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

Giới thiệu

Z180 và Z275 là các ký hiệu mạ kẽm phổ biến được áp dụng cho thép tấm và thép cuộn bằng quy trình mạ kẽm nhúng nóng. Hai lựa chọn này đặt ra một bài toán nan giải kinh điển cho các kỹ sư và chuyên gia mua sắm: cân bằng giữa chi phí ban đầu thấp hơn và khả năng bảo vệ đầy đủ cho môi trường ôn hòa (Z180) với khối lượng kẽm cao hơn và tuổi thọ dài hơn trong các ứng dụng ăn mòn hoặc ngoài trời (Z275). Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm vỏ công trình (mái, tấm ốp), các cấu kiện kết cấu chịu tác động của thời tiết, phụ tùng ô tô và chế tạo kim loại tấm nói chung, nơi cần cân bằng giữa bảo vệ chống ăn mòn, chi phí vòng đời và quy trình xử lý tiếp theo.

Sự khác biệt thực tế chính là khối lượng lớp mạ kẽm—Z275 chứa nhiều kẽm hơn đáng kể trên một đơn vị diện tích so với Z180—vì vậy các kỹ sư thường so sánh chúng về hiệu suất chống ăn mòn, tuổi thọ dự kiến ​​và tác động của việc xử lý/hàn. Vì cả hai đều liên quan đến lớp phủ chứ không phải thành phần hóa học của thép nền, nên việc lựa chọn vật liệu nền và quy trình mạ kẽm cũng ảnh hưởng đến hiệu suất cuối cùng.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chung tham chiếu hoặc sử dụng các lớp phủ này:
• EN 10346 (sản phẩm phẳng phủ nhúng nóng liên tục) — sử dụng các ký hiệu như Z (kẽm) với các lớp khối lượng phủ (ví dụ: Z100, Z275).
• ISO 14713 / ISO 1461 — hướng dẫn về bảo vệ chống ăn mòn bằng lớp phủ kẽm và mạ kẽm nhúng nóng.
• ASTM A653 / A792 — thông số kỹ thuật của tấm thép mạ kẽm thường sử dụng các loại trọng lượng lớp phủ (thường được liệt kê là G60, G90 trong thông lệ của Hoa Kỳ; lưu ý: G60 ≈ Z180, G90 ≈ Z275 theo khối lượng).
• JIS H 8641, GB/T 2518 — tiêu chuẩn quốc gia đề cập đến các yêu cầu về mạ kẽm và phủ.
• Phân loại vật liệu:
• Ký hiệu “Z” áp dụng cho lớp mạ kẽm; vật liệu nền thường là thép cacbon/hợp kim thấp (không phải thép HSLA, thép dụng cụ hoặc thép không gỉ). Vật liệu nền phổ biến là thép cán nguội hoặc cán nóng cacbon thấp dùng để mạ kẽm (tương đương DX51D, S220GD, S250GD, ASTM A1008/A1011).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: Bối cảnh thành phần điển hình cho lớp phủ Z và hóa học nền carbon thấp điển hình (phạm vi định tính).

Yếu tố	Lớp phủ Z180 (nhúng nóng)	Lớp phủ Z275 (nhúng nóng)	Chất nền thép cacbon thấp điển hình (bối cảnh)
Kẽm	Thành phần chính của lớp phủ; khối lượng lớp phủ = 180 g/m² (cả hai mặt tích lũy)	Thành phần chính; khối lượng lớp phủ = 275 g/m² (cả hai mặt tích lũy)	Có hoặc không có dấu vết trong chất nền; không phải là nguyên tố hợp kim cố ý
Fe	Lớp phản ứng liên kim loại chứa các pha Fe–Zn (gamma, delta, zeta)	Cùng pha; độ dày tương đối tăng theo khối lượng lớp phủ	Phần tử khối của chất nền
C, Mn, Si, P, S, Nb, Ti, V, B, N	Không áp dụng cho thành phần lớp phủ kẽm (có thể tồn tại dưới dạng tạp chất vết)	Như nhau	Thay đổi theo cấp độ nền; nền mạ kẽm ít carbon thường có hàm lượng C thấp (để dễ tạo hình và hàn) và Mn/Si được kiểm soát để đáp ứng các yêu cầu cơ học
Bổ sung hợp kim vào lớp phủ (Al, Mg, Ni)	Chỉ có trong lớp phủ chuyên dụng (ví dụ, Zn–Al–Mg hoặc Galfan) — không có trong lớp phủ Z tiêu chuẩn	Lưu ý tương tự — Z275 thường biểu thị khối lượng kẽm thông thường trừ khi được chỉ định là lớp phủ hợp kim	Chiến lược hợp kim nền là độc lập; hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) được sử dụng trong các cấp độ bền

