Z100 so với Z180 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Z100 và Z180 là những ký hiệu thường gặp trong chuỗi cung ứng thép cán nguội và cán nóng khi vật liệu được cung cấp với lớp mạ kẽm nhúng nóng. Việc lựa chọn giữa hai ký hiệu này là một vấn đề nan giải đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất: ưu tiên chi phí vật liệu thấp hơn và dễ tạo hình hơn, hay ưu tiên khả năng chống ăn mòn hy sinh cao hơn và tuổi thọ dài hơn? Các quyết định thường cân bằng giữa khả năng tiếp xúc với ăn mòn, yêu cầu tạo hình/hàn, độ bền hoàn thiện và lớp phủ so với chi phí đơn vị và tính khả dụng.

Về bản chất, hai ký hiệu này khác nhau về lượng kẽm được phủ lên bề mặt thép: một loại có lớp mạ kẽm nhẹ hơn, trong khi loại kia có khối lượng kẽm nặng hơn trên một đơn vị diện tích. Vì các nhãn này mô tả khối lượng lớp phủ bề mặt thay vì các hợp kim cơ bản khác nhau, nên chúng thường được so sánh khi cùng một loại thép cơ bản có thành phần hóa học và cấp độ cơ học khác nhau nhưng có trọng lượng lớp mạ kẽm khác nhau.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật quốc tế chung bao gồm thép mạ kẽm nhúng nóng và cách thức chỉ định lớp phủ bao gồm: - ASTM A653 / A653M và ASTM A792 (lớp phủ kẽm và hợp kim kẽm trên tấm thép, thường sử dụng ký hiệu G). - EN 10346 (sản phẩm phẳng được phủ kẽm nhúng nóng liên tục) và các tài liệu EN/ISO liên quan (một số sử dụng tiền tố Z để chỉ khối lượng lớp phủ). - Tiêu chuẩn JIS cho lớp phủ kẽm (thường sử dụng danh pháp kiểu Z trong thực tế của Nhật Bản). - Tiêu chuẩn quốc gia như tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc về thép mạ kẽm nhúng nóng và thép mạ kẽm.

Lưu ý quan trọng: Z100 và Z180 không phải là cấp hợp kim thép (carbon, HSLA, dụng cụ hoặc thép không gỉ); chúng đề cập đến khối lượng lớp phủ kẽm trên một nền. Bản thân nền thường là thép carbon hoặc thép cán nguội hoặc cán nóng hợp kim thấp (không phải thép không gỉ). Thông số kỹ thuật của thép nền (ví dụ: chất lượng thương mại cán nguội, cấp kéo hoặc cấp kết cấu) phải được đọc cùng với ký hiệu lớp phủ.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Yếu tố	Z100	Z180
C	Không áp dụng cho lớp phủ; thành phần nền theo cấp thép đã đặt hàng	Không áp dụng cho lớp phủ; thành phần nền theo cấp thép đã đặt hàng
Mn	"	"
Si	"	"
P	"	"
S	"	"
Cr	"	"
Ni	"	"
Mo	"	"
V	"	"
Lưu ý	"	"
Ti	"	"
B	"	"
N	"	"

Bình luận: - Bảng này cố ý liệt kê "Không áp dụng cho lớp phủ" vì Z100 và Z180 biểu thị khối lượng lớp phủ kẽm (khối lượng kẽm trên một đơn vị diện tích) chứ không phải thành phần hóa học của kim loại nền. Thành phần hóa học của vật liệu nền được xác định bởi mác thép được chỉ định (ví dụ: SPCC, DC01, S235, v.v.). Thép nền điển hình được sử dụng cho mạ kẽm nhúng nóng là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp, với thành phần cacbon và hợp kim được kiểm soát để đáp ứng các yêu cầu về cơ học và khả năng định hình. - Chiến lược hợp kim cho chất nền (C, Mn, Si, các nguyên tố hợp kim vi mô) chủ yếu nhắm vào độ bền, khả năng làm cứng, khả năng tạo hình và phản ứng nhiệt; bản thân lớp phủ kẽm về cơ bản là Zn kim loại với một số lượng nhỏ hợp kim được bổ sung (ví dụ, nhôm trong lớp phủ Galfan hoặc lớp phủ kẽm-nhôm) để kiểm soát hình thái và độ bám dính của lớp phủ.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào (quan điểm về chất nền): - Tăng hàm lượng cacbon và hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) làm tăng độ bền kéo và độ bền kéo nhưng làm giảm khả năng hàn và có thể làm tăng nguy cơ nứt hydro nếu không được kiểm soát. - Nồng độ silic và phốt pho ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của bề mặt thép trong bể mạ kẽm và do đó ảnh hưởng đến hình thái lớp phủ và độ dày đồng đều. - Khối lượng lớp mạ kẽm (nhẹ hơn so với nặng hơn) ảnh hưởng đến tuổi thọ chống ăn mòn và khả năng bảo vệ cạnh nhưng không làm thay đổi độ bền vật liệu nền nội tại.

