Z140 so với Z180 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Z140 và Z180 là các lớp mạ kẽm nhúng nóng được sử dụng rộng rãi cho các sản phẩm thép. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà hoạch định sản xuất thường cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn lớp mạ kẽm. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm tiếp xúc bên ngoài so với bên trong, các hoạt động tạo hình và uốn, quy trình hàn và nối, và mục tiêu chi phí vòng đời.

Sự khác biệt thực tế chính giữa Z140 và Z180 là khối lượng lớp mạ kẽm danh nghĩa (và độ dày lớp mạ tương ứng): Z180 mang lớp mạ kẽm dày hơn Z140. Sự khác biệt này quyết định tuổi thọ của lớp bảo vệ hy sinh, làm thay đổi đặc tính tạo hình và hàn trên bề mặt được phủ, đồng thời ảnh hưởng đến chi phí đơn vị và đặc tính hoàn thiện—do đó, việc so sánh thường xuyên được thực hiện trong các quyết định thiết kế và mua sắm.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Ký hiệu Z là các cấp khối lượng lớp phủ thường được sử dụng trong thực tiễn châu Âu và quốc tế (ví dụ: thuật ngữ hệ thống EN cho mạ kẽm nhúng nóng liên tục). Các thông số kỹ thuật tương đương hoặc liên quan xuất hiện trong các tiêu chuẩn quốc gia và thông số kỹ thuật sản phẩm (ví dụ: cấp lớp phủ tấm trong họ EN 10346 / EN 10142, và các tiêu chuẩn ASTM/ASME chỉ định hiệu suất lớp phủ thay vì nhãn "Z").
• Z140 và Z180 không phải là loại thép nền. Chúng là lớp phủ bề mặt được áp dụng cho nhiều loại thép nền khác nhau, bản thân chúng có thể là:
• Thép cacbon (ít cacbon) (là vật liệu nền phổ biến nhất để mạ kẽm liên tục)
• Thép HSLA/thép kết cấu (khi được nhà sản xuất chỉ định)
• Thép thương mại cán nguội hoặc cán nóng
• Thép không gỉ thường không được mạ kẽm theo cùng một cách; thép không gỉ là một chiến lược chống ăn mòn khác
• Phân loại: Z140/Z180 = loại lớp phủ (xử lý bề mặt). Thép nền có thể là thép cacbon, thép HSLA hoặc các loại thép khác tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm và nhà cung cấp.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Các lớp “Z” mô tả khối lượng lớp phủ kẽm; chúng không trực tiếp xác định hợp kim nền. Do đó, thành phần hóa học liên quan đến tính chất ăn mòn và cơ học gồm hai phần: lớp phủ kẽm (chủ yếu là Zn với pha liên kim Fe-Zn) và thành phần hóa học của thép nền (thay đổi tùy theo cấp).

Bảng: Vai trò đặc tả điển hình (định tính) cho các yếu tố được liệt kê

Cấp độ / Thành phần	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Mo	V	Lưu ý	Ti	B	N
Z140 (lớp phủ)	Không xác định — chỉ khối lượng lớp phủ; phụ thuộc vào chất nền	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"
Z180 (lớp phủ)	Không xác định — chỉ khối lượng lớp phủ; phụ thuộc vào chất nền	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"	"

Ghi chú: - Đối với cả Z140 và Z180, bản thân lớp phủ chủ yếu là kẽm; các lớp liên kim Fe-Zn hình thành tại giao diện trong quá trình xử lý nhúng nóng. Các nguyên tố hợp kim trong lớp phủ (ví dụ, thêm một lượng nhỏ Al vào bể) hoặc lớp phủ kẽm hợp kim cố ý làm thay đổi hình dạng bề mặt và động học phát triển nhưng không làm thay đổi thực tế là ký hiệu Z đề cập đến khối lượng lớp phủ. - Thành phần hóa học của thép nền (C, Mn, Si, v.v.) được lựa chọn theo yêu cầu và tiêu chuẩn cơ học của sản phẩm (tấm, dải, kết cấu). Vật liệu nền mạ kẽm liên tục điển hình là thép các-bon thấp; các giá trị cụ thể được xác định theo tiêu chuẩn thép nền và chứng chỉ nhà máy, không theo cấp Z.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào (chung): - Hợp kim nền (C, Mn, Si): kiểm soát độ bền, khả năng tôi luyện và phản ứng tạo hình của thép nền; hàm lượng Si hoặc P cao hơn có thể đẩy nhanh sự phát triển liên kết kim loại Fe–Zn trong quá trình mạ kẽm. - Phụ gia cho bể phủ (Al, Ni, Pb, Bi, Sn, Mg trong bể phủ đặc biệt): ảnh hưởng đến hình thức lớp phủ, khả năng thấm ướt và khả năng hàn; những phụ gia này được chỉ định riêng biệt với nhóm khối lượng Z.