Ghi chú: - Z180 và Z275 là khối lượng kẽm trên một đơn vị diện tích (g/m²) được quy định theo tiêu chuẩn; chúng không phải là thép hợp kim riêng biệt. - Thành phần hóa học của thép phụ thuộc vào yêu cầu về cấu trúc/khả năng tạo hình; mạ kẽm được áp dụng cho các loại thép cacbon thấp tương thích hoặc các loại thép được chuẩn bị đúng cách.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Trong lớp phủ: kẽm nguyên chất đóng vai trò hy sinh; bất kỳ sự hợp kim hóa cố ý nào (Zn-Al, Zn-Al-Mg) đều làm thay đổi hành vi và hình dạng ăn mòn. Lớp phủ Z tiêu chuẩn dựa vào tính chất điện hóa của kẽm so với sắt để bảo vệ catốt. - Trong chất nền: cacbon và hợp kim vi mô kiểm soát độ bền và khả năng làm cứng; hàm lượng cacbon thấp hơn giúp tăng khả năng hàn và tạo hình bên dưới lớp mạ kẽm.

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

• Cấu trúc vi mô của lớp phủ: Lớp phủ kẽm nhúng nóng trên thép tạo thành nhiều lớp từ thép ra ngoài: các lớp liên kim loại Fe-Zn (thường được ký hiệu là gamma, delta, zeta) nằm cạnh thép, được phủ bởi lớp kẽm eta (η) gần như nguyên chất trên cùng. Lớp liên kim loại tương đối cứng và được liên kết kim loại; lớp eta bên ngoài là kẽm dẻo, mềm hơn.
• Ảnh hưởng của khối lượng lớp phủ: Z275 thường có lớp eta và lớp liên kim dày hơn Z180 đối với cùng một chất nền và điều kiện quy trình; lớp dày hơn làm tăng khả năng hy sinh và kéo dài tuổi thọ trong môi trường ăn mòn.
• Nhiệt và chu trình nhiệt: nhiệt độ cao (ví dụ, sơn sau khi nung hoặc hàn cục bộ) có thể gây ra sự khuếch tán tại giao diện kẽm-thép và làm giòn vùng liên kim loại. Kẽm có điểm nóng chảy thấp; cần kiểm soát quá trình xử lý ở nhiệt độ cao để tránh làm hỏng lớp phủ hoặc bốc hơi.
• Xử lý nhiệt nền: Lớp mạ kẽm thường được phủ sau khi cán nguội và chuẩn bị bề mặt, chứ không phải trên thép đã tôi và ram. Việc xử lý nhiệt cơ học nền phần lớn không phụ thuộc vào lớp phủ, nhưng bất kỳ quá trình xử lý nhiệt nào sau khi mạ kẽm đều có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô và độ bám dính của lớp phủ.

4. Tính chất cơ học

Bảng: Tổng quan về hiệu ứng cơ học so sánh (tính chất của chất nền hầu như không thay đổi do lớp phủ).

Tài sản	Hiệu ứng cho Z180	Hiệu ứng cho Z275	Phiên dịch kỹ thuật
Độ bền kéo	Không có thay đổi có ý nghĩa nào đối với độ bền kéo của khối chất nền	Không có thay đổi có ý nghĩa nào đối với độ bền kéo của khối chất nền	Khối lượng lớp phủ không làm thay đổi độ bền cơ học của thép gốc
Sức chịu lực	Không thay đổi	Không thay đổi	Tính chất cơ học được xác định bởi cấp độ nền và quá trình xử lý
Độ giãn dài / độ dẻo	Lớp phủ bề mặt có thể bị nứt ở những khúc cua hẹp nếu bị kéo căng quá mức	Có xu hướng nứt lớp phủ nhiều hơn một chút khi tạo hình cực độ do lớp liên kim dày hơn, giòn hơn	Chọn bán kính uốn cong và phương pháp tạo hình phù hợp; Z275 có thể yêu cầu tạo hình nhẹ nhàng hơn
Độ bền va đập	Chất nền không bị ảnh hưởng; kim loại liên kết giòn được định vị trên bề mặt	Tương tự; lớp liên kim loại dày hơn có thể làm tăng nguy cơ bong tróc lớp phủ khi va chạm	Độ dẻo dai của thành phần được điều chỉnh bởi thép gốc
Độ cứng bề mặt	Lớp kẽm eta bên ngoài mềm; lớp liên kim loại cứng hơn	Tăng nhẹ độ dày lớp bề mặt → tăng nhẹ độ cứng bề mặt	Không phải là sự thay thế cho các phương pháp điều trị chống mài mòn

Tóm tắt: Lớp mạ kẽm (Z180 so với Z275) không làm thay đổi các đặc tính cơ học tổng thể của lớp nền thép; sự khác biệt liên quan đến bề mặt và ảnh hưởng đến quá trình tạo hình, uốn cong và độ bền bề mặt hơn là độ bền kéo hoặc độ bền uốn.

