Q370R против Q420R – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Q370R и Q420R — это названия, используемые в китайской номенклатуре сталей для сосудов под давлением, чтобы обозначить высокопрочные, не нержавеющие конструкционные стали, предназначенные для оборудования, содержащего давление. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства часто сталкиваются с дилеммой выбора между этими двумя марками: выбрать марку с более низкой прочностью, которая относительно легче поддается обработке и сварке, или выбрать марку с более высокой прочностью, которая позволяет использовать более тонкие секции и экономить вес, но может требовать более строгого контроля термообработки и сварки.
Основной компромисс между этими марками фактически заключается в балансе достижимой проектной прочности и практической свариваемости и управлении прочностью при обработке. Поскольку обе марки используются в схожих областях применения (сосуды под давлением, котлы и тяжелые конструктивные компоненты), понимание их различий в стратегии легирования, реакции микроструктуры на термическую обработку, механическом поведении и последствиях для обработки имеет решающее значение для оптимального выбора материала.
1. Стандарты и обозначения
- Основная национальная система: китайский GB (национальные стандарты). Суффикс “R” в этих обозначениях указывает на применимость к оборудованию, удерживающему давление.
- Нет единого прямого соответствия в системах ASTM/ASME или EN; выбор в соответствии с международными стандартами должен осуществляться путем сопоставления требуемых механических и прочностных свойств, а не путем прямой замены марок.
- Классификация: как Q370R, так и Q420R являются не нержавеющими, высокопрочными углеродно-марганцевыми (низколегированными) сталями, которые обычно классифицируются как стали типа HSLA для использования в сосудах под давлением, а не как инструментальные или нержавеющие стали.
2. Химический состав и стратегия легирования
Следующая таблица обобщает типичные составные элементы, представляющие интерес для сравнения. Точные гарантированные химические диапазоны варьируются в зависимости от производителя и стандартного листа/спецификации; таблица намеренно использует качественные показатели, а не числовые значения, чтобы избежать искажения информации.
| Элемент | Q370R (типичное значение) | Q420R (типичное значение) |
|---|---|---|
| C (Углерод) | Умеренный — контролируется для балансировки прочности и свариваемости | Немного выше или контролируется иначе для повышения предела текучести |
| Mn (Марганец) | Умеренный — основной элемент прочности и декарбонизации | Умеренный до высокого — способствует прочности и закаливаемости |
| Si (Кремний) | Низкий–умеренный — декарбонизация, ограниченное упрочнение | Низкий–умеренный |
| P (Фосфор) | Содержится на низком уровне — контроль примесей | Содержится на низком уровне |
| S (Сера) | Минимизирована для прочности и свариваемости | Минимизирована |
| Cr (Хром) | Обычно очень низкий или отсутствует | Может присутствовать в незначительных количествах в некоторых вариантах |
| Ni (Никель) | Обычно низкий или отсутствует | Обычно низкий или отсутствует |
| Mo (Молибден) | Часто отсутствует или минимален | Иногда присутствует в небольших количествах для улучшения закаливаемости |
| V, Nb, Ti (микролегирование) | Может включать микролегирование в небольших количествах для упрочнения зерна | Скорее всего, включает микролегирование для увеличения прочности при заданной толщине |
| B (Бор) | Обычно отсутствует или в следовых количествах | Следы B могут использоваться в некоторых вариантах с высокой прочностью |
| N (Азот) | Контролируется как примесь/вторичное упрочнение | Контролируется |
Как легирование влияет на поведение: - Углерод и марганец являются основными упрочняющими элементами; их увеличение повышает предел текучести и прочность на растяжение, но также увеличивает закаливаемость и склонность к образованию жесткого мартенсита в зонах термического воздействия (HAZ) сварки. - Элементы микролегирования (Nb, V, Ti) обеспечивают упрочнение осаждением и упрочнение зерна, позволяя достичь более высокой прочности без чрезмерного содержания углерода и улучшая прочность при правильной обработке. - Небольшие добавки Mo или Cr могут увеличить закаливаемость и прочность при высоких температурах, но негативно влияют на свариваемость, если не контролировать их содержание.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Типичные микроструктуры: - При обычной обработке Q370R имеет тенденцию к образованию мелкозернистой микроструктуры феррит–перлит или феррит плюс байнит, что обеспечивает хороший баланс между пластичностью и прочностью. - Q420R, стремясь к более высоким пределам текучести/прочности на растяжение, часто полагается на более мелкозернистый феррит с большим количеством байнитных или закаленных мартенситных составляющих в более толстых секциях или при использовании термомеханических обработок. Микролегирование и контролируемая прокатка/нормализация являются инструментами для достижения прочности без чрезмерного содержания углерода.
