GI so với GA – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Thép mạ kẽm nhúng nóng (thường gọi là GI) và thép mạ kẽm ủ (GA) là hai trong số các sản phẩm thép phủ được sử dụng rộng rãi nhất trong kiến ​​trúc, ô tô, thiết bị gia dụng và sản xuất công nghiệp nói chung. Các kỹ sư và chuyên gia mua sắm thường cân nhắc các ưu tiên thiết kế cạnh tranh nhau - khả năng chống ăn mòn so với khả năng sơn, khả năng định hình so với khả năng hàn, và chi phí linh kiện so với hiệu suất vòng đời - khi lựa chọn giữa các lớp phủ này.

Sự khác biệt kỹ thuật rõ ràng nhất nằm ở tính chất luyện kim: GI giữ lại một lớp kẽm tương đối tinh khiết trên bề mặt thép, trong khi GA đã được xử lý nhiệt để tạo thành lớp hợp kim kẽm-sắt tại giao diện. Sự khác biệt này dẫn đến tính chất hóa học bề mặt khác nhau, phản ứng cơ học trong quá trình tạo hình và ghép nối, cũng như hành vi hoàn thiện sau đó, đó là lý do tại sao GI và GA thường được so sánh trong thiết kế sản phẩm và lựa chọn quy trình.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chính bao gồm thép mạ kẽm nhúng nóng và thép mạ kẽm ủ bao gồm:

• ASTM/ASME
• ASTM A653 / A653M — Tấm thép phủ kẽm (mạ kẽm) hoặc hợp kim kẽm-sắt phủ (mạ kẽm) bằng quy trình nhúng nóng.
• ASTM A879 / A879M — Tấm thép mạ kẽm nhúng nóng, v.v. (thông số kỹ thuật sản phẩm liên quan)
• EN / CEN
• EN 10346 — Sản phẩm thép phẳng được phủ nhúng nóng liên tục (bao gồm mạ kẽm và mạ kẽm ủ).
• JIS (Nhật Bản)
• JIS G3302 — Tấm, lá và dải thép mạ kẽm nhúng nóng (mạ kẽm).
• JIS G3312 / các tiêu chuẩn liên quan cho các hình thức mạ kẽm và mạ kẽm ủ (tên sản phẩm có thể khác nhau).
• GB / Trung Quốc
• GB/T 2518 và GB/T 2519 (và các tiêu chuẩn khác) — Thường được tham chiếu đến tấm và dải mạ kẽm nhúng nóng.

Phân loại: GI và GA là lớp phủ được áp dụng cho thép cán nguội cacbon/hợp kim thấp. Các lớp nền thường là thép cacbon thấp (thép cacbon mềm/thép chế biến hoặc thép không có khe hở) chứ không phải thép không gỉ, thép HSLA hoặc thép dụng cụ. Các loại lớp phủ được phân biệt là kẽm (GI) hoặc hợp kim kẽm-sắt (GA) chứ không phải các lớp luyện kim thép nền khác nhau.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Dưới đây là bảng so sánh tiêu biểu về thành phần hóa học điển hình của thép nền được sử dụng cho các sản phẩm GI và GA. Đây là các phạm vi chỉ định cho thép sản xuất cán nguội carbon thấp thương mại thường được chọn để mạ kẽm/ủ kẽm; thành phần thực tế phải được lấy từ giấy chứng nhận nhà máy của nhà cung cấp hoặc thông số kỹ thuật hiện hành.

Yếu tố	Phạm vi điển hình — Chất nền GI/GA (đại diện)
C	0,01 – 0,12% khối lượng
Mn	0,10 – 0,80% khối lượng
Si	0,00 – 0,30% khối lượng
P	≤ 0,05 wt% (kiểm soát điển hình)
S	≤ 0,02 wt% (kiểm soát điển hình)
Cr	dấu vết – thường không được thêm vào một cách có chủ ý
Ni	dấu vết – thường không được thêm vào
Mo	dấu vết – thường không được thêm vào
V	dấu vết – có thể có trong các biến thể hợp kim vi mô
Nb (Cb)	dấu vết – có thể có trong thép hợp kim siêu nhỏ có độ bền cao hơn
Ti	dấu vết – có thể có trong thép không có kẽ hở / thép ổn định
B	vết (ppm) – được sử dụng trong một số cấp HSLA
N	được kiểm soát ở mức ppm thấp trong thép IF

