ZF70 vs ZF140 – Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Eigenschaften und Anwendungen

Einführung

ZF70 und ZF140 sind oberflächenbehandelte Kohlenstoff-/niedriglegierte Stahlbezeichnungen, die häufig in strukturellen, automobilen und allgemeinen Fertigungsanwendungen verwendet werden, bei denen Korrosionsbeständigkeit durch eine metallische Beschichtung erforderlich ist. Ingenieure, Einkaufsleiter und Fertigungsplaner wägen häufig Kompromisse zwischen den mechanischen Eigenschaften des Substrats, der Oberflächenhaltbarkeit, der Herstellbarkeit und den Lebenszykluskosten ab, wenn sie zwischen diesen beiden Optionen auswählen. Typische Entscheidungskontexte umfassen das Abwägen der Widerstandsfähigkeit gegen atmosphärische oder Handhabungskorrosion (und damit die Haltbarkeit der Beschichtung) gegen die Stückkosten, die Formbarkeit und die Einschränkungen des Schweißprozesses.

Der wesentliche operationale Unterschied zwischen den beiden liegt in der Menge der auf den Grundstahl aufgetragenen metallischen Beschichtung: Eine Variante hat erheblich mehr schützende Beschichtung als die andere, was die Oberflächenlebensdauer, die Abriebfestigkeit und einige Fertigungsüberlegungen beeinflusst. Da die Substratmetallurgie für beide Produktbezeichnungen sehr ähnlich sein kann, werden sie häufig hauptsächlich hinsichtlich des Oberflächenschutzes, der Lebensdauer und der Kosten pro Flächeneinheit verglichen, anstatt auf der grundlegenden Legierungschemie zu basieren.

1. Normen und Bezeichnungen

• Wichtige Normen, die Substratstähle und Beschichtungen regeln können:
• EN (Europäische Normen) — z.B. EN 10147 (verzinkte Stähle), EN 10346 (kontinuierlich beschichtete Stähle)
• ASTM/ASME — verschiedene ASTM-Spezifikationen für verzinkte Beschichtungen und Kohlenstoffstähle
• JIS — Japanische Industrie-Normen für beschichtete Stähle
• GB — Chinesische nationale Normen für beschichtete Stähle
• Klassifizierung:
• ZF70 und ZF140 lassen sich am besten als Kohlenstoff- oder niedriglegierte Stähle mit metallischen Schutzbeschichtungen (d.h. beschichtete Stähle) charakterisieren. Sie sind keine rostfreien Grades; sie sind auch keine Werkzeugstähle oder hochfeste Werkzeugkategorien per Definition. Das zugrunde liegende Substrat kann je nach Anbieter und beabsichtigter Anwendung einfacher Kohlenstoffstahl, interstitial-freier (IF) oder kontrolliert nachgiebiger niedriglegierter Stahl sein.

2. Chemische Zusammensetzung und Legierungsstrategie

Tabelle: typische Rolle der Elemente für beschichtete Kohlenstoff-/niedriglegierte Substrate (qualitativ)

Hinweise: - Viele Produktlinien von beschichtetem Stahl werden durch Beschichtungsmasse und Oberflächenfinish definiert, während das Substrat in einer vereinbarten chemischen/mikrostrukturellen Klasse geliefert wird. Exakte Zusammensetzungen variieren je nach Werk und Produktfamilie. - Die Legierungsstrategie für diese Substrate begünstigt typischerweise niedrigeren Kohlenstoff und kontrollierte Mikrolegierung, um die Formbarkeit, Schweißbarkeit und konsistente mechanische Eigenschaften nach der Beschichtung zu erhalten.

Wie sich die Legierung auf die Leistung auswirkt: - Kohlenstoff und Mangan bestimmen hauptsächlich Festigkeit und Duktilität; steigender C und Mn erhöhen die Festigkeit und Härtbarkeit, verringern jedoch die Schweißbarkeit und Formbarkeit. - Mikrolegierungselemente (V, Nb, Ti) bieten Verbesserungen der Streckgrenze durch Ausscheidung und Kornverfeinerung, ohne große Erhöhungen des Kohlenstoffs. - Die Chemie und Haftung der Beschichtung hängen von kleinen Zusätzen (z.B. Si-Gehalt) und vom Beschichtungsprozess (Heißtauchverzinkung, kontinuierliche Elektroverzinkung oder Zn-Al-Prozesse) ab.

