AZ100 so với AZ150 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

AZ100 và AZ150 là các ký hiệu thường được sử dụng trong chuỗi cung ứng lớp phủ kim loại và thép tấm để phân biệt giữa hai lựa chọn thép phủ hợp kim nhôm-kẽm. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với sự lựa chọn giữa lớp phủ hợp kim Al-Zn mỏng hơn và dày hơn: sự đánh đổi thường tập trung vào khả năng chống ăn mòn so với chi phí, và khả năng định hình so với độ bền của lớp phủ. Trên thực tế, sự khác biệt kỹ thuật chính giữa AZ100 và AZ150 nằm ở thông số kỹ thuật lớp phủ—chủ yếu là khối lượng lớp phủ (độ dày) và sự cân bằng hợp kim của nhôm và kẽm—chứ không phải là sự khác biệt về cơ bản của thép nền. Sự khác biệt đó thúc đẩy độ bền trong môi trường ăn mòn, hiệu suất bảo vệ hy sinh và một số phản ứng chế tạo, vì vậy các biến thể này được so sánh khi các dự án yêu cầu chi phí vòng đời tối ưu, hiệu suất bề mặt và khả năng định hình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Một số tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia quy định về thép mạ nhôm-kẽm và thép nền được áp dụng. Các tiêu chuẩn và tài liệu điển hình cần tham khảo bao gồm: - ASTM/ASME: ASTM A792/A792M — thông số kỹ thuật cho tấm thép, hợp kim 55% Al–Zn được phủ bằng quy trình nhúng nóng (và các tài liệu ASTM liên quan cho thép cán nguội hoặc cán nóng nền). - EN: EN 10346 — sản phẩm thép phẳng được phủ nhúng nóng liên tục (chỉ định các họ sản phẩm và loại lớp phủ). - JIS: Tiêu chuẩn JIS đề cập đến thép phủ kim loại dùng trong xây dựng và công nghiệp (tham khảo JIS phù hợp cho hợp kim Al–Zn và thép nền). - GB: Tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc bao gồm các sản phẩm thép phủ kim loại và khối lượng/đặc tính của lớp phủ nhúng nóng.

Ghi chú phân loại: AZ100 và AZ150 là ký hiệu lớp phủ/loại (lớp phủ Al-Zn). Thép nền thường là thép kết cấu/tạo hình cacbon hoặc hợp kim thấp (cán nguội hoặc cán nóng). Các sản phẩm được phủ này không phải là thép dụng cụ hoặc thép không gỉ; chúng thường là thép nền cacbon/hợp kim thấp được phủ lớp bảo vệ nhôm-kẽm.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Lớp phủ AZ là hợp kim nhôm-kẽm được phủ bằng quy trình nhúng nóng liên tục. Hiệu suất bảo vệ là kết quả của sự kết hợp giữa lớp bảo vệ chắn (lớp bề mặt giàu nhôm) và tác động mạ điện (kẽm). Thành phần hóa học của thép nền được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu về cơ học và tạo hình, và khác biệt với thành phần hóa học của lớp phủ.

Bảng: Các mô tả thành phần điển hình cho chất nền và lớp phủ (định tính/đại diện)

Yếu tố	Chất nền (chất nền điển hình là carbon/hợp kim thấp)	Lớp phủ AZ100 (đại diện)	Lớp phủ AZ150 (đại diện)
C	Hàm lượng carbon thấp để tạo hình; thường ≤ ~0,12–0,20% đối với các cấp độ tạo hình	—	—
Mn	Kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng; thường là 0,3–1,5% tùy thuộc vào cấp độ	—	—
Si	Một lượng nhỏ để hỗ trợ quá trình khử oxy; phụ thuộc vào chất nền	Có thể sử dụng thêm một lượng nhỏ vào bồn phủ để kiểm soát độ ướt	Bổ sung nhỏ vào bồn phủ; tương tự như AZ100
P, S	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo và chất lượng bề mặt	Kiểm soát tạp chất vết	Kiểm soát tạp chất vết
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Có trong các chất nền hợp kim vi mô khi cần thiết cho độ bền hoặc kiểm soát hạt	Thông thường không phải là thành phần chính của lớp phủ Al–Zn	Giống như AZ100; sự khác biệt chính là khối lượng lớp phủ và khả năng điều chỉnh cân bằng hợp kim nhẹ
Al (lớp phủ)	Không có	Nguyên tố hợp kim chiếm ưu thế trong lớp phủ — cung cấp đặc tính rào cản	Chiếm ưu thế; khối lượng lớp phủ cao hơn so với AZ100
Kẽm (lớp phủ)	Không có	Cung cấp khả năng bảo vệ bằng điện; sự cân bằng tương đối với Al có thể thay đổi đôi chút	Hàm lượng kẽm tổng thể cao hơn trên một đơn vị diện tích do khối lượng lớp phủ tăng lên

