Z100 vs Z180 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Z100 und Z180 sind häufige Bezeichnungen in der Lieferkette für kaltgewalzten und warmgewalzten Stahl, wenn Materialien mit einer feuerverzinkten Beschichtung geliefert werden. Das Auswahldilemma zwischen ihnen ist Ingenieuren, Einkaufsleitern und Fertigungsplanern wohlbekannt: Priorisieren Sie niedrigere Materialkosten und einfachere Formgebung oder höheren opferanodischen Korrosionsschutz und längere Lebensdauer? Entscheidungen balancieren typischerweise Korrosionsbelastung, Formungs-/Schweißanforderungen, Oberflächenfinish und Langlebigkeit der Beschichtung gegen Stückkosten und Verfügbarkeit.

Im Kern unterscheiden sich die beiden Bezeichnungen in der Menge an Zink, die auf die Stahloberfläche aufgebracht wird: Eine hat eine leichtere Zinkbeschichtung, während die andere eine schwerere Zinkmasse pro Flächeneinheit trägt. Da diese Bezeichnungen die Oberflächenbeschichtungsmasse beschreiben und nicht verschiedene Grundlegierungen, werden sie oft verglichen, wenn dieselbe Grundstahlchemie und mechanische Güte mit unterschiedlichen Zinkbeschichtungsgewichten angeboten werden.

1. Standards und Bezeichnungen

Gemeinsame internationale Standards und Spezifikationen, die feuerverzinkten Stahl abdecken und die Art und Weise, wie Beschichtungen bezeichnet werden, umfassen: - ASTM A653 / A653M und ASTM A792 (Zink- und Zinklegierungsbeschichtungen auf Stahlblech, typischerweise unter Verwendung von G-Bezeichnungen). - EN 10346 (kontinuierlich feuerverzinkte Flachprodukte) und verwandte EN/ISO-Dokumente (einige verwenden Z-Präfixe, um die Beschichtungsmasse anzuzeigen). - JIS-Standards für Zinkbeschichtungen (verwenden häufig Z-Stil-Nomenklatur in der japanischen Praxis). - Nationale Standards wie chinesische GB/T-Spezifikationen für Feuerverzinkung und verzinkten Stahl.

Wichtiger Hinweis: Z100 und Z180 sind keine Stahllegierungsgrade (Kohlenstoff, HSLA, Werkzeugstahl oder Edelstahl); sie beziehen sich auf die Zinkbeschichtungsmasse auf einem Substrat. Das Substrat selbst ist normalerweise Kohlenstoff- oder niedriglegierter kalt- oder warmgewalzter Stahl (nicht Edelstahl). Die Spezifikation des zugrunde liegenden Stahls (zum Beispiel kaltgewalzte Handelsqualität, Ziehgrade oder Baustahlgrade) muss zusammen mit der Beschichtungsbezeichnung gelesen werden.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Kommentare: - Die Tabelle listet absichtlich "Nicht anwendbar auf Beschichtung", da Z100 und Z180 die Zinkbeschichtungsmasse (Masse von Zink pro Flächeneinheit) bezeichnen und nicht die Chemie des Grundmetalls. Die chemische Zusammensetzung des Substrats wird durch den angegebenen Stahlgrad bestimmt (zum Beispiel SPCC, DC01, S235 usw.). Typische Grundstähle, die für die Feuerverzinkung verwendet werden, sind Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stähle, bei denen Kohlenstoff und Legierung kontrolliert werden, um die mechanischen und Formbarkeitseigenschaften zu erfüllen. - Die Legierungsstrategie für das Substrat (C, Mn, Si, Mikrolegierungselemente) zielt hauptsächlich auf Festigkeit, Härtbarkeit, Formbarkeit und Ansprechverhalten ab; die Zinkbeschichtung selbst besteht im Wesentlichen aus metallischem Zn mit gelegentlichen kleinen Legierungszusätzen (z. B. Aluminium in Galfan oder Zink-Aluminium-Beschichtungen), die eingeführt werden, um die Morphologie und Haftung der Beschichtung zu steuern.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt (aus der Perspektive des Substrats): - Eine Erhöhung von Kohlenstoff und Mikrolegierung (V, Nb, Ti) erhöht die Streck- und Zugfestigkeiten, verringert jedoch die Schweißbarkeit und kann die Anfälligkeit für Wasserstoffrissbildung erhöhen, wenn sie nicht kontrolliert wird. - Silizium- und Phosphorgehalte beeinflussen die Reaktivität der Stahloberfläche im Verzinkungsbad und damit die resultierende Morphologie und Dicke der Beschichtung. - Die Zinkbeschichtungsmasse (leichter vs. schwerer) beeinflusst die Korrosionslebensdauer und den Kantenschutz, ändert jedoch nicht die intrinsische Festigkeit des Substrats.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Mikrostruktur des Substrats: Z100- und Z180-Beschichtungen werden auf Stähle aufgebracht, deren Mikrostrukturen von der Stahl-Spezifikation und dem Verarbeitungsweg abhängen (Ferrit-Perlit, Ferrit-Bainit, Martensit in vergüteten und gehärteten Graden oder Dual-Phase in einigen hochentwickelten Stählen). Die Zinkschicht bildet intermetallische Phasen an der Beschichtungs/Substrat-Grenzfläche während der Feuerverzinkung; die Menge und Dicke dieser intermetallischen Schichten hängen von der Stahloberflächenchemie und den Badbedingungen ab.
• Beschichtungsmikrostruktur: Eine typische feuerverzinkte Zinkschicht hat eine Mehrschichtstruktur mit einer äußeren reinen Zinkschicht und einer oder mehreren intermetallischen Schichten (Zink-Eisen-Phasen). Schwerere Beschichtungen (z. B. Z180 im Vergleich zu Z100) erhöhen die Dicke der äußeren Zinkschicht und können das gesamte intermetallische Material erhöhen, abhängig von der Reaktivität der Stahloberfläche und der Eintauchzeit.
• Reaktion auf Wärmebehandlung: Nach der Verzinkung werden Wärmebehandlungen selten angewendet, um Beschichtungen direkt zu modifizieren, da Wärme die Morphologie der Beschichtung verändern kann. Die Reaktion des Substrats auf Normalisieren, Abschrecken und Anlassen oder thermo-mechanische Bearbeitung ist unabhängig von der Zinkmasse, aber die Verzinkung wird typischerweise nach der Formgebung oder in kontrollierten Phasen angewendet, um Beschädigungen der Beschichtung zu vermeiden. Für vorverzinktes Material (coil-beschichtet) sollten Wärmebehandlungen validiert werden, da hohe Temperaturen die Diffusion und Veränderungen der Beschichtung verursachen können.

