冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板表面條狀色差的產生原因與控制

劉云峰 彭興東

(1.上海梅山鋼鐵股份有限公司冷軋廠，江蘇 南京 210039； 2.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051)

鍍錫板是指兩面鍍錫的冷軋薄鋼板，從內向外依次為原板、錫鐵合金層、錫層、氧化膜和油膜。鍍錫板具有無毒、質量輕、易于加工成形和印制圖案等優(yōu)點，因此在食品、電子器件等行業(yè)應用廣泛[1]。鍍錫板是將低碳鋼熱軋成約2 mm厚的板卷，經酸洗、冷軋、電解清洗、退火、平整和連續(xù)鍍錫等工序加工而成[2]。隨著人們對食品安全的越發(fā)重視，對鍍錫板的質量和性能要求也越來越高，原板質量的提升至關重要[3]。目前，冷軋鍍錫原板厚度和板形等的控制技術已經成熟，表面質量的提升已成為企業(yè)的關注點。

2020年初，某企業(yè)冷軋的MR T- 5鋼鍍錫原板表面出現條狀色差，影響鍍層的均勻性和產品交貨及企業(yè)生產節(jié)奏，是一個亟待解決的技術難題。冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板表面產生條狀色差的原因較復雜，相關的研究較少。羅富強[4]認為，條狀色差可能是軋制油殘留導致的，但未作深入分析。曹美霞等[5]認為，條狀色差與第4、5架軋機工作輥面粗糙度和均勻性有關，但未研究乳化液的影響。

本文系統(tǒng)研究了冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板表面產生條狀色差的原因，提出了控制措施，可為現場生產提供指導。

1 概況

冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板表面條狀色差的宏觀形貌如圖1所示。色差呈暗條狀，沿軋制方向分布，上、下表面均有，側光可見，直視不可見，觸摸無手感，沿板面寬度方向隨機分布，寬約20～75 mm。

圖1 有條狀色差的冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板形貌

極薄(厚度≤0.2 mm)T- 5料表面的暗條狀色差較嚴重。該T- 5料是用厚度為2 mm的原料經5道次軋制而成，總壓下率≥90%，屬于典型的大壓下、高速冷連軋，對潤滑要求較高。

板面粗糙度是鍍錫原板重要的表面質量指標之一[6]。在現場采用 TIME?3221手持式粗糙度儀檢測了鍍錫原板表面缺陷處和正常處的粗糙度，結果如表1所示。由表1可知，與正常處相比，缺陷處粗糙度Ra增大了0.077 μm，Rp增大了0.350 μm，Rz增大了0.824 μm，即板面條狀色差區(qū)域的粗糙度比正常部位的略大，對可見光的反射略少，視覺上板面呈暗條狀色差?，F場跟蹤發(fā)現，板面區(qū)域性粗糙度差異越大，視覺條狀色差越明顯。

表1 鍍錫原板的表面粗糙度

2 條狀色差的微觀形貌

為了觀察板面條狀色差及其鄰近區(qū)域的微觀形貌，在缺陷處和正常處分別切取2 mm×2 mm的試樣，采用VHX5000三維輪廓顯微鏡觀察，結果如圖2所示。由圖2(a)可知，板面缺陷處有明顯的軋制摩擦痕跡，寬窄不一、深淺不一，其附近區(qū)域有許多微裂紋。圖2(c)為VHX5000顯微鏡自動生成的缺陷處的三維形貌， 板面擦痕從深到淺用藍色和紅色表示，可見缺陷處擦痕呈藍色，略深，摩擦略嚴重。由圖2(b)可見，板面正常處擦痕沿軋制方向分布，其寬度和深度相近且分布較均勻。由圖2(d)可見，正常處擦痕較淺且分布均勻，摩擦略輕微，擦痕附近也布滿微裂紋。圖2表明，板面缺陷處和正常處的微觀形貌有明顯差異，對可見光的反射效果不同。

圖2 有(a,c)和無(b,d)條狀色差的鍍錫原板的微觀(a,b)和三維(c,d)形貌

采用Sigma 500型掃描電子顯微鏡(SEM, scanning electron microscope)觀察板面擦痕附近的微裂紋形貌，結果見圖3(a，b)。板面摩擦痕跡清晰可見，擦痕附近布滿微裂紋，且缺陷處微裂紋較集中。

缺陷處和正常處的能譜分析結果如圖3(c，d)所示。板面缺陷處和正常處的成分主要是C和Fe，且含量基本相同，說明冷軋MR T- 5鋼鍍錫原板產生條狀色差與材料的化學成分無關。

圖3 有(a,c)和無(b,d)條狀色差的鍍錫原板的SEM形貌(a,b)和能譜分析(c,d)

