Q345 vs Q390 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Ingenieure, Beschaffungsmanager und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Wahl zwischen Q345 und Q390, wenn sie Baustähle für Brücken, Kräne, schwere Maschinen und drucktragende Konstruktionen spezifizieren. Die Entscheidung balanciert typischerweise die höhere garantierte Streckgrenze und die zulässigen Querschnittsdicken gegen Faktoren wie Schweißbarkeit, Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, Fertigungskosten und Verfügbarkeit.

Auf hoher Ebene besteht der Hauptunterschied zwischen Q345 und Q390 in der garantierten minimalen Streckgrenze: Q345 wird mit 345 MPa und Q390 mit 390 MPa spezifiziert. Diese Änderung in der garantierten Festigkeit wird durch moderate Anpassungen in der chemischen Zusammensetzung und durch metallurgische Verarbeitung (Mikrolegerung, kontrolliertes Walzen und Wärmebehandlungen) erreicht, die wiederum die Härte, Zähigkeit und das Fertigungsverhalten beeinflussen. Diese Werkstoffe werden oft verglichen, da sie benachbarte Positionen in der Familie der niedriglegierten/hochfesten Baustähle einnehmen und häufig in Konstruktionen austauschbar sind, bei denen Sicherheitsfaktoren, Gewicht oder Plattendicke eine kleine Änderung der Streckgrenze attraktiv machen.

1. Normen und Bezeichnungen

• Übliche Normen und Bezeichnungen, in denen diese Werkstoffe erscheinen:
• GB/T (China): Q345 und Q390 werden in chinesischen Normen weitgehend referenziert (z. B. GB/T 1591 und verwandte Produktspezifikationen für hochfeste niedriglegierte Baustähle).
• EN (Europa): grobe Querverweise umfassen Stähle im Bereich von S355 bis S420 (aber die direkte Entsprechung ist nicht genau; immer die Werkszertifikate überprüfen).
• ASTM/ASME (USA): eine ähnliche Rolle spielen die ASTM A572/A709-Grade (z. B. Grade 50), aber die direkte chemische und mechanische Übereinstimmung muss validiert werden.
• JIS (Japan) und andere nationale Normen: lokale Entsprechungen existieren, aber die Nomenklatur unterscheidet sich.
• Klassifikation: Sowohl Q345 als auch Q390 sind hochfeste, niedriglegierte (HSLA) Baustähle aus Kohlenstoff. Sie sind keine rostfreien oder Werkzeugstähle; sie basieren auf kontrollierter Chemie und thermo-mechanischer Verarbeitung anstelle hoher Legierungsgehalte für ihre Leistung.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Repräsentative (typische) Zusammensetzungsbereiche nach Gewicht Prozent. Diese sind indikative kommerzielle Analysen zur Veranschaulichung von Unterschieden; konsultieren Sie die geltende Norm und das Werkszertifikat für genaue Grenzen und spezifische Werte der Untergrade.

Element	Q345 (typischer Bereich, wt%)	Q390 (typischer Bereich, wt%)
C	~0.10–0.20	~0.10–0.22
Mn	~0.8–1.6	~0.9–1.8
Si	~0.20–0.50	~0.20–0.50
P	≤ 0.035 (max)	≤ 0.035 (max)
S	≤ 0.035 (max)	≤ 0.035 (max)
Cr	Spuren–~0.30	Spuren–~0.30
Ni	Spuren–~0.30	Spuren–~0.30
Mo	Spuren–~0.08	Spuren–~0.10 (gelegentlich höher)
V	Spuren–klein (Mikrolegerung)	Spuren–klein (Mikrolegerung)
Nb (Cb)	Spuren–klein (Mikrolegerung)	Spuren–klein (Mikrolegerung)
Ti	Spuren–klein (Stabilisator)	Spuren–klein
B	Spuren (selten)	Spuren (selten)
N (wenn berichtet)	typischerweise niedrig, kontrolliert	typischerweise niedrig, kontrolliert

Hinweise: - Q345 und Q390 sind hauptsächlich Kohlenstoff-Mangan-Stähle mit Mikrolegerungszusätzen (Nb, V, Ti), die in einigen Produktionswegen verwendet werden, um die Festigkeit ohne übermäßigen Kohlenstoff zu erhöhen. - Q390-Formulierungen können leichte Erhöhungen von Kohlenstoff, Mangan oder kontrollierten Mikrolegerungszusätzen und Wärmebehandlungsprozessen zulassen, um die höhere Streckgrenze zu erreichen. - Exakte Zusätze (z. B. Mo, Cr) können in einigen Produktvarianten erscheinen, um die Härte oder die Leistung bei erhöhten Temperaturen zu verbessern, aber beide Grade bleiben im Allgemeinen niedriglegierte Stähle.

