Q355GNH frente a Q415GNH: composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones
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Introducción
Elegir entre Q355GNH y Q415GNH es un dilema común de diseño y adquisición para ingenieros, gerentes de compras y planificadores de producción que trabajan con aceros estructurales de alta resistencia. Las decisiones típicas implican equilibrar una mayor capacidad de carga y secciones más delgadas (resistencia) con la soldabilidad, la tenacidad a bajas temperaturas y el costo total. Los fabricantes también evalúan las ventajas y desventajas del conformado y el mecanizado frente al rendimiento en servicio.
En esencia, estos dos grados se sitúan en rangos de resistencia adyacentes dentro de la familia de aceros microaleados de alta resistencia y baja aleación (HSLA), empleados en placas y perfiles estructurales. La principal diferencia funcional radica en un aumento de la resistencia a la fluencia garantizada del Q415GNH en comparación con el Q355GNH, lo que conlleva diferencias posteriores en los requisitos de procesamiento, el control de la tenacidad y los criterios de selección.
1. Normas y designaciones
- Principales familias de normas donde aparecen aceros similares: Normas nacionales chinas/GB (grados de la serie Q), EN (europeas), ASTM/ASME (EE. UU.) y JIS (Japón). Los nombres y requisitos exactos de los grados varían según la norma; las tablas de conversión son solo orientativas.
- Clasificación: Tanto el Q355GNH como el Q415GNH son aceros estructurales HSLA microaleados, de bajo carbono y no inoxidables, diseñados para un buen equilibrio entre resistencia y tenacidad. No son aceros para herramientas ni aceros inoxidables.
- Formas típicas del producto: placas, bobinas y estructuras soldadas; los sufijos (como GNH) suelen codificar calificadores de proceso y propiedades (p. ej., normalizado, laminado termomecánicamente y con mayor resistencia a bajas temperaturas) en los sistemas de nomenclatura de fabricantes o nacionales. Consulte el texto estándar para conocer el significado exacto de los sufijos en las especificaciones de compra.
2. Composición química y estrategia de aleación
La estrategia de HSLA microaleado para ambos grados consiste en mantener bajo el contenido de carbono para preservar la soldabilidad y la tenacidad, al tiempo que se añaden pequeñas cantidades de elementos de microaleación (Nb, V, Ti) más N controlado para refinar el grano y aumentar la resistencia a través de la precipitación y el refinamiento del grano en lugar de mediante grandes aumentos de carbono.
| Elemento | Q355GNH (función típica) | Q415GNH (función típica) |
|---|---|---|
| C (Carbono) | Bajo — limita la templabilidad, mejora la soldabilidad | Bajo — puede controlarse ligeramente por debajo o de forma similar al Q355 para mantener la resistencia. |
| Mn (manganeso) | Moderado — fortalecimiento y desoxidación de soluciones sólidas | Moderado — puede ser ligeramente superior para respaldar un mayor rendimiento |
| Si (silicio) | trazas–moderado — desoxidante | Trazas a moderadas |
| P (Fósforo) | Mantener bajo — control de fragilización | Manteniéndose bajo |
| S (Azufre) | Se mantiene bajo: maquinabilidad, limpieza | Manteniéndose bajo |
| Cr, Ni, Mo | Normalmente mínimo o trazas; no es el mecanismo de endurecimiento principal. | Puede estar presente en pequeñas cantidades en algunas variantes para mejorar la resistencia/templado. |
| V, Nb, Ti (microaleación) | Presente en cantidades microaleadas para refinar los granos y fortalecer mediante precipitación. | Presente; puede optimizarse para un fortalecimiento por precipitación ligeramente superior. |
| B (Boro) | Raro/en trazas — si se usa, se controla su endurecimiento | Raro/en trazas |
| N (Nitrógeno) | Controlado — forma carbonitruros con metales de microaleación | Controlado — puede ser ligeramente superior para reforzar el control |
Nota: Los límites químicos exactos se especifican en las normas nacionales o de fábrica pertinentes y varían según el grado y la presentación del producto. La tabla muestra características cualitativas, no concentraciones absolutas.
Cómo afecta la aleación a las propiedades: - El bajo contenido de carbono mantiene una soldabilidad y ductilidad aceptables. - El Mn y el Si controlado proporcionan un fortalecimiento por solución sólida y un buen comportamiento de procesamiento. - Los elementos de microaleación (Nb, V, Ti) permiten una alta resistencia a la fluencia mediante el refinamiento del grano y el endurecimiento por precipitación sin grandes aumentos de carbono, preservando la tenacidad. - Pequeños aumentos en la aleación o la intensidad del procesamiento para cumplir con los requisitos de Q415 pueden aumentar la templabilidad y requerir un control térmico adicional.
