ZA150 so với ZA200 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ZA150 và ZA200 là những ký hiệu thường gặp khi lựa chọn sản phẩm thép phủ cho các ứng dụng kết cấu, kiến ​​trúc và công nghiệp. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường phải cân nhắc giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình, khả năng hàn và chi phí khi lựa chọn giữa hai lựa chọn này. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm ốp ngoại thất so với nội thất, tấm ép kéo sâu so với cấu kiện kết cấu, và lắp ghép hàn so với các bộ phận bắt vít hoặc cố định cơ khí.

Không giống như các mã định danh mác thép tiêu chuẩn (ví dụ: S355 hoặc A36), ZA150 và ZA200 thường dùng để mô tả các sản phẩm thép phủ hợp kim kẽm-nhôm, được phân biệt chủ yếu bởi khối lượng lớp phủ và hàm lượng hợp kim của lớp phủ. Do đó, sự khác biệt kỹ thuật chính nằm ở hệ thống lớp phủ — tỷ lệ hợp kim và khối lượng trên một đơn vị diện tích — ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống ăn mòn, độ bám dính và một số đặc tính chế tạo.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• ZA150 / ZA200: Thường được sử dụng làm ký hiệu thép mạ thương mại, trong đó "ZA" biểu thị lớp phủ hợp kim kẽm-nhôm và hậu tố số biểu thị khối lượng lớp phủ danh nghĩa (thường được biểu thị bằng tổng g/m² cả hai mặt hoặc mỗi mặt tùy thuộc vào nhà cung cấp). Đây không phải là tên mác thép luyện kim phổ biến theo danh pháp ASTM/EN/JIS nhưng thường được sử dụng bởi các nhà mạ cuộn và trung tâm dịch vụ thép.
• Các tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật quốc tế có liên quan chi phối thép phủ (lớp nền và lớp phủ) bao gồm:
• Gia đình ASTM A653 / A792 (lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng và Zn–Al–Mg/Al–Zn) — giải quyết các loại thép cacbon được phủ.
• EN 10346 (thép phủ kim loại nhúng nóng liên tục) — bao gồm các định nghĩa sản phẩm và đánh dấu cho thép phủ.
• Tiêu chuẩn JIS và GB (thông số kỹ thuật quốc gia) quy định về vật liệu nền cán nguội và quy trình phủ.
• Nhận dạng theo lớp vật liệu:
• Vật liệu nền bên dưới lớp phủ ZA thường là thép cacbon (mềm) (thép cán nguội ít cacbon hoặc không có kẽ hở) — không phải thép không gỉ, thép dụng cụ hoặc HSLA trong hầu hết các dòng sản phẩm ZA150/ZA200 thông thường.
• Lớp phủ là hợp kim (gốc Zn–Al), do đó sản phẩm hoàn thiện là sản phẩm thép cacbon được phủ chứ không phải là một loại thép khác.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Sự khác biệt về hiệu suất chức năng giữa ZA150 và ZA200 chủ yếu được quyết định bởi thành phần hóa học của lớp phủ (tỷ lệ tương đối của Zn, Al, Mg và các thành phần bổ sung nhỏ) và khối lượng lớp phủ. Thành phần hóa học của lớp nền thép thường là thép cacbon thấp thông thường được tối ưu hóa cho việc định hình hoặc sơn.

Bảng: Các lĩnh vực trọng tâm về thành phần điển hình (chất nền so với lớp phủ). Lưu ý: thành phần cụ thể của từng nhà cung cấp có thể khác nhau; bảng này đưa ra mức độ liên quan của các thành phần điển hình thay vì các giá trị quy định.

