鍍錫板暗斑缺陷的成因與對策

周雨奇

（上海梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039）

鍍錫板是指兩面鍍有一層極薄金屬錫的冷軋薄鋼板，集冷軋薄板的硬度、強(qiáng)度以及錫鍍層的易焊接性、抗腐蝕性、美觀性于一體[1]，目前在食品罐頭工業(yè)、奶粉罐、飲料罐、氣霧罐和電子器件等行業(yè)均有廣泛應(yīng)用。

1 暗斑缺陷的形貌分析

暗斑是鍍錫量為5.6g/m2、2.8g/m2的厚鍍層鍍錫板在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的色澤偏暗的表面缺陷。在5.6g/m2鍍層上，暗斑缺陷整板面分布，呈雨點(diǎn)狀或片狀。在2.8g/m2鍍層上，暗斑缺陷彌散分布，為針尖大小。

暗斑缺陷的性能指標(biāo)如附著力、抗硫性能等均為一級，未發(fā)生異常。對暗斑缺陷處進(jìn)行成分分析也未發(fā)現(xiàn)異常元素，可見暗斑缺陷并不是常見的斑跡缺陷。暗斑缺陷不影響鍍錫板的實(shí)際使用，但會影響鍍錫板表面質(zhì)量，用戶觀感不佳，會導(dǎo)致抱怨甚至批量質(zhì)量異議，需要高度重視。

電鍍錫機(jī)組的暗斑缺陷發(fā)展主要分為3 個階段。第一階段，5.6g/m2鍍層產(chǎn)生雨點(diǎn)狀暗斑缺陷，如圖1所示，通過關(guān)閉電鍍1#槽電極板，可以基本消除此缺陷。第二階段，關(guān)閉電鍍1#槽電極板無法消除該缺陷，僅有色澤上的變化，由發(fā)白的淺色暗斑變?yōu)榘l(fā)黑的深色暗斑。第三階段，在2.8g/m2鍍層上產(chǎn)生針尖大小暗斑、暗點(diǎn)，如圖2所示。

圖1 5.6g/m2 鍍層暗斑形貌

圖2 2.8g/m2 鍍層暗斑形貌

暗斑缺陷是一種全新的缺陷，沒有歷史經(jīng)驗(yàn)可供參考，因此需要結(jié)合其他斑跡類缺陷產(chǎn)生原因，并考慮電鍍錫全部工藝流程，如堿洗、酸洗、電鍍、軟熔、鈍化以及涂油一系列工藝對帶鋼表面暗斑缺陷的影響，以便找到最佳暗斑缺陷控制措施。

2 暗斑缺陷的原因分析

2.1 鍍錫基板分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，2.8g/m2鍍層奶粉罐鍍錫板均未發(fā)生點(diǎn)狀暗斑缺陷，其與普通2.8g/m2鍍層鍍錫板的差別為奶粉罐鍍錫板采用R2 表面基板，粗糙度偏高；普通鍍錫板采用R 表面基板，粗糙度偏低。因此，需要考慮基板表面粗糙度對暗斑缺陷的影響。

以厚0.20mm、T-4 調(diào)質(zhì)、連續(xù)退火的低碳鋼基板為例，根據(jù)平整工藝的不同，分為R 表面（粗糙度為0.255μm）和R2 表面（粗糙度為0.438μm），以320mpm 的速度運(yùn)行，使用不同的鍍錫量設(shè)定，即2.8g/m2與5.6g/m2。

在鍍錫量為2.8g/m2時，R 表面鍍錫板產(chǎn)生針尖大小的點(diǎn)狀暗斑，R2 表面鍍錫板無暗斑。

在鍍錫量為5.6g/m2時，R 表面鍍錫板產(chǎn)生片狀暗斑，R2表面鍍錫板也產(chǎn)生片狀暗斑，色澤比R 表面亮。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，粗糙度較高的R2 表面對2.8 鍍層的點(diǎn)狀暗斑存在一定的改善效果。

但是，鍍錫機(jī)組在同一時間、同一工藝和同一鍍層條件下連續(xù)生產(chǎn)R 表面和R2 表面產(chǎn)品，和R 表面相比，R2 表面產(chǎn)品的斑跡缺陷有極大改善，表面粗糙度提升對斑跡類缺陷的改善主要體現(xiàn)在降低了斑跡類缺陷在頻閃儀下目視檢測的顯著性，對產(chǎn)生斑跡的溶液飛濺、輥系臟污并沒有改善效果。