5. Khả năng hàn

• Khả năng hàn của thép nền phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu nền (cacbon, Mn, hợp kim vi mô). Tuy nhiên, lớp phủ mạ kẽm lại gây ra các vấn đề đặc thù về hàn:
• Kẽm bay hơi trong quá trình hàn hồ quang, tạo ra khói và độ xốp trong mối hàn nếu lớp phủ có ở mối hàn.
• Sự hiện diện của lớp phủ dày hơn (Z275) làm tăng khối lượng kẽm phải loại bỏ hoặc hóa hơi tại chỗ, có khả năng làm trầm trọng thêm nguy cơ tạo khói và xốp.
• Việc sử dụng công thức tính lượng cacbon tương đương giúp đánh giá khả năng hàn của vật liệu nền (đã loại bỏ lớp phủ). Các chỉ số chung:
• $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
• $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
• Hướng dẫn thực tế:
• Loại bỏ lớp mạ kẽm khỏi khu vực hàn ngay lập tức (mài cơ học hoặc loại bỏ bằng hóa chất) và sử dụng hệ thống thông gió và PPE phù hợp để kiểm soát khói kẽm.
• Sử dụng vật tư tiêu hao hàn và hướng dẫn làm nóng trước/đỉnh phù hợp với CE của vật liệu nền; lớp phủ ảnh hưởng đến lượng vệ sinh cục bộ cần thiết chứ không phải bản thân CE.
• Hàn điểm và hàn điện trở tấm phủ là phương pháp phổ biến trong công nghiệp; lớp phủ dày hơn có thể làm thay đổi điện trở tiếp xúc và tuổi thọ điện cực.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Cơ chế: kẽm cung cấp khả năng bảo vệ catốt (hy sinh) cho thép tiếp xúc và tạo thành các sản phẩm ăn mòn (kẽm oxit/hydroxycarbonate) làm chậm quá trình ăn mòn tiếp theo.
• Hiệu suất chống ăn mòn tương đối: khối lượng kẽm lớn hơn tương quan với tuổi thọ bảo vệ dài hơn khi tiếp xúc với khí quyển. Z275 nhìn chung sẽ bền hơn Z180 trong điều kiện môi trường tương tự, đặc biệt là trong môi trường công nghiệp hoặc hàng hải.
• Chiến lược bảo vệ bề mặt:
• Sơn phủ lên lớp mạ kẽm (cuộn mạ kẽm được sơn sẵn) để tạo lớp chắn kết hợp và lớp bảo vệ hy sinh; đảm bảo khả năng tương thích và nhiệt độ đóng rắn.
• Sử dụng thêm chất trám, lớp phủ chuyển đổi hoặc lớp phủ trên cùng để kéo dài tuổi thọ trong điều kiện tiếp xúc khắc nghiệt.
• PREN không áp dụng cho thép cacbon mạ kẽm (chỉ áp dụng cho việc đánh giá khả năng chống rỗ của thép không gỉ). Đối với lớp phủ thép không gỉ hoặc Zn-Al-Mg, hãy sử dụng chỉ số ăn mòn và dữ liệu thử nghiệm phù hợp.
• Khi lớp phủ kẽm không đủ, hãy cân nhắc lớp phủ hợp kim (Zn–Al–Mg) hoặc thay thế vật liệu bằng thép không gỉ hoặc thép chịu thời tiết.

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

• Tạo hình và uốn: Lớp phủ mạ kẽm chịu được các thao tác tạo hình thông thường, nhưng phải tuân thủ bán kính uốn tối thiểu. Lớp phủ dày hơn (Z275) có tỷ lệ liên kết kim loại lớn hơn, có thể gây ra gỉ trắng hoặc nứt rõ rệt ở các chỗ uốn cong chặt.
• Cắt và đục lỗ: bề mặt được phủ có thể tạo ra gờ và biến dạng lớp phủ; tuổi thọ của dụng cụ có thể bị ảnh hưởng nhẹ với lớp phủ dày hơn.
• Gia công: lớp phủ mỏng so với các hoạt động gia công; áp dụng các phương pháp gia công tiêu chuẩn nhưng phải tính đến việc kiểm soát bụi và khói.
• Hoàn thiện bề mặt: Z275 có thể chấp nhận sơn và lớp phủ cuộn tương tự như Z180, mặc dù việc chuẩn bị bề mặt (lớp phủ thụ động, lớp phủ chuyển đổi) đảm bảo độ bám dính.

