ZF70 so với ZF140 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

ZF70 và ZF140 là các loại thép cacbon/hợp kim thấp được xử lý bề mặt, thường được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu, ô tô và chế tạo nói chung, nơi yêu cầu khả năng chống ăn mòn từ lớp phủ kim loại. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường cân nhắc giữa các đặc tính cơ học của vật liệu nền, độ bền bề mặt, khả năng sản xuất và chi phí vòng đời khi lựa chọn giữa hai loại vật liệu này. Bối cảnh quyết định điển hình bao gồm việc cân bằng khả năng chống ăn mòn do khí quyển hoặc ăn mòn khi vận chuyển (và do đó là độ bền của lớp phủ) với chi phí đơn vị, khả năng định hình và các hạn chế về quy trình hàn.

Sự khác biệt chính về vận hành giữa hai loại nằm ở lượng lớp phủ kim loại được áp dụng cho thép nền: một biến thể có lớp phủ bảo vệ nhiều hơn đáng kể so với biến thể kia, ảnh hưởng đến tuổi thọ bề mặt, khả năng chống mài mòn và một số cân nhắc về chế tạo. Vì kim loại nền của cả hai nhãn sản phẩm có thể rất giống nhau, nên chúng thường được so sánh chủ yếu dựa trên khả năng bảo vệ bề mặt, tuổi thọ và chi phí trên một đơn vị diện tích hơn là dựa trên thành phần hóa học cơ bản của hợp kim khối.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• Các tiêu chuẩn chính có thể chi phối thép nền và lớp phủ:
• EN (Tiêu chuẩn Châu Âu) — ví dụ, EN 10147 (thép mạ kẽm), EN 10346 (thép phủ liên tục)
• ASTM/ASME — nhiều thông số kỹ thuật ASTM khác nhau cho lớp phủ mạ kẽm và thép cacbon
• JIS — Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản cho thép phủ
• GB — Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc về thép phủ
• Phân loại:
• ZF70 và ZF140 được mô tả tốt nhất là thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp có lớp phủ bảo vệ kim loại (tức là thép phủ). Chúng không phải là loại thép không gỉ; cũng không phải là thép dụng cụ hay loại dụng cụ hợp kim cường độ cao theo định nghĩa. Vật liệu nền có thể là thép cacbon thường, thép không có khe hở (IF) hoặc thép hợp kim thấp có giới hạn chảy được kiểm soát, tùy thuộc vào nhà cung cấp và ứng dụng dự định.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng: vai trò điển hình của các nguyên tố đối với chất nền cacbon/hợp kim thấp được phủ (định tính)

Yếu tố	ZF70 (chất nền)	ZF140 (chất nền)	Chức năng / bình luận điển hình
C	thấp đến trung bình	thấp đến trung bình	Kiểm soát độ bền/độ cứng; C thấp hơn cải thiện khả năng hàn và khả năng tạo hình
Mn	thấp đến trung bình	thấp đến trung bình	Đóng góp sức mạnh và kiểm soát độ cứng
Si	dấu vết-thấp	dấu vết-thấp	Khử oxy hóa và cải thiện độ bám dính của lớp phủ trong một số quy trình
P	kiểm soát thấp	kiểm soát thấp	Giữ ở mức thấp để tăng độ dẻo dai và khả năng định hình
S	kiểm soát thấp	kiểm soát thấp	Giữ ở mức thấp; tạp chất sunfua làm giảm độ dẻo
Cr	thường không có dấu vết	thường không có dấu vết	Có mặt khi cần tăng cường khả năng làm cứng hoặc chống ăn mòn
Ni	thường không có dấu vết	thường không có dấu vết	Tăng thêm độ dẻo dai khi sử dụng
Mo	thường không có dấu vết	thường không có dấu vết	Cải thiện độ bền/khả năng làm cứng ở nhiệt độ cao khi được thêm vào
V, Nb, Ti	hợp kim vi mô có thể xảy ra	hợp kim vi mô có thể xảy ra	Hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường độ bền kéo trong các biến thể HSLA
B	theo dõi nếu có	theo dõi nếu có	Những bổ sung nhỏ có thể làm tăng khả năng tôi luyện
N	được kiểm soát	được kiểm soát	Có liên quan nếu liên quan đến hợp kim vi mô hoặc hợp kim không gỉ

Ghi chú: - Nhiều dòng sản phẩm thép phủ được xác định theo khối lượng lớp phủ và độ hoàn thiện bề mặt, trong khi lớp nền được cung cấp theo cấp độ hóa học/vi cấu trúc đã thỏa thuận. Thành phần chính xác thay đổi tùy theo nhà máy và dòng sản phẩm. - Chiến lược hợp kim hóa cho các chất nền này thường ưu tiên hợp kim hóa vi mô có hàm lượng carbon thấp và được kiểm soát để duy trì khả năng tạo hình, khả năng hàn và các đặc tính cơ học nhất quán sau khi phủ.

