GI vs GA – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Feuerverzinkter Stahl (häufig als GI bezeichnet) und galvannealed (GA) Stahl sind zwei der am häufigsten verwendeten beschichteten Stahlprodukte in der Architektur, Automobilindustrie, Haushaltsgeräten und der allgemeinen industriellen Fertigung. Ingenieure und Beschaffungsfachleute wägen routinemäßig konkurrierende Designprioritäten ab – Korrosionsbeständigkeit versus Lackierbarkeit, Formbarkeit versus Schweißbarkeit und Komponenten kosten versus Lebenszyklusleistung – wenn sie zwischen diesen Beschichtungen wählen.

Die entscheidende technische Unterscheidung ist metallurgisch: GI behält eine relativ reine Zinkschicht auf der Stahloberfläche, während GA wärmebehandelt wurde, um eine Zink-Eisen-Legierungsschicht an der Grenzfläche zu bilden. Dieser Unterschied führt zu divergenter Oberflächenchemie, mechanischem Verhalten beim Formen und Fügen sowie nachgelagertem Finishverhalten, weshalb GI und GA häufig im Produktdesign und bei der Prozessauswahl verglichen werden.

1. Standards und Bezeichnungen

Wichtige Standards und Spezifikationen, die feuerverzinkte und galvannealed Stähle abdecken, umfassen:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 / A653M — Stahlblech, zinkbeschichtet (verzinkt) oder Zink-Eisen-Legierung-beschichtet (galvannealed) durch das Feuerverzinkungsverfahren.
• ASTM A879 / A879M — Feuerverzinktes Stahlblech usw. (verwandte Produktspezifikationen)
• EN / CEN
• EN 10346 — Kontinuierlich feuerverzinkte Stahlflachprodukte (deckt verzinkte und galvannealed ab).
• JIS (Japan)
• JIS G3302 — Feuerverzinkte Stahlplatten, -bleche und -streifen (verzinkt).
• JIS G3312 / verwandte Standards für verzinkte und galvannealed Formen (Produktbezeichnungen variieren).
• GB / China
• GB/T 2518 und GB/T 2519 (und andere) — Häufig referenziert für feuerverzinkte Bleche und Streifen.

Klassifikation: GI und GA sind Beschichtungen, die auf kohlenstoffarmen/niedriglegierten kaltgewalzten Stählen aufgebracht werden. Die Substratqualitäten sind typischerweise niedriglegierte Stähle (milde Kohlenstoffstähle / Prozessstähle oder interstitialfreie Stähle) und nicht rostfreie, HSLA oder Werkzeugstähle. Die Beschichtungstypen werden als Zink (GI) oder Zink-Eisen-Legierung (GA) unterschieden, anstatt verschiedene metallurgische Klassen des Grundstahls.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Nachfolgend ist ein repräsentativer Vergleich der typischen chemischen Zusammensetzung des Stahlsubstrats aufgeführt, das für GI- und GA-Produkte verwendet wird. Dies sind indikative Bereiche für kommerzielle niedrigkohlenstoffhaltige kaltgewalzte Produktionsstähle, die häufig für Verzinkung/Galvanisierung gewählt werden; die tatsächliche Zusammensetzung muss dem Lieferantenzertifikat oder der geltenden Spezifikation entnommen werden.

Element	Typischer Bereich — GI/GA Substrat (repräsentativ)
C	0.01 – 0.12 Gew%
Mn	0.10 – 0.80 Gew%
Si	0.00 – 0.30 Gew%
P	≤ 0.05 Gew% (typische Kontrolle)
S	≤ 0.02 Gew% (typische Kontrolle)
Cr	Spuren – oft nicht absichtlich hinzugefügt
Ni	Spuren – typischerweise nicht hinzugefügt
Mo	Spuren – typischerweise nicht hinzugefügt
V	Spuren – möglich in mikrolegierten Varianten
Nb (Cb)	Spuren – möglich in hochfesten mikrolegierten Stählen
Ti	Spuren – möglich in interstitialfreien / stabilisierten Stählen
B	Spuren (ppm) – in einigen HSLA-Qualitäten verwendet
N	kontrolliert bei niedrigen ppm in IF-Stählen

