Z140 против Z180 – Состав, Термальная обработка, Свойства и Применения

Введение

Z140 и Z180 — это широко используемые классы горячего цинкового покрытия, указанные для стальных изделий. Инженеры, менеджеры по закупкам и планировщики производства обычно взвешивают компромиссы между защитой от коррозии, формуемостью, свариваемостью и стоимостью при выборе класса цинкового покрытия. Типичные контексты принятия решений включают наружное и внутреннее воздействие, операции формовки и изгиба, процессы сварки и соединения, а также целевые показатели жизненного цикла затрат.

Основное практическое различие между Z140 и Z180 заключается в номинальной массе цинкового покрытия (и соответствующей толщине покрытия): Z180 имеет более тяжелое цинковое покрытие, чем Z140. Это различие определяет срок службы жертвенной защиты, изменяет поведение формовки и сварки на покрытой поверхности и влияет на стоимость единицы и характеристики отделки — поэтому часто происходит сравнение в проектировании и закупках.

1. Стандарты и обозначения

• Обозначения Z — это классы массы покрытия, которые обычно используются в европейской и международной практике (например, терминология системы EN для непрерывного горячего цинкования). Эквивалентные или связанные спецификации встречаются в национальных стандартах и спецификациях продуктов (например, классы покрытия листов в семье EN 10346 / EN 10142 и стандарты ASTM/ASME, которые определяют характеристики покрытия, а не метку "Z").
• Z140 и Z180 не являются базовыми марками стали. Это классы поверхностного покрытия, применяемые к различным стальным подложкам, которые сами могут быть:
• Углеродными (низкоуглеродными) сталями (наиболее распространенные подложки для непрерывного цинкования)
• HSLA/конструкционными сталями (когда это указано производителем)
• Холоднокатанными или горячекатанными коммерческими сталями
• Нержавеющие стали обычно не оцинковываются таким образом; нержавеющая сталь — это другая стратегия защиты от коррозии
• Классификация: Z140/Z180 = категории покрытия (обработка поверхности). Основная сталь может быть углеродной, HSLA или других типов в зависимости от формы продукта и поставщика.

2. Химический состав и стратегия легирования

Классы "Z" описывают массу покрытия из цинка; они не определяют легирование подложки напрямую. Химический состав, относящийся к коррозии и механическим свойствам, поэтому состоит из двух частей: цинковое покрытие (в основном Zn с интерметаллическими фазами Fe–Zn) и химия базовой стали (варьируется в зависимости от марки).

Таблица: Типичная роль спецификации (качественная) для указанных элементов

Марка / Элемент	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	V	Nb	Ti	B	N
Z140 (класс покрытия)	Не указано — только масса покрытия; зависит от подложки	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"
Z180 (класс покрытия)	Не указано — только масса покрытия; зависит от подложки	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"

Примечания: - Для Z140 и Z180 само покрытие в основном состоит из цинка; интерметаллические слои Fe–Zn образуются на интерфейсе во время горячего цинкования. Легирующие элементы в покрытии (например, небольшие добавки Al в ванне) или намеренно легированные цинковые покрытия изменяют внешний вид поверхности и кинетику роста, но не меняют тот факт, что обозначение Z относится к массе покрытия. - Химия базовой стали (C, Mn, Si и т.д.) выбирается в соответствии с механическими требованиями и стандартами для продукта (лист, лента, конструкционный). Типичные непрерывно оцинкованные подложки — это низкоуглеродные стали; конкретные значения определяются стандартом стали подложки и сертификатом завода, а не классом Z.

Как легирование влияет на производительность (в общем): - Легирование подложки (C, Mn, Si): контролирует прочность базовой стали, закаливаемость и реакцию на формовку; более высокое содержание Si или P может ускорить рост интерметаллических фаз Fe–Zn во время цинкования. - Добавки в ванне для покрытия (Al, Ni, Pb, Bi, Sn, Mg в специальных ваннах): влияют на внешний вид покрытия, смачиваемость и свариваемость; они указываются отдельно от класса массы Z.

3. Микроструктура и реакция на термообработку

Микроструктура покрытой системы включает: - Внешний слой цинка (почти чистая фаза Zn η во многих случаях) - Интерметаллические слои на интерфейсе Zn–Fe (обычно описываются как фазы ζ, δ и Γ для традиционных горячецинкованных сталей) - Микроструктура базовой стали (феррит/перлит, мартенсит/закаленный мартенсит для сталей с высокой прочностью)

Ключевые микроструктурные различия, вызванные массой покрытия: - Более толстые покрытия (Z180) обычно образуют более толстый внешний слой цинка и, в зависимости от химии ванны и времени погружения, могут развивать более толстую интерметаллическую зону. Более толстая интерметаллическая зона может повлиять на адгезию и хрупкость покрытия во время формовки.