8. Ứng dụng điển hình

Bảng: Công dụng điển hình của từng loại lớp phủ.

Z180 (khối lượng kẽm thấp hơn)	Z275 (khối lượng kẽm cao hơn)
Tấm ốp trong nhà, đồ nội thất, khung chịu lực nhẹ, ống gió trong nhà	Mái nhà, máng xối, đèn nháy, ốp ngoài, mặt tiền
Tấm ốp bên trong ô tô và các thành phần cấu trúc không lộ ra ngoài	Thiết bị nông nghiệp, biển báo ngoài trời, các thành phần kết cấu tiếp xúc với thời tiết
Thiết bị chiếu sáng, tủ điện cho môi trường được bảo vệ	Các thành phần gần biển, các bộ phận tiếp xúc với hơi muối, cơ sở hạ tầng ngoài trời có tuổi thọ cao

Cơ sở lựa chọn: - Chọn Z180 khi khả năng tiếp xúc hạn chế, tuổi thọ trung bình, chi phí vật liệu thấp cùng khả năng tạo hình/hàn tốt là ưu tiên hàng đầu. - Chọn Z275 khi thời gian sử dụng dài, tiếp xúc ngoài trời hoặc thời gian bảo trì ngắn hơn có thể biện minh cho chi phí ban đầu cao hơn và quy trình hàn/tạo hình cẩn thận hơn một chút.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Z275 sử dụng nhiều kẽm hơn và do đó có chi phí nguyên liệu thô cao hơn so với Z180. Chi phí gia tăng phải được cân bằng với tuổi thọ sử dụng kéo dài và giảm thiểu bảo trì.
• Tính khả dụng: Cả hai loại lớp phủ này đều có sẵn trên toàn thế giới dưới dạng cuộn và tấm từ các nhà sản xuất thép lớn và các trung tâm dịch vụ. Các dạng sản phẩm bao gồm cuộn mạ kẽm cán nguội, cuộn mạ kẽm sơn sẵn (PPGI) và tấm/tấm mạ kẽm.
• Thời gian giao hàng: các loại lớp phủ tiêu chuẩn có xu hướng được lưu kho; lớp phủ hợp kim đặc biệt (Zn–Al–Mg) hoặc lớp phủ khối lượng rất lớn có thể có thời gian giao hàng lâu hơn.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: Tổng quan so sánh nhanh.

Thuộc tính	Z180	Z275
Khả năng hàn (thực tế)	Tốt nếu lớp phủ được loại bỏ tại các mối hàn; ít kẽm cần quản lý hơn	Tốt nếu lớp phủ được loại bỏ; nhiều khói kẽm hơn và nguy cơ mài mòn điện cực
Hiệu ứng cường độ-độ dẻo dai trên nền	Trung lập	Trung lập
Bảo vệ chống ăn mòn (tuổi thọ ngoài trời dự kiến)	Thấp hơn	Cao hơn
Trị giá	Chi phí ban đầu thấp hơn	Chi phí ban đầu cao hơn

Kết luận: - Chọn Z180 nếu: linh kiện được sử dụng trong môi trường kín gió hoặc trong nhà, chi phí ban đầu và khả năng định hình tối đa là mối quan tâm hàng đầu, và tuổi thọ dự kiến ​​ở mức trung bình. Z180 phù hợp cho nhiều ứng dụng kết cấu và thiết bị hạng nhẹ, nơi yêu cầu bảo vệ hy sinh là đủ. - Chọn Z275 nếu: cấu kiện sẽ tiếp xúc với môi trường ngoài trời, môi trường công nghiệp hoặc ven biển, hoặc khi cần thời gian bảo trì và tuổi thọ dài hơn. Z275 được ưu tiên sử dụng cho mái nhà, máng xối, lớp phủ ngoài trời và cơ sở hạ tầng, nơi có khối kẽm dày hơn giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ.

Ghi chú thực tế cuối cùng: - Luôn chỉ định riêng loại thép nền với lớp mạ kẽm; đảm bảo khối lượng lớp phủ được ghi là g/m² theo quy ước EN và các con số là tổng của cả hai mặt hay từng mặt. - Đối với các thành phần hàn, hãy lập kế hoạch loại bỏ lớp phủ vùng hàn, thông gió đầy đủ và lựa chọn điện cực; tham khảo giá trị CE của chất nền để biết khuyến nghị về gia nhiệt trước/hàn sau. - Khi nghi ngờ về các ứng dụng tiếp xúc hoặc có tuổi thọ cao, chi phí gia tăng của Z275 thường mang lại chi phí vòng đời thấp hơn thông qua việc giảm bảo trì chống ăn mòn.