Z180 so với Z275 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

Việc lựa chọn giữa Z180 và Z275 là một quyết định phổ biến đối với các kỹ sư, quản lý mua sắm, nhà hoạch định sản xuất và các chuyên gia trong ngành làm việc với thép mạ kẽm nhúng nóng. Sự lựa chọn này thường cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và chi phí vòng đời so với các tác động liên quan đến lớp phủ lên các hoạt động tạo hình, hàn và hoàn thiện. Đối với các nhóm thiết kế, sự đánh đổi thường là khả năng chống ăn mòn và hiệu suất lâu dài so với chi phí vật liệu tức thời thấp hơn và một số cân nhắc về tính dễ chế tạo.

Z180 và Z275 không phải là các mác thép cơ bản riêng biệt; chúng là các lớp chỉ định cho khối lượng lớp mạ kẽm được áp dụng cho thép (mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kẽm liên tục). Sự khác biệt chính nằm ở khối lượng lớp mạ kẽm (và do đó, độ dày lớp mạ), yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của lớp bảo vệ chống ăn mòn và ảnh hưởng đến quy trình chế tạo và hoàn thiện. Vì kim loại cơ bản thường là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (cấp DX, S hoặc tương đương), nên việc lựa chọn phải xem xét cả đặc tính nền và lớp mạ.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Tiêu chuẩn chung tham chiếu đến các lớp phủ và sản phẩm mạ kẽm:
• EN (Châu Âu): EN 10346 — thép phủ nhúng nóng liên tục (ví dụ: DX51D+Z275).
• ISO: ISO 3575, ISO 1461 (mạ kẽm nhúng nóng trên các sản phẩm chế tạo).
• JIS (Nhật Bản): JIS G3302, JIS H8613 (thông số kỹ thuật của tấm mạ kẽm/sơn sẵn đề cập đến các lớp phủ).
• GB (Trung Quốc): GB/T 2518, GB/T 2518‑1995 (tấm/dải thép mạ kẽm nhúng nóng).
• ASTM/ASME: ASTM A653/A653M đề cập đến các lớp mạ kẽm cho tấm thép (các ký hiệu sử dụng G60, G90 khá tương tự nhau; lưu ý: cần cẩn thận khi chuyển đổi sang lớp Z).
• Phân loại vật liệu:
• Z180 và Z275: các lớp phủ (khối lượng lớp phủ kẽm), áp dụng cho thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp (không phải loại thép cacbon/hợp kim/dụng cụ/thép không gỉ).
• Thép nền bên dưới các lớp phủ này thường là thép cacbon, thép hợp kim thấp hoặc thép kết cấu mềm (không phải thép không gỉ hoặc thép dụng cụ trừ khi có chỉ định).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Sự hiện diện hoặc vai trò của các nguyên tố chính trong thép nền và trong lớp mạ kẽm

Yếu tố	Vai trò điển hình trong thép cơ bản	Sự hiện diện/vai trò trong lớp phủ kẽm (HDG)
C	Yếu tố góp phần tăng cường độ bền và độ cứng trong thép cơ bản	Nói chung là không có; có thể có tạp chất
Mn	Khử oxy, độ bền, độ dẻo trong thép cơ bản	Chỉ có dấu vết; có thể khuếch tán vào các lớp liên kim loại
Si	Chất khử oxy và ảnh hưởng đến sự phát triển của lớp phủ trong quá trình mạ kẽm	Có thể được hợp kim hóa trong lớp phủ chuyên dụng; ảnh hưởng đến phản ứng Fe–Zn
P	Nguyên tố còn sót lại trong thép ảnh hưởng đến độ giòn	Chỉ theo dõi
S	Cải thiện khả năng gia công trên thép (nhưng có hại cho một số lớp phủ)	Chỉ theo dõi
Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B	Hợp kim để tăng độ bền/độ dẻo dai cho thép; các nguyên tố hợp kim vi mô	Nói chung không có trong lớp phủ kẽm, ngoại trừ khi sử dụng lớp phủ hợp kim cụ thể (ví dụ: Zn–Al, Zn–Al–Mg)
N	Kiểm soát dư lượng trong thép; có thể ảnh hưởng đến khả năng hàn	Không đáng kể trong lớp phủ