3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico
Las microestructuras típicas para ambos grados después del procesamiento estándar son ferrita de grano fino con cantidades controladas de bainita revenida o ferrita poligonal y precipitados de microaleación, dependiendo de las rutas termomecánicas.
- Q355GNH: Procesado para obtener una matriz controlada de ferrita-perlita o ferrita-bainita con tamaño de grano fino mediante normalización o laminación controlada. Los precipitados de microaleación (carbonitruros de Nb/Ti/V) impiden el crecimiento del grano y contribuyen a la resistencia a la fluencia.
- Q415GNH: Para lograr un mayor rendimiento garantizado, el procesamiento suele aumentar la intensidad del laminado termomecánico o emplear un endurecimiento por precipitación más intenso. Esto puede generar una mayor proporción de estructuras bainíticas o una matriz ferrítica más refinada con precipitados más densos, lo que incrementa la resistencia pero exige un control térmico más estricto.
Respuesta al tratamiento térmico: - Normalización/refinamiento: Ambos grados se benefician de la normalización o laminación controlada para refinar el tamaño del grano y mejorar la tenacidad. - Temple y revenido: No es típico para estos grados estructurales HSLA en el suministro habitual; cambiaría la clasificación del producto. - Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Especialmente eficaz para ambos aspectos y frecuentemente utilizado para lograr el equilibrio entre resistencia y tenacidad. Para el acero Q415GNH, los parámetros del TMCP pueden ser más agresivos para aumentar el límite elástico hasta alcanzar el objetivo superior.
4. Propiedades mecánicas
Una de las pocas certezas cuantitativas es que el número de grado indica la resistencia a la fluencia mínima nominal en MPa según la convención china de la serie Q.
| Propiedad | Q355GNH | Q415GNH |
|---|---|---|
| Límite elástico mínimo (MPa) | 355 (nominal por designación) | 415 (nominal por designación) |
| Resistencia a la tracción | Generalmente inferior a Q415; diseñado para mantener un comportamiento de fractura dúctil. | Normalmente superior a Q355 para igualar un mayor rendimiento. |
| Alargamiento (ductilidad) | Generalmente, es más dúctil con un espesor y procesamiento equivalentes. | En general, la ductilidad se reduce ligeramente a niveles de resistencia más altos. |
| Resistencia al impacto (baja temperatura) | Diseñado para una buena resistencia con TMCP y procesamiento normalizado | Puede lograr una resistencia comparable, pero a menudo requiere un procesamiento y pruebas más rigurosos. |
| Dureza | Inferior a Q415 con un procesamiento similar. | Mayor debido a la elevada resistencia y densidad del precipitado |
Interpretación: - El Q415GNH proporciona una mayor resistencia a la fluencia garantizada y, por lo tanto, permite estructuras más delgadas para la misma carga, pero puede imponer un control más estricto sobre la tenacidad y los procedimientos de soldadura. - El Q355GNH tiende a ofrecer una mejor conformabilidad y, a menudo, una elongación a la fractura algo mayor para rutas de procesamiento comparables.
5. Soldabilidad
La soldabilidad depende del equivalente de carbono y la templabilidad. Para una evaluación cualitativa, utilice índices reconocidos:
$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
y la más completa:
$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretación cualitativa: - Ambos grados están diseñados con bajo contenido de carbono y microaleación HSLA para mantener $CE_{IIW}$ y $P_{cm}$ relativamente bajos en comparación con los aceros templados de carbono medio, lo que favorece una buena soldabilidad. - El Q415GNH puede tener valores CE y Pcm ligeramente superiores a los del Q355GNH debido a un mayor contenido de Mn o microaleación o a un procesamiento más intenso; esto puede aumentar la susceptibilidad al endurecimiento de la ZAT y al agrietamiento asistido por hidrógeno en secciones gruesas. - En la práctica, el Q415 a menudo requiere un control más estricto: consumibles de soldadura con menor contenido de hidrógeno, precalentamiento o temperatura entre pasadas controlada y tratamiento térmico posterior a la soldadura para secciones gruesas críticas o servicio a baja temperatura. - Para ambos grados, siga los certificados de fábrica y realice pruebas de calificación conjuntas en caso de duda.
6. Corrosión y protección de superficies
- Se trata de aceros no inoxidables; su resistencia a la corrosión es similar a la de los aceros al carbono de baja aleación. La selección debe realizarse considerando la corrosión ambiental, salvo que el material esté protegido.
- Opciones de protección de la superficie: galvanizado en caliente, imprimaciones ricas en zinc, recubrimientos industriales de dos componentes, sistemas epoxi o revestimientos metalúrgicos cuando sea necesario.
- PREN no es aplicable porque no se trata de aleaciones de acero inoxidable. Para materiales inoxidables, uno