3. Mikrostruktur und Wärmebehandlungsreaktion

• Typische Mikrostruktur: Für diese beschichteten Stähle ist das Substrat häufig eine Ferrit-Perlit- oder Ferritstruktur mit feinen Ausscheidungen (in HSLA-Varianten). Die Mikrostruktur wird gewählt, um Formbarkeit, Festigkeit und Zähigkeit auszubalancieren.
• Normalisieren: Produziert eine feinere, gleichmäßigere Ferrit-Perlit-Struktur und kann für Anwendungen mit höherer Festigkeit verwendet werden. Normalisieren kann die Zähigkeit und die dimensionsstabilität verbessern.
• Härten & Anlassen: Selten für allgemeine beschichtete Konstruktionsstähle, da Beschichtungsoperationen und Formbarkeitsanforderungen zugänglichere Substratbedingungen begünstigen. Q&T wird verwendet, wenn höhere Festigkeit erforderlich ist, ist jedoch typischerweise mit unbeschichteten oder speziell behandelten Produkten verbunden.
• Thermomechanische Verarbeitung: Für hochfeste niedriglegierte Substrate erzeugen kontrolliertes Walzen und beschleunigtes Abkühlen feine Ferrit-Bainit-Mikrostrukturen, die die Festigkeit erhöhen und gleichzeitig die Duktilität erhalten. Diese Substrate können anschließend beschichtet werden, aber die Prozessreihenfolge und die thermische Exposition sind entscheidend, um die Integrität der Beschichtung zu erhalten.
• Auswirkungen der Beschichtung: Beschichtungsprozesse (Heißtauch, kontinuierliches Verzinken) setzen thermische Zyklen in Gang, die die nahe Oberfläche leicht anlassen oder die Mikrostruktur verändern können. Werke kontrollieren das Glühen und Abkühlen, um die mechanischen Ziele des Substrats zu erhalten.

4. Mechanische Eigenschaften

Tabelle: vergleichendes mechanisches Verhalten (qualitativ, substratabhängig)

Interpretation: - Die unterschiedlichen Beschichtungsmasse verändern die intrinsischen mechanischen Eigenschaften des Stahlsubstrats nicht wesentlich. Die Auswahl für Festigkeit oder Zähigkeit sollte daher auf der Spezifikation des Substrats basieren und nicht nur auf der ZF70/ZF140-Bezeichnung. Alle kleinen Unterschiede im Verformungsverhalten oder der Initiierung von Oberflächenbrüchen an Kanten können aus der Beschichtungsdicke und der Haftung resultieren, nicht aus der Festigkeit des Substrats.

5. Schweißbarkeit

Überlegungen zur Schweißbarkeit hängen vom Kohlenstoffäquivalent des Substrats und davon ab, wie die Beschichtung die Lichtbogenstabilität und den Rauch beeinflusst. Nützliche Indizes:

Formeln anzeigen: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Qualitative Interpretation: - Niedrigerer Kohlenstoff- und kontrollierter Legierungsgehalt verringern die Anfälligkeit für Kaltverzug und Wasserstoffversprödung; halten Sie $CE_{IIW}$ und $P_{cm}$ so niedrig wie möglich für einfaches Schweißen. - Metallische Beschichtungen erzeugen während des Schweißens eine lokale Zinkverdampfung, die Porosität und zinkinduzierte Dämpfe verursachen kann; die Entfernung der Beschichtung im Schweißbereich oder die Verwendung geeigneter Schweißparameter ist gängige Praxis. - Schwerere Beschichtungen (größere Beschichtungsmasse) erfordern zusätzliche Kantenreinigung oder Anpassungen der Schweißtechnik, da mehr Beschichtung entfernt oder verdrängt werden muss, um eine solide Schweißnaht zu erzielen. - Vorwärmen, kontrollierte Zwischentemperaturen und die Auswahl geeigneter Füllstoffe mindern Risiken bei höheren CE-Substraten oder wenn Beschichtungsverschmutzungen nicht vollständig entfernt werden können.

6. Korrosion und Oberflächenschutz

• Für nicht rostfreie beschichtete Stähle wie ZF70 und ZF140 bieten metallische Beschichtungen (typischerweise Zink oder Zinklegierungen) opfernden Schutz und Barriere-Schutz. Eine schwerere Beschichtungsmasse verlängert den Beginn der Substratkorrosion und verbessert die Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Abrieb und Handhabungsschäden.
• Bei der Bewertung der Korrosionsleistung in aggressiven Umgebungen sollten lokale Abbau-Mechanismen, Kantenschutz und die Notwendigkeit einer Nachbeschichtungspassivierung oder -lackierung berücksichtigt werden.
• Für rostfreie Stähle ist nur PREN relevant: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ Dieser Index ist nicht anwendbar auf zinkbeschichtete Kohlenstoffstähle; verwenden Sie ihn nur bei der Bewertung echter rostfreier Legierungen.
• Beschichtungssysteme können mit organischen Deckschichten, Inhibitoren oder Umwandlungsbeschichtungen ergänzt werden, um die Lebensdauer zu verlängern, insbesondere in Küsten- oder Industrieatmosphären.

