Q390 vs Q420 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
Bagikan
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Einführung
Q390 und Q420 sind hochfeste Baustähle, die häufig in chinesischen und verwandten Märkten für tragende Anwendungen spezifiziert werden, bei denen eine höhere Streckgrenze als bei herkömmlichen Baustählen erforderlich ist. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner müssen oft zwischen diesen beiden Güten entscheiden, wenn sie Stärke, Zähigkeit, Schweißbarkeit, Formbarkeit und Kosten abwägen. Typische Auswahlkontexte umfassen schwere Fertigung (Brücken, Kräne und Offshore-Jacket-Strukturen), drucktragende Rahmen und Bauteile, die strengere Anforderungen an die Streckgrenze oder Gewichtsreduzierung erfüllen müssen.
Der wesentliche praktische Unterschied besteht darin, dass Q420 spezifiziert ist, um eine höhere Mindeststreckgrenze als Q390 zu bieten, was die Art und Weise beeinflusst, wie der Stahl produziert wird (Legierung, thermomechanische Verarbeitung oder Wärmebehandlung) und somit Zähigkeit, Schweißbarkeit und Umformverhalten beeinflusst. Da beide als hochfeste niedriglegierte (HSLA) Stähle klassifiziert sind und nicht als rostfreie oder Werkzeugstähle, konzentrieren sich die Vergleiche auf das Verhältnis von Festigkeit zu Zähigkeit, Fertigungsbeschränkungen und Schutzmaßnahmen gegen Korrosion.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame nationale und internationale Normen, in denen vergleichbare Güten referenziert werden:
- GB/T (China): Q-Serie Stähle (z.B. Q390, Q420) sind in chinesischen Spezifikationen für Baustähle definiert.
- EN (Europa): Nächste Äquivalente sind strukturelle S-Güten wie S355 oder S420, abhängig von den Eigenschaften.
- JIS (Japan): Keine direkte Eins-zu-eins-Entsprechung; JIS-Güten konzentrieren sich auf andere Bezeichnungen.
- ASTM/ASME (USA): Keine direkte Einzelstandardzuordnung — verwenden Sie mechanische/Eigenschaftsübereinstimmung (z.B. ASTM A572 für hochfeste Baustähle).
- Klassifikation: Sowohl Q390 als auch Q420 sind HSLA (hochfeste niedriglegierte) Kohlenstoffstähle, die für strukturelle Anwendungen optimiert sind. Sie sind keine rostfreien, Werkzeug- oder Speziallegierungsstähle.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Typische Zusammensetzungstrends für HSLA Q-Serie Stähle betonen einen niedrigen Kohlenstoffgehalt sowie kleine kontrollierte Zusätze von Mangan, Silizium und Mikrolegierungselementen, um Festigkeit zu erreichen und gleichzeitig Zähigkeit und Schweißbarkeit zu erhalten. Die folgende Tabelle gibt indikative typische Bereiche (Gew.-%). Überprüfen Sie immer die genaue Zusammensetzung auf den Werkszertifikaten oder der geltenden Norm für das gekaufte Material.
