Q390 против Q420 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Введение
Q390 и Q420 — это высокопрочные конструкционные стали, широко применяемые на китайском и смежных рынках для несущих конструкций, где требуется более высокий предел текучести по сравнению с обычными низкоуглеродистыми сталями. Инженеры, менеджеры по закупкам и производственные планировщики часто сталкиваются с выбором между этими двумя марками, учитывая соотношение прочности, вязкости, свариваемости, формуемости и стоимости. Типичные области применения включают тяжёлое производство (мосты, краны, оффшорные каркасы), рамы, выдерживающие давление, и конструкционные элементы, которые должны соответствовать более строгим требованиям по пределу текучести или снижению веса.
Основное практическое отличие в том, что Q420 имеет более высокий гарантированный минимальный предел текучести по сравнению с Q390, что влияет на методы производства стали (легирование, термомеханическую обработку или термообработку) и, следовательно, сказывается на вязкости, свариваемости и поведении при формовании. Поскольку обе марки относятся к высокопрочным низколегированным (HSLA) сталям, а не к нержавеющим или инструментальным, сравнения сосредоточены на компромиссах между прочностью и вязкостью, технологических ограничениях и мерах защиты от коррозии.
1. Стандарты и обозначения
- Основные национальные и международные стандарты, в которых упоминаются сопоставимые марки:
- GB/T (Китай): стали серии Q (например, Q390, Q420) определены в китайских технических спецификациях для конструкционных сталей.
- EN (Европа): ближайшие аналоги — конструкционные стали серии S, такие как S355 или S420 в зависимости от свойств.
- JIS (Япония): прямого однозначного соответствия нет; марки JIS используют другие обозначения.
- ASTM/ASME (США): прямого стандарта нет — применяется подбор по механическим свойствам (например, ASTM A572 для высокопрочных конструкционных сталей).
- Классификация: Q390 и Q420 — это HSLA (высокопрочные низколегированные) углеродистые стали, оптимизированные для конструкционных применений. Не являются нержавеющими, инструментальными или специальными сплавами.
2. Химический состав и стратегия легирования
Типичный состав HSLA сталей серии Q характеризуется низким содержанием углерода и небольшими контролируемыми добавками марганца, кремния и микроэлементов для достижения прочности при сохранении вязкости и свариваемости. В таблице приведены ориентировочные типичные диапазоны (мас.%). Точную композицию необходимо всегда уточнять согласно сертификатам металлургического завода или актуальному стандарту приобретаемого материала.
Таблица: Типичные диапазоны химического состава (мас.%) — ориентировочно; для точных данных см. спецификации или сертификат завода
| Элемент | Q390 (типичный диапазон, мас.%) | Q420 (типичный диапазон, мас.%) |
|---|---|---|
| C | 0.06 – 0.18 | 0.06 – 0.16 |
| Mn | 0.40 – 1.60 | 0.50 – 1.60 |
| Si | 0.10 – 0.50 | 0.10 – 0.50 |
| P | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| S | ≤ 0.035 | ≤ 0.035 |
| Cr | 0 – 0.50 | 0 – 0.50 |
| Ni | 0 – 0.30 | 0 – 0.30 |
| Mo | 0 – 0.10 | 0 – 0.10 |
| V (микролегирующий элемент) | 0 – 0.12 | 0 – 0.12 |
| Nb (микролегирующий элемент) | 0 – 0.08 | 0 – 0.08 |
| Ti | 0 – 0.02 | 0 – 0.02 |
| B | 0 – 0.002 | 0 – 0.002 |
| N | 0.005 – 0.020 | 0.005 – 0.020 |
Объяснение - Углерод: Содержание поддерживается на низком или среднем уровне, чтобы ограничить закаливаемость и сохранить свариваемость; в сталях с более высоким классом прочности иногда применяется чуть более низкое содержание углерода в сочетании с микролегированием или термомеханическим прокатом. - Марганец и кремний: Упрочняющие и деоксидирующие добавки; Mn способствует закаливаемости и прочности на разрыв. - Микролегирование (V, Nb, Ti, B): Небольшие добавления обеспечивают упрочнение за счёт выделений и зерноочистку, позволяя достичь высокого предела текучести без существенного повышения углерода или других легирующих элементов, что сохраняет свариваемость. - Второстепенное легирование (Cr, Ni, Mo): Применяется только при необходимости улучшить закаливаемость или коррозионную стойкость.
