Galvalume so với mạ kẽm – Thành phần, xử lý nhiệt, tính chất và ứng dụng

Giới thiệu

Thép Galvalume và thép mạ kẽm là hai trong số các sản phẩm thép cacbon phủ phổ biến nhất được sử dụng trong xây dựng, sản xuất thiết bị gia dụng và chế tạo nói chung. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc khả năng chống ăn mòn, chi phí, khả năng định hình và hiệu suất ghép nối khi lựa chọn. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm: lựa chọn tấm lợp cho công trình ven biển (khả năng chống ăn mòn so với bảo vệ cạnh), chỉ định tấm kết cấu cho dây chuyền chế tạo (khả năng hàn và khả năng sơn), và lựa chọn vật liệu cho lớp phủ bền lâu (chi phí ban đầu so với bảo trì trọn đời).

Sự khác biệt chính giữa hai loại nằm ở hệ thống lớp phủ được áp dụng cho thép cacbon nền. Một loại sử dụng lớp phủ chỉ chứa kẽm, cung cấp khả năng bảo vệ hy sinh (mạ điện), trong khi loại còn lại sử dụng lớp phủ hợp kim nhôm-kẽm, nhấn mạnh khả năng bảo vệ rào cản được bổ sung bởi tác động mạ điện. Vì cả hai sản phẩm đều là phiên bản được phủ của các vật liệu nền thép cacbon tương tự, nên việc so sánh tập trung vào hóa học và hiệu suất của lớp phủ hơn là sự thay đổi về thành phần luyện kim của thép nền.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật quốc tế tiêu biểu chi phối các sản phẩm thép phẳng phủ bao gồm:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 — Lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng và mạ kẽm-nhôm hóa (Z) và mạ kẽm ủ trên tấm cán nguội (biến thể Z, AZ, GA).
• ASTM A792 — Tấm thép, phủ 55% hợp kim nhôm-kẽm (thường được gọi là Galvalume/AZ55).
• EN (Châu Âu)
• EN 10346 — Sản phẩm thép phẳng được phủ nhúng nóng liên tục (bao gồm lớp phủ Zn và Al–Zn và phân loại của chúng).
• JIS (Nhật Bản)
• JIS G3302 — Tấm và dải thép mạ kẽm nhúng nóng (lớp phủ kẽm).
• JIS G3321 — Thép phủ hợp kim nhôm-kẽm (lớp phủ Al–Zn).
• Tiêu chuẩn quốc gia GB / Trung Quốc
• Tiêu chuẩn kỹ thuật dòng GB/T dành cho thép phủ nhúng nóng (bao gồm cả sản phẩm phủ Zn và Al-Zn).

Phân loại: Cả thép Galvalume và thép mạ kẽm đều là thép cacbon phủ (không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc thép HSLA theo nghĩa hợp kim). Vật liệu nền thường là thép cán nguội hoặc cán nóng có hàm lượng cacbon thấp; các sản phẩm phủ có độ bền cao hơn có thể được sản xuất bằng vật liệu nền HSLA hoặc hợp kim vi mô nhưng vẫn là sản phẩm thép cacbon phủ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Thép phủ được phân loại dựa trên thành phần hóa học của nền và thành phần lớp phủ. Thành phần hóa học của lớp phủ là yếu tố quyết định sự khác biệt:

• Mạ kẽm: lớp phủ chủ yếu là kẽm kim loại (Zn) hoặc kẽm với một lượng nhỏ chất bổ sung/biến thể (ví dụ, mạ kẽm là hợp kim Zn–Fe ở bề mặt).
• Galvalume (điển hình là AZ55): về mặt lý thuyết có 55% Al / 43,4% Zn / 1,6% Si theo trọng lượng trong hợp kim phủ (họ “AZ”; hợp kim giàu Al tạo thành lớp rào cản Al2O3 ổn định).

