軟熔工藝參數(shù)對鍍錫板耐蝕性的影響

陸永亮

寶鋼股份研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇 南京 210039

鍍錫板是指兩面鍍有純錫的冷軋低碳薄鋼板或鋼帶，它兼具鋼的強(qiáng)度、成