Wie die Legierung die Leistung beeinflusst: - Kohlenstoff und Mangan sind die Hauptfestigkeitsbildner durch Festkörperlösungsstärkung und durch Ermöglichung der Umwandlungsstärkung. Höherer Kohlenstoff erhöht die Festigkeit und Härte, reduziert jedoch die Schweißbarkeit und Zähigkeit, wenn dies nicht kompensiert wird. - Mikrolegerungselemente (Nb, V, Ti) bilden feine Karbide/Nitride, die die Korngröße verfeinern und die Streckgrenze durch Ausscheidung und Kornverfeinerung erhöhen, ohne das Kohlenstoffäquivalent signifikant zu erhöhen. - Kleine Zusätze von Cr, Mo oder Ni (falls vorhanden) erhöhen die Härte und können helfen, höhere Festigkeit in dickeren Querschnitten zu erreichen, können jedoch das Kohlenstoffäquivalent erhöhen und die Schweißbarkeit beeinträchtigen.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Typische Mikrostrukturen:
• Q345: produziert durch kontrolliertes Walzen und Normalisieren oder thermo-mechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP), um eine feinkörnige Ferrit-Perlit- oder Ferritstruktur mit dispergierten Mikrolegerungsniederschlägen zu erzeugen. Die Mikrostruktur betont Zähigkeit und Duktilität bei moderaten Festigkeitsniveaus.
• Q390: ähnliche Grundmikrostruktur, aber so konstruiert, dass sie eine höhere Streckgrenze durch leicht höhere Versetzungsdichte, mehr Ausscheidungsstärkung oder geringfügig höhere zurückgehaltene Perlit/gehärtete Bainit je nach Prozess bietet. In dickeren Querschnitten fördert die erhöhte Härte höhere Festigkeitsmikrostrukturen nach kontrollierter Abkühlung.
• Wärmebehandlungs- und Verarbeitungseffekte:
• Normalisieren/Verfeinern: Beide Grade profitieren vom Normalisieren, um die Korngröße zu verfeinern und die Mikrostruktur zu homogenisieren; Q390 erhält manchmal aggressivere TMCP-Pläne, um eine gleichmäßige hohe Festigkeit sicherzustellen.
• Abschrecken & Anlassen: nicht typisch für Standard-Q345/Q390-Werksprodukte (diese werden im Allgemeinen als TMCP-Stähle geliefert), aber Abschrecken und Anlassen kann für hochfeste Varianten angewendet werden, mit gezielter Umwandlung in Martensit und anschließendem Anlassen – dies verändert die Zähigkeit und Bearbeitbarkeit erheblich.
• Thermo-mechanische Verarbeitung: TMCP (kontrolliertes Walzen/Kühlen) wird häufig verwendet, um hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit und Schweißbarkeit zu erreichen, insbesondere für Q390, wo die Verarbeitung für moderat höhere Festigkeitsziele ohne übermäßigen Kohlenstoff kompensiert.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Repräsentative mechanische Eigenschaften. Die Werte sind indikativ und hängen von der Plattendicke, dem Prüfstandard und dem Untergrad ab – verwenden Sie Werkszertifikate für die Beschaffung.

Eigenschaft	Q345 (typisch)	Q390 (typisch)
Minimale Streckgrenze (Rp0.2)	345 MPa	390 MPa
Zugfestigkeit (Rm)	~470–630 MPa	~520–690 MPa
Dehnung (A50mm)	≥ 20% (variiert nach Dicke)	≥ 18% (variiert nach Dicke)
Schlagzähigkeit (Charpy-V-Kerbe)	Gut bei üblichen Betriebstemperaturen; untergradabhängig	Vergleichbar, kann jedoch strengere Untergradkontrollen für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen erfordern
Härte (HBW)	Moderat	Leicht höher (hängt von der Verarbeitung ab)

Interpretation: - Festigkeit: Q390 ist der stärkere der beiden nach Spezifikation (höhere minimale Streckgrenze), was eine reduzierte Querschnittsdicke oder eine höhere Tragfähigkeit für die gleiche Geometrie ermöglicht. - Zähigkeit und Duktilität: Q345 zeigt typischerweise eine marginal bessere Dehnung und manchmal eine bessere Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen für eine gegebene Chemie aufgrund leicht niedrigerer Festigkeitsziele und oft niedrigerer Härte. Moderne TMCP-Prozesse ermöglichen es Q390 jedoch, gute Zähigkeit bei den erforderlichen Prüftemperaturen zu erreichen – Untergrad und Plattendicke sind entscheidend. - Kompromiss: Die erhöhte garantierte Streckgrenze in Q390 geht typischerweise mit einem moderaten Verlust an Duktilität einher und kann die Empfindlichkeit gegenüber Schweißbedingungen erhöhen, es sei denn, Mikrolegerung und Prozesskontrolle kompensieren.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit wird durch den Kohlenstoffgehalt, das Kohlenstoffäquivalent (Härte), die Dicke und die Einschränkung bestimmt. Nützliche prädiktive Formeln umfassen:

• IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$ CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15} $$

• Internationale Pcm-Formel (qualitativer Indikator): $$ P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000} $$

Qualitative Interpretation: - Niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte deuten auf eine einfachere Schweißbarkeit und eine geringere Tendenz hin, harte, spröde HAZ-Mikrostrukturen zu bilden. Sowohl Q345 als auch Q390 werden mit Materialien und Mikrolegerungen produziert, die für die Schweißbarkeit optimiert sind; jedoch: - Q345 hat im Durchschnitt tendenziell leicht niedrigere Kohlenstoffäquivalentwerte, was es marginal einfacher macht, in dickeren Querschnitten ohne Vorwärmen zu schweißen. - Q390 kann aufgrund höherer Festigkeitsziele höhere Mangan- oder Mikrolegerungsgehalte aufweisen und somit in der Praxis ein höheres Kohlenstoffäquivalent haben, was die Notwendigkeit für Vorwärmen, kontrollierte Wärmezufuhr oder Nachbehandlung nach dem Schweißen in dickeren Querschnitten oder bei eingespannten Verbindungen erhöht. - Minderung: Der Einsatz von Füllmetallen, die auf Zähigkeit und Festigkeit abgestimmt sind, kontrollierte Zwischenschichttemperaturen, Vorwärmen und die Auswahl geeigneter Schweißzusätze und -verfahren gewährleistet typischerweise schweißbare Baugruppen für beide Grade. Schweißverfahren immer an repräsentativen Dicken und für die niedrigste Entwurfstemperatur qualifizieren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Sowohl Q345 als auch Q390 sind nicht rostfreie Kohlenstoff-Mangan-Stähle und bieten keinen intrinsischen Korrosionsschutz über blanken Stahl hinaus. Standard-Schutzstrategien umfassen:
• Feuerverzinkung für atmosphärische Exposition.
• Beschichtungssysteme (Werkstattgrundierung + Decklacke) mit Oberflächenvorbereitung (z. B. abrasive Strahlung).
• Thermische Spritz- oder Polymerbeschichtungen für aggressive Umgebungen.
• Rostfreispezifische Indizes sind für diese Grade nicht anwendbar. Die PREN-Formel, die für die Korrosionsbeständigkeit von rostfreien Stählen verwendet wird, ist daher hier nicht relevant: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$
• Auswahlrichtlinien: Wo Korrosionsleistung erforderlich ist (marine, chemische Expositionen), wählen Sie korrosionsbeständige Legierungen oder spezifizieren Sie Schutzsysteme. Die Wahl zwischen Q345 und Q390 hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit, es sei denn, winzige Legierungsunterschiede beinhalten korrosionsbeeinflussende Elemente (selten).

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Plasma-, Sauerstoffbrenn- und Laserschneiden verhalten sich für beide Grade ähnlich; Q390 kann aufgrund der leicht höheren Festigkeit marginal unterschiedliche thermische Eingaben für das Ausfräsen oder fräsenfreies Schneiden erfordern.
• Bearbeitbarkeit: Beide sind in der Bearbeitbarkeit moderat; der hochfeste Q390 kann aufgrund der erhöhten Festigkeit und möglicherweise härterer Mikro-Niederschläge etwas höheren Werkzeugverschleiß bei schwerer Bearbeitung aufweisen.
• Formen/Biegen: Q345, mit leicht höherer Duktilität, ist im Allgemeinen nachsichtiger für das Kaltformen und Biegen. Q390 kann geformt werden, erfordert jedoch möglicherweise größere Biegeradien oder kontrollierte Formsequenzen, um Risse zu vermeiden, insbesondere in dickeren Platten oder in Abschnitten mit hoher vorbestehender Dehnung.
• Oberflächenveredelung: Beide akzeptieren Standardveredelungsmethoden; achten Sie auf Spannungsabbau und Verformungskontrolle während der Verarbeitung, wenn Sie mit Q390 arbeiten, da bei höheren Festigkeitsniveaus höhere Restspannungen auftreten können.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: Typische Verwendungen für jeden Grad mit Begründung.