Эффекты термообработки и обработки: - Нормализация (воздушное охлаждение после нагрева) уточняет размер зерна и может гомогенизировать микроструктуру для обеих марок, улучшая прочность. - Закалка и отпуск (Q&T) менее распространены для крупных плит сосудов под давлением, но могут применяться для компонентов, требующих более высокой прочности и контролируемой прочности; Q420R с большей вероятностью будет производиться или обрабатываться с термомеханической прокаткой или нормализацией плюс контролируемым охлаждением для достижения заданных значений. - Термомеханическая контролируемая обработка (TMCP) с ускоренным охлаждением может производить мелкобайнитные/ферритные микроструктуры, которые одновременно улучшают прочность и прочность — особенно полезно для Q420R, где целевые значения прочности выше.
4. Механические свойства
Поскольку численные гарантии варьируются в зависимости от спецификации и производителя, сравнение ниже является качественным, указывая относительные ожидания в рамках предполагаемых спецификаций.
| Свойство | Q370R | Q420R |
|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Умеренная | Выше (разработана для соответствия более высокому классу прочности) |
| Предел текучести | Умеренный | Выше (основное отличие) |
| Удлинение (пластичность) | Хорошее | Хорошее, но немного сниженное при равной толщине из-за более высокой прочности |
| Ударная прочность | В целом хорошая (разработана для использования под давлением) | Может быть эквивалентной, но требует более строгой обработки и контроля для обеспечения сопоставимой прочности |
| Твердость | Умеренная | Выше (отражает более высокую прочность) |
Интерпретация: - Q420R спроектирована для обеспечения более высокого предела текучести и прочности на растяжение; для поддержания адекватной прочности производители полагаются на микролегирование и контролируемую термомеханическую обработку, а не на простое увеличение содержания углерода. - Если обработка и контроль качества не являются строгими, марки с более высокой прочностью могут демонстрировать снижение пластичности и повышенную чувствительность к механизмам хрупкого разрушения, особенно в толстых секциях или при эксплуатации при низких температурах.
5. Свариваемость
Свариваемость зависит в первую очередь от содержания углерода, эффективного легирования для закаливаемости и уровней остаточных примесей. Два распространенных эмпирических индекса, используемых для оценки свариваемости:
-
Эквивалент углерода (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm (более консервативный индекс для оценки восприимчивости к трещинам при сварке): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация: - Q370R обычно имеет более низкий эффективный эквивалент углерода, чем Q420R, что приводит к более легким требованиям к предварительному нагреву/после сварке и меньшему риску закалки HAZ и холодных трещин. - Q420R, из-за своей более высокой целевой прочности и потенциальных добавок микролегирования или немного более высокого содержания Mn, обычно имеет более высокий CE или Pcm и, следовательно, может требовать более строгих сварочных процедур: контролируемых температур межпрохода, предварительного нагрева, термообработки после сварки (PWHT) в некоторых случаях или низкогидрогенизированных расходных материалов. - Правильно указанные сварочные расходные материалы, контролируемый тепловой ввод и контроль водорода необходимы для Q420R, чтобы поддерживать прочность HAZ и избегать хрупкого разрушения. Квалификация сварочной процедуры должна проводиться с использованием представительных толщин.
6. Коррозия и защита поверхности
- Обе марки Q370R и Q420R являются не нержавеющими углеродно/низколегированными сталями — они не обеспечивают внутренней коррозионной стойкости, как нержавеющие марки.
- Стандартные стратегии защиты: системы покраски/покрытия, оцинковка (горячее или электро), ингибиторы коррозии или обшивка/линеировка в зависимости от условий эксплуатации.
