Q345C vs Q345D – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Q345 ist eine weit verbreitete, in China bezeichnete Familie von hochfesten, niedriglegierten Baustählen. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor einem gemeinsamen Auswahlproblem, wenn sie Q345-Subgrade spezifizieren: Die Entlastung und die Betriebsumgebung erlauben oft mehrere Subgrade, die nahezu identische Festigkeits- und Fertigungseigenschaften aufweisen, jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen und die damit verbundenen Qualifikationskosten haben. Die Wahl zwischen zwei benachbarten Subgraden wie Q345C und Q345D kommt typischerweise darauf an, Kosten und Verfügbarkeit gegen die Notwendigkeit einer garantierten Schlagfestigkeit bei niedrigeren Temperaturen abzuwägen.
Der hauptsächliche praktische Unterschied zwischen Q345C und Q345D ist ihre erforderliche verifizierte Zähigkeit im Kaltbetrieb: Q345D wird für eine Schlagfestigkeit bei niedrigeren Temperaturen als Q345C spezifiziert und zertifiziert. Da ihre nominalen chemischen Zusammensetzungen und statischen Festigkeitsniveaus im Wesentlichen gleich sind, vergleichen Designer sie hauptsächlich hinsichtlich der Zähigkeit/Dehnbarkeit bei niedrigen Temperaturen und der damit verbundenen Prozessimplikationen (Vorfertigung, Schweißverfahrenqualifikation und Fertigungskontrollen).
1. Normen und Bezeichnungen
- Chinesische Norm: GB/T 1591 — „Niedriglegierter hochfester Baustahl“ (Q345-Serie).
- Andere regionale Entsprechungen: EN S355 (Baustahl), ASTM A572 Grad 50 (ungefähre Entsprechungen in der Leistung, keine direkte chemische Übereinstimmung).
- Klassifikation: sowohl Q345C als auch Q345D sind HSLA (hochfester niedriglegierter) Baustahl mit Mikrolegierungszusätzen, die zur Erreichung von Festigkeit und Zähigkeit verwendet werden.
Hinweis: Q345-Subgrade (A, B, C, D, E) unterscheiden sich hauptsächlich durch die obligatorische Schlagprüftemperatur und die Energieakzeptanz; sie sind keine separaten Legierungsfamilien wie Edelstahl vs. Kohlenstoffstahl.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
| Element | Typische Rolle in der Q345-Serie | Typischer Zusammensetzungsbereich (repräsentativ) |
|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Festigkeitskontrolle, Härte, Schweißbarkeit | ~0,12–0,20 Gew.% (niedriglegierter Stahl) |
| Mn (Mangan) | Entgasung, Zugfestigkeit, Härtbarkeit | ~1,0–1,7 Gew.% (hauptsächliches Legierungselement) |
| Si (Silizium) | Entgasungsmittel, geringer Festigkeitsbeitrag | ≤ ~0,5 Gew.% |
| P (Phosphor) | Verunreinigung; Versprödungsrisiko bei hohem Gehalt | ≤ ~0,035 Gew.% |
| S (Schwefel) | Verunreinigung; beeinflusst die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit | ≤ ~0,035 Gew.% |
| Cr (Chrom) | Härtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit (gering) | ≤ ~0,3 Gew.% (Spuren in vielen Schmelzen) |
| Ni (Nickel) | Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen (wenn vorhanden) | ≤ ~0,3 Gew.% (in der Regel niedrig) |
| Mo (Molybdän) | Härtbarkeit und Festigkeit (gering) | Typischerweise ≤ ~0,08 Gew.% |
| V, Nb, Ti (Mikrolegierung) | Kornglättung, Ausscheidungshärtung | Spuren (ppm bis ~0,02 Gew.% ) |
| B (Bor) | Härtbarkeit in sehr geringen Mengen (selten) | Spuren, wenn vorhanden |
| N (Stickstoff) | Beeinflusst Ausscheidungen und Zähigkeit | Kontrolliert auf niedrigen Niveaus |
Kommentare: - Q345-Qualitäten sind als niedriglegierte, Mn-legierte Stähle konzipiert. Mikrolegierung (V, Nb, Ti) kann von Walzwerken verwendet werden, um die 345 MPa-Streckgrenze mit kontrollierter Korngröße und Ausscheidungshärtung zu erreichen, anstatt den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen. - Das praktische Ergebnis ist, dass Q345C und Q345D typischerweise nahezu identische chemische Zusammensetzungen teilen; die Subgradbezeichnung spiegelt die Inspektion und Schlagprüfung bei unterschiedlichen Temperaturen wider, anstatt grundlegend unterschiedliche Legierungsstrategien zu zeigen.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
- Typische Mikrostruktur: Ferrit–Perlit (oder Ferrit mit feinen bainitischen Bestandteilen, abhängig von Walzen und Abkühlung), mit Mikrolegierungs-Ausscheidungen, wenn V/Nb/Ti verwendet werden. Die Kornglättung durch Mikrolegierung erhöht die Zähigkeit, ohne den Kohlenstoffgehalt stark zu erhöhen.
