Rodzaje powłok metalicznych na blasze stalowej i ich zamienność
Powłoka cynkowa nie jest jedynym sposobem zabezpieczenia blachy przed korozją i coraz rzadziej jest sposobem optymalnym. Norma EN 10346 definiuje sześć typów powłok nakładanych ogniowo w sposób ciągły, a EN 10152 dodaje powłokę nakładaną elektrolitycznie. Różnią się składem, odpornością korozyjną, zachowaniem na krawędziach ciętych, zakresem temperatury pracy i przydatnością pod lakierowanie. Przy tej samej gramaturze powłoka cynkowo-magnezowa traci grubość około 2,2 razy wolniej niż klasyczna powłoka cynkowa, co oznacza, że ZM310 daje ochronę porównywalną z Z600 przy niemal dwukrotnie mniejszej ilości metalu.
Znajomość tych różnic przestaje być wiedzą akademicką w momencie, gdy dostępność konkretnej gramatury na rynku jest ograniczona, a termin realizacji zamówienia goni.
Co definiuje norma
EN 10346 obejmuje wyroby płaskie powlekane ogniowo w sposób ciągły, przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno. Symbol powłoki określa jej skład, a pełne oznaczenie blachy łączy go z gatunkiem stali.
| Symbol | Nazwa | Skład wg normy |
|---|---|---|
| Z | powłoka cynkowa | minimum 99 procent cynku |
| ZF | cynk-żelazo, galvannealed | 8-12 procent żelaza, reszta cynk |
| ZA | cynk-aluminium, Galfan | około 5 procent aluminium, reszta cynk |
| ZM | cynk-aluminium-magnez | suma aluminium i magnezu 1,5-8 procent, minimum 0,2 procent magnezu |
| AZ | aluminium-cynk, aluzinc | 55 procent aluminium, 1,6 procent krzemu, reszta cynk |
| AS | aluminium-krzem, alusi | 8-11 procent krzemu, reszta aluminium |
Liczba po symbolu oznacza masę powłoki w gramach na metr kwadratowy, liczoną łącznie dla obu stron. Z275 to 275 g/m2, czyli około 20 µm na stronę. Dostępne gramatury obejmują dla powłoki cynkowej zakres od Z80 do Z725, dla cynkowo-magnezowej od ZM70 do ZM430, dla Galfanu od ZA095 do ZA300, dla powłoki aluminiowo-krzemowej od AS50 do AS240.
Odrębnie traktowana jest powłoka nakładana elektrolitycznie, objęta EN 10152. Oznaczenia opisują tu grubość na każdą stronę osobno: ZE25/25 to 2,5 µm i 18 g/m2 na stronę, ZE50/50 odpowiednio 5 µm i 36 g/m2, ZE100/100 to 10 µm i 72 g/m2. Możliwe są warianty niesymetryczne, gdy jedna strona wyrobu wymaga grubszej powłoki niż druga.
Powłoki cynkowo-magnezowe
Dodatek magnezu i aluminium do kąpieli cynkowej zmienia chemię produktów korozji. Powstająca warstwa jest bardziej zwarta i lepiej przylega, a przy uszkodzeniu powłoki produkty cynku migrują nad odsłonięte miejsce, odtwarzając ochronę.
Najlepiej udokumentowaną publicznie ocenę tego efektu stanowi raport niezależnego instytutu The Steel Construction Institute, przygotowany dla ArcelorMittal. Po sześciu latach ekspozycji atmosferycznej w lokalizacjach nienadmorskich średni stosunek ubytku grubości powłoki cynkowej Z275 do powłoki cynkowo-magnezowej ZM250 wyniósł 2,2, przy minimum 1,5 w całym okresie badania. W teście cyklicznym próbka Z600 pokryła się białą rdzą całkowicie po czterech tygodniach, podczas gdy ZM310 wykazywała pokrycie jedynie częściowe po jedenastu tygodniach. W teście mgły solnej ZM310 osiągnął tę samą ocenę co Z600 po czasie około dwukrotnie dłuższym.