- PREN (эквивалентный номер стойкости к образованию коррозионных ям) не применим к этим не нержавеющим сталям; для справки, общая формула PREN, используемая для нержавеющих сплавов, такова: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
- Выбор для коррозионных сред должен сосредоточиться на соответствующих защитных системах или выборе нержавеющей/легированной обшивки, где это необходимо.
7. Обработка, обрабатываемость и формуемость
- Резка: обе марки будут резаться аналогично с использованием современных процессов кислородно-газовой резки, плазменной или лазерной резки, но более высокая прочность Q420R может требовать немного больше мощности и производить более жесткие резы/остатки.
- Гибка и формование: Q370R обычно лучше переносит холодное формование и гибку из-за немного более низкого предела текучести; Q420R требует более строгого контроля радиусов изгиба и может потребовать больших допусков на формование или теплого формования для толстых секций.
- Обрабатываемость: обе марки достаточно хорошо обрабатываются в виде плит, но высокопрочные микролегированные стали (Q420R) могут ускорять износ инструмента; класс инструмента и параметры резки должны быть соответственно скорректированы.
- Финишная обработка: поверхностные обработки (пескоструйная обработка, шлифовка) не отличаются значительно, хотя более высокая твердость в Q420R может повлиять на время обработки.
8. Типичные применения
| Q370R — Типичные применения | Q420R — Типичные применения |
|---|---|
| Общие сосуды под давлением и котлы, где приоритетом являются хорошая прочность и простота обработки | Сосуды под давлением и конструктивные компоненты, где более высокая проектная прочность позволяет использовать более тонкие секции или конструкции с экономией веса |
| Резервуары и сосуды с умеренными внутренними давлениями и где критична производительность сварки | Сосуды под высоким давлением, тяжелые конструктивные рамы и компоненты, подверженные более высоким требованиям к напряжению |
| Применения, где желательна экономия на обработке и более простые сварочные процедуры | Применения, где важно минимизировать массу или максимизировать допустимое напряжение, и можно обеспечить контроль за обработкой |
Обоснование выбора: - Выбирайте Q370R, когда скорость обработки, более простые сварочные процедуры и проверенная прочность в толстых плитах являются главными приоритетами. - Выбирайте Q420R, когда проектные ограничения требуют более высоких допустимых напряжений или уменьшения веса, и проект может учитывать более строгие сварочные процедуры и контроль качества.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Q420R обычно дороже на килограмм, чем Q370R из-за более высокой прочности обработки, потенциальных добавок микролегирования и более строгого контроля качества. Однако экономия веса от использования более тонких секций Q420R может компенсировать стоимость материала в общей стоимости компонента.
- Доступность: обе марки обычно производятся в виде плит для оборудования под давлением на рынках, где поставляются китайские марки; местная доступность будет зависеть от производства на заводе и региональных цепочек поставок. Сроки поставки могут зависеть от толщины, термической обработки и требований к испытаниям.
10. Резюме и рекомендации
| Характеристика | Q370R | Q420R |
|---|---|---|
| Свариваемость | Лучше / Проще сваривается стандартными процедурами | Требует более строгого контроля сварки и иногда предварительного нагрева/PWHT |
| Баланс прочности и прочности | Хороший баланс в пользу прочности и пластичности | Более высокая прочность; прочность достижима, но требует контролируемой обработки |
| Стоимость (по материалу) | Ниже за кг | Выше за кг, потенциальная экономия за счет более тонких секций |
Заключительные рекомендации: - Выбирайте Q370R, если вы придаете приоритет производительности обработки, более простым сварочным процедурам и надежной прочности для обычной работы с сосудами под давлением, где стандартные толщины и допуски приемлемы. - Выбирайте Q420R, если ваш проект требует более высоких допустимых напряжений или вам нужно минимизировать вес/толщину, и вы можете обеспечить более строгий контроль за закупками/обработкой, указать квалифицированные сварочные процедуры и гарантировать способность поставщика к обеспечению прочности и поведения HAZ.
Заключительная заметка: всегда основывайте выбор марки на конкретных требованиях кодов, таблицах свойств, зависящих от толщины, и квалификациях сварочных процедур проекта. В случае сомнений запрашивайте сертификаты материалов завода, указывайте требуемую ударную энергию и пределы твердости, а также проводите испытания сварочной процедуры и квалификации, представляющие толщину компонента и конфигурацию соединения.