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Hợp kim nền (C, Mn, các nguyên tố hợp kim vi mô) kiểm soát các tính chất cơ học nội tại, khả năng tôi cứng và độ ổn định kích thước hạt. - Thành phần và độ dày lớp phủ Al-Zn kiểm soát khả năng chống ăn mòn: nhôm góp phần tạo lớp chắn và độ bám dính, trong khi kẽm đóng vai trò bảo vệ hy sinh (điện phân). Khối lượng lớp phủ lớn hơn giúp tăng tuổi thọ trong môi trường ăn mòn; những điều chỉnh nhỏ trong cân bằng Al:Zn có thể điều chỉnh hiệu ứng bảo vệ lớp chắn so với bảo vệ catốt.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Vì AZ100 và AZ150 chủ yếu chỉ ra sự khác biệt về lớp phủ nên cấu trúc vi mô của vật liệu nền thép là yếu tố quyết định phản ứng xử lý nhiệt. Những quan sát điển hình:

• Cấu trúc vi mô nền: tùy thuộc vào hợp kim và quá trình chế biến, cấu trúc vi mô nền điển hình là ferit–perlite đối với các loại thép cán nguội/tạo hình thông thường, và cấu trúc bainit hoặc martensitic ram đối với thép tôi và ram cường độ cao hoặc thép xử lý nhiệt cơ học.
• Cấu trúc vi mô của lớp phủ: lớp phủ Al–Zn nhúng nóng đông cứng lại để tạo thành lớp ngoài giàu nhôm và vùng liên kim loại Al–Zn tại giao diện lớp phủ-chất nền; hình thái và độ dày liên kim loại bị ảnh hưởng bởi tốc độ làm nguội và khối lượng lớp phủ.

Tác dụng của quá trình xử lý nhiệt: - Việc chuẩn hóa hoặc ủ chất nền trước khi phủ sẽ ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ và sự phát triển liên kim loại; lớp phủ thường được áp dụng sau bất kỳ quá trình ủ cuối cùng nào (hoặc xử lý tại chỗ). - Quá trình làm nguội và ram hoặc xử lý nhiệt cơ học được áp dụng để đạt được độ bền cao được thực hiện trên bề mặt trước khi phủ ở hầu hết các tuyến đường thương mại; xử lý nhiệt sau khi phủ làm tăng đáng kể nhiệt độ có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của lớp phủ và làm giảm hiệu suất. - Lớp phủ dày hơn (AZ150) tạo ra vùng liên kim loại lớn hơn và lớp hợp kim bên ngoài dày hơn; tiếp xúc nhiệt độ quá mức sau khi phủ có thể thúc đẩy sự khuếch tán lẫn nhau, có khả năng ảnh hưởng đến độ bám dính và độ dẻo trong điều kiện khắc nghiệt.

4. Tính chất cơ học

Về mặt cơ học, AZ100 và AZ150 tương tự nhau vì lớp phủ đóng góp ít vào độ bền kéo tổng thể. Tuy nhiên, khối lượng lớp phủ có thể ảnh hưởng đến hành vi bề mặt cục bộ, sự khởi đầu mỏi, hiệu suất uốn và giới hạn tạo hình.

Bảng: Mô tả tính chất cơ học so sánh

Tài sản	AZ100 (hành vi điển hình)	AZ150 (hành vi điển hình)
Độ bền kéo	Được xác định bởi chất nền; lớp phủ có tác dụng không đáng kể	Giống như AZ100 (kiểm soát chất nền)
Cường độ chịu kéo	Kiểm soát chất nền	Kiểm soát chất nền
Độ giãn dài	Kiểm soát chất nền; khả năng định hình tốt hơn một chút ở những khúc cua rất hẹp do lớp phủ mỏng hơn	Giảm nhẹ độ dẻo ở các ứng suất cục bộ cực đại do lớp phủ dày hơn, kém dẻo hơn
Độ bền va đập	Kiểm soát chất nền; độ dày lớp phủ có tác động tối thiểu đến độ dẻo dai của khối	Tương tự đối với khối lượng lớn; khả năng chống va đập bề mặt-mép có thể được cải thiện đôi chút do lớp hy sinh dày hơn
Độ cứng (bề mặt)	Độ cứng bề mặt thấp hơn một chút so với AZ150 do khối lượng lớp phủ thấp hơn	Độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn cao hơn một chút do lớp kim loại dày hơn