Tabelle: Typische Zusammensetzungsbereiche (Gew.-%) — nur indikativ; konsultieren Sie die Spezifikation oder das Werkszertifikat für genaue Zahlen
| Element | Q390 (typischer Bereich, Gew.-%) | Q420 (typischer Bereich, Gew.-%) |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.18 | 0.06 – 0.16 |
| Mn | 0.40 – 1.60 | 0.50 – 1.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0 – 0.50 | 0 – 0.50 |
| Ni | 0 – 0.30 | 0 – 0.30 |
| Mo | 0 – 0.10 | 0 – 0.10 |
| V (Mikrolegierung) | 0 – 0.12 | 0 – 0.12 |
| Nb (Mikrolegierung) | 0 – 0.08 | 0 – 0.08 |
| Ti | 0 – 0.02 | 0 – 0.02 |
| B | 0 – 0.002 | 0 – 0.002 |
| N | 0.005 – 0.020 | 0.005 – 0.020 |
Erklärung - Kohlenstoff: Niedrig bis moderat gehalten, um die Härtbarkeit zu begrenzen und die Schweißbarkeit zu erhalten; etwas niedrigerer Kohlenstoff wird manchmal in hochfesten Güten in Kombination mit Mikrolegierung oder thermomechanischem Walzen verwendet. - Mangan und Silizium: Festigkeits- und Entgasungsmittel; Mn trägt zur Härtbarkeit und Zugfestigkeit bei. - Mikrolegierung (V, Nb, Ti, B): Kleine Zusätze ermöglichen die Ausscheidungsstärkung und Kornverfeinerung, wodurch eine höhere Streckgrenze ohne große Erhöhungen des Kohlenstoffs oder anderer Legierungselemente erreicht wird, die die Schweißbarkeit beeinträchtigen würden. - Geringfügige Legierung (Cr, Ni, Mo): Wird nur verwendet, wenn spezifische Härtbarkeit oder Umweltschutz erforderlich ist.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
Die Mikrostruktur sowohl von Q390 als auch von Q420 ist typischerweise eine feine Ferrit-Perlit- oder Ferrit-Bainit-Mischung, abhängig vom Verarbeitungsweg: - Warmgewalzt/normiert: Eine feine ferritische Matrix mit dispersem Perlit ist üblich; das Normalisieren verfeinert die Korngröße und verbessert die Zähigkeit. - Thermo-mechanische Verarbeitung (TMCP): Kontrolliertes Walzen und beschleunigte Abkühlung fördern feinen polygonalen Ferrit und Bainit, was eine höhere Streckgrenze bei niedrigerem Legierungsgehalt ermöglicht — ein gängiger Weg für Q420. - Abschrecken & Tempern: Nicht typisch für routinemäßige strukturelle Q-Güten, wird jedoch verwendet, wenn eine maßgeschneiderte Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit erforderlich ist; produziert vergütetes Martensit oder vergüteten Bainit und höhere Härte. - Mikrolegierungsniederschlag: Nb, V und Ti-Niederschläge fixieren die Korngrenzen und hemmen die Rekristallisation, wodurch Festigkeit durch Kornverfeinerung und Ausscheidungsstärkung mit minimalem Kohlenstoffanstieg erzielt wird.
Auswirkungen der Verarbeitung - Q420 verlässt sich oft stärker auf TMCP und Mikrolegierung, um die höhere garantierte Streckgrenze zu erreichen und gleichzeitig die Zähigkeit zu erhalten; dies kann im Vergleich zu Q390 unter gleichwertiger Verarbeitung einen etwas höheren Anteil an bainitischer Mikrostruktur erzeugen. - Wärmebehandlung (Normalisieren vs. Abschrecken & Tempern) kann Zähigkeit und Härte erheblich verändern; dickere Abschnitte haben eine langsamere Abkühlung und daher eine gröbere Mikrostruktur und geringere Zähigkeit.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Typische Bereiche mechanischer Eigenschaften (indikativ; abhängig von Dicke, Verarbeitung und Norm)
| Eigenschaft | Q390 (typisch) | Q420 (typisch) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (Rp0.2) | ≈ 390 MPa (spezifiziert) | ≈ 420 MPa (spezifiziert) |
| Zugfestigkeit (Rm) | ~ 470 – 630 MPa | ~ 520 – 680 MPa |
| Dehnung (A, % auf 50 mm) | ~ 20 – 26% | ~ 17 – 22% |
| Schlagzähigkeit (Charpy V-Kerbe, J) | Anwendung/güteabhängig; oft bei 0°C bis −20°C spezifiziert; typisch 27 – 47 J | Ähnlicher Bereich, tendiert jedoch dazu, im Durchschnitt bei gleicher Dicke/Verarbeitung niedriger zu sein |
| Härte (HB) | Typischerweise niedriger als Q420 bei gleicher Verarbeitung | Etwas höher, was die höhere Festigkeit widerspiegelt |
Interpretation - Festigkeit: Q420 bietet eine höhere Mindeststreckgrenze durch Spezifikation. Diese Festigkeit ohne Einbußen bei der Zähigkeit zu erreichen, beruht tendenziell auf TMCP und Mikrolegierung, anstatt den Kohlenstoffgehalt erheblich zu erhöhen. - Zähigkeit vs. Duktilität: Bei gleicher Verarbeitung kann Q420 moderat weniger duktil sein und möglicherweise eine niedrigere Schlagenergie als Q390 aufweisen; eine sorgfältige Kontrolle des Walzens und der Abkühlung ist erforderlich, um eine akzeptable Zähigkeit in dickeren Abschnitten aufrechtzuerhalten. - Entwurfsauswirkung: Verwenden Sie Q420, wenn die Marge gegen das Fließen wichtig ist oder wenn eine Gewichtsreduzierung angestrebt wird. Verwenden Sie Q390, wenn eine etwas bessere Duktilität oder Schlagzähigkeit benötigt wird, bei geringeren Kosten.