Ghi chú về chiến lược hợp kim: - Đối với GI/GA, chất nền thường là thép có hàm lượng cacbon thấp để duy trì khả năng tạo hình và hạn chế nứt do hydro gây ra trong quá trình phủ và xử lý sau. - Hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) được sử dụng một cách có chọn lọc để đạt được độ bền cao hơn thông qua quá trình kết tủa, thường trong các dòng sản phẩm cụ thể (ví dụ: thép cường độ cao thương mại) thay vì trong thép hàng hóa GI/GA tiêu chuẩn. - Hóa học lớp phủ khác nhau: GI giữ lại phần lớn kẽm kim loại với một lượng nhỏ Fe ở giao diện; GA được sản xuất bằng cách ủ trong không khí sau khi mạ kẽm để thúc đẩy sự khuếch tán lẫn nhau của Fe và Zn, tạo thành các pha liên kim loại kẽm-sắt (ví dụ: pha Γ, δ, ζ tùy thuộc vào quy trình).

Hợp kim ảnh hưởng đến tính chất như thế nào: - Cacbon và Mn chủ yếu kiểm soát độ bền kéo và khả năng làm cứng—mức độ cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm khả năng tạo hình và khả năng hàn. - Si và P có thể đẩy nhanh phản ứng mạ kẽm (Si là thành phần phản ứng mạ kẽm nổi tiếng) và ảnh hưởng đến độ bám dính và độ dày của lớp phủ. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) làm tăng độ bền và có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn và tạo hình nếu có hàm lượng đáng kể.

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

Cấu trúc vi mô: - Chất nền (cả GI và GA): cấu trúc vi mô của thép ferritic ít cacbon cán nóng/cán nguội với perlit thường rất ít hoặc không có trong các loại thép có hàm lượng cacbon rất thấp; các biến thể hợp kim vi mô có thể chứa các chất kết tủa mịn. - Cấu trúc vi mô của lớp phủ GI: chủ yếu là kẽm kim loại với lớp khuếch tán mỏng giàu sắt nằm cạnh thép; lớp kẽm bên ngoài tương đối mềm, dễ uốn và không có lớp hợp chất liên kim loại lớn. - Cấu trúc vi mô lớp phủ GA: lớp hợp kim kẽm-sắt liên tục được tạo ra bằng cách ủ sau khi mạ kẽm nhúng nóng. Lớp này chứa các pha liên kim loại có hàm lượng sắt cao hơn, cứng hơn và giòn hơn lớp phủ kẽm nguyên chất.

Quy trình xử lý nhiệt/quy trình: - Mạ kẽm (GI): thép được làm sạch, tráng kẽm và nhúng trong bể kẽm nóng chảy; làm nguội tạo thành lớp kẽm bên ngoài chủ yếu là kẽm nguyên chất. Không áp dụng xử lý nhiệt hợp kim hóa cố ý sau khi nhúng. - Mạ kẽm ủ (GA): Sau bước nhúng nóng, dải phủ được ủ trong không khí hoặc môi trường oxy hóa (thường theo dây chuyền liên tục). Quá trình ủ thúc đẩy sự khuếch tán giữa Zn và Fe để tạo ra lớp phủ hợp kim. Nhiệt độ, thời gian và tốc độ dây chuyền ủ sẽ kiểm soát độ dày lớp hợp kim và thành phần pha.

Tác dụng của quá trình xử lý: - Ủ GA có thể làm cứng nhẹ lớp nền thép (tùy thuộc vào nhiệt độ/thời gian) và có thể đồng nhất hóa ứng suất dư từ quá trình gia công nguội trước đó; các chu kỳ nhiệt này có thể ảnh hưởng không đáng kể đến các đặc tính cơ học. - Xử lý nhiệt cơ học của chất nền (ví dụ, cán có kiểm soát hoặc TMCP) có liên quan khi cần các sản phẩm GI/GA có độ bền cao hơn; quá trình phủ phải được điều chỉnh để tránh các khuyết tật của lớp phủ.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của sản phẩm phủ phụ thuộc chủ yếu vào đặc điểm kỹ thuật của vật liệu nền và bất kỳ quá trình xử lý sau phủ nào. Bản thân lớp phủ chỉ góp phần không đáng kể vào ứng xử kéo đứt khối nhưng ảnh hưởng mạnh mẽ đến ứng xử cục bộ về uốn, tạo hình và độ cứng bề mặt.