Yếu tố	Chất nền thép cacbon thấp điển hình (có liên quan)	Lớp phủ ZA (loại Zn–Al) — liên quan
C	Thấp (kiểm soát độ bền và khả năng hàn)	Không áp dụng
Mn	Hiện tại (kiểm soát sức mạnh/biến dạng)	Không áp dụng
Si	Lượng nhỏ (khử oxy; ảnh hưởng đến độ ướt của lớp phủ)	Có thể theo dõi
P	Thấp (nguy cơ giòn nếu cao)	Có thể theo dõi
S	Thấp (các tạp chất ảnh hưởng đến khả năng tạo hình)	Có thể theo dõi
Cr	Thường không có (trừ khi có chất nền đặc biệt)	Hiếm gặp trong lớp phủ ZA (dấu vết, nếu có)
Ni	Không liên quan đến chất nền trừ khi được hợp kim	Hiếm trong lớp phủ
Mo	Không liên quan	Hiếm
V, Nb, Ti	Có thể hợp kim hóa vi mô trong chất nền để tăng cường độ bền	Không liên quan
B	Dấu vết trong chất nền đôi khi	Không liên quan
N	Được kiểm soát trong chất nền cho một số loại thép	Không liên quan
Kẽm	Không có trong chất nền	Thành phần chính của lớp phủ (phần lớn)
Al	Không có trong chất nền	Việc bổ sung hợp kim vào Zn — cải thiện hiệu suất rào cản và hy sinh
Mg	Không có trong chất nền	Thường được thêm vào với số lượng nhỏ để tăng khả năng chống ăn mòn và độ bám dính
Những nguyên tố khác (Si, Sn, Bi)	Thông thường dấu vết trong chất nền	Một số thợ sơn sử dụng các chất bổ sung nhỏ để điều chỉnh các đặc tính

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Việc tăng hàm lượng Al trong lớp phủ Zn–Al thường cải thiện khả năng bảo vệ và khả năng sơn, giảm rỉ sét và có thể thay đổi hành vi hy sinh. - Việc bổ sung một lượng nhỏ Mg thường cải thiện khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và giảm hiện tượng ăn mòn ở các vết xước. - Khối lượng lớp phủ cao hơn (ví dụ: ZA200 so với ZA150) làm tăng lượng kẽm hy sinh có sẵn và kéo dài tuổi thọ bảo vệ, nếu các yếu tố khác đều như nhau.

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

ZA150 và ZA200 khác nhau chủ yếu ở cấu trúc vi mô của lớp phủ, không phải ở cấu trúc vi mô của thép khối (trừ khi có chỉ định về chất nền đặc biệt).

• Cấu trúc vi mô của chất nền:
• Thép nền cho các sản phẩm phủ này thường là thép cacbon thấp cán nguội với cấu trúc vi mô ferit-pearlit (hoặc hoàn toàn ferit đối với thép không có khe hở). Xử lý nhiệt bề mặt nền thường chỉ giới hạn ở các chu kỳ ủ được sử dụng trong quá trình cán nguội; bề mặt nền không được thiết kế để làm nguội/ram thêm sau khi phủ.
• Cấu trúc vi mô của lớp phủ:
• Lớp phủ Zn-Al đông đặc lại tạo thành cấu trúc song công: lớp hợp kim Zn-Al bên ngoài và lớp phản ứng liên kim loại tại giao diện thép-lớp phủ. Al làm giảm tốc độ phát triển và điều chỉnh sự hình thành pha so với Zn nguyên chất, tạo ra lớp liên kim loại mịn hơn và đặc tính bám dính khác biệt.
• ZA200 (khối lượng lớp phủ cao hơn) sẽ có lớp hợp kim dày hơn và vùng liên kim dày hơn so với ZA150 khi được xử lý giống hệt nhau.
• Xử lý nhiệt/phản ứng xử lý:
• Các quy trình chuẩn hóa hoặc làm nguội & ram thường không được áp dụng cho các bộ phận hoàn thiện được phủ vì chúng sẽ làm hỏng lớp phủ; tiếp xúc nhiệt trong quá trình xử lý (ví dụ, trong quá trình tạo hình hoặc hàn) có thể dẫn đến sự phát triển liên kim loại cục bộ hoặc thay đổi lớp mạ.
• Chu trình nhiệt trong quá trình mạ kẽm/phủ liên tục (ủ ngắn) kiểm soát độ ướt của lớp phủ, sự hình thành liên kim loại và tỷ lệ hợp kim cuối cùng.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học của sản phẩm hoàn thiện chủ yếu do thép nền quyết định; lớp phủ chỉ góp phần không đáng kể vào độ bền cơ học tổng thể nhưng lại rất quan trọng để bảo vệ bề mặt.