5. Schweißbarkeit
Die Schweißbarkeit wird hauptsächlich durch den Kohlenstoffgehalt, die kombinierte Legierung (Härtbarkeit) und die Mikrolegierung bestimmt. Zwei häufig verwendete empirische Indizes sind das IIW-Kohlenstoffäquivalent und die Pcm-Formel:
-
IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm-Formel (zur Schätzung der Kaltverformungsempfindlichkeit): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Qualitative Interpretation - Sowohl Q390 als auch Q420 sind mit relativ niedrigem Kohlenstoff entworfen, um eine gute Schweißbarkeit zu unterstützen. Q420 kann jedoch aufgrund von Mikrolegierung und TMCP-induzierten Mikrostrukturen eine etwas höhere effektive Härtbarkeit aufweisen — was das Risiko der Martensitbildung in wärmebeeinflussten Zonen (HAZ) bei hochwärme-input Schweißen oder dickeren Abschnitten erhöht. - Verwenden Sie Vorwärmung, kontrollierte Zwischentemperaturen und niedrigwasserstoffhaltige Verbrauchselektroden für dickere Platten oder Verbindungen mit höheren Pcm/CE-Werten. Eine Nachschweißwärmebehandlung (PWHT) kann für kritische Anwendungen erforderlich sein. - Für routinemäßiges Werkstatt-Schweißen von dünnen bis moderaten Dicken sind beide Güten mit geeigneten Verfahren gut schweißbar; Q420 erfordert oft eine genauere Beachtung des Fugenentwurfs und der Wärmeüberwachung.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Weder Q390 noch Q420 sind rostfreie Stähle; beide sind wie die meisten Kohlenstoffstähle atmosphärischer und chemischer Korrosion ausgesetzt.
- Standard-Schutzstrategien: Feuerverzinkung, Zinklamellenbeschichtungen, Epoxid-/Polyurethan-Beschichtungssysteme, kathodischer Schutz für marine/offshore Umgebungen und korrosionsbeständige Entwurfsdetails (Entwässerung, Trennung unterschiedlicher Metalle).
- PREN ist nicht anwendbar: Für rostfreie Stähle ist die Pitting Resistance Equivalent Number relevant: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index wird nicht für Kohlenstoff/HSLA-Stähle verwendet; daher sollte PREN nicht auf Q390/Q420 angewendet werden.
7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formbarkeit: Der niedrigere Festigkeitsgrad Q390 hat im Allgemeinen eine bessere Kaltformbarkeit (Biegesteifigkeit, Pressen) als Q420 bei gleicher Dicke aufgrund höherer Duktilität. Q420 kann größere Biegeradien oder höhere Umformkräfte erfordern.
- Bearbeitbarkeit: Beide Güten sind ähnlich; die Bearbeitbarkeit ist akzeptabel, nimmt jedoch mit der Festigkeit ab. Höhere Festigkeit (Q420) erhöht typischerweise den Werkzeugverschleiß und erfordert robustere Werkzeuge und Schneidparameter.
- Schneid-/Schweißtoleranz: Q420 kann aufgrund der höheren Streckgrenze empfindlicher auf Unregelmäßigkeiten und Rückfederung reagieren; die Fertigungstoleranzen sollten dies berücksichtigen.