Tài sản	GI điển hình (mạ kẽm nhúng nóng)	GA điển hình (mạ kẽm)
Độ bền kéo (UTS)	Phụ thuộc vào chất nền (ví dụ: 270–420 MPa đối với các loại thương mại thông thường)	Cùng một phạm vi phụ thuộc vào chất nền
Độ bền kéo (độ lệch 0,2%)	Phụ thuộc vào chất nền (ví dụ: 140–350 MPa)	Cùng một phạm vi phụ thuộc vào chất nền
Độ giãn dài (A%)	Phụ thuộc vào chất nền (ví dụ: 20–35%)	Phụ thuộc vào chất nền nhưng GA có thể cho thấy độ dẻo cục bộ thấp hơn ở bề mặt
Độ bền va đập	Phụ thuộc vào chất nền; lớp phủ có tác động khối lượng tối thiểu	Độ dẻo dai tương tự; độ giòn của lớp phủ có thể ảnh hưởng đến hành vi khía cạnh
Độ cứng bề mặt	Lớp kẽm mềm trên cùng (HV thấp)	Lớp hợp kim kẽm-sắt cứng hơn, giòn hơn (độ cứng bề mặt cao hơn)

Giải thích: - Về hiệu suất cơ học khối, các chi tiết GI và GA hoạt động tương tự nhau khi mác thép nền giống hệt nhau. Sự khác biệt phát sinh ở giao diện lớp phủ/lớp nền: Lớp phủ GA cứng hơn và giòn hơn, điều này có thể làm giảm khả năng định hình cục bộ và tăng nguy cơ nứt lớp phủ trong quá trình uốn chặt hoặc tạo hình kéo căng mạnh. - Lớp hợp kim GA cung cấp độ cứng bề mặt cao hơn và độ bám dính sơn tốt hơn nhưng có thể ảnh hưởng đến bán kính uốn cong và độ dẻo cạnh so với GI.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc vào tính chất hóa học của vật liệu nền, loại lớp phủ và quy trình kiểm soát.

Những ảnh hưởng chính: - Hàm lượng cacbon cơ bản và hợp kim kết hợp kiểm soát khả năng nứt nguội và độ cứng. Hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn => yêu cầu gia nhiệt trước/sau cao hơn. - Loại lớp phủ ảnh hưởng đến hàn điểm và hàn hồ quang: - GI (lớp ngoài bằng kẽm): kẽm bốc hơi khi được nung nóng, tạo ra độ xốp, bắn tóe và khả năng giòn ở vùng hàn; cần phải che chắn và điều chỉnh quy trình. - GA (hợp kim kẽm-sắt): lớp hợp kim có xu hướng ổn định hơn trong quá trình hàn điểm điện trở và có thể tạo ra sự hình thành hạt tốt hơn so với GI, nhưng hàm lượng hợp kim cục bộ (Fe-Zn) ảnh hưởng đến hành vi nóng chảy.

Chỉ số khả năng hàn hữu ích: - Đương lượng cacbon (dạng IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (dự đoán nứt mối hàn/hàn): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Sử dụng các công thức này để đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn hoặc xử lý nhiệt sau hàn. Đối với cả thép phủ GI và GA, giá trị $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ dàng hơn. - Trên thực tế, việc loại bỏ lớp phủ hoặc các thông số hàn được điều chỉnh (dòng điện thấp hơn, chu kỳ nhanh hơn, hàn điểm xả tụ điện cho GI) được sử dụng để xử lý các vấn đề về mối hàn liên quan đến kẽm. GA thường cho kết quả hàn ổn định hơn trong hàn điểm điện trở do lớp hợp kim, nhưng hàn hồ quang vẫn phải kiểm soát ảnh hưởng của hơi kẽm.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép phủ không gỉ dựa vào lớp bảo vệ hy sinh kẽm. Sự khác biệt về hiệu suất chống ăn mòn và tính chất hoàn thiện bắt nguồn từ hình thái và thành phần hóa học của lớp phủ.

