Q420 vs Q460 – Composición, tratamiento térmico, propiedades y aplicaciones

Introducción

La elección entre Q420 y Q460 suele figurar entre las opciones que deben considerar ingenieros y responsables de compras cuando los proyectos requieren acero estructural de alta resistencia. Las decisiones típicas implican equilibrar una mayor resistencia a la fluencia y un menor espesor de sección (a favor del Q460) con una mejor soldabilidad, tenacidad y menor coste del material (a favor del Q420). Las limitaciones de fabricación (soldadura, conformado), la exposición ambiental y la disponibilidad de proveedores también influyen en la selección.

La principal diferencia técnica radica en una mayor resistencia a la fluencia mínima del Q460 en comparación con el Q420, lograda mediante un control más estricto de la composición química y la microaleación, además del procesamiento termomecánico. Este aumento de resistencia conlleva ciertas concesiones en cuanto a ductilidad, tenacidad, soldabilidad y coste de producción, razón por la cual estas dos calidades se comparan habitualmente para aplicaciones estructurales, de fabricación pesada y de ingeniería.

1. Normas y designaciones

• Normas comunes que hacen referencia a estos grados (la nomenclatura regional varía):
• Serie GB china (donde la designación "Q" es común para la resistencia a la fluencia): Q420, Q460.
• Normas EN/europeas: a menudo se buscan propiedades equivalentes en aceros estructurales de mayor resistencia (por ejemplo, S420, S460 en la serie EN 10025), aunque la química y el procesamiento exactos pueden diferir.
• JIS y ASTM/ASME no utilizan directamente la nomenclatura Q420/Q460, pero los ingenieros asignan los requisitos a los grados HSLA correspondientes (serie S o tipos ASTM A572/709) en función de los objetivos de propiedades mecánicas.
• Clasificación: Tanto el Q420 como el Q460 son aceros estructurales de alta resistencia y baja aleación (HSLA). No son aceros inoxidables, para herramientas ni de alto carbono; están diseñados para lograr un equilibrio entre resistencia, tenacidad y soldabilidad mediante una composición controlada y microaleación.

2. Composición química y estrategia de aleación

A continuación se muestra una tabla de composición cualitativa que indica la estrategia de aleación típica y las funciones para cada grado en lugar de límites numéricos (los límites químicos reales se especifican en las normas o certificados de fábrica).

Elemento	Q420 — Presencia/rol típico	Q460 — Presencia/rol típico
C (Carbono)	Bajo contenido de carbono para preservar la soldabilidad y la tenacidad; base para la resistencia mediante microaleación y procesamiento.	Similar bajo en carbono o ligeramente controlado bajo en carbono para mantener la tenacidad a mayor resistencia.
Mn (manganeso)	Actúa como estabilizador/reforzante primario; mejora la templabilidad y la desoxidación.	Presentan un control similar o ligeramente superior en cuanto a templabilidad y resistencia.
Si (silicio)	Desoxidante; se utilizan cantidades moderadas para dar fuerza.	Función similar; limitada por consideraciones de soldabilidad.
P (Fósforo)	Se mantiene bajo su nivel de impurezas para preservar su resistencia.	Se mantiene bajo; a menudo se aplica un control más estricto para evitar la fragilización a un rendimiento más alto.
S (Azufre)	Minimizado; la tolerancia de maquinabilidad a veces aumenta S en aceros especiales, pero los aceros estructurales mantienen S bajo.	Minimizado; se prefiere un control estricto.
Cr (Cromo)	Puede estar presente en pequeñas cantidades para favorecer la endurecimiento.	Puede estar presente en pequeñas cantidades; contribuye marginalmente a la resistencia y la templabilidad.
Ni (níquel)	No se trata de una estrategia de aleación principal; son posibles pequeñas adiciones para mejorar la tenacidad.	Igual —utilizado selectivamente para mayor resistencia a bajas temperaturas si es necesario.
Mo (Molibdeno)	Pequeñas adiciones mejoran la templabilidad y la respuesta al revenido.	Se utiliza si se desea una mayor templabilidad para secciones más gruesas.
V (Vanadio)	Elemento de microaleación para refinar el tamaño del grano y proporcionar fortalecimiento por precipitación.	Se utiliza con frecuencia, a veces con un control más estricto, para lograr un mayor rendimiento con una tenacidad aceptable.
Nb (niobio)	Microaleación para el refinamiento del grano y el fortalecimiento por precipitación (común).	Se utiliza y controla frecuentemente para aumentar la resistencia mediante precipitación y TMCP.
Ti (titanio)	Captura el nitrógeno y contribuye al refinamiento del grano cuando se utiliza.	Función similar; puede estar presente en cantidades controladas.
B (Boro)	En ocasiones se utilizan adiciones muy pequeñas para mejorar la templabilidad.	Puede utilizarse en cantidades mínimas para aumentar la templabilidad, permitiendo una mayor resistencia sin aumentar el contenido de carbono.
N (Nitrógeno)	Controlado: el exceso puede formar nitruros no deseados; controlado con Ti/Nb.	Controlado de forma similar para equilibrar la formación de precipitados y la tenacidad.

