Галвалюм против оцинкованного – Состав, термическая обработка, свойства и применения

Введение

Гальвалюмин и оцинкованные стали — это два из самых распространенных покрытых углеродных сталей, используемых в строительстве, производстве бытовой техники и общем производстве. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства регулярно оценивают защиту от коррозии, стоимость, формуемость и характеристики соединения при выборе между ними. Типичные контексты принятия решений включают: выбор кровельной панели для прибрежного здания (сопротивление коррозии против защиты краев), спецификация конструкционного листа для производственных линий (свариваемость и покраска) и выбор материала для долговечного облицовки (начальная стоимость против затрат на обслуживание в течение всего срока службы).

Основное различие между двумя продуктами заключается в системе покрытия, применяемой к базовой углеродной стали. Один использует покрытие только из цинка, которое обеспечивает жертвенную (гальваническую) защиту, в то время как другой использует покрытие из алюминиево-цинкового сплава, которое подчеркивает барьерную защиту, дополненную гальваническим действием. Поскольку оба продукта являются покрытыми версиями аналогичных углеродных стальных подложек, сравнения акцентируют внимание на химии покрытия и его характеристиках, а не на изменении металлургии стали подложки.

1. Стандарты и обозначения

Представительные международные стандарты и семейства спецификаций, которые регулируют покрытые плоские стальные продукты, включают:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 — Оцинкованные и оцинкованные-алюминиевые (Z) и гальванизированные покрытия на холоднокатаном листе (варианты Z, AZ, GA).
• ASTM A792 — Стальной лист, покрытый сплавом 55% алюминий-цинк (обычно ссылаются на Гальвалюмин/AZ55).
• EN (Европейский)
• EN 10346 — Непрерывно горячекатаные покрытые стальные плоские продукты (охватывает Zn и Al–Zn покрытия и их классификации).
• JIS (Японский)
• JIS G3302 — Оцинкованный стальной лист и лента (цинковые покрытия).
• JIS G3321 — Оцинкованные алюминиево-цинковые стали (Al–Zn покрытия).
• GB / Китайские национальные стандарты
• Спецификации серии GB/T для горячекатаных покрытых сталей (охватывают как Zn, так и Al–Zn покрытые продукты).

Классификация: как Гальвалюмин, так и оцинкованные продукты являются покрытыми углеродными сталями (не нержавеющими, инструментальными или HSLA в смысле обозначения сплава). Базовые подложки обычно представляют собой низкоуглеродные холоднокатаные или горячекатаные стали; более прочные покрытые продукты могут быть произведены с использованием HSLA или микроалюминированных подложек, но остаются покрытыми углеродными сталями.

2. Химический состав и стратегия легирования

Покрытые стали специфицируются по химии подложки и по составу покрытия. Химия покрытия является определяющим различием:

• Оцинкованные: покрытие в основном состоит из металлического цинка (Zn) или цинка с небольшими добавками/вариациями (например, гальванизированный — это Zn–Fe легированный на поверхности).
• Гальвалюмин (типичный AZ55): номинально 55% Al / 43.4% Zn / 1.6% Si по весу в легированном покрытии (семейство “AZ”; богатый алюминием сплав образует стабильный барьер Al2O3).

Таблица — Типичные диапазоны химии подложки (вт%) для коммерческих покрытых углеродных сталей (заметьте: точный состав зависит от сорта и практики на заводе):

Элемент	Типичный диапазон (вт%)	Комментарий
C	0.02 – 0.12	Низкий углерод для сохранения формуемости и свариваемости
Mn	0.10 – 1.50	Контроль прочности и закаляемости
Si	≤ 0.30 (часто <0.10)	Обезуглероживание; более высокий Si может повлиять на адгезию покрытия
P	≤ 0.04	Примесь; поддерживается на низком уровне для пластичности и формования
S	≤ 0.05	Контролируется для обрабатываемости; сульфиды влияют на качество поверхности
Cr	следы – 0.30	Незначительное легирование в некоторых сортах
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	следы – небольшие добавки	Используются в HSLA или микроалюминированных сталях; часто отсутствуют в стандартных коммерческих подложках

