Q235NH frente a Q355NH: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros estructurales chinos Q235NH y Q355NH son dos referencias ampliamente utilizadas en recipientes a presión, calderas y aplicaciones estructurales generales que requieren tratamiento térmico normalizado (N) y, en ocasiones, una mayor resistencia al impacto (H). Ingenieros, responsables de compras y planificadores de producción suelen enfrentarse a la disyuntiva de elegir entre estos grados al equilibrar el coste, la soldabilidad y la necesidad de mayor resistencia o tenacidad. Las decisiones típicas se plantean si priorizar un menor coste del material y una fabricación más sencilla (optando por el grado de menor resistencia) o reducir el espesor y el peso de la sección mediante un material de mayor resistencia (optando por el grado de mayor resistencia).

La diferencia práctica entre ambos aceros radica principalmente en una compensación en su rendimiento: el Q355NH ofrece una mayor resistencia a la fluencia garantizada que el Q235NH, lo que repercute en los requisitos de espesor, peso y tenacidad. Dado que ambos son aceros al carbono (no inoxidables) con normalización durante su procesamiento, se comparan frecuentemente para aplicaciones donde se requiere un equilibrio entre resistencia, tenacidad a la entalla y comportamiento durante la fabricación.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes en las que aparecen estos aceros:
• GB/T (China): Q235NH y Q355NH son designaciones en las normas nacionales chinas para aceros estructurales/de recipientes a presión.
• EN (Europa): Aproximadamente comparable a las familias S235 y S355 (aceros estructurales), pero la sustitución directa requiere una revisión de todos los requisitos de propiedad.
• ASTM/ASME: Los grados equivalentes ASME/ASTM no son coincidencias directas uno a uno; los aceros para recipientes a presión ASME, como el SA-516 Grado 70, son especificaciones separadas con diferentes requisitos de composición química y tenacidad.

• JIS: Las clasificaciones japonesas son diferentes; la sustitución requiere verificación.

• Clasificación:

• Tanto el Q235NH como el Q355NH son aceros al carbono/de baja aleación (no inoxidables), generalmente clasificados como aceros estructurales o para recipientes a presión, en lugar de aceros para herramientas o inoxidables. El Q355NH se considera generalmente un acero estructural de alta resistencia/tipo HSLA (mayor rendimiento dentro de la familia de aceros estructurales).

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	Q235NH (control típico)	Q355NH (control típico)
C (Carbono)	Baja (controlada en cuanto a soldabilidad y ductilidad)	De baja a moderada (potencial de carbono ligeramente superior para alcanzar una mayor resistencia)
Mn (manganeso)	Moderado (desoxidación, fuerza)	De moderado a alto (contribuye a la resistencia y la templabilidad)
Si (silicio)	Bajo (desoxidante)	Bajo (desoxidante; puede ser ligeramente más alto)
P (Fósforo)	Estrictamente limitado (impureza)	Estrictamente limitado (impureza)
S (Azufre)	Estrictamente limitado (impureza)	Estrictamente limitado (impureza)
Cr, Ni, Mo	Normalmente no se añade deliberadamente (niveles traza)	Puede contener pequeñas cantidades o requerir un control más estricto; aun así, generalmente presenta un bajo contenido de aleación.
V, Nb, Ti	No se suele añadir en cantidades significativas (posible microaleación en trazas).	En algunas variantes de Q355 puede incluirse microaleación para el control de la resistencia (pero el Q355NH en sí se consigue a menudo mediante procesamiento químico + termomecánico).
B, N	Solo trazas; N controlado para tenacidad	Solo trazas; N controlado para tenacidad

