Q355 vs Q390 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Q355 und Q390 sind hochfeste Baustähle, die häufig im Bauwesen, bei schweren Maschinen und in der allgemeinen Fertigung eingesetzt werden. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig die Kompromisse zwischen Materialkosten, Schweißbarkeit, Zähigkeit und minimalem Entwurfsertrag ab, wenn sie zwischen ihnen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen die Wahl einer kostengünstigeren Sorte für geschweißte Tragwerke im Vergleich zur Auswahl einer hochfesten Sorte, um die Querschnittsgröße oder das Gewicht unter derselben Belastung zu reduzieren.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist ihre Festigkeitsbezeichnung: Q390 ist auf einen höheren minimalen Ertrag als Q355 spezifiziert, was Unterschiede in der Verarbeitung, der Mikrolegierungsstrategie, der Zähigkeitskontrolle und der Fertigungspraxis zur Folge hat. Diese Stähle werden häufig verglichen, da sie benachbarte Festigkeitsstufen in Produktlinien für Baustahl einnehmen und oft im Hinblick auf Leistung pro Kosten für geschweißte und geformte Strukturen konkurrieren.
1. Normen und Bezeichnungen
- Wichtige Normen, in denen diese Sorten erscheinen oder enge Entsprechungen haben:
- GB/T (China): Q355, Q390 (Baustähle).
- EN (Europa): vergleichbare Festigkeiten finden sich in den Serien S355 und S420, aber chemische und mechanische Anforderungen unterscheiden sich.
- ASTM/ASME (USA): keine exakten direkten Entsprechungen; die nächstgelegenen gängigen Sorten sind ASTM A572 (Graden 50/60) und A656 (normalisiert), aber die Gleichwertigkeit muss durch chemische und mechanische Daten überprüft werden.
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JIS (Japan): ähnliche hochfeste Baustähle existieren, aber auch hier erfordert die direkte Querverweisung eine Überprüfung.
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Klassifizierung:
- Sowohl Q355 als auch Q390 sind hochfeste, niedriglegierte Baustähle (HSLA-Familie). Sie sind keine rostfreien oder Werkzeugstähle. Sie basieren häufig auf kontrolliertem Kohlenstoffgehalt plus Mikrolegierung (Nb, V, Ti) und thermomechanischer Verarbeitung, um ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Zähigkeit zu erreichen.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Hinweis: Die Chemie variiert je nach Anbieter, Produktform und spezifischer Unterklasse (z. B. Q355A/B/C/D/E). Die folgende Tabelle gibt die indikative Präsenz und typische Bereiche an, die häufig in kommerziellen Q355- und Q390-Stählen vorkommen; überprüfen Sie die tatsächlichen Werte im Werkstoffprüfzertifikat (MTC) und der geltenden Norm vor dem Entwurf oder Schweißen.
| Element | Q355 (typisch, indikativ) | Q390 (typisch, indikativ) | Rolle / Effekt |
|---|---|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Niedrig bis moderat (ungefähr 0,05–0,22%) | Niedrig bis moderat (ungefähr 0,06–0,22%) | Erhöht Festigkeit und Härte, reduziert Schweißbarkeit und Zähigkeit mit steigendem Gehalt. |
| Mn (Mangan) | 0,6–1,6% | 0,6–1,6% (oft etwas höher für Härtbarkeit) | Festigkeitssteigerer, Entoxidationsmittel; erhöht Härtbarkeit und Zugfestigkeit. |
| Si (Silizium) | 0,02–0,5% | 0,02–0,5% | Entoxidationsmittel; geringer Einfluss auf die Festigkeit. |
| P (Phosphor) | ≤0,035% (kontrolliert) | ≤0,035% | Verunreinigung; hoher P-Gehalt reduziert die Zähigkeit – muss niedrig gehalten werden. |
| S (Schwefel) | ≤0,035% (kontrolliert) | ≤0,035% | Verunreinigung; reduziert die Duktilität und Bearbeitbarkeit, wenn hoch. |