因此，R2 表面對2.8g/m2鍍層的點(diǎn)狀暗斑的改善效果體現(xiàn)在無法目視發(fā)現(xiàn)上，實(shí)際的點(diǎn)狀暗斑仍然存在于鍍錫板表面。

2.2 鍍錫機(jī)組輥系分析

在生產(chǎn)過程中，鍍錫板需要與現(xiàn)場輥系直接接觸，當(dāng)輥面結(jié)垢、磨損時，都會導(dǎo)致輥面缺陷翻印到鍍錫板表面，產(chǎn)生斑跡類缺陷，該類斑跡類缺陷通常會有固定的位置與周期。而暗斑缺陷在鍍錫板表面沒有固定的位置與周期，與該類斑跡類缺陷差異較大。

擠干輥、壓輥壓靠異常造成溶液飛濺到帶鋼表面，則會產(chǎn)生點(diǎn)狀、片狀的斑跡，沒有固定的位置與周期，與暗斑缺陷的形貌接近。但是溶液飛濺產(chǎn)生的斑跡類缺陷為連續(xù)產(chǎn)生，暗斑缺陷針對特定鍍層產(chǎn)生，存在一定差異性。

排查輥系原因產(chǎn)生的斑跡類缺陷時，一方面利用連續(xù)在線生產(chǎn)，現(xiàn)場排查，鎖定斑跡缺陷的具體發(fā)生位置，另一方面可以利用檢修停機(jī)機(jī)會，抽出帶鋼檢查輥系表面狀態(tài)。

連續(xù)在線生產(chǎn)時，全線擠干輥、壓輥壓靠均未發(fā)現(xiàn)溶液飛濺異常，但是可以在軟熔段的淬水槽出口使用頻閃儀觀察到暗斑缺陷的出現(xiàn)，說明暗斑缺陷產(chǎn)生于軟熔及軟熔之前的工藝段。

而在電鍍段出口觀察不到暗斑缺陷，這并不表示電鍍段與暗斑缺陷的產(chǎn)生原因無關(guān)。暗斑缺陷主要顯示為色澤上的差異，來料的粗糙度異常、酸洗工藝的表面活化異常都會產(chǎn)生色澤差異。同時，在電鍍工藝中，鍍錫板表面錫層為電解沉積產(chǎn)生的錫結(jié)晶，呈現(xiàn)乳白色，無法觀察到暗斑缺陷的色澤差異，需要經(jīng)過軟熔工藝，表面錫層熔化流平，產(chǎn)生金屬光澤后，暗斑缺陷才會在軟熔工藝之后顯現(xiàn)出來。

在檢修停機(jī)的輥面檢查作業(yè)中，全線輥系均未發(fā)現(xiàn)輥面結(jié)垢、磨損，同時輥面也未發(fā)現(xiàn)與暗斑缺陷形貌類似的紋路。

綜上所述，輥系異常并不是影響暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3 鍍錫機(jī)組溶液分析

2.3.1 鍍錫機(jī)組工藝變更分析

在生產(chǎn)過程中，鍍錫板除了與現(xiàn)場輥系直接接觸外，還需要浸泡在槽罐內(nèi)溶液、沖洗水中，因此需要考慮溶液、沖洗水的工藝變更對暗斑缺陷的影響。

鍍錫機(jī)組在暗斑缺陷發(fā)生前工藝變更沖洗水流量調(diào)整，暗斑缺陷可能與沖洗水流量不足，鍍錫板表面溶液殘留有關(guān)。

但是，工藝變更與暗斑缺陷發(fā)生時間間隔超過半年，關(guān)聯(lián)不夠緊密。在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中嘗試恢復(fù)沖洗水流量，并進(jìn)一步提高沖洗水流量與溫度，對暗斑缺陷無影響。

因此，沖洗水流量并不是影響暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3.2 鍍錫機(jī)組堿洗工藝分析

