جي آي مقابل جي إيه - التركيب، المعالجة الحرارية، الخصائص، والتطبيقات

مقدمة

الفولاذ المجلفن بالغمر الساخن (المعروف عادةً باسم GI) والفولاذ المجلفن بالحرارة (GA) هما من أكثر منتجات الفولاذ المطلية استخدامًا في العمارة وصناعة السيارات والأجهزة والتصنيع الصناعي العام. يقوم المهندسون والمحترفون في الشراء بالتوازن بانتظام بين أولويات التصميم المتنافسة - مقاومة التآكل مقابل قابلية الطلاء، وقابلية التشكيل مقابل قابلية اللحام، وتكلفة المكونات مقابل أداء دورة الحياة - عند الاختيار بين هذه الطلاءات.

التمييز الفني المحدد هو ميتالورجي: يحتفظ GI بطبقة زنك نقية نسبيًا على سطح الفولاذ، بينما تم معالجة GA حراريًا لتشكيل طبقة سبيكة من الزنك والحديد عند الواجهة. هذه الاختلافات تؤدي إلى كيمياء سطحية متباينة، واستجابة ميكانيكية في التشكيل والانضمام، وسلوك إنهاء في المراحل التالية، وهو السبب في أن GI وGA غالبًا ما يتم مقارنتهما في تصميم المنتجات واختيار العمليات.

1. المعايير والتسميات

تشمل المعايير والمواصفات الرئيسية التي تغطي الفولاذ المجلفن بالغمر الساخن والفولاذ المجلفن بالحرارة ما يلي:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 / A653M - صفائح الفولاذ، مطلية بالزنك (مجلفنة) أو مطلية بسبيكة الزنك-حديد (مجلفنة بالحرارة) بواسطة عملية الغمر الساخن.
• ASTM A879 / A879M - صفائح الفولاذ المجلفن بالغمر الساخن، إلخ. (مواصفات المنتجات ذات الصلة)
• EN / CEN
• EN 10346 - منتجات الفولاذ المسطحة المطلية بالغمر الساخن بشكل مستمر (تشمل المجلفن والمجلفن بالحرارة).
• JIS (اليابان)
• JIS G3302 - صفائح الفولاذ المطلية بالزنك بالغمر الساخن، إلخ. (مجلفنة).
• JIS G3312 / المعايير ذات الصلة لأشكال المجلفن والمجلفن بالحرارة (تختلف تسميات المنتجات).
• GB / الصين
• GB/T 2518 وGB/T 2519 (وغيرها) - يتم الإشارة إليها عادةً لصفائح وشرائط الفولاذ المطلية بالزنك بالغمر الساخن.

التصنيف: GI وGA هما طلاءات تُطبق على الفولاذ الكربوني/الفولاذ منخفض السبيكة المدلفن على البارد. درجات الركيزة عادةً ما تكون فولاذًا منخفض الكربون (فولاذ كربوني خفيف / فولاذ عمليات أو فولاذ خالي من الفجوات) بدلاً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو HSLA أو فولاذ الأدوات. يتم تمييز أنواع الطلاء كزنك (GI) أو سبيكة زنك-حديد (GA) بدلاً من فئات الفولاذ الأساسية الميتالورجية المختلفة.

2. التركيب الكيميائي واستراتيجية السبيكة

فيما يلي مقارنة تمثيلية للتركيب الكيميائي النموذجي للركيزة الفولاذية المستخدمة في منتجات GI وGA. هذه النطاقات تمثل نطاقات مؤشِّرة للفولاذ المدلفن على البارد منخفض الكربون الذي يتم اختياره عادةً للتجليف/التجليف بالحرارة؛ يجب أخذ التركيب الفعلي من شهادة مطحنة المورد أو المواصفة المعمول بها.

