ГИ против ГА – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Горячекатаная оцинкованная (обычно называемая GI) и гальванизированная (GA) сталь являются двумя из самых широко используемых покрытых стальных продуктов в архитектуре, автомобилестроении, производстве бытовой техники и общем промышленном производстве. Инженеры и специалисты по закупкам регулярно балансируют конкурирующие приоритеты дизайна — коррозионная стойкость против способности к окраске, формуемость против свариваемости и стоимость компонентов против производительности в течение жизненного цикла — при выборе между этими покрытиями.

Определяющее техническое различие заключается в металлургии: GI сохраняет относительно чистый слой цинка на поверхности стали, в то время как GA была термообработана для формирования слоя сплава цинка и железа на интерфейсе. Это различие приводит к различной химии поверхности, механической реакции при формовании и соединении, а также поведению при последующей отделке, что объясняет, почему GI и GA часто сравниваются в дизайне продуктов и выборе процессов.

1. Стандарты и обозначения

Основные стандарты и спецификации, которые охватывают горячекатаную оцинкованную и гальванизированную сталь, включают:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 / A653M — Стальная листовая, оцинкованная (оцинкованная) или покрытая сплавом цинка и железа (гальванизированная) методом горячего погружения.
• ASTM A879 / A879M — Горячекатаная оцинкованная стальная листовая и т.д. (сопутствующие спецификации продуктов)
• EN / CEN
• EN 10346 — Непрерывно горячекатаные стальные плоские изделия (охватывает оцинкованные и гальванизированные).
• JIS (Япония)
• JIS G3302 — Горячекатаные стальные пластины, листы и полосы с оцинковкой (оцинкованные).
• JIS G3312 / сопутствующие стандарты для оцинкованных и гальванизированных форм (наименование продуктов варьируется).
• GB / Китай
• GB/T 2518 и GB/T 2519 (и другие) — Обычно ссылаются на горячекатаные стальные листы и полосы с оцинковкой.

Классификация: GI и GA — это покрытия, применяемые к углеродным/низколегированным холоднокатаным сталям. Границы подложки обычно представляют собой низкоуглеродные стали (мягкие углеродные стали / процессные стали или стали без межсточных элементов), а не нержавеющие, HSLA или инструментальные стали. Типы покрытий различаются как цинковые (GI) или сплав цинка и железа (GA), а не по различным металлургическим классам базовой стали.

2. Химический состав и стратегия легирования

Ниже представлено сравнительное значение типичного химического состава стальной подложки, используемой для продуктов GI и GA. Это ориентировочные диапазоны для коммерческих низкоуглеродных холоднокатаных сталей, обычно выбираемых для оцинковки/гальванизации; фактический состав должен быть взят из сертификата завода поставщика или соответствующей спецификации.

Элемент	Типичный диапазон — подложка GI/GA (представительный)
C	0.01 – 0.12 мас%
Mn	0.10 – 0.80 мас%
Si	0.00 – 0.30 мас%
P	≤ 0.05 мас% (типичный контроль)
S	≤ 0.02 мас% (типичный контроль)
Cr	следы – часто не добавляется намеренно
Ni	следы – обычно не добавляется
Mo	следы – обычно не добавляется
V	следы – возможны в микроалюминированных вариантах
Nb (Cb)	следы – возможны в высокопрочных микроалюминированных сталях
Ti	следы – возможны в сталях без межсточных элементов / стабилизированных
B	следы (ppm) – используется в некоторых HSLA марках
N	контролируется на низком уровне ppm в IF сталях

Примечания по стратегии легирования: - Для GI/GA подложка обычно представляет собой низкоуглеродную сталь, чтобы сохранить формуемость и ограничить трещинообразование, вызванное водородом, во время покрытия и последующей обработки. - Микролегирование (Nb, V, Ti) используется выборочно для достижения более высокой прочности за счет осаждения, часто в специфических линейках продуктов (например, коммерческие высокопрочные стали), а не в стандартных GI/GA товарных сталях. - Химия покрытия различается: GI в основном сохраняет металлический цинк с незначительным захватом Fe на интерфейсе; GA производится путем отжига на воздухе после оцинковки для содействия взаимной диффузии Fe и Zn, образуя интерметаллические фазы цинка и железа (например, фазы Γ, δ, ζ в зависимости от процесса).