Wniosek raportu jest jednoznaczny: w warunkach atmosferycznych Wielkiej Brytanii i dla typowych zastosowań lekkich konstrukcji stalowych ochrona zapewniana przez ZM310 nie jest gorsza niż ochrona Z600, zarówno na powierzchni, jak i na krawędziach ciętych.
Mechanizm ochrony krawędzi ma przebieg rozłożony w czasie. W pierwszych tygodniach odsłonięty rdzeń stali utlenia się i pojawia się rdza. Przy dalszej ekspozycji na wilgoć materiał powłoki rozprzestrzenia się nad krawędzią cięcia. Po roku produkty korozji żelaza ustępują miejsca białym produktom cynku.
Skład powłok ZM różni się między producentami, choć wszystkie mieszczą się w ramach normy. W wyrobie ArcelorMittal jest to 93,5 procent cynku, 3,5 procent aluminium i 3 procent magnezu. W wyrobie voestalpine 2,5 procent aluminium i 1,5 procent magnezu, reszta cynk. Przy zamianie jednego wyrobu na drugi warto zweryfikować kartę materiałową, a nie sam symbol normowy.
Powłoki aluminiowe i aluminiowo-cynkowe
Tam, gdzie liczy się odporność na temperaturę, powłoka cynkowa przestaje być rozwiązaniem. Cynk zachowuje stabilność do około 200 stopni Celsjusza. W zakresie 200-250 stopni zewnętrzna warstwa wolnego cynku zaczyna się złuszczać, ponieważ dyfuzja cynku do warstwy stopowej żelazowo-cynkowej tworzy puste przestrzenie. Powyżej 250 stopni proces przyspiesza, a warstwy stopowe mogą pękać i odspajać się od stali.
Powłoka aluminiowo-krzemowa zachowuje się inaczej. Według karty producenta pozostaje stabilna do 450 stopni przy zachowaniu około 80 procent odbicia cieplnego i wytrzymuje do 650 stopni bez łuszczenia. Powłoka aluminiowo-cynkowa utrzymuje jasną powierzchnię bez przebarwień do 400 stopni i znosi 650 stopni bez silnego utleniania.
Powłoka aluminiowo-cynkowa wyróżnia się także trwałością w ekspozycji długoterminowej. Dane instytutu GalvInfo wskazują na przewagę nad powłoką cynkową o gramaturze odpowiadającej Z275 rzędu 3,8 razy w silnym środowisku morskim, 6,4 razy w środowisku przemysłowym i 18,7 razy w środowisku wiejskim. Mechanizm polega na tym, że bogata w cynk mikrostruktura koroduje preferencyjnie i wypełnia przestrzenie międzydendrytyczne warstwy aluminium, przez co przebieg korozji jest paraboliczny, a nie liniowy jak w powłoce cynkowej.
Powłoka ta ma jednak wyraźne ograniczenia stosowania. Nie należy jej używać w kontakcie ze świeżym, mokrym betonem, którego alkaliczność atakuje warstwę aluminium, ani w budynkach inwentarskich, ani w kontakcie z ołowiem, grafitem i miedzią.
Powłoki pod lakierowanie i pod wygląd
Powłoka cynkowo-żelazowa, znana jako galvannealed, powstaje przez wyżarzanie dyfuzyjne bezpośrednio po kąpieli cynkowej. Zawartość żelaza rzędu 8-12 procent daje drobnostrukturalną powierzchnię o bardzo dobrej przyczepności farby, co czyni ją materiałem pierwszego wyboru wszędzie tam, gdzie wyrób jest lakierowany. Obecność żelaza poszerza także zakres prądów zgrzewania i ogranicza zużycie elektrod, co ma znaczenie w produkcji wielkoseryjnej.
Powłoka nakładana elektrolitycznie jest jaśniejsza i bardziej jednorodna, a jej grubość można sterować precyzyjnie i niezależnie dla każdej strony. Dlatego stosuje się ją na elementy widoczne o najwyższych wymaganiach wizualnych, zwłaszcza lakierowane.
