Z140対Z180 - 成分、熱処理、特性、および用途
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はじめに
Z140およびZ180は、鋼製品に指定された広く使用されている熱浸鍍亜鉛コーティングクラスです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、亜鉛コーティングクラスを選択する際に、腐食保護、成形性、溶接性、コストのトレードオフを一般的に考慮します。典型的な意思決定の文脈には、外部対内部の露出、成形および曲げ操作、溶接および接合プロセス、ライフサイクルコスト目標が含まれます。
Z140とZ180の主な実用的な違いは、名目上の亜鉛コーティング質量（およびそれに対応するコーティング厚さ）です：Z180はZ140よりも重い亜鉛コーティングを持っています。その違いは、犠牲保護の寿命を左右し、コーティングされた表面での成形および溶接の挙動を変え、単位コストおよび仕上げ特性に影響を与えます—したがって、設計および調達の決定において頻繁に比較されます。
1. 規格と指定
- Z指定は、欧州および国際的な実践で一般的に使用されるコーティング質量クラスです（例：連続熱浸鍍亜鉛のためのENシステム用語）。同等または関連する仕様は、国家規格および製品仕様に現れます（例えば、EN 10346 / EN 10142ファミリーのシートコーティングクラス、および「Z」ラベルではなくコーティング性能を指定するASTM/ASME規格）。
- Z140およびZ180は、ベース鋼グレードではありません。これらは、さまざまな基材鋼に適用される表面コーティングクラスであり、それ自体は次のようなものです：
- 炭素（低炭素）鋼（連続亜鉛メッキの最も一般的な基材）
- HSLA/構造鋼（メーカーによって指定された場合）
- 冷間圧延または熱間圧延の商業用鋼
- ステンレス鋼は通常、同じ方法で亜鉛メッキされません；ステンレスは異なる腐食戦略です
- 分類：Z140/Z180 = コーティングカテゴリ（表面処理）。基礎鋼は、製品形状および供給者に応じて、炭素、HSLA、またはその他のタイプである可能性があります。
2. 化学組成と合金戦略
「Z」クラスは亜鉛のコーティング質量を説明します；基材の合金化を直接定義するものではありません。したがって、腐食および機械的特性に関連する化学組成は二部構成です：亜鉛コーティング（主にZnと金属間化合物Fe–Zn相）およびベース鋼の化学（グレードによって異なる）。
表：リストされた元素の典型的な仕様の役割（定性的）
| グレード / 元素 | C | Mn | Si | P | S | Cr | Ni | Mo | V | Nb | Ti | B | N |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Z140（コーティングクラス） | 指定なし — コーティング質量のみ；基材依存 | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " |
| Z180（コーティングクラス） | 指定なし — コーティング質量のみ；基材依存 | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " | " |
注意： - Z140およびZ180の両方において、コーティング自体は主に亜鉛です；Fe–Zn金属間化合物層は、熱浸処理中に界面で形成されます。コーティング内の合金元素（例：浴槽内の小さなAl添加）や意図的な合金亜鉛コーティングは、表面の外観や成長動態を変えますが、Z指定がコーティング質量を指す事実を変更することはありません。 - ベース鋼の化学（C、Mn、Siなど）は、製品（シート、ストリップ、構造）の機械的要件および規格に従って選択されます。典型的な連続亜鉛メッキ基材は低炭素鋼です；特定の値は、基材鋼の規格およびミル証明書によって定義され、Zクラスによっては定義されません。
合金化が性能に与える影響（一般）： - 基材の合金化（C、Mn、Si）：基材鋼の強度、硬化性、成形への反応を制御します；SiまたはPの含有量が高いと、亜鉛メッキ中にFe–Zn金属間化合物の成長が加速する可能性があります。 - コーティング浴槽の添加物（Al、Ni、Pb、Bi、Sn、Mgなどの特別な浴槽）：コーティングの外観、濡れ性、溶接性に影響を与えます；これらはZ質量クラスとは別に指定されます。
3. 微細構造と熱処理応答
コーティングされたシステムの微細構造には以下が含まれます： - 亜鉛外層（多くの場合、ほぼ純粋なZn η相） - Zn–Fe界面での金属間化合物層（従来の熱浸亜鉛鋼に対して一般的にζ、δ、Γ相と呼ばれる） - ベース鋼の微細構造（フェライト/パーライト、高強度鋼の場合はベイナイト/焼き戻しマルテンサイト）