Как стратегия легирования влияет на характеристики: - Углерод и марганец в первую очередь определяют базовую прочность и закаляемость; более высокий C и Mn увеличивают прочность, но уменьшают свариваемость и формуемость. - Кремний и фосфор влияют на химический состав поверхности и адгезию покрытия; очень высокий Si может производить “кремниевую сталь”, которая изменяет смачивание покрытия. - Микролегирование (Nb, V, Ti) повышает прочность за счет осаждения и контроля размера зерна, но может усложнить формование и сварку, если используется без контроля процессов.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура: - Типичные покрытые продукты используют низкоуглеродные ферритно-перлитные или ферритно-байнитные подложки в зависимости от уровня прочности и обработки. Холоднокатаные подложки, предназначенные для хорошей формуемости, обычно полностью ферритные с полигональным ферритом и очень мелким перлитом или полностью ферритные в некоторых низкопрочных сортах. - Для более прочных покрытых продуктов микролегирование и контролируемая прокатка могут производить очищенный феррит с дисперсными карбидами/нитридами (характеристики HSLA).

Эффекты термообработки и обработки: - Применение покрытия обычно осуществляется путем непрерывного горячего погружения (как для Zn, так и для Al–Zn), где лента проходит через расплавленную ванну, а затем охлаждается воздухом или принудительно. Химия ванны и контроль охлаждения влияют на рост интерметаллического слоя. - Отжиг и отпуск перед покрытием задают микроструктуру подложки и механические свойства; термическое воздействие после покрытия (например, гальванизация) может производить локализованные диффузионные слои (интерметаллические Zn–Fe). - Нормализация редко применяется для тонкостенных покрытых листов; закалка и отпуск или тяжелые термообработки обычно применяются только тогда, когда сорт подложки требует более высокой прочности, в этом случае необходимо управлять соображениями покрытия (термическая стабильность покрытия, диффузия). - Для Гальвалюмина содержание Al образует защитный интерметаллический/перемешанный слой Al–Fe на интерфейсе сталь/покрытие; для оцинкованных покрытий образуются интерметаллические слои Fe–Zn (например, фазы Гамма, Дельта), которые влияют на адгезию и хрупкость.

4. Механические свойства

Поскольку Гальвалюмин и оцинкованные продукты имеют схожие подложки, механические свойства в первую очередь определяются базовой сталью и обработкой. Покрытия минимально влияют на объемную прочность на растяжение/тяну, но влияют на инициирование трещин, связанных с поверхностью (например, трещины покрытия во время формования).

Таблица — Типичные диапазоны механических свойств для коммерческих покрытых холоднокатаных углеродных сталей (индикативно; зависит от сорта подложки и состояния):

Свойство	Типичный диапазон	Примечания
Прочность на разрыв (Rm)	270 – 450 МПа	Более высокие значения возможны для HSLA подложек
Предельная прочность (Rp0.2 или ReH)	140 – 350 МПа	Зависит от сорта (коммерческий против высокопрочного)
Удлинение (A%)	15 – 40%	Тип покрытия имеет минимальное прямое влияние
Ударная вязкость	умеренная до хорошей (в зависимости от температуры)	Определяется микроструктурой подложки
Твердость	низкая до умеренной (HV относительно подложки)	Твердость покрытия варьируется; покрытие Гальвалюмин может быть тверже, чем чистый Zn

Интерпретация: - Ни одно покрытие существенно не изменяет основную прочность; выбирайте сорт подложки, чтобы соответствовать структурным требованиям. - Выбор покрытия влияет на прочность поверхности и восприимчивость к трещинам покрытия во время изгиба — покрытия Гальвалюмин обычно тверже и могут проявлять более заметные трещины на острых изгибах, чем пластичные Zn покрытия.

