Q345R vs Q390R – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Q345R und Q390R sind niedriglegierte, für Druckbehälter ausgelegte Stähle, die sowohl in der chinesischen als auch in der internationalen Fertigung für Kessel, Druckbehälter und kryogene Behälter weit verbreitet sind. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner stehen häufig vor der Auswahlentscheidung zwischen diesen beiden Güten, wobei sie Kosten, Herstellbarkeit, Schweißbarkeit und erforderliche mechanische Eigenschaften abwägen. Typische Kompromisse bestehen darin, ein kostengünstigeres, duktileres Material gegenüber einer hochfesten Alternative zu wählen, die die Querschnittsdicke oder das Gewicht reduziert.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen Q345R und Q390R ist ihr Entwurfsfestigkeitsniveau: Q390R ist für eine höhere Mindeststreckgrenze spezifiziert und wird daher dort eingesetzt, wo eine höhere Tragfähigkeit oder reduzierte Dicke erforderlich ist. Da beide nichtrostfreie Druckbehälterstähle mit ähnlichen Legierungsphilosophien sind, werden sie häufig verglichen, wenn es darum geht, Designs hinsichtlich Festigkeit, Zähigkeit und Fertigung zu optimieren.

1. Normen und Bezeichnungen

• GB (China): Q345R und Q390R sind in den chinesischen GB/T-Normen für Druckbehälterstähle bezeichnet. Die Endung „R“ weist auf die Eignung für geschweißte Druckbehälterplatten hin.
• EN / ISO: Grobe Leistungsäquivalente werden oft mit EN S355 (für die Q345-Serie) und hochfesten Baustählen verglichen, aber direkte Ersatzstoffe müssen gegen die Druckbehälternormen überprüft werden.
• ASME / ASTM: Es gibt keine direkte Eins-zu-eins-ASME-Grad; Benutzer ordnen typischerweise den ASTM A516/A572-Familien nach mechanischen Eigenschaften und zulässigen Spannungen zu.
• JIS: Japanische Standards verwenden eine andere Nomenklatur; die Zuordnung erfordert eine Überprüfung der Eigenschaften.

Klassifizierung: sowohl Q345R als auch Q390R sind kohlenstoff-manganhaltige niedriglegierte Stähle (HSLA-Typ für Druckbehälterverwendung), keine Werkzeugstähle oder rostfreien Stähle. Sie sind Druckbehälter (R)-Varianten mit erforderlicher Schlagzähigkeit bei festgelegten Temperaturen.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: allgemeine qualitative Präsenz häufiger Elemente

Element	Q345R (typisch)*	Q390R (typisch)*	Funktionale Rolle
C	Niedrig–mittel	Niedrig–mittel (oft etwas niedriger)	Festigkeitskontrolle; höherer C erhöht Festigkeit und Härte, verringert jedoch Schweißbarkeit und Zähigkeit.
Mn	Mittel	Mittel–hoch	Entgasung und Festigkeitssteigerung durch Festkörperlösung; unterstützt die Härtbarkeit.
Si	Spuren–mäßig	Spuren–mäßig	Entgasungsmittel; geringer Einfluss auf die Festigkeit.
P	Spuren (kontrolliert niedrig)	Spuren (kontrolliert niedrig)	Verunreinigung – niedrig gehalten, um die Zähigkeit zu erhalten.
S	Spuren (kontrolliert niedrig)	Spuren (kontrolliert niedrig)	Verunreinigung – kontrolliert für Schweißbarkeit und Zähigkeit.
Cr	Spuren–niedrig	Spuren–niedrig	Kann in kleinen Mengen für Härtbarkeit/Zähigkeit vorhanden sein.
Ni	Spuren–niedrig	Spuren–niedrig	Verbessert die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, wenn vorhanden.
Mo	Spuren–niedrig	Spuren–niedrig	Härtbarkeit und Kriechbeständigkeit, wenn hinzugefügt.
V	Spuren (Mikrolegerung möglich)	Spuren (Mikrolegerung wahrscheinlicher)	Mikrolegerung zur Ausscheidungsfestigung (Kornglättung).
Nb (Nb,V kombiniert)	Mögliche Spur	Mögliche Spur	Kornglättung und Festigkeit nach thermo-mechanischer Bearbeitung.
Ti	Mögliche Spur	Mögliche Spur	Entgasung und Kontrolle des Kornwachstums.
B	Nicht typisch	Nicht typisch	Sehr niedrige Gehalte können in einigen HSLA-Stählen verwendet werden, um die Härtbarkeit zu erhöhen (selten).
N	Kontrolliert niedrig	Kontrolliert niedrig	Kann Nitrate bilden; kontrolliert für Zähigkeit.