Notas: El sufijo «NH» indica una condición normalizada y un requisito de tenacidad al impacto u otra característica de procesamiento térmico, en lugar de grandes adiciones de aleación. La estrategia de aleación para ambos grados enfatiza los ajustes de carbono y manganeso y límites estrictos de impurezas (P, S) para garantizar la tenacidad y la soldabilidad. El Q355NH logra una mayor resistencia a la fluencia principalmente a través de la composición y el procesamiento controlado, en lugar de una aleación excesiva.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono y el manganeso son los principales contribuyentes a la resistencia: un mayor contenido de C y Mn aumenta la resistencia y la templabilidad, pero reduce la soldabilidad y la ductilidad si no se controla. - El silicio es un desoxidante y tiene un efecto fortalecedor moderado. Los elementos de microaleación (V, Nb, Ti), cuando están presentes incluso en niveles bajos de ppm, aumentan la resistencia a la fluencia al refinar el tamaño del grano y precipitar carburos/nitruros, mejorando la resistencia sin degradar proporcionalmente la tenacidad. Las impurezas (P y S) provocan fragilidad y reducen la tenacidad, por lo que su uso está estrictamente limitado en estos grados estructurales/para recipientes a presión.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: - Condición normalizada (N): Ambos grados se normalizan comúnmente (calentar a austenita y luego enfriar al aire) para desarrollar una microestructura de ferrita-perlita fina y relativamente uniforme. - Q235NH: El proceso de normalización produce una estructura de ferrita-perlita con un contenido de perlita relativamente grueso en comparación con aceros de mayor resistencia. La microestructura favorece una buena ductilidad y una tenacidad aceptable a temperaturas moderadas. - Q355NH: La normalización, junto con una composición química ligeramente diferente y posiblemente un laminado/refinamiento controlado, da como resultado una ferrita-perlita de grano más fino con mayor densidad de dislocaciones y, en ocasiones, precipitados de microaleación. Esto proporciona mayor límite elástico y resistencia a la tracción, conservando la tenacidad.

Rutas y respuestas al tratamiento térmico: Normalización (estándar para la designación “N”): Mejora la tenacidad mediante el refinamiento del grano y proporciona propiedades mecánicas uniformes. Eficaz para ambos grados, especialmente donde la tenacidad al impacto a bajas temperaturas es importante. - Temple y revenido (T&R): No se aplica comúnmente a estos grados en la práctica estándar para aceros de recipientes a presión; el T&R aumentará sustancialmente la resistencia, pero también alterará la tenacidad y es una clase de material diferente. - Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Se utiliza a menudo para aceros de clase Q355 para obtener mayor resistencia con buena tenacidad mediante la combinación de laminación controlada y enfriamiento acelerado; esta es una ruta de producción en lugar de un tratamiento térmico en taller y ayuda a lograr los objetivos de mayor resistencia requeridos sin una aleación excesiva.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	Q235NH (típico)	Q355NH (típico)
Límite elástico mínimo (MPa)	235 (valor nominal de diseño)	355 (valor nominal de diseño)
Resistencia a la tracción (MPa)	Rango típico: inferior al Q355NH (depende de la forma y el grosor del producto).	Rango típico: superior a Q235NH
Alargamiento (%)	Generalmente mayor (mejor ductilidad)	Generalmente inferior al Q235NH, pero aún adecuado para uso estructural.
Resistencia al impacto	Buen estado en condiciones normalizadas; diseñado para una tenacidad a la entalla aceptable.	Generalmente igual o mejor en regímenes de impacto específicos debido a controles y procesos más estrictos; depende del espesor y los requisitos de temperatura.
Dureza	Relativamente bajo (más fácil de mecanizar/revestir)	Superior al Q235NH pero no al rango de los aceros para herramientas; aún mecanizable.

Explicación: El acero Q355NH es, por diseño, el de mayor resistencia: su mayor límite elástico mínimo y su mayor resistencia típica a la tracción permiten utilizar secciones más delgadas para la misma carga estructural. La contrapartida es una ductilidad ligeramente menor y una mayor sensibilidad potencial a las microestructuras duras derivadas de la soldadura, a menos que se utilicen procedimientos de soldadura adecuados. La tenacidad depende del espesor, el tratamiento de normalización y el control de calidad. Cuando se normalizan y se fabrican según las especificaciones, ambos grados cumplen con los requisitos de impacto; el Q355NH suele tener un control de proceso más estricto para lograr combinaciones de mayor resistencia y tenacidad.

5. Soldabilidad

Consideraciones sobre la soldabilidad: - El contenido de carbono y la templabilidad combinada determinan los requisitos de precalentamiento, temperatura entre pasadas y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - La microaleación y el contenido de manganeso afectan la templabilidad y el riesgo de fisuración en frío en la zona afectada por el calor.

