鍍錫板沖壓黑線機理分析

白會平 龔 藝 杜 蓉 楊宏武 周 密 張東方 謝 芬

(1．寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：430080；2．武鋼新日鐵(武漢)鍍錫板有限公司 湖北 武漢： 430083)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的鍍錫板通常是兩面鍍有商業(yè)純錫的冷軋低碳薄鋼板，它集鋼的強度和成形性與錫的耐蝕性、焊接性和美麗外觀于一體，并具有良好的印刷著色性，加之鍍錫層無毒，因而鍍錫板廣泛用于食品業(yè)、電器、儀表、玩具、化工、裝飾等領(lǐng)域，是最受歡迎的鋼材之一[1-4]。

近幾年，世界鍍錫板年需求量已超過2500萬噸，我國鍍錫板年需求量超過300萬噸，其中罐頭消費占30%左右，飲料消費占30%～40%左右，其他消費(餅干桶、茶葉桶、油桶、壓力罐、醫(yī)藥、電池等)占30%～40%。

隨著食品飲料包裝行業(yè)不斷發(fā)展，它們的包裝要求也日益多樣化。這種多樣化，無疑是對鍍錫板產(chǎn)品的極大考驗。耐時效鍍錫板[5-6]、二次冷軋材[7]、軟質(zhì)高加工性能鍍錫板[8]的應(yīng)用也越來越廣泛。

包裝行業(yè)設(shè)備精度及自動化程度高，加之需要保障被包裝物的內(nèi)在質(zhì)量，所以包裝行業(yè)對鍍錫板產(chǎn)品的要求非常高。不僅需要鍍錫板產(chǎn)品具備優(yōu)良的表面質(zhì)量、優(yōu)良的板形和厚度精度、優(yōu)良的耐蝕性能和焊接性能，還要具備良好的加工成形性能。本文針對某終端客戶采用T2CA軟質(zhì)鍍錫板經(jīng)開平分卷及涂印清漆后制作閥門時，在沖壓過程中，底部平面出現(xiàn)黑線問題(見圖1)進行機理分析。

圖1 閥門形貌及黑線缺陷圖

1 實驗材料與試驗方法

實驗材料是用戶制作閥門過程中產(chǎn)生黑線缺陷的鍍錫板，鍍錫板厚度規(guī)格為0.35mm，錫層厚度為2.8g/m2，硬度級別為T2，測得的平均表面洛氏硬度值(HR30Tm)為53.4。

因為沖杯樣存在變形，不利于檢測分析，所以采用預(yù)拉伸變形模擬出黑線缺陷。自用戶處取沖壓前該廠家的有問題鍍錫板(A板)和無問題鍍錫板(B板)各1張，制作80標(biāo)距的橫向拉伸試樣，采用SUN-10薄板拉伸試驗機，拉伸10%，模擬沖壓形變，均模擬出黑線缺陷，這表明沖壓變形至一定程度，完好樣品也會出現(xiàn)黑線缺陷。

采用光學(xué)顯微鏡觀察黑線的顯微形貌，采用Quanta 400掃描電子顯微鏡配合能譜儀分析正黑線部位的形貌及成分差異，采用輪廓儀分析缺陷部位的深度分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 沖杯樣光學(xué)顯微鏡分析

用金相顯微鏡對完好和缺陷沖杯樣進行對比觀察，實驗結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 沖杯上有黑線顯微圖片

圖3 沖杯上無黑線顯微圖片

由圖2、圖3可看出：(1)各個沖杯沖壓后板面上都有細小痕線，只是痕線密度、尺度有差別；(2)粗大痕線就表觀為黑線，而且有黑線存在的沖杯上，單位面積上的痕線數(shù)量都比較多。

2.2 模擬黑線樣光學(xué)顯微鏡分析

用金相顯微鏡對A板和B板進行拉伸前后對比觀察，實驗結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 A板 拉伸前后金相照片(左：拉伸前；右：拉伸后)

圖5 B板拉伸前后金相照片 (左：拉伸前；右：拉伸后)