4. Mechanische Eigenschaften

Interpretation: - Die mechanischen Festigkeits- und Duktilitätswerte von Stahl mit Z100- vs. Z180-Beschichtungen werden grundlegend durch den gewählten Stahlgrad und die Wärmebehandlung bestimmt. Die Zinkbeschichtungsmasse beeinflusst das Oberflächenverhalten während der Formgebung, die lokale Rissinitiierung an Kanten oder stark beanspruchten Merkmalen und das Verschleißverhalten, ändert jedoch nicht wesentlich die Zug- oder Streckgrenzen im Volumen. - Dickere Beschichtungen neigen eher dazu, Längsrisse oder Pulverbildung bei aggressiven Biegeoperationen zu entwickeln; eine Prozessvalidierung ist erforderlich, wenn von einer leichteren zu einer schwereren Beschichtung gewechselt wird.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit umfassen das Kohlenstoffäquivalent des Substrats und das Vorhandensein einer Zinkschicht im Schweißbereich.

Nützliche Kohlenstoffäquivalent- und Schweißbarkeitsindizes: - IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - International Institute of Welding Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Interpretation und praktische Hinweise: - Das numerische CE oder Pcm sollte aus der Substratzusammensetzung berechnet werden, um die Vorwärm-Anforderungen und die Anfälligkeit für Kaltverriss zu bewerten. Diese Formeln beinhalten nicht die Zinkbeschichtungsmasse. - Das Schweißen über einer Zinkschicht bringt zusätzliche Probleme mit sich: Zink verdampft und erzeugt Dämpfe, kann Porosität in Schmelzschweißungen verursachen und kann zur Versprödung des Schweißnahts führen, wenn es nicht entfernt oder abgetrieben wird. Dickere Zinkschichten (Z180) erhöhen im Allgemeinen das Volumen des Zinkdampfs und das Risiko von Porosität und Dampfproduktion im Vergleich zu Z100. - Empfohlene Praktiken: Entfernen Sie Zink aus dem unmittelbaren Schweißbereich durch Schleifen oder chemische Mittel; verwenden Sie geeignete Belüftung und Rauchabsaugung; wenden Sie niedrigere Wärmeeingangs-Schweißparameter oder Rückseitenleisten an und verwenden Sie Verbrauchsmaterialien, die für das Substrat geeignet sind; ziehen Sie das Stecker-Schweißen oder mechanische Befestigungen für sehr stark beschichtete Teile in Betracht. - Bei Widerstands- und Punktschweißen ändern dickere Beschichtungen den elektrischen Kontaktwiderstand und können Anpassungen bei der Elektrodenkraft, dem Strom und der Zeit erfordern. Schwerere Beschichtungen erhöhen oft die Anzahl der abgelehnten Schweißungen, wenn die Prozessparameter nicht optimiert sind.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für nicht-eisenhaltige Stähle mit Zinkbeschichtungen ist der Korrosionsschutz opferanodisch (Kathodenschutz) plus Barriere-Schutz durch die Zinkschicht. Schwerere Zinkmassen bieten eine längere Lebensdauer und besseren Schutz an Schnittkanten, Kratzern und Spalten, da mehr opferanodisches Metall vorhanden ist, das verbraucht werden kann, bevor das Substrat freigelegt wird.
• PREN ist nicht auf Zinkbeschichtungen anwendbar; PREN ist für Edelstähle relevant und wird berechnet als: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Praktische Überlegungen:
• Z100 ist typischerweise ausreichend in milden Umgebungen und wo lackierte Oberflächen verwendet werden, um eine zusätzliche Barriere zu bieten.
• Z180 wird für aggressivere Außenatmosphären, Küstengebiete oder Anwendungen gewählt, bei denen Kantenschutz und längere Wartungsintervalle erforderlich sind.
• Zusätzliche Beschichtungen (Farben, Passivierung, Umwandlungsbeschichtungen) können über Zink aufgebracht werden, um die Ästhetik und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern; die Kombination muss auf Haftung und Verträglichkeit validiert werden.