Ghi chú: - Ký hiệu lớp Z (Z180, Z275) chỉ rõ khối lượng kẽm trên một đơn vị diện tích, chứ không phải thành phần nguyên tố. Mạ kẽm thông thường tạo ra lớp kẽm gần như nguyên chất bên ngoài (pha η) và các lớp liên kim Fe-Zn bên dưới (pha γ, δ, ζ) có độ dày và tỷ lệ pha phụ thuộc vào thành phần thép và các thông số quy trình. - Có lớp phủ chuyên dụng (ví dụ, hợp kim Zn–Al, Zn–Fe, Zn–Al–Mg) và làm thay đổi hiệu suất chống ăn mòn; khi so sánh Z180 với Z275, chúng tôi giả định lớp phủ thông thường có thành phần chính là kẽm trừ khi có quy định khác.

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

• Cấu trúc vi mô của lớp phủ: mạ kẽm nhúng nóng tạo ra cấu trúc nhiều lớp trên thép:
• Lớp η (eta) bên ngoài: chủ yếu là kẽm nguyên chất, dẻo và có tính bảo vệ.
• Các lớp ζ (zeta), δ (delta) và Γ (gamma) bên dưới: Hợp chất liên kim Fe-Zn hình thành tại giao diện thép/lớp phủ. Các hợp chất liên kim này cứng hơn và kém dẻo hơn lớp η bên ngoài.
• Hiệu ứng khối lượng lớp phủ: lớp phủ dày hơn (Z275) thường có lớp η dày hơn cộng với lớp liên kim loại theo nghĩa tuyệt đối; tỷ lệ tương đối có thể phụ thuộc vào quy trình.
• Xử lý nhiệt:
• Quá trình xử lý nhiệt thép cơ bản (ủ, chuẩn hóa, làm nguội và ram) ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của vật liệu nền nhưng không làm thay đổi lớp khối lượng kẽm.
• Trình tự ủ/mạ kẽm: mạ kẽm nhúng nóng liên tục thường diễn ra sau quá trình ủ trong môi trường được kiểm soát; thành phần hóa học bề mặt thép (nồng độ Si, P) ảnh hưởng đến sự phát triển của các lớp liên kim loại.
• Tiếp xúc với nhiệt sau khi mạ kẽm (ví dụ: nhiệt hàn) có thể làm thay đổi cục bộ cấu trúc lớp phủ, tăng sự khuếch tán tại giao diện và làm giảm khả năng chống ăn mòn tại vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.
• Hành vi cơ học: các lớp liên kim loại có thể bị gãy khi uốn cong chặt hoặc khi tạo hình mạnh, dẫn đến tách lớp cục bộ nếu bán kính uốn quá nhỏ.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Ảnh hưởng của lớp phủ đến tính chất cơ học (định tính)

Tài sản	Z180	Z275
Độ bền kéo	Không thay đổi (lớp phủ không có cấu trúc)	Không thay đổi
Sức chịu lực	Không thay đổi	Không thay đổi
Độ giãn dài	Nguy cơ giảm độ dẻo rõ ràng khi uốn chặt do lớp phủ bị nứt	Nguy cơ nứt lớp phủ ở các khúc cua gấp cao hơn một chút so với Z180
Độ bền va đập	Chất nền không thay đổi; lớp phủ không cải thiện độ dẻo dai	Chất nền không thay đổi; lớp phủ dày hơn có thể che đi những khuyết điểm nhỏ nhưng không làm tăng độ dẻo dai
Độ cứng (bề mặt)	Độ cứng bề mặt tăng nhẹ do liên kim loại; lớp η bên ngoài mềm	Độ cứng bề mặt cao hơn một chút ở những nơi kim loại liên kết dày hơn

Giải thích: - Bản thân lớp mạ kẽm không chịu lực; các tính chất cơ học của các cấu kiện kết cấu được quyết định bởi thép nền. Do đó, sự khác biệt giữa Z180 và Z275 không làm thay đổi các thông số về độ bền kéo/giới hạn chảy của thép, nhưng lớp mạ dày hơn có thể ảnh hưởng cục bộ đến quá trình tạo hình, quá trình bắt đầu mỏi và độ cứng bề mặt do các lớp liên kim dày hơn và các lớp phủ ngoài rõ rệt hơn.