Как легирование влияет на свойства: - Углерод и Mn в основном контролируют прочность на растяжение и закаляемость — более высокие уровни увеличивают прочность, но уменьшают формуемость и свариваемость. - Si и P могут ускорять реакции оцинковки (Si является известным реакционным элементом для оцинковки) и влиять на адгезию и толщину покрытия. - Элементы микролегирования (Nb, V, Ti) увеличивают прочность и могут влиять на свариваемость и формуемость, если присутствуют в значительных количествах.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктуры: - Подложка (как GI, так и GA): микроструктура горячекатаной/холоднокатаной низкоуглеродной ферритной стали с минимальным или отсутствующим перлитом в очень низкоуглеродных сталях; микроалюминированные варианты могут содержать мелкие осадки. - Микроструктура покрытия GI: в основном металлический цинк с тонким слоем диффузии, богатым железом, рядом со сталью; внешний слой цинка относительно мягкий, пластичный и свободен от крупных слоев интерметаллических соединений. - Микроструктура покрытия GA: непрерывный слой сплава цинка и железа, образованный путем отжига после горячего погружения в цинк. Этот слой содержит интерметаллические фазы с более высоким содержанием железа и более жесткий и хрупкий, чем чистый цинковый верхний слой.

Термообработка / маршруты процессов: - Оцинковка (GI): сталь очищается, флюсируется и погружается в расплавленный цинковый bath; охлаждение образует преимущественно чистый цинковый внешний слой. После погружения не применяется преднамеренная термообработка легирования. - Гальванизация (GA): после этапа горячего погружения покрытая полоса отжигается на воздухе или в окислительной атмосфере (обычно на непрерывной линии). Отжиг способствует диффузии между Zn и Fe для производства легированного покрытия. Температура отжига, время и скорость линии контролируют толщину легированного слоя и состав фаз.

Эффекты обработки: - Отжиг GA может немного закалить подложку стали (в зависимости от температуры/времени) и может гомогенизировать остаточные напряжения от предыдущей холодной обработки; эти термические циклы могут незначительно повлиять на механические свойства. - Термомеханические обработки подложки (например, контролируемая прокатка или TMCP) имеют значение, когда требуются высокопрочные продукты GI/GA; процесс покрытия должен быть настроен, чтобы избежать дефектов покрытия.

4. Механические свойства

Механические свойства покрытых продуктов зависят в первую очередь от спецификации подложки и любой обработки после покрытия. Само покрытие вносит незначительный вклад в поведение на растяжение, но сильно влияет на локальное поведение при изгибе, формовании и твердости поверхности.

Свойство	Типичный GI (оцинкованный горячим способом)	Типичный GA (гальванизированный)
Прочность на растяжение (UTS)	Зависит от подложки (например, 270–420 МПа для обычных коммерческих марок)	Тот же диапазон, зависящий от подложки
Предельная прочность (0.2% смещение)	Зависит от подложки (например, 140–350 МПа)	Тот же диапазон, зависящий от подложки
Удлинение (A%)	Зависит от подложки (например, 20–35%)	Зависит от подложки, но GA может показывать более низкую локальную пластичность на поверхности
Ударная вязкость	Зависит от подложки; покрытие имеет минимальный объемный эффект	Похожая объемная вязкость; хрупкость покрытия может влиять на поведение при резке по краям
Твердость поверхности	Мягкий цинковый верхний слой (низкий HV)	Более жесткий, более хрупкий слой сплава цинка и железа (большая твердость поверхности)

Интерпретация: - Для объемной механической производительности детали GI и GA ведут себя аналогично, когда базовая марка стали идентична. Различия возникают на интерфейсе покрытия/подложки: покрытия GA более жесткие и хрупкие, что может уменьшить локальную формуемость и увеличить склонность к трещинообразованию покрытия при жестком изгибе или сильном растяжении. - Легированный слой GA обеспечивает большую твердость поверхности и улучшенную адгезию краски, но может ухудшить радиусы изгиба и пластичность краев по сравнению с GI.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит от химии подложки, типа покрытия и контроля процесса.