7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden: Scher- und Stanzoperationen sind im Volumen in der Regel nicht von der Beschichtungsmasse betroffen, aber dickere Beschichtungen können mehr Schlacke, Flakes oder Grate erzeugen, die eine Nachbearbeitung erfordern und den Werkzeugverschleiß erhöhen können.
• Formen und Biegen: Dickere Zinkbeschichtungen sind anfälliger für Risse, Pulverbildung und Übertragung während enger Biegungen oder tiefen Ziehens. Für starke Formoperationen wird oft eine leichtere Beschichtung oder eine Nachformverzinkung bevorzugt, oder die Prozessparameter (Werkzeugradien, Schmierung) müssen angepasst werden.
• Bearbeitbarkeit: Zinkbeschichtungen ändern die Bearbeitbarkeit des Stahlkerns für Durchschneideoperationen nicht wesentlich, aber die Oberflächenqualität und die Werkzeuglebensdauer können durch übertragene Zinkverschmierungen beeinträchtigt werden. Die Verwendung geeigneter Werkzeugbeschichtungen und Kühlmittel wird empfohlen.
• Oberflächenbehandlung: Dickere Beschichtungen können eine aggressivere Oberflächenvorbereitung für Lackierung oder Verklebung erfordern; jedoch kann eine dickere Zinkschicht auch ein gleichmäßigeres Substrat für Decklacke in vielen Prozessen bieten.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie die leichtere Beschichtung, wenn die Formanforderungen streng sind, wenn die Umgebung mild ist oder wenn das Endteil mit einer Farbe beschichtet wird, die die primäre Barriere bietet. - Wählen Sie die schwerere Beschichtung für längere Außenexposition, Standorte, an denen Kantenschutz kritisch ist, oder wo Wartungszyklen verlängert werden müssen.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: schwerere Zinkbeschichtungen erfordern mehr Zinkmetall und längere Eintauchzeiten oder eine andere Badchemie, sodass Z180 typischerweise teurer pro Flächeneinheit ist als Z100. Der Kostenunterschied sollte gegen die Lebenszykluskosteneinsparungen durch reduzierte Wartung und längere Korrosionslebensdauer abgewogen werden.
• Verfügbarkeit: Beide Beschichtungsmassen sind allgemein in Coils, Blechen und vorlackierten Produkten von großen Walzwerken erhältlich, aber die Verfügbarkeit nach Stahlgrad und Dicke kann je nach Region und Werk variieren. Spezialstahlgrade mit hoher Formbarkeit oder hoher Festigkeit können in stark beschichteten Versionen begrenzter sein, daher wird eine frühzeitige Kontaktaufnahme mit Walzwerken oder Lieferanten empfohlen.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Empfehlungen: - Wählen Sie Z100, wenn Ihr Produkt mit engen Radien oder tiefem Ziehen geformt wird, in einer relativ milden Umgebung installiert wird oder eine hochwertige Farbe oder Pulverbeschichtung erhält, die als primäre Korrosionsbarriere dient. Z100 minimiert das Abblättern der Beschichtung und reduziert Probleme mit Schweißrauch/Poorosität. - Wählen Sie Z180, wenn das Teil Außeneinwirkungen oder mäßig aggressive Umgebungen ausgesetzt wird, wenn eine längere Lebensdauer und verbesserter Kantenschutz erforderlich sind oder wenn Wartungsintervalle minimiert werden müssen. Z180 bietet einen größeren opferanodischen Zinkreservoir und besseren langfristigen Schutz an Kratzern und Schnittkanten.

Letzter Hinweis: Z100 und Z180 sind Bezeichnungen für Beschichtungsmasse, die an die Verzinkungspraxis gebunden sind, und nicht an verschiedene metallurgische Substratgrade. Geben Sie immer sowohl den zugrunde liegenden Stahlgrad (chemische und mechanische Anforderungen) als auch die erforderliche Beschichtungsmasse in den Beschaffungsunterlagen an und validieren Sie die Form-, Schweiß- und Fertigungsprozesse für die gewählte Kombination mit Lieferantendaten und Prozessversuchen.