Thép mạ kẽm (có lớp phủ): Tính chất và ứng dụng chính

Thép mạ kẽm, thường được gọi là thép phủ, là một loại thép được phủ một lớp kẽm để tăng khả năng chống ăn mòn. Loại thép này chủ yếu được phân loại là thép mềm ít cacbon, được biết đến với độ dẻo và khả năng hàn. Quá trình mạ kẽm bao gồm mạ kẽm nhúng nóng hoặc mạ kẽm điện, cả hai đều cung cấp một lớp kẽm bảo vệ giúp chống gỉ và kéo dài tuổi thọ của thép.

Tổng quan toàn diện

Thép mạ kẽm có đặc điểm là khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, chủ yếu là do lớp phủ kẽm bảo vệ đóng vai trò như một rào cản chống lại các yếu tố môi trường. Nguyên tố hợp kim chính trong thép mạ kẽm là kẽm, khi tiếp xúc với độ ẩm, kẽm sẽ tạo thành một lớp oxit kẽm bảo vệ ngăn chặn sự ăn mòn thêm của thép bên dưới.

Đặc điểm chính:
- Chống ăn mòn: Lớp mạ kẽm tạo thành lớp bảo vệ giúp thép không bị gỉ.
- Độ dẻo và khả năng hàn: Hàm lượng carbon thấp giúp dễ chế tạo và hàn.
- Hoàn thiện bề mặt: Thép mạ kẽm có bề mặt sáng bóng, thẩm mỹ, thường được ưa chuộng trong các ứng dụng kiến ​​trúc.

Thuận lợi:
- Tuổi thọ kéo dài: Thép mạ kẽm có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ mà không bị ăn mòn đáng kể.
- Tiết kiệm chi phí: Khoản đầu tư ban đầu vào thép mạ kẽm có thể được bù đắp bằng tuổi thọ cao và chi phí bảo trì thấp hơn.
- Tính linh hoạt: Thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ xây dựng đến ô tô.

Hạn chế:
- Độ nhạy nhiệt độ: Lớp phủ kẽm có thể bị phân hủy ở nhiệt độ cao, hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao.
- Hư hỏng bề mặt: Các vết xước hoặc mài mòn có thể làm lộ lớp thép bên dưới, dẫn đến ăn mòn cục bộ.
- Trọng lượng: Lớp mạ kẽm bổ sung làm tăng trọng lượng của thép, điều này có thể cần cân nhắc trong một số ứng dụng nhất định.

Trong lịch sử, thép mạ kẽm đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng và ô tô, nơi độ bền và khả năng chống chịu các yếu tố môi trường là tối quan trọng.

Tên thay thế, Tiêu chuẩn và Tương đương

Tổ chức tiêu chuẩn	Chỉ định/Cấp bậc	Quốc gia/Khu vực xuất xứ	Ghi chú/Nhận xét
Liên Hiệp Quốc	G90	Hoa Kỳ	Tương đương gần nhất về khả năng chống ăn mòn
Tiêu chuẩn ASTM	A653/A653M	Hoa Kỳ	Tiêu chuẩn cho thép mạ kẽm nhúng nóng
VI	10346	Châu Âu	Tiêu chuẩn Châu Âu cho thép mạ kẽm liên tục
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G3302	Nhật Bản	Tiêu chuẩn Nhật Bản cho thép mạ kẽm nhúng nóng
Tiêu chuẩn ISO	1461	Quốc tế	Tiêu chuẩn cho lớp phủ mạ kẽm nhúng nóng

Sự khác biệt giữa các cấp độ tương đương có thể ảnh hưởng đến hiệu suất, đặc biệt là về khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học. Ví dụ, G90 cung cấp lớp phủ kẽm dày hơn so với G60, điều này có thể rất quan trọng trong môi trường có khả năng ăn mòn cao.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Ký hiệu và Tên)	Phạm vi phần trăm (%)
C (Cacbon)	0,05 - 0,25
Mn (Mangan)	0,30 - 0,60
P (Phốt pho)	≤ 0,04
S (Lưu huỳnh)	≤ 0,05
Zn (Kẽm)	90 - 98 (lớp phủ)

