Q235NH vs Q355NH – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Q235NH und Q355NH sind zwei weit verbreitete chinesische Baustähle, die in Druckbehältern, Kesseln und allgemeinen Struktur-Anwendungen verwendet werden, die eine normalisierte (N) Wärmebehandlung und manchmal verbesserte Schlagzähigkeit (H) erfordern. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen diesen Güten, wenn sie Kosten, Schweißbarkeit und die Notwendigkeit für höhere Festigkeit oder verbesserte Zähigkeit abwägen. Typische Entscheidungskontexte umfassen, ob man niedrigere Materialkosten und einfachere Verarbeitung priorisieren möchte (was die niedrigere Festigkeitsgüte begünstigt) oder ob man die Querschnittsdicke und das Gewicht durch ein höherfestes Material reduzieren möchte (was die höherfesten Güte begünstigt).

Der praktische Unterschied zwischen den beiden ist hauptsächlich ein Leistungsniveau-Kompromiss: Q355NH bietet eine höhere garantierte Streckgrenze als Q235NH, was Konsequenzen für Dicke, Gewicht und Zähigkeitsanforderungen hat. Da es sich bei beiden um Kohlenstoffstähle (nicht rostfrei) handelt, die in ihren Verarbeitungswegen normalisiert werden, werden sie häufig für Anwendungen verglichen, bei denen Festigkeit, Kerbzähigkeit und Verarbeitungsverhalten in Einklang gebracht werden müssen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen, in denen diese Stähle erscheinen:
• GB/T (China): Q235NH und Q355NH sind Bezeichnungen in chinesischen nationalen Normen für Druckbehälter-/Baustähle.
• EN (Europa): Grob vergleichbar mit den Familien S235 und S355 (Baustähle), aber eine direkte Substitution erfordert eine Überprüfung aller Eigenschaftsanforderungen.
• ASTM/ASME: Entsprechende ASME/ASTM-Güten sind keine direkten Eins-zu-eins-Übereinstimmungen; ASME-Druckbehälterstähle wie SA-516 Grade 70 sind separate Spezifikationen mit unterschiedlichen chemischen und zähigkeitsanforderungen.

• JIS: Japanische Güten sind unterschiedlich; die Substitution muss verifiziert werden.

• Klassifizierung:

• Sowohl Q235NH als auch Q355NH sind Kohlenstoff-/niedriglegierte Stähle (nicht rostfrei), die typischerweise als Baustähle oder Druckbehälterstähle kategorisiert werden, anstatt als Werkzeug- oder rostfreie Stähle. Q355NH wird allgemein als höherfester Baustahl/HSLA-Typstahl (höheres Leistungsniveau innerhalb der Baustahlfamilie) angesehen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Hinweise: - Die Endung „NH“ weist auf einen normalisierten Zustand und eine Anforderung an die Schlagzähigkeit oder eine andere thermische Verarbeitungseigenschaft hin, anstatt auf große Legierungszusätze. Die Legierungsstrategie für beide Güten betont Anpassungen von Kohlenstoff und Mangan sowie strenge Verunreinigungsgrenzen (P, S), um Zähigkeit und Schweißbarkeit sicherzustellen. Q355NH erreicht eine höhere Streckgrenze hauptsächlich durch Zusammensetzung und kontrollierte Verarbeitung anstelle von starker Legierung.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff und Mangan sind die Hauptbeiträge zur Festigkeit: Höherer C- und Mn-Gehalt erhöht die Festigkeit und Härtbarkeit, verringert jedoch die Schweißbarkeit und Duktilität, wenn sie nicht kontrolliert werden. - Silizium ist ein Entgasungsmittel und hat eine bescheidene verstärkende Wirkung. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti), selbst in niedrigen ppm-Werten vorhanden, erhöhen die Streckgrenze durch Verfeinerung der Korngröße und Ausfällung von Karbiden/Nitriden, wodurch die Festigkeit verbessert wird, ohne die Zähigkeit proportional zu verschlechtern. - Verunreinigungen (P und S) machen spröde und verringern die Zähigkeit und sind daher in diesen Druckbehälter-/Baustahlgüten streng begrenzt.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Im normalisierten (N) Zustand: Beide Güten werden üblicherweise normalisiert (auf Austenit erhitzt und dann an der Luft abgekühlt), um eine feine, relativ uniforme Ferrit-Perlit-Mikrostruktur zu entwickeln. - Q235NH: Normalisieren erzeugt eine Ferrit-Perlit-Struktur mit relativ grobem Perlitgehalt im Vergleich zu höherfesten Stählen. Die Mikrostruktur unterstützt eine gute Duktilität und akzeptable Zähigkeit bei moderaten Temperaturen. - Q355NH: Normalisieren in Verbindung mit einer leicht unterschiedlichen Chemie und möglicherweise kontrolliertem Walzen/Verfeinerung ergibt einen feinkörnigen Ferrit-Perlit mit höherer Versetzungsdichte und manchmal Mikrolegierungsniederschlägen. Dies führt zu höherer Streck- und Zugfestigkeit bei gleichzeitiger Erhaltung der Zähigkeit.

Wärmebehandlungswege und -reaktionen: - Normalisieren (Standard für die „N“-Bezeichnung): Verbessert die Zähigkeit durch Kornverfeinerung und bietet konsistente mechanische Eigenschaften. Effektiv für beide Güten, insbesondere dort, wo Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen wichtig ist. - Abschrecken und Anlassen (Q&T): Wird in der Standardpraxis für Druckbehälterstähle nicht häufig auf diese Güten angewendet; Q&T erhöht die Festigkeit erheblich, verändert jedoch auch die Zähigkeit und gehört zu einer anderen Materialklasse. - Thermo-mechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP): Wird häufig für Q355-Klassenstähle verwendet, um höhere Festigkeit mit guter Zähigkeit zu erzielen, indem kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen kombiniert werden; dies ist ein Produktionsweg und keine Wärmebehandlung in der Werkstatt und hilft, die erforderlichen höheren Festigkeitsziele ohne übermäßige Legierung zu erreichen.