Bảng: Kỳ vọng về tính chất cơ học so sánh (phạm vi điển hình cho các sản phẩm thép cacbon thấp được phủ).

Tài sản	ZA150 (thép cacbon thấp tráng phủ thông thường)	ZA200 (thép cacbon thấp tráng phủ thông thường)
Độ bền kéo (MPa)	Phạm vi chất nền điển hình (ví dụ: 220–420) — lớp phủ không đáng kể	Cùng một phạm vi kiểm soát chất nền
Giới hạn chảy (MPa)	Kiểm soát chất nền (ví dụ: 140–350)	Như nhau
Độ giãn dài (%)	Kiểm soát chất nền (ví dụ: 15–40%)	Như nhau
Độ bền va đập	Phụ thuộc vào chất nền; lớp phủ có ít tác dụng ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Như nhau
Độ cứng bề mặt	Lớp phủ cứng hơn một chút so với Zn nguyên chất tùy thuộc vào hàm lượng Al	Độ cứng bề mặt cao hơn một chút với lớp phủ dày hơn/hợp kim hơn

Vật liệu nào bền hơn, cứng hơn, dẻo hơn và tại sao: - Độ bền/độ dẻo dai/độ dai chịu được nhờ kỹ thuật luyện kim nền. Khi ZA150 và ZA200 sử dụng nền giống hệt nhau, sự khác biệt về tính chất cơ học là không đáng kể. - Lớp phủ ảnh hưởng đến độ cứng bề mặt và hành vi mài mòn/cạnh cắt cục bộ; lớp phủ ZA200 dày hơn có thể có khả năng chống mài mòn của lớp bề mặt cao hơn một chút. - Độ dẻo/khả năng tạo hình có thể bị ảnh hưởng bởi khối lượng lớp phủ và hợp kim: lớp phủ nặng hơn và các lớp liên kim loại giòn hơn có thể làm giảm hiệu suất tạo hình kéo giãn và thúc đẩy nứt lớp phủ trong quá trình biến dạng nghiêm trọng.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn phần lớn phụ thuộc vào tính chất hóa học của chất nền (cacbon và các nguyên tố làm cứng khác) cũng như sự hiện diện và thành phần của lớp phủ.

• Cacbon và khả năng làm cứng:
• Hàm lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim cao hơn làm tăng nguy cơ nứt vùng hàn. Nhiều sản phẩm phủ ZA sử dụng vật liệu nền có hàm lượng cacbon thấp, hợp kim thấp để duy trì khả năng hàn tốt.
• Hiệu ứng phủ:
• Lớp phủ đưa kẽm vào vũng hàn trong quá trình hàn hồ quang, có thể gây ra hiện tượng rỗ khí, tăng bắn tóe và các khuyết tật liên quan đến bay hơi. Lớp phủ dày hơn (ZA200) tạo ra nhiều kẽm hơn tại mối hàn so với lớp phủ mỏng hơn (ZA150), làm tăng nguy cơ xảy ra các vấn đề này.
• Công thức đánh giá (sử dụng định tính):
• Chỉ số tương đương cacbon (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ Sử dụng thông tin này để đánh giá khả năng hàn của vật liệu nền: $CE_{IIW}$ cao hơn → yêu cầu xử lý trước khi hàn và sau khi hàn cao hơn.
• Pcm cho khả năng nứt nguội: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ $P_{cm}$ cao hơn làm tăng nguy cơ nứt lạnh do hydro hỗ trợ.
• Ý nghĩa thực tiễn:
• Đối với hàn hồ quang thủ công và bằng robot, việc loại bỏ sạch lớp phủ tại khu vực hàn hoặc các quy trình hàn phù hợp (ví dụ: hàn MIG với tốc độ di chuyển cao hơn, hàn laser hoặc sử dụng thuốc trợ dung/chất độn được thiết kế cho thép mạ kẽm) sẽ giảm thiểu các vấn đề.
• Làm nóng trước, kiểm soát đầu vào nhiệt và làm sạch sau khi hàn là những biện pháp giảm thiểu phổ biến. ZA200 có thể cần các biện pháp mạnh tay hơn ZA150 cho cùng một thiết kế mối hàn do hàm lượng kẽm cao hơn tại mối hàn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Lớp phủ ZA được thiết kế để cải thiện khả năng chống ăn mòn khí quyển so với thép không phủ. Chúng hoạt động bằng sự kết hợp giữa lớp bảo vệ chắn và lớp bảo vệ mạ điện (hy sinh).