Diễn giải: Chọn thép nền để đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ dẻo dai; chọn AZ100 khi ưu tiên khả năng tạo hình dễ dàng hơn và chi phí thấp hơn; chọn AZ150 khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn kéo dài và độ bền bề mặt. Sự khác biệt về tính chất cơ học chủ yếu là tác động thứ cấp của khối lượng lớp phủ hơn là sự khác biệt về mặt luyện kim nội tại.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất nền (cacbon, hợp kim và hợp kim vi mô) và vào tác động của lớp phủ lên hành vi hàn (bắn tóe, độ xốp, nhu cầu loại bỏ lớp phủ).

Các chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn quan trọng cần xem xét: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Tham số Pcm quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Bản thân lớp phủ có thể tạo ra hơi kẽm và độ xốp nếu hàn mà không có sự chuẩn bị; lớp phủ nặng hơn (AZ150) có xu hướng tạo ra nhiều hơi lớp phủ hơn và đòi hỏi phải loại bỏ lớp phủ nghiêm ngặt hơn hoặc các thông số hàn đặc biệt trong vùng hàn so với AZ100. - Các chất nền có hàm lượng carbon thấp và giá trị CE thấp dễ hàn hơn; hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) cần chú ý đến quá trình gia nhiệt trước/sau tùy thuộc vào CE. - Đối với hàn điện trở hoặc hàn điểm, lớp phủ dày hơn có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ điện cực và sự hình thành mối hàn; các thông số quy trình có thể cần điều chỉnh khi chuyển từ AZ100 sang AZ150.

Hướng dẫn thực tế: Đối với các kết cấu hàn quan trọng, hãy chỉ định khâu chuẩn bị mối hàn (tẩy hoặc sử dụng kim loại hàn tương thích), kiểm soát CE của chất nền và quy trình hàn thử cho khối lượng lớp phủ cụ thể.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Lớp phủ AZ cung cấp các chế độ bảo vệ hỗn hợp: lớp chắn giàu nhôm và lớp bảo vệ catốt bằng kẽm. Tuổi thọ hữu ích trong một môi trường nhất định tỷ lệ thuận với khối lượng lớp phủ và điều kiện vận hành.

• Đối với các bề mặt không gỉ: lớp phủ hợp kim Al-Zn giúp giảm thiểu ăn mòn, và có thể tăng cường bảo vệ bằng cách sơn phủ, phủ chuyển đổi hoặc sử dụng chất bịt kín. AZ150, với khối lượng lớp phủ lớn hơn, thường có tuổi thọ cao hơn đáng kể trong môi trường ăn mòn so với AZ100 vì khả năng chịu lực kẽm và độ dày lớp bảo vệ cao hơn.
• Đối với các chỉ số giống thép không gỉ: PREN không áp dụng cho lớp phủ Al-Zn hoặc nền carbon. PREN chỉ áp dụng cho hợp kim thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Làm rõ: Không sử dụng PREN cho thép cacbon phủ; thay vào đó, hãy sử dụng thử nghiệm tiếp xúc với môi trường, phun muối, thử nghiệm ăn mòn theo chu kỳ và dữ liệu thực địa để so sánh hiệu suất của AZ100 với AZ150.

7. Chế tạo, Khả năng gia công và Khả năng định hình

• Tạo hình: Lớp phủ mỏng hơn (AZ100) thường mang lại hiệu suất tốt hơn khi uốn chặt hoặc kéo sâu do giảm nguy cơ lớp phủ bị nứt, bong tróc hoặc tạo bột. AZ150 có thể yêu cầu bán kính uốn lớn hơn hoặc tối ưu hóa quy trình (bôi trơn ít hơn, tốc độ uốn phù hợp).
• Cắt và xén: Cả hai lớp phủ đều tương thích với các quy trình cắt, xén và laser thông thường, nhưng lớp phủ dày hơn có thể làm tăng độ nhám và cần điều chỉnh thông số. Cắt laser có thể gây oxy hóa cạnh của lớp phủ nếu không được tối ưu hóa.
• Khả năng gia công: Lớp phủ có ảnh hưởng hạn chế đến khả năng gia công khối lượng lớn (chủ yếu là bề mặt). Việc hoàn thiện bề mặt sau khi tạo hình (gọt ba via, sơn) cần tính đến lượng cặn sơn còn sót lại; AZ150 có thể cần chuẩn bị bề mặt kỹ hơn để tăng độ bám dính của lớp sơn.
• Nối và cố định: Đinh tán tự đục lỗ và ốc vít cơ học có chức năng tương tự nhau, nhưng khả năng chống ăn mòn tại các giao diện ốc vít được cải thiện nhờ khối lượng lớp phủ lớn hơn.

