321 frente a 347: Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Los aceros inoxidables austeníticos estabilizados tipo 321 y tipo 347 son dos opciones comunes que se utilizan cuando se requiere una combinación de resistencia a la corrosión, soldabilidad y estabilidad a altas temperaturas. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción suelen elegir entre ellos al equilibrar el rendimiento frente a la corrosión, el comportamiento durante la fabricación y el coste del ciclo de vida; por ejemplo, al optar por una mayor resistencia al ataque intergranular tras la soldadura frente a un coste o disponibilidad del material ligeramente inferior.
La principal diferencia metalúrgica radica en que el acero 321 se estabiliza principalmente mediante adiciones de titanio, mientras que el 347 se estabiliza mediante niobio (columbio); ambos forman precipitados de carbonitruro estables que reducen la formación de carburo de cromo durante la exposición térmica. Dado que ambos son aceros inoxidables austeníticos tipo 18-8, se comparan frecuentemente para aplicaciones como componentes de escape, herrajes para hornos y equipos para procesos químicos, donde la sensibilización y el servicio a altas temperaturas son factores importantes.
1. Normas y designaciones
Normas y designaciones comunes donde aparecen 321 y 347:
- ASTM/ASME: ASTM A240 / ASME SA-240 (placa, lámina y fleje de acero inoxidable)
- EN: Serie EN 10088 (normas europeas para acero inoxidable)
- JIS: JIS G4303 / G4311 (aceros inoxidables japoneses) — existen equivalentes, pero consulte la clasificación específica.
- GB: Normas chinas GB/T (existen grados comparables; verificar la composición química y la designación).
- UNS: UNS S32100 (Tipo 321), UNS S34700 (Tipo 347)
Clasificación: tanto el 321 como el 347 son aceros inoxidables austeníticos, no aceros al carbono, aceros para herramientas ni HSLA. Son grados de acero inoxidable austenítico estabilizado diseñados para limitar la sensibilización y la corrosión intergranular.
2. Composición química y estrategia de aleación
La siguiente tabla muestra los elementos de composición típicos y los rangos de control comunes para los tipos 321 y 347 en sus variantes comerciales estándar. Los valores mostrados son rangos representativos que se encuentran en normas comunes (p. ej., ASTM A240, especificaciones EN); los límites de composición exactos deben verificarse en el certificado de fábrica para cada lote.
| Elemento | Tipo 321 (rangos típicos) | Tipo 347 (rangos típicos) |
|---|---|---|
| C (en peso %) | ≤ 0,08 | ≤ 0,08 |
| Mn (% en peso) | ≤ 2.0 | ≤ 2.0 |
| Si (en peso %) | ≤ 1.0 | ≤ 1.0 |
| P (en peso %) | ≤ 0,045 | ≤ 0,045 |
| S (en peso %) | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr (en peso %) | 17–19 | 17–19 |
| Ni (en peso %) | 9–13 | 9–13 |
| Mo (en peso %) | — / rastros | — / rastros |
| V (en peso %) | — / rastros | — / rastros |
| Nb (en peso %) | típicamente ≤ 0,10 (puede contener trazas) | típicamente 0,8–1,25 |
| Ti (en peso %) | típicamente 0,5–1,0 (al menos ~5×C) | típicamente ≤ 0,10 (puede contener trazas) |
| B (en peso %) | rastro si está presente | rastro si está presente |
| N (en peso %) | pequeñas cantidades (≤ 0,1) | pequeñas cantidades (≤ 0,1) |
Cómo funciona la estrategia de aleación: - El Cr y el Ni producen la matriz base de acero inoxidable austenítico, proporcionando resistencia a la corrosión y ductilidad. - El titanio o el niobio se combinan preferentemente con el carbono y el nitrógeno para formar partículas estables de carburo/nitruro (TiC/TiN o NbC/Nb(C,N)), evitando la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano durante los ciclos térmicos (sensibilización). - Los bajos límites de carbono también reducen la cantidad de carburo de cromo que podría formarse; los estabilizadores actúan como un margen de seguridad, particularmente importante durante la soldadura o la exposición prolongada en el rango de sensibilización (~450–850 °C).