Эффекты термообработки и обработки: - Покрытие формируется при температурах расплавленного цинка; последующие термические обработки (например, гальванизация: отжиг в контролируемой среде для получения легированного Fe–Zn покрытия) изменяют микроструктуру, чтобы подчеркнуть интерметаллические слои для адгезии краски. - Нормализация/закалка и отпуск влияют только на микроструктуру подложки; покрытие не будет воспроизводить эти изменения, за исключением того, что термообработки, проводимые после цинкования, могут изменить покрытие (диффузия Fe в интерметаллические соединения Zn, потенциальная потеря пластичности покрытия). - Термо-механическая прокатка/отжиг перед цинкованием определяет размер зерна и прочность подложки и влияет на поведение роста покрытия через химию подложки (Si, P).

4. Механические свойства

Масса покрытия не изменяет фундаментально объемные прочностные/пределы текучести свойства базовой стали, но более толстые покрытия влияют на поведение поверхности во время формовки, локальное начало усталости и износ.

Таблица: Сравнительные эффекты (качественные)

Свойство	Z140	Z180
Прочность на растяжение (объемная подложка)	Такая же, как у основной стали (покрытие ≈ косметическое/жертвенное)	Такая же, как у основной стали
Предел текучести (объемная подложка)	Такая же, как у подложки	Такая же, как у подложки
Удлинение / формуемость	Немного лучше для более тонкого покрытия при резких изгибах; меньше трещин в покрытии	Немного сниженная локальная формуемость при сильных изгибах; покрытие может треснуть или отслаиваться, если радиус изгиба мал
Ударная вязкость (подложка)	Не затронута (за исключением непосредственной поверхности, где дефекты покрытия могут действовать как концентратора напряжений)	Такое же поведение подложки; более толстое покрытие может инициировать трещины на поверхности при ударе в некоторых случаях
Твердость поверхности (покрытие)	Твердость определяется слоем Zn и интерметаллическими соединениями; обычно мягче, чем сталь	Немного большая твердость на интерфейсе, если интерметаллический слой толще

Объяснение: - Механическая способность конструктивного элемента контролируется маркой стали подложки. Цинковый слой является жертвенным; его толщина влияет на локальную производительность поверхности (адгезия покрытия во время формовки) больше, чем на объемные механические свойства.

5. Свариваемость

Свариваемость зависит в первую очередь от химии подложки и наличия цинка на соединении. Цинк испаряется и может вызывать пористость, увеличенное брызги и дефекты, вызванные водородом или цинком, если не управлять этим.

Соответствующие индексы свариваемости (без числовых входных данных): - Международный институт сварки углеродный эквивалент: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Профессиональная формула углерод-марганец: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Интерпретация и практическое руководство: - Само число Z не изменяет $CE_{IIW}$ или $P_{cm}$, но более толстый цинковый слой (Z180) увеличивает локальное количество цинка в зоне сварки, что приводит к: - Увеличенному риску пористости и образованию цинковых паров во время дуговой сварки. - Необходимости удаления покрытия перед сваркой (механическая шлифовка, локальное сжигание или химическое удаление) или адаптации параметров сварки (большая скорость перемещения, меньший тепловой ввод, использование защитного газа). - Учету выбора электрода/наполнителя и защитного газа для управления пористостью. - Для точечной сварки покрытого листа более толстые покрытия могут увеличить износ электрода и уменьшить размер нуггета; требуется корректировка параметров процесса.

6. Коррозия и защита поверхности

• Цинковое покрытие обеспечивает катодную (жертвенную) защиту для открытой стали и барьерную защиту для поверхности. Более высокая масса покрытия обычно продлевает срок службы жертвенной защиты.
• PREN не применим к углеродным сталям с цинковым покрытием (PREN применяется к рейтингу коррозионной стойкости нержавеющих сталей). Для справки, показатели производительности нержавеющей стали различны: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$ (Этот индекс не имеет значения для оцинкованной стали.)

Соображения по защите от коррозии: - Z180 предлагает более толстый жертвенный слой, чем Z140, и, следовательно, обычно обеспечивает более длительный срок службы без обслуживания в аналогичных условиях. - Более толстые покрытия могут проявлять более выраженное образование белой ржавчины во время раннего воздействия во влажном/сыром хранении, если не обрабатываются и не сливаются должным образом. - Завершение поверхности (покраска, преобразующие покрытия, пассивация) по-прежнему рекомендуется для агрессивных атмосфер — более толстый цинк дает время, прежде чем краска разрушается.

Преобразование между массой покрытия и приблизительной толщиной (полезное правило): - Физическая связь такова: $$t = \frac{m}{\rho}$$ где $t$ — это толщина в μm, если $m$ указана в g/m², а $\rho$ — плотность цинка в g/cm³ (соответствующие единичные преобразования встроены). - Использование плотности цинка (~7.14 g/cm³) дает приблизительные толщины: - Z140 → примерно $140/7.14 \approx 19.6\ \mu m$ - Z180 → примерно $180/7.14 \approx 25.2\ \mu m$ - Это приблизительные однозначные преобразования; фактическая морфология покрытия (интерметаллический против чистого слоя Zn) влияет на функциональную толщину и производительность.

