Z180 vs Z275 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

Die Wahl zwischen Z180 und Z275 ist eine häufige Entscheidung für Ingenieure, Einkaufsleiter, Fertigungsplaner und Fachleute der Industrie, die mit feuerverzinktem Stahl arbeiten. Die Wahl balanciert typischerweise den Korrosionsschutz und die Lebenszykluskosten gegenüber beschichtungsbedingten Auswirkungen auf Umform-, Schweiß- und Oberflächenbearbeitungsprozesse. Für Designteams sind die Abwägungen häufig Korrosionsbeständigkeit und langfristige Leistung gegenüber niedrigeren unmittelbaren Materialkosten und einigen Aspekten der Fertigungsfreundlichkeit.

Z180 und Z275 sind keine unterschiedlichen Grundstahlmetallurgieklassen; sie sind Bezeichnungsklassen für die auf Stahl aufgebrachte Zinkbeschichtungsmasse (Feuerverzinkung oder kontinuierliche Verzinkung). Der Hauptunterschied ist die Zinkbeschichtungsmasse (und folglich die Beschichtungsdicke), die direkt die Haltbarkeit des Korrosionsschutzes beeinflusst und die Fertigungs- und Oberflächenbearbeitungsprozesse betrifft. Da das Grundmetall typischerweise aus Kohlenstoff- oder niedriglegierten Stählen (DX, S oder gleichwertige Klassen) besteht, muss die Auswahl sowohl die Eigenschaften des Substrats als auch die Beschichtungsklasse berücksichtigen.

1. Standards und Bezeichnungen

• Übliche Standards, die Beschichtungsklassen und verzinkte Produkte referenzieren:
• EN (Europa): EN 10346 — kontinuierlich feuerverzinkter Stahl (z. B. DX51D+Z275).
• ISO: ISO 3575, ISO 1461 (Feuerverzinkung auf gefertigten Artikeln).
• JIS (Japan): JIS G3302, JIS H8613 (Spezifikationen für vorlackierte/verzinkte Bleche beziehen sich auf Beschichtungsklassen).
• GB (China): GB/T 2518, GB/T 2518‑1995 (feuerverzinktes Stahlblech/Band).
• ASTM/ASME: ASTM A653/A653M behandelt Zinkbeschichtungsklassen für Stahlblech (Bezeichnungen verwenden G60, G90, die grob analog sind; Hinweis: Die Umwandlung in Z-Klassen erfordert Sorgfalt).
• Materialklassifizierung:
• Z180 und Z275: Beschichtungsklassen (Zinkbeschichtungsmasse), angewendet auf Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stähle (nicht selbst Kohlenstoff-/Legierungs-/Werkzeug-/Edelstähle).
• Die Grundstähle unter diesen Beschichtungen sind typischerweise Kohlenstoffstähle, niedriglegierte Stähle oder milde Baustähle (nicht Edelstahl oder Werkzeugstähle, es sei denn, dies ist angegeben).

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: Präsenz oder Rolle von Schlüsselelementen im Grundstahl und in der Zinkbeschichtung

Hinweise: - Z-Klassennamen (Z180, Z275) spezifizieren die Zinkmasse pro Flächeneinheit, nicht eine elementare Zusammensetzung. Typische Verzinkungen ergeben eine äußere Schicht aus nahezu reinem Zink (η-Phase) und darunter liegenden Fe–Zn-intermetallischen Schichten (γ, δ, ζ-Phasen), deren Dicke und Phasenverhältnisse von der Stahlzusammensetzung und den Prozessparametern abhängen. - Es gibt spezialisierte Beschichtungen (z. B. Zn–Al, Zn–Fe-Legierungen, Zn–Al–Mg), die die Korrosionsleistung verändern; beim Vergleich von Z180 und Z275 gehen wir von konventionellen zinkdominanten Beschichtungen aus, es sei denn, es wird etwas anderes angegeben.