堿洗工藝主要是通過化學(xué)堿洗和電解堿洗清除帶鋼表面油脂與鐵粉。堿洗工藝的主要缺陷為鍍層不良或鍍層脫落，與斑跡類缺陷沒有直接關(guān)系。因此，堿洗工藝對暗斑缺陷產(chǎn)生影響的可能性較小。

在堿洗段的工藝調(diào)整試驗(yàn)中，將氫氧化鈉溶液從濃度為14g/L、溫度45℃逐步向濃度為30g/L、溫度65℃調(diào)整，5.6g/m2鍍層的暗斑缺陷無任何變化。

因此，堿洗工藝并不是影響暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3.3 鍍錫機(jī)組酸洗工藝分析

酸洗工藝可以清除帶鋼表面肉眼不可見的薄氧化膜，使帶鋼表面呈現(xiàn)金屬結(jié)晶組織的活化狀態(tài)，保證帶鋼與錫層之間的良好結(jié)合。

酸洗段的圈狀暗斑與5.6g/m2鍍層暗斑形貌類似。酸洗段的圈狀暗斑主要產(chǎn)生原因?yàn)殡娊馑嵯垂に囘^程中，帶鋼表面氣泡析出，造成帶鋼表面活化程度不均勻，并產(chǎn)生色澤差異。通過關(guān)閉酸洗極板，可以消除該缺陷。同時，酸沖洗不充分和酸液殘留也會產(chǎn)生斑跡。因此酸洗工藝也可能與暗斑缺陷有關(guān)。

但在酸洗段的工藝調(diào)整試驗(yàn)中，關(guān)閉電解酸洗極板，采用純化學(xué)酸洗，并將硫酸溶液從濃度為45g/L、溫度45℃逐步向濃度為65g/L、溫度65℃調(diào)整，5.6g/m2鍍層的暗斑缺陷無任何變化。

因此，酸洗工藝并不是影響暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3.4 鍍錫機(jī)組電鍍工藝分析

由電鍍1#槽電極板及鍍錫量對暗斑缺陷的影響可確定暗斑缺陷和電鍍段工藝有關(guān)。

2.3.4.1 電鍍液成分異常分析

鍍錫機(jī)組電鍍段主要采用MSA（甲基磺酸）工藝，電鍍段的斑跡缺陷主要為電鍍液中添加劑、抗氧化劑濃度異?；蚴?dǎo)致。

在電鍍工藝從抗氧化劑濃度15mol/L、添加劑濃度10mol/L逐步向抗氧化劑濃度25mol/L、添加劑濃度16mol/L 調(diào)整過程中，5.6g/m2鍍層的暗斑缺陷無任何變化。

因此，電鍍液成分并不是影響暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3.4.2 電鍍液性能劣化分析

電鍍錫機(jī)組的暗斑缺陷是一種隨時間不斷惡化的缺陷，可能與電鍍液性能不斷劣化有關(guān)。為了驗(yàn)證兩者的關(guān)聯(lián)性，從電鍍液循環(huán)罐TC-1 內(nèi)取在線使用的電鍍液與除鉛系統(tǒng)沉淀罐內(nèi)保存2年的電鍍液進(jìn)行赫爾槽試驗(yàn)，在電流2A、通電時長3min 的試驗(yàn)條件下，2 種電鍍液赫爾槽試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試片效果如圖3所示。

圖3 赫爾槽試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試片形貌

赫爾槽試驗(yàn)結(jié)果顯示：和除鉛系統(tǒng)沉淀罐內(nèi)電鍍液相比，電鍍液循環(huán)罐TC-1 內(nèi)取在線使用的電鍍液性能有所劣化。強(qiáng)制攪拌，有利于工作電流密度區(qū)鍍層質(zhì)量改善。在線使用的電鍍液加入添加劑后，鍍層質(zhì)量改善。

為消除電鍍液性能劣化的影響，利用檢修對鍍液進(jìn)行如下調(diào)整：將電鍍液排放30m3，并重新配制電鍍液；將電鍍液循環(huán)泵由開二備二改為全部開啟，并添加開缸劑，即高濃度添加劑調(diào)整鍍液成分；再次開機(jī)后，5.6g/m2鍍層的暗斑缺陷并未消除。

綜上所述，電鍍液性能劣化可能是影響暗斑缺陷的因素之一，但是小幅度調(diào)整電鍍液并不能消除暗斑缺陷。而電鍍液周期性整體更換、重新配置成本過高，不可能用作暗斑缺陷的常規(guī)解決方案。