*„Typisch“ weist auf gängige Legierungsstrategien für diese Druckbehälterstähle hin; konsultieren Sie den spezifischen Hersteller/die Norm für zertifizierte Elementgrenzen und Chargenzertifikate.

Zusammenfassung der Legierungsstrategie: - Beide Güten basieren hauptsächlich auf kontrolliertem Kohlenstoff und Mangan mit selektiver Mikrolegerung (Nb, V, Ti) und Spurenelementen für Zähigkeit und Festigkeit. - Q390R wird typischerweise produziert, um eine höhere Nachweisfestigkeit zu erreichen; die Hersteller können die Kohlenstoffkontrolle verschärfen, die Mikrolegerung erhöhen oder eine thermo-mechanische Bearbeitung anwenden, um das höhere Niveau ohne übermäßigen Kohlenstoffgehalt zu erreichen, der die Schweißbarkeit oder Zähigkeit beeinträchtigen würde.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Typische Mikrostrukturen: - Der gelieferte Zustand beider Güten ist normalerweise normalisierte oder kontrolliert gewalzte Platten mit einer ferritisch-perlitischen oder feinkörnigen bainitisch-ferritischen Mikrostruktur, abhängig von den Abkühlraten und der Mikrolegerung. - Q345R, das für ein niedrigeres Festigkeitsniveau ausgelegt ist, zeigt oft mehr äquiaxialen Ferrit und Perlit mit größeren Ferritregionen, was zur Duktilität beiträgt. - Q390R strebt eine feinkörnigere Mikrostruktur mit stärkeren Matrixbeiträgen (mehr temperiertes Bainit oder verfeinerter Ferrit) an, die durch engere Walzpläne oder Mikrolegerauscheidungen erreicht wird, was zu einer höheren Streckgrenze führt.

Reaktion auf Wärmebehandlung: - Normalisieren: Beide Güten reagieren auf das Normalisieren, indem sie die Korngröße verfeinern und die Homogenität verbessern; Normalisieren wird oft für Druckbehälterplatten spezifiziert, um die Zähigkeit zu gewährleisten. - Abschrecken & Anlassen: Nicht typisch als Standardlieferung für diese „in Walzrichtung“ Druckbehälterplatten, aber möglich für maßgeschneiderte hochfeste Varianten; Q390R kann so konstruiert werden, dass es mehr von Abschreck- und Anlasstechniken profitiert, wenn ein Hersteller höhere Festigkeit bei erhaltener Zähigkeit benötigt. - Thermo-mechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP): Weit verbreitet zur Herstellung von Q390R, um höhere Festigkeit zu erreichen, während akzeptable Zähigkeit und Schweißbarkeit beibehalten werden – Mikrolegerungselemente scheiden aus und verfeinern die Austenitkorngröße während des Walzens.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: vergleichende mechanische Eigenschaften (qualitativ mit angegebenem Minimum, wo vorhanden)

Eigenschaft	Q345R	Q390R	Kommentar
Festgelegte Mindeststreckgrenze	~345 MPa (nach Bezeichnung)	~390 MPa (nach Bezeichnung)	Kernunterscheidung – Q390R hat eine höhere gesetzliche Streckgrenze.
Zugfestigkeit	Mäßig	Höher	Q390R erreicht im Allgemeinen eine höhere Zugfestigkeit.
Dehnung (Duktilität)	Höhere Duktilität	Etwas niedrigere Duktilität	Hochfeste Stähle zeigen normalerweise eine reduzierte gleichmäßige Dehnung.
Schlagzähigkeit	Gut (spezifiziert bei Entwurfstemperatur)	Gut, kann jedoch strengere Kontrolle erfordern	Beide sind für den Schlag geprüft, aber Q390R erfordert Prozesskontrolle, um die Zähigkeit bei höherer Festigkeit zu erhalten.
Härte	Mäßig	Höher	Höhere Festigkeit korreliert mit erhöhter Härte.

