Z180 vs Z275 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen
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Einführung
Z180 und Z275 sind gängige Bezeichnungen für Zinkbeschichtungen, die durch das Feuerverzinkungsverfahren auf Stahlblech und -coils aufgebracht werden. Die beiden Optionen stellen ein klassisches Auswahl-Dilemma für Ingenieure und Beschaffungsprofis dar: das Gleichgewicht zwischen niedrigeren Anfangskosten und angemessener Schutz für milde Umgebungen (Z180) und höherer Zinkmasse sowie längerer Lebensdauer in korrosiven oder Außenanwendungen (Z275) zu finden. Typische Entscheidungskontexte umfassen Gebäudehüllen (Dächer, Verkleidungen), tragende Komponenten, die Witterung ausgesetzt sind, Automobilteile und allgemeine Blechbearbeitung, bei der Korrosionsschutz, Lebenszykluskosten und nachgelagerte Verarbeitung in Einklang gebracht werden müssen.
Der wesentliche praktische Unterschied ist die Zinkbeschichtungsmasse – Z275 hat pro Flächeneinheit erheblich mehr Zink als Z180 – weshalb Ingenieure sie oft hinsichtlich der Korrosionsschutzleistung, der erwarteten Lebensdauer und der Handhabungs-/Schweißimplikationen vergleichen. Da beide sich auf die Beschichtungsart und nicht auf die Chemie des Grundstahls beziehen, beeinflussen auch die Auswahl des Substrats und die Verzinkungspraktiken die endgültige Leistung.
1. Normen und Bezeichnungen
- Gängige Normen und Spezifikationen, die sich auf diese Beschichtungsarten beziehen oder diese verwenden:
- EN 10346 (kontinuierlich feuerverzinkte Flachprodukte) – verwendet Bezeichnungen wie Z (Zink) mit Beschichtungsmasseklassen (z. B. Z100, Z275).
- ISO 14713 / ISO 1461 – Richtlinien für den Korrosionsschutz durch Zinkbeschichtungen und Feuerverzinkung.
- ASTM A653 / A792 – Spezifikationen für verzinkte Stahlbleche, die häufig Beschichtungsgewichtsklassen verwenden (oft als G60, G90 in der US-Praxis aufgeführt; Hinweis: G60 ≈ Z180, G90 ≈ Z275 nach Masse).
- JIS H 8641, GB/T 2518 – nationale Normen, die Verzinkungs- und Beschichtungsanforderungen behandeln.
- Materialklassifizierung:
- Die Bezeichnung „Z“ bezieht sich auf die Zinkbeschichtung; das Substrat ist typischerweise ein Kohlenstoff-/niedriglegierter Stahl (nicht HSLA, Werkzeug- oder Edelstahl). Gängige Substrate sind niedriglegierte kaltgewalzte oder warmgewalzte Stähle, die für die Verzinkung vorgesehen sind (DX51D, S220GD, S250GD, ASTM A1008/A1011-Äquivalente).
2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie
Tabelle: Typischer Zusammensetzungskontext für Z-Beschichtungen und typische Chemie von niedriglegiertem Substrat (qualitative Bereiche).
| Element | Z180-Beschichtung (feuerverzinkt) | Z275-Beschichtung (feuerverzinkt) | Typisches niedriglegiertes Stahlsubstrat (Kontext) |
|---|---|---|---|
| Zn | Primärer Bestandteil der Beschichtung; Beschichtungsmasse = 180 g/m² (beidseitig kumulativ) | Primärer Bestandteil; Beschichtungsmasse = 275 g/m² (beidseitig kumulativ) | Spuren oder keine im Substrat; kein absichtlich legierendes Element |
| Fe | Intermetallische Reaktionsschicht enthält Fe–Zn-Phasen (Gamma, Delta, Zeta) | Die gleichen Phasen; relative Dicke nimmt mit der Beschichtungsmasse zu | Bulk-Element des Substrats |
| C, Mn, Si, P, S, Nb, Ti, V, B, N | Nicht anwendbar auf die Zinkbeschichtungszusammensetzung (kann als Spurverunreinigungen vorhanden sein) | Gleiches | Variiert je nach Substratgrad; niedriglegierte verzinkte Substrate haben typischerweise niedriges C (für Formbarkeit und Schweißbarkeit) und kontrolliertes Mn/Si, um mechanische Anforderungen zu erfüllen |
| Legierungszusätze zur Beschichtung (Al, Mg, Ni) | Nur in spezialisierten Beschichtungen vorhanden (z. B. Zn–Al–Mg oder Galfan) – nicht in Standard-Z-Beschichtungen | Die gleiche Einschränkung – Z275 bezeichnet typischerweise die Masse von reinem Zink, es sei denn, es wird als Legierungsbeschichtung angegeben | Die Legierungsstrategie des Substrats ist unabhängig; Mikrolegierung (Nb, Ti, V) wird in Festigkeitsgraden verwendet |
Hinweise: - Z180 und Z275 beziehen sich auf die Zinkmasse pro Flächeneinheit (g/m²), die durch Normen festgelegt ist; sie sind keine unterschiedlichen legierten Stähle. - Die Chemie des Stahlsubstrats hängt von den strukturellen/Formbarkeitsanforderungen ab; die Verzinkung wird auf kompatiblen niedriglegierten Stählen oder ordnungsgemäß vorbereiteten Graden angewendet.
Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - In der Beschichtung: reines Zink wirkt opfernd; jede absichtliche Legierung (Zn–Al, Zn–Al–Mg) verändert das Korrosionsverhalten und das Erscheinungsbild. Standard-Z-Beschichtungen verlassen sich auf die elektrochemische Edelheit von Zink im Vergleich zu Eisen für den kathodischen Schutz. - Im Substrat: Kohlenstoff und Mikrolegierung steuern Festigkeit und Härtbarkeit; niedrigerer Kohlenstoff begünstigt die Schweißbarkeit und Formbarkeit unter der verzinkten Beschichtung.
3. Mikrostruktur und Reaktion auf Wärmebehandlung
- Mikrostruktur der Beschichtung: Eine feuerverzinkte Zinkbeschichtung auf Stahl bildet mehrere Schichten vom Stahl nach außen: intermetallische Fe–Zn-Schichten (oft als Gamma, Delta, Zeta bezeichnet) angrenzend zum Stahl, gekrönt von einer oberen Schicht aus nahezu reinem Eta (η) Zink. Die intermetallische Schicht ist relativ hart und metallurgisch gebunden; die äußere Eta-Schicht ist weicher, duktiles Zink.
- Auswirkung der Beschichtungsmasse: Z275 hat im Allgemeinen dickere Eta- und intermetallische Schichten als Z180 unter den gleichen Substrat- und Prozessbedingungen; dickere Schichten erhöhen die opfernde Kapazität und verlängern die Lebensdauer in korrosiven Atmosphären.
- Hitze und thermische Zyklen: Erhöhte Temperaturen (z. B. Nachbacken von Lack oder lokales Schweißen) können Diffusion an der Zink-Stahl-Grenzfläche und potenzielle Versprödung der intermetallischen Zone verursachen. Zink hat einen niedrigen Schmelzpunkt; Hochtemperaturverarbeitung muss kontrolliert werden, um Beschädigungen oder Verdampfung der Beschichtung zu vermeiden.
- Wärmebehandlung des Substrats: Die Zinkbeschichtung wird typischerweise nach dem Kaltwalzen und der Oberflächenvorbereitung aufgebracht, nicht auf gehärteten und angelassenen Stählen. Thermo-mechanische Behandlungen des Substrats sind weitgehend unabhängig von der Beschichtung, aber jede Wärmebehandlung nach der Verzinkung kann die Mikrostruktur und Haftung der Beschichtung verändern.
4. Mechanische Eigenschaften
Tabelle: Vergleichende Übersicht der mechanischen Effekte (Substrateigenschaften weitgehend unverändert durch die Beschichtung).
| Eigenschaft | Auswirkung für Z180 | Auswirkung für Z275 | Ingenieurtechnische Interpretation |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | Keine wesentliche Änderung der Zugfestigkeit des Substrats | Keine wesentliche Änderung der Zugfestigkeit des Substrats | Die Beschichtungsmasse verändert die mechanische Festigkeit des Grundstahls nicht |
| Streckgrenze | Unverändert | Unverändert | Mechanische Eigenschaften werden durch den Substratgrad und die Verarbeitung bestimmt |
| Dehnung / Duktilität | Oberflächenbeschichtung kann an engen Biegungen reißen, wenn sie überdehnt wird | Leicht höhere Tendenz, Beschichtungsrisse bei extremem Formen aufgrund dickerer, spröder intermetallischer Schichten zu zeigen | Wählen Sie geeignete Biegeradien und Formmethoden; Z275 kann sanfteres Formen erfordern |
| Schlagzähigkeit | Substrat unbeeinflusst; spröde intermetallische Schichten sind oberflächenlokalisiert | Gleiches; dickere intermetallische Schichten können das Risiko der Abplatzung der Beschichtung unter Schlag erhöhen | Die Zähigkeit des Bauteils wird durch den Grundstahl bestimmt |
| Oberflächenhärte | Äußeres Eta-Zink ist weich; intermetallische Schichten sind härter | Leichte Erhöhung der Dicke der oberen Schicht → geringfügige Erhöhung der Oberflächenhärte | Kein Ersatz für verschleißfeste Behandlungen |
Zusammenfassung: Die Zinkbeschichtungsart (Z180 vs. Z275) verändert nicht die mechanischen Eigenschaften des Stahlsubstrats; Unterschiede sind oberflächenbezogen und beeinflussen Formen, Biegen und Oberflächenhaltbarkeit, nicht jedoch Zug- oder Streckgrenze.