Galfan z eutektyczną, lamelarną mikrostrukturą zachowuje się jak naturalny środek poślizgowy podczas formowania, co daje przewagę przy głębokim tłoczeniu i profilowaniu rolkowym. Producent deklaruje odporność korozyjną około dwukrotnie wyższą niż powłoki cynkowej, przy czym warunki tego porównania nie są w materiałach publicznych szczegółowo określone.
Kiedy zamiana ma sens
W praktyce zaopatrzenia pytanie brzmi zwykle: czy zamiast zamówionej gramatury cynku można przyjąć inną powłokę bez utraty właściwości wyrobu. Poniższe zestawienie porządkuje najczęstsze sytuacje.
| Wymóg wyjściowy | Możliwy kierunek zamiany | Uzasadnienie |
|---|---|---|
| Z600 lub Z450, konstrukcja zewnętrzna | ZM310 lub ZM250 | porównywalna lub lepsza trwałość przy niższej gramaturze, potwierdzona badaniem instytutu |
| Z275, wyrób z licznymi krawędziami ciętymi | ZM o zbliżonej gramaturze | wyraźnie lepsze zachowanie krawędzi po cięciu |
| Z275, element pracujący powyżej 250 stopni | AS lub AZ | powłoka cynkowa nie jest przeznaczona do pracy w tym zakresie |
| Z, wyrób lakierowany | ZF | drobnostrukturalna powierzchnia i przyczepność farby |
| Z, element widoczny o wysokich wymaganiach wizualnych | ZE | jednorodna, jasna powierzchnia i precyzyjna kontrola grubości |
| Z, wyrób głęboko tłoczony lub profilowany | ZA | mikrostruktura ułatwiająca formowanie |
| Z, kontakt ze świeżym betonem | nie zamieniać na AZ | alkaliczność betonu atakuje warstwę aluminium |
Zamiana nie jest decyzją czysto materiałową. Jeżeli wyrób podlega ocenie zgodności, projektowi konstrukcyjnemu albo specyfikacji odbiorcy, zmiana symbolu powłoki wymaga akceptacji po stronie zamawiającego. Tam, gdzie takich ograniczeń nie ma, elastyczność w doborze powłoki bywa różnicą między dostawą w terminie a przestojem.
Spawanie powłok cynkowych
Cynk wrze w temperaturze około 907 stopni Celsjusza, czyli znacznie poniżej temperatury panującej w łuku spawalniczym. Powłoka w strefie spoiny odparowuje i utlenia się w powietrzu do tlenku cynku, tworząc dym wdychany przez operatora. Amerykańskie stowarzyszenie spawalnicze wskazuje ekspozycję na ten dym jako przyczynę gorączki metalicznej, dolegliwości o objawach grypopodobnych, pojawiających się kilka godzin po ekspozycji i ustępujących zwykle w ciągu doby lub dwóch.
Limity ekspozycji przyjęte w Stanach Zjednoczonych to 5 mg/m3 jako średnia ważona w czasie ośmiogodzinnym i 10 mg/m3 jako wartość krótkoterminowa. Zalecenia praktyczne są niezmienne: utrzymanie głowy poza strumieniem dymu, odciąg miejscowy przy łuku, wentylacja ogólna, a przy niewystarczających środkach technicznych ochrona dróg oddechowych. Osobną kwestią jest to, że każde spawanie niszczy powłokę w miejscu spoiny i uszkadza ją w strefie wpływu ciepła, co wymaga odtworzenia ochrony farbą bogatą w cynk.
Praktyczne kryteria doboru
Wybór powłoki wynika z czterech pytań: w jakim środowisku pracuje wyrób, ile ma w nim wytrzymać, co dzieje się z krawędziami ciętymi i czy wyrób będzie lakierowany, formowany lub grzany. Odpowiedzi rzadko wskazują na jedno rozwiązanie, ale zwykle eliminują kilka.