Explicación: Ninguna de las dos calidades depende de un alto contenido de carbono para su resistencia; en cambio, las estrategias típicas incluyen microaleaciones (Nb, V, Ti), un contenido controlado de Mn y procesamiento termomecánico (TMCP). La calidad Q460 generalmente utiliza un control más estricto de la aleación y el procesamiento (o una mayor cantidad de agentes de microaleación/endurecimiento) para lograr una mayor resistencia a la fluencia garantizada, manteniendo al mismo tiempo una tenacidad y soldabilidad aceptables.

3. Microestructura y respuesta al tratamiento térmico

• Microestructuras típicas:
• Q420: La microestructura suele consistir en ferrita fina con perlita dispersa o componentes bainíticos, dependiendo del enfriamiento. El laminado termomecánico y el enfriamiento controlado producen una mezcla de ferrita-perlita o ferrita-bainita de grano refinado con precipitados de microaleación.
• Q460: Para lograr un mayor rendimiento, el Q460 suele presentar una matriz ferrítica más fina con una mayor fracción de bainita o zonas de martensita/bainita revenida en secciones más gruesas; se buscan precipitados de microaleación (NbC/Nb(C,N), V(C,N)) y un tamaño de grano más pequeño.
• Respuestas al tratamiento/procesamiento térmico:
• Normalización: Ambos grados responden a la normalización con un refinamiento del grano y una mayor tenacidad; el Q460 se beneficia más de un control más estricto de las velocidades de enfriamiento.
• Temple y revenido: No se suelen aplicar a los grados Q estándar utilizados por su economía; si se aplican, pueden aumentar significativamente la resistencia y alterar la tenacidad, pero esto traslada el material al espacio de productos templados y revenidos.
• Procesamiento termomecánico controlado (TMCP): Ampliamente utilizado para ambos. El TMCP permite un menor contenido de carbono y una mayor resistencia mediante la recristalización y precipitación controladas, lo que lo convierte en el método preferido para la producción de Q460 para alcanzar objetivos de rendimiento más exigentes sin comprometer la tenacidad.

4. Propiedades mecánicas

Propiedad	Q420	Q460
Límite elástico (Rp0.2)	420 MPa (valor nominal mínimo de diseño)	460 MPa (valor nominal mínimo de diseño)
Resistencia a la tracción (Rm)	Normalmente, el rendimiento es superior en un factor; depende de la forma del producto y del procesamiento (véase la nota).	Generalmente superior al cuarto trimestre de 2020; el margen depende de la química y el procesamiento.
Alargamiento	En general, presenta una ductilidad mayor que el Q460 para secciones y procesos comparables.	Alargamiento ligeramente reducido debido al objetivo de mayor resistencia; aún puede cumplir con los requisitos de ductilidad si se optimiza el TMCP.
Resistencia al impacto	Diseñado para ofrecer una buena resistencia con una composición controlada; a menudo superior a la del Q460 en condiciones comparables.	Se puede lograr una dureza aceptable, pero esto requiere un control más estricto de la composición y el procesamiento.
Dureza	Moderado; depende del procesamiento	Superior a Q420 para espesor y tratamiento equivalentes.

Nota: La resistencia a la tracción depende del límite elástico y del endurecimiento por deformación; a menudo $R_m \approx 1,1\text{–}1,3 \times R_{p0,2}$ según el procesamiento y la forma. La resistencia base del Q460 es mayor; por lo tanto, para la misma geometría, permite reducir el espesor de la sección, pero puede limitar el conformado y aumentar la sensibilidad al aporte térmico durante la soldadura.

5. Soldabilidad

La soldabilidad depende del equivalente de carbono y la templabilidad; la microaleación y el bajo contenido de carbono mantienen bajo control el riesgo de agrietamiento en frío, pero los grados de mayor resistencia requieren mayor precaución.

Índices útiles de soldabilidad: - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Dearden–Bassin): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretación: Tanto el Q420 como el Q460 están diseñados con bajos equivalentes de carbono para preservar su soldabilidad. Sin embargo, el Q460 suele tener un CE ligeramente superior debido al aumento de la microaleación y del manganeso para mejorar su templabilidad. Esto da como resultado: - Mayor sensibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno en Q460 si no se aplican correctamente el precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). - La calificación del procedimiento de soldadura es más crítica en Q460 para secciones gruesas y servicio a baja temperatura. Recomendaciones prácticas: controlar el hidrógeno en los consumibles de soldadura, aplicar temperaturas adecuadas de precalentamiento/entre pasadas y considerar procesos con bajo contenido de hidrógeno. Para aplicaciones críticas, realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) o utilizar metales de aporte compatibles, homologados para el grado y espesor requeridos.