| Cr (Chrom) | Spuren–niedrig (wenn vorhanden) | Spuren–niedrig (wenn vorhanden) | Verbessert Härtbarkeit und Festigkeit, wenn vorhanden. |
| Ni (Nickel) | Spuren–niedrig | Spuren–niedrig | Zähigkeit und Festigkeit bei niedrigen Temperaturen, wenn hinzugefügt. |
| Mo (Molybdän) | ≤0,1% (gelegentlich hinzugefügt) | ≤0,1% (gelegentlich hinzugefügt) | Verbessert Härtbarkeit und Kriechbeständigkeit. |
| V (Vanadium) | mikrolegiert (ppm–0,1%) | mikrolegiert (ppm–0,1%) | Fällt Karbide/Nitrate zur Verstärkung aus; verbessert die Kornverfeinerung. |
| Nb (Niob) | mikrolegiert (ppm–0,05%) | mikrolegiert (ppm–0,05%) | Kontrolliert die Rekristallisation in TMCP, erhöht den Ertrag durch Ausfällungsverstärkung. |
| Ti (Titan) | mögliche Mikrolegierung (ppm) | mögliche Mikrolegierung (ppm) | Kontrolliert N, verfeinert das Korn. |
| B (Bor) | Spuren (wenn verwendet) | Spuren (wenn verwendet) | Sehr kleine Zusätze erhöhen die Härtbarkeit. |
| N (Stickstoff) | kontrolliert (ppm) | kontrolliert (ppm) | Beeinflusst die Ausfällung; kombiniert mit Ti/Nb zur Bildung von Nitriden für die Festigkeit. |
Zusammenfassung der Legierungsstrategie: - Q355 wird typischerweise mit bescheidenem Kohlenstoff- und Mn-Gehalt produziert und verlässt sich auf kontrolliertes Walzen und/oder Normalisierung, um ein Gleichgewicht zwischen Ertrag, Duktilität und Zähigkeit zu erreichen. - Q390 verwendet oft eine ähnliche Grundchemie, kann jedoch höhere Mikrolegierungen oder leicht angepasste Mn/Härtbarkeit integrieren, um den höheren minimalen Ertrag zu erreichen und gleichzeitig die Zähigkeit aufrechtzuerhalten – dies wird häufig durch thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung (TMCP) und Mikrolegierungs-Ausfällung erreicht, anstatt große Erhöhungen des Kohlenstoffgehalts.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Typische Mikrostrukturen:
- Q355: Ferrit-Perlit-Matrix für konventionelle warmgewalzte oder normalisierte Produkte; feinerer Ferrit und Dispersion von Mikrolegierungs-Ausfällungen, wenn TMCP verwendet wird.
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Q390: feinkörniger Ferrit mit einem kontrollierten Anteil an Bainit in einigen TMCP-Produkten; eine kontrolliertere Ausfällungsverstärkung durch Nb/V/Ti ist üblich, um den Ertrag zu erhöhen, ohne die Zähigkeit zu opfern.
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Wärmebehandlungs- und Verarbeitungseffekte:
- Normalisieren verfeinert die Korngröße, verbessert die Zähigkeit und homogenisiert die Struktur – wird verwendet, wenn verbesserte Schlagzähigkeit erforderlich ist.
- Härten und Anlassen ist für Standard-Q355/Q390-Baustahlprodukte nicht typisch, kann jedoch für Platten oder maßgeschneiderte Komponenten verwendet werden, um höhere Festigkeit und angepasste Zähigkeit zu erreichen.
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TMCP (thermomechanisch kontrollierte Verarbeitung) ist für beide Sorten üblich, um hohe Festigkeit und gute Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen durch kontrolliertes Walzen, beschleunigte Abkühlung und Mikrolegierungs-Ausfällung zu erreichen – besonders effektiv für Q390, um höhere Ertragsziele zu erreichen, ohne den Kohlenstoffgehalt signifikant zu erhöhen.
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Praktischer Hinweis: Beide Sorten sind für die Bedingungen nach dem Walzen oder Normalisieren ausgelegt; vollständige Härtungswärmebehandlungen sind normalerweise nicht erforderlich und könnten die Schweißbarkeit und Duktilität ohne präzise Prozesskontrolle beeinträchtigen.
4. Mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle zeigt repräsentative Bereiche mechanischer Eigenschaften, die häufig in kommerziellen Platten- und Coil-Produkten vorkommen. Die Werte hängen von der Dicke, der Unterklasse (A/B/C/D/E) und der Verarbeitung ab – überprüfen Sie immer die Testzertifikate des Anbieters.
| Eigenschaft | Q355 (typisch, indikativ) | Q390 (typisch, indikativ) |
|---|---|---|
| Minimale Streckgrenze (MPa) | ~355 MPa | ~390 MPa |
| Zugfestigkeit (MPa) | ~470–630 MPa (variiert mit der Wärmebehandlung und Dicke) | ~490–650+ MPa (variiert mit der Wärmebehandlung und Dicke) |
| Dehnung (A%) | Höherer Duktilitätsbereich; z. B. typischerweise 20%+ für dünnere Platten | Leicht reduziert im Vergleich zu Q355; z. B. oft niedrig- bis mittelzehn bis 20% je nach Produkt |
| Charpy-Schlagzähigkeit | Gut (wenn spezifiziert und mit geeignetem TMCP/Normalisierung produziert) | Erfordert mehr Aufmerksamkeit bei der Verarbeitung, um dieselbe Schlagzähigkeitsspezifikation zu erfüllen – möglich, muss jedoch überprüft werden |
| Härte (HB/HRB) | Moderat | Allgemein etwas höher, um die Festigkeit zu erreichen |
Interpretation: - Q390 ist die stärkere Sorte (höhere Streckgrenze und oft höhere Zugfestigkeit) gemäß Spezifikation. Dies zu erreichen erfordert eine mikrostrukturelle Kontrolle, die die Duktilität leicht reduzieren kann und, sofern nicht kontrolliert, die Schlagzähigkeit beeinträchtigen kann – insbesondere für dickere Querschnitte oder kältere Einsatztemperaturen. - Q355 ist im Allgemeinen duktiler und nachsichtiger in der Verarbeitung, mit einer einfacheren Erreichung der spezifizierten Zähigkeit für dickere Querschnitte.
5. Schweißbarkeit
Schlüsselfaktoren: Kohlenstoffgehalt, Kohlenstoffäquivalent, Dicke und Vorhandensein von Mikrolegierungselementen.
Nützliche empirische Indizes (qualitativ interpretieren und verwenden; mit tatsächlicher Chemie für die Schweißverfahrensqualifikation berechnen): - International Institute of Welding Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm zur Bewertung der Schweißbarkeit: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation: - Sowohl Q355 als auch Q390 sind für eine gute Schweißbarkeit im Vergleich zu hochkohlenstoffhaltigen Werkzeugstählen ausgelegt; jedoch bedeutet das höhere Festigkeitsziel von Q390 oft eine leicht höhere Härtbarkeit (durch Mn oder Mikrolegierung), was $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ im Vergleich zu Q355 erhöhen kann. - Praktische Implikationen: - Vorwärm- und Zwischenpass-Temperaturen müssen möglicherweise höher sein für dicke Q390-Querschnitte, um Kaltverzug zu vermeiden. - Auswahl von Schweißzusatzstoffen und Verfahren (Anpassung der Festigkeit, geeignete Zähigkeit des Füllmetalls) sollte durch Verfahrensqualifikation unter Verwendung tatsächlicher MTC-Werte bestimmt werden. - Nachschweißwärmebehandlung ist für dünne Querschnitte selten erforderlich, kann jedoch für dicke Schweißverbindungen oder bei kritischen Einsatzbedingungen notwendig sein.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder Q355 noch Q390 sind rostfreie Stähle; die Korrosionsbeständigkeit ist typisch für Baustähle.
- Übliche Schutzmethoden:
- Feuerverzinkung für langfristigen atmosphärischen Schutz.
- Beschichtungssysteme, Grundierungen und Beschichtungen, die auf die Umgebung abgestimmt sind (maritim, industriell, ländlich).
- Verkleidung oder Metallisierung für extreme Umgebungen.
- Wenn rostfreie oder korrosionsbeständige Eigenschaften erforderlich sind, wählen Sie eine geeignete rostfreie Legierung; PREN ist nicht auf Q355/Q390 anwendbar. Zum Vergleich, PREN für rostfreie Legierungen ist: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Klärung: PREN ist irrelevant für einfache Kohlenstoff-HSLA-Stähle – verwenden Sie stattdessen Beschichtungsstrategien oder korrosionsbeständige Legierungen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Schneiden: Beide Sorten lassen sich leicht mit Sauerstoffbrenner, Plasma und Laser schneiden; die Kantenqualität und das Anlaufen hängen von der Dicke und der Schneidmethode ab.
- Formen/Biegen: Q355 hat typischerweise eine bessere Formbarkeit (größerer minimaler Biegeradius) aufgrund seiner niedrigeren nominalen Streckgrenze. Q390 kann geformt werden, erfordert jedoch größere Biegeradien oder inkrementelle Formverfahren, um Rissbildung zu vermeiden; das Rückfederungsverhalten nimmt mit der Festigkeit zu.