5. Schweißbarkeit
- Die Schweißbarkeit des Grundstahls wird durch die Chemie des Substrats (Kohlenstoff, Mn, Mikrolegierung) bestimmt. Allerdings bringen verzinkte Beschichtungen schweißspezifische Probleme mit sich:
- Zink verdampft während des Lichtbogenschweißens, was Dämpfe und Porosität in den Schweißnähten erzeugt, wenn die Beschichtung an der Schweißverbindung vorhanden ist.
- Die Anwesenheit einer dickeren Beschichtung (Z275) erhöht die Zinkmasse, die lokal entfernt oder verdampft werden muss, was potenziell die Risiken von Dämpfen und Porosität verschärfen kann.
- Die Verwendung von Formeln für den Kohlenstoffäquivalent hilft, die Schweißbarkeit des Substrats zu bewerten (Beschichtung entfernt). Gängige Indizes:
- $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
- $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- Praktische Hinweise:
- Entfernen Sie die Verzinkung aus dem unmittelbaren Schweißbereich (mechanisches Schleifen oder chemisches Abbeizen) und verwenden Sie geeignete Belüftung und PSA, um Zinkdämpfe zu kontrollieren.
- Verwenden Sie Schweißzusätze und Vorheiz-/Spitzenrichtlinien, die dem CE des Substrats entsprechen; die Beschichtungsart beeinflusst die Menge der erforderlichen lokalen Reinigung, nicht jedoch das CE selbst.
- Punktschweißen und Widerstandsschweißen von beschichtetem Blech sind in der Industrie üblich; dickere Beschichtungen können den Kontaktwiderstand und die Lebensdauer der Elektroden verändern.
6. Korrosion und Oberflächenschutz
- Mechanismus: Zink bietet kathodischen (opfernden) Schutz für exponierten Stahl und bildet Korrosionsprodukte (Zinkoxid/Hydroxycarbonat), die weitere Angriffe verlangsamen.
- Relative Korrosionsleistung: Größere Zinkmasse korreliert mit längerer Schutzdauer bei atmosphärischen Einflüssen. Z275 wird in der Regel Z180 unter ähnlichen Umweltbedingungen überdauern, insbesondere in industriellen oder maritimen Atmosphären.
- Strategien zum Oberflächenschutz:
- Beschichtung über Verzinkung (vorlackierte verzinkte Coils) für kombinierten Barriere- und opfernden Schutz; stellen Sie die Kompatibilität und die Aushärtetemperaturen sicher.
- Verwenden Sie zusätzliche Dichtstoffe, Umwandlungsbeschichtungen oder Decklacke für eine verlängerte Lebensdauer in aggressiven Umgebungen.
- PREN ist nicht auf zinkbeschichtete Kohlenstoffstähle anwendbar (es gilt für die Bewertung der Lochkorrosionsbeständigkeit von Edelstählen). Für Edelstahl oder Zn–Al–Mg-Beschichtungen verwenden Sie geeignete Korrosionsindizes und Testdaten.
- Wenn Zinkbeschichtungen nicht ausreichen, ziehen Sie Legierungsbeschichtungen (Zn–Al–Mg) oder Materialsubstitution auf Edelstahl oder wetterfeste Stähle in Betracht.
7. Verarbeitung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit
- Formen und Biegen: Verzinkte Beschichtungen tolerieren gängige Formoperationen, aber die minimalen Biegeradien müssen eingehalten werden. Dickere Beschichtungen (Z275) haben einen größeren intermetallischen Anteil, der weißen Rost oder sichtbare Risse bei engen Biegungen verursachen kann.
- Schneiden und Stanzen: Beschichtete Oberflächen können Grate und Beschichtungsverformungen erzeugen; die Werkzeuglebensdauer kann bei schwereren Beschichtungen leicht beeinträchtigt werden.
- Bearbeitung: Beschichtungen sind im Verhältnis zu Bearbeitungsoperationen dünn; es gelten die üblichen Bearbeitungspraktiken, jedoch unter Berücksichtigung der Kontrolle von Partikeln und Dämpfen.