Hinweise zur Legierungsstrategie: - Für GI/GA ist das Substrat normalerweise ein niedriglegierter Stahl, um die Formbarkeit zu erhalten und wasserstoffinduzierte Rissbildung während der Beschichtung und Nachbearbeitung zu begrenzen. - Mikrolegierung (Nb, V, Ti) wird selektiv eingesetzt, um höhere Festigkeit durch Ausscheidung zu erreichen, oft in spezifischen Produktlinien (z. B. kommerzielle hochfeste Stähle) anstatt in Standard-GI/GA-Warenstählen. - Die Beschichtungschemie unterscheidet sich: GI behält größtenteils metallisches Zink mit geringem Fe-Anteil an der Grenzfläche; GA wird durch Glühen in Luft nach dem Verzinken hergestellt, um die Interdiffusion von Fe und Zn zu fördern, wodurch Zink-Eisen-intermetallische Phasen (z. B. Γ, δ, ζ-Phasen je nach Prozess) entstehen.

Wie sich die Legierung auf die Eigenschaften auswirkt: - Kohlenstoff und Mn steuern hauptsächlich die Zugfestigkeit und Härtbarkeit – höhere Werte erhöhen die Festigkeit, verringern jedoch die Formbarkeit und Schweißbarkeit. - Si und P können die Verzinkungsreaktionen beschleunigen (Si ist ein bekanntes Element für Verzinkungsreaktionen) und die Haftung und Dicke der Beschichtung beeinflussen. - Mikrolegierungselemente (Nb, V, Ti) erhöhen die Festigkeit und können die Schweißbarkeit und Formbarkeit beeinflussen, wenn sie in signifikanten Mengen vorhanden sind.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

Mikrostrukturen: - Substrat (sowohl GI als auch GA): warmgewalzter/kaltgewalzter niedrigkohlenstoffhaltiger ferritischer Stahl mit normalerweise minimalem bis fehlendem Perlit in sehr niedrigkohlenstoffhaltigen Stählen; mikrolegierte Varianten können feine Ausscheidungen enthalten. - GI-Beschichtungsmikrostruktur: hauptsächlich metallisches Zink mit einer dünnen eisenreichen Diffusionsschicht angrenzend an den Stahl; die äußere Zinkschicht ist relativ weich, duktil und frei von großen intermetallischen Verbindungen. - GA-Beschichtungsmikrostruktur: eine kontinuierliche Zink-Eisen-Legierungsschicht, die durch Glühen nach dem Feuerverzinken erzeugt wird. Diese Schicht enthält intermetallische Phasen mit höherem Eisenanteil und ist härter und spröder als die reine Zinkoberfläche.

Wärmebehandlung / Prozessrouten: - Verzinken (GI): Der Stahl wird gereinigt, flussmittelbehandelt und in ein geschmolzenes Zinkbad getaucht; das Abkühlen bildet eine überwiegend reine Zinkaußenschicht. Nach dem Eintauchen wird keine absichtliche legierungsbildende Wärmebehandlung angewendet. - Galvannealing (GA): Nach dem Feuerverzinkungsschritt wird der beschichtete Streifen in Luft oder oxidierender Atmosphäre (typischerweise auf einer kontinuierlichen Linie) geglüht. Das Glühen fördert die Diffusion zwischen Zn und Fe, um die legierte Beschichtung zu erzeugen. Glühtemperatur, Zeit und Liniengeschwindigkeit steuern die Dicke der Legierungsschicht und die Phasenkomposition.

Auswirkungen der Verarbeitung: - Das GA-Glühen kann das Stahlsubstrat leicht anlassen (abhängig von Temperatur/Zeit) und kann verbleibende Spannungen aus vorheriger Kaltbearbeitung homogenisieren; diese thermischen Zyklen können die mechanischen Eigenschaften geringfügig beeinflussen. - Thermo-mechanische Behandlungen des Substrats (z. B. kontrolliertes Walzen oder TMCP) sind relevant, wenn hochfeste GI/GA-Produkte erforderlich sind; der Beschichtungsprozess muss angepasst werden, um Beschichtungsfehler zu vermeiden.

4. Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften beschichteter Produkte hängen hauptsächlich von der Substratspezifikation und der Nachbearbeitung ab. Die Beschichtung selbst trägt marginal zum Zugverhalten bei, beeinflusst jedoch stark das lokale Verhalten beim Biegen, Formen und die Oberflächenhärte.

Eigenschaft	Typisches GI (feuerverzinkt)	Typisches GA (galvannealed)
Zugfestigkeit (UTS)	Substratabhängig (z. B. 270–420 MPa für gängige Handelsqualitäten)	Gleicher substratabhängiger Bereich
Streckgrenze (0.2% Offset)	Substratabhängig (z. B. 140–350 MPa)	Gleicher substratabhängiger Bereich
Dehnung (A%)	Substratabhängig (z. B. 20–35%)	Substratabhängig, aber GA kann eine geringere lokale Duktilität an der Oberfläche zeigen
Schlagzähigkeit	Substratabhängig; Beschichtung hat minimalen Bulk-Effekt	Ähnliche Bulk-Zähigkeit; Sprödigkeit der Beschichtung kann das Verhalten bei Kantenrissen beeinflussen
Oberflächenhärte	Weiche Zinkoberfläche (niedriger HV)	Härtere, sprödere Zink-Eisen-Legierungsschicht (höhere Oberflächenhärte)

Interpretation: - Für die mechanische Leistung im Bulk verhalten sich GI- und GA-Teile ähnlich, wenn die zugrunde liegende Stahlqualität identisch ist. Unterschiede treten an der Beschichtungs/Substrat-Grenzfläche auf: GA-Beschichtungen sind härter und spröder, was die lokale Formbarkeit verringern und die Neigung zur Rissbildung der Beschichtung während enger Biegungen oder starker Dehnungen erhöhen kann. - Die Legierungsschicht von GA bietet eine höhere Oberflächenhärte und verbesserte Lackhaftung, kann jedoch die Biegeradien und die Kanten-Duktilität im Vergleich zu GI beeinträchtigen.

5. Schweißbarkeit

Die Schweißbarkeit hängt von der Substratchemie, dem Beschichtungstyp und der Prozesskontrolle ab.

Wesentliche Einflüsse: - Der Kohlenstoffgehalt und die kombinierte Legierung steuern die Anfälligkeit für Kaltverzug und Härtbarkeit. Höherer Kohlenstoff und Legierung => größerer Vorwärm-/Nachwärmebedarf. - Der Beschichtungstyp beeinflusst das Punkt- und Lichtbogenschweißen: - GI (Zinkaußenschicht): Zink verdampft beim Erhitzen, was Porosität, Spritzer und potenzielle Sprödigkeit im Schweißbereich erzeugt; Abschirmung und Prozessanpassungen sind erforderlich. - GA (Zink-Eisen-Legierung): Die Legierungsschicht ist während des Widerstandspunkteschweißens stabiler und kann eine verbesserte Nuggetbildung im Vergleich zu GI erzeugen, aber der lokale Legierungsgehalt (Fe–Zn) beeinflusst das Schmelzverhalten.

Nützliche Schweißbarkeitsindizes: - Kohlenstoffäquivalent (IIW-Form): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (Vorhersage für Löt-/Schweißnaht-Rissbildung): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Verwenden Sie diese Formeln, um den Bedarf an Vorwärmung, Temperaturkontrolle zwischen den Schweißvorgängen oder Nachwärmebehandlung zu beurteilen. Für sowohl GI- als auch GA-beschichtete Stähle zeigen niedrigere $CE_{IIW}$- und $P_{cm}$-Werte eine einfachere Schweißbarkeit an. - In der Praxis werden Beschichtungsentfernung oder maßgeschneiderte Schweißparameter (niedrigere Stromstärke, schnellere Zyklen, Kondensatorentladungspunkteschweißen für GI) verwendet, um zinkbezogene Schweißprobleme zu bewältigen. GA schweißt oft konsistenter im Widerstandspunkteschweißen aufgrund der Legierungsschicht, aber das Lichtbogenschweißen muss weiterhin die Auswirkungen von Zinkdampf kontrollieren.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

Nicht rostfreie beschichtete Stähle verlassen sich auf zinkbasierte opferanodische Schutzmaßnahmen. Unterschiede in der Korrosionsleistung und im Finishverhalten ergeben sich aus der Morphologie und Chemie der Beschichtung.