Q345 — Typische Anwendungen	Q390 — Typische Anwendungen
Allgemeine Strukturkomponenten (Träger, Säulen) in Gebäuden und Brücken, wo gute Zähigkeit und Schweißbarkeit erforderlich sind	Schwerere Strukturteile, wo reduzierte Querschnittsdicke oder erhöhte Tragfähigkeit erforderlich ist (Kranbahnen, Rahmen schwerer Maschinen)
Geschweißte Stahlplatten für Tanks, Anhänger, allgemeine Fertigung	Strukturabschnitte im Transportwesen und bei schweren Maschinen, wo eine höhere Streckgrenze leichtere Designs ermöglicht
Kaltgeformte Abschnitte und gefertigte Rahmen	Komponenten, die höheren statischen Lasten ausgesetzt sind oder wo der Spielraum für Ermüdungsdesign begrenzt ist
Landwirtschaftliche und allgemeine Ingenieureisen (kostenempfindlich)	Anwendungen, bei denen das Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht oder Festigkeit zu Gewicht höhere Materialkosten rechtfertigt

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Q345, wenn die Einfachheit der Verarbeitung, höhere Duktilität und Kosten priorisiert werden und wenn die niedrigere Streckgrenze für das Design ausreichend ist. - Wählen Sie Q390, wenn das Design von einer höheren garantierten Streckgrenze profitiert (kleinere Querschnitte, Gewichtseinsparungen), vorausgesetzt, die Schweißverfahren, Fertigungssteuerungen und Zähigkeitsanforderungen werden erfüllt.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Q390 ist typischerweise teurer pro Tonne als Q345 aufgrund strengerer Prozesskontrollen und möglicherweise höherer Legierungsgehalte oder anspruchsvollerer TMCP-Pläne. Der Preisaufschlag variiert je nach Markt, Dicke und geografischer Region.
• Verfügbarkeit: Beide sind Standardproduktlinien in großen Stahlproduktionsregionen; Q345 ist im Allgemeinen breiter verfügbar, da es sich um eine gängige Strukturklasse handelt. Q390 wird in vielen Märkten häufig vorrätig gehalten, aber die Verfügbarkeit bestimmter Dicken, Plattengrößen und Untergrade kann eingeschränkter sein – die Lieferzeiten sollten überprüft werden.
• Produktformen: Beide werden als warmgewalzte Platten, Coils und manchmal als normalisierte oder thermo-mechanisch gewalzte Platten geliefert. Für spezialisierte Platten (ultra-dicke Abschnitte oder spezifische schlagzähigkeitsgeprüfte Untergrade) verlängern sich die Lieferzeiten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Schneller Vergleich (qualitativ).

Metrik	Q345	Q390
Schweißbarkeit	Gut (einfacher, niedriger CE)	Gut bis Befriedigend (kann Vorwärmen bei dicken Abschnitten erfordern)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Ausgewogen in Richtung Zähigkeit und Duktilität	Höhere Festigkeit; Zähigkeit mit ordnungsgemäßer Prozesskontrolle erreichbar
Kosten	Niedriger (im Allgemeinen)	Höher (Prämie für höhere Festigkeit)

Empfehlungen: - Wählen Sie Q345, wenn: - Das Design eine Streckgrenze von 345 MPa akzeptieren kann und die Prioritäten höhere Duktilität, einfacheres Schweißen und niedrigere Materialkosten sind. - Die Verarbeitung erhebliches Formen oder Kaltbearbeiten umfasst oder wo routinemäßiges Schweißen ohne umfangreiches Vorwärmen erforderlich ist. - Die Verfügbarkeit von Lagerbeständen und Wirtschaftlichkeit wichtig sind.

• Wählen Sie Q390, wenn:
• Sie eine höhere garantierte Streckgrenze (390 MPa) benötigen, um die Querschnittsdicke oder das Gewicht zu reduzieren oder um spezifische Tragfähigkeitsanforderungen zu erfüllen.
• Die Fertigungsverfahren leicht höhere Schweißkontrollen (Vorwärmen, qualifizierte WPS) aufnehmen können und die Zähigkeitsanforderungen durch die Auswahl des richtigen Untergrades und Prozesses erfüllt werden können.
• Das Projekt die höheren Materialkosten durch Einsparungen in der nachgelagerten Fertigung, dem Transport oder dem gewichtsempfindlichen Design rechtfertigt.

Letzte Anmerkung: Q345 und Q390 sind benachbarte Optionen in der HSLA-Baustahlfamilie. Die optimale Auswahl wird durch die Anforderungen auf Komponentenebene (Streckgrenze, Zähigkeit bei der niedrigsten Betriebstemperatur), Fertigungsbeschränkungen (Schweißen und Formen), Lebenszykluskosten (Beschichtung und Wartung) und Verfügbarkeit bestimmt. Überprüfen Sie immer die chemischen und mechanischen Zertifikate des Stahllieferanten, qualifizieren Sie die Schweißverfahren an repräsentativem Material und Dicke und spezifizieren Sie die erforderliche Schlagenergie und Prüftemperatur für Anwendungen, die niedrigen Betriebstemperaturen oder dynamischen Lasten ausgesetzt sind.