Bảng — Phạm vi hóa học nền điển hình (wt%) cho thép cacbon phủ thương mại (lưu ý: thành phần chính xác phụ thuộc vào cấp độ và quy trình sản xuất của nhà máy):

Yếu tố	Phạm vi điển hình (wt%)	Bình luận
C	0,02 – 0,12	Hàm lượng carbon thấp giúp duy trì khả năng tạo hình và hàn
Mn	0,10 – 1,50	Kiểm soát độ bền và độ cứng
Si	≤ 0,30 (thường <0,10)	Khử oxy hóa; hàm lượng Si cao hơn có thể ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ
P	≤ 0,04	Tạp chất; giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo và tạo hình
S	≤ 0,05	Được kiểm soát về khả năng gia công; sunfua ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt
Cr	dấu vết – 0,30	Hợp kim nhỏ ở một số cấp
Ni, Mo, V, Nb, Ti, B, N	dấu vết – những bổ sung nhỏ	Được sử dụng trong HSLA hoặc thép hợp kim vi mô; thường không có trong các chất nền thương mại tiêu chuẩn

Chiến lược hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu tạo nên độ bền cơ bản và khả năng làm cứng; C và Mn cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng hàn và khả năng tạo hình. - Silic và phốt pho ảnh hưởng đến tính chất hóa học bề mặt và độ bám dính của lớp phủ; hàm lượng Si rất cao có thể tạo ra thép “bị giết chết bởi silic” làm thay đổi khả năng thấm ướt của lớp phủ. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm tăng độ bền thông qua quá trình kết tủa và kiểm soát kích thước hạt nhưng có thể làm phức tạp quá trình tạo hình và hàn nếu không kiểm soát quy trình.

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

Cấu trúc vi mô: - Các sản phẩm phủ điển hình sử dụng vật liệu nền ferit-pearlit hoặc ferit-bainit cacbon thấp tùy thuộc vào mức độ bền và quy trình xử lý. Vật liệu nền cán nguội được thiết kế để tạo hình tốt thường là ferit hoàn toàn với ferit đa giác và peclit rất mịn, hoặc ferit hoàn toàn ở một số loại có độ bền thấp. - Đối với các sản phẩm phủ có độ bền cao hơn, phương pháp hợp kim hóa vi mô và cán có kiểm soát có thể tạo ra ferit tinh chế với cacbua/nitrit phân tán (đặc tính HSLA).

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Ứng dụng phủ thường là phủ nhúng nóng liên tục (cho cả Zn và Al-Zn) trong đó dải kim loại đi qua bể nóng chảy rồi làm mát bằng không khí hoặc cưỡng bức. Hóa chất trong bể và quá trình làm mát kiểm soát sự phát triển của lớp liên kim loại. - Ủ và ram trước khi phủ sẽ thiết lập cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu nền; tiếp xúc nhiệt sau khi phủ (ví dụ, ủ điện) có thể tạo ra các lớp khuếch tán cục bộ (lớp liên kim loại Zn–Fe). - Thường hóa không phổ biến đối với tấm phủ mỏng; tôi và ram hoặc xử lý nhiệt mạnh chỉ phổ biến khi cấp nền đòi hỏi độ bền cao hơn, trong trường hợp đó, cần phải quản lý các cân nhắc về lớp phủ (độ ổn định nhiệt của lớp phủ, sự khuếch tán). - Đối với Galvalume, hàm lượng Al tạo thành lớp liên kim loại/hỗn hợp Al–Fe bảo vệ tại giao diện thép/lớp phủ; đối với lớp phủ mạ kẽm, các lớp liên kim loại Fe–Zn (ví dụ, pha Gamma, Delta) hình thành và ảnh hưởng đến độ bám dính và độ giòn.

4. Tính chất cơ học

Do Galvalume và các sản phẩm mạ kẽm có chung nền tảng tương tự, các tính chất cơ học chủ yếu được xác định bởi thép nền và quá trình gia công. Lớp phủ chỉ đóng góp một phần nhỏ vào độ bền kéo/giàn chảy khối nhưng ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt liên quan đến bề mặt (ví dụ, vết nứt lớp phủ trong quá trình tạo hình).