3 影響因素和控制措施

關于冷軋鍍錫原板表面微觀形貌的形成，張清東等[7]認為與軋制轉印原理有關，即在軋制過程中，軋輥表面的微觀形貌通過有潤滑介質的界面塑性變形轉印到板面。板面微觀形貌決定于轉印軋機的工作輥表面微觀形貌、鋼板原有微觀形貌和軋制轉印過程。

本文著重研究了第4、5架軋機工作輥面粗糙度、酸洗后板面粗糙度和冷軋時乳化液潤滑均勻性與板面條狀色差的相關性。

3.1 第4、5架軋機工作輥表面粗糙度分布

軋機工作輥表面看似平滑，實際上有許多大小不一、形狀不規(guī)則的微凸峰和微凹谷，用表面粗糙度Ra表征。

第4、5架軋機上機前工作輥面粗糙度Ra和輪廓Pa如圖4所示。由圖4可知，輥面不同部位的Ra和Pa略有差異，Pa略大。第4、5架軋機工作輥面不同部位粗糙度Ra分別為0.493～0.626 μm和0.458～0.559 μm，基本滿足要求。但輥面不同部位的粗糙度Ra不同對冷軋板面微觀形貌有影響，應改進磨輥工藝。

圖4 第4(a)和5(b)架軋機工作輥面粗糙度分布

3.2 酸洗后板面粗糙度分布

酸洗后鍍錫原板表面粗糙度Ra和輪廓Pa如圖5所示。由圖5可知，酸洗后板面粗糙度Ra和輪廓Pa分別為 1.108～1.710 μm和1.549～2.382 μm，差異明顯。酸洗后板面粗糙度大小及分布的差異影響冷軋時板面帶入輥縫的軋制油量及分布，影響冷軋時板面摩擦的均勻性，會導致冷軋后板面微觀形貌有差異。

圖5 酸洗后鍍錫原板表面粗糙度分布

生產中發(fā)現，原材料有的部位氧化鐵層已開裂，如圖6所示，酸液易進入裂紋，造成板面粗糙。此外，拉矯機機械破鱗的均勻性，酸洗速度、酸液溫度和濃度的波動，擠干輥面磨損狀態(tài)變化及漂洗段水溫、電導率、pH值和水嘴狀態(tài)等，均影響酸洗后板面微觀形貌的均勻性。

圖6 酸洗前鍍錫原板的橫截面形貌

從控制酸洗后板面微觀形貌均勻性入手，結合現場條件，控制拉矯機延伸率為1.45%～1.55%，以提高機械破鱗的均勻性；控制酸洗速度為150～160 m/min，酸液溫度為75～80 ℃，酸液質量濃度1號槽為40～100 g/L、2號槽為90～150 g/L、3號酸槽為120～185 g/L，以提高板面酸洗均勻性；控制漂洗段水溫為45～60 ℃，5號槽電導率≤20 μs/cm，4號槽pH≥6，定時點檢水嘴暢通狀態(tài)，以提高板面漂洗均勻性。

3.3 冷軋時乳化液潤滑均勻性

薄板的冷軋過程示意圖如圖7所示，軋制變形區(qū)為ABDC區(qū)域，變形區(qū)長度為l，板厚H，經過軋機一道次軋制(工作輥半徑為R，咬入角為α)，道次壓下量為△h，軋后板厚為h。冷軋時軋輥和鋼板的接觸面為AB弧面和CD弧面，有一定厚度的潤滑層即油膜。冷軋時接觸面油膜分布的均勻性影響板面摩擦均勻性，影響板面微觀形貌的均勻性。要確保冷軋時接觸面油膜厚度的均勻性，首先要保證乳化液進入輥縫前的潤濕均勻性和輥縫中的鋪展均勻性。乳化液特性主要決定于油的成分，也與乳化液性能有關。

圖7 冷軋薄板的示意圖[8]

3.3.1 提高乳化液潤濕性

乳化液的潤濕性用接觸角φ表征，是指油珠邊界切線與固體表面之間的夾角，如圖8(a)和8(b)所示。接觸角φ小的乳化液能更快地鋪展整個板面，有利于板面油膜均勻分布。乳化液潤濕性主要取決于軋制油中的潤濕劑。目前，生產廠已改進了軋制油的成分，使乳化液接觸角φ從63.3°減小到了49.6°。對乳化液潤濕效果進行了試驗，結果，乳化液濃度為4.2%、pH為4.5。潤濕效果見圖8(c，d)。

圖8 接觸角大(a)和小(b)及潤濕性差(c)和良(d)的乳化液

3.3.2 軋制油高溫潤滑性能

關小軍[9]認為，在大壓下、高速冷連軋時，變形熱和摩擦熱可使變形區(qū)瞬時溫度高達100～200 ℃，會影響軋制油黏度，也影響軋制油在板面的吸附和解吸附性能，影響軋制油潤滑效果，因此需檢測軋制油的高溫潤滑性能。采用四球摩擦磨損試驗機參照SH/T 0189—1992《潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)》進行試驗，測試條件：軋制油溫度75、100、125、150、175、200和225 ℃；試驗力392 N； 轉速和時間分別為1 200 r/min和60 min。試驗結果如圖9所示。