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Microestructura: - Ambos grados son totalmente austeníticos (cúbicos centrados en las caras) en estado de recocido de solución. Los elementos estabilizadores forman carbonitruros de titanio o niobio finamente dispersos. Su distribución y tamaño dependen de las prácticas de fusión, el trabajo en caliente y el historial térmico. - Si el contenido de estabilizador es insuficiente en relación con el carbono, los carburos de cromo pueden precipitarse en los límites de grano durante la exposición a temperaturas sensibilizantes, reduciendo la resistencia a la corrosión intergranular.
Respuesta al tratamiento térmico y al procesamiento: - Recocido de solubilización: las temperaturas típicas de recocido de solubilización para los aceros inoxidables austeníticos oscilan entre los 1010 °C y los 1120 °C, seguidas de un enfriamiento rápido (en agua o aire) para mantener una estructura austenítica homogénea. Tanto el acero 321 como el 347 se suministran normalmente recocidos. - Revenido/templado: a diferencia de los aceros ferríticos o martensíticos, los ciclos tradicionales de temple y revenido no son aplicables a estos grados austeníticos; no se transforman martensíticamente de una manera que se beneficie del revenido. - Normalización: no se utiliza comúnmente para aceros inoxidables austeníticos. - Procesamiento termomecánico: el trabajo en frío (laminado, estirado) aumenta la resistencia mediante el endurecimiento por deformación e influye en la deformación del grano; el recocido posterior se utiliza para restaurar la ductilidad. Eficacia de la estabilización: los carbonitruros de niobio suelen formar precipitados muy estables en un amplio rango de temperaturas y proporcionan una excelente estabilización para exposiciones a temperaturas elevadas o de mayor duración. La estabilización con titanio es eficaz para muchos ciclos comunes de fabricación/soldadura, pero requiere controlar la relación Ti/C para evitar la formación de precipitados gruesos.
4. Propiedades mecánicas
Ambas calidades presentan propiedades mecánicas típicas de los aceros inoxidables austeníticos 18-8 en estado recocido. Debido a que son aleaciones estrechamente relacionadas, sus rangos de propiedades mecánicas se superponen considerablemente.
| Propiedades (recocido, rangos típicos) | Tipo 321 | Tipo 347 |
|---|---|---|
| Resistencia a la tracción (MPa) | 500–700 (típico) | 500–700 (típico) |
| Límite elástico, 0,2% (MPa) | 190–310 (típico) | 190–310 (típico) |
| Alargamiento (%) | 40–60% | 40–60% |
| resistencia al impacto | Alta tenacidad a temperatura ambiente; no existe un requisito Charpy universal específico. | Alta tenacidad a temperatura ambiente; similar al acero inoxidable 321. |
| Dureza (recocida) | ~70–95 HRB (aprox.) | ~70–95 HRB (aprox.) |
Interpretación: - Las resistencias mecánicas son esencialmente similares en la condición recocida porque los niveles base de Ni–Cr son comparables. - El endurecimiento por deformación durante el conformado aumentará la resistencia y reducirá la ductilidad en ambos grados; la propensión al endurecimiento rápido por deformación es similar. - Cualquier pequeña diferencia en la fluencia a alta temperatura o en la resistencia a largo plazo puede deberse a la diferente estabilidad y distribución de los precipitados de carburo/nitruro (el material estabilizado con niobio puede mostrar una mejor resistencia a la fluencia en algunas aplicaciones a largo plazo a alta temperatura).