Hợp kim ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào: - Cacbon và mangan chủ yếu làm tăng độ bền và độ dẻo; tăng C và Mn làm tăng độ bền và khả năng làm cứng nhưng làm giảm khả năng hàn và khả năng tạo hình. - Các nguyên tố hợp kim vi mô (V, Nb, Ti) mang lại sự cải thiện về độ bền kéo thông qua quá trình kết tủa và tinh chế hạt mà không làm tăng đáng kể hàm lượng cacbon. - Hóa học lớp phủ và độ bám dính phụ thuộc vào lượng bổ sung nhỏ (ví dụ, hàm lượng Si) và quy trình phủ (mạ kẽm nhúng nóng, mạ điện liên tục hoặc quy trình Zn-Al).

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

• Cấu trúc vi mô điển hình: Đối với các loại thép phủ này, nền thường là ferit-pearlit hoặc ferit có kết tủa mịn (trong các biến thể HSLA). Cấu trúc vi mô được lựa chọn để cân bằng giữa khả năng định hình, độ bền và độ dẻo dai.
• Chuẩn hóa: Tạo ra cấu trúc ferit-pearlit mịn hơn, đồng đều hơn và có thể được sử dụng cho các ứng dụng có độ bền cao hơn. Chuẩn hóa có thể cải thiện độ dẻo dai và độ ổn định kích thước.
• Làm nguội & ram: Hiếm khi áp dụng cho thép xây dựng phủ thông thường vì các quy trình phủ và yêu cầu về khả năng định hình đòi hỏi điều kiện nền dẻo hơn. Tôi & ram được sử dụng khi cần độ bền cao hơn nhưng thường áp dụng cho các sản phẩm không phủ hoặc được xử lý đặc biệt.
• Xử lý nhiệt cơ học: Đối với các nền hợp kim thấp có độ bền cao, quá trình cán có kiểm soát và làm nguội nhanh tạo ra các vi cấu trúc ferit-bainit mịn, giúp tăng cường độ bền mà vẫn duy trì độ dẻo. Các nền này có thể được phủ sau, nhưng trình tự quy trình và tiếp xúc nhiệt là rất quan trọng để duy trì tính toàn vẹn của lớp phủ.
• Tác động của lớp phủ: Các quy trình phủ (nhúng nóng, mạ kẽm liên tục) áp dụng các chu kỳ nhiệt có thể làm giảm nhẹ hoặc thay đổi cấu trúc vi mô gần bề mặt. Máy cán kiểm soát quá trình ủ và làm mát để bảo toàn các mục tiêu cơ học của vật liệu nền.

4. Tính chất cơ học

Bảng: hành vi cơ học so sánh (định tính, phụ thuộc vào chất nền)

Tài sản	ZF70 (điển hình)	ZF140 (điển hình)	Bình luận
Độ bền kéo	Tương tự	Tương tự	Tính chất cơ học tổng thể phụ thuộc vào quá trình xử lý nhiệt và hóa học của chất nền hơn là khối lượng lớp phủ
Sức chịu lực	Tương tự	Tương tự	Hợp kim vi mô và gia công nguội quyết định năng suất nhiều hơn lớp phủ
Độ giãn dài	Tương tự	Tương tự	Độ dẻo được thúc đẩy bởi chất nền; lớp phủ nặng hơn có thể ảnh hưởng đôi chút đến độ dẻo của cạnh trong quá trình tạo hình
Độ bền va đập	Tương tự	Tương tự	Không bị ảnh hưởng mạnh bởi khối lượng lớp phủ nhưng bị ảnh hưởng bởi cấu trúc vi mô của chất nền
Độ cứng	Tương tự	Tương tự	Lớp phủ góp phần không đáng kể vào độ cứng tổng thể; độ cứng bề mặt khác nhau tùy theo vật liệu phủ

Giải thích: - Các khối lượng lớp phủ khác nhau không làm thay đổi đáng kể các đặc tính cơ học vốn có của nền thép. Do đó, việc lựa chọn độ bền hoặc độ dẻo dai nên dựa trên thông số kỹ thuật của nền thép chứ không chỉ dựa trên nhãn ZF70/ZF140. Bất kỳ sự khác biệt nhỏ nào về đặc tính tạo hình hoặc sự bắt đầu nứt bề mặt ở các cạnh có thể phát sinh từ độ dày và độ bám dính của lớp phủ, chứ không phải từ độ bền của nền thép.