由圖9(a)可知，在100～200 ℃，軋制油有一定的減摩效果。開始時，隨著溫度的升高，平均摩擦因數減小。因為溫度升高，油黏度減小、油膜減??；同時在載荷作用下油黏度增大、油膜增厚；綜合表現為良好的減摩效果。在200 ℃，平均摩擦因數明顯增大，225 ℃時達0.100 2。因為高于200 ℃，油黏度減小，油膜明顯減??；此外，軋制油中油性劑分子可能發(fā)生解吸附，吸附膜弱化，抗剪切性能降低，軋制油減摩效果明顯變差。

圖9 軋制油的平均摩擦因數(a)和平均磨斑直徑(b)隨溫度的變化

由圖9(b)可知，開始時隨著溫度的升高，平均磨斑直徑增大，150 ℃時達到0.876 mm，然后波動式下降。平均磨斑直徑增大說明油的抗磨損性能差，軋制時軋輥和鋼板的磨損會產生大量鐵粉。采用SEM觀察從現場乳化液中提取的鐵粉形貌，發(fā)現鐵粉平均粒徑約為287.7 nm，見圖10。付金柱[10]認為，納米鐵粉能提高乳化液的黏度、增加冷軋時入口油膜的厚度和最小油膜厚度，改善軋制潤滑狀態(tài)?？梢?，乳化液中含有一定量的鐵粉是必要的。

圖10 從乳化液中提取的鐵粉的形貌

3.3.3 優(yōu)化乳化液的技術參數

乳化液潤滑效果主要取決于油的成分，也與乳化液的使用性能有關。為提高乳化液潤滑的均勻性，檢測了乳化液的技術參數，見表2。

表2 優(yōu)化前后乳化液的技術參數

生產中發(fā)現，提高乳化液濃度，冷軋時帶入輥縫的油量多，潤滑效果好，且乳化液濃度波動小，有利于均勻潤滑。溫度升高，乳化液潤滑性提高；兼顧乳化液冷卻性能，提高乳化液的使用溫度下限，使溫度范圍縮小，有利于改善乳化液的潤滑均勻性。乳化液中的納米鐵粉對其潤滑效果有利，但鐵粉含量過多可能會發(fā)生鐵粉顆粒團聚，軋制時發(fā)生磨粒磨損，劃傷板面、損壞輥面或加重板面區(qū)域性磨損，所以乳化液中的鐵粉含量應控制在一定范圍內。乳化液中的氯離子會生成微量鹽酸使局部乳化劑失效，影響冷軋時乳化液潤滑的均勻性，因此要嚴格控制乳化液中的氯離子含量。乳化液的穩(wěn)定性與其潤滑性密切相關[11- 12]。乳化液的穩(wěn)定性用穩(wěn)定性指數E.S.I. (emulsion stability index) 表示，穩(wěn)定性指數小的乳化液潤滑均勻性好。冷軋時乳化液顆粒度分布也影響其潤滑均勻性，乳化液顆粒度分布主要決定于乳化劑，一般呈正態(tài)分布，常用含量占50%的粒徑D50表示。

基于以上分析，通過改進酸洗工藝參數、提高乳化液潤濕性和優(yōu)化乳化液技術參數，冷軋MR T- 5鍍錫原板表面條狀色差明顯減少，達到了用戶要求。2020年10月至今，板面質量一直穩(wěn)定。

4 結論

(1)冷軋的MR T- 5鋼鍍錫原板條狀色差是板面區(qū)域性微觀形貌差異導致的，而板面區(qū)域性微觀形貌差異主要是冷軋時板面區(qū)域性摩擦潤滑不均勻所致。

(2)接觸角為49.6°的乳化液潤滑冷軋鍍錫原板的均勻性較好，可減小板面區(qū)域性摩擦潤滑差異。

(3)優(yōu)化的乳化液的技術參數為：濃度(質量分數)1號槽(2.2±0.2)%、3號槽(4.2±0.2)%；溫度56～60 ℃；鐵粉含量(200～380)×10-6；D50粒徑11.5～13.5 μm；穩(wěn)定性指數30%～38%；氯離子含量≤25×10-6。

(4)改進后的酸洗技術參數為：拉矯機延伸率1.45%～1.55% ；酸洗段速度150～160 m/min，酸液溫度75～80 ℃，酸液質量濃度1號槽為40～100 g/L、2號槽為90～150 g/L、3號槽為120～185 g/L；漂洗段水溫50～60 ℃，5號槽電導率≤20 μs/cm，4號槽pH≥6。