عنصر	النطاق النموذجي - ركيزة GI/GA (تمثيلي)
C	0.01 – 0.12 wt%
Mn	0.10 – 0.80 wt%
Si	0.00 – 0.30 wt%
P	≤ 0.05 wt% (تحكم نموذجي)
S	≤ 0.02 wt% (تحكم نموذجي)
Cr	أثر - غالبًا لا يُضاف عمدًا
Ni	أثر - عادةً لا يُضاف
Mo	أثر - عادةً لا يُضاف
V	أثر - ممكن في المتغيرات الميكروسبائكية
Nb (Cb)	أثر - ممكن في الفولاذات الميكروسبائكية عالية القوة
Ti	أثر - ممكن في الفولاذات الخالية من الفجوات / المستقرة
B	أثر (ppm) - يُستخدم في بعض درجات HSLA
N	مراقب عند ppm منخفض في الفولاذات الخالية من الفجوات

ملاحظات حول استراتيجية السبيكة: - بالنسبة لـ GI/GA، تكون الركيزة عادةً فولاذًا منخفض الكربون للحفاظ على قابلية التشكيل والحد من التشقق الناتج عن الهيدروجين أثناء الطلاء والمعالجة اللاحقة. - يتم استخدام الميكروسبائك (Nb، V، Ti) بشكل انتقائي لتحقيق قوة أعلى من خلال الترسيب، وغالبًا في خطوط إنتاج محددة (مثل الفولاذات عالية القوة التجارية) بدلاً من الفولاذات التجارية القياسية GI/GA. - تختلف كيمياء الطلاء: يحتفظ GI بشكل كبير بالزنك المعدني مع وجود كمية ضئيلة من الحديد عند الواجهة؛ يتم إنتاج GA عن طريق التلدين في الهواء بعد التجليف لتعزيز الانتشار بين الحديد والزنك، مما يشكل مراحل بين معدنية من الزنك والحديد (مثل، Γ، δ، ζ مراحل حسب العملية).

كيف تؤثر السبيكة على الخصائص: - يتحكم الكربون والمنغنيز بشكل أساسي في قوة الشد وقابلية التصلب - تزيد المستويات الأعلى من القوة ولكن تقلل من قابلية التشكيل وقابلية اللحام. - يمكن أن تسرع السيليكون والفوسفور من تفاعلات التجليف (السيليكون هو عنصر معروف في تفاعل التجليف) وتؤثر على التصاق الطلاء وسمكه. - تزيد عناصر الميكروسبائك (Nb، V، Ti) من القوة وقد تؤثر على قابلية اللحام وقابلية التشكيل إذا كانت موجودة بكميات كبيرة.

3. الميكروهيكل واستجابة المعالجة الحرارية

الميكروهياكل: - الركيزة (كلا من GI وGA): هيكل فولاذي فيريتيك منخفض الكربون مدلفن على الساخن/مدلفن على البارد مع وجود بيرلايت عادةً ضئيل أو غائب في الفولاذات منخفضة الكربون جدًا؛ قد تحتوي المتغيرات الميكروسبائكية على ترسبات دقيقة. - هيكل طلاء GI: زنك معدني بشكل أساسي مع طبقة انتشار غنية بالحديد رقيقة مجاورة للفولاذ؛ الطبقة الخارجية من الزنك ناعمة نسبيًا، قابلة للطرق، وخالية من طبقات المركبات بين المعدنية الكبيرة. - هيكل طلاء GA: طبقة سبيكة من الزنك والحديد مستمرة تنتج عن التلدين بعد التجليف بالغمر الساخن. تحتوي هذه الطبقة على مراحل بين معدنية بمحتوى حديد أعلى وهي أكثر صلابة وهشاشة من الطلاء العلوي النقي من الزنك.

المعالجة الحرارية / طرق العمليات: - التجليف (GI): يتم تنظيف الفولاذ، وتطبيق الفلوس، وغمره في حمام زنك منصهر؛ التبريد يشكل طبقة خارجية من الزنك نقية في الغالب. لا يتم تطبيق معالجة حرارية سبيكية عمدًا بعد الغمر. - التجليف بالحرارة (GA): بعد خطوة الغمر الساخن، يتم تلدين الشريط المطلي في الهواء أو في جو مؤكسد (عادةً على خط مستمر). يعزز التلدين الانتشار بين الزنك والحديد لإنتاج الطلاء السبيكي. تتحكم درجة حرارة التلدين، والوقت، وسرعة الخط في سمك طبقة السبيكة وتركيب الطور.

آثار المعالجة: - يمكن أن يخفف تلدين GA الركيزة الفولاذية قليلاً (اعتمادًا على درجة الحرارة/الوقت) وقد ي homogenize الضغوط المتبقية من العمل البارد السابق؛ يمكن أن تؤثر هذه الدورات الحرارية بشكل طفيف على الخصائص الميكانيكية. - تعتبر المعالجات الحرارية الميكانيكية للركيزة (مثل الدرفلة المتحكم بها أو TMCP) ذات صلة عندما تكون المنتجات GI/GA عالية القوة مطلوبة؛ يجب ضبط عملية الطلاء لتجنب عيوب الطلاء.