- Normalisieren: üblicher Produktionsweg für Platten und Bauteile — erzeugt eine vergütete Ferrit–Perlit-Matrix mit verbesserter Homogenität und Zähigkeit.
- Härten & Anlassen: nicht typisch für Standard-Q345-Baustahlprodukte; diese Prozesse sind häufiger bei hochfesten gehärteten Stählen oder Teilen, die spezifische Härte erfordern.
- Thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP): weit verbreitet, um die Q345-Eigenschaften zu erreichen — kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung verfeinern die Korngröße und erhöhen die Festigkeit ohne hohen Kohlenstoffgehalt.
- Auswirkungen auf die Qualitäten: Da die intrinsische Chemie für Q345C und Q345D ähnlich ist, ergeben sich mikrostrukturelle Unterschiede aus der Walz-/Wärmebehandlungsgeschichte und der Kontrolle im Werk. Um die Anforderungen an die Schlagfestigkeit bei niedrigeren Temperaturen von Q345D zu erfüllen, werden die Walzwerke die Verarbeitung und Wärmebehandlung strenger kontrollieren (feineres Korn, optimierte Ausscheidung) und die erforderlichen Schlagprüfungen durchführen.
4. Mechanische Eigenschaften
| Eigenschaft | Q345C (typisch) | Q345D (typisch) |
|---|---|---|
| Vorgeschriebene Mindeststreckgrenze | 345 MPa (nominal) | 345 MPa (nominal) |
| Zugfestigkeit | ~470–630 MPa (abhängig von Dicke/Produktform) | ~470–630 MPa (ähnlich) |
| Dehnung (A%) | ~20% (variiert mit der Dicke) | ~20% (ähnlich) |
| Schlagzähigkeitsanforderung | Verifiziert durch CVN bei einer festgelegten Temperatur (mäßige Unterkühlung) | Verifiziert durch CVN bei einer niedrigeren festgelegten Temperatur (kälterer Betrieb) |
| Härte | Typischer Bereich für Baustahl; keine primäre Spezifikation | Vergleichbar mit Q345C |
Erklärung: - Festigkeit: Beide Qualitäten sind auf die gleiche Mindeststreckgrenze (345 MPa) spezifiziert, sodass keine von ihnen von Natur aus „stärker“ in der statischen Tragfähigkeit ist. - Zähigkeit: Q345D ist für kälteren Betrieb durch Schlagprüfungen bei einer niedrigeren Temperatur qualifiziert (striktere Akzeptanz) und bietet daher eine höhere garantierte Zähigkeit bei niedrigeren Temperaturen. Dies wird durch Verarbeitung und engere Kontrollen im Werk erreicht, anstatt durch stark unterschiedliche Chemie. - Dehnbarkeit: Nominale Dehnungswerte sind ähnlich; die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, die das Bruchverhalten beeinflusst, ist der entscheidende Differenzierungsfaktor und wird durch Schlagprüfungen validiert.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit von Q345-Stählen ist aufgrund des niedrigen Kohlenstoffgehalts und der kontrollierten Legierung im Allgemeinen gut. Mikrolegierung und höherer Mn/Gehärtbarkeit können jedoch den Bedarf an Vorwärmung oder kontrollierter Wärmezufuhr in dicken Abschnitten erhöhen.
