencia ligeramente superior o material estándar 316). | Tuberías para procesos químicos, equipos farmacéuticos y dispositivos médicos donde la integridad de la soldadura y la resistencia a la corrosión intergranular después de la soldadura son críticas |
| Elementos de fijación, accesorios y herrajes para uso marino y arquitectónico | Grandes tanques soldados, recipientes de reactores y tuberías donde se prevé un enfriamiento lento o una exposición térmica posterior a la soldadura. |
| Equipos de procesamiento de alimentos de uso general | Tanques y tuberías criogénicas donde el bajo contenido de carbono minimiza el riesgo de precipitación de carburos y donde el conformado/soldadura posterior a la fabricación es común. |
| Componentes en los que el acero inoxidable 316 estándar resulta más económico y los métodos de fabricación no inducen sensibilización. | Cualquier aplicación que requiera minimizar el riesgo de sensibilización sin estabilización ni recocido de solución. |
Justificación de la selección: - Elija el acero 316 cuando sea aceptable una resistencia a la fluencia ligeramente superior sin una sensibilidad especial a la soldadura y el costo/disponibilidad lo favorezca. - Elija 316L cuando la fabricación implique soldadura extensa, exposición al calor posterior a la soldadura o cuando el código/práctica industrial requiera grados de bajo carbono para evitar la corrosión intergranular.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: El acero 316L suele tener un precio ligeramente superior al del 316 debido a un control más estricto del carbono y, en ocasiones, a un procesamiento adicional; sin embargo, las primas de mercado son pequeñas y varían según la región y las condiciones de suministro.
- Disponibilidad: Ambos grados están ampliamente disponibles en láminas, placas, barras, tubos y tuberías. El 316 suele ser más común en existencias; el 316L se encuentra fácilmente disponible en tuberías soldadas y sin soldadura, láminas y accesorios debido a su amplia demanda en las industrias farmacéutica, petroquímica y alimentaria.
- Los productos con plazos de entrega largos o especiales (forjados grandes, chapa gruesa) pueden tener plazos de entrega; especifique la calidad al principio del proceso de compra para asegurar el suministro y evitar sustituciones.
10. Resumen y recomendación
| Criterios | 316 | 316L |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Bueno; mayor riesgo de sensibilización en comparación con 316L | Mejor para conjuntos soldados; menor riesgo de sensibilización |
| Resistencia-Tenacidad | Límite elástico ligeramente superior; resistencia a la tracción y tenacidad similares. | Límite elástico ligeramente inferior; tenacidad y ductilidad comparables. |
| Costo | Ligeramente más bajo (a menudo) | Ligeramente más alto (a menudo) |
Recomendación: - Elija 316 si su diseño requiere una resistencia a la fluencia ligeramente superior, si el proceso de fabricación minimiza el tiempo en el rango de sensibilización (se realiza un enfriamiento rápido o un recocido de solución posterior a la soldadura), o cuando el costo/disponibilidad de existencias favorece a 316. - Elija 316L si su ensamblaje incluye soldadura extensa, enfriamiento lento o exposiciones de servicio que podrían causar sensibilización; si los códigos o estándares de calificación requieren material con bajo contenido de carbono; o cuando sea importante maximizar la resistencia a la corrosión intergranular posterior a la soldadura.
Nota práctica final: Para servicios críticos a altas temperaturas o altamente corrosivos, considere alternativas como aceros estabilizados (316Ti/316Cb), aceros inoxidables de mayor aleación (p. ej., dúplex, superausteníticos), recocido de solubilización posterior a la soldadura o la correcta especificación de los metales de aporte. Siempre revise con ingenieros de corrosión y soldadura los códigos aplicables y la exposición ambiental antes de seleccionar el material definitivo.