• Đối với chất nền không phải thép không gỉ:
• Các chiến lược bảo vệ bao gồm lựa chọn hợp kim phủ (công thức Zn–Al–Mg), khối lượng phủ (ZA150 so với ZA200), sơn hoặc lớp phủ chuyển đổi trên lớp ZA và xử lý cạnh.
• Khối lượng lớp phủ dày hơn (ZA200) làm tăng tuổi thọ trong cùng một môi trường vì có nhiều vật liệu hy sinh hơn và lớp chắn chắc chắn hơn.
• Chỉ số thép không gỉ (PREN) không áp dụng:
• Đối với hợp kim không gỉ, PREN đánh giá khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$
• Các sản phẩm phủ ZA không phải là thép không gỉ; do đó PREN không liên quan đến ZA150/ZA200.
• Hướng dẫn thực tế:
• Chọn ZA200 cho môi trường ngoài trời hoặc ven biển khắc nghiệt hơn nếu có thể tăng khối lượng lớp phủ và có thể bổ sung hợp kim (ví dụ: bổ sung Mg).
• Đối với hệ thống sơn, lớp phủ ZA chất lượng cao hơn mang lại khả năng bám dính và rào cản tốt hơn trong thời gian dài.

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

• Cắt (cắt, laser, plasma):
• Lớp phủ dày hơn (ZA200) có thể tạo ra nhiều xỉ hơn và ảnh hưởng đến chất lượng cạnh. Các thông số cắt laser cần được điều chỉnh để tính đến thành phần và độ dày của lớp phủ.
• Tạo hình và uốn cong:
• ZA150 thường có khả năng định hình tốt hơn ở những bộ phận có độ gia công cao do độ dày lớp phủ thấp hơn và lớp kim loại liên kết mỏng hơn; ZA200 có thể dễ bị nứt lớp phủ và tạo thành bột ở những khúc cua hẹp.
• Sử dụng phiếu thử nghiệm cho các hoạt động tạo hình quan trọng để xác nhận hành vi phủ dưới ứng suất mong muốn.
• Khả năng gia công:
• Các sản phẩm phủ thường được cắt hoặc đục lỗ trước khi gia công nhiều; có thể gia công qua lớp phủ nhưng sẽ làm mòn dụng cụ thêm và cần kiểm soát phoi đối với hợp kim kẽm.
• Hoàn thiện:
• Hệ thống sơn có khả năng kết dính hiệu quả với lớp phủ Zn–Al, nhưng việc chuẩn bị bề mặt và xử lý thụ động rất quan trọng để có chất lượng hoàn thiện đồng nhất.