5. Свариваемость

Соображения свариваемости определяются химией подложки и поведением покрытия при нагреве:

• Удаление покрытия в зоне сварки: оба покрытия сгорают или смещаются в зоне плавления и могут производить дым; требуется предварительная очистка и соответствующая вытяжка дыма.
• Уровень углерода в подложке и легирование определяют закаляемость и восприимчивость к холодным трещинам. Используйте принятые метрики эквивалента углерода для оценки требований к предварительному нагреву/входу тепла.

Полезные индексы свариваемости (примеры): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Качественная интерпретация: - Низкоуглеродные, низколегированные подложки, используемые для покрытого листа, обычно дают низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$, что указывает на хорошую общую свариваемость с стандартными процессами (GMAW, SMAW, сопротивление сварки). - Покрытие Гальвалюмин с Al–Zn может создавать огнеупорные оксиды алюминия и увеличивать брызги/дым; параметры сварки и очистка немного отличаются от оцинкованных (Zn) продуктов. - Оцинкованные покрытия обеспечивают большую жертвенную защиту от коррозии на обрезанных краях, но могут увеличить риск пористости, если Zn испаряется во время процессов с высокой температурой; требуются соответствующие процедуры сварки и вентиляция.

6. Коррозия и защита поверхности

Защитные механизмы: - Оцинкованные (Zn покрытие): основная защита — гальваническая (жертвенная) — цинк корродирует предпочтительно и обеспечивает катодную защиту для открытой стали на царапинах и обрезанных краях. Со временем продукты коррозии цинка прилипают и обеспечивают некоторый барьер. - Гальвалюмин (покрытие из алюминиево-цинкового сплава): основная защита — это плотный барьер Al-оксида, образующийся на поверхности, который сопротивляется коррозии; компонент Zn предлагает вторичную гальваническую защиту, когда покрытие повреждено.

Когда свойства нержавеющей стали имеют значение, используется PREN для оценки устойчивости к образованию ямок: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Примечание: PREN не применим к не нержавеющим покрытым углеродным сталям; он включен как индикатор для нержавеющей стали.

Практические последствия: - Атмосферное воздействие: Гальвалюмин обычно демонстрирует превосходное общее атмосферное сопротивление коррозии и долговечность для кровли и облицовки стен в различных условиях. - Повреждения краев и механические повреждения: Оцинкованные покрытия часто обеспечивают лучшую жертвенную защиту на обрезанных краях и глубоких царапинах, поскольку цинк более анодный. - Морские и сильно коррозионные среды: ни одно покрытие не равно нержавеющей стали; Гальвалюмин часто превосходит Zn в некоторых морских атмосферах, но локализованные гальванические эффекты и механические повреждения должны быть учтены. Выбор материала должен основываться на конкретных испытаниях на коррозию или истории эксплуатации.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка и штамповка: оба работают аналогично; более жесткое покрытие Гальвалюмин может привести к немного большему износу инструмента и различной форме заусенцев.
• Формование и изгиб: Оцинкованные (чистый Zn) покрытия обычно более пластичны и лучше сопротивляются видимым трещинам на острых изгибах, чем Al–Zn покрытия. Изгиб с малым радиусом может потребовать смазки и тщательного проектирования штампов для Гальвалюмина, чтобы избежать разрушения покрытия.
• Пробивка и штамповка: Гальвалюмин может производить более выраженное отслаивание покрытия, если инструменты не оптимизированы; гальванизированный (цинковый железный сплав) может обеспечить лучшую адгезию краски для последующей отделки.
• Покраска и отделка: адгезия краски зависит от предварительной обработки поверхности. Гальванизированные и предварительно обработанные цинковые поверхности часто обеспечивают превосходное связывание краски; Гальвалюмин обычно хорошо окрашивается, если правильно предварительно обработан, и может требовать другой химии предварительной обработки.