5. Khả năng hàn

Các cân nhắc về khả năng hàn phụ thuộc vào lượng cacbon tương đương của nền và cách lớp phủ ảnh hưởng đến độ ổn định của hồ quang và khói. Các chỉ số hữu ích:

Hiển thị công thức: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - Hàm lượng cacbon thấp hơn và hợp kim được kiểm soát làm giảm khả năng nứt nguội và giòn do hydro; giữ $CE_{IIW}$ và $P_{cm}$ ở mức thấp nhất có thể để dễ hàn. - Lớp phủ kim loại tạo ra sự bốc hơi kẽm cục bộ trong quá trình hàn, có thể gây ra hiện tượng xốp và khói kẽm; việc loại bỏ lớp phủ tại khu vực hàn hoặc sử dụng các thông số hàn thích hợp là biện pháp phổ biến. - Lớp phủ nặng hơn (khối lượng lớp phủ lớn hơn) đòi hỏi phải làm sạch cạnh bổ sung hoặc điều chỉnh kỹ thuật hàn vì phải loại bỏ hoặc dịch chuyển nhiều lớp phủ hơn để có mối hàn tốt. - Làm nóng trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp phủ và lựa chọn chất độn phù hợp giúp giảm thiểu rủi ro ở các chất nền CE cao hơn hoặc khi không thể loại bỏ hoàn toàn tạp chất trong lớp phủ.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đối với thép không gỉ được phủ như ZF70 và ZF140, lớp phủ kim loại (thường là kẽm hoặc hợp kim kẽm) mang lại khả năng bảo vệ tạm thời và bảo vệ lớp chắn. Khối lượng lớp phủ lớn hơn sẽ kéo dài thời gian bắt đầu ăn mòn nền và cải thiện khả năng chống mài mòn cơ học và hư hỏng do vận chuyển.
• Khi đánh giá hiệu suất ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt, hãy xem xét cơ chế phá vỡ cục bộ, bảo vệ cạnh và nhu cầu thụ động hóa hoặc sơn sau khi phủ.
• Chỉ áp dụng cho thép không gỉ, PREN: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N} $$ Chỉ số này không áp dụng cho thép cacbon tráng kẽm; chỉ sử dụng khi đánh giá hợp kim không gỉ thực sự.
• Hệ thống sơn phủ có thể được tăng cường bằng lớp phủ hữu cơ, chất ức chế hoặc lớp phủ chuyển đổi để kéo dài tuổi thọ, đặc biệt là trong môi trường ven biển hoặc công nghiệp.

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

• Cắt và gia công: Khả năng gia công của vật liệu nền tuân theo tiêu chuẩn carbon/hợp kim thấp. Lớp phủ kim loại có thể làm tắc dụng cụ hoặc ảnh hưởng đến độ hoàn thiện bề mặt; các chiến lược về dụng cụ và chất làm mát cần tính đến điều này.
• Tạo hình và uốn: Lớp phủ nặng hơn làm thay đổi ma sát và có thể làm nứt lớp phủ ở những chỗ uốn cong gấp; các cửa sổ quy trình (bán kính uốn tối thiểu, hình dạng khuôn/đục) phải xem xét đến độ dẻo và độ bám dính của lớp phủ. Lớp phủ nặng hơn loại ZF140 sẽ dễ dàng bị mất liên tục khi tạo hình mạnh, trừ khi được thiết kế cho mục đích này.
• Hoàn thiện bề mặt: Lớp phủ dày hơn có khả năng chống chịu sau xử lý tốt hơn nhưng có thể đòi hỏi việc cắt cạnh và bảo dưỡng dao cắt cẩn thận hơn. Độ bám dính của sơn và lớp phủ điện phân có thể phụ thuộc vào thành phần hóa học của lớp phủ và việc chuẩn bị bề mặt.