7. Fertigung, Bearbeitbarkeit und Formbarkeit

• Schneiden und Bearbeiten: Die Bearbeitbarkeit des Substrats folgt dem Standardverhalten von Kohlenstoff-/niedriglegierten Stählen. Die metallische Beschichtung kann Werkzeuge verstopfen oder die Oberflächenqualität beeinflussen; Werkzeug- und Kühlstrategien sollten dies berücksichtigen.
• Formen und Biegen: Schwerere Beschichtungen verändern die Reibung und können die Beschichtung an scharfen Biegungen brechen; Prozessfenster (minimale Biegeradius, Stanz-/Werkzeuggeometrie) müssen die Duktilität und Haftung der Beschichtung berücksichtigen. ZF140-Typ schwerere Beschichtungen zeigen eher Beschichtungsunterbrechungen bei starkem Formen, es sei denn, sie sind dafür ausgelegt.
• Oberflächenveredelung: Schwerere Beschichtungen bieten besseren Widerstand gegen Nachbearbeitung, können jedoch eine sorgfältigere Kantenbearbeitung und Wartung der Schneidwerkzeuge erfordern. Die Haftung von Farben und Elektrocoating kann von der Chemie der Beschichtung und der Oberflächenvorbereitung abhängen.

8. Typische Anwendungen

Auswahlbegründung: - Wählen Sie eine leichtere Beschichtung, wenn Komplexität der Formgebung, Schweißbarkeit oder die niedrigsten Anfangskosten dominieren und die Umweltexposition begrenzt ist. - Wählen Sie eine schwerere Beschichtung, wenn eine verlängerte Lebensdauer gegen Korrosion, verbesserter opfernder Schutz oder bessere Abriebfestigkeit während des Betriebs und der Handhabung erforderlich sind.

9. Kosten und Verfügbarkeit

• Relative Kosten: Schwerere beschichtete Produkte haben höhere Stückkosten pro Fläche aufgrund zusätzlicher Beschichtungsmaterialien und Bearbeitungszeiten. Skaleneffekte und Lagerbestände der Anbieter beeinflussen die endgültige Preisgestaltung.
• Verfügbarkeit nach Produktform: Beide Beschichtungen werden häufig als Coils, Bleche und vorlackierte Optionen angeboten. Die Lieferzeiten können je nach regionaler Nachfrage und Anbieterfähigkeit variieren; schwerer beschichtete Varianten können etwas längere Lieferzeiten haben, wenn sie weniger häufig vorrätig sind.
• Einkaufs-Tipp: Geben Sie die erforderliche Beschichtungsmasse, die Haftungsklasse und die mechanischen Eigenschaften des Substrats ausdrücklich an, um Mehrdeutigkeiten in den Angeboten der Anbieter zu vermeiden.

10. Zusammenfassung und Empfehlung

Zusammenfassungstabelle (qualitativ)

Schlussfolgerungen und Hinweise: - Wählen Sie ZF70, wenn: die Anwendung maximale Formbarkeit und einfache Schweißbarkeit erfordert, die Umweltexposition moderat ist und die Minimierung der anfänglichen Materialkosten Priorität hat. ZF70 wird oft für komplexe Stanzungen, innere Automobilverkleidungen und innere Strukturelemente bevorzugt. - Wählen Sie ZF140, wenn: die Anwendung verlängerten Korrosionsschutz, verbesserte Abrieb-/Handhabungsbeständigkeit oder reduzierte Wartungshäufigkeit in Außen- oder aggressiven Umgebungen erfordert. ZF140 ist sinnvoll für exponierte Strukturkomponenten, externe Automobilunterboden Teile und Teile, die häufig mechanischem Verschleiß oder längerer Exposition gegenüber korrosiven Atmosphären ausgesetzt sind.

Letzte Anmerkung: Da die Chemie und mechanischen Anforderungen des Substrats unabhängig von der Beschichtungsmasse spezifiziert werden können, definieren Sie immer sowohl die Stahlgüte des Substrats (mechanische und chemische Anforderungen) als auch die erforderliche Beschichtungsmasse/Chemie in den Beschaffungs- und Entwurfsdokumenten. Dies stellt sicher, dass die ausgewählte ZF-Variante sowohl den strukturellen als auch den Haltbarkeitsanforderungen entspricht, ohne sich nur auf die Nomenklatur zu verlassen.