4. الخصائص الميكانيكية

تعتمد الخصائص الميكانيكية للمنتجات المطلية بشكل أساسي على مواصفات الركيزة وأي معالجة بعد الطلاء. يساهم الطلاء نفسه بشكل ضئيل في سلوك الشد الكلي ولكنه يؤثر بقوة على السلوك المحلي في الانحناء، والتشكيل، وصلابة السطح.

الخاصية	GI النموذجي (مطلي بالزنك بالغمر الساخن)	GA النموذجي (مجلفن بالحرارة)
قوة الشد (UTS)	تعتمد على الركيزة (مثل 270–420 ميغاباسكال للدرجات التجارية الشائعة)	نفس النطاق المعتمد على الركيزة
قوة العائد (0.2% انزياح)	تعتمد على الركيزة (مثل 140–350 ميغاباسكال)	نفس النطاق المعتمد على الركيزة
التمدد (A%)	تعتمد على الركيزة (مثل 20–35%)	تعتمد على الركيزة ولكن GA يمكن أن تظهر قابلية أقل للتمدد المحلي عند السطح
صلابة التأثير	تعتمد على الركيزة؛ الطلاء له تأثير ضئيل على الكتلة	صلابة كتلة مماثلة؛ هشاشة الطلاء يمكن أن تؤثر على سلوك الشقوق الحادة
صلابة السطح	طبقة زنك علوية ناعمة (HV منخفض)	طبقة سبيكة زنك-حديد أكثر صلابة وهشاشة (صلابة سطح أعلى)

التفسير: - بالنسبة للأداء الميكانيكي الكلي، تتصرف أجزاء GI وGA بشكل مشابه عندما تكون درجة الفولاذ الأساسية متطابقة. تظهر الاختلافات عند واجهة الطلاء/الركيزة: الطلاءات GA أكثر صلابة وهشاشة، مما يمكن أن يقلل من قابلية التشكيل المحلية ويزيد من الميل إلى تشقق الطلاء أثناء الانحناء الضيق أو التشكيل الشديد.

توفر طبقة السبيكة في GA صلابة سطح أعلى وتحسن من التصاق الطلاء ولكن يمكن أن تؤثر على أنصاف الانحناء وقابلية الطي مقارنةً بـ GI.

5. قابلية اللحام

تعتمد قابلية اللحام على كيمياء الركيزة، ونوع الطلاء، والتحكم في العملية.

التأثيرات الرئيسية: - يتحكم محتوى الكربون الأساسي والسبيكة المجمعة في القابلية للتشقق البارد وقابلية التصلب. كلما زاد الكربون والسبيكة => زادت الحاجة إلى التسخين المسبق/التسخين بعد اللحام. - يؤثر نوع الطلاء على اللحام النقطي ولحام القوس: - GI (خارج الزنك): يتبخر الزنك عند التسخين، مما ينتج عنه مسامية، ورش، وهشاشة محتملة في منطقة اللحام؛ يتطلب الأمر دروعًا وتعديلات في العملية. - GA (سبيكة الزنك-حديد): تميل طبقة السبيكة إلى أن تكون أكثر استقرارًا أثناء اللحام النقطي المقاوم ويمكن أن تنتج تشكيلًا محسنًا للنقطة مقارنةً بـ GI، ولكن المحتوى المحلي من السبيكة (Fe–Zn) يؤثر على سلوك الانصهار.

مؤشرات قابلية اللحام المفيدة: - المعادل الكربوني (نموذج IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (مؤشر تشقق اللحام/اللحام): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

التفسير النوعي: - استخدم هذه الصيغ لتقدير الحاجة إلى التسخين المسبق، والتحكم في درجة حرارة التداخل، أو المعالجة الحرارية بعد اللحام. بالنسبة لكل من الفولاذات المطلية GI وGA، تشير القيم المنخفضة لـ $CE_{IIW}$ و $P_{cm}$ إلى قابلية لحام أسهل. - في الممارسة العملية، يتم استخدام إزالة الطلاء أو معلمات لحام مصممة (تيار أقل، دورة أسرع، لحام نقطي بتفريغ المكثف لـ GI) لإدارة مشكلات اللحام المتعلقة بالزنك. غالبًا ما تلحم GA بشكل أكثر اتساقًا في اللحام النقطي المقاوم بسبب طبقة السبيكة، ولكن يجب أن يتحكم لحام القوس في آثار بخار الزنك.

