Q345R vs Q420R – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Seleccionar el grado de acero adecuado para recipientes a presión es un dilema común para ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción, quienes deben equilibrar resistencia, tenacidad, soldabilidad y costo. Q345R y Q420R son dos aceros de baja aleación al carbono-manganeso de fabricación china, desarrollados para aplicaciones en recipientes a presión; la elección práctica entre ellos generalmente depende del rango de presión/temperatura requerido y las restricciones de fabricación asociadas. En resumen, la principal diferencia práctica radica en su idoneidad para el servicio: Q345R se elige para recipientes de presión/temperatura bajas a moderadas, donde se priorizan la ductilidad y la soldabilidad, mientras que Q420R se selecciona cuando se requiere un mayor margen de resistencia (lo que permite paredes más delgadas o presiones de diseño más elevadas).

1. Normas y designaciones

• Norma nacional principal: Designaciones chinas de acero para recipientes a presión (comúnmente referenciadas en la serie GB/GB/T para recipientes a presión; tenga en cuenta que deben verificarse las referencias del código local y los años de edición para las especificaciones del proyecto).
• Relaciones internacionales: estos grados se comparan a menudo con los aceros estructurales HSLA y para recipientes a presión en los sistemas EN y ASTM, pero ni el Q345R ni el Q420R son un equivalente directo uno a uno de un grado ASTM/EN único; las especificaciones y los requisitos de prueba difieren.
• Clase de material: tanto el Q345R como el Q420R son aceros de baja aleación, al carbono y al manganeso, diseñados para servicio en recipientes a presión (es decir, aceros estructurales de alta resistencia / clase HSLA en lugar de aceros inoxidables, para herramientas o de alta aleación).

2. Composición química y estrategia de aleación

Elemento	Presencia/función típica — Q345R	Presencia/función típica — Q420R
C (Carbono)	Bajo contenido de carbono para preservar la soldabilidad y la tenacidad; máximo controlado (nominalmente del orden de décimas de %).	Límite de carbono ligeramente superior al del Q345R para soportar mayor resistencia; aún se mantiene relativamente bajo.
Mn (manganeso)	Elemento principal de fortalecimiento y desoxidación; contenido moderado para equilibrar resistencia y tenacidad.	Contenido moderado a ligeramente elevado de manganeso para favorecer una mayor resistencia a la fluencia y templabilidad.
Si (silicio)	Pequeñas cantidades como desoxidante; no es un factor principal de resistencia.	Función similar: pequeñas cantidades controladas
P (Fósforo)	Se mantiene en niveles bajos como impureza; limita la degradación de la tenacidad	Se mantuvo bajo; control comparable al Q345R
S (Azufre)	Niveles bajos para evitar la fragilidad y mejorar la soldabilidad	Niveles bajos; razonamiento similar
Cr, Ni, Mo	Suele estar presente en niveles muy bajos o trazas en los grados Q estándar; no son adiciones de aleación elevadas.	Puede contener pequeñas adiciones o controles más estrictos en algunas especificaciones para aumentar la templabilidad/tenacidad.
V, Nb, Ti (microaleación)	Puede estar presente en pequeñas cantidades/trazas en las prácticas modernas de molienda para controlar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad.	Es más probable que se utilice (o especifique) para refinar el grano y aumentar la resistencia a la fluencia sin sacrificar la ductilidad.
B	Traza si se utiliza para el control de la templabilidad en fusiones específicas	Es posible realizar el seguimiento en rutas de producción específicas.
N (Nitrógeno)	Controlado mediante prácticas de desoxidación; afecta la forma y la dureza de las inclusiones.	Control similar

Notas: La tabla evita intencionadamente las afirmaciones de valores únicos. Las prácticas de fabricación y los límites químicos exactos deben confirmarse con las especificaciones del comprador y el certificado de ensayo de fábrica. En general, el Q420R alcanza una mayor resistencia principalmente mediante un control de composición más estricto y una microaleación optimizada (elementos refinadores de grano), no mediante grandes aumentos de los elementos de aleación convencionales.

Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El carbono y el manganeso aumentan la resistencia a la tracción y la resistencia a la fluencia, pero pueden reducir la soldabilidad y la tenacidad si se aplican en exceso. - Los elementos de microaleación (Nb, V, Ti) permiten un mayor rendimiento a una ductilidad dada mediante el refinamiento del grano y el fortalecimiento por precipitación, lo que proporciona un mejor equilibrio entre resistencia y tenacidad que simplemente aumentar el C. - Las trazas de Cr/Ni/Mo aumentarían la templabilidad y la resistencia a altas temperaturas, pero normalmente no son significativas en el Q345R/Q420R estándar a menos que se requiera un tratamiento térmico específico o un servicio a temperaturas más altas.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

Microestructuras típicas: Ambos grados se suministran en estado normalizado o laminado controlado, lo que les confiere una microestructura fina de ferrita-perlita. Las variantes microaleadas presentan granos más finos y precipitados interfásicos que aumentan la resistencia a la fluencia. - Q345R: generalmente optimizado para una matriz de ferrita dúctil con perlita dispersa; énfasis en la tenacidad y el alargamiento uniforme. - Q420R: alcanza una mayor resistencia gracias a un tamaño de grano más fino y/o un mayor fortalecimiento por precipitación; puede aparecer una cantidad fraccionada mayor de perlita o ferrita más fina dependiendo de la historia térmica.