コーティング質量によって引き起こされる主要な微細構造の違い： - 厚いコーティング（Z180）は一般的に厚い外部亜鉛層を生成し、浴槽の化学および浸漬時間に応じて、より厚い金属間化合物ゾーンを発展させる可能性があります。より厚い金属間化合物ゾーンは、成形中のコーティングの接着性および脆さに影響を与える可能性があります。
熱処理および加工の影響： - コーティングは溶融亜鉛温度で形成されます；その後の熱処理（例：ガルバニール：制御された環境での焼きなましによってFe–Zn合金化された表面を生成する）は、塗装接着のために金属間化合物層を強調するように微細構造を変更します。 - 正常化/焼入れおよび焼き戻しは、基材の微細構造にのみ影響を与えます；コーティングはこれらの変化を再現しませんが、亜鉛メッキ後に行われる熱処理はコーティングを変更する可能性があります（FeがZn金属間化合物に拡散する、コーティングの延性が失われる可能性があります）。 - 亜鉛メッキ前の熱機械圧延/焼きなましは、基材の粒子サイズおよび強度を決定し、基材の化学（Si、P）を介してコーティングの成長挙動に影響を与えます。
4. 機械的特性
コーティング質量は、基材鋼のバルク引張/降伏特性を根本的に変えるものではありませんが、厚いコーティングは成形中の表面挙動、局所的な疲労発生、および摩耗に影響を与えます。
表：比較効果（定性的）
| 特性 | Z140 | Z180 |
|---|---|---|
| 引張強度（バルク基材） | 基材と同じ（コーティングは≈化粧的/犠牲的） | 基材と同じ |
| 降伏強度（バルク基材） | 基材と同じ | 基材と同じ |
| 伸び / 成形性 | 鋭い曲げ時に薄いコーティングの方がわずかに良好；コーティングの亀裂が少ない | 厳しい曲げ時に局所的な成形性がわずかに低下；曲げ半径が小さい場合、コーティングが亀裂または剥がれる可能性がある |
| 衝撃靭性（基材） | 影響なし（ただし、コーティング欠陥が応力集中として作用する可能性がある即時表面では） | 同じ基材の挙動；厚いコーティングは、場合によっては衝撃下で表面亀裂を引き起こす可能性がある |
| 表面硬度（コーティング） | 硬度はZn層および金属間化合物に支配される；通常、鋼よりも柔らかい | 金属間化合物層が厚い場合、界面でわずかに高い硬度 |
説明： - 構造部品の機械的能力は、基材鋼グレードによって制御されます。亜鉛層は犠牲的であり、その厚さは局所的な表面性能（成形中のコーティング接着）にバルク機械的特性よりも影響を与えます。
5. 溶接性
溶接性は主に基材の化学および接合部での亜鉛の存在に依存します。亜鉛は蒸発し、管理されない場合、ポロシティ、スパッタの増加、または水素または亜鉛による欠陥を引き起こす可能性があります。
関連する溶接性指数（数値入力なし）： - 国際溶接協会の炭素当量： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - プロフェッショナル炭素-マンガン式： $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
解釈と実用的なガイダンス： - Z番号自体は$CE_{IIW}$または$P_{cm}$を変更しませんが、より重い亜鉛層（Z180）は溶接ゾーンでの局所的な亜鉛の量を増加させ、これにより： - アーク溶接中のポロシティおよび亜鉛煙の形成のリスクが増加します。 - 溶接前のコーティング除去（機械的研磨、局所的な焼き切り、または化学的剥離）または適応された溶接パラメータ（より高い移動速度、低い熱入力、バックガスの使用）が必要です。 - ポロシティを管理するための電極/フィラーの選択およびシールドガスの考慮が必要です。 - コーティングされたシートのスポット溶接では、厚いコーティングが電極の摩耗を増加させ、ナゲットサイズを減少させる可能性があります；プロセスパラメータの調整が必要です。
6. 腐食および表面保護
- 亜鉛コーティングは、露出した鋼に対して陰極（犠牲的）保護を提供し、表面に対してバリア保護を提供します。一般的に、より高いコーティング質量は犠牲保護の寿命を延ばします。
- PRENは亜鉛コーティングされた炭素鋼には適用されません（PRENはステンレス鋼の腐食抵抗ランクに適用されます）。参考までに、ステンレスの性能指標は異なります： $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ （この指数は亜鉛メッキ鋼には無関係です。）
腐食保護の考慮事項： - Z180はZ140よりも厚い犠牲層を提供し、したがって通常、同様の環境でのメンテナンスフリーのサービス寿命が長くなります。 - 厚いコーティングは、適切に処理および排水されない場合、湿気のある保管中に初期露出時により顕著な白錆の形成を示す可能性があります。 - 攻撃的な雰囲気に対しては、表面仕上げ（塗装、変換コーティング、パッシベーション）が引き続き推奨されます—厚い亜鉛は塗料が分解する前に時間を稼ぎます。