Nützliche Schweißbarkeitsindizes: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretation: - Sowohl Q345C als auch Q345D haben einen niedrigen nominalen Kohlenstoffgehalt und moderates Mn, was relativ niedrige $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Indizes im Vergleich zu hochlegierten Stählen ergibt. Dies deutet im Allgemeinen auf eine gute Schweißbarkeit hin. - Die Anforderungen an die Zähigkeit bei niedrigeren Temperaturen von Q345D können bedeuten, dass Schweißverfahren für die beabsichtigte Betriebstemperatur validiert werden müssen (Vorfertigung, Interpass-Temperatur und Nachbehandlung). Für dickere Abschnitte oder komplexe geschweißte Strukturen sollte die Verfahrensqualifikation Schlagprüfungen (oder Begründungen) umfassen, die für die niedrigste Betriebstemperatur relevant sind. - Mikrolegierungselemente (V, Nb) und höheres Mn erhöhen lokal die Härtbarkeit; stellen Sie sicher, dass geeignete Schweißparameter verwendet werden, um die Anfälligkeit für Kaltbrüche in den wärmebeeinflussten Zonen (HAZ) zu vermeiden.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Q345C und Q345D sind nichtrostende Kohlenstoff-/Legierungsstähle; die intrinsische Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt.
- Typische Schutzstrategien: Feuerverzinkung, zinkreiche Beschichtungen, Farbsysteme (Epoxid-Grundierungen, Polyurethan-Oberflächenbeschichtungen) oder spezielle korrosionsbeständige Beschichtungen für marine/offshore Anwendungen.
- PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist nicht auf Q345-Stähle anwendbar, da PREN für rostfreie Legierungen verwendet wird: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Für Anwendungen, die eine signifikante Korrosionsbeständigkeit erfordern (Meerwasser, chloridreiche Atmosphären), verwenden Sie rostfreie Qualitäten oder korrosionsbeständige Legierungen, anstatt sich auf Q345 mit Beschichtungen zu verlassen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Bearbeitbarkeit: Q345-Stähle lassen sich ähnlich wie andere niedriglegierte Baustähle bearbeiten. Niedriger Kohlenstoff und kontrollierter Schwefel helfen, übermäßigen Werkzeugverschleiß zu vermeiden; die Bearbeitbarkeit hängt von der Schmelzpraxis und der Mikrolegierung ab.
- Formbarkeit und Biegen: Beide Qualitäten lassen sich leicht formen, walzen und kalt biegen, innerhalb der durch Dicke und Biegeradius bestimmten Grenzen. Q345D kann mehr Aufmerksamkeit erfordern, wenn Komponenten für den Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen geformt werden, da Formvorgänge (und jegliche induzierte Kaltverformung) die lokale Zähigkeit beeinflussen können; eine Wärmebehandlung oder Qualifikation nach dem Formen kann für kritische Teile erforderlich sein.
- Oberflächenvorbereitung und Richten: übliche Praktiken gelten. Vermeiden Sie lokale Überhitzung während des Brennschneidens in dickeren Abschnitten, um Versprödung in der HAZ zu verhindern; wenn der Betrieb kalt ist, planen Sie gegebenenfalls eine HAZ-Schlagverifizierung ein.