Respuesta al tratamiento térmico: - La normalización (enfriamiento al aire después de la austenización) refina los granos y homogeneiza las propiedades; se utiliza comúnmente para asegurar la estabilidad dimensional y mejorar la tenacidad en ambos grados. Temple y revenido: no se aplica comúnmente a las placas estándar para recipientes a presión destinadas a conformado/soldadura, pero puede utilizarse en aplicaciones especiales. Dado que ambos grados son de baja aleación, responden al temple/revenido con un aumento de la resistencia y la tenacidad si se realiza correctamente; tenga en cuenta el aumento de las tensiones residuales. - Las acerías utilizan el laminado termomecánico (laminado controlado) más el enfriamiento acelerado para producir mayor resistencia con tenacidad conservada; particularmente efectivo para Q420R, permitiendo un mayor rendimiento con una ductilidad aceptable.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	Q345R (objetivo típico)	Q420R (objetivo típico)
Límite elástico (Rp0,2/Rp%)	~345 MPa característico (referencia del nombre del grado)	Característica de ~420 MPa (referencia del nombre del grado)
Resistencia a la tracción (UTS)	Rango típico superior al límite elástico; comúnmente en el orden de los cientos de MPa	Mayor rango de tracción consistente con un mayor límite elástico
Alargamiento (A%)	Generalmente mayor ductilidad (por ejemplo, un alargamiento típico de dos dígitos en porcentaje).	Ligeramente menos alargada que la Q345R, pero aún así dúctil para conformado/soldadura.
Resistencia al impacto (Charpy)	Especificado para cumplir con los requisitos de impacto a baja temperatura de los recipientes a presión; buena resistencia a las muescas.	También se especifica la resistencia a la muesca, pero la temperatura o energía mínimas pueden ser más estrictas para ciertas aplicaciones.
Dureza	Moderado (apto para mecanizado y conformado estándar)	Una dureza ligeramente superior es coherente con una mayor resistencia.

Notas: Las denominaciones de los grados indican los niveles mínimos de límite elástico aproximados y establecen un orden claro: Q420R es más resistente. Los requisitos exactos de tracción, elongación e impacto se establecen en la norma aplicable y las especificaciones del comprador; verifique siempre con el certificado de ensayo de fábrica. La mayor resistencia del Q420R puede requerir una mayor atención a la cualificación del procedimiento de soldadura y a las tolerancias de conformado.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada por el contenido de carbono, la templabilidad combinada (proveniente del Mn y otros elementos de aleación) y los elementos de microaleación. Dos índices empíricos de uso común son:

• Equivalente de carbono IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

• PCM internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación (cualitativa): - Los valores más bajos de $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ indican una soldabilidad más fácil con un precalentamiento menor y un riesgo reducido de agrietamiento en frío inducido por hidrógeno. - El Q345R, con un contenido de carbono nominal ligeramente inferior y menos contribuyentes a la templabilidad, normalmente tiene una mejor soldabilidad (menor CE/Pcm) y requiere menos precalentamiento que el Q420R, en igualdad de condiciones. - La mayor resistencia del Q420R y cualquier aumento de microaleación/temperabilidad exigen un control más estricto de los parámetros de soldadura: precalentamiento, temperatura entre pasadas, consumibles de bajo hidrógeno y calificación de los procedimientos de soldadura y tratamiento térmico posterior a la soldadura (si fuera necesario). - Realice siempre la calificación del procedimiento y las evaluaciones de control de hidrógeno basándose en el análisis químico y los espesores del certificado de fábrica.