從圖4和圖5可看出：(1)拉伸前板面上都有平行于軋制方向的細小痕線，只是痕線密度、尺度有差別：A板痕線比較連續(xù)；B板痕線不連續(xù)，呈斷絮狀分布。(2)拉伸后，粗大痕線就表觀為黑線，但是由于A板痕線比較連續(xù)，黑線也連續(xù)，所以表觀上更嚴(yán)重；B板痕線呈斷絮狀分布，黑線也是不連續(xù)，表觀上較輕微。(3)同樣拉伸變形下，A板痕線擴張比例大于B板。

2.3 FIB截面分析

將A板試樣黑線處打點標(biāo)記，在掃描下觀察，由于清漆覆蓋，黑線處表面與正常表面無差異(見圖6)，采用FIB在黑線部位和正常部位分別挖40μm的坑，觀察截面形貌，實驗結(jié)果見圖7。

圖6 打點黑線掃描電鏡圖

圖7 A板截面形貌(左：黑線部位；右：正常部位)

從截面圖可以看到：(1)鍍錫板表面涂敷有一層清漆，厚度大約為8μm。(2)黑線缺陷部位鍍錫層不太平整，而正常部位鍍錫層比較平整。所以，推斷黑線與鍍錫板表面狀態(tài)相關(guān)。

2.4 SEM分析

將A板拉伸前后的試樣用專門脫漆劑進行表面脫漆處理，進而在掃描電鏡下觀察表面形貌，實驗結(jié)果見圖8，拉伸前后正常部位和黑線部位成分對比結(jié)果見表1。

圖8 A板拉伸前后掃描電鏡圖(左：拉伸前；右：拉伸后)

表1 A板拉伸前后不同部位成分對比表 (wt%)

從實驗結(jié)果可以分析出：(1)黑線處錫含量比正常部位低，這與上面的截面結(jié)果黑線處錫層不平整相吻合，說明黑線處鍍錫層比較薄。(2)鍍錫板經(jīng)過拉伸，鍍錫層都會發(fā)生減薄。

2.5 三維輪廓形貌分析

將黑線處打點標(biāo)記的A試樣表面脫漆后，用三維輪廓儀進行觀察，實驗結(jié)果見圖9；將黑線處打點標(biāo)記的A試樣表面脫漆后，用三維輪廓儀進行觀察，圈出部位即對應(yīng)打點黑線脫漆后的二維形貌圖(見圖10)，從圖9和圖10可得出：黑線缺陷是板面高點，黑線缺陷處脫掉漆膜后，仍是板面高點。

圖9 黑線處表面三維形貌圖

圖10 黑線處脫漆后表面二維形貌圖

根據(jù)復(fù)印關(guān)系，鍍錫板板面高點對應(yīng)軋輥表面低點。本軋輥表面為磨削表面，通常都是沿圓周方向磨削，輥面會留下沿圓周方向的紋路。因此軋輥復(fù)印的鍍錫原板表面狀態(tài)是黑線產(chǎn)生的根本原因。

2.6 改善措施

既然軋輥表面狀態(tài)(表面粗糙度和紋路方向)是影響軋件表面質(zhì)量的主要因素之一，因此可以通過拋丸毛化、激光毛化或電火花毛化來提高磨削輥面表面質(zhì)量。現(xiàn)場通過對磨削輥進行拋丸毛化，通過優(yōu)化輥面提升板面形貌(見圖11)，從而解決了沖壓黑線問題。

圖11 磨削輥拋丸毛化后鍍錫原板形貌

3 結(jié)論

(1)沖壓前鍍錫板的表面形貌對沖壓后表面形貌有著直接影響，沖壓后軋制紋路會放大，粗大突出的紋路會升級成為肉眼可見的黑線缺陷，造成宏觀上視覺黑線。

(2)軋輥表面狀態(tài)，主要是表面粗糙度和紋路方向，直接影響鍍錫板板面形貌，因此可以通過優(yōu)化輥面來提升板面形貌，從而解決閥門鍍錫板沖壓黑線問題。