Erklärung: - Q390R bietet ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und ermöglicht dünnere Querschnitte bei gleicher Belastung. Der Kompromiss besteht darin, dass die Erreichung höherer Festigkeit die Duktilität verringern kann und die Kontrolle der Mikrostruktur kritischer wird, um die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen zu erhalten. - Für viele Anwendungen von Druckbehältern, bei denen Zähigkeit bei bestimmten Temperaturen spezifiziert ist, sind beide Güten so konstruiert, dass sie die Anforderungen an die Schlagenergie erfüllen; Lieferanten überprüfen dies durch Charpy-V-Kerbschlagprüfungen bei der angegebenen Temperatur.

5. Schweißbarkeit

Treiber der Schweißbarkeit: - Der Kohlenstoffgehalt und die kombinierte Härtbarkeit bestimmen die Anfälligkeit für Kaltverzug und die Notwendigkeit von Vorwärmung/Nachwärmung. - Mikrolegerung (Nb, V) kann die Härtbarkeit lokal im schweißbetroffenen Bereich (HAZ) erhöhen.

Nützliche Indizes (qualitative Verwendung; ersetzen Sie nicht die Verfahrensqualifikation): - Kohlenstoffäquivalent, IIW-Form: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation: - Niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte implizieren eine einfachere Schweißbarkeit mit Standardverbrauchsmaterialien und niedrigerer Vorwärmung; mit steigendem Kohlenstoff- und bestimmten Legierungselementen steigt auch die Notwendigkeit für Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen und Nachschweißwärmebehandlung. - Q345R zeigt mit seiner niedrigeren Entwurfsfestigkeit und oft etwas höheren zulässigen Kohlenstoffbereichen typischerweise eine bessere inhärente Schweißbarkeit als Q390R, wenn alle anderen Faktoren gleich sind. Moderne Q390R-Stähle, die mit niedrigem Kohlenstoff und TMCP hergestellt werden, können jedoch akzeptable $CE_{IIW}/P_{cm}$-Werte aufweisen, die mit Q345R vergleichbar sind. - Die Qualifikation des Schweißverfahrens (WPS/PQR) und die Wasserstoffkontrolle sind für beide Güten, insbesondere für dicke Querschnitte und den Einsatz bei niedrigen Temperaturen, von entscheidender Bedeutung.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Weder Q345R noch Q390R sind rostfrei oder korrosionsbeständig aufgrund ihrer Zusammensetzung. Der Korrosionsschutz wird erreicht durch:
• Beschichtungen: lösemittelhaltige oder wasserbasierte Farben, Epoxidprimer und Polyurethanoberflächen.
• Metallischer Schutz: Feuerverzinkung oder Metallisierung (Zink/Aluminium) für atmosphärischen Einsatz.
• Korrosionszuschläge: Angabe dickerer Platten zur Berücksichtigung vorhersehbarer Korrosionsraten.
• PREN (Pitting-Widerstandsäquivalentzahl) ist für diese nicht rostfreien Stähle nicht anwendbar: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Verwenden Sie PREN nur für rostfreie Legierungen; für Q345R/Q390R sollten kathodischer Schutz, Barrierebeschichtungen und geeignete Materialauswahl für aggressive Umgebungen in Betracht gezogen werden.

7. Verarbeitung, Zerspanbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Beide Güten lassen sich problemlos flammschneiden, plasmacutten und laserschneiden. Die höhere Festigkeit von Q390R kann langsamere Schnittgeschwindigkeiten erfordern, um die Kantenqualität in dicken Querschnitten zu kontrollieren.
• Biegen/Formen: Q345R, mit niedrigerer Streckgrenze, lässt sich im Allgemeinen leichter zu engen Radien biegen und kaltformen, ohne Rückfederung oder Rissbildung. Q390R, das stärker ist, zeigt höhere Rückfederung und ein reduziertes Biegefenster – das Formdesign sollte überprüft und die Zeichnungstoleranzen angepasst werden.
• Zerspanbarkeit: Beide sind mit Standardverfahren für Kohlenstoffstähle zerspanbar. Die höhere Festigkeit und Härte von Q390R können die Werkzeuglebensdauer leicht verringern; wählen Sie die Schneidwerkstoffe und Geschwindigkeiten entsprechend aus.
• Oberflächenbearbeitung: Schleifen und Strahlen verlaufen ähnlich; die Wärmeaufnahme während des Schweißens oder der schweren Bearbeitung kann die Eigenschaften lokal verändern und sollte in den Fertigungsabläufen berücksichtigt werden.