- Oberflächenveredelung: Z275 kann Farbe und Coil-Beschichtung ähnlich wie Z180 akzeptieren, obwohl die Oberflächenvorbereitung (Passivierung, Umwandlungsbeschichtungen) die Haftung sicherstellt.
8. Typische Anwendungen
Tabelle: Typische Anwendungen für jede Beschichtungsart.
| Z180 (niedrigere Zinkmasse) | Z275 (höhere Zinkmasse) |
|---|---|
| Innenpaneele, Möbel, leichte Rahmen, Innenkanäle | Dächer, Regenrinnen, Abdeckungen, äußere Verkleidungen, Fassaden |
| Automotive Innenteile und nicht exponierte tragende Komponenten | Landwirtschaftliche Geräte, Außenbeschilderungen, tragende Elemente, die Witterung ausgesetzt sind |
| Leichte Geräte, elektrische Gehäuse für geschützte Umgebungen | Marine-nahe Komponenten, salzsprüh-exponierte Teile, langlebige Außeninfrastruktur |
Auswahlbegründung: - Wählen Sie Z180, wenn die Exposition begrenzt ist, die Lebensdauer moderat ist und niedrigere Materialkosten sowie gute Formbarkeit/Schweißbarkeit Priorität haben. - Wählen Sie Z275, wenn eine lange Lebensdauer, Außenexposition oder reduzierte Wartungsintervalle höhere Anfangskosten und eine etwas sorgfältigere Form-/Schweißpraxis rechtfertigen.
9. Kosten und Verfügbarkeit
- Kosten: Z275 verwendet mehr Zink und hat daher höhere Rohmaterialkosten im Vergleich zu Z180. Die zusätzlichen Kosten müssen gegen die verlängerte Lebensdauer und reduzierte Wartung abgewogen werden.
- Verfügbarkeit: Beide Beschichtungsarten sind weltweit in Coils und Blechen von großen Stahlproduzenten und Servicezentren erhältlich. Produktformen umfassen kaltgewalzte verzinkte Coils, vorlackierte verzinkte Coils (PPGI) und verzinkte Bleche/Platten.
- Lieferzeiten: Standardbeschichtungsarten werden in der Regel vorrätig gehalten; Speziallegierungsbeschichtungen (Zn–Al–Mg) oder sehr hochmassige Beschichtungen können längere Lieferzeiten haben.
10. Zusammenfassung und Empfehlung
Tabelle: Schneller Vergleichsüberblick.
| Attribut | Z180 | Z275 |
|---|---|---|
| Schweißbarkeit (praktisch) | Gut, wenn die Beschichtung an den Schweißnähten entfernt wird; weniger Zink zu verwalten | Gut, wenn die Beschichtung entfernt wird; mehr Zinkdämpfe und Risiko des Elektrodenverschleißes |
| Festigkeits–Zähigkeitseffekt auf das Substrat | Neutral | Neutral |
| Korrosionsschutz (erwartete Lebensdauer im Freien) | Niedriger | Höher |
| Kosten | Niedrigere Anfangskosten | Höhere Anfangskosten |
Schlussfolgerungen: - Wählen Sie Z180, wenn: das Bauteil in einer geschützten oder Innenumgebung verwendet wird, die Anfangskosten und maximale Formbarkeit die Hauptanliegen sind und die erwartete Lebensdauer moderat ist. Z180 ist für viele leichte strukturelle und Geräteanwendungen geeignet, bei denen der opfernde Schutz ausreichend ist. - Wählen Sie Z275, wenn: das Bauteil Außenexposition, industriellen oder maritimen Atmosphären ausgesetzt ist oder wenn längere Wartungsintervalle und Lebensdauer erforderlich sind. Z275 wird für Dächer, Regenrinnen, Außenverkleidungen und Infrastruktur bevorzugt, wo eine dickere Zinkmasse die Lebensdauer erheblich verlängert.
Abschließende praktische Hinweise: - Geben Sie immer die Stahlgüte des Substrats getrennt von der Zinkbeschichtungsart an; stellen Sie sicher, dass die Beschichtungsmasse als g/m² gemäß EN-Konvention angegeben wird und ob die Werte beidseitig oder pro Seite total sind. - Planen Sie für geschweißte Komponenten die Entfernung der Beschichtung im Schweißbereich, ausreichende Belüftung und die Auswahl der Elektroden; konsultieren Sie die CE-Werte des Substrats für Empfehlungen zum Vorheizen/Nachschweißen. - Im Zweifelsfall für exponierte oder langlebige Anwendungen führt die zusätzliche Kosten von Z275 oft zu niedrigeren Lebenszykluskosten durch reduzierte Korrosionswartung.