8. Типичные применения

Гальвалюмин (покрытый Al–Zn)	Оцинкованный (покрытый Zn)
Кровельные и облицовочные панели, где ценятся долговечность и барьерная защита	Конструктивные элементы, каркас, крепеж, водостоки, где важна жертвенная защита краев
Служба при высоких температурах (теплоотражающие свойства слоя Al)	Заборы, стропила, стойки и холоднокатаные секции
Корпуса бытовой техники и воздуховоды, где важны коррозионная стойкость и внешний вид	Внутренние панели автомобилей, компоненты шасси (часто гальванизированные для покраски)
Промышленные здания, склады и сельскохозяйственные сооружения	Листовой металл общего назначения, трубы и трубопроводы, которые экономичны и широко доступны

Обоснование выбора: - Выбирайте Гальвалюмин, если важна долговечная атмосферная коррозионная стойкость и тепловая отражательная способность, и если края могут быть оформлены, чтобы избежать быстрого воздействия коррозионных элементов. - Выбирайте Оцинкованный, если стоимость и жертвенная защита на обрезанных краях, крепежах или в областях, подверженных механическим повреждениям, являются доминирующими факторами.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Оцинкованные (Z) продукты, как правило, дешевле по единице площади, чем Гальвалюмин (AZ55) из-за стоимости алюминия в покрытии. Фактические цены колеблются в зависимости от рынков сырья Zn и Al.
• Доступность: Оба покрытия широко доступны в рулонах, листах, панелях и предварительно окрашенных продуктах по всему миру. Оцинкованный исторически является самым распространенным и может быть более доступным в некоторых товарных формах; Гальвалюмин обычно доступен для рынков кровли и облицовки.
• Формы продукта: рулоны, листы, предварительно окрашенные панели с покрытием, кровельные рулоны и формованные профили. Время выполнения обычно короткое для стандартных толщин и ширин, дольше для специализированных сплавов или предварительно окрашенных отделок.

10. Резюме и рекомендации

Таблица — Сравнительное резюме (качественное)

Метрика	Гальвалюмин (Al–Zn)	Оцинкованный (Zn)
Свариваемость	Хорошая (требует внимания к дыму, связанному с Al)	Хорошая (необходима обработка пара/дыма Zn)
Прочность–Ударная вязкость (контролируется подложкой)	Похожие (выбор подложки определяет)	Похожие (выбор подложки определяет)
Коррозионная стойкость (общая атмосферная)	Выше (барьер + гальваническая)	Хорошая (сильная жертвенная защита)
Защита краев/обрезов	Умеренная (менее жертвенная на краях)	Лучше (жертвенная защита на открытых краях)
Формуемость / изгибаемость	Умеренная (покрытие жестче; следите за малым радиусом)	Лучше (покрытие более пластично)
Стоимость	Выше (Al в покрытии)	Ниже (обычно экономично)

Выбирайте Гальвалюмин, если: - Долговечная атмосферная коррозионная стойкость и эстетика для кровли, облицовки или корпусов бытовой техники являются приоритетом. - Желательна тепловая отражательная способность или превосходная барьерная защита, и оформление минимизирует длительное воздействие обрезанных краев. - Вы принимаете умеренно более высокую стоимость материала для продленного срока службы.

Выбирайте Оцинкованный, если: - Чувствительность к стоимости, жертвенная защита на обрезанных краях или тяжелая механическая обработка доминируют в критериях выбора. - Применения включают конструктивные каркасы, крепеж или листы общего назначения, где важны формуемость и защита краев. - Универсальность цепочки поставок и низкая капитальная стоимость являются значительными факторами.

Заключительная заметка: Поскольку механическая производительность определяется подложкой, всегда указывайте правильный сорт стали и состояние для структурных требований, а также указывайте вес/толщину покрытия и постобработки (покраска, пассивация, гальванизация), чтобы соответствовать требованиям коррозии и обработки. В случае сомнений запрашивайте сравнительные испытания на коррозию для предполагаемого класса воздействия и подтверждайте совместимость сварки/процесса с вашим производителем.