Vai trò chính của kẽm trong thép mạ kẽm là cung cấp khả năng chống ăn mòn. Carbon và mangan góp phần tạo nên độ bền và độ dẻo của thép, trong khi phốt pho và lưu huỳnh được kiểm soát để duy trì khả năng hàn và giảm độ giòn.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị mét - SI)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	270 - 450MPa	39 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	200 - 350MPa	29 - 51 kilômét	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	20-30%	20-30%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	Ủ	120 - 180 HB	120 - 180 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động (Charpy)	-20°C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự kết hợp của các tính chất cơ học này làm cho thép mạ kẽm phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ dẻo tốt, chẳng hạn như các bộ phận kết cấu và phụ tùng ô tô.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị mét - SI)	Giá trị (Đơn vị Anh)
Tỉ trọng	-	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Độ dẫn nhiệt	20 °C	50 W/m·K	34,5 BTU·in/(hr·ft²·°F)
Nhiệt dung riêng	-	0,49 kJ/kg·K	0,12 BTU/lb·°F
Điện trở suất	-	0,0000017 Ω·m	0,0000017 Ω·trong

Các tính chất vật lý quan trọng như mật độ và độ dẫn nhiệt rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi trọng lượng và khả năng tản nhiệt, chẳng hạn như trong hệ thống HVAC và các bộ phận ô tô.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C/°F)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước mặn	3,5	25/77	Hội chợ	Nguy cơ rỗ
Axit axetic	5	20/68	Nghèo	Dễ bị SCC
Axit sunfuric	10	25/77	Không khuyến khích	Ăn mòn nhanh

Thép mạ kẽm có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển và nước mặn tuyệt vời, lý tưởng cho các ứng dụng ngoài trời. Tuy nhiên, thép này dễ bị ăn mòn trong môi trường axit, có thể dẫn đến sự xuống cấp nhanh chóng. So với thép không gỉ, thép mạ kẽm kém chống lại các tác nhân ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.

Khả năng chịu nhiệt

Tài sản/Giới hạn	Nhiệt độ (°C)	Nhiệt độ (°F)	Nhận xét
Nhiệt độ dịch vụ liên tục tối đa	200	392	Ngoài ra, kẽm bắt đầu bị oxy hóa
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	300	572	Tiếp xúc trong thời gian ngắn là chấp nhận được
Nhiệt độ đóng băng	400	752	Nguy cơ mất kẽm ở nhiệt độ cao hơn

Ở nhiệt độ cao, thép mạ kẽm có thể mất lớp phủ kẽm bảo vệ, làm giảm khả năng chống ăn mòn. Điều này khiến thép không phù hợp cho các ứng dụng nhiệt độ cao nếu không có biện pháp bảo vệ bổ sung.

Tính chất chế tạo

Khả năng hàn

Quy trình hàn	Kim loại phụ gia được đề xuất (Phân loại AWS)	Khí/Nhiệt che chắn điển hình	Ghi chú
MIG	ER70S-6	Argon/CO2	Tốt cho các phần mỏng
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Cung cấp mối hàn sạch
Dán	E7018	-	Yêu cầu làm nóng trước cho các phần dày

Thép mạ kẽm có thể được hàn bằng nhiều phương pháp khác nhau, nhưng phải cẩn thận để tránh quá nhiệt, có thể dẫn đến hiện tượng kẽm bốc hơi và lỗi mối hàn. Có thể cần phải làm nóng trước đối với các phần dày hơn để đảm bảo sự hợp nhất thích hợp.

Khả năng gia công

Thông số gia công	Thép mạ kẽm	AISI 1212	Ghi chú/Mẹo
Chỉ số khả năng gia công tương đối	60	100	Khó hơn do lớp phủ
Tốc độ cắt điển hình (quay)	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh độ dày lớp phủ

Gia công thép mạ kẽm có thể gặp khó khăn do lớp phủ kẽm, có thể làm mòn dụng cụ cắt nhanh hơn thép không phủ. Sử dụng dụng cụ sắc và tốc độ cắt phù hợp có thể giảm thiểu những vấn đề này.

Khả năng định hình

Thép mạ kẽm có khả năng định hình tốt, phù hợp với các quy trình định hình nguội và nóng. Tuy nhiên, lớp phủ kẽm có thể ảnh hưởng đến bán kính uốn và phải cẩn thận để tránh nứt trong quá trình định hình.

