Thép mạ kẽm: Tính chất và ứng dụng chính

Thép mạ kẽm, còn được gọi là thép tấm mạ kẽm, là một loại thép phủ kết hợp những lợi ích của quá trình mạ kẽm với các đặc tính của lớp phủ hợp kim kẽm-sắt. Loại thép này chủ yếu được phân loại là thép mềm ít cacbon, được đặc trưng bởi tính dẻo và khả năng hàn. Các nguyên tố hợp kim chính trong thép mạ kẽm bao gồm sắt (Fe) và kẽm (Zn), với quy trình phủ bao gồm việc áp dụng một lớp kẽm sau đó là xử lý nhiệt để khuếch tán kẽm vào chất nền sắt, tạo thành hợp kim kẽm-sắt.

Tổng quan toàn diện

Thép mạ kẽm nổi tiếng với khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, là kết quả trực tiếp của lớp phủ kẽm. Quá trình mạ kẽm làm tăng độ bám dính của lớp phủ với lớp nền thép, khiến nó đặc biệt phù hợp với các ứng dụng mà khả năng sơn và khả năng chống ăn mòn là rất quan trọng. Các đặc tính vốn có của thép mạ kẽm bao gồm khả năng định hình tốt, khả năng hàn và bề mặt nhẵn, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng ô tô và thiết bị gia dụng.

Ưu điểm (Pros)	Hạn chế (Nhược điểm)
Khả năng chống ăn mòn tuyệt vời	Hiệu suất nhiệt độ cao hạn chế
Khả năng sơn và bề mặt hoàn thiện tốt	Dễ bị rỉ sét trắng nếu không được xử lý đúng cách
Khả năng hàn cao	Khả năng giòn trong quá trình hàn
Hiệu quả về mặt chi phí cho sản xuất hàng loạt	Giới hạn trong các ứng dụng cụ thể do tính chất cơ học

Theo truyền thống, thép mạ kẽm đã đạt được sức hút đáng kể trong ngành công nghiệp ô tô, nơi nó được sử dụng cho các tấm thân xe và các thành phần cấu trúc do sự cân bằng giữa độ bền, trọng lượng và khả năng chống ăn mòn. Vị thế thị trường của nó rất mạnh, đặc biệt là ở các khu vực có quy định nghiêm ngặt về môi trường.

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
Tiêu chuẩn ASTM	A653/A653M	Hoa Kỳ	Thép mạ kẽm nhúng nóng, có sẵn tùy chọn mạ kẽm
Tiêu chuẩn Nhật Bản	G3302	Nhật Bản	Tương tự như ASTM A653, với các tiêu chuẩn cụ thể của Nhật Bản
VI	10346	Châu Âu	Tiêu chuẩn Châu Âu cho tấm thép phủ nhúng nóng liên tục
Tiêu chuẩn ISO	3574	Quốc tế	Bao gồm các tấm thép mạ kẽm nhúng nóng và thép mạ kẽm

Sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn này thường nằm ở các yêu cầu cụ thể về độ dày lớp phủ, tính chất cơ học và phương pháp thử nghiệm. Ví dụ, trong khi ASTM A653 tập trung vào các tính chất chung của thép mạ kẽm, EN 10346 có thể có các yêu cầu nghiêm ngặt hơn về khả năng chống ăn mòn và tính đồng nhất của lớp phủ.

Thuộc tính chính

Thành phần hóa học

Nguyên tố (Biểu tượng)	Phạm vi phần trăm (%)
Sắt (Fe)	Sự cân bằng
Kẽm (Zn)	0,8 - 1,5
Cacbon (C)	0,05 - 0,15
Mangan (Mn)	0,3 - 0,6
Phốt pho (P)	≤ 0,04
Lưu huỳnh (S)	≤ 0,05

Kẽm đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường khả năng chống ăn mòn, trong khi mangan góp phần tạo nên độ bền và độ cứng của thép. Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đến độ dẻo và độ bền của thép, khiến nó trở thành yếu tố quan trọng trong việc xác định các tính chất cơ học của thép mạ kẽm.