6. التآكل وحماية السطح

تعتمد الفولاذات المطلية غير المقاومة للصدأ على حماية الزنك التضحية. تنشأ الاختلافات في أداء التآكل وسلوك إنهاء السطح من شكل الطلاء وكيميائه.

• GI (زنك بالغمر الساخن): يوفر الزنك المعدني الخارجي حماية جلفانية ممتازة؛ تتآكل الطبقة الخارجية النقية من الزنك بشكل تفضيلي وتشكل منتجات تآكل الزنك الواقية (مثل كربونات هيدروكسيد الزنك) في العديد من الأجواء.
• GA (مجلفن بالحرارة): توفر طبقة سبيكة الزنك-حديد حماية جلفانية مشابهة لـ GI ولكن بخصائص مختلفة لمنتجات التآكل. تميل السطح السبيكي إلى تعزيز التصاق الطلاء الضيق وسلوك الصدأ المتحكم فيه الذي يكون غالبًا مفيدًا للطلاء اللاحق.

الفولاذات المقاومة للصدأ: إذا كان هناك اعتبار لمادة مقاومة للصدأ، استخدم PREN لمقاومة التآكل المحلية: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ هذا المؤشر غير قابل للتطبيق على GI/GA لأن هذه فولاذات كربونية مع طلاءات قائمة على الزنك.

عندما لا تكون المؤشرات قابلة للتطبيق: - لا تطبق PREN على الفولاذات المجلفنة؛ بدلاً من ذلك، قم بتقييم الفئة البيئية المتوقعة، وسمك طلاء الزنك (غرام/متر مربع أو ميكرومتر)، وأي معالجة سلبية أو نظام طلاء بعد الطلاء.

7. التصنيع، قابلية التشغيل، وقابلية التشكيل

يتباين سلوك التشكيل والإنهاء بشكل كبير:

قابلية التشكيل: - GI: الزنك الخارجي الأكثر قابلية للطرق يسمح بأنصاف انحناء أكثر ضيقًا وقابلية تشكيل أفضل مع خطر أقل من كسر الطلاء. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي التشكيل الثقيل إلى ترقيق أو كسر طبقة الزنك مما يكشف عن الفولاذ العاري. - GA: طبقة السبيكة أكثر صلابة وهشاشة، مما يزيد من خطر تشقق الطلاء، أو تفتت، أو تقشر أثناء التشكيل الشديد. غالبًا ما يتم تقييد GA للتطبيقات ذات التشكيل المعتدل أو حيث يكون الطلاء مطلوبًا.

الانحناء والتجعيد: - يتحمل GI أنصاف انحناء أصغر وعمليات تجعيد أكثر شدة دون فقدان كبير للطلاء. - يتطلب GA أنصاف انحناء أكثر لطفًا وأدوات محسّنة لتجنب فشل الطلاء.

قابلية التشغيل: - يتم تشغيل كلا المنتجين بشكل أساسي كالفولاذ الأساسي؛ يساهم الطلاء في تآكل الأدوات وتباين التشطيب السطحي. يمكن أن تزيد السطح الأكثر صلابة لـ GA من التآكل الكاشط على أدوات القطع؛ بينما يميل GI إلى أن يكون أقل كاشطًا.

الإنهاء: - يُفضل GA عندما يكون التصاق الطلاء اللاحق حاسمًا لأن السطح الغني بالحديد يوفر ارتباطًا كيميائيًا أفضل وأقل تسربًا أثناء عمليات الفوسفات/المعالجة المسبقة. عادةً ما يتطلب GI طلاءات تحويل أو معالجة مسبقة لتحقيق التصاق طلاء مكافئ.