3. Микроструктура и реакция на термообработку
Микроструктура обеих марок обычно представляет собой смесь мелкофазного феррита с перлитом или феррита с бейнитом, в зависимости от способа обработки: - Прокатка с последующим нормализацией: распространена мелкозернистая ферритная матрица с дисперсным перлитом; нормализация способствует уточнению зерна и повышению вязкости. - Термомеханическая обработка (TMCP): контролируемая прокатка с ускоренным охлаждением формирует мелкий полигональный феррит и бейнит, что позволяет достичь высокого предела текучести при снижении легирования — обычный способ для Q420. - Закалка и отпуск: не применяется стандартно для обычных конструкционных марок Q, но используется при необходимости специально настроенного сочетания высокой прочности и вязкости; образуется отпущенный мартенсит или бейнит с повышенной твёрдостью. - Микролегирующие выделения: Nb, V и Ti фиксируют границы зерен и тормозят рекристаллизацию, обеспечивая упрочнение за счет уменьшения размера зерна и выделений без значительного увеличения содержания углерода.
Влияние обработки - Q420 чаще достигает более высокого гарантированного предела текучести за счёт применения TMCP и микролегирования, сохраняющего вязкость; это может приводить к несколько большему содержанию бейнита в микроструктуре по сравнению с Q390 при аналогичной обработке. - Термообработка (нормализация или закалка с отпуском) существенно влияет на вязкость и твёрдость; крупные по толщине участки охлаждаются медленнее, что приводит к более крупнозернистой структуре и сниженной вязкости.
4. Механические свойства
Таблица: Типичные диапазоны механических свойств (ориентировочно; зависят от толщины, обработки и стандарта)
| Показатель | Q390 (типично) | Q420 (типично) |
|---|---|---|
| Минимальный предел текучести (Rp0.2) | ≈ 390 МПа (указано в спецификации) | ≈ 420 МПа (указано в спецификации) |
| Временное сопротивление разрыву (Rm) | ~ 470 – 630 МПа | ~ 520 – 680 МПа |
| Относительное удлинение (A, % на 50 мм) | ~ 20 – 26% | ~ 17 – 22% |
| Ударная вязкость (испытание методом У-образного надреза по Шарпи, Дж) | Зависит от применения и марки; часто указывают при 0°C до -20°C; типично 27 – 47 Дж | Аналогичный диапазон, но в среднем ниже при той же толщине и обработке |
| Твёрдость (HB) | Обычно ниже, чем у Q420 при той же обработке | Немного выше в соответствии с более высокой прочностью |
Интерпретация - Прочность: Q420 обеспечивает более высокий минимальный предел текучести по спецификации. Для достижения прочности без снижения вязкости чаще применяют TMCP и микролегирование, а не значительное повышение углерода. - Вязкость и пластичность: При той же обработке Q420 может иметь немного меньшую пластичность и сниженную ударную вязкость по сравнению с Q390; для обеспечения приемлемой вязкости на толстых сечениях требуется тщательный контроль прокатки и охлаждения. - Рекомендации по применению: Используйте Q420 там, где важен запас по пределу текучести или требуется снижение веса конструкции. Q390 предпочтительна при необходимости чуть большей пластичности или ударной вязкости при меньших затратах.
5. Свариваемость
Свариваемость в основном определяется содержанием углерода, суммарным легированием (закаливаемостью) и микролегированием. Распространённые эмпирические индексы — это эквивалент углерода IIW и формула Pcm:
-
Эквивалент углерода IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Формула Pcm (для оценки склонности к холодным трещинам): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Качественная интерпретация - Обе марки Q390 и Q420 разработаны с относительно низким содержанием углерода для обеспечения хорошей свариваемости. Однако Q420 может иметь слегка повышенную эффективную закаливаемость за счёт микролегирования и микроструктуры, сформированной TMCP — что увеличивает риск образования мартенсита в зоне термического влияния при сварке с высоким тепловложением или при больших толщинах. - Для сварки толстых плит или узлов с высокими значениями Pcm/CE рекомендуется применять предварительный подогрев, контролируемую температуру между проходами и электроды с низким содержанием водорода. Может потребоваться выполнение послесварочной термообработки (PWHT) для ответственных конструкций. - Для рутинной сварки тонколистовых и среднетолщинных изделий обе марки легко свариваются при использовании соответствующих технологий; сварка Q420 требует более тщательного контроля проектирования шва и тепловых режимов.
6. Коррозия и защита поверхности
- Ни Q390, ни Q420 не относятся к нержавеющим сталям; обе марки подвержены атмосферной и химической коррозии, как и большинство углеродистых сталей.
- Стандартные стратегии защиты: горячее цинкование, цинковые ламеллярные покрытия, системы окраски на эпоксидной/полиуретановой основе, катодная защита для морских и оффшорных условий, а также конструктивные меры по коррозионной стойкости (дренаж, изоляция разнородных металлов).