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

Cấu trúc vi mô của hệ thống phủ bao gồm: - Lớp ngoài cùng là kẽm (pha Zn η gần như tinh khiết trong nhiều trường hợp) - Các lớp liên kim loại tại giao diện Zn–Fe (thường được mô tả là pha ζ, δ và Γ đối với thép mạ kẽm nhúng nóng truyền thống) - Cấu trúc vi mô thép cơ bản (ferrite/perlite, bainite/martensite ram cho thép có độ bền cao hơn)

Sự khác biệt chính về cấu trúc vi mô được thúc đẩy bởi khối lượng lớp phủ: - Lớp phủ dày hơn (Z180) thường tạo ra lớp kẽm bên ngoài dày hơn và, tùy thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch và thời gian ngâm, có thể tạo ra vùng liên kim loại dày hơn. Vùng liên kim loại dày hơn có thể ảnh hưởng đến độ bám dính và độ giòn của lớp phủ trong quá trình tạo hình.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Lớp phủ được hình thành ở nhiệt độ kẽm nóng chảy; các phương pháp xử lý nhiệt tiếp theo (ví dụ, ủ mạ điện: ủ trong môi trường được kiểm soát để tạo ra bề mặt hợp kim Fe–Zn) làm thay đổi cấu trúc vi mô để nhấn mạnh các lớp liên kim loại giúp sơn bám dính. - Chuẩn hóa/làm nguội & ram chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của chất nền; lớp phủ sẽ không sao chép những thay đổi này ngoại trừ việc xử lý nhiệt được thực hiện sau khi mạ kẽm có thể làm thay đổi lớp phủ (sự khuếch tán của Fe vào kim loại liên kết Zn, khả năng mất độ dẻo của lớp phủ). - Cán/ủ nhiệt cơ học trước khi mạ kẽm quyết định kích thước và độ bền của hạt nền và ảnh hưởng đến quá trình phát triển lớp phủ thông qua thành phần hóa học của nền (Si, P).

4. Tính chất cơ học

Khối lượng lớp phủ không làm thay đổi cơ bản các đặc tính chịu kéo/giới hạn của thép nền, nhưng lớp phủ dày hơn sẽ ảnh hưởng đến hành vi bề mặt trong quá trình tạo hình, bắt đầu mỏi cục bộ và mài mòn.

Bảng: Hiệu ứng so sánh (định tính)

Tài sản	Z140	Z180
Độ bền kéo (chất nền khối)	Giống như thép bên dưới (lớp phủ ≈ mang tính thẩm mỹ/hy sinh)	Giống như thép cơ bản
Độ bền kéo (chất nền khối)	Giống như chất nền	Giống như chất nền
Độ giãn dài / khả năng tạo hình	Tốt hơn một chút cho lớp phủ mỏng hơn khi uốn cong gấp; ít vết nứt lớp phủ hơn	Giảm nhẹ khả năng định hình cục bộ ở những chỗ uốn cong nghiêm trọng; lớp phủ có thể nứt hoặc bong tróc nếu bán kính uốn nhỏ
Độ bền va đập (chất nền)	Không bị ảnh hưởng (ngoại trừ bề mặt ngay lập tức nơi các khuyết tật lớp phủ có thể hoạt động như bộ tập trung ứng suất)	Cùng một hành vi nền; lớp phủ dày hơn có thể gây nứt bề mặt khi va chạm trong một số trường hợp
Độ cứng bề mặt (lớp phủ)	Độ cứng chủ yếu do lớp Zn và kim loại liên kết chi phối; thường mềm hơn thép	Độ cứng tại giao diện lớn hơn một chút nếu lớp liên kim loại dày hơn

Giải thích: - Khả năng cơ học của cấu kiện kết cấu được kiểm soát bởi cấp thép nền. Lớp kẽm là lớp hy sinh; độ dày của nó ảnh hưởng đến hiệu suất bề mặt cục bộ (độ bám dính của lớp phủ trong quá trình tạo hình) nhiều hơn là các đặc tính cơ học của khối.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của vật liệu nền và sự hiện diện của kẽm tại mối hàn. Kẽm bốc hơi và có thể gây ra hiện tượng rỗ khí, bắn tóe nhiều hơn và các khuyết tật do hydro hoặc kẽm gây ra nếu không được xử lý.