6. Corrosión y protección de superficies

• Estos grados son aceros HSLA de matriz de carbono y no son resistentes a la corrosión como los aceros inoxidables. Las estrategias de protección contra la corrosión incluyen:
• Galvanizado en caliente, imprimaciones ricas en zinc, sistemas de pintura y otros recubrimientos como práctica estándar.
• La preparación de la superficie (limpieza con chorro abrasivo) y la selección adecuada de la imprimación son fundamentales, especialmente para juntas soldadas y bordes cortados.
• Consideraciones sobre el acero inoxidable: El índice PREN (Número Equivalente de Resistencia a la Picadura) no es aplicable a Q420/Q460 porque no son aceros inoxidables; sin embargo, para las aleaciones de acero inoxidable, el índice es: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Tanto para el Q420 como para el Q460, la galvanización es común en estructuras exteriores; las secciones más gruesas y los aceros de alta resistencia pueden requerir ajustes en el proceso (alivio de tensiones o calificación posterior a la galvanización) para evitar problemas relacionados con el hidrógeno.

7. Fabricación, maquinabilidad y conformabilidad

• Corte: El corte por láser, plasma y serrado mecánico funciona bien; una mayor resistencia (Q460) puede aumentar el desgaste de la herramienta y la formación de rebabas en comparación con Q420.
• Doblado/conformado: El acero Q420 generalmente permite un mayor grado de conformado antes de agrietarse. El acero Q460 también se puede conformar, pero requiere radios de curvatura mayores y un control de proceso más estricto, especialmente en secciones más gruesas.
• Maquinabilidad: Ambas son moderadas; el Q460 puede ser ligeramente más difícil debido a su mayor resistencia y precipitados de microaleación; las recomendaciones de herramientas incluyen herramientas de carburo y avances controlados.
• Acabado: Los tratamientos superficiales y el enderezado pueden ser más exigentes para el Q460 debido a las tensiones residuales y al mayor límite elástico.

8. Aplicaciones típicas

Q420 — Usos típicos	Q460 — Usos típicos
Vigas estructurales, columnas, fabricaciones en general donde el coste y la soldabilidad son clave	Estructuras civiles pesadas, puentes, grúas donde un peso reducido y una mayor resistencia son ventajosos.
Bastidores de carga, maquinaria de servicio mediano	Componentes de alta carga, elementos estructurales marinos (con la protección anticorrosiva adecuada)
Construcción naval en áreas de corrosión no críticas, ingeniería general	Elementos estructurales de alto rendimiento, fabricaciones de alta tensión, donde la reducción del espesor resulta beneficiosa.

Justificación de la selección: - Elija Q420 cuando la facilidad de fabricación, una mayor ductilidad y el control de costes sean prioridades. - Elija Q460 cuando la reducción del espesor de la sección, el aumento de la capacidad de carga o el cumplimiento de mayores tensiones de diseño justifiquen un control de fabricación más estricto y un coste de material potencialmente mayor.

9. Costo y disponibilidad

• Coste relativo: El Q460 suele ser más caro por tonelada que el Q420 debido al control químico más estricto, la microaleación adicional y el procesamiento (TMCP) necesarios para garantizar un mayor rendimiento.
• Disponibilidad: Ambos grados se producen ampliamente en regiones con alta demanda de acero estructural. El formato del producto (placas, bobinas, perfiles soldados) y el espesor influyen en los plazos de entrega; el Q420 suele estar disponible en stock para la construcción general, mientras que el Q460 puede fabricarse bajo pedido para proyectos específicos o placas de mayor espesor.
• Consejo de compras: Al elegir entre diferentes calidades, evalúe el costo total del proyecto: el precio del material frente a la reducción de peso, la mayor rapidez de montaje o la menor mano de obra de fabricación.

10. Resumen y recomendación

Métrico	Q420	Q460
soldabilidad	Bueno — más indulgente	Justo — más sensible a la entrada de calor y al control de hidrógeno
equilibrio entre resistencia y tenacidad	Buen equilibrio; mayor ductilidad	Mayor resistencia; requiere un control más estricto para mantener la tenacidad.
Costo	Menor (por tonelada)	Mayor (por tonelada)

Recomendaciones: - Elija Q420 si necesita un equilibrio robusto entre soldabilidad, ductilidad y rentabilidad para aplicaciones estructurales generales, espesores moderados y donde la facilidad de fabricación sea una prioridad. - Elija Q460 si su diseño requiere una mayor resistencia a la fluencia garantizada para reducir el tamaño de la sección o cumplir con mayores demandas de carga, y puede aceptar controles de soldadura más estrictos, un costo de material potencialmente mayor y un control de calidad más riguroso (calificación del procedimiento de soldadura, pruebas de impacto).

Nota final: Consulte siempre los certificados de fábrica y las especificaciones del proyecto. Cuando sea posible, verifique que los requisitos de propiedades (límite elástico, tenacidad, procedimiento de soldadura) coincidan con la designación estándar y asegúrese de que los procedimientos de soldadura y los planes de inspección estén homologados para el grado y la forma del producto elegidos.