8. التطبيقات النموذجية

GI (مطلي بالزنك بالغمر الساخن)	GA (مجلفن بالحرارة)
أسطح الأسطح والتكسية، المزاريب، الأعضاء الهيكلية الخارجية حيث تكون مقاومة التآكل والتكلفة المنخفضة هي المحركات الأساسية	ألواح هياكل السيارات (الهياكل الداخلية، بعض الألواح الخارجية المطلية مسبقًا)، أجزاء الأجهزة حيث تكون قابلية الطلاء واللحام النقطي حاسمة
معدات زراعية، سياج، أعمدة علامات	أجزاء تتطلب التصاق طلاء متسق وطلاء كهربائي لاحق (e-coat)
الصفائح المعدنية الصناعية العامة حيث تكون قابلية الانحناء والحماية الجلفانية الميدانية مطلوبة	مكونات يجب لحامها (لحام نقطي مقاوم) ثم طلاؤها، حيث تهم جودة الحواف ومظهر الطلاء

مبررات الاختيار: - اختر GI عندما تكون حماية التآكل التضحية، والفعالية من حيث التكلفة، وقابلية التشكيل هي الأولوية. - اختر GA عندما تكون أنظمة الطلاء اللاحقة، وتجانس السطح، والتوافق في اللحام/التجميع هي الأولويات حتى عند تكلفة طلاء أعلى قليلاً وحدود تشكيل مخفضة.

9. التكلفة والتوافر

• التكلفة: GI هو الخيار الأقل تكلفة عمومًا لأنه يتجنب خطوة التلدين/السبيكة التي تنتج GA. تضيف GA معالجة (تلدين على الخط) وتحكمًا أكثر دقة في الكيمياء/الخط، مما يؤدي إلى زيادة متواضعة في التكلفة.
• التوافر: يتوفر كل من GI وGA على نطاق واسع عالميًا في صفائح، ولفائف، وأوزان طلاء متنوعة. قد يكون توافر GA أضيق في بعض الأسواق الإقليمية أو أوزان/درجات طلاء محددة بسبب قدرة الخط؛ يجب على الشراء التحقق من أوقات التسليم والحد الأدنى من كميات الطلب.
• أشكال المنتجات: اللفائف والصفائح المقطوعة للطول شائعة لكليهما؛ قد تستخدم المنتجات المطلية مسبقًا GA أو GI المعالج اعتمادًا على عملية الطلاء.

10. الملخص والتوصية

جدول الملخص

السمة	GI	GA
قابلية اللحام (عامة)	جيدة مع ضوابط العملية؛ مشكلات بخار الزنك للحام القوس	اتساق أفضل للحام النقطي المقاوم؛ تؤثر طبقة السبيكة على الانصهار
القوة–الصلابة (الركيزة)	تعتمد على الركيزة؛ الطلاء ناعم	نفس الركيزة؛ الطلاء أكثر صلابة عند السطح
التكلفة	أقل (لا توجد خطوة تلدين/سبيكة)	أعلى (تلدين/معالجة إضافية)

التوصيات النهائية - اختر GI إذا كنت بحاجة إلى حماية تآكل فعالة من حيث التكلفة مع قابلية انحناء وتشكيل متفوقة (مثل الأسطح، والهياكل الخارجية، والمكونات ذات التشكيل العالي). GI هو الخيار العملي الافتراضي عندما تكون أنصاف الانحناء الضيقة أو التشكيل الشديد مطلوبة والطلاء اختياري أو يتم تطبيقه ميدانيًا. - اختر GA إذا كنت بحاجة إلى التصاق طلاء ممتاز، ومظهر متسق بعد الطلاء، وسلوك محسّن في اللحام النقطي المقاوم الشائع في صناعة السيارات والأجهزة. يُفضل GA عندما تكون عملية إنهاء السطح اللاحقة (e-coat، طلاء مسحوق، خبز) وتجانس السطح هي محركات التصميم.

ملاحظة ختامية: GI وGA ليسا درجات فولاذ بديلة بالمعنى الميتالورجي ولكن خيارات طلاء/عملية متميزة تُطبق على ركيزات فولاذية منخفضة الكربون. يجب أن يستند الاختيار الصحيح إلى تقييم متكامل لشدة التشكيل، وعمر التآكل المطلوب، وطرق اللحام/الانضمام، ومتطلبات الطلاء/الإنهاء، وتكلفة دورة الحياة الإجمالية. اطلب شهادات المصنع وبيانات عملية الطلاء من الموردين للتحقق من كتلة الطلاء (غرام/متر مربع)، وتركيب الطور (لـ GA)، ومعلمات الخط عند إنهاء المواصفات.