• GI (feuerverzinkt): Äußeres metallisches Zink bietet hervorragenden galvanischen Schutz; die reine Zinkaußenschicht korrodiert bevorzugt und bildet schützende Zinkkorrosionsprodukte (z. B. Zinkhydroxylcarbonat) in vielen Atmosphären.
• GA (galvannealed): Die Zink-Eisen-Legierungsschicht bietet galvanischen Schutz ähnlich wie GI, jedoch mit unterschiedlichen Eigenschaften der Korrosionsprodukte. Die legierte Oberfläche fördert tendenziell eine enge Lackhaftung und kontrolliertes Flash-Rostverhalten, was oft vorteilhaft für nachfolgendes Lackieren ist.

Edelstähle: Wenn Edelstahl in Betracht gezogen wird, verwenden Sie PREN für lokale Korrosionsbeständigkeit: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Dieser Index ist nicht auf GI/GA anwendbar, da es sich um kohlenstoffhaltige Stähle mit zinkbasierten Beschichtungen handelt.

Wenn Indizes nicht anwendbar sind: - Wenden Sie PREN nicht auf verzinkte Stähle an; bewerten Sie stattdessen die erwartete Umweltklasse, die Dicke der Zinkbeschichtung (g/m^2 oder μm) und etwaige Nachbehandlungen oder Lackiersysteme.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

Das Verhalten beim Formen und Finishing weicht erheblich ab:

Formbarkeit: - GI: Die duktilere äußere Zinkschicht ermöglicht engere Biegeradien und bessere Dehnformbarkeit mit geringerem Risiko von Beschichtungsbrüchen. Allerdings kann starkes Formen die Zinkschicht dünner machen oder brechen, wodurch der nackte Stahl freigelegt wird. - GA: Die Legierungsschicht ist härter und spröder, was das Risiko von Beschichtungsrissen, -pulverung oder -abblättern während starker Formgebung erhöht. GA wird oft auf Anwendungen mit moderater Formgebung oder wo Lackierung erforderlich ist, beschränkt.

Biegen und Umkanten: - GI toleriert kleinere Biegeradien und schwerere Umkantoperationen ohne signifikanten Beschichtungsverlust. - GA erfordert sanftere Biegeradien und optimierte Werkzeuge, um Beschichtungsfehler zu vermeiden.

Bearbeitbarkeit: - Beide Produkte werden hauptsächlich wie der zugrunde liegende Stahl bearbeitet; die Beschichtung trägt zu Werkzeugverschleiß und Oberflächenfinishvariationen bei. Die härtere Oberfläche von GA kann den abrasiven Verschleiß an Schneidwerkzeugen erhöhen; GI neigt dazu, weniger abrasiv zu sein.

Finishing: - GA wird bevorzugt, wenn die nachfolgende Lackhaftung entscheidend ist, da die eisenreiche Oberfläche eine bessere chemische Bindung und weniger Abfluss während der Phosphat-/Vorbehandlungsprozesse bietet. GI erfordert normalerweise Umwandlungsbeschichtungen oder Vorbehandlungen, um eine gleichwertige Lackhaftung zu erreichen.