4. Mechanische Eigenschaften

Erklärung: - Q355NH ist die stärkere Güte nach Design: höhere minimale Streckgrenze und höhere typische Zugfestigkeit ermöglichen dünnere Querschnitte für die gleiche strukturelle Last. Der Kompromiss ist eine moderat niedrigere Duktilität und möglicherweise eine größere Empfindlichkeit gegenüber schweißbedingten harten Mikrostrukturen, es sei denn, es werden geeignete Schweißverfahren verwendet. - Die Zähigkeit hängt von Dicke, normalisierter Behandlung und Qualitätskontrolle ab. Wenn normalisiert und nach Spezifikation produziert, können beide Güten die Schlaganforderungen erfüllen; Q355NH hat oft eine engere Prozesskontrolle, um höhere Festigkeits- + Zähigkeitskombinationen zu erreichen.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit: - Der Kohlenstoffgehalt und die kombinierte Härtbarkeit bestimmen die Vorwärm-, Zwischenpass- und Nachschweißwärmebehandlungsanforderungen (PWHT). - Mikrolegierung und Mangananteil beeinflussen die Härtbarkeit und das Risiko von Kaltverzügen in der wärmebeeinflussten Zone.

Nützliche Kohlenstoffäquivalent- und Legierungsindizes (interpretativ; gelten für qualitative Bewertungen): - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (für Kaltverzugsempfindlichkeit, qualitativ interpretieren): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation (qualitativ): - Beide Güten zielen auf niedrige bis moderate $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$-Werte im Vergleich zu abgeschreckten Stählen ab, sodass sie im Allgemeinen als schweißbar mit Standardverbrauchsmaterialien und Vorwärmpraktiken gelten. - Q235NH, mit typischerweise niedrigerer Festigkeit und etwas niedrigerem Kohlenstoffäquivalent, ist im Allgemeinen schweißfreundlicher – weniger Vorwärmung und geringeres Risiko von HAZ-Rissen. - Q355NH, obwohl für Schweißbarkeit ausgelegt, kann eine konservativere Schweißpraxis erfordern (kontrollierte Wärmezufuhr, mögliche Vorwärmung für dickere Abschnitte und passende Füllmaterialien), da seine höhere Festigkeit und die leichte Erhöhung der Härtbarkeit die Empfindlichkeit gegenüber harten Mikrostrukturen in der HAZ erhöhen können, wenn nicht ordnungsgemäß geschweißt wird.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl Q235NH als auch Q355NH sind nicht rostfreie Kohlenstoffstähle; die intrinsische Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt.
• Typische Schutzmethoden:
• Feuerverzinkung (zum Schutz vor atmosphärischer Korrosion).
• Farben, Grundierungen und Beschichtungen (Epoxid-, Polyurethan-Systeme) für aggressive Umgebungen.
• Kathodischer Schutz und Verkleidungen (z. B. rostfreie Verkleidungen) für chemische Anwendungen, bei denen Korrosionsbeständigkeit entscheidend ist.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) Formel: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN ist ein Korrosionsindex für rostfreien Stahl und ist nicht anwendbar auf Q235NH/Q355NH, da es sich nicht um rostfreie Legierungen handelt und sie nicht auf Cr/Mo/N-basierten passiven Filmen beruhen.
• Klärung: Für Druckbehälter- oder chemische Anwendungen, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, sollten Innenauskleidungen, Verkleidungen oder die Auswahl rostfreier oder korrosionsbeständiger Legierungen in Betracht gezogen werden, anstatt sich auf Q235NH/Q355NH zu verlassen.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Beide Güten lassen sich mit Standard-Sauerstoffbrennstoff-, Plasma- oder Lasermethoden schneiden; Q355NH kann aufgrund der höheren Festigkeit und Härte leicht angepasste Parameter erfordern.
• Bearbeitbarkeit: Q235NH lässt sich aufgrund der niedrigeren Festigkeit und Härte im Allgemeinen einfacher bearbeiten. Q355NH lässt sich akzeptabel bearbeiten, aber der Werkzeugverschleiß kann höher sein; die Auswahl von Werkzeugen und Vorschüben sollte die höhere Zugfestigkeit/Härte berücksichtigen.
• Formbarkeit/Biegfähigkeit: Q235NH bietet eine bessere Formbarkeit und größere Biegeradien bei gegebener Dicke. Q355NH kann geformt werden, benötigt jedoch möglicherweise größere Biegeradien oder kontrollierte Formparameter, um Risse zu vermeiden, insbesondere wenn die Mikrolegierung die Festigkeit erhöht.
• Oberflächenveredelung: Beide nehmen nach entsprechender Oberflächenvorbereitung gut Farbe, Verzinkung und Beschichtung an.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Q235NH, wenn Kostensensitivität, hohe Duktilität und einfache Verarbeitung/Schweißen die Hauptantriebe sind. - Wählen Sie Q355NH, wenn eine höhere Streckgrenze eine Reduzierung der Querschnittsdicke ermöglicht, was Gewicht und Materialeinsparungen bringt, oder wenn Vorschriften/Entwurf die höhere Leistungsstufe erfordern.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: Q235NH ist typischerweise günstiger