- Bearbeitbarkeit: Höhere Festigkeit (und damit verbundene Mikrolegierung) in Q390 kann die Bearbeitbarkeit im Vergleich zu Q355 leicht reduzieren; wählen Sie Werkzeuge und Geschwindigkeiten entsprechend aus.
- Oberflächenbehandlung: Beide nehmen gängige Oberflächenbehandlungen an (Strahlen, Grundierung, Lackierung); Schweißen und Verarbeitung können lokal Eigenschaften verändern und erfordern Aufmerksamkeit für die Verformungskontrolle.
8. Typische Anwendungen
| Q355 — Häufige Anwendungen | Q390 — Häufige Anwendungen |
|---|---|
| Tragende Balken, Säulen, Brücken mit standardmäßigen Festigkeitsanforderungen | Strukturen, bei denen Gewichtsreduktion durch dünnere Querschnitte bei höherem Ertrag erforderlich ist |
| Allgemeine Stahlverarbeitung, Rahmen, Stützen, Tanks (nicht druckbeaufschlagt) | Rahmen für schwere Maschinen, bei denen ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht wünschenswert ist |
| Geschweißte Strukturen, bei denen hohe Zähigkeit und gute Schweißbarkeit priorisiert werden | Kranbahnen, hochbelastete Chassis-Komponenten und Konstruktionen zur Optimierung des Querschnittsmoduls |
| Rohre und Profile für den allgemeinen Bau (wenn spezifiziert) | Anwendungen, die einen Anstieg der Streckgrenze mit kontrollierter Zähigkeit durch TMCP erfordern |
Auswahlbegründung: - Verwenden Sie Q355, wenn Duktilität, Schweißbarkeit und Kosten dominierende Anliegen sind und die Entlastungen durch 355 MPa Ertrag erfüllt werden. - Verwenden Sie Q390, wenn ein höherer minimaler Ertrag eine Reduzierung der Querschnittsgröße oder des Gewichts ermöglicht und wenn der Fertigungsprozess und die Schweißverfahren kontrolliert werden, um Zähigkeit zu gewährleisten und Rissbildung zu vermeiden.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Q390 ist typischerweise etwas teurer pro Tonne als Q355 aufgrund strengerer Prozesskontrollen und möglicher zusätzlicher Mikrolegierungen. Der Preisaufschlag variiert je nach Markt, Anbieter und Produktform.
- Verfügbarkeit: Q355 ist häufiger auf Lager und in einer breiteren Palette von Produktformen und Dicken erhältlich. Die Verfügbarkeit von Q390 hängt von der regionalen Produktionskapazität der Mühle und der Kundennachfrage ab; lange Lieferzeiten können für unübliche Dicken oder Plattenqualitäten mit engen Toleranzen auftreten.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Attribut | Q355 | Q390 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Sehr gut (nachsichtiger) | Gut, erfordert jedoch mehr Aufmerksamkeit (höheres Härtbarkeitspotenzial) |
| Festigkeit-Zähigkeit-Balance | Gute Duktilität und Zähigkeit für viele Anwendungen | Höhere Festigkeit, erfordert Prozesskontrolle zur Anpassung der Zähigkeit |
| Kosten | Niedriger (im Allgemeinen) | Höher (im Allgemeinen) |
Empfehlung: - Wählen Sie Q355, wenn Sie einen kosteneffektiven Baustahl mit zuverlässiger Schweißbarkeit, höherer Duktilität und breiter Verfügbarkeit benötigen – ideal, wenn die Entwurfsanforderungen einen minimalen Ertrag von 355 MPa zulassen und die Verarbeitung wichtig ist. - Wählen Sie Q390, wenn Sie einen höheren minimalen Ertrag benötigen, um die Querschnittsgröße oder das Gewicht zu reduzieren, und bereit sind, die Verarbeitung, die Schweißverfahren und möglicherweise Vorwärm-/Zwischenpassbedingungen zu kontrollieren, um die erforderliche Zähigkeit aufrechtzuerhalten – ideal für hochbelastete Strukturen, bei denen die Materialfestigkeit klare Vorteile in der Konstruktion oder im Gewicht bietet.
Letzter praktischer Hinweis: Bestätigen Sie immer die genaue chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften aus dem Werkstoffprüfzertifikat und stellen Sie sicher, dass die Schweißverfahren für die tatsächliche Materialcharge, Dicke und die vorgesehenen Einsatzbedingungen qualifiziert sind.