Índices útiles de equivalencia de carbono y aleación (interpretativos; se aplican a la evaluación cualitativa): - Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (para la susceptibilidad al agrietamiento por frío, interpretar cualitativamente): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - Ambos grados apuntan a valores de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ bajos a moderados en comparación con los aceros templados, por lo que generalmente se consideran soldables con consumibles estándar y prácticas de precalentamiento. - El Q235NH, con una resistencia típicamente menor y un equivalente de carbono algo menor, es generalmente más tolerante en la soldadura: menos precalentamiento y menor riesgo de agrietamiento de la ZAT. - El acero Q355NH, aunque está diseñado para ser soldable, puede requerir prácticas de soldadura más conservadoras (entrada de calor controlada, posible precalentamiento para secciones más gruesas y materiales de relleno compatibles) debido a que su mayor resistencia y ligero aumento en la templabilidad pueden aumentar la susceptibilidad a microestructuras duras en la ZAT si no se suelda correctamente.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el Q235NH como el Q355NH son aceros al carbono no inoxidables; su resistencia intrínseca a la corrosión es limitada.
• Métodos de protección típicos:
• Galvanizado en caliente (para protección contra la corrosión atmosférica).
• Pinturas, imprimaciones y recubrimientos (sistemas epoxi y de poliuretano) para entornos agresivos.
• Protección catódica y revestimiento (por ejemplo, revestimiento de acero inoxidable) para servicio químico donde la resistencia a la corrosión es fundamental.
• Fórmula del PREN (número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• PREN es un índice de corrosión del acero inoxidable y no es aplicable a Q235NH/Q355NH porque estas no son aleaciones de acero inoxidable y no dependen de películas pasivas basadas en Cr/Mo/N.
• Aclaración: Para aplicaciones químicas o de recipientes a presión que requieren resistencia a la corrosión, considere revestimientos, recubrimientos o la selección de acero inoxidable o aleaciones resistentes a la corrosión en lugar de confiar en Q235NH/Q355NH.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte: Ambos grados se cortan con métodos estándar de oxicorte, plasma o láser; el Q355NH puede requerir parámetros ligeramente ajustados debido a su mayor resistencia y dureza.
• Maquinabilidad: El Q235NH generalmente se mecaniza con mayor facilidad debido a su menor resistencia y dureza. El Q355NH se mecaniza aceptablemente, pero el desgaste de la herramienta puede ser mayor; la selección de las herramientas y los avances debe considerar una mayor resistencia a la tracción y dureza.
• Conformabilidad/doblabilidad: El Q235NH ofrece mejor conformabilidad y mayores radios de curvatura para un espesor determinado. El Q355NH se puede conformar, pero puede requerir mayores radios de curvatura o parámetros de conformado controlados para evitar fisuras, especialmente si la microaleación aumenta la resistencia.
• Acabado superficial: Ambos materiales admiten bien pintura, galvanización y recubrimiento tras una preparación adecuada de la superficie.

8. Aplicaciones típicas

Q235NH (usos comunes)	Q355NH (usos comunes)
Componentes estructurales generales (vigas, perfiles U) donde el bajo coste y la buena ductilidad son prioritarios.	Elementos estructurales más robustos donde se requiere una reducción de peso o mayores tensiones admisibles
Carcasas de recipientes a presión baja a moderada donde la tenacidad y la normalización estándar son suficientes.	Recipientes a presión, calderas y equipos de gas/petróleo que requieren mayor resistencia manteniendo la tenacidad.
Bastidores de maquinaria ligera, soportes y conjuntos soldados no críticos	Componentes de grúas, estructuras pesadas y aplicaciones donde los códigos de diseño permiten tensiones admisibles más elevadas.
Componentes con amplios requisitos de conformado/doblado	Componentes en los que un espesor reducido (y, por lo tanto, un peso menor) es importante sin dejar de cumplir con los requisitos de carga estructural

Justificación de la selección: - Elija Q235NH cuando la sensibilidad al costo, la alta ductilidad y la facilidad de fabricación/soldadura sean los factores principales. - Elija Q355NH cuando una mayor resistencia a la fluencia permita reducir el espesor de la sección, lo que proporciona ahorros de peso y material, o cuando el código/diseño requiera un mayor nivel de rendimiento.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: el Q235NH suele ser más económico.