Q390 vs Q420 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

Los aceros Q390 y Q420 son aceros estructurales de alta resistencia comúnmente especificados en China y mercados relacionados para aplicaciones de carga donde se requiere una mayor resistencia a la fluencia que la de los aceros al carbono convencionales. Los ingenieros, los responsables de compras y los planificadores de producción a menudo deben elegir entre estos dos grados al equilibrar resistencia, tenacidad, soldabilidad, conformabilidad y coste. Los contextos de selección típicos incluyen la fabricación de estructuras pesadas (puentes, grúas y estructuras tipo jacket marinas), pórticos sometidos a presión y componentes estructurales que deben cumplir objetivos más estrictos de límite elástico o reducción de peso.

La principal diferencia práctica radica en que el acero Q420 está especificado para ofrecer una resistencia a la fluencia mínima superior a la del Q390, lo cual afecta al proceso de producción (aleación, procesamiento termomecánico o tratamiento térmico) y, por consiguiente, influye en su tenacidad, soldabilidad y comportamiento de conformado. Dado que ambos se clasifican como aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA), en lugar de aceros inoxidables o para herramientas, las comparaciones se centran en el equilibrio entre resistencia y tenacidad, las limitaciones de fabricación y las medidas de protección contra la corrosión.

1. Normas y designaciones

• Normas nacionales e internacionales comunes donde se hace referencia a calificaciones comparables:
• GB/T (China): Los aceros de la serie Q (por ejemplo, Q390, Q420) se definen en las especificaciones chinas para aceros estructurales.
• EN (Europa): los equivalentes más cercanos son los grados estructurales S, como S355 o S420, según las propiedades.
• JIS (Japón): no existe una correspondencia directa uno a uno; las clasificaciones JIS se centran en otras designaciones.
• ASTM/ASME (EE. UU.): no existe una correspondencia estándar única directa; utilice la correspondencia mecánica/de propiedades (por ejemplo, ASTM A572 para aceros estructurales de alta resistencia).
• Clasificación: Tanto el Q390 como el Q420 son aceros al carbono HSLA (de alta resistencia y baja aleación) optimizados para aplicaciones estructurales. No son aceros inoxidables, para herramientas ni de aleación especial.

2. Composición química y estrategia de aleación

La composición típica de los aceros HSLA de la serie Q se caracteriza por un bajo contenido de carbono y pequeñas adiciones controladas de manganeso, silicio y elementos de microaleación para lograr resistencia, manteniendo la tenacidad y la soldabilidad. La tabla a continuación muestra rangos típicos indicativos (en % peso). Siempre verifique la composición exacta en los certificados de fábrica o en la norma aplicable al material adquirido.

Tabla: Rangos de composición típicos (en % peso) — solo indicativos; consulte las especificaciones o el certificado de fábrica para obtener las cifras exactas.

Elemento	Q390 (rango típico, % en peso)	Q420 (rango típico, % en peso)
do	0,06 – 0,18	0,06 – 0,16
Minnesota	0,40 – 1,60	0,50 – 1,60
Si	0,10 – 0,50	0,10 – 0,50
PAG	≤ 0,035	≤ 0,035
S	≤ 0,035	≤ 0,035
Cr	0 – 0,50	0 – 0,50
Ni	0 – 0,30	0 – 0,30
Mes	0 – 0,10	0 – 0,10
V (microaleación)	0 – 0,12	0 – 0,12
Nb (microaleación)	0 – 0,08	0 – 0,08
Ti	0 – 0,02	0 – 0,02
B	0 – 0,002	0 – 0,002
norte	0,005 – 0,020	0,005 – 0,020

Explicación - Carbono: Se mantiene bajo o moderado para limitar la templabilidad y preservar la soldabilidad; en ocasiones se utiliza un contenido de carbono ligeramente inferior en grados de mayor resistencia combinados con microaleación o laminación termomecánica. - Manganeso y silicio: Fortalecedores y desoxidantes; el Mn contribuye a la templabilidad y la resistencia a la tracción. - Microaleación (V, Nb, Ti, B): Las pequeñas adiciones permiten el fortalecimiento por precipitación y el refinamiento del grano, lo que permite una mayor resistencia a la fluencia sin grandes aumentos de carbono u otros elementos de aleación que perjudicarían la soldabilidad. - Aleación menor (Cr, Ni, Mo): Se utiliza únicamente cuando se requiere una templabilidad específica o resistencia ambiental.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

