Q390 vs Q420 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Q390 und Q420 sind zwei häufig spezifizierte hochfeste Baustähle, die in der Bau-, Maschinenbau- und Fertigungsindustrie verwendet werden. Ingenieure und Beschaffungsteams wählen häufig zwischen ihnen, wenn sie die Anforderungen an die Festigkeit, die Komplexität der Fertigung und die Lebenszykluskosten abwägen: Zum Beispiel die Auswahl einer kostengünstigeren Sorte mit besserer Schweißbarkeit im Vergleich zu einer hochfesten Sorte, die die Querschnittsgröße und das Gewicht reduziert.
Der wesentliche technische Unterschied besteht darin, dass Q420 für eine höhere Mindeststreckgrenze als Q390 spezifiziert ist, und das Erreichen dieser höheren Streckgrenze erfordert typischerweise eine strengere Zusammensetzungskontrolle und stärkere Mikrolegierungs-/Härtbarkeitstrategien, die die Schweißbarkeit und das Umformverhalten beeinflussen können. Diese beiden Sorten werden daher verglichen, wenn Designer höhere Festigkeit (und potenzielle Gewichtseinsparungen) gegen die Fertigungseffizienz und die Zähigkeit abwägen müssen.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gemeinsame Normen, die auf diese Sorten verweisen, umfassen:
- Chinesische Norm GB/T 1591 — hochfeste niedriglegierte Baustähle (woher die Q-Bezeichnung stammt).
- Regionale Äquivalente/Analoge können in den Projektdokumenten spezifiziert werden, aber Q390/Q420 sind GB-Stil, streckgrenzenbasierte Bezeichnungen und keine ASTM-Namen.
- Klassifizierung:
- Sowohl Q390 als auch Q420 sind HSLA (hochfeste niedriglegierte) Kohlenstoffstähle, die hauptsächlich für strukturelle Anwendungen (nicht für rostfreie oder Werkzeugstähle) entwickelt wurden.
- Sie sind keine rostfreien Stähle; sie sind kohlenstoffbasierte Baustähle mit Mikrolegierung und kontrollierter Chemie.
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
- Beide Sorten verwenden eine niedrigkohlenstoffhaltige Basis mit kontrollierter Legierung und können Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti, B) oder kleine Zusätze von Cr/Mo in einigen gelieferten Varianten enthalten. Die genauen Grenzen variieren je nach Normenausgabe und Hersteller; die Mill-Zertifikate sollten immer konsultiert werden.
| Element | Typische Rolle und Anwesenheit in Q390 / Q420 |
|---|---|
| C (Kohlenstoff) | Niedriger Kohlenstoffgehalt zur Erhaltung der Schweißbarkeit und Zähigkeit; beide Sorten verlassen sich auf kontrolliertes C anstelle von hohem C für die Festigkeit. |
| Mn (Mangan) | Hauptverstärkungselement und Entoxidationsmittel; in bescheidenen Mengen vorhanden, um die Härtbarkeit und die Zugfestigkeit zu erhöhen. |
| Si (Silizium) | Entoxidation und Festigkeitsbeitrag; moderat gehalten, um Schweißprobleme zu vermeiden. |
| P (Phosphor) | Niedrig gehalten als Verunreinigung, um Versprödung und Verlust der Zähigkeit zu vermeiden. |
| S (Schwefel) | Minimiert; kann in Spuren vorhanden sein — kontrolliert für Bearbeitbarkeit, aber reduziert für Zähigkeit. |
| Cr (Chrom) | Normalerweise niedrig oder nicht vorhanden; kleine Mengen können in speziellen Varianten verwendet werden, um die Härtbarkeit zu verbessern. |
| Ni (Nickel) | Nicht typisch in Standard-Q-Sorten; kann nur in speziellen Varianten für Zähigkeit auftreten. |
| Mo (Molybdän) | Gelegentlich in kleinen Mengen in speziell spezifizierten Stählen hinzugefügt, um die Härtbarkeit zu verbessern. |
| V (Vanadium) | Häufiges Mikrolegierungselement zur Ausscheidungsstärkung und Kornverfeinerung. |
| Nb (Niobium) | Verwendet zur Kornverfeinerung und Verstärkung durch Mikrolegierung (häufig in TMCP-Produkten). |
| Ti (Titan) | Vorhanden als Entoxidationsmittel und zur Kontrolle von N über TiN; trägt zu feinen Korngrößen bei, wenn verwendet. |
| B (Bor) | Sehr kleine Mengen, wenn verwendet, erhöhen die Härtbarkeit erheblich; streng kontrolliert. |
| N (Stickstoff) | Kontrolliert; interagiert mit Ti/Nb, um stabile Nitrate zu bilden, die die Korngröße und Zähigkeit beeinflussen. |
Erklärung: Die Hauptlegierungsstrategie für Q390 und Q420 besteht darin, einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufrechtzuerhalten und Mikrolegierung (V, Nb, Ti und gelegentlich B) in Kombination mit thermomechanischer Verarbeitung zu nutzen, um die erforderliche Streckgrenze mit günstiger Zähigkeit und Schweißbarkeit zu erreichen. Q420-Varianten, die darauf ausgelegt sind, die höhere Streckgrenze zu erfüllen, können etwas mehr auf Mikrolegierung oder thermomechanische Kontrolle angewiesen sein, was die Härtbarkeit im Vergleich zu Q390 erhöhen kann.