Tính chất cơ học

Tài sản	Tình trạng/Tính khí	Nhiệt độ thử nghiệm	Giá trị/Phạm vi điển hình (Đơn vị đo lường)	Giá trị/Phạm vi điển hình (Anh)	Tiêu chuẩn tham chiếu cho phương pháp thử nghiệm
Độ bền kéo	Ủ	Nhiệt độ phòng	270 - 450MPa	39 - 65 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Cường độ chịu kéo (độ lệch 0,2%)	Ủ	Nhiệt độ phòng	200 - 300MPa	29 - 44 ksi	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ giãn dài	Ủ	Nhiệt độ phòng	25-40%	25-40%	Tiêu chuẩn ASTM E8
Độ cứng (Brinell)	Ủ	Nhiệt độ phòng	120 - 180 HB	120 - 180 HB	Tiêu chuẩn ASTM E10
Sức mạnh tác động (Charpy)	Ủ	-20°C	30 - 50J	22 - 37 ft-lbf	Tiêu chuẩn ASTM E23

Tính chất cơ học của thép mạ kẽm làm cho nó phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ bền vừa phải và độ dẻo tốt. Khả năng chịu biến dạng mà không bị gãy của nó là điều cần thiết cho các quy trình tạo hình trong sản xuất ô tô.

Tính chất vật lý

Tài sản	Điều kiện/Nhiệt độ	Giá trị (Đơn vị đo lường)	Giá trị (Anh)
Tỉ trọng	Nhiệt độ phòng	7,85g/cm³	0,284 lb/in³
Điểm nóng chảy	-	420 - 460 °C	788 - 860 °F
Độ dẫn nhiệt	Nhiệt độ phòng	50 W/m·K	34,5 BTU·in/h·ft²·°F
Nhiệt dung riêng	Nhiệt độ phòng	0,46 kJ/kg·K	0,11 BTU/lb·°F
Điện trở suất	Nhiệt độ phòng	0,000001Ω·m	0,000001 Ω·trong

Mật độ của thép mạ kẽm góp phần vào cân nhắc về trọng lượng của nó trong các ứng dụng ô tô, trong khi độ dẫn nhiệt của nó rất quan trọng đối với các quy trình xử lý nhiệt. Nhiệt dung riêng cho biết vật liệu sẽ phản ứng như thế nào với những thay đổi nhiệt độ trong quá trình xử lý.

Chống ăn mòn

Chất ăn mòn	Sự tập trung (%)	Nhiệt độ (°C)	Xếp hạng sức đề kháng	Ghi chú
Nước mặn	3,5	25	Tốt	Nguy cơ rỗ
Axit axetic	5	20	Hội chợ	Dễ bị ăn mòn cục bộ
Axit sunfuric	10	25	Nghèo	Không khuyến khích
Clorua	1	30	Hội chợ	Nguy cơ nứt do ăn mòn ứng suất

Thép mạ kẽm có khả năng chống ăn mòn trong khí quyển tốt và đặc biệt hiệu quả trong môi trường tiếp xúc vừa phải với clorua. Tuy nhiên, thép này dễ bị ăn mòn cục bộ trong môi trường axit, có thể dẫn đến rỗ và nứt do ăn mòn ứng suất. So với các loại thép khác, chẳng hạn như thép mạ kẽm hoặc thép không gỉ, thép mạ kẽm có khả năng cân bằng giữa khả năng chống ăn mòn và hiệu quả về chi phí, khiến thép này trở thành lựa chọn ưu tiên trong nhiều ứng dụng.

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	Thích hợp cho nhiệt độ vừa phải
Nhiệt độ dịch vụ gián đoạn tối đa	300	572	Có thể tiếp xúc trong thời gian ngắn
Nhiệt độ đóng băng	400	752	Nguy cơ oxy hóa vượt quá nhiệt độ này
Cân nhắc về sức bền biến dạng	300	572	Bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ cao

Thép mạ kẽm vẫn giữ được tính toàn vẹn về mặt cấu trúc ở nhiệt độ vừa phải, phù hợp với các ứng dụng có thể tiếp xúc với nhiệt. Tuy nhiên, tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ trên 200 °C có thể dẫn đến quá trình oxy hóa và xuống cấp lớp phủ.