8. Typische Anwendungen

GI (feuerverzinkt)	GA (galvannealed)
Dächer und Verkleidungen, Regenrinnen, Außenbauteile, bei denen Korrosionsbeständigkeit und niedrige Kosten die Hauptantriebsfaktoren sind	Karosserieteile (innere Strukturen, einige äußere Teile vorlackiert), Teile von Haushaltsgeräten, bei denen Lackierbarkeit und Punktschweißen entscheidend sind
Landwirtschaftliche Geräte, Zäune, Verkehrsschilder	Teile, die konsistente Lackhaftung und nachfolgende Elektrocoating (e-coat) erfordern
Allgemeine industrielle Bleche, bei denen Biegbarkeit und galvanischer Schutz vor Ort erforderlich sind	Komponenten, die geschweißt (Widerstandspunkteschweißen) und dann lackiert werden müssen, und bei denen Kantenqualität und Lackaussehen wichtig sind

Auswahlbegründung: - Wählen Sie GI, wenn opferanodischer Korrosionsschutz, Kosteneffizienz und Formbarkeit Priorität haben. - Wählen Sie GA, wenn nachgelagerte Lackiersysteme, Oberflächenuniformität und Schweiß-/Montagekompatibilität priorisiert werden, selbst bei leicht höheren Beschichtungskosten und reduzierten Formgrenzen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: GI ist im Allgemeinen die kostengünstigere Option, da der Glüh-/Legierungsschritt, der GA erzeugt, entfällt. GA fügt Verarbeitung (Glühen in der Linie) und engere Chemie-/Linienkontrolle hinzu, was zu einem moderaten Aufpreis führt.
• Verfügbarkeit: Sowohl GI als auch GA sind weltweit in Blech-, Coil- und verschiedenen Beschichtungsgewichten weit verbreitet. Die Verfügbarkeit von GA kann in einigen regionalen Märkten oder spezifischen Beschichtungsgewichten/Qualitäten aufgrund der Linienkapazität enger sein; die Beschaffung sollte Lieferzeiten und Mindestbestellmengen überprüfen.
• Produktformen: Coils und zuschnittfertige Bleche sind für beide gängig; vorlackierte Produkte können GA oder behandeltes GI je nach Lackierprozess verwenden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle

Attribut	GI	GA
Schweißbarkeit (allgemein)	Gut mit Prozesskontrollen; Zinkdampfprobleme beim Lichtbogenschweißen	Bessere Konsistenz beim Widerstandspunkteschweißen; Legierungsschicht beeinflusst die Fusion
Festigkeit–Zähigkeit (Substrat)	Hängt vom Substrat ab; Beschichtung weich	Gleiches Substrat; Beschichtung härter an der Oberfläche
Kosten	Niedriger (kein Glüh-/Legierungsschritt)	Höher (zusätzliches Glühen/Verarbeitung)

Abschließende Empfehlungen - Wählen Sie GI, wenn Sie kosteneffizienten, opferanodischen Korrosionsschutz mit überlegener Biegbarkeit und Formbarkeit benötigen (z. B. Dächer, Außenstrukturen, stark geformte Komponenten). GI ist die praktische Standardwahl, wenn enge Radien oder starke Formgebung erforderlich sind und Lackierung optional oder vor Ort angewendet wird. - Wählen Sie GA, wenn Sie hervorragende Lackhaftung, konsistente Erscheinung nach der Beschichtung und verbessertes Verhalten beim Widerstandspunkteschweißen benötigen, das in der Automobil- und Haushaltsgerätefertigung üblich ist. GA ist vorzuziehen, wenn der nachgelagerte Finishprozess (e-coat, Pulverbeschichtung, Backen) und die Oberflächenuniformität Designfaktoren sind.

Abschließende Anmerkung: GI und GA sind im metallurgischen Sinne keine alternativen Stahlqualitäten, sondern unterschiedliche Beschichtungs-/Prozessoptionen, die auf niedrigkohlenstoffhaltige Stahlsubstrate angewendet werden. Die richtige Wahl sollte auf einer integrierten Bewertung der Formschwere, der erforderlichen Korrosionslebensdauer, der Schweiß-/Fügemethoden, der Lack-/Finishanforderungen und der Gesamtkosten über den Lebenszyklus basieren. Fordern Sie Werkstoffzertifikate und Daten zum Beschichtungsprozess von Lieferanten an, um die Beschichtungsmasse (g/m²), die Phasenkomposition (für GA) und die Linienparameter bei der Festlegung der Spezifikationen zu validieren.