5. Khả năng hàn

• Những cân nhắc về lớp phủ:
• Kẽm bốc hơi trong quá trình hàn hồ quang, tạo ra khói ZnO và khả năng tạo lỗ xốp; lớp phủ dày hơn (Z275) giải phóng nhiều kẽm hơn tại vùng hàn so với lớp phủ mỏng hơn (Z180), làm tăng lượng khói và nhu cầu bảo vệ đường hô hấp cũng như chuẩn bị mối hàn (ví dụ: loại bỏ lớp phủ).
• Lớp phủ có thể thúc đẩy quá trình hấp thụ hydro trong một số quy trình và góp phần gây ra nguy cơ nứt nguội ở thép cường độ cao; việc gia nhiệt trước và kiểm soát hydro là rất quan trọng.
• Khả năng hàn của vật liệu nền chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và hợp kim của thép; công thức tính toán rủi ro về khả năng hàn được sử dụng để định lượng rủi ro về khả năng hàn. Có hai chỉ số phổ biến:
• Tương đương carbon IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• Pcm quốc tế: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Diễn giải: Khi đánh giá các cụm hàn, hãy loại bỏ lớp phủ tại các mối hàn hoặc lập kế hoạch cho các thông số hàn và xử lý sau hàn. Z275 yêu cầu chuẩn bị/thông gió mạnh hơn một chút so với Z180 do khối lượng kẽm lớn hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ, kẽm cung cấp khả năng bảo vệ hy sinh: kẽm ăn mòn ưu tiên và bảo vệ thép trần tại các điểm không liên tục của lớp phủ bằng tác động catốt.
• PREN không áp dụng cho lớp phủ kẽm hoặc thép cacbon; nó được sử dụng cho các loại thép không gỉ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Khối lượng lớp phủ và khả năng bảo vệ:
• Cấp Z biểu thị khối lượng kẽm tính bằng g/m². Công thức chuyển đổi gần đúng sang độ dày lớp phủ trung bình (cả hai mặt kết hợp) được đưa ra như sau: $$\text{độ dày (m)} = \frac{\text{khối lượng trên diện tích (g/m}^2\text{)}} {\rho_{Zn} \times 1000}$$
• Sử dụng mật độ kẽm $\rho_{Zn} \approx 7,14\ \text{g/cm}^3$, các phép tính gần đúng thực tế điển hình mang lại:
  • Z180 ≈ 180 g/m² → tổng lớp phủ khoảng 25–30 µm (kết hợp cả hai mặt), khoảng một nửa mỗi mặt tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm.
  • Z275 ≈ 275 g/m² → tổng lớp phủ khoảng 38–40 µm (cả hai mặt kết hợp).
• Hiệu quả thực tế: lớp phủ dày hơn (Z275) giúp kéo dài thời gian bảo trì ban đầu và bảo vệ tốt hơn trong môi trường khắc nghiệt (hàng hải, công nghiệp). Môi trường, chuẩn bị bề mặt và hệ thống sơn vẫn là những yếu tố quan trọng.

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

• Tạo hình/uốn cong:
• Lớp phủ mỏng hơn (Z180) chịu được bán kính uốn cong hẹp hơn với ít nguy cơ nứt và bong tróc lớp phủ hơn. Z275 dễ bị nứt hơn ở các khúc cua gấp và có thể cần bán kính uốn cong lớn hơn hoặc cần dặm vá sau khi tạo hình.
• Cắt/hàn:
• Lớp phủ dày hơn tạo ra nhiều khói hơn và gây khó khăn khi hàn; kẽm bị đẩy ra ngoài có thể dẫn đến hiện tượng xốp và mất lớp phủ gần mối hàn—hãy chuẩn bị mối hàn bằng cách loại bỏ lớp phủ bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học.
• Khả năng gia công:
• Lớp phủ kẽm có thể làm tắc dụng cụ cắt và tăng ma sát; lớp phủ dày hơn làm tăng độ mài mòn của dụng cụ và cần phải điều chỉnh tốc độ/tốc độ và lượng chất làm mát sử dụng.
• Hoàn thiện:
• Độ bám dính của sơn thường tốt khi làm sạch bề mặt mạ kẽm; lớp phủ dày hơn có thể cần chuẩn bị bề mặt khác nhau để đảm bảo độ bám dính cơ học của sơn và tránh che đi độ nhám bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của Z180 và Z275