- Oberflächenveredelung: Beide nehmen Farben und Verzinkungen gut an; Vorbehandlung und Oberflächenvorbereitung sind Standard.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: Typische Verwendungen nach Güte
| Q390 (typische Verwendungen) | Q420 (typische Verwendungen) |
|---|---|
| Allgemeine Strukturträger, Säulen und Rahmen, bei denen Kosteneffizienz und gute Duktilität priorisiert werden | Kranbauteile, schwere Träger und Brückenmitglieder, bei denen eine höhere Streckgrenze die Querschnittsgröße und das Gewicht reduziert |
| Mittelschwere Chassis und Fahrzeugrahmen | Offshore-Jacket-Elemente und Plattformkomponenten, bei denen ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht entscheidend ist (mit Korrosionsschutz) |
| Landwirtschaftliche und Baumaschinen | Hochbelastbare Strukturkomponenten (Hebevorrichtungen, Winden, schwere Maschinen), bei denen die Margen gegen plastisches Fließen enger sind |
| Lagertanks und nicht druckbelastete Strukturhüllen (mit entsprechender Schutzmaßnahme) | Fertigteile, die für Gewichtsreduzierung in Transportstrukturen ausgelegt sind |
Auswahlbegründung - Wählen Sie Q420, wenn das Design eine höhere Streckgrenze für Gewichtsreduzierung, kleinere Querschnitte oder zur Erfüllung höherer struktureller Lastanforderungen erfordert. Q420 wird bevorzugt, wenn die Fertigungswerkstatt die Schweißverfahren und die Schalung für das hochfeste Material kontrollieren kann. - Wählen Sie Q390, wenn eine etwas bessere Duktilität, einfachere Formbarkeit und geringere Kosten/Lieferrisiken Priorität haben.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Q420 ist typischerweise teurer als Q390 auf Basis pro Tonne aufgrund höherer Verarbeitungsanforderungen (TMCP, Mikrolegierungssteuerung) und strengerer Eigenschaftsgarantien. Der Preisunterschied variiert je nach Werk, Region und Produktform (Platte, Coil, Profil).
- Verfügbarkeit: Q390 wird tendenziell häufiger in allgemeinen Baustahlwerken und -verteilern vorrätig gehalten. Q420 kann in Regionen mit hoher Nachfrage nach HSLA-Stählen verfügbarer sein; jedoch können spezialisierte Produktformen oder Dicken eine Vorlaufzeit für beide Güten erfordern.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schneller Vergleich
| Kriterium | Q390 | Q420 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Gut; etwas bessere Marge in dicken Abschnitten | Gut, erfordert jedoch strengere Wärmeüberwachung für dickere Abschnitte |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Ausgewogen in Richtung Duktilität/Zähigkeit | Höhere Streckgrenze; kann etwas Duktilität/Zähigkeit einbüßen |
| Kosten (relativ) | Niedriger | Höher |
Empfehlungen - Wählen Sie Q390, wenn: Sie einen kosteneffizienten HSLA-Stahl mit guter Duktilität und einfacherem Formen/Schweißen für moderate strukturelle Lasten benötigen; wenn Fertigungsgeschwindigkeit und geringerer Werkzeugverschleiß Priorität haben; oder wenn die Verfügbarkeit von Lagerbeständen und der niedrigere Preis entscheidend sind. - Wählen Sie Q420, wenn: Ihr Design eine höhere garantierte Streckgrenze erfordert, um die Querschnittsgröße oder das Gewicht zu reduzieren, oder wenn die strukturellen Margen gegen Fließen erhöht werden müssen; vorausgesetzt, Ihre Fertigungs- und Schweißverfahren können die Wärmeaufnahme kontrollieren und Sie akzeptieren einen moderaten Anstieg der Materialkosten.
Letzte Anmerkung Geben Sie immer die genaue Norm, die Dickengrenzen, die erforderliche Schlagenergie (Temperatur) und die Schweißverfahrensqualifikationen in den Beschaffungsunterlagen an. Werkszertifikate und Chargentestberichte sollten überprüft werden, um sicherzustellen, dass die gelieferten chemischen und mechanischen Ergebnisse den Leistungs- und Fertigungsanforderungen des Projekts entsprechen.