8. Typische Anwendungen

Q345R – Typische Anwendungen	Q390R – Typische Anwendungen
Niedrig- bis mitteldruck Kessel und Druckbehälter, bei denen die Gewichtsoptimierung nicht kritisch ist; Strukturteile und geschweißte Konstruktionen, die gute Duktilität und Zähigkeit erfordern	Druckbehälter, Lagertanks und Strukturen, bei denen reduzierte Wandstärke oder Gewichtseinsparungen priorisiert werden; schwerere Prozessbehälter und Komponenten unter höheren statischen Lasten
Rohrleitungen und Komponenten mit hohen Anforderungen an die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen, bei denen etwas mehr Duktilität gewünscht wird	Fertigungen, bei denen zulässige Spannungen oder Entwurfsnormen von höheren Erträgen profitieren (z. B. zur Reduzierung der Plattendicke)
Allgemeine gefertigte Tanks und Ausrüstungen, bei denen Schweißbarkeit und Kosten im Vordergrund stehen	Anwendungen, bei denen mechanische Festigkeit entscheidend ist, während die Schweißintegrität gewahrt bleibt – bei engeren Prozesskontrollen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Q345R, wenn die Fertigungseffizienz, Formbarkeit und minimale Schweißbeschränkungen wichtiger sind als die Notwendigkeit, das Gewicht zu minimieren. - Wählen Sie Q390R, wenn strukturelle Optimierung, Gewichtseinsparungen oder höhere Entwurfsdrücke die höhere Streckgrenze erfordern – vorausgesetzt, die Qualitätskontrollen gewährleisten die Zähigkeit.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relativer Preis: Q390R hat typischerweise einen Aufpreis gegenüber Q345R aufgrund strengerer Prozesskontrollen, möglicher Mikrolegerung und Zertifizierung für höhere Festigkeit. Der Aufpreis variiert je nach Markt und Charge.
• Verfügbarkeit: Beide Güten werden häufig produziert, aber die Verfügbarkeit hängt von Plattendicke, Breite und erforderlicher Schlagtemperaturqualifikation ab. Q345R kann in einer breiteren Palette von Größen breiter verfügbar sein; die Verfügbarkeit von Q390R kann für dickere Platten oder sehr niedrigtemperaturzertifizierte Chargen variabler sein.
• Einkauf: Geben Sie die erforderlichen mechanischen Eigenschaften, Schlagtemperatur und schweißbezogene Verbrauchsmaterialkompatibilität an. Fordern Sie Millentestzertifikate (MTC) und Wärme-Nummern an, um die Rückverfolgbarkeit sicherzustellen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Attribut	Q345R	Q390R
Schweißbarkeit	Gut	Gut–Mäßig (benötigt Prozesskontrolle)
Festigkeits-Zähigkeits-Balance	Mäßige Festigkeit mit guter Duktilität/Zähigkeit	Höhere Festigkeit; Zähigkeit mit strengerer Kontrolle erreichbar
Kosten	Niedriger	Höher

Empfehlungen: - Wählen Sie Q345R, wenn: - Fertigungssimplizität, höhere Duktilität und niedrigere Materialkosten Priorität haben. - Das Design keine höhere Streckgrenze und Dicke Reduzierung erfordert. - Die Leichtigkeit des Schweißens und Formens wichtiger ist als die Minimierung des Gewichts.

• Wählen Sie Q390R, wenn:
• Eine höhere Entwurfsstreckgrenze erforderlich ist, um die Wandstärke oder das Gewicht zu reduzieren.
• Die Wirtschaftlichkeit des Projekts dünnere Querschnitte trotz höherer Materialkosten pro Einheit begünstigt.
• Der Hersteller zertifiziertes Material liefern kann, das die Zähigkeitsanforderungen erfüllt und kontrollierte Verarbeitung (TMCP, niedrig-C, Mikrolegerung) zur Steuerung der Schweißbarkeit und HAZ-Eigenschaften ermöglicht.

Letzte Anmerkung: Überprüfen Sie immer die genauen chemischen und mechanischen Grenzen aus dem Werkzertifikat des Lieferanten und qualifizieren Sie die Schweißverfahren für die spezifische Plattendicke und Betriebstemperatur. Bei Arbeiten an Druckbehältern sind die geltenden Vorschriften oder Normen einzuhalten und die Anforderungen an Schlagprüfungen und zerstörungsfreie Prüfungen zu dokumentieren, wenn zwischen Q345R und Q390R ausgewählt wird.