Rynek europejski w ostatnich latach wyraźnie przesuwa się w stronę powłok cynkowo-magnezowych, głównie dlatego, że pozwalają uzyskać tę samą trwałość przy mniejszej ilości metalu, a więc przy niższej masie i niższym koszcie jednostkowym powłoki. Dla odbiorcy oznacza to również szerszą dostępność alternatyw w sytuacji, gdy konkretna gramatura cynku jest chwilowo trudna do zdobycia.
Dostępne gatunki stali, rodzaje powłok oraz formaty kręgów, taśm i arkuszy przedstawia oferta blach stalowych HEN-STOL, z osobnymi opisami dla blachy ocynkowanej, blachy zimnowalcowanej i blachy gorącowalcowanej.
Sprawdź jak możemy pomóc
HEN-STOL pomaga dobrać rodzaj i gramaturę powłoki do warunków pracy wyrobu oraz wskazuje, które zamienniki są w danym zastosowaniu równoważne, a które wymagają uzgodnienia z projektantem lub odbiorcą. Wystarczy przesłać specyfikację, a sprawdzimy dostępność i zaproponujemy najkorzystniejszy wariant.
Najczęściej zadawane pytania
Czy powłoka ZM może zastąpić Z600?
W warunkach atmosferycznych, dla lekkich konstrukcji stalowych, ZM310 zapewnia ochronę nie gorszą niż Z600, co potwierdza badanie niezależnego instytutu obejmujące zarówno powierzchnię, jak i krawędzie cięte. Przy wyrobach objętych specyfikacją odbiorcy zamiana wymaga jego zgody.
Ile wynosi grubość powłoki Z275?
Gramatura 275 g/m2 liczona łącznie dla obu stron odpowiada około 20 µm na stronę. Ta sama zasada przeliczenia dotyczy pozostałych gramatur powłoki cynkowej.
Do jakiej temperatury można stosować blachę ocynkowaną?
Powłoka cynkowa przeznaczona jest do pracy do około 200 stopni Celsjusza. Powyżej 200-250 stopni zaczyna się złuszczanie warstwy wolnego cynku. W wyższych temperaturach stosuje się powłoki aluminiowo-krzemowe lub aluminiowo-cynkowe.
Która powłoka jest najlepsza pod lakierowanie?
Powłoka cynkowo-żelazowa ZF, ze względu na drobnostrukturalną powierzchnię zapewniającą przyczepność farby. Do elementów widocznych o najwyższych wymaganiach wizualnych stosuje się powłokę elektrolityczną ZE.
Czy blachę ocynkowaną można spawać?
Tak, przy zachowaniu wymagań bezpieczeństwa dotyczących odciągu i wentylacji, ponieważ cynk odparowuje w temperaturze łuku i tworzy dym tlenku cynku. Powłokę w strefie spoiny trzeba odtworzyć, najczęściej farbą bogatą w cynk.
Czym różni się Galfan od zwykłego ocynku?
Galfan to powłoka cynkowo-aluminiowa o zawartości około 5 procent aluminium. Jej mikrostruktura ułatwia formowanie, co daje przewagę przy głębokim tłoczeniu i profilowaniu rolkowym, a producenci deklarują wyższą odporność korozyjną niż powłoki czysto cynkowej.
Źródła
- EN 10346, Wyroby płaskie stalowe powlekane ogniowo w sposób ciągły - warunki techniczne dostawy
- EN 10152, Wyroby płaskie stalowe cynkowane elektrolitycznie do obróbki plastycznej na zimno
- The Steel Construction Institute, Review of Magnelis coating performance as corrosion protection ZM310, raport RT1999
- GalvInfo Center, GalvInfoNote 1.4, 55 percent Aluminum-Zinc Alloy-Coated Steel Sheet
- American Galvanizers Association, Galvanized Steel Performance in Extreme Temperatures
- American Welding Society, Safety and Health Fact Sheet No. 25, Metal Fume Fever