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

• Cấu trúc vi mô của nền: Lớp phủ Z100 và Z180 được áp dụng cho các loại thép có cấu trúc vi mô phụ thuộc vào đặc điểm kỹ thuật và quy trình xử lý của thép (ferrite-pearlite, ferrite-bainite, martensite trong các loại thép tôi và ram, hoặc pha kép trong một số loại thép tiên tiến). Lớp kẽm tạo thành liên kim loại tại giao diện lớp phủ/nền trong quá trình mạ kẽm nhúng nóng; số lượng và độ dày của các lớp liên kim loại này phụ thuộc vào tính chất hóa học bề mặt thép và điều kiện bể mạ.
• Cấu trúc vi mô lớp phủ: Một lớp kẽm nhúng nóng điển hình có cấu trúc nhiều lớp với lớp kẽm nguyên chất bên ngoài và một hoặc nhiều lớp liên kim loại (pha kẽm-sắt). Lớp phủ nặng hơn (ví dụ: Z180 so với Z100) làm tăng độ dày của lớp kẽm bên ngoài và có thể làm tăng tổng lượng vật liệu liên kim loại tùy thuộc vào độ phản ứng bề mặt thép và thời gian ngâm.
• Phản ứng xử lý nhiệt: Xử lý nhiệt sau mạ kẽm hiếm khi được áp dụng để sửa đổi lớp phủ trực tiếp vì nhiệt có thể làm thay đổi hình thái lớp phủ. Phản ứng của vật liệu nền đối với quá trình thường hóa, tôi & ram, hoặc xử lý nhiệt cơ học không phụ thuộc vào khối lượng kẽm, nhưng mạ kẽm thường được áp dụng sau khi tạo hình hoặc ở các giai đoạn được kiểm soát để tránh làm hỏng lớp phủ. Đối với vật liệu mạ kẽm trước (mạ cuộn), cần xác nhận xử lý nhiệt vì nhiệt độ cao có thể gây ra sự khuếch tán và thay đổi lớp phủ.

4. Tính chất cơ học

Tài sản	Z100 (khối lượng kẽm nhẹ hơn)	Z180 (khối lượng kẽm nặng hơn)
Độ bền kéo	Được xác định bởi chất nền; khối lượng lớp phủ có tác động không đáng kể đến độ bền kéo khối	Giống như chất nền; khối lượng lớp phủ không làm thay đổi lực kéo lõi
Sức chịu lực	Được xác định bởi chất nền; không thay đổi theo khối lượng lớp phủ	Giống như chất nền
Độ giãn dài	Độ giãn dài của chất nền không đổi; biến dạng cục bộ trên bề mặt có thể bị ảnh hưởng trong quá trình tạo hình nghiêm ngặt	Độ giãn dài của chất nền không đổi; lớp phủ dày hơn có thể nứt hoặc bong tróc ở mức ứng suất cao hơn
Độ bền va đập	Độ dẻo dai của nền không đổi khi ở dạng khối; độ giòn bề mặt không đáng kể đối với hầu hết các loại thép	Độ dẻo dai khối lượng giống nhau; kẽm giòn ở các cạnh cắt có thể ảnh hưởng đến hiệu suất va đập cục bộ
Độ cứng (bề mặt)	Độ cứng bề mặt tăng nhẹ nhờ mạ kẽm cứng liên kim loại; hiệu ứng tổng thể nhỏ	Kẽm dày hơn làm tăng độ dày lớp bề mặt — khả năng chống mài mòn cục bộ cao hơn một chút nhưng kẽm mềm hơn thép

Giải thích: - Độ bền cơ học và độ dẻo của thép phủ Z100 so với Z180 về cơ bản được kiểm soát bởi cấp độ nền và xử lý nhiệt. Khối lượng lớp phủ kẽm ảnh hưởng đến ứng xử bề mặt trong quá trình tạo hình, sự hình thành vết nứt cục bộ ở các cạnh hoặc các đặc điểm chịu ứng suất cao, và ứng xử mài mòn, nhưng không làm thay đổi đáng kể giới hạn bền kéo hoặc giới hạn chảy. - Lớp phủ dày hơn có nhiều khả năng phát triển các vết nứt dọc hoặc tạo thành bột trong các hoạt động uốn mạnh; cần xác nhận quy trình khi chuyển từ lớp phủ nhẹ hơn sang lớp phủ nặng hơn.