- PREN не применим: Для нержавеющих сталей используется показатель эквивалентной сопротивляемости питтингу (Pitting Resistance Equivalent Number): $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применяется к углеродистым/высокопрочным низколегированным сталям, поэтому PREN не следует использовать для Q390/Q420.
7. Изготовление, обрабатываемость и формуемость
- Формуемость: Менее прочный Q390, как правило, обладает лучшей холодной пластичностью (гибкость, прессформование) по сравнению с Q420 при равной толщине вследствие большей пластичности. Для Q420 могут потребоваться большие радиусы гиба или более высокие силы формования.
- Обрабатываемость: Оба сорта имеют схожие характеристики; обрабатываемость приемлема, но снижается с ростом прочности. Более высокая прочность (Q420) обычно увеличивает износ инструментов и требует более устойчивого инструмента и оптимальных режимов резания.
- Допуски при резке и сварке: Q420 более чувствителен к выпучиванию и упругому отскоку из-за высокого предела текучести; технологические допуски следует учитывать с учётом этого фактора.
- Поверхностная отделка: Оба сорта хорошо принимают краску и цинкование; необходима стандартная подготовка поверхности и предподготовка.
8. Типичные области применения
Таблица: Типичные применения по сортам
| Q390 (типичные применения) | Q420 (типичные применения) |
|---|---|
| Общие конструкционные балки, колонны и каркасы, где важны экономичность и хорошая пластичность | Элементы кранов, крупные балки и мостовые конструкции, где повышенный предел текучести позволяет уменьшить сечение и вес |
| Средненагруженные шасси и рамы транспортных средств | Оффшорные конструкции и элементы платформ, где критична высокая прочность при малом весе (с защитой от коррозии) |
| Сельскохозяйственное и строительное оборудование | Структурные элементы с высокими нагрузками (лебёдки, тали, тяжёлая техника), где требуется большой запас по пределу текучести |
| Ёмкости для хранения и ненапорные оболочки (при соответствующей защите) | Сборные элементы, спроектированные для снижения веса в транспортных конструкциях |
Обоснование выбора - Выбирайте Q420, если в конструкции требуется более высокий предел текучести для уменьшения сечения и веса либо для выполнения повышенных требований к нагрузкам. Q420 рекомендуют при возможности точного контроля параметров сварки и формования высокопрочного материала. - Выбирайте Q390, если приоритетны несколько лучшая пластичность, более простая формуемость и более низкая стоимость/риски поставок.
9. Стоимость и доступность
- Стоимость: Q420, как правило, дороже Q390 за тонну из-за более сложной технологии производства (управление TMCP, микро легирование) и более жёстких гарантий свойств. Разница в цене зависит от завода, региона и вида продукции (лист, рулон, профиль).
- Доступность: Q390 обычно чаще представлен на складах общеструктурных заводов и дилеров. Q420 более доступен в регионах с высоким спросом на высокопрочные низколегированные стали; однако для специализированных видов продукции или толщин возможны сроки исполнения для обоих сортов.
10. Итог и рекомендации
Таблица: Краткое сравнение
| Критерий | Q390 | Q420 |
|---|---|---|
| Свариваемость | Хорошая; с небольшим запасом при толстых сечениях | Хорошая, но требует более строгого контроля температуры при толстых сечениях |
| Баланс прочность – ударная вязкость | Сбалансирован в пользу пластичности и ударной вязкости | Повышенный предел текучести; возможна незначительная потеря пластичности и ударной вязкости |
| Стоимость (относительно) | Ниже | Выше |
Рекомендации - Выбирайте Q390, если вам необходима экономичная высокопрочная низколегированная сталь с хорошей пластичностью и более лёгкой обработкой/сваркой для умеренных нагрузок; при важности скорости изготовления и меньшего износа инструмента; или при решающем значении доступности и низкой цены. - Выбирайте Q420, если проект требует гарантированно более высокого предела текучести для уменьшения размеров сечений и веса, либо если необходимо увеличить конструкционные запасы прочности; при условии, что технология изготовления и сварки обеспечивает контроль тепловложений и приемлемо небольшое увеличение стоимости материала.
Заключительное замечание Всегда указывайте в документации для закупок точный стандарт, ограничения по толщине, требуемую энергию удара (температуру) и квалификацию сварочных процедур. Следует проверять сертификаты завода-изготовителя и протоколы партийных испытаний, чтобы гарантировать, что химический состав и механические свойства соответствуют требованиям проекта и условиям изготовления.