7. Обработка, обрабатываемость и формуемость

• Резка и штамповка: как Z140, так и Z180 могут быть нарезаны стандартными методами; более толстый цинк может производить больше шлака и требовать немного другого обслуживания инструмента.
• Формовка и изгиб: Z140 обычно лучше подходит для узких изгибов и сильно формованных деталей, потому что более тонкое покрытие менее вероятно треснет или отслаивается. Z180 может требовать больших радиусов изгиба, дополнительной смазки или доработки после формовки.
• Обрабатываемость: Цинковый слой мягче по сравнению со сталью; более толстый цинк может повлиять на отделку поверхности и потребовать более агрессивной отделки после механической обработки или токарной обработки.
• Отделка: Покраска, порошковая окраска или другие верхние покрытия обычно прилипают к обоим — даже так, поверхности, обработанные гальванизацией (созданные термообработкой), часто предпочтительнее, когда требуется превосходная адгезия краски.

8. Типичные применения

Z140 — Типичные применения	Z180 — Типичные применения
Внутренние конструктивные элементы, легкие строительные секции, внутренние панели автомобилей, применения, где приемлема умеренная коррозионная стойкость и критична формуемость	Наружные архитектурные компоненты, ограждения, наружные крепежи, умеренно подверженные воздействию атмосферных условий облицовки зданий, применения, где требуется дополнительная жертвенная жизнь
Формованные штамповки с узкими радиусами изгиба и тяжелой формовкой	Детали, требующие более длительных интервалов обслуживания в атмосферных воздействиях; применения с периодическим увлажнением и высыханием

Обоснование выбора: - Выбирайте более тонкие покрытия, когда приоритетами являются производительность формовки и минимизация затрат, а условия эксплуатации мягкие. - Выбирайте более тяжелые покрытия, когда увеличенная защита от коррозии и более длительный срок службы перевешивают дополнительные затраты и потенциальные корректировки формовки/сварки.

9. Стоимость и доступность

• Относительная стоимость: Z180 стоит дороже, чем Z140 на единицу площади из-за более высокого потребления цинка и, возможно, увеличенного времени обработки.
• Доступность: Оба класса покрытия обычно производятся в непрерывных горячих цинковых операциях для листов и рулонов; доступность зависит от завода и формы продукта (оцинкованный рулон, листы резанные на длину, трубы или изготовленные конструктивные элементы).
• Соображения по закупкам: указывайте класс покрытия, марку стали подложки и любую специальную химию ванны или постобработку (гальванизация, пассивация) в заказах на покупку. Сертификаты завода должны подтверждать массу покрытия (g/m²) и марку стали подложки.

10. Резюме и рекомендации

Резюме таблицы (качественное)

Атрибут	Z140	Z180
Свариваемость (в состоянии покрытия)	Лучше для сварки без предварительной очистки; меньше цинка для испарения	Более высокий риск пористости и дыма; часто требуется предварительная очистка
Прочность–Ударная вязкость (объемная подложка)	Определяется подложкой; покрытие минимально влияет	Определяется подложкой; покрытие минимально влияет
Формуемость	Лучше для узких изгибов и сильной формовки	Немного сниженная для резкой формовки; может потребовать больших радиусов
Срок службы коррозии (жертвенная)	Умеренный	Продленный (лучше жертвенная защита)
Стоимость	Ниже	Выше

Выводы и рекомендации: - Выбирайте Z140, если: - Компонент будет сильно формован или штампован с узкими радиусами изгиба. - Среда воздействия мягкая или умеренная, а требования к коррозии в жизненном цикле скромные. - Более низкая начальная стоимость материала и легкость последующей обработки (сварка, покраска) являются приоритетами.

• Выбирайте Z180, если:
• Требуется более длительная жертвенная защита от коррозии (наружное воздействие, периодическое увлажнение или сокращенные интервалы обслуживания).
• Немного более высокая стоимость материала приемлема в обмен на продленный срок службы.
• Процессы формовки и сварки могут быть адаптированы для учета более толстого покрытия (предварительная очистка перед сваркой, скорректированные радиусы изгиба, настройка параметров процесса).

Заключительная заметка: Поскольку Z140 и Z180 являются спецификациями массы покрытия, а не марками стали подложки, указывайте как класс Z, так и точную марку стали подложки при выдаче документов на закупку. Подтверждайте массу покрытия и химию ванны с помощью отчетов испытаний завода и проводите испытания формовки/сварки, где толщина покрытия может повлиять на окна процесса.