Bảng — Phạm vi tính chất cơ học điển hình cho thép cacbon cán nguội phủ thương mại (mang tính chất tham khảo; tùy thuộc vào cấp độ nền và nhiệt độ):

Tài sản	Phạm vi điển hình	Ghi chú
Độ bền kéo (Rm)	270 – 450 MPa	Giá trị cao hơn có thể có đối với chất nền HSLA
Giới hạn chảy (Rp0.2 hoặc ReH)	140 – 350 MPa	Tùy thuộc vào cấp độ (thương mại so với cường độ cao)
Độ giãn dài (A%)	15 – 40%	Loại lớp phủ có tác động trực tiếp tối thiểu
Độ bền va đập	trung bình đến tốt (phụ thuộc vào nhiệt độ)	Được xác định bởi cấu trúc vi mô của chất nền
Độ cứng	thấp đến trung bình (HV so với chất nền)	Độ cứng của lớp phủ thay đổi; Lớp phủ Galvalume có thể cứng hơn lớp phủ Zn nguyên chất

Giải thích: - Không lớp phủ nào làm thay đổi đáng kể độ bền lõi; hãy chọn loại nền đáp ứng các yêu cầu về kết cấu. - Lựa chọn lớp phủ ảnh hưởng đến độ dẻo dai của bề mặt và khả năng nứt lớp phủ trong quá trình uốn cong — Lớp phủ Galvalume thường cứng hơn và có thể xuất hiện vết nứt rõ hơn ở những chỗ uốn cong gấp so với lớp phủ Zn dẻo.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn chủ yếu dựa vào tính chất hóa học của chất nền và hành vi của lớp phủ dưới tác động của nhiệt:

• Loại bỏ lớp phủ tại vùng hàn: cả hai lớp phủ đều bị cháy hoặc bị dịch chuyển trong vùng nóng chảy và có thể tạo ra khói; cần phải làm sạch trước và hút khói thích hợp.
• Hàm lượng cacbon và hợp kim của nền quyết định khả năng tôi cứng và khả năng nứt nguội. Sử dụng các chỉ số cacbon tương đương được chấp nhận để đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước/nhiệt đầu vào.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích (ví dụ): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

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

Giải thích định tính: - Các chất nền ít carbon, ít hợp kim được sử dụng cho tấm phủ thường tạo ra các giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp, cho thấy khả năng hàn chung tốt với các quy trình tiêu chuẩn (GMAW, SMAW, hàn điện trở). - Lớp phủ Al–Zn của Galvalume có thể tạo ra oxit nhôm chịu lửa và tăng lượng bắn tóe/khói; các thông số hàn và quy trình vệ sinh có đôi chút khác biệt so với các sản phẩm mạ kẽm (Zn). - Lớp phủ mạ kẽm cung cấp khả năng bảo vệ chống ăn mòn tốt hơn ở các cạnh cắt nhưng có thể làm tăng nguy cơ xốp nếu kẽm bay hơi trong quá trình xử lý nhiệt độ cao; cần có quy trình hàn và thông gió thích hợp.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Cơ chế bảo vệ: - Mạ kẽm (lớp phủ kẽm): lớp bảo vệ chính là mạ điện (hy sinh) — kẽm ăn mòn ưu tiên và cung cấp lớp bảo vệ catốt cho thép tiếp xúc tại các vết xước và cạnh cắt. Theo thời gian, các sản phẩm ăn mòn kẽm bám dính và tạo ra một số lớp bảo vệ. - Galvalume (lớp phủ hợp kim Al–Zn): lớp bảo vệ chính là lớp rào cản oxit Al dày đặc hình thành trên bề mặt, có tác dụng chống ăn mòn; thành phần Zn cung cấp lớp bảo vệ mạ điện thứ cấp tại vị trí lớp phủ bị phá vỡ.