8. Ứng dụng điển hình

AZ100 — Công dụng điển hình	AZ150 — Công dụng điển hình
Tấm ốp bên trong tòa nhà, lớp nền mái không quan trọng, hệ thống ống gió, đường viền ở những nơi cần khả năng chống ăn mòn vừa phải và khả năng định hình cao	Mái và lớp phủ lộ thiên trong môi trường từ trung bình đến khắc nghiệt, khu công nghiệp, thiết bị nông nghiệp cần thời gian chống ăn mòn kéo dài
Tấm ốp và linh kiện bên trong ô tô nơi cần sơn tiếp theo và khả năng định hình cao	Vỏ bọc nhà máy hóa chất hoặc ven biển, lớp phủ lâu dài, máng xối và ống thoát nước trong môi trường khắc nghiệt
Ứng dụng kết cấu nhẹ trong đó chi phí và hiệu suất uốn được ưu tiên	Các ứng dụng mà tuổi thọ bảo vệ hy sinh và khả năng chống mài mòn quan trọng hơn việc tạo hình bán kính hẹp

Cơ sở lựa chọn: chọn khối lượng lớp phủ phù hợp với mức độ tiếp xúc với môi trường và chi phí vòng đời. Nếu cần phủ thêm lớp phủ hoặc sơn tiếp theo, AZ100 có thể là lựa chọn phù hợp; đối với bề mặt tiếp xúc trực tiếp, không sơn, AZ150 thường có tuổi thọ cao hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: AZ150 thường có chi phí vật liệu cao hơn AZ100 do lượng kim loại sử dụng trong bể phủ tăng lên và quá trình xử lý bổ sung. Sự chênh lệch chi phí nên được đánh giá dựa trên vòng đời sản phẩm: chi phí ban đầu cao hơn thường dẫn đến thời gian bảo trì dài hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại lớp phủ đều có sẵn trên thị trường cho các loại thép nền thông dụng. Tính khả dụng theo dạng sản phẩm (cuộn, tấm, sơn phủ) thay đổi tùy theo khu vực và nhà cung cấp; thời gian giao hàng có thể lâu hơn đối với các loại thép nền đặc biệt kết hợp với khối lượng lớp phủ cụ thể.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt các sự đánh đổi chính

Hệ mét	AZ100	AZ150
Khả năng hàn	Tốt hơn về mặt hơi kẽm thấp hơn khi hàn; vẫn cần chuẩn bị mối hàn	Cần chú ý nhiều hơn đến khâu chuẩn bị và các thông số hàn do khối lượng lớp phủ lớn hơn
Độ bền – Độ dẻo dai (chất nền)	Kiểm soát chất nền; thường tương đương với AZ150	Tương đương; sự khác biệt liên quan đến bề mặt hơn là khối lượng
Trị giá	Chi phí vật liệu ban đầu thấp hơn	Chi phí ban đầu cao hơn, tuổi thọ dài hơn trong nhiều điều kiện

Kết luận: - Chọn AZ100 nếu bạn cần khả năng định hình vượt trội, chi phí vật liệu ban đầu thấp hơn và thép phủ sẽ được sử dụng trong môi trường ít xâm thực hơn hoặc sẽ được sơn/phủ lớp phủ sau khi chế tạo. - Chọn AZ150 nếu ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn mở rộng cho các bề mặt tiếp xúc, khả năng chống mài mòn tốt hơn hoặc bảo vệ hy sinh, và bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút và có thể kiểm soát chế tạo bổ sung (hàn, uốn chặt).

Lưu ý thực tế cuối cùng: chỉ rõ khối lượng lớp phủ, cấp độ nền và lớp tiếp xúc yêu cầu trong tài liệu mua sắm; yêu cầu bảng dữ liệu của nhà sản xuất và kết quả thử nghiệm tuổi thọ ăn mòn hoặc thử nghiệm tăng tốc độc lập cho sản phẩm AZ100 và AZ150 cụ thể mà bạn định sử dụng, vì cân bằng hợp kim của nhà cung cấp và kiểm soát quy trình ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế nhiều như chỉ định AZ danh nghĩa.