3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung

• Mikrostruktur der Beschichtung: Die Feuerverzinkung erzeugt eine mehrschichtige Struktur auf Stahl:
• Äußere η (Eta)-Schicht: hauptsächlich reines Zink, duktil und schützend.
• Darunter liegende ζ (Zeta), δ (Delta) und Γ (Gamma)-Schichten: Fe–Zn-intermetallische Verbindungen, die an der Stahl/Beschichtungsgrenze gebildet werden. Diese intermetallischen Verbindungen sind härter und weniger duktil als die äußere η-Schicht.
• Effekt der Beschichtungsmasse: Dickere Beschichtungen (Z275) weisen in absoluten Begriffen im Allgemeinen dickere η- plus intermetallische Schichten auf; die relativen Verhältnisse können prozessabhängig sein.
• Wärmebehandlungen:
• Thermische Verarbeitung des Grundstahls (Glühen, Normalisieren, Abschrecken & Anlassen) beeinflusst die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des Substrats, ändert jedoch nicht die Zinkmasseklasse selbst.
• Glüh-/Verzinkungssequenz: Die kontinuierliche Feuerverzinkung folgt oft dem Glühen in einer kontrollierten Atmosphäre; die Oberflächenchemie des Stahls (Si-, P-Gehalte) beeinflusst das Wachstum der intermetallischen Schichten.
• Nach der Verzinkung kann Wärmeexposition (z. B. Schweißwärme) die Mikrostruktur der Beschichtung lokal verändern, die Diffusion an der Grenzfläche erhöhen und den Korrosionsschutz in der wärmebeeinflussten Zone verringern.
• Mechanisches Verhalten: Intermetallische Schichten können an engen Biegungen oder unter starkem Umformen brechen, was zu lokalisierter Delaminierung führen kann, wenn die Biegeradien zu klein sind.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: Einfluss der Beschichtungsklasse auf die mechanischen Eigenschaften (qualitativ)

Erklärung: - Die Zinkbeschichtung selbst trägt nicht; die mechanischen Eigenschaften der Bauelemente werden durch den Grundstahl bestimmt. Unterschiede zwischen Z180 und Z275 ändern daher nicht die Zug-/Streckwerte des Stahls, aber dickere Beschichtungen können das Umformen, die Ermüdungsinitiierung und die Oberflächenhärte lokal beeinflussen, aufgrund dickerer intermetallischer Verbindungen und ausgeprägterer äußerer Beschichtungsschichten.

5. Schweißbarkeit

• Überlegungen zur Beschichtung:
• Zink verdampft während des Lichtbogenschweißens, produziert ZnO-Dämpfe und potenzielle Porosität; dickere Beschichtungen (Z275) setzen mehr Zink an Schweißzonen frei als dünnere Beschichtungen (Z180), was die Dampfproduktion erhöht und den Bedarf an Atemschutz und Schweißvorbereitung (z. B. Beschichtungsentfernung) steigert.
• Beschichtungen können die Wasserstoffaufnahme in einigen Prozessen fördern und zum Risiko von Kaltverzügen in hochfesten Stählen beitragen; Vorwärmen und Wasserstoffkontrolle sind relevant.
• Die Schweißbarkeit des Substrats hängt hauptsächlich vom Kohlenstoff- und Legierungsgehalt des Stahls ab; Kohlenstoffäquivalenzformeln quantifizieren das Risiko der Schweißbarkeit. Zwei gängige Indizes:
• IIW-Kohlenstoffäquivalent: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Internationales 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: Bei der Bewertung geschweißter Baugruppen sollte die Beschichtung an den Schweißnähten entfernt oder die Schweißparameter und die Nachbehandlung geplant werden. Z275 erfordert aufgrund der höheren Zinkmasse eine etwas aggressivere Vorbereitung/Belüftung als Z180.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für nicht-eisenhaltige Stähle bietet Zink opfernden Schutz: Das Zink korrodiert bevorzugt und schützt blanken Stahl an Beschichtungsunterbrechungen durch kathodische Wirkung.
• PREN ist nicht auf Zinkbeschichtungen oder Kohlenstoffstähle anwendbar; es wird für Edelstahlgrade verwendet: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
• Beschichtungsmasse und Schutz:
• Z-Klasse gibt die Zinkmasse in g/m² an. Die ungefähre Umrechnung in die durchschnittliche Gesamtdicke der Beschichtung (beide Seiten kombiniert) erfolgt durch: $$\text{Dicke (m)} = \frac{\text{Masse pro Fläche (g/m}^2\text{)}}{\rho_{Zn} \times 1000}$$
• Bei Verwendung der Zinkdichte $\rho_{Zn} \approx 7.14\ \text{g/cm}^3$ ergeben typische praktische Annäherungen:
  • Z180 ≈ 180 g/m² → ca. 25–30 µm Gesamtdicke der Beschichtung (beide Seiten kombiniert), grob die Hälfte pro Seite, abhängig von der Produktgeometrie.
  • Z275 ≈ 275 g/m² → ca. 38–40 µm Gesamtdicke der Beschichtung (beide Seiten kombiniert).
• Praktische Wirkung: Dickere Beschichtungen (Z275) bieten eine längere Zeit bis zur ersten Wartung und besseren Schutz in aggressiven Atmosphären (maritim, industriell). Umwelt, Substratvorbereitung und Farbsysteme bleiben kritische Variablen.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Umformen/Biegen:
• Dünnere Beschichtungen (Z180) tolerieren engere Biegeradien mit geringerem Risiko von Beschichtungsrissen und Abplatzungen. Z275 neigt eher dazu, an scharfen Biegungen zu brechen und könnte größere Biegeradien oder Nachbearbeitung nach dem Biegen erfordern.
• Schneiden/Schweißen:
• Dickere Beschichtungen erzeugen mehr Dampf und Komplikationen beim Löten/Schweißen; Zinkexpulsion kann zu Porosität und Beschichtungsverlust in der Nähe der Schweißnaht führen—bereiten Sie Schweißnähte durch mechanische oder chemische Beschichtungsentfernung vor.
• Bearbeitbarkeit:
• Zinkbeschichtungen können Schneidwerkzeuge verstopfen und die Reibung erhöhen; dickere Beschichtungen erhöhen den Werkzeugverschleiß und erfordern Anpassungen bei Vorschub/Geschwindigkeit und Kühlmittelverwendung.
• Oberflächenbearbeitung:
• Die Haftung von Farben ist im Allgemeinen gut auf sauberen verzinkten Oberflächen; dickere Beschichtungen können eine andere Oberflächenvorbereitung erfordern, um die mechanische Verankerung der Farbe sicherzustellen und zu vermeiden, dass die Oberflächenrauhigkeit verborgen wird.