• GI (kẽm nhúng nóng): lớp kẽm kim loại bên ngoài cung cấp khả năng bảo vệ mạ điện tuyệt vời; lớp kẽm nguyên chất bên ngoài bị ăn mòn ưu tiên và tạo thành các sản phẩm chống ăn mòn kẽm bảo vệ (ví dụ, kẽm hydroxyl cacbonat) trong nhiều loại khí quyển.
• GA (mạ kẽm): lớp hợp kim kẽm-sắt cung cấp khả năng bảo vệ mạ điện tương tự như GI nhưng có đặc tính chống ăn mòn khác nhau. Bề mặt hợp kim có xu hướng thúc đẩy độ bám dính sơn chặt chẽ và kiểm soát hiện tượng rỉ sét nhanh, thường có lợi cho việc sơn phủ sau này.

Thép không gỉ: Nếu đang xem xét vật liệu thép không gỉ, hãy sử dụng PREN để chống ăn mòn cục bộ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ Chỉ số này không áp dụng cho GI/GA vì đây là loại thép cacbon có lớp phủ kẽm.

Khi chỉ số không áp dụng được: - Không áp dụng PREN cho thép mạ kẽm; thay vào đó hãy đánh giá mức độ thân thiện với môi trường dự kiến, độ dày lớp mạ kẽm (g/m^2 hoặc μm) và bất kỳ hệ thống sơn hoặc thụ động hóa sau khi phủ.

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

Hành vi hình thành và hoàn thiện khác biệt đáng kể:

Khả năng định hình: - GI: lớp kẽm bên ngoài dẻo hơn cho phép bán kính uốn hẹp hơn và khả năng tạo hình kéo giãn tốt hơn, đồng thời giảm nguy cơ nứt lớp phủ. Tuy nhiên, việc tạo hình mạnh có thể làm mỏng hoặc vỡ lớp kẽm, để lộ lớp thép trần. - GA: lớp hợp kim cứng hơn và giòn hơn, làm tăng nguy cơ lớp phủ bị nứt, tạo bột hoặc bong tróc trong quá trình tạo hình mạnh. GA thường bị hạn chế trong các ứng dụng tạo hình vừa phải hoặc khi cần sơn.

Uốn và viền: - GI có thể chịu được bán kính uốn cong nhỏ hơn và các thao tác viền phức tạp hơn mà không làm mất lớp phủ đáng kể. - GA yêu cầu bán kính uốn cong nhẹ nhàng hơn và dụng cụ được tối ưu hóa để tránh lớp phủ bị hỏng.

Khả năng gia công: - Cả hai sản phẩm đều được gia công chủ yếu như thép nền; lớp phủ góp phần làm mòn dụng cụ và thay đổi độ hoàn thiện bề mặt. Bề mặt cứng hơn của GA có thể làm tăng độ mài mòn trên dụng cụ cắt; GI có xu hướng ít mài mòn hơn.

Hoàn thiện: - GA được ưu tiên sử dụng khi độ bám dính của lớp sơn tiếp theo là yếu tố quan trọng vì bề mặt giàu sắt tạo ra liên kết hóa học tốt hơn và ít bị chảy tràn trong quá trình xử lý phosphate/tiền xử lý. GI thường yêu cầu lớp phủ chuyển đổi hoặc tiền xử lý để đạt được độ bám dính tương đương.

8. Ứng dụng điển hình

GI (Mạ kẽm nhúng nóng)	GA (Mạ kẽm)
Mái nhà và lớp phủ, máng xối, các thành phần kết cấu ngoài trời nơi khả năng chống ăn mòn và chi phí thấp là những yếu tố chính	Tấm thân xe ô tô (cấu trúc bên trong, một số tấm bên ngoài được sơn sẵn), các bộ phận thiết bị mà khả năng sơn và hàn điểm là rất quan trọng
Thiết bị nông nghiệp, hàng rào, biển báo	Các bộ phận cần độ bám dính sơn đồng đều và lớp phủ điện hóa tiếp theo (e-coat)
Tấm kim loại công nghiệp nói chung cần khả năng uốn cong và bảo vệ mạ điện tại hiện trường	Các thành phần phải được hàn (hàn điểm điện trở) và sau đó được sơn, và chất lượng cạnh và hình thức sơn là yếu tố quan trọng