5. Soldabilidad
soldabilidad general: - Ambos grados se sueldan bien con los procedimientos de soldadura estándar para acero inoxidable austenítico (TIG, MIG, soldadura por resistencia) debido a su bajo contenido de carbono y su estructura austenítica que resiste el agrietamiento. - La estabilización reduce el riesgo de corrosión intergranular después de la soldadura al fijar el carbono, eliminando en muchos casos la necesidad de algunas operaciones de recocido de solución posteriores a la soldadura.
Índices de soldabilidad relevantes: - Fórmula de equivalencia de carbono comúnmente utilizada para evaluar la templabilidad y la tendencia al agrietamiento: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Fórmula más detallada de fósforo-manganeso-cromo: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - Ambos grados generalmente tienen valores bajos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ en relación con los aceros martensíticos, lo que indica una buena soldabilidad. La presencia de estabilizadores (Ti o Nb) reduce el riesgo de sensibilización posterior a la soldadura; sin embargo, los precipitados gruesos de estabilizador o las proporciones inadecuadas de Ti/Nb pueden generar heterogeneidades locales. Los procedimientos de soldadura deben seguir las mejores prácticas: control del aporte térmico, selección adecuada del material de aporte y, si es necesario, recocido de solubilización posterior a la soldadura para aplicaciones críticas en servicio severo. - El 347 puede tener un mejor desempeño que el 321 en algunas exposiciones de soldadura de larga duración o a altas temperaturas porque el niobio forma precipitados más estables a ciertas temperaturas; sin embargo, ambos se consideran soldables y se utilizan con frecuencia en conjuntos soldados.
6. Corrosión y protección de superficies
Comportamiento ante la corrosión: Ambos grados son resistentes a la corrosión en una amplia gama de entornos típicos de los aceros inoxidables austeníticos 18-8. Su estrategia de estabilización se centra específicamente en la resistencia a la corrosión intergranular tras la exposición térmica (soldadura o calentamiento prolongado en el rango de sensibilización). Ninguno de los dos grados es significativamente más resistente a la corrosión uniforme que el otro en entornos acuosos o atmosféricos comunes; las diferencias se manifiestan en contextos especializados de alta temperatura o sensibles a la sensibilización.
Cuándo utilizar los índices de corrosión: - El PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) es aplicable para comparar la resistencia a la picadura (principalmente relevante cuando el Mo y el N son significativos): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ - Para 321 y 347, el Mo suele estar ausente o presente solo en cantidades traza, y el N es bajo, por lo que el PREN no es un índice discriminatorio entre estos dos grados.
Protección de superficies para contextos no inoxidables: —No aplica en este caso; ambos son de acero inoxidable. Para aceros no inoxidables, las opciones serían galvanización, pintura o recubrimientos.
7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad
Notas de fabricación: Maquinabilidad: los aceros inoxidables austeníticos, incluidos el 321 y el 347, son más difíciles de mecanizar que los aceros al carbono debido a su alta endurecimiento por deformación y baja conductividad térmica. Se recomienda el uso de herramientas de carburo, configuraciones rígidas y velocidades de avance controladas. - Conformabilidad: ambos grados tienen buena ductilidad y pueden ser conformados, embutidos y hilados; sin embargo, se endurecen rápidamente por deformación; puede ser necesario un recocido frecuente para secuencias de deformación intensas. - Acabado superficial: la susceptibilidad al gripado y al desgaste de las herramientas requiere atención; el electropulido o la pasivación mejoran la resistencia a la corrosión después de la fabricación. - Consumibles de soldadura: se suelen utilizar aleaciones de relleno con un contenido de níquel igual o ligeramente superior al de la aleación; la elección del material de relleno debe tener en cuenta la temperatura de servicio y el entorno corrosivo.