8. Typische Anwendungen
| Q345C — Typische Anwendungen | Q345D — Typische Anwendungen |
|---|---|
| Allgemeine Strukturkomponenten (Baugerüste, Brücken, wo moderate Kältetoleranz erforderlich ist) | Strukturkomponenten in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen (Brücken in kalten Klimazonen, gekühlte Strukturen) |
| Maschinenrahmen, Kräne, allgemeine Fertigung | Offshore- oder nahen Küsteneinrichtungen, wo niedrigere Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen vom Kunden/Spezifikation gefordert wird |
| Platten, Träger, Kanäle für den Bauingenieurbereich | Marine-Oberflächenkomponenten und Deckstrukturen mit kälteren Umgebungen oder Spritzzonen (mit geeignetem Korrosionsschutz) |
| Schweißbaugruppen, Behälter für nicht-kryogene Anwendungen | Anwendungen, bei denen zusätzliche Qualifikation/Tests für niedrige Temperaturen erforderlich sind |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie Q345C, wenn die Entwurfstemperaturen nicht die untere Schwelle erreichen, die eine Q345D-Qualifikation auslösen würde, um Tests und möglicherweise Kosten zu sparen. - Wählen Sie Q345D, wenn garantierte Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen durch Vorschrift, Kunde oder Umwelteinflüsse erforderlich ist.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Basismaterialkosten: Q345C und Q345D werden aus demselben Produktionsweg und Rohmaterialien hergestellt; die intrinsischen Materialkosten sind ähnlich.
- Zusätzliche Kostentreiber für Q345D:
- Zusätzliche Kontrollen und Verarbeitung im Werk, um die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erfüllen.
- Zusätzliche Schlagprüfungen und Zertifizierungen bei der niedrigeren Temperatur.
- Möglicher Aufpreis für lagernde Platten und Abschnitte, die auf Q345D zertifiziert sind.
- Verfügbarkeit: Beide Qualitäten sind in Platten, Blechen und Strukturabschnitten in wichtigen Marktregionen, in denen GB/T-basierte Stähle gelagert werden, üblich. Q345C wird oft häufiger gelagert; Q345D kann auf Anfrage oder mit Vorlaufzeit für zertifizierte Lieferungen verfügbar sein.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Merkmal | Q345C | Q345D |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut (niedriger C, moderates Mn); Standard-WPS gilt | Gut, aber mit Aufmerksamkeit auf die Zähigkeit der HAZ bei niedrigen Temperaturen und Verfahrensqualifikation |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | 345 MPa Streckgrenze; ausreichende Zähigkeit bei Raumtemperatur | 345 MPa Streckgrenze; höhere garantierte Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen (durch Test) |
| Kosten & Verfügbarkeit | Etwas häufiger/günstiger aufgrund weniger strenger Tests | Kleiner Aufpreis und manchmal längere Vorlaufzeit für Zertifizierung |
Empfehlung: - Wählen Sie Q345C, wenn: die niedrigste Betriebstemperatur Ihres Designs über der Qualifikationstemperatur für Q345C liegt, Sie die Test-/Zertifizierungskosten minimieren möchten und keine verifizierte Schlagzähigkeit bei niedrigeren unterkühlten Bedingungen benötigen. - Wählen Sie Q345D, wenn: die Struktur in kälteren Klimazonen betrieben wird oder eine regulatorische/Kundenanforderung für Schlagzähigkeit bei niedrigen Temperaturen besteht; wenn die Bruchzähigkeit bei niedrigen Temperaturen ein kritisches Sicherheitsproblem darstellt; oder wenn Vorschriften die niedrigere Prüftemperatur für geschweißte oder dicke Abschnitte erfordern.
Letzter Hinweis: Da die chemischen Grundlagen und die statische Festigkeit für beide Subgrade effektiv gleich sind, sollte die Auswahl durch validierte Bruchzähigkeitsanforderungen für die erwartete Betriebstemperatur, die Anforderungen an die Schweißverfahrensqualifikation und alle lebenssicherheits- oder regulatorischen Einschränkungen bestimmt werden. Konsultieren Sie den Projektcode und die Werkprüfzertifikate (MTCs) des Werks, um die spezifische Schlagprüftemperatur und die Akzeptanzkriterien für das bestellte Produkt zu bestätigen.