Cơ sở lựa chọn: - Chọn GI khi ưu tiên khả năng chống ăn mòn, hiệu quả về chi phí và độ dẻo tạo hình. - Chọn GA khi hệ thống sơn hạ lưu, tính đồng nhất bề mặt và khả năng tương thích hàn/lắp ráp được ưu tiên ngay cả khi chi phí sơn phủ cao hơn một chút và giới hạn tạo hình giảm.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: GI thường là lựa chọn có chi phí thấp hơn vì nó bỏ qua bước ủ/tạo hợp kim tạo ra GA. GA bổ sung quy trình xử lý (ủ trên dây chuyền) và kiểm soát hóa học/dây chuyền chặt chẽ hơn, dẫn đến mức phí bảo hiểm khiêm tốn.
• Tính khả dụng: Cả GI và GA đều được cung cấp rộng rãi trên toàn cầu dưới dạng tấm, cuộn và nhiều định lượng lớp phủ khác nhau. Tính khả dụng của GA có thể hạn chế hơn ở một số thị trường khu vực hoặc một số định lượng/cấp độ lớp phủ cụ thể do năng lực sản xuất của dây chuyền; bộ phận mua sắm nên kiểm tra thời gian giao hàng và số lượng đặt hàng tối thiểu.
• Hình dạng sản phẩm: dạng cuộn và dạng tấm cắt theo chiều dài là phổ biến cho cả hai; các sản phẩm sơn sẵn có thể sử dụng GA hoặc GI đã qua xử lý tùy thuộc vào quy trình sơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt

Thuộc tính	GI	GA
Khả năng hàn (chung)	Tốt với các quy trình kiểm soát; vấn đề hơi kẽm cho hàn hồ quang	Độ đồng nhất tốt hơn cho hàn điểm điện trở; lớp hợp kim ảnh hưởng đến quá trình nóng chảy
Sức mạnh-Độ dẻo dai (chất nền)	Tùy thuộc vào chất nền; lớp phủ mềm	Cùng một chất nền; lớp phủ cứng hơn ở bề mặt
Trị giá	Thấp hơn (không có bước ủ/hợp kim)	Cao hơn (ủ/xử lý bổ sung)

Khuyến nghị cuối cùng - Chọn GI nếu bạn cần giải pháp bảo vệ chống ăn mòn hiệu quả về chi phí, có khả năng uốn cong và định hình vượt trội (ví dụ: mái nhà, kết cấu ngoài trời, các cấu kiện có độ cứng cao). GI là lựa chọn mặc định khi cần bán kính hẹp hoặc định hình nghiêm ngặt và sơn là tùy chọn hoặc thi công tại hiện trường. - Chọn GA nếu bạn cần độ bám dính sơn tuyệt vời, vẻ ngoài đồng đều sau khi phủ và cải thiện khả năng hàn điểm điện trở thường thấy trong sản xuất ô tô và thiết bị gia dụng. GA được ưu tiên khi quy trình hoàn thiện tiếp theo (sơn tĩnh điện, sơn tĩnh điện, nung) và tính đồng nhất của bề mặt là yếu tố quyết định thiết kế.

Lưu ý kết luận: GI và GA không phải là các mác thép thay thế theo nghĩa luyện kim mà là các lựa chọn lớp phủ/quy trình riêng biệt được áp dụng cho nền thép cacbon thấp. Lựa chọn chính xác nên dựa trên đánh giá tổng hợp về mức độ hình thành, tuổi thọ ăn mòn yêu cầu, phương pháp hàn/nối, yêu cầu về sơn/hoàn thiện và tổng chi phí vòng đời. Hãy yêu cầu nhà máy sản xuất cung cấp chứng chỉ và dữ liệu quy trình phủ từ nhà cung cấp để xác nhận khối lượng lớp phủ (g/m²), thành phần pha (đối với GA) và các thông số dây chuyền khi hoàn thiện thông số kỹ thuật.