3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion
- Typische Mikrostrukturen:
- Warmgewalzte oder TMCP (thermo-mechanisch kontrollierte Verarbeitung) Produkte: feine Ferrit-Perlit- oder Ferrit mit kontrollierten bainitischen Fraktionen, abhängig von den Abkühlraten und Mikrolegierungszusätzen.
- Q390 erreicht oft die erforderliche Festigkeit mit einer überwiegend feinen ferritischen Mikrostruktur und dispergierten Ausscheidungen aus Nb/V/Ti.
- Q420 kann in einigen Verarbeitungswegen einen höheren Anteil an Niedertemperatur-Umwandlungsprodukten (feine Bainit- oder vergütete Martensitinseln) enthalten, um die höhere Streckgrenze zu erreichen.
- Wärmebehandlungsreaktion:
- Normalisieren: verfeinert die vorherige Austenit-Korngröße und kann die Zähigkeit verbessern; beide Sorten reagieren auf das Normalisieren mit verbesserter Gleichmäßigkeit, aber die Gewinne hängen von der Dicke und der Zusammensetzung ab.
- Abschrecken & Anlassen: wird normalerweise nicht für Standard-Waren-Q-Sorten verwendet (Kosten- und Verformungsbedenken), aber subkritisches Anlassen/kontrolliertes Abkühlen kann höhere Festigkeit und Zähigkeit erzeugen, wenn erforderlich.
- TMCP: der häufigste Weg — kontrolliertes Walzen gefolgt von beschleunigtem Abkühlen erzeugt feine Kornstrukturen und Dispersionverstärkung; es ist für beide Sorten effektiv, aber die Wärmebehandlungspläne für Q420 sind optimiert, um die höhere Streckgrenze zu sichern, ohne die Schlagzähigkeit zu opfern.
4. Mechanische Eigenschaften
Hinweis: Die mechanischen Eigenschaften hängen von der Dicke, der Verarbeitung (TMCP, normalisiert) und der Prüftemperatur ab. Der Streckwert im Sortennamen bezeichnet die garantierte Mindeststreckgrenze in MPa unter festgelegten Prüfbedingungen.
| Eigenschaft | Q390 (typisch) | Q420 (typisch) |
|---|---|---|
| Mindeststreckgrenze (MPa) | 390 (spezifiziert) | 420 (spezifiziert) |
| Zugfestigkeit (MPa) | Moderat; der Spielraum über der Streckgrenze variiert mit der Verarbeitung (übliche Bereiche hängen von der Mill-Spezifikation und der Dicke ab) | Höherer Gesamtzugbereich erforderlich, um die Duktilität bei höherer Streckgrenze aufrechtzuerhalten |
| Dehnung (%) | Allgemein gute Duktilität für Baustähle (hängt von der Dicke ab) | Leicht reduzierte Duktilität im Vergleich zu Q390 bei gleichwertiger Verarbeitung, wenn höhere Festigkeit durch Mikrolegierung/Härtbarkeit erreicht wird |
| Schlagzähigkeit (J bei gegebener Temperatur) | Gut, wenn TMCP und niedriger C verwendet werden; behält die Zähigkeit bei üblichen Betriebstemperaturen | Ähnlich oder leicht niedriger, wenn höhere Härtbarkeit die Anfälligkeit für spröde Mikrostrukturen erhöht, es sei denn, es wird speziell für Zähigkeit verarbeitet |
| Härte (HB, typisch) | Niedriger als Q420 bei ähnlicher Verarbeitung | Höher aufgrund höherer Streckgrenze; beeinflusst die Bearbeitbarkeit und Eindringwiderstand |
Interpretation: Q420 ist absichtlich stärker spezifiziert, und wenn die Festigkeit hauptsächlich durch Mikrolegierung und kontrollierte Verarbeitung erreicht wird, kann die Zähigkeit akzeptabel bleiben. Allerdings verengt das höhere Festigkeitsziel das Verarbeitungsfenster: Das Erreichen von Q420 kann die Härtbarkeit erhöhen, was die intrinsische Schweißbarkeit und Duktilität verringern kann, wenn dies nicht durch sorgfältiges Legierungsdesign und Wärmebehandlung kompensiert wird.