Z180 (khối lượng kẽm nhẹ hơn)	Z275 (khối lượng kẽm nặng hơn)
Tấm kết cấu trong nhà, vỏ thiết bị, tấm bên trong ô tô, ống dẫn HVAC nhẹ	Tấm ốp bên ngoài, mái nhà, máng xối, cột và hàng rào, các thành phần kết cấu ngoài trời
Tấm sơn phủ sẵn dùng cho môi trường trong nhà ít bị ăn mòn	Thép kết cấu mạ kẽm chịu được môi trường khí quyển từ trung bình đến khắc nghiệt
Các thành phần yêu cầu tạo hình rộng rãi với bán kính hẹp	Tài sản ngoài trời có tuổi thọ cao, nơi cần bảo vệ hy sinh kéo dài

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Z180 khi chi phí và khả năng tạo hình được ưu tiên và mức độ tiếp xúc với môi trường ở mức trung bình hoặc khi cần phủ thêm lớp sơn và bảo dưỡng. - Chọn Z275 cho môi trường ngoài trời, ven biển hoặc công nghiệp, nơi cần khả năng bảo vệ lâu dài và thời gian bảo trì dài hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Z275 đắt hơn Z180 do mức tiêu thụ kẽm trên một đơn vị diện tích cao hơn. Chênh lệch giá phụ thuộc trực tiếp vào giá kẽm thị trường và chi phí quy trình phủ.
• Tính khả dụng: Cả hai loại đều là tiêu chuẩn và được cung cấp rộng rãi tại các nhà máy cán cuộn/dải và cán tấm lớn; phổ biến trong xây dựng và chuỗi cung ứng OEM. Việc chỉ định các loại phổ biến như Z180 và Z275 giúp việc mua sắm dễ dàng hơn và đảm bảo thời gian giao hàng ổn định.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tóm tắt so sánh (định tính)

Thuộc tính	Z180	Z275
Khả năng hàn (tác động của quy trình)	Tốt hơn (ít kẽm hơn để bốc hơi)	Tệ hơn một chút (nhiều khói kẽm hơn; cần chuẩn bị nhiều hơn)
Độ bền – Độ dẻo dai (chất nền)	Trung tính (kiểm soát chất nền)	Trung tính (kiểm soát chất nền)
Bảo vệ chống ăn mòn (tuổi thọ)	Phù hợp cho môi trường nhẹ/trong nhà	Tuyệt vời cho môi trường ngoài trời/môi trường khắc nghiệt
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn Z180 nếu bạn cần khả năng tạo hình tốt hơn và chi phí vật liệu thấp hơn cho các bộ phận sẽ tiếp xúc với ánh sáng từ nhẹ đến trung bình hoặc sẽ được sơn chắc chắn và bảo trì thường xuyên. - Chọn Z275 nếu yêu cầu chính là khả năng chống ăn mòn lâu hơn với việc giảm bảo trì trong môi trường ngoài trời, trên biển hoặc công nghiệp và bạn chấp nhận chi phí vật liệu cao hơn cùng một số cân nhắc chế tạo bổ sung (chuẩn bị hàn, bán kính uốn lớn hơn, kiểm soát khói).

Lưu ý cuối cùng: Vì Z180 và Z275 đề cập đến khối lượng lớp phủ chứ không phải cấp độ luyện kim của vật liệu nền, hãy luôn ghi rõ cả cấp thép cơ bản (ví dụ: DX51D, S235 hoặc tương đương) và cấp lớp phủ trong hồ sơ mua sắm. Điều này đảm bảo đáp ứng cả hiệu suất cơ học và mục đích chống ăn mòn, đồng thời tránh sự mơ hồ trong quá trình chế tạo và lập kế hoạch vòng đời.