6. Corrosión y protección de superficies

• Tanto el Q345R como el Q420R son aceros al carbono-manganeso no inoxidables. No son intrínsecamente resistentes a la corrosión y requieren protección superficial en ambientes corrosivos.
• Opciones de protección comunes: sistemas de pintura en taller o en campo, recubrimientos de epoxi o poliuretano, galvanizado en caliente (sujeto a restricciones de espesor y geometría) y margen de corrosión en el diseño.
• Los índices de rendimiento del acero inoxidable, como el PREN, no son aplicables a los aceros que no son inoxidables: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Esto solo es relevante para los aceros inoxidables dúplex/austeníticos.
• Cuando la fatiga por corrosión, los ambientes clorados o el servicio con H2S son motivo de preocupación, seleccione la metalurgia apropiada (acero inoxidable, revestido o aleación resistente a la corrosión) en lugar de confiar en grados Q con protección superficial.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformado: El menor límite elástico del Q345R facilita el conformado en frío, el doblado y el laminado, con menor recuperación elástica y menores requisitos de fuerza. El Q420R requerirá mayores cargas de conformado y una mayor resistencia de las herramientas; los radios de curvatura y la secuencia de conformado deben tener en cuenta el mayor límite elástico y la menor elongación.
• Corte y mecanizado: ambos aceros se mecanizan aceptablemente con prácticas estándar; la mayor resistencia/Q420R puede causar un desgaste más rápido de la herramienta y puede requerir ajustes en la velocidad de corte/avance.
• Operaciones de soldadura y post-soldadura: El Q420R a menudo necesita un control de precalentamiento/entre pasadas más estricto y un posible tratamiento térmico post-soldadura en secciones gruesas para prevenir el agrietamiento por hidrógeno y cumplir con los requisitos de tenacidad.
• Acabado superficial: ambas calidades admiten tratamientos superficiales comunes; tenga cuidado con el aporte de calor durante el esmerilado/soldadura para evitar la descarburización superficial o la fragilización de la ZAT.

8. Aplicaciones típicas

Q345R (usos comunes)	Q420R (usos comunes)
Recipientes, tanques y calderas de baja a moderada presión donde la soldabilidad y la ductilidad son prioritarias.	Recipientes a presión e intercambiadores de calor donde se requieren presiones de diseño más elevadas o paredes más delgadas
Componentes estructurales generales en sistemas de presión y marcos de soporte	Carcasas presurizadas de alta carga, recipientes más gruesos donde la reducción de peso/espacio es importante
Elementos fabricados que requieren un proceso extenso de conformado y soldadura, con buena resistencia a bajas temperaturas.	Aplicaciones que requieren un mayor margen de resistencia, pero donde los procedimientos de soldadura pueden controlarse cuidadosamente.

Justificación de la selección: - Elija Q345R cuando se prioricen la facilidad de conformado, la facilidad de soldadura y el costo, y el rango de presión/temperatura de diseño se encuentre dentro de su rango permitido. - Elija Q420R cuando se necesite una mayor resistencia a la fluencia para reducir el espesor de la pared o cumplir con una presión de diseño más alta; acepte los mayores controles de fabricación y el costo del material ligeramente superior.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El Q420R suele ser más caro por tonelada que el Q345R debido a los controles más estrictos de aleación y procesamiento, y a su mayor rango de propiedades mecánicas. El coste exacto depende de la ubicación, el espesor de la chapa y la capacidad de la planta de producción.
• Disponibilidad: Ambos grados se producen habitualmente en las principales regiones siderúrgicas; sin embargo, las dimensiones, espesores y formatos de producto normalizados/procesados ​​termomecánicamente varían según la planta siderúrgica. Los responsables de la planificación del proyecto deben confirmar los plazos de entrega y los formatos de producto disponibles (placas, bobinas, conjuntos soldados) al inicio del proceso de adquisición.

10. Resumen y recomendación

Atributo	Q345R	Q420R
Soldabilidad	Mejor (procedimientos más sencillos, menor precalentamiento)	Requiere un control de soldadura más estricto
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buena tenacidad con resistencia moderada	Mayor resistencia; mantener la tenacidad mediante microaleación/procesamiento.
Costo	Inferior (típico)	Mayor (típico)

Recomendaciones: - Elija Q345R si necesita un equilibrio entre ductilidad, soldadura sencilla y menor costo de material para recipientes a presión que operan dentro de límites de presión/temperatura moderados, o cuando se requiere un conformado extenso. - Elija Q420R si el diseño requiere mayor límite elástico y resistencia a la tracción (para reducir el espesor de la pared, cumplir con presiones de diseño más altas o lograr ahorros de peso), y puede asumir los controles de soldadura más rigurosos, los posibles requisitos de precalentamiento/PWHT y el costo del material ligeramente más alto.

Nota final: Las calidades mencionadas se definen en documentos estándar específicos y certificados de fábrica. En la documentación de adquisición, siempre especifique la edición estándar aplicable, los criterios de aceptación mecánica (límite elástico, resistencia a la tracción, temperatura/energía de impacto), los límites químicos, las condiciones de entrega (normalizado, TMCP) y las cualificaciones requeridas para el procedimiento de soldadura. Verifique todas las decisiones de diseño y fabricación con los certificados de ensayo de fábrica y el código o norma aplicable a recipientes a presión.