8. Ứng dụng điển hình

ZA150 (lớp phủ nhẹ hơn)	ZA200 (lớp phủ dày hơn)
Khung thiết bị nội thất, ống dẫn HVAC trong nhà, tấm sơn có môi trường được kiểm soát	Mái nhà và mặt tiền bên ngoài trong môi trường có mức độ xâm thực vừa phải
Tấm ốp bên trong ô tô có khả năng định hình và sơn là rất quan trọng	Viền xây dựng, máng xối và tấm kim loại che chắn bên ngoài cần thời gian chống ăn mòn kéo dài
Các bộ phận dập nhẹ, trong đó chi phí được ưu tiên hơn tuổi thọ tối đa	Biển báo ngoài trời, các công trình ven biển hoặc công nghiệp cần được bảo vệ thêm

Cơ sở lựa chọn: - Chọn ZA150 khi yêu cầu chính là khả năng tạo hình cao, chi phí thấp hơn và khả năng bảo vệ đầy đủ cho môi trường ôn hòa. - Chọn ZA200 khi ưu tiên kéo dài tuổi thọ chống ăn mòn, dự trữ hy sinh dày hơn và tác động ngăn chặn mạnh mẽ hơn mặc dù chi phí cao hơn một chút và khả năng giảm hiệu suất tạo hình nghiêm trọng.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Các yếu tố chi phí:
• Khối lượng lớp phủ (ZA200 > ZA150) — tiêu thụ nhiều hợp kim hơn, chi phí vật liệu cao hơn.
• Độ phức tạp của hợp kim (thêm Al/Mg sẽ làm tăng chi phí).
• Xử lý và chứng nhận nhà cung cấp.
• Khả dụng:
• Cả ZA150 và ZA200 đều có sẵn tại các nhà máy tráng cuộn và trung tâm dịch vụ lớn dưới dạng tấm/cuộn tiêu chuẩn. Các công thức hợp kim tùy chỉnh hoặc lớp phủ rất dày có thể là yếu tố quyết định thời gian giao hàng.
• Các hình thức sản phẩm:
• Thường được cung cấp dưới dạng cuộn, tấm và cuộn phủ sơn sẵn (PPCP). Lớp phủ dày hơn có thể ít phổ biến hơn ở các cỡ mỏng hơn hoặc trong các biến thể hợp kim đặc biệt.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng: So sánh nhanh

Đặc điểm	ZA150	ZA200
Khả năng hàn (thực tế)	Dễ dàng hơn (ít kẽm hơn khi hàn)	Thách thức hơn (bốc hơi kẽm nhiều hơn)
Độ bền – Độ dẻo dai (chất nền)	Kiểm soát chất nền; tương tự	Kiểm soát chất nền; tương tự
Bảo vệ chống ăn mòn	Tuổi thọ thấp hơn ZA200	Dự trữ hy sinh cao hơn và tuổi thọ dài hơn
Khả năng định hình	Tốt hơn cho việc tạo hình nghiêm ngặt	Giảm đối với quá trình tạo hình nghiêm trọng (nguy cơ nứt lớp phủ cao hơn)
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn

Khuyến nghị: - Chọn ZA150 nếu: - Bạn cần khả năng định hình vượt trội và bán kính uốn cong chặt chẽ ở các tấm hoặc các bộ phận dập. - Môi trường dịch vụ ở mức độ nhẹ đến trung bình và việc tối ưu hóa chi phí là quan trọng. - Quản lý tần suất hàn và chất lượng mối hàn giúp giảm khối lượng lớp phủ. - Chọn ZA200 nếu: - Cần thời gian chống ăn mòn trong khí quyển dài hơn (môi trường ngoài trời, ven biển hoặc công nghiệp). - Thiết kế ưu tiên độ bền của lớp phủ và giảm thiểu bảo trì hơn là tăng chi phí không đáng kể. - Giảm thiểu các mối hàn hoặc tối ưu hóa quy trình hàn để xử lý hàm lượng kẽm cao hơn.

Lưu ý cuối cùng: ZA150 và ZA200 được đánh giá tốt nhất khi xét đến hệ thống phủ thay vì các loại thép nền riêng biệt. Đối với các dự án quan trọng, hãy yêu cầu bảng dữ liệu của nhà cung cấp hiển thị khối lượng lớp phủ danh nghĩa (g/m²), thành phần hợp kim chi tiết của lớp phủ, dữ liệu thử nghiệm độ bám dính và ăn mòn, và thực hiện các thử nghiệm tạo hình/hàn với vật liệu có ý định sản xuất trước khi lựa chọn cuối cùng.