5. Schweißbarkeit
- Überlegungen zur Schweißbarkeit konzentrieren sich auf den Kohlenstoffgehalt, das Kohlenstoffäquivalent und das Vorhandensein von Mikrolegierungs- oder härtbarkeitserhöhenden Elementen.
- Nützliche Indizes:
- Kohlenstoffäquivalent (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- Pcm (Schweißbarkeitsparameter): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Qualitative Interpretation:
- Niedrigerer Kohlenstoff- und niedrigerer CE-Wert weisen auf eine einfachere Schweißbarkeit mit geringerem Vorwärmen und reduziertem Risiko von Kaltbrüchen hin.
- Q390, das mit leicht niedrigerer erforderlicher Festigkeit entworfen wurde, hat oft ein niedrigeres CE im Vergleich zu Q420-Varianten, die mit zusätzlicher Mikrolegierung oder höherem Mn produziert werden, was Q390 im Allgemeinen einfacher zu schweißen macht mit weniger Vorwärmen.
- Q420 kann erfolgreich geschweißt werden, erfordert jedoch möglicherweise konservativere Vorwärm-/Zwischenpass-Temperaturen, Wasserstoffkontrolle und Nachbehandlung (PWHT) bei dicken Abschnitten, um harte martensitische Zonen und Wasserstoffkaltbrüche zu vermeiden.
- Praktische Empfehlungen:
- Verwenden Sie niedrigwasserstoffhaltige Verbrauchsmaterialien und heizen Sie nach Bedarf basierend auf Dicke und berechnetem CE/Pcm vor.
- Für kritische Anwendungen fordern Sie die Schweißbarkeitsdaten der Mühle an und ziehen Sie in Betracht, Qualifikationsschweißverfahren für repräsentative Dicken zu berücksichtigen.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Dies sind kohlenstoffhaltige HSLA-Stähle — nicht korrosionsbeständig wie rostfreie Stähle.
- Typische Schutzmethoden: Feuerverzinkung, Zink-Elektroplattierung (wo angebracht), organische Beschichtungen (Primer/Decklacke) und spezielle Beschichtungen für marine oder aggressive industrielle Atmosphären.
- PREN (Pitting-Widerstand-Äquivalentzahl) ist nicht anwendbar auf Q-Sorten, da sie keine rostfreien Stähle sind: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Dieser Index gilt nur für rostfreie Legierungen, die signifikantes Cr, Mo und N enthalten; er sollte nicht für Q390/Q420 verwendet werden.
- Auswahlpunkt: Wenn Korrosionsbeständigkeit ein Projektantrieb ist, spezifizieren Sie Schutzsysteme oder ziehen Sie rostfreie/Duplex-Legierungen in Betracht, anstatt sich auf die Chemie des Grundstahls zu verlassen.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit
- Bearbeitbarkeit:
- Beide Sorten sind mit Standardpraktiken bearbeitbar; höhere Festigkeit (Q420) erhöht typischerweise den Werkzeugverschleiß und kann angepasste Vorschübe/Geschwindigkeiten erfordern.
- Umformbarkeit und Biegen:
- Niedrigere Streckgrenzenstähle (Q390) sind im Allgemeinen einfacher zu formen und zu biegen, ohne zu brechen; Q420 kann größere Biegeradien oder kontrollierte Umformmethoden erfordern.