8. Ứng dụng điển hình

ZF70 (sử dụng thông thường)	ZF140 (sử dụng thông thường)
Các thành phần cấu trúc nhẹ tiếp xúc với môi trường nhẹ (giá đỡ trong nhà, viền)	Các thành phần kết cấu ngoài trời, các yếu tố mặt tiền và các bộ phận dự kiến ​​sẽ thường xuyên bị xử lý hoặc mài mòn
Tấm ốp bên trong ô tô, các bộ phận có lớp phủ mỏng hơn và khả năng định hình là rất quan trọng	Các bộ phận khung gầm, giá đỡ gầm xe hoặc các bộ phận cần kéo dài tuổi thọ chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt hơn
Chế tạo chung trong đó chi phí và dễ dàng tạo hình/hàn là ưu tiên hàng đầu	Các ứng dụng yêu cầu khoảng thời gian bảo trì dài hơn và khả năng xử lý/chống ăn mòn mạnh mẽ hơn

Cơ sở lựa chọn: - Chọn lớp phủ nhẹ hơn khi yêu cầu độ phức tạp khi tạo hình, khả năng hàn hoặc chi phí ban đầu thấp nhất và hạn chế tiếp xúc với môi trường. - Chọn lớp phủ dày hơn khi cần kéo dài tuổi thọ chống ăn mòn, cải thiện khả năng bảo vệ hoặc khả năng chống mài mòn tốt hơn trong quá trình sử dụng và xử lý.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí tương đối: Các sản phẩm phủ dày hơn có chi phí đơn vị trên mỗi diện tích cao hơn do vật liệu phủ bổ sung và thời gian xử lý. Tính kinh tế theo quy mô và hàng tồn kho của nhà cung cấp ảnh hưởng đến giá cuối cùng.
• Tính khả dụng theo dạng sản phẩm: Cả hai loại lớp phủ này thường được cung cấp dưới dạng cuộn, tấm và dạng sơn sẵn. Thời gian giao hàng có thể thay đổi tùy theo nhu cầu khu vực và năng lực của nhà cung cấp; các loại sơn phủ dày hơn có thể có thời gian giao hàng lâu hơn một chút nếu lượng hàng tồn kho ít hơn.
• Mẹo mua sắm: Chỉ định rõ khối lượng lớp phủ, lớp bám dính và tính chất cơ học của chất nền để tránh sự mơ hồ trong các đề nghị của nhà cung cấp.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Tiêu chí	ZF70	ZF140
Khả năng hàn	Tốt hơn về mặt thực tế vì ít lớp phủ phải loại bỏ ở các mối nối	Khó khăn hơn một chút do khối lượng lớp phủ cao hơn tại các vị trí hàn
Sức mạnh-Độ dẻo dai (chất nền)	Có thể so sánh (phụ thuộc vào chất nền)	Có thể so sánh (phụ thuộc vào chất nền)
Trị giá	Chi phí đơn vị ban đầu thấp hơn	Chi phí ban đầu cao hơn; tuổi thọ dài hơn có thể bù đắp chi phí

Kết luận và hướng dẫn: - Chọn ZF70 nếu: ứng dụng yêu cầu khả năng định hình tối đa và dễ hàn, mức độ tiếp xúc với môi trường ở mức trung bình và ưu tiên giảm thiểu chi phí vật liệu ban đầu. ZF70 thường được ưu tiên cho các ứng dụng dập phức tạp, tấm ốp nội thất ô tô và các cấu kiện kết cấu trong nhà. - Chọn ZF140 nếu: ứng dụng yêu cầu khả năng chống ăn mòn mở rộng, khả năng chống mài mòn/khả năng xử lý được cải thiện, hoặc giảm tần suất bảo trì trong môi trường ngoài trời hoặc môi trường khắc nghiệt. ZF140 phù hợp với các bộ phận kết cấu hở, các chi tiết gầm xe bên ngoài và các bộ phận dự kiến ​​sẽ bị mài mòn cơ học thường xuyên hoặc tiếp xúc lâu dài với môi trường ăn mòn.

Lưu ý cuối cùng: Vì tính chất hóa học và các yêu cầu cơ học của vật liệu nền có thể được xác định độc lập với khối lượng lớp phủ, hãy luôn xác định cả cấp thép nền (các yêu cầu về cơ học và hóa học) và khối lượng/hóa học lớp phủ cần thiết trong các tài liệu mua sắm và thiết kế. Điều này đảm bảo rằng biến thể ZF được chọn đáp ứng cả kỳ vọng về kết cấu và độ bền mà không chỉ dựa vào danh pháp.