8. Aplicaciones típicas
| Tipo 321 (usos comunes) | Tipo 347 (usos comunes) |
|---|---|
| Sistemas de escape de aeronaves y automóviles | Equipos de procesos químicos expuestos a temperaturas continuas más elevadas. |
| Componentes de hornos, hornos de cocción e intercambiadores de calor donde se requiere estabilidad de soldadura | Recipientes a presión y tuberías en servicio a alta temperatura donde puede producirse una exposición prolongada a temperaturas elevadas |
| Componentes petroquímicos, elementos de fijación y resortes donde se desea estabilización contra la sensibilización | Tuberías de calderas y sobrecalentadores, donde la estabilización con niobio puede mejorar la resistencia a la fluencia a largo plazo. |
| Equipos de procesamiento de alimentos donde son comunes los ciclos térmicos y la soldadura. | Componentes de hornos de alta temperatura y accesorios petroquímicos con larga permanencia a temperaturas elevadas |
Justificación de la selección: La elección se basa en el factor de servicio predominante: si la soldadura y los ciclos térmicos moderados son la principal preocupación, ambas opciones ofrecen un buen rendimiento; si se prevé una fluencia prolongada o una exposición continua a temperaturas más altas, el acero inoxidable 347 estabilizado con niobio puede ser ventajoso. La disponibilidad, el formato (tubo, placa, bobina) y el inventario de los proveedores locales también influyen en la selección.
9. Costo y disponibilidad
- Costo: ambos grados son bastante similares en precio debido a que su contenido base de níquel y cromo es parecido. El tipo 347 puede ser ligeramente más caro en algunas regiones debido a su contenido de niobio y a las variaciones de mercado de este elemento de aleación.
- Disponibilidad: ambos productos están ampliamente disponibles en láminas, placas, tubos y barras de las principales acerías y distribuidores de acero inoxidable. Se recomienda confirmar con los proveedores las presentaciones específicas del producto (por ejemplo, placas de gran espesor o tubos de tamaños especiales); los plazos de entrega pueden variar según la región y el ciclo del mercado.
10. Resumen y recomendación
| Criterios | Tipo 321 | Tipo 347 |
|---|---|---|
| Soldabilidad | Excelente; la estabilización con Ti reduce el riesgo de sensibilización | Excelente; la estabilización con Nb reduce el riesgo de sensibilización (a menudo preferida para exposiciones a soldaduras a temperaturas más altas). |
| Resistencia-Tenacidad | Resistencia austenítica típica y alta tenacidad; similar al acero 347. | Comparable al 321; ventaja potencial en estabilidad a largo plazo a altas temperaturas |
| Costo | Generalmente ligeramente inferior o similar | Comparable; puede ser ligeramente superior debido al Nb |
Recomendación: - Elija el tipo 321 si: necesita un acero inoxidable austenítico estabilizado de eficacia comprobada para conjuntos soldados y ciclos térmicos donde la estabilización con titanio es efectiva; si las formas del material y el inventario del proveedor favorecen el 321; o si la sensibilidad al costo y el servicio convencional a temperaturas elevadas (duraciones moderadas) son preocupaciones principales. - Elija el tipo 347 si: el componente estará expuesto de forma prolongada a temperaturas más altas, donde los carburos estabilizados con niobio proporcionan una estabilidad superior y una resistencia potencial a la fluencia; si el historial de soldadura o servicio indica largos tiempos de permanencia en el rango de sensibilización; o si las especificaciones requieren una aleación estabilizada con Nb por razones de rendimiento.
Nota final: Tanto el acero 321 como el 347 son excelentes opciones cuando se requiere estabilización contra la sensibilización. La decisión suele depender del perfil térmico específico (duración y temperatura máxima), las expectativas de fluencia a alta temperatura a largo plazo y la logística (disponibilidad y costo del producto). Para aplicaciones críticas o de larga duración a alta temperatura, consulte los datos de ensayos de materiales y los certificados del proveedor para el lote específico, y considere una evaluación de ingeniería (ensayos de fluencia, ensayos de exposición a la corrosión o cualificaciones del procedimiento de soldadura) para validar el grado elegido para el servicio previsto.