5. Khả năng hàn

Những cân nhắc về khả năng hàn bao gồm lượng cacbon tương đương của chất nền và sự hiện diện của lớp kẽm tại vùng hàn.

Chỉ số tương đương cacbon và khả năng hàn hữu ích: - Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Viện Hàn Quốc tế Pcm: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích và hướng dẫn thực hành: - Cần tính toán giá trị CE hoặc Pcm dựa trên thành phần vật liệu nền để đánh giá nhu cầu gia nhiệt trước và khả năng nứt nguội. Các công thức này không bao gồm khối lượng lớp mạ kẽm. - Hàn trên lớp kẽm còn phát sinh thêm một số vấn đề: kẽm bốc hơi và tạo ra khói, có thể gây ra hiện tượng rỗ khí trong mối hàn nóng chảy, và có thể dẫn đến giòn mối hàn nếu không được loại bỏ hoặc đẩy ra. Kẽm dày hơn (Z180) thường làm tăng thể tích hơi kẽm và nguy cơ tạo ra rỗ khí và khói so với Z100. - Các biện pháp thực hành được khuyến nghị: loại bỏ kẽm khỏi vùng hàn ngay lập tức bằng cách mài hoặc sử dụng hóa chất; sử dụng hệ thống thông gió và hút khói thích hợp; áp dụng các thông số hàn đầu vào nhiệt thấp hơn hoặc thanh đỡ và sử dụng vật tư tiêu hao phù hợp với chất nền; cân nhắc hàn nút hoặc hàn cơ học cho các bộ phận được phủ rất dày. - Đối với hàn điện trở và hàn điểm, lớp phủ dày hơn làm thay đổi điện trở tiếp xúc và có thể cần điều chỉnh lực điện cực, dòng điện và thời gian. Lớp phủ dày hơn thường làm tăng số lượng mối hàn bị loại bỏ nếu các thông số quy trình không được tối ưu hóa.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ có lớp phủ kẽm, bảo vệ chống ăn mòn mang tính hy sinh (bảo vệ catốt) cộng với lớp bảo vệ từ lớp kẽm. Khối kẽm nặng hơn mang lại tuổi thọ cao hơn và khả năng bảo vệ tốt hơn tại các cạnh cắt, vết xước và khe hở vì có nhiều kim loại hy sinh hơn để tiêu thụ trước khi tiếp xúc với bề mặt nền.
• PREN không áp dụng cho lớp phủ kẽm; PREN có liên quan đến thép không gỉ và được tính như sau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Những cân nhắc thực tế:
• Z100 thường phù hợp với môi trường ôn hòa và nơi sử dụng lớp sơn hoàn thiện để tạo thêm lớp chắn.
• Z180 được lựa chọn cho môi trường ngoài trời khắc nghiệt hơn, vùng ven biển hoặc các ứng dụng yêu cầu bảo vệ cạnh và thời gian bảo trì dài hơn.
• Có thể phủ thêm các lớp phủ (sơn, thụ động hóa, lớp phủ chuyển đổi) lên trên kẽm để tăng tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn; sự kết hợp này phải được xác nhận về độ bám dính và khả năng tương thích.

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

• Cắt: Các hoạt động cắt và dập thường không bị ảnh hưởng bởi khối lượng lớp phủ, nhưng lớp phủ dày hơn có thể tạo ra nhiều vảy, vảy hoặc gờ hơn cần phải xử lý sau và có thể làm tăng độ mài mòn của dụng cụ.
• Tạo hình và uốn: Lớp phủ kẽm dày hơn dễ bị nứt, vón cục và chuyển dịch trong quá trình uốn chặt hoặc kéo sâu. Đối với các hoạt động tạo hình khắc nghiệt, lớp phủ mỏng hơn hoặc mạ kẽm sau tạo hình thường được ưu tiên, hoặc phải điều chỉnh các thông số quy trình (bán kính khuôn, bôi trơn).
• Khả năng gia công: Lớp phủ kẽm không làm thay đổi đáng kể khả năng gia công lõi thép cho các hoạt động cắt xuyên, nhưng độ hoàn thiện bề mặt và tuổi thọ dụng cụ có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng kẽm bị lem. Khuyến nghị sử dụng lớp phủ dụng cụ và chất làm mát phù hợp.
• Hoàn thiện: Lớp phủ dày hơn có thể yêu cầu chuẩn bị bề mặt kỹ lưỡng hơn để sơn hoặc liên kết; tuy nhiên, lớp kẽm dày hơn cũng có thể cung cấp lớp nền đồng đều hơn cho lớp sơn phủ trong nhiều quy trình.