8. Typische Anwendungen

Tabelle: Typische Verwendungen für Z180 und Z275

Auswahlbegründung: - Wählen Sie Z180, wenn Kosten und Formbarkeit priorisiert werden und die Umweltexposition moderat ist oder wenn weitere Beschichtungen (Farbe) aufgebracht und gewartet werden sollen. - Wählen Sie Z275 für Außen-, Küsten- oder Industrieumgebungen, in denen ein verlängerter opfernder Schutz und längere Wartungsintervalle gewünscht sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Kosten: Z275 ist teurer als Z180 aufgrund des höheren Zinkverbrauchs pro Flächeneinheit. Der Preisunterschied ist direkt an den Zinkmarktpreis und die Kosten des Beschichtungsprozesses gebunden.
• Verfügbarkeit: Beide Klassen sind Standard und weit verbreitet von großen Walzwerken für Coils/Bänder und Bleche erhältlich; beliebt im Bauwesen und in OEM-Lieferketten. Die Spezifizierung gängiger Klassen wie Z180 und Z275 erleichtert die Beschaffung und sorgt für konsistente Lieferzeiten.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Tabelle: Vergleichszusammenfassung (qualitativ)

Empfehlungen: - Wählen Sie Z180, wenn Sie eine bessere Formbarkeit und niedrigere Materialkosten für Komponenten benötigen, die milden bis moderaten Einflüssen ausgesetzt sind oder robuste Farbsysteme erhalten und regelmäßig gewartet werden. - Wählen Sie Z275, wenn das Hauptkriterium ein längerer Korrosionsschutz mit reduzierter Wartung in Außen-, maritimen oder industriellen Atmosphären ist und Sie höhere Materialkosten sowie einige zusätzliche Fertigungsüberlegungen (Schweißvorbereitung, größere Biegeradien, Dampfkontrolle) akzeptieren.

Letzter Hinweis: Da sich Z180 und Z275 auf die Beschichtungsmasse und nicht auf die metallurgische Klasse des Substrats beziehen, geben Sie immer sowohl die Grundstahlklasse (z. B. DX51D, S235 oder gleichwertig) als auch die Beschichtungsklasse in den Beschaffungsdokumenten an. Das stellt sicher, dass sowohl die mechanische Leistung als auch die Absicht des Korrosionsschutzes erfüllt werden und vermeidet Unklarheiten in der Fertigung und der Lebenszyklusplanung.