コーティング質量とおおよその厚さの変換（便利な経験則）： - 物理的関係は： $$t = \frac{m}{\rho}$$ ここで、$t$はμm単位の厚さで、$m$がg/m²で与えられ、$\rho$がg/cm³の亜鉛密度です（適切な単位変換が埋め込まれています）。 - 亜鉛密度（約7.14 g/cm³）を使用すると、次のようなおおよその厚さが得られます： - Z140 → 約$140/7.14 \approx 19.6\ \mu m$ - Z180 → 約$180/7.14 \approx 25.2\ \mu m$ - これらはおおよその単一数値変換です；実際のコーティング形態（金属間化合物対純粋Zn層）は機能的な厚さおよび性能に影響を与えます。
7. 製造、加工性、および成形性
- 切断および剪断：Z140およびZ180の両方は標準的な方法で切断できます；厚い亜鉛はより多くのスラグを生成し、わずかに異なる工具のメンテナンスが必要になる場合があります。
- 成形および曲げ：Z140は一般的に、薄いコーティングが亀裂や剥がれを起こしにくいため、タイトな曲げや高度に成形された部品に適しています。Z180は、より大きな曲げ半径、追加の潤滑、または成形後のタッチアップが必要になる場合があります。
- 加工性：亜鉛層は鋼と比較して柔らかいため、厚い亜鉛は表面仕上げに影響を与え、加工または旋盤後により積極的な仕上げが必要になる場合があります。
- 仕上げ：塗装、粉体塗装、またはその他のトップコートは通常、両方に付着します—それでも、優れた塗装接着が必要な場合は、熱処理によってエンジニアリングされたガルバニール表面が好まれることがよくあります。
8. 典型的な用途
| Z140 — 典型的な用途 | Z180 — 典型的な用途 |
|---|---|
| 屋内構造部材、軽量建築部品、自動車内装パネル、中程度の腐食抵抗が許容され、成形性が重要な用途 | 外部建築部品、フェンス、屋外ファスナー、中程度に露出した建物の外装、追加の犠牲寿命が望まれる用途 |
| タイトな半径の曲げおよび重成形を伴う成形スタンピング | 大気露出での長いメンテナンス間隔が必要な部品；定期的な湿潤および乾燥がある用途 |
選択の理由： - 成形性能とコストの最小化が優先され、サービス条件が穏やかな場合は薄いコーティングを選択します。 - 腐食保護の強化と長いサービス寿命が、追加コストおよび潜在的な成形/溶接調整を上回る場合は厚いコーティングを選択します。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：Z180は、亜鉛消費量が多く、処理時間が増加する可能性があるため、面積あたりのコストがZ140よりも高くなります。
- 入手可能性：両方のコーティングクラスは、シートおよびコイルのための連続熱浸鍍亜鉛操作で一般的に生産されます；入手可能性はミルおよび製品形状（コーティングされたコイル、カット・トゥ・レングスシート、チューブ、または製造された構造部材）に依存します。
- 調達に関する考慮事項：購入注文でコーティングクラス、ベース鋼グレード、および特別な浴槽化学または後処理（ガルバニール、パッシベーション）を指定します。ミル証明書はコーティング質量（g/m²）および基材鋼グレードを確認する必要があります。
10. 概要と推奨
概要表（定性的）
| 属性 | Z140 | Z180 |
|---|---|---|
| 溶接性（コーティングされたまま） | 前処理なしでの溶接に適している；蒸発する亜鉛が少ない | ポロシティおよび煙のリスクが高い；前処理が必要なことが多い |
| 強度–靭性（バルク基材） | 基材によって決定される；コーティングの影響は最小 | 基材によって決定される；コーティングの影響は最小 |
| 成形性 | タイトな曲げおよび厳しい成形に適している | 鋭い成形に対してわずかに低下；より大きな半径が必要な場合がある |
| 腐食寿命（犠牲的） | 中程度 | 延長（より良い犠牲保護） |
| コスト | 低い | 高い |
結論と推奨： - Z140を選択する場合： - コンポーネントが厳しく成形またはタイトな曲げ半径でスタンプされる場合。 - 露出環境が穏やかから中程度で、ライフサイクルの腐食要件が控えめな場合。 - 初期材料コストが低く、下流の加工（溶接、塗装）が容易であることが優先される場合。
- Z180を選択する場合：
- 長い犠牲的腐食保護が必要な場合（屋外露出、定期的な湿潤、またはメンテナンス間隔の短縮）。
- わずかに高い材料コストが、延長されたサービス寿命と引き換えに許容される場合。
- 成形および溶接プロセスが、厚いコーティングに対応するように適応できる場合（溶接前の清掃、調整された曲げ半径、プロセスパラメータの調整）。
最終的な注意：Z140およびZ180は基材鋼グレードではなくコーティング質量仕様であるため、調達文書を発行する際には、Zクラスと正確な基材鋼グレードの両方を指定してください。ミル試験報告書でコーティング質量および浴槽化学を確認し、コーティング厚さがプロセスウィンドウに影響を与える可能性がある場合は成形/溶接試験を実施してください。