Chỉ số khả năng hàn có liên quan (không có đầu vào số): - Viện Hàn Quốc tế tương đương cacbon: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Công thức cacbon-mangan chuyên nghiệp: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích và hướng dẫn thực hành: - Bản thân số Z không làm thay đổi $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$, nhưng lớp kẽm nặng hơn (Z180) làm tăng lượng kẽm cục bộ tại vùng hàn, dẫn đến: - Tăng nguy cơ hình thành lỗ xốp và khói kẽm trong quá trình hàn hồ quang. - Cần loại bỏ lớp phủ trước khi hàn (mài cơ học, đốt cục bộ hoặc loại bỏ bằng hóa chất) hoặc điều chỉnh các thông số hàn (tốc độ di chuyển cao hơn, lượng nhiệt đầu vào thấp hơn, sử dụng khí bảo vệ). - Cân nhắc lựa chọn điện cực/chất độn và khí bảo vệ để quản lý độ xốp. - Đối với hàn điểm tấm phủ, lớp phủ dày hơn có thể làm tăng độ mài mòn điện cực và giảm kích thước hạt; cần phải điều chỉnh thông số quy trình.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Lớp phủ kẽm cung cấp lớp bảo vệ catốt (hy sinh) cho thép tiếp xúc và lớp bảo vệ bề mặt. Khối lượng lớp phủ cao hơn thường kéo dài tuổi thọ của lớp bảo vệ hy sinh.
• PREN không áp dụng cho thép cacbon mạ kẽm (PREN áp dụng cho xếp hạng khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ). Để tham khảo, các chỉ số hiệu suất thép không gỉ khác nhau: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ (Chỉ số này không liên quan đến thép mạ kẽm.)

Những cân nhắc về bảo vệ chống ăn mòn: - Z180 có lớp hy sinh dày hơn Z140 và do đó thường có tuổi thọ cao hơn mà không cần bảo trì trong các môi trường tương tự. - Lớp phủ dày hơn có thể xuất hiện gỉ trắng rõ rệt hơn khi tiếp xúc sớm với môi trường ẩm ướt nếu không được xử lý và thoát nước đúng cách. - Hoàn thiện bề mặt (sơn, lớp phủ chuyển đổi, thụ động hóa) vẫn được khuyến nghị cho môi trường khắc nghiệt—lớp kẽm dày hơn sẽ kéo dài thời gian trước khi lớp sơn bị hỏng.

Chuyển đổi giữa khối lượng lớp phủ và độ dày gần đúng (quy tắc hữu ích): - Mối quan hệ vật lý là: $$t = \frac{m}{\rho}$$ trong đó $t$ là độ dày tính bằng μm nếu $m$ được đưa ra theo g/m² và $\rho$ là mật độ kẽm tính bằng g/cm³ (có chuyển đổi đơn vị thích hợp). - Sử dụng mật độ kẽm (~7,14 g/cm³) cho độ dày gần đúng: - Z140 → khoảng $140/7,14 \approx 19,6\ \mu m$ - Z180 → khoảng $180/7,14 \approx 25,2\ \mu m$ - Đây là những chuyển đổi số đơn gần đúng; hình thái lớp phủ thực tế (lớp liên kim loại so với lớp Zn nguyên chất) ảnh hưởng đến độ dày chức năng và hiệu suất.

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

• Cắt và xén: cả Z140 và Z180 đều có thể cắt bằng các phương pháp tiêu chuẩn; kẽm dày hơn có thể tạo ra nhiều xỉ hơn và yêu cầu bảo trì dụng cụ hơi khác một chút.
• Tạo hình và uốn: Z140 thường phù hợp hơn với các chi tiết uốn cong chặt chẽ và có độ uốn cao vì lớp phủ mỏng hơn ít bị nứt hoặc bong tróc. Z180 có thể cần bán kính uốn lớn hơn, bôi trơn bổ sung hoặc chỉnh sửa sau khi tạo hình.
• Khả năng gia công: Lớp kẽm mềm hơn so với thép; kẽm dày hơn có thể ảnh hưởng đến bề mặt hoàn thiện và cần phải hoàn thiện mạnh hơn sau khi gia công hoặc tiện.
• Hoàn thiện: Sơn, sơn tĩnh điện hoặc các lớp phủ khác thường bám dính vào cả hai bề mặt—mặc dù vậy, bề mặt mạ kẽm (được xử lý bằng phương pháp nhiệt) thường được ưu tiên khi cần độ bám dính sơn cao hơn.