Xử lý nhiệt

Quy trình điều trị	Phạm vi nhiệt độ (°C/°F)	Thời gian ngâm điển hình	Phương pháp làm mát	Mục đích chính / Kết quả mong đợi
Ủ	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 giờ	Không khí	Cải thiện độ dẻo và giảm độ cứng
Chuẩn hóa	800 - 900 / 1472 - 1652	1 - 2 giờ	Không khí	Tinh chỉnh cấu trúc hạt

Các quy trình xử lý nhiệt có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép mạ kẽm, tăng cường các tính chất cơ học của nó. Ví dụ, ủ có thể cải thiện độ dẻo, giúp dễ gia công hơn trong chế tạo.

Ứng dụng điển hình và mục đích sử dụng cuối cùng

Ngành/Lĩnh vực	Ví dụ ứng dụng cụ thể	Các tính chất chính của thép được sử dụng trong ứng dụng này	Lý do lựa chọn (Tóm tắt)
Sự thi công	Tấm lợp mái	Khả năng chống ăn mòn, độ dẻo	Sử dụng ngoài trời lâu dài
Ô tô	Tấm thân xe	Sức mạnh, khả năng định hình	Nhẹ và bền
Nông nghiệp	Đấu kiếm	Khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn	Tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt
Hệ thống HVAC	Ống gió	Độ dẫn nhiệt, khả năng chống ăn mòn	Truyền nhiệt hiệu quả

Các ứng dụng khác bao gồm:
- Vỏ điện: Bảo vệ chống ẩm và ăn mòn.
- Đồ nội thất: Tính thẩm mỹ và độ bền.
- Ống và ống dẫn: Chống gỉ trong các ứng dụng hệ thống ống nước.

Thép mạ kẽm được lựa chọn cho các ứng dụng này vì có độ bền, khả năng chống ăn mòn và hiệu quả về mặt chi phí, lý tưởng cho các môi trường có nguy cơ tiếp xúc với độ ẩm.

Những cân nhắc quan trọng, Tiêu chí lựa chọn và những hiểu biết sâu sắc hơn

Tính năng/Thuộc tính	Thép mạ kẽm	Thép không gỉ	Thép Cacbon	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức mạnh vừa phải	Độ bền cao	Biến đổi	Mạ kẽm kém bền hơn thép không gỉ
Góc nhìn ăn mòn chính	Tốt	Xuất sắc	Nghèo	Mạ kẽm thích hợp cho tiếp xúc vừa phải
Khả năng hàn	Tốt	Xuất sắc	Tốt	Mạ kẽm cần được chăm sóc cẩn thận để tránh khuyết tật
Khả năng gia công	Vừa phải	Tốt	Cao	Lớp phủ có thể làm mòn dụng cụ nhanh hơn
Khả năng định hình	Tốt	Vừa phải	Tốt	Lớp phủ kẽm ảnh hưởng đến độ uốn
Chi phí tương đối xấp xỉ	Thấp	Cao	Thấp	Mạ kẽm có hiệu quả về mặt chi phí
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Vừa phải	Cao	Có sẵn rộng rãi ở nhiều dạng khác nhau

Khi lựa chọn thép mạ kẽm, cần cân nhắc đến hiệu quả về mặt chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Sự cân bằng về các đặc tính của nó khiến nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho nhiều ngành công nghiệp, mặc dù phải thừa nhận những hạn chế của nó trong môi trường nhiệt độ cao và có tính axit. Ngoài ra, cần lưu ý đến các cân nhắc về an toàn liên quan đến việc xử lý vật liệu mạ kẽm, đặc biệt là trong quá trình hàn, để tránh tiếp xúc với khói kẽm.

Tóm lại, thép mạ kẽm là vật liệu có giá trị cao trong kỹ thuật và xây dựng hiện đại, cung cấp sự kết hợp độc đáo các đặc tính khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Ý nghĩa lịch sử và sự liên quan liên tục trong nhiều lĩnh vực nhấn mạnh tầm quan trọng của nó trong khoa học vật liệu và kỹ thuật.