Mạ kẽm thép hình là gì?

Mạ kẽm thép hình là quá trình phủ lớp kẽm kim loại lên toàn bộ bề mặt thép hình thông qua phản ứng luyện kim, tạo lớp bảo vệ dính chắc chống ăn mòn. Phương pháp phổ biến nhất là mạ kẽm nhúng nóng (Hot-Dip Galvanizing — HDG), trong đó thép được nhúng vào bể kẽm nóng chảy ở nhiệt độ 450-460°C.

Quy trình mạ kẽm nhúng nóng (HDG)

Quy trình HDG bao gồm nhiều bước xử lý liên tiếp, đảm bảo lớp kẽm bám chắc và đồng đều trên toàn bộ bề mặt thép hình:

1. Tẩy dầu mỡ (Degreasing): Nhúng thép vào dung dịch kiềm nóng để loại bỏ dầu, mỡ và chất hữu cơ bám trên bề mặt.
2. Tẩy rỉ (Pickling): Nhúng vào dung dịch axit clohydric (HCl) hoặc axit sulfuric (H₂SO₄) loãng, loại bỏ rỉ sắt và các oxit sắt.
3. Trợ dung (Fluxing): Nhúng vào dung dịch ammonium chloride (ZnCl₂·NH₄Cl), tạo lớp muối bảo vệ bề mặt thép trước khi vào bể kẽm, ngăn oxy hóa lại và giúp kẽm dính vào thép tốt hơn.
4. Sấy khô: Sấy ở 100-150°C để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm, tránh hơi nước gây bắn tóe khi nhúng vào kẽm nóng chảy.
5. Nhúng kẽm (Galvanizing): Nhúng thép vào bể kẽm nóng chảy ở 450-460°C. Phản ứng luyện kim xảy ra ngay tức thì, tạo các lớp hợp kim kẽm-sắt (Fe₂Zn₁₃, FeZn₁₀, FeZn₇) gắn chắc vào nền thép và lớp kẽm nguyên chất ngoài cùng.
6. Làm nguội và kiểm tra: Thép sau khi ra khỏi bể kẽm được làm nguội trong nước hoặc không khí, sau đó kiểm tra chiều dày lớp kẽm và ngoại quan.

Cấu trúc lớp mạ kẽm HDG

Lớp mạ kẽm HDG có cấu trúc luyện kim đặc trưng gồm 4 lớp từ trong ra ngoài, không thể tách rời như lớp sơn thông thường:

• Lớp Gamma (Γ): Sát nền thép, Fe₃Zn₁₀, chiều dày 1-3μm, cứng nhất (550 HV).
• Lớp Delta (δ): FeZn₇, chiều dày 5-15μm, độ cứng 300 HV.
• Lớp Zeta (ζ): FeZn₁₃, chiều dày 10-20μm, dễ vỡ, ít linh hoạt.
• Lớp Eta (η): Kẽm nguyên chất, ngoài cùng, chiều dày 10-20μm, dẻo nhất.

Tổng chiều dày lớp kẽm ≥45μm theo TCVN 9789 (tương đương ISO 1461:2009) cho thép hình có chiều dày >6mm. Thép mỏng hơn có yêu cầu chiều dày lớp kẽm thấp hơn (≥35μm cho t=1.5-6mm).

Tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng mạ kẽm

• TCVN 9789:2013 / ISO 1461:2009: Tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế về mạ kẽm nhúng nóng, quy định chiều dày lớp kẽm tối thiểu theo độ dày vật liệu thép.
• Kiểm tra chiều dày: Đo bằng đồng hồ điện từ (magnetic gauge), lấy trung bình 5 điểm đo trên mỗi 1m². Chiều dày trung bình phải ≥45μm.
• Kiểm tra ngoại quan: Bề mặt không được có vảy kẽm dày, vết kẽm chưa ngấm, phồng rộp hoặc vùng bỏ sót.
• Kiểm tra bám dính: Dùng dao khắc chéo (cross-cut test), lớp kẽm không được bong tách khỏi thép nền.