Ключевые влияния: - Содержание углерода в базовом материале и комбинированное легирование контролируют восприимчивость к холодному трещинообразованию и закаляемость. Более высокий углерод и легирование => большее предварительное/последующее нагревание требуется. - Тип покрытия влияет на точечную и дуговую сварку: - GI (цинковый внешний слой): цинк испаряется при нагревании, образуя пористость, брызги и потенциальное хрупкость в зоне сварки; требуется защита и корректировка процесса. - GA (сплав цинка и железа): легированный слой, как правило, более стабилен во время точечной сварки и может обеспечить улучшенное образование сварного шва по сравнению с GI, но локальное содержание легирующих элементов (Fe–Zn) влияет на поведение плавления.

Полезные индексы свариваемости: - Углеродный эквивалент (форма IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (предсказатель трещинообразования в сварных швах): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Качественная интерпретация: - Используйте эти формулы для оценки необходимости предварительного нагрева, контроля температуры между проходами или термообработки после сварки. Для как GI, так и GA покрытых сталей более низкие значения $CE_{IIW}$ и $P_{cm}$ указывают на более легкую свариваемость. - На практике удаление покрытия или адаптированные параметры сварки (меньший ток, более быстрый цикл, точечная сварка с разрядом конденсатора для GI) используются для управления проблемами сварки, связанными с цинком. GA часто более последовательно сваривается в точечной сварке сопротивлением благодаря легированному слою, но дуговая сварка все еще должна контролировать эффекты паров цинка.

6. Коррозия и защита поверхности

Не нержавеющие покрытые стали полагаются на жертвенную защиту цинка. Различия в коррозионной производительности и поведении при отделке происходят из морфологии и химии покрытия.

• GI (горячекатаный цинк): внешний металлический цинк обеспечивает отличную гальваническую защиту; чистый цинковый внешний слой корродирует предпочтительно и образует защитные коррозионные продукты цинка (например, гидроксид цинка) во многих атмосферах.
• GA (гальванизированный): слой сплава цинка и железа обеспечивает гальваническую защиту, аналогичную GI, но с различными характеристиками коррозионных продуктов. Легированная поверхность, как правило, способствует плотной адгезии краски и контролируемому поведению ржавчины, что часто полезно для последующей покраски.

Нержавеющие стали: Если рассматривается нержавеющий материал, используйте PREN для локализованной коррозионной стойкости: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ Этот индекс не применим к GI/GA, поскольку это углеродные стали с покрытиями на основе цинка.

Когда индексы не применимы: - Не применяйте PREN к оцинкованным сталям; вместо этого оцените ожидаемый класс окружающей среды, толщину цинкового покрытия (г/м^2 или мкм) и любую постобработку пассивации или систему покраски.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

Поведение при формовании и отделке значительно различается:

Формуемость: - GI: более пластичный внешний цинк позволяет более жесткие радиусы изгиба и лучшую формуемость с меньшим риском разрушения покрытия. Однако сильное формование может истончить или сломать цинковый слой, обнажая голую сталь. - GA: легированный слой более жесткий и хрупкий, увеличивая риск трещинообразования, порошкообразования или отслаивания покрытия при сильном формовании. GA часто ограничивается применениями с умеренным формованием или где требуется покраска.

Изгиб и обрамление: - GI допускает меньшие радиусы изгиба и более жесткие операции обрамления без значительных потерь покрытия. - GA требует более мягких радиусов изгиба и оптимизированного инструмента, чтобы избежать разрушения покрытия.

Обрабатываемость: - Оба продукта обрабатываются в первую очередь как основная сталь; покрытие вносит вклад в износ инструмента и вариации отделки поверхности. Более жесткая поверхность GA может увеличить абразивный износ режущих инструментов; GI, как правило, менее абразивен.