La microestructura tanto para Q390 como para Q420 es típicamente una mezcla fina de ferrita-perlita o ferrita-bainita, dependiendo de la ruta de procesamiento: - Laminado en caliente/normalizado: Es común una matriz ferrítica fina con perlita dispersa; la normalización refina el tamaño del grano y mejora la tenacidad. - Procesamiento termomecánico (TMCP): El laminado controlado y el enfriamiento acelerado promueven ferrita poligonal fina y bainita, lo que permite un mayor rendimiento con un menor contenido de aleación, una ruta común para Q420. - Temple y revenido: No es típico de los aceros estructurales de grado Q de uso común, pero se utiliza cuando se requiere una combinación específica de alta resistencia y tenacidad; produce martensita revenida o bainita revenida y mayor dureza. - Precipitación de microaleaciones: Los precipitados de Nb, V y Ti fijan los límites de grano e inhiben la recristalización, proporcionando resistencia a través del refinamiento del grano y el fortalecimiento por precipitación con un aumento mínimo de carbono.

Efecto del procesamiento - El Q420 suele depender más del TMCP y la microaleación para alcanzar un mayor rendimiento garantizado al tiempo que conserva la tenacidad; esto puede producir una proporción ligeramente mayor de microestructura bainítica en comparación con el Q390 bajo un procesamiento equivalente. - El tratamiento térmico (normalizado frente a temple y revenido) puede modificar significativamente la tenacidad y la dureza; las secciones más gruesas tienen un enfriamiento más lento y, por lo tanto, una microestructura más gruesa y una menor tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

Tabla: Rangos típicos de propiedades mecánicas (indicativos; dependen del espesor, el procesamiento y la norma).

Propiedad	Q390 (típico)	Q420 (típico)
Límite elástico mínimo (Rp0.2)	≈ 390 MPa (especificado)	≈ 420 MPa (especificado)
Resistencia a la tracción (Rm)	~ 470 – 630 MPa	~ 520 – 680 MPa
Alargamiento (A, % sobre 50 mm)	~ 20 – 26%	~ 17 – 22%
Resistencia al impacto (Charpy V-notch, J)	Depende de la aplicación/grado; suele especificarse entre 0 °C y −20 °C; típico de 27 a 47 J	Rango similar, pero tiende a ser menor en promedio con el mismo espesor/procesamiento.
Dureza (HB)	Normalmente inferior al cuarto trimestre de 2020 para el mismo procesamiento.	Ligeramente más alto, lo que refleja una mayor fuerza.

Interpretación Resistencia: El acero Q420 ofrece una mayor resistencia mínima a la fluencia según las especificaciones. Para lograr dicha resistencia sin sacrificar la tenacidad, se suele recurrir al tratamiento térmico de compresión (TMCP) y a la microaleación, en lugar de aumentar significativamente el contenido de carbono. - Tenacidad frente a ductilidad: Para el mismo procesamiento, el Q420 puede ser ligeramente menos dúctil y puede mostrar una energía de impacto menor que el Q390; se necesita un control cuidadoso del laminado y el enfriamiento para mantener una tenacidad aceptable en secciones más gruesas. Implicaciones de diseño: Utilice Q420 cuando el margen de fluencia sea importante o cuando se busque reducir el peso. Utilice Q390 cuando se necesite una ductilidad o resistencia al impacto ligeramente superior a un menor coste.

5. Soldabilidad

La soldabilidad está determinada principalmente por el contenido de carbono, la aleación combinada (templabilidad) y la microaleación. Dos índices empíricos de uso común son el equivalente de carbono IIW y la fórmula Pcm:

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

• Fórmula Pcm (para la estimación de la susceptibilidad al agrietamiento por frío): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación cualitativa Tanto el Q390 como el Q420 están diseñados con un contenido de carbono relativamente bajo para favorecer una buena soldabilidad. Sin embargo, el Q420 puede presentar una templabilidad efectiva ligeramente superior debido a la microaleación y a las microestructuras inducidas por TMCP, lo que aumenta el riesgo de formación de martensita en las zonas afectadas térmicamente (ZAT) en soldaduras con alto aporte térmico o en secciones más gruesas. Utilice precalentamiento, temperaturas controladas entre pasadas y electrodos consumibles de bajo hidrógeno para placas o juntas más gruesas con valores de Pcm/CE más altos. En aplicaciones críticas, puede ser necesario un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - Para soldaduras rutinarias en taller de espesores delgados a moderados, ambos grados son fácilmente soldables con los procedimientos adecuados; el Q420 a menudo requiere una mayor atención al diseño de la junta y al control del calor.