8. Ứng dụng điển hình

Z140 — Công dụng điển hình	Z180 — Công dụng điển hình
Các thành phần kết cấu trong nhà, các phần tòa nhà chịu lực nhẹ, tấm bên trong ô tô, các ứng dụng có khả năng chống ăn mòn vừa phải và khả năng định hình là rất quan trọng	Các thành phần kiến ​​trúc bên ngoài, hàng rào, ốc vít ngoài trời, lớp phủ tòa nhà lộ thiên vừa phải, các ứng dụng cần tuổi thọ cao hơn
Dập định hình với các đường cong bán kính hẹp và tạo hình nặng	Các bộ phận cần thời gian bảo dưỡng dài hơn khi tiếp xúc với khí quyển; các ứng dụng có chế độ làm ướt và làm khô định kỳ

Cơ sở lựa chọn: - Chọn lớp phủ mỏng hơn khi tạo hình hiệu suất và giảm thiểu chi phí là ưu tiên hàng đầu và điều kiện dịch vụ nhẹ nhàng. - Chọn lớp phủ dày hơn khi khả năng chống ăn mòn cao hơn và tuổi thọ dài hơn vượt trội so với chi phí gia tăng và khả năng điều chỉnh tạo hình/hàn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Z180 có giá cao hơn Z140 tính theo diện tích do lượng kẽm tiêu thụ cao hơn và thời gian xử lý có thể lâu hơn.
• Tính khả dụng: Cả hai loại lớp phủ này thường được sản xuất trong quá trình mạ kẽm nhúng nóng liên tục đối với tấm và cuộn; tính khả dụng phụ thuộc vào nhà máy và dạng sản phẩm (cuộn phủ, tấm cắt theo chiều dài, ống hoặc các thành phần kết cấu chế tạo).
• Cân nhắc khi mua sắm: ghi rõ loại lớp phủ, cấp thép nền và bất kỳ hóa chất đặc biệt nào cho bể mạ hoặc xử lý sau mạ (mạ kẽm, thụ động hóa) trên đơn đặt hàng. Giấy chứng nhận nhà máy phải xác nhận khối lượng lớp phủ (g/m²) và cấp thép nền.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	Z140	Z180
Khả năng hàn (đã phủ)	Tốt hơn cho việc hàn mà không cần làm sạch trước; ít kẽm bị bay hơi hơn	Nguy cơ xốp và khói cao hơn; thường xuyên phải vệ sinh trước
Độ bền – Độ dẻo dai (chất nền khối)	Xác định bởi chất nền; lớp phủ có tác dụng tối thiểu	Xác định bởi chất nền; lớp phủ có tác dụng tối thiểu
Khả năng định hình	Tốt hơn cho những khúc cua hẹp và tạo hình nghiêm ngặt	Giảm nhẹ để tạo hình sắc nét; có thể cần bán kính lớn hơn
Tuổi thọ ăn mòn (hy sinh)	Vừa phải	Mở rộng (bảo vệ hy sinh tốt hơn)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Kết luận và khuyến nghị: - Chọn Z140 nếu: - Linh kiện sẽ được định hình hoặc dập với bán kính uốn cong chặt chẽ. - Môi trường tiếp xúc từ nhẹ đến trung bình và yêu cầu về chống ăn mòn trong vòng đời ở mức khiêm tốn. - Ưu tiên hàng đầu là giảm chi phí vật liệu ban đầu và dễ dàng xử lý tiếp theo (hàn, sơn).

• Chọn Z180 nếu:
• Cần phải có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn lâu hơn (tiếp xúc ngoài trời, làm ướt định kỳ hoặc giảm thời gian bảo trì).
• Chi phí vật liệu cao hơn một chút có thể chấp nhận được để đổi lại tuổi thọ sử dụng được kéo dài.
• Quá trình tạo hình và hàn có thể được điều chỉnh để phù hợp với lớp phủ dày hơn (làm sạch trước khi hàn, điều chỉnh bán kính uốn, điều chỉnh thông số quy trình).

Lưu ý cuối cùng: Vì Z140 và Z180 là thông số kỹ thuật về khối lượng lớp phủ chứ không phải cấp thép nền, hãy chỉ định cả cấp Z và cấp thép nền chính xác khi phát hành hồ sơ mua sắm. Xác nhận khối lượng lớp phủ và thành phần hóa học của bể mạ bằng báo cáo thử nghiệm tại nhà máy, và thực hiện các thử nghiệm tạo hình/hàn trong trường hợp độ dày lớp phủ có thể ảnh hưởng đến cửa sổ quy trình.