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	Sự kết hợp và thâm nhập tốt
TIG	ER70S-2	Khí Argon	Làm sạch mối hàn với lượng bắn tóe tối thiểu
Hàn điểm	Không có	Không có	Tuyệt vời cho các tấm mỏng

Thép mạ kẽm có khả năng hàn cao, phù hợp với nhiều quy trình hàn khác nhau. Có thể cần xử lý nhiệt trước và sau khi hàn để tránh các vấn đề như giòn. Xử lý đúng cách là điều cần thiết để ngăn ngừa ô nhiễm khu vực hàn.

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	Khả năng gia công vừa phải
Tốc độ cắt điển hình (Tiện)	30 m/phút	50 m/phút	Điều chỉnh dụng cụ để chống mài mòn

Thép mạ kẽm có khả năng gia công ở mức trung bình, có thể cải thiện bằng dụng cụ và tốc độ cắt phù hợp. Có thể phát sinh thách thức do lớp phủ, có thể làm mòn dụng cụ nhanh hơn thép không phủ.

Khả năng định hình

Thép mạ kẽm có khả năng định hình tuyệt vời, phù hợp với các quy trình định hình nóng và lạnh. Lớp phủ kẽm tăng cường khả năng định hình của vật liệu mà không bị nứt, mặc dù phải cẩn thận để tránh làm cứng quá mức.

Xử lý nhiệt

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

Các quy trình xử lý nhiệt như ủ và chuẩn hóa có thể thay đổi đáng kể cấu trúc vi mô của thép mạ kẽm, tăng cường độ dẻo và giảm ứng suất dư từ quá trình tạo hình.

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
Ô tô	Tấm thân xe	Khả năng chống ăn mòn, khả năng định hình	Nhẹ và bền
Thiết bị gia dụng	Máy giặt	Khả năng sơn, khả năng hàn	Hoàn thiện thẩm mỹ và tính toàn vẹn về cấu trúc
Sự thi công	Vật liệu lợp mái	Khả năng chống chịu thời tiết, sức mạnh	Độ bền và tuổi thọ
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
• • Sản xuất đồ nội thất
• • Thiết bị nông nghiệp

Trong ứng dụng ô tô, thép mạ kẽm được lựa chọn vì khả năng bám dính sơn và chống ăn mòn tuyệt vời, yếu tố quan trọng giúp duy trì tính thẩm mỹ và tính toàn vẹn về mặt chức năng của xe theo thời gian.

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

Tính năng/Thuộc tính	[Thép mạ kẽm]	[Lớp thay thế 1]	[Lớp thay thế 2]	Ghi chú ngắn gọn về Ưu/Nhược điểm hoặc Đánh đổi
Tính chất cơ học chính	Sức mạnh vừa phải	Cường độ cao (HSLA)	Độ mạnh thấp hơn (Nhẹ)	Sự cân bằng giữa sức mạnh và trọng lượng
Góc nhìn ăn mòn chính	Tốt	Tuyệt vời (Không gỉ)	Hội chợ	Chi phí so với hiệu suất trong môi trường ăn mòn
Khả năng hàn	Cao	Vừa phải	Cao	Xem xét phương pháp chế tạo
Khả năng gia công	Vừa phải	Cao	Thấp	Chi phí gia công và tỷ lệ hao mòn
Khả năng định hình	Xuất sắc	Tốt	Hội chợ	Yêu cầu cụ thể của ứng dụng
Chi phí tương đối xấp xỉ	Vừa phải	Cao	Thấp	Ràng buộc ngân sách so với nhu cầu hiệu suất
Khả năng cung cấp điển hình	Cao	Vừa phải	Cao	Những cân nhắc về chuỗi cung ứng

Khi lựa chọn thép mạ kẽm, cần cân nhắc các yếu tố như hiệu quả về chi phí, tính khả dụng và các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Sự cân bằng các đặc tính của nó khiến nó trở thành lựa chọn linh hoạt cho nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là nơi mà khả năng chống ăn mòn và khả năng định hình là điều cần thiết. Ngoài ra, các đặc tính từ tính của thép có thể có lợi trong một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như các thành phần điện.

Tóm lại, thép mạ kẽm cung cấp sự kết hợp độc đáo của các đặc tính khiến nó phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong các môi trường mà khả năng chống ăn mòn và hoàn thiện thẩm mỹ là tối quan trọng. Ý nghĩa lịch sử của nó trong ngành công nghiệp ô tô và thiết bị gia dụng nhấn mạnh tầm quan trọng của nó trong sản xuất hiện đại.