- Schneid- und thermische Prozesse:
- Thermisches Schneiden (Plasma/Sauerstoffbrennstoff) ist für beide Sorten ähnlich, aber die Bedingungen der Schnittkante und die wärmebeeinflussten Zonen sollten für nachgelagerte Ermüdung oder Schweißnähte berücksichtigt werden.
- Oberflächenveredelung:
- Für Lack oder Beschichtung sind die Oberflächenreinheit und die Vorbehandlung gleich; harte Oberflächen auf Q420 können die abrasive Veredelung beeinflussen.
8. Typische Anwendungen
| Q390 — Häufige Anwendungen | Q420 — Häufige Anwendungen |
|---|---|
| Allgemeine Stahlbauarbeiten, wo moderate hohe Festigkeit und gute Schweißbarkeit erforderlich sind (Baugerüste, nicht kritische Brücken, Plattformen) | Schwerere strukturelle Anwendungen, bei denen Gewichtseinsparungen wichtig sind (Langspannebrücken, schwere Kräne, große Erdbewegungsgeräte) |
| Strukturelle Komponenten, bei denen Geschwindigkeit und Leichtigkeit der Fertigung Priorität haben | Komponenten, die einen größeren Querschnittsmodul für die gleiche Last erfordern (Reduzierung der Plattendicke bei gleichbleibender Tragfähigkeit) |
| Sekundäre tragende Elemente, allgemeine Fertigung | Primäre tragende Elemente, hochbelastbare strukturelle Elemente und spezialisierte geschweißte Strukturen |
Auswahlbegründung: Wählen Sie Q390, wenn die Fertigungseffizienz, die niedrigeren Kosten und die gute Zähigkeit im Vordergrund stehen. Wählen Sie Q420, wenn höhere Festigkeit pro Flächeneinheit und Gewicht-/Raumeinsparungen erforderlich sind und wenn der Fertigungsplan etwas rigorosere Schweiß-/Umformkontrollen zulässt.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Relativer Preis:
- Q420 hat typischerweise einen moderaten Aufpreis gegenüber Q390 aufgrund der höheren garantierten Streckgrenze und möglicherweise strengerer Zusammensetzungs-/Verarbeitungskontrollen.
- Verfügbarkeit:
- Beide Sorten werden in Platten und Coils von großen Mühlen in Regionen, in denen GB-Normen verbreitet sind, weit produziert. Die Verfügbarkeit nach Produktform (Platte, Coil, Profil) kann je nach Markt und Dicke variieren.
- Beschaffungsnotiz:
- Für große Projekte spezifizieren Sie frühzeitig den erforderlichen Lieferstandard, die Akzeptanzkriterien für mechanische Eigenschaften und die Lieferform, um die besten Lieferzeiten und Preise zu sichern.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
| Kriterium | Q390 | Q420 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit | Besser (allgemein niedrigerer CE) | Gut, kann aber mehr Vorwärmen/Kontrollen erfordern |
| Festigkeits-Zähigkeits-Balance | Gut, günstige Zähigkeit für viele TMCP-Produkte | Höhere Festigkeit; Zähigkeit erreichbar, erfordert jedoch strengere Kontrolle |
| Kosten | Niedriger | Höher (moderater Aufpreis) |
Fazit: - Wählen Sie Q390, wenn Sie einfachere Fertigung und Schweißung, gute Zähigkeit bei etwas niedrigeren Materialkosten priorisieren und wenn die Querschnittsgröße die niedrigere Mindeststreckgrenze zulässt. - Wählen Sie Q420, wenn Sie eine höhere Entwurfsstreckgrenze benötigen, um die Querschnittsgröße oder das Gewicht zu reduzieren, und wenn Sie diszipliniertere Schweiß-, Umform- und Wärmebehandlungssteuerungen während der Fertigung berücksichtigen können.
Praktische abschließende Anmerkung: Fordern Sie immer das Mill-Zertifikat des Lieferanten, den Wärmebehandlungsbericht und die Schweißbarkeitsrichtlinien für die gelieferte Charge an. Für kritische Strukturen verlangen Sie Qualifikationsschweißungen bei repräsentativen Dicken und Verarbeitungsbedingungen und ziehen Sie in Betracht, die Schlagenergie- und Zähigkeitsgrenzen bei der Betriebstemperatur zu spezifizieren, um die Leistung im Feld sicherzustellen.