Khi các đặc tính của thép không gỉ có liên quan, PREN được sử dụng để ước tính khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Lưu ý: PREN không áp dụng cho thép cacbon phủ không gỉ; nó được đưa vào như một chỉ báo tham chiếu thép không gỉ.

Ý nghĩa thực tiễn: - Tiếp xúc với khí quyển: Galvalume thường có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển nói chung và độ bền cao khi dùng làm lớp phủ mái và tường trong nhiều môi trường. - Hư hỏng về cạnh và cơ học: Lớp phủ mạ kẽm thường có khả năng bảo vệ tốt hơn ở các cạnh cắt và vết xước sâu vì kẽm có tính anot hóa cao hơn. - Môi trường biển và môi trường ăn mòn cao: không lớp phủ nào sánh bằng thép không gỉ; Galvalume thường vượt trội hơn kẽm trong một số môi trường biển, nhưng cần cân nhắc đến các tác động điện hóa cục bộ và hư hỏng cơ học. Việc lựa chọn vật liệu nên dựa trên thử nghiệm ăn mòn cụ thể hoặc lịch sử sử dụng.

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

• Cắt và xén: cả hai đều có hiệu suất tương tự nhau; lớp phủ cứng hơn của Galvalume có thể làm tăng nhẹ độ mài mòn của dụng cụ và tạo ra các gờ khác nhau.
• Tạo hình và uốn: Lớp phủ mạ kẽm (kẽm nguyên chất) thường dẻo hơn và chống nứt vỡ rõ rệt ở các chỗ uốn gấp tốt hơn lớp phủ Al-Zn. Uốn bán kính hẹp có thể cần bôi trơn và thiết kế khuôn cẩn thận cho Galvalume để tránh gãy lớp phủ.
• Đục lỗ và dập: Galvalume có thể tạo ra lớp phủ bong tróc rõ rệt hơn nếu công cụ không được tối ưu hóa; mạ kẽm (hợp kim sắt kẽm) có thể cung cấp độ bám dính sơn tốt hơn cho quá trình hoàn thiện tiếp theo.
• Sơn và hoàn thiện: Độ bám dính của sơn phụ thuộc vào quá trình xử lý bề mặt trước. Bề mặt mạ kẽm và kẽm xử lý trước thường cho độ bám dính sơn tốt hơn; Galvalume thường sơn tốt nếu được xử lý trước đúng cách và có thể yêu cầu hóa chất xử lý trước khác nhau.

8. Ứng dụng điển hình

Galvalume (phủ Al–Zn)	Mạ kẽm (mạ kẽm)
Tấm lợp mái và tấm ốp tường có tuổi thọ cao và khả năng bảo vệ rào chắn được coi trọng	Các thành phần cấu trúc, khung, ốc vít, máng xối nơi mà việc bảo vệ cạnh hy sinh là quan trọng
Dịch vụ nhiệt độ cao (tính chất phản xạ nhiệt của lớp Al)	Hàng rào, xà gồ, đinh tán và các phần được tạo hình nguội
Vỏ thiết bị và ống dẫn HVAC nơi khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài quan trọng	Tấm ốp bên trong ô tô, các bộ phận khung gầm (thường được mạ kẽm để có thể sơn)
Các tòa nhà công nghiệp, nhà kho và công trình nông nghiệp	Tấm kim loại, ống và ống dẫn đa năng, tiết kiệm và có sẵn rộng rãi