2.3.4.3 鍍錫量分析

將在線帶鋼的鍍錫量依次設(shè)定為5.6g/m2、4.0g/m2、2.8g/m2，暗斑色澤無變化，暗斑面積則隨鍍層的降低而不斷變小，從雞蛋大小逐步縮減為黃豆大小、針尖大小。因此，鍍錫量確實(shí)為暗斑缺陷的影響因素。但因合同規(guī)定的鍍層重量而無法在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。

綜上所述，電鍍工藝對暗斑缺陷存在一定影響，但并不是消除暗斑缺陷的關(guān)鍵因素。

2.3.5 鍍錫機(jī)組軟熔工藝分析

在電鍍段鍍錫后，帶鋼表面錫層為白色，只有在經(jīng)過軟熔段后，帶鋼表面錫層經(jīng)過電阻軟熔與感應(yīng)軟熔的共同作用，重新熔化流平，才能產(chǎn)生富有金屬光澤的鍍錫板表面。其中，鍍錫量為5.6g/m2、2.8g/m2的厚鍍層鍍錫板表面可呈現(xiàn)鏡面效果。從軟熔工藝對鍍錫板表面色澤的影響可以得出軟熔工藝也是暗斑缺陷的影響因素的結(jié)論。

軟熔工藝主要分為軟熔前的助溶工藝、電阻軟熔加感應(yīng)軟熔的組合軟熔以及淬水槽脫鹽水冷卻。

2.3.5.1 組合軟熔與淬水槽分析

組合軟熔的主要作用是將帶鋼溫度提高至232℃以上，達(dá)到錫的熔點(diǎn)，使錫層熔化，而淬水槽的作用則是用脫鹽水冷卻帶鋼，使熔化流平的錫層凝固。

軟熔與淬水的關(guān)鍵參數(shù)是帶鋼溫度與脫鹽水溫度，這2項(xiàng)參數(shù)需要相互配合才能產(chǎn)生富有金屬光澤的鍍錫板表面，一旦配合錯誤，則會產(chǎn)生雨點(diǎn)狀或貝殼狀的淬水斑。

由于不同速度、不同規(guī)格、不同鍍層、脫鹽水流量與冷卻板換開口度都能影響帶鋼溫度與脫鹽水溫度的配合，影響因素過多，因此無法形成固定的配合公式，需要鍍錫機(jī)組主操觀察鍍錫板表面狀態(tài)不斷調(diào)整，以不出現(xiàn)淬水斑為準(zhǔn)。因此，帶鋼溫度與脫鹽水溫度無法配合暗斑缺陷消除的工藝試驗(yàn)。

2.3.5.2 助熔工藝分析

助熔劑可以促進(jìn)錫層進(jìn)行軟熔時的流平反應(yīng)，提高軟熔效果。助熔劑濃度過低會導(dǎo)致鍍錫板亮度不足，濃度過高可能會導(dǎo)致板面過亮。

助熔工藝對鍍錫板表面質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在點(diǎn)銹缺陷。點(diǎn)銹缺陷為鍍錫板表面的針尖大小銹點(diǎn)，主要產(chǎn)生于1.1g/m2鍍層。點(diǎn)銹缺陷是一種具有時效的缺陷，在鍍錫板生產(chǎn)結(jié)束后存放一周才會出現(xiàn)在帶鋼表面，而在線生產(chǎn)時是無法看到點(diǎn)銹缺陷的。

點(diǎn)銹缺陷的主要成分是氧化鐵，可以初步判斷為1.1g/m2鍍層太薄，表面漏錫產(chǎn)生針尖大小的漏錫點(diǎn)，通過現(xiàn)場工藝排查，確認(rèn)助熔工藝調(diào)整可以消除漏錫點(diǎn)。

點(diǎn)銹缺陷的產(chǎn)生機(jī)理為助熔劑對鍍錫層的流平作用使低錫量鍍錫板的錫層聚集在基板表面的凹坑處，加劇了鍍錫板基板凸點(diǎn)漏錫和產(chǎn)生點(diǎn)銹的概率[2]。