6. Corrosión y protección de superficies

• Ni el Q390 ni el Q420 son aceros inoxidables; ambos están sujetos a la corrosión atmosférica y química como la mayoría de los aceros al carbono.
• Estrategias de protección estándar: galvanizado en caliente, recubrimientos de láminas de zinc, sistemas de pintura epoxi/uretano, protección catódica para ambientes marinos/costa afuera y detalles de diseño resistentes a la corrosión (drenaje, segregación de metales diferentes).
• El PREN no es aplicable: Para los aceros inoxidables, el número equivalente de resistencia a la corrosión por picaduras es relevante: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Este índice no se utiliza para aceros al carbono/HSLA; por lo tanto, PREN no debe aplicarse a Q390/Q420.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Conformabilidad: El acero Q390, de menor resistencia, generalmente presenta mejor conformabilidad en frío (doblado, prensado) que el Q420 con espesor equivalente debido a su mayor ductilidad. El Q420 puede requerir radios de curvatura mayores o fuerzas de conformado más elevadas.
• Maquinabilidad: Ambos grados son similares; la maquinabilidad es aceptable, pero disminuye con la resistencia. Una mayor resistencia (Q420) generalmente aumenta el desgaste de la herramienta y exige herramientas y parámetros de corte más robustos.
• Tolerancia de corte/soldadura: El Q420 puede ser más sensible a la falta de planitud y a la recuperación elástica debido a su mayor límite elástico; las tolerancias de fabricación deben tenerlo en cuenta.
• Acabado superficial: Ambos materiales admiten bien pinturas y galvanizado; el pretratamiento y la preparación de la superficie son estándar.

8. Aplicaciones típicas

Tabla: Usos típicos por grado

Q390 (usos típicos)	Q420 (usos típicos)
Vigas, columnas y pórticos estructurales generales donde se prioriza la rentabilidad y la buena ductilidad.	Componentes de grúas, vigas pesadas y elementos de puentes donde una mayor resistencia a la fluencia reduce el tamaño y el peso de la sección.
Chasis y bastidores de vehículos de servicio mediano	Componentes de plataformas y estructuras de soporte marinas donde una mayor relación resistencia-peso es fundamental (con protección contra la corrosión).
Equipos agrícolas y de construcción	Componentes estructurales de alta carga (polipastos, cabrestantes, maquinaria pesada) donde los márgenes de tolerancia a la deformación plástica son más ajustados.
Tanques de almacenamiento y estructuras no presurizadas (con la protección adecuada)	Elementos fabricados diseñados para la reducción de peso en estructuras de transporte

Justificación de la selección Elija Q420 cuando el diseño requiera una mayor resistencia a la fluencia para reducir el peso, utilizar secciones más pequeñas o para cumplir con mayores exigencias de carga estructural. Q420 es preferible cuando el taller de fabricación puede controlar los procedimientos de soldadura y el encofrado para este material de mayor resistencia. - Elija Q390 cuando las prioridades sean una ductilidad ligeramente mejor, una conformación más sencilla y un menor riesgo de coste/suministro.

9. Costo y disponibilidad

• Costo: El acero Q420 suele ser más caro que el Q390 por tonelada debido a sus mayores exigencias de procesamiento (TMCP, control de microaleación) y a las garantías de propiedades más estrictas. La diferencia de precio varía según la planta, la región y el formato del producto (placa, bobina, perfil).
• Disponibilidad: El acero Q390 suele estar más disponible en acerías y distribuidores de acero estructural general. El acero Q420 puede estar más disponible en regiones con alta demanda de aceros HSLA; sin embargo, los productos con formas o espesores especiales pueden requerir plazos de entrega para ambos grados.

10. Resumen y recomendación

Tabla: Comparación rápida

Criterio	Q390	Q420
Soldabilidad	Bien; margen ligeramente mejor en las secciones gruesas.	Bien, pero requiere un control de calor más estricto para las secciones más gruesas.
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Equilibrado hacia la ductilidad/tenacidad	Mayor límite elástico; puede sacrificar algo de ductilidad/tenacidad.
Costo (relativo)	Más bajo	Más alto

Recomendaciones - Elija Q390 si: necesita un acero HSLA rentable con buena ductilidad y fácil conformado/soldadura para cargas estructurales moderadas; cuando la velocidad de fabricación y un menor desgaste de las herramientas son prioritarios; o cuando la disponibilidad de existencias y un precio más bajo son decisivos. - Elija Q420 si: su diseño requiere una mayor resistencia a la fluencia garantizada para reducir el tamaño de la sección o el peso, o cuando se deben aumentar los márgenes estructurales contra la fluencia; siempre que sus procedimientos de fabricación y soldadura puedan controlar la entrada de calor y acepte un modesto aumento en el costo del material.

Nota final En los documentos de adquisición, especifique siempre la norma exacta, los límites de espesor, la energía de impacto (temperatura) requerida y las cualificaciones del procedimiento de soldadura. Revise los certificados de fábrica y los informes de ensayos de lotes para garantizar que los resultados químicos y mecánicos obtenidos cumplan con las restricciones de rendimiento y fabricación del proyecto.