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Galvalume khi khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và khả năng phản xạ nhiệt lâu dài là quan trọng và khi các cạnh có thể được gia công chi tiết để tránh tiếp xúc nhanh với các yếu tố ăn mòn. - Chọn mạ kẽm khi chi phí và khả năng bảo vệ ở các cạnh cắt, chốt hoặc khu vực dễ bị hư hỏng cơ học là những yếu tố cần cân nhắc chủ yếu.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Sản phẩm mạ kẽm (Z) thường có giá thành trên một đơn vị diện tích thấp hơn Galvalume (AZ55) do chi phí nhôm trong lớp phủ cao hơn. Giá thực tế dao động theo thị trường hàng hóa Zn và Al.
• Tính khả dụng: Cả hai loại lớp phủ đều có sẵn rộng rãi dưới dạng cuộn, tấm, tấm và sản phẩm sơn phủ trên toàn thế giới. Mạ kẽm trước đây là loại phổ biến nhất và có thể dễ dàng được lưu kho dưới một số dạng hàng hóa; Galvalume thường được sử dụng cho thị trường lợp mái và ốp tường.
• Dạng sản phẩm: cuộn, tấm, tấm cuộn phủ sơn sẵn, cuộn lợp mái và thanh định hình. Thời gian giao hàng thường ngắn đối với khổ và chiều rộng tiêu chuẩn, nhưng dài hơn đối với hợp kim đặc biệt hoặc lớp hoàn thiện sơn sẵn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng — Tóm tắt so sánh (định tính)

Hệ mét	Galvalume (Al–Zn)	Mạ kẽm (Zn)
Khả năng hàn	Tốt (cần chú ý đến khói liên quan đến Al)	Tốt (cần quản lý hơi/khói kẽm)
Sức mạnh-Độ dẻo dai (kiểm soát chất nền)	Tương tự (sự lựa chọn chất nền chi phối)	Tương tự (sự lựa chọn chất nền chi phối)
Khả năng chống ăn mòn (khí quyển chung)	Cao hơn (rào cản + dòng điện)	Tốt (bảo vệ hy sinh mạnh mẽ)
Bảo vệ cạnh/cắt	Trung bình (ít hy sinh ở các cạnh)	Tốt hơn (bảo vệ hy sinh ở các cạnh tiếp xúc)
Khả năng định hình / uốn cong	Trung bình (lớp phủ cứng hơn; theo dõi chặt chẽ bán kính)	Tốt hơn (lớp phủ dẻo hơn)
Trị giá	Cao hơn (Al trong lớp phủ)	Thấp hơn (nói chung là tiết kiệm)

Chọn Galvalume nếu: - Ưu tiên hàng đầu là khả năng chống ăn mòn trong khí quyển lâu dài và tính thẩm mỹ cho mái nhà, vách ngoài hoặc lớp vỏ thiết bị. - Khả năng phản xạ nhiệt hoặc khả năng bảo vệ rào cản tốt hơn là điều cần thiết và việc gia công chi tiết sẽ giảm thiểu việc tiếp xúc lâu dài với các cạnh cắt. - Bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn một chút để kéo dài tuổi thọ sử dụng.

Chọn mạ kẽm nếu: - Độ nhạy về chi phí, khả năng bảo vệ hy sinh ở các cạnh cắt hoặc xử lý cơ học nặng là những tiêu chí lựa chọn. - Ứng dụng bao gồm khung kết cấu, ốc vít hoặc tấm đa năng trong đó khả năng định hình và bảo vệ cạnh là quan trọng. - Tính phổ biến của chuỗi cung ứng và chi phí vốn thấp là động lực quan trọng.

Lưu ý cuối cùng: Vì hiệu suất cơ học phụ thuộc chủ yếu vào chất nền, hãy luôn chỉ định đúng loại thép nền và nhiệt độ cho các yêu cầu về kết cấu, đồng thời chỉ định trọng lượng/độ dày lớp phủ và các phương pháp xử lý sau khi phủ (sơn, thụ động hóa, mạ kẽm) để đáp ứng nhu cầu chống ăn mòn và chế tạo. Khi có nghi ngờ, hãy yêu cầu kiểm tra ăn mòn so sánh cho lớp tiếp xúc dự kiến ​​và xác nhận tính tương thích của mối hàn/quy trình với nhà chế tạo của bạn.