Отделка: - GA предпочтительнее, когда критична последующая адгезия краски, поскольку поверхность, богатая железом, обеспечивает лучшую химическую связь и меньшее стекание во время процессов фосфатирования/предварительной обработки. GI обычно требует преобразовательных покрытий или предварительной обработки для достижения эквивалентной адгезии краски.

8. Типичные применения

GI (оцинкованный горячим способом)	GA (гальванизированный)
Кровля и облицовка, водостоки, наружные конструктивные элементы, где коррозионная стойкость и низкая стоимость являются основными факторами	Автомобильные кузовные панели (внутренние конструкции, некоторые внешние панели с предварительной окраской), детали бытовой техники, где критичны способность к окраске и точечная сварка
Сельскохозяйственное оборудование, заборы, столбы для знаков	Детали, требующие постоянной адгезии краски и последующей электроокраски (e-coat)
Общая промышленная листовая сталь, где требуются гибкость и полевое гальваническое покрытие	Компоненты, которые должны быть сварены (сопротивление точечной сварки) и затем окрашены, и где важны качество краев и внешний вид краски

Обоснование выбора: - Выбирайте GI, когда приоритетом являются жертвенная коррозионная защита, экономическая эффективность и пластичность формования. - Выбирайте GA, когда приоритетом являются последующие системы покраски, однородность поверхности и совместимость сварки/сборки, даже при немного более высокой стоимости покрытия и сниженных ограничениях формования.

9. Стоимость и доступность

• Стоимость: GI, как правило, является более дешевым вариантом, поскольку исключает этап отжига/легирования, который создает GA. GA добавляет обработку (отжиг на линии) и более строгий контроль химии/линии, что приводит к умеренной надбавке.
• Доступность: как GI, так и GA широко доступны по всему миру в виде листов, рулонов и различных весов покрытия. Доступность GA может быть более узкой на некоторых региональных рынках или для конкретных весов/марок покрытия из-за возможностей линии; закупка должна проверять сроки поставки и минимальные объемы заказа.
• Формы продукта: рулоны и листы, нарезанные по длине, являются общими для обоих; предварительно окрашенные продукты могут использовать GA или обработанный GI в зависимости от процесса окраски.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы

Атрибут	GI	GA
Свариваемость (общая)	Хорошая с контролем процесса; проблемы с парами цинка для дуговой сварки	Лучшая согласованность для точечной сварки сопротивлением; легированный слой влияет на плавление
Прочность–Ударная вязкость (подложка)	Зависит от подложки; покрытие мягкое	Та же подложка; покрытие жестче на поверхности
Стоимость	Ниже (без этапа отжига/легирования)	Выше (дополнительный отжиг/обработка)

Окончательные рекомендации - Выбирайте GI, если вам нужна экономически эффективная жертвенная коррозионная защита с превосходной гибкостью и формуемостью (например, кровля, наружные конструкции, сильно формованные компоненты). GI является практическим стандартом, когда требуются жесткие радиусы или сильное формование, а покраска является необязательной или выполняется на месте. - Выбирайте GA, если вам требуется отличная адгезия краски, однородный внешний вид после покрытия и улучшенное поведение при точечной сварке сопротивлением, что часто встречается в автомобилестроении и производстве бытовой техники. GA предпочтительнее, когда последующий процесс отделки (e-coat, порошковая окраска, запекание) и однородность поверхности являются основными факторами дизайна.

Заключительная заметка: GI и GA не являются альтернативными марками стали в металлургическом смысле, а представляют собой различные варианты покрытия/процесса, применяемые к низкоуглеродным стальным подложкам. Правильный выбор должен основываться на интегрированной оценке степени формования, требуемого срока службы коррозии, методов сварки/соединения, требований к краске/отделке и общей стоимости жизненного цикла. Запрашивайте сертификаты завода и данные о процессе покрытия у поставщиков, чтобы подтвердить массу покрытия (г/м²), состав фаз (для GA) и параметры линии при окончательной доработке спецификаций.