8. Ứng dụng điển hình

Z100 – Ứng dụng điển hình	Z180 – Ứng dụng điển hình
Tấm kiến ​​trúc nội thất, nội thất thiết bị, ống thông gió HVAC nhẹ, các thành phần tòa nhà được sơn cho môi trường được bảo vệ	Mặt tiền tòa nhà bên ngoài, máng xối và ống thoát nước, biển báo ven đường, thiết bị nông nghiệp, các công trình trong môi trường có mức độ xâm thực vừa phải
Đồ nội thất và tủ kim loại chịu lực nhẹ có hình dạng phức tạp và lớp phủ bám dính vào các góc uốn cong phức tạp là rất quan trọng	Các bộ phận thân xe ô tô cần có tuổi thọ chống ăn mòn lâu hơn hoặc khả năng bảo vệ cạnh tốt hơn (tùy thuộc vào thông số kỹ thuật của OEM)

Cơ sở lựa chọn: - Chọn lớp phủ nhẹ hơn khi yêu cầu tạo hình nghiêm ngặt, khi môi trường ôn hòa hoặc khi chi tiết cuối cùng sẽ được phủ lớp sơn tạo thành lớp rào cản chính. - Chọn lớp phủ dày hơn cho những nơi tiếp xúc lâu ngoài trời, những nơi cần bảo vệ cạnh hoặc những nơi phải kéo dài chu kỳ bảo trì.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Lớp phủ kẽm nặng hơn đòi hỏi nhiều kim loại kẽm hơn, thời gian ngâm lâu hơn hoặc hóa chất trong bể mạ khác nhau, do đó, Z180 thường đắt hơn trên một đơn vị diện tích so với Z100. Sự chênh lệch chi phí nên được cân nhắc so với lợi ích tiết kiệm được trong vòng đời nhờ giảm bảo trì và kéo dài tuổi thọ chống ăn mòn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại lớp phủ này đều có sẵn ở dạng cuộn, tấm và sản phẩm sơn phủ sẵn từ các nhà máy lớn, nhưng tính khả dụng theo cấp độ nền và độ dày có thể khác nhau tùy theo khu vực và nhà máy. Các cấp độ nền đặc biệt có khả năng định hình cao hoặc cường độ cao có thể bị hạn chế hơn trong các phiên bản phủ dày, vì vậy nên liên hệ sớm với các nhà máy hoặc nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Tiêu chuẩn	Z100 (nhẹ hơn)	Z180 (nặng hơn)
Khả năng hàn (thực tế)	Dễ dàng hơn: ít kẽm cần loại bỏ hơn, ít khói hàn và vấn đề về độ xốp hơn	Thách thức hơn: nguy cơ hơi/khói kẽm và độ xốp cao hơn; cần phải loại bỏ hoặc kiểm soát quy trình
Sức mạnh-Độ dẻo dai (chất nền)	Được xác định bởi thép cơ bản đã chọn; khối lượng lớp phủ không làm thay đổi các đặc tính khối lượng	Giống như chất nền; khối lượng lớp phủ ảnh hưởng đến hành vi bề mặt dưới ứng suất
Trị giá	Chi phí vật liệu thấp hơn	Chi phí vật liệu cao hơn nhưng tuổi thọ chống ăn mòn dài hơn

Khuyến nghị: - Chọn Z100 nếu sản phẩm của bạn được tạo hình với bán kính hẹp hoặc độ uốn sâu, được lắp đặt trong môi trường tương đối ôn hòa, hoặc sẽ được phủ lớp sơn hoặc lớp phủ bột chất lượng cao đóng vai trò là lớp chắn chống ăn mòn chính. Z100 giảm thiểu hiện tượng bong tróc lớp phủ và giảm các vấn đề về khói hàn/rỗ khí. - Chọn Z180 nếu chi tiết phải tiếp xúc với môi trường ngoài trời hoặc môi trường có độ ăn mòn trung bình, nếu cần kéo dài tuổi thọ và cải thiện khả năng bảo vệ cạnh, hoặc nếu cần giảm thiểu thời gian bảo trì. Z180 cung cấp lượng kẽm dự trữ lớn hơn và khả năng bảo vệ lâu dài tốt hơn khỏi các vết xước và cạnh cắt.

Lưu ý cuối cùng: Z100 và Z180 là các ký hiệu khối lượng lớp phủ liên quan đến quy trình mạ kẽm chứ không phải cấp độ nền kim loại riêng biệt. Luôn ghi rõ cả cấp thép cơ bản (yêu cầu về hóa học và cơ học) và khối lượng lớp phủ cần thiết trong hồ sơ mua sắm, đồng thời xác nhận quy trình tạo hình, hàn và hoàn thiện cho tổ hợp đã chọn với dữ liệu nhà cung cấp và thử nghiệm quy trình.