Cơ chế bảo vệ của lớp kẽm

Lớp kẽm bảo vệ thép theo hai cơ chế đồng thời, đây là ưu điểm vượt trội so với các lớp phủ thuần vật lý:

• Bảo vệ rào cản (Barrier protection): Lớp kẽm ngăn cách vật lý thép với oxy và độ ẩm trong môi trường. Lớp kẽm nguyên chất ngoài cùng tiếp xúc với không khí tạo thành ZnO và Zn(OH)₂ mỏng, sau đó chuyển thành ZnCO₃ (patina) bền vững, không thấm nước, chặn ăn mòn tiếp tục.
• Bảo vệ hy sinh (Sacrificial/Cathodic protection): Kẽm có điện thế điện hóa thấp hơn sắt (-0.76V so với -0.44V), khi cả hai tiếp xúc với dung dịch điện ly (nước ẩm), kẽm đóng vai trò anot — bị oxy hóa và hy sinh để bảo vệ sắt. Vì vậy, ngay cả khi lớp kẽm bị trầy xước lộ thép nền, thép vẫn được bảo vệ trong bán kính 1-3mm xung quanh vết trầy.

Tuổi thọ mạ kẽm HDG

Tuổi thọ lớp mạ kẽm phụ thuộc vào chiều dày lớp kẽm ban đầu và tốc độ ăn mòn của môi trường. Theo ISO 14713, tốc độ ăn mòn kẽm trong các môi trường tiêu biểu:

• Nông thôn khô (C1-C2): 0.5-1.5μm/năm → tuổi thọ 30-90 năm với lớp kẽm 45μm.
• Đô thị/công nghiệp (C3): 2-5μm/năm → tuổi thọ 9-22 năm.
• Ven biển nhiệt đới (C4): 5-10μm/năm → tuổi thọ 4.5-9 năm. Cần tăng chiều dày hoặc kết hợp sơn phủ (duplex system).
• Biển, công nghiệp nặng (C5): 10-20μm/năm → cần duplex system bắt buộc.

Ở điều kiện trung bình tại Việt Nam (C3-C4), lớp mạ kẽm HDG 45μm đạt tuổi thọ thực tế 15-25 năm mà không cần bảo trì thêm.

Phân loại mạ kẽm

Mạ kẽm nhúng nóng liên tục (Continuous HDG)

Dùng cho thép tấm mỏng, thép cuộn (coil galvanizing), không phù hợp cho thép hình cứng đã cắt sẵn.

Mạ kẽm nhúng nóng dạng mẻ (Batch/General HDG)

Phương pháp áp dụng cho thép hình, thép kết cấu đã gia công. Thép được treo hoặc xếp vào giỏ và nhúng từng mẻ vào bể kẽm. Đây là phương pháp chuẩn theo ISO 1461.

Mạ kẽm điện phân (Electrogalvanizing)

Lớp kẽm mỏng hơn (5-25μm), bề mặt đều và bóng đẹp hơn HDG, nhưng không đạt chiều dày bảo vệ dài hạn như HDG. Thường dùng cho vít, đinh, phụ kiện nhỏ, không phổ biến cho thép hình kết cấu.

Mạ kẽm phun nhiệt (Thermal Spray Zinc — TSZ)

Phun kẽm hoặc hợp kim kẽm-nhôm nóng chảy bằng súng phun nhiệt lên bề mặt thép đã phun cát. Chiều dày 75-150μm, phù hợp cho kết cấu lớn không đưa vào bể kẽm được.

Đặc điểm khi dùng cho thép hình

• Thiết kế thép hình phải có lỗ thoát kẽm và lỗ thông khí để kẽm nóng lỏng ngấm đều vào các hốc kín bên trong (theo EN ISO 14713-2).
• Thép hình có thể biến dạng nhẹ (warping) do nhiệt độ 450°C nếu tiết diện không đều, cần tính toán khi thiết kế.
• Sau khi mạ kẽm, không hàn trực tiếp lên lớp kẽm (nếu cần hàn phải mài bỏ kẽm trong vùng hàn và phục hồi bằng sơn gốc kẽm sau khi hàn xong).
• Mạ kẽm không phù hợp cho thép có độ bền kéo cao Rm > 1100 MPa do nguy cơ giòn hydro (hydrogen embrittlement).