1.1g/m2鍍錫層，按照錫的密度7.28g/cm3計算，鍍錫層的厚度僅有0.15μm，而鍍錫基板R 表面粗糙度為0.255μm，即鍍錫基板表面微小峰谷的不平度無法被鍍錫層徹底覆蓋，基板表面粗糙度峰值處的凸點(diǎn)突出鍍錫層，凸點(diǎn)處的鐵與鍍錫層的錫產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，從而在凸點(diǎn)處產(chǎn)生點(diǎn)銹。

根據(jù)點(diǎn)銹產(chǎn)生機(jī)理，鍍錫機(jī)組在2018年對助熔工藝進(jìn)行了變更，將助熔劑濃度由（10±3）g/L 降低至0g/L，即采用脫鹽水助熔。

在助熔工藝的暗斑缺陷消除試驗(yàn)中，助熔槽重新配置了濃度為13g/L 的助熔劑，5.6g/m2鍍層表面的暗斑缺陷得到有效消除。

為避免高濃度的助熔劑產(chǎn)生點(diǎn)銹缺陷的風(fēng)險，逐步稀釋助熔劑濃度，直至1g/L、5.6g/m2鍍層表面的暗斑缺陷未再次發(fā)生。

綜上所述，低濃度的助熔劑可以有效消除高錫量的鍍錫板暗斑缺陷。對高錫量的鍍錫板，即2.8g/m2、5.6g/m2鍍層，助熔劑可以使錫層在整板面均勻流動，形成色澤一致的錫層。而電鍍液性能劣化導(dǎo)致在脫鹽水助熔工藝下錫層流動性不足，不同區(qū)域的錫層產(chǎn)生流動差異，發(fā)生不均勻的軟熔流平，從而造成不同區(qū)域的錫層色澤差異，形成暗斑。鍍層越厚，錫層流動差異的面積越大，形成的暗斑越大，這也是不同鍍層的暗斑形貌存在差異的原因。

3 改善措施

鍍錫機(jī)組的電鍍液性能劣化與脫鹽水助熔工藝造成了高錫量的鍍錫板產(chǎn)生暗斑缺陷。由于電鍍液全部重新配置成本過高，因此鍍錫機(jī)組通過改善助熔工藝來消除暗斑缺陷。為平衡點(diǎn)銹缺陷與暗斑缺陷的助熔工藝沖突，針對不同鍍層采取差異化助熔的工藝。

針對5.6g/m2鍍層，采用低濃度助熔劑助熔，需要關(guān)閉脫鹽水閥門，向助熔槽加入助熔劑，濃度達(dá)到1g/L 即可消除暗斑缺陷。針對1.1g/m2鍍層，采用脫鹽水助熔。而在5.6g/m2鍍層與1.1g/m2鍍層之間，為避免點(diǎn)銹缺陷出現(xiàn)，可以生產(chǎn)2.8g/m2的鍍層過度。在生產(chǎn)過程中，需要提前排放助熔劑，并打開脫鹽水閥門，沖洗槽罐。

4 實(shí)施效果

采用差異化助熔工藝后，鍍錫板未再出現(xiàn)暗斑缺陷，同時壓庫拆包也未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)銹缺陷，改善效果比較明顯。

差異化助熔工藝明顯減少了鍍錫板暗斑缺陷損失，同時5.6g/m2鍍層合同量占比極少，每月批量生產(chǎn)一次，現(xiàn)場操作人員勞動強(qiáng)度沒有明顯提高。

5 結(jié)語

鍍錫板的表面質(zhì)量是鍍錫機(jī)組質(zhì)量管控的關(guān)鍵指標(biāo)，鍍錫板表面質(zhì)量的好壞會影響用戶對鍍錫板品牌形象的評價。該文針對實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的鍍錫板暗斑缺陷問題，從鍍錫機(jī)組的基板、輥系與溶液體系多個方面進(jìn)行了分析，結(jié)合電鍍液性能劣化與脫鹽水助熔工藝的不足，制定了差異化助熔的改善方案，從而解決了鍍錫板暗斑缺陷，改善了鍍錫板表面質(zhì)量，維護(hù)了鍍錫板的品牌形象。同時也證明了助熔劑在鍍錫溶液體系內(nèi)的必要性，為今后的鍍層差異化缺陷的解決提供了參考思路。