镀锡板冲压黑线机理分析

白会平 龚 艺 杜 蓉 杨宏武 周 密 张东方 谢 芬

(1．宝钢股份中央研究院武汉分院(武钢有限技术中心) 湖北 武汉：430080；2．武钢新日铁(武汉)镀锡板有限公司 湖北 武汉： 430083)

现代工业生产的镀锡板通常是两面镀有商业纯锡的冷轧低碳薄钢板，它集钢的强度和成形性与锡的耐蚀性、焊接性和美丽外观于一体，并具有良好的印刷着色性，加之镀锡层无毒，因而镀锡板广泛用于食品业、电器、仪表、玩具、化工、装饰等领域，是最受欢迎的钢材之一[1-4]。

近几年，世界镀锡板年需求量已超过2500万吨，我国镀锡板年需求量超过300万吨，其中罐头消费占30%左右，饮料消费占30%～40%左右，其他消费(饼干桶、茶叶桶、油桶、压力罐、医药、电池等)占30%～40%。

随着食品饮料包装行业不断发展，它们的包装要求也日益多样化。这种多样化，无疑是对镀锡板产品的极大考验。耐时效镀锡板[5-6]、二次冷轧材[7]、软质高加工性能镀锡板[8]的应用也越来越广泛。

包装行业设备精度及自动化程度高，加之需要保障被包装物的内在质量，所以包装行业对镀锡板产品的要求非常高。不仅需要镀锡板产品具备优良的表面质量、优良的板形和厚度精度、优良的耐蚀性能和焊接性能，还要具备良好的加工成形性能。本文针对某终端客户采用T2CA软质镀锡板经开平分卷及涂印清漆后制作阀门时，在冲压过程中，底部平面出现黑线问题(见图1)进行机理分析。

图1 阀门形貌及黑线缺陷图

1 实验材料与试验方法

实验材料是用户制作阀门过程中产生黑线缺陷的镀锡板，镀锡板厚度规格为0.35mm，锡层厚度为2.8g/m2，硬度级别为T2，测得的平均表面洛氏硬度值(HR30Tm)为53.4。

因为冲杯样存在变形，不利于检测分析，所以采用预拉伸变形模拟出黑线缺陷。自用户处取冲压前该厂家的有问题镀锡板(A板)和无问题镀锡板(B板)各1张，制作80标距的横向拉伸试样，采用SUN-10薄板拉伸试验机，拉伸10%，模拟冲压形变，均模拟出黑线缺陷，这表明冲压变形至一定程度，完好样品也会出现黑线缺陷。

采用光学显微镜观察黑线的显微形貌，采用Quanta 400扫描电子显微镜配合能谱仪分析正黑线部位的形貌及成分差异，采用轮廓仪分析缺陷部位的深度分布。

2 结果与讨论

2.1 冲杯样光学显微镜分析

用金相显微镜对完好和缺陷冲杯样进行对比观察，实验结果见图2和图3。

图2 冲杯上有黑线显微图片

图3 冲杯上无黑线显微图片

由图2、图3可看出：(1)各个冲杯冲压后板面上都有细小痕线，只是痕线密度、尺度有差别；(2)粗大痕线就表观为黑线，而且有黑线存在的冲杯上，单位面积上的痕线数量都比较多。

2.2 模拟黑线样光学显微镜分析

用金相显微镜对A板和B板进行拉伸前后对比观察，实验结果见图4和图5。

图4 A板 拉伸前后金相照片(左：拉伸前；右：拉伸后)

图5 B板拉伸前后金相照片 (左：拉伸前；右：拉伸后)

从图4和图5可看出：(1)拉伸前板面上都有平行于轧制方向的细小痕线，只是痕线密度、尺度有差别：A板痕线比较连续；B板痕线不连续，呈断絮状分布。(2)拉伸后，粗大痕线就表观为黑线，但是由于A板痕线比较连续，黑线也连续，所以表观上更严重；B板痕线呈断絮状分布，黑线也是不连续，表观上较轻微。(3)同样拉伸变形下，A板痕线扩张比例大于B板。

2.3 FIB截面分析

将A板试样黑线处打点标记，在扫描下观察，由于清漆覆盖，黑线处表面与正常表面无差异(见图6)，采用FIB在黑线部位和正常部位分别挖40μm的坑，观察截面形貌，实验结果见图7。

图6 打点黑线扫描电镜图

图7 A板截面形貌(左：黑线部位；右：正常部位)

从截面图可以看到：(1)镀锡板表面涂敷有一层清漆，厚度大约为8μm。(2)黑线缺陷部位镀锡层不太平整，而正常部位镀锡层比较平整。所以，推断黑线与镀锡板表面状态相关。

2.4 SEM分析

将A板拉伸前后的试样用专门脱漆剂进行表面脱漆处理，进而在扫描电镜下观察表面形貌，实验结果见图8，拉伸前后正常部位和黑线部位成分对比结果见表1。

图8 A板拉伸前后扫描电镜图(左：拉伸前；右：拉伸后)

表1 A板拉伸前后不同部位成分对比表 (wt%)

从实验结果可以分析出：(1)黑线处锡含量比正常部位低，这与上面的截面结果黑线处锡层不平整相吻合，说明黑线处镀锡层比较薄。(2)镀锡板经过拉伸，镀锡层都会发生减薄。

2.5 三维轮廓形貌分析

将黑线处打点标记的A试样表面脱漆后，用三维轮廓仪进行观察，实验结果见图9；将黑线处打点标记的A试样表面脱漆后，用三维轮廓仪进行观察，圈出部位即对应打点黑线脱漆后的二维形貌图(见图10)，从图9和图10可得出：黑线缺陷是板面高点，黑线缺陷处脱掉漆膜后，仍是板面高点。

图9 黑线处表面三维形貌图

图10 黑线处脱漆后表面二维形貌图

根据复印关系，镀锡板板面高点对应轧辊表面低点。本轧辊表面为磨削表面，通常都是沿圆周方向磨削，辊面会留下沿圆周方向的纹路。因此轧辊复印的镀锡原板表面状态是黑线产生的根本原因。

2.6 改善措施

既然轧辊表面状态(表面粗糙度和纹路方向)是影响轧件表面质量的主要因素之一，因此可以通过抛丸毛化、激光毛化或电火花毛化来提高磨削辊面表面质量。现场通过对磨削辊进行抛丸毛化，通过优化辊面提升板面形貌(见图11)，从而解决了冲压黑线问题。

图11 磨削辊抛丸毛化后镀锡原板形貌

3 结论

(1)冲压前镀锡板的表面形貌对冲压后表面形貌有着直接影响，冲压后轧制纹路会放大，粗大突出的纹路会升级成为肉眼可见的黑线缺陷，造成宏观上视觉黑线。

(2)轧辊表面状态，主要是表面粗糙度和纹路方向，直接影响镀锡板板面形貌，因此可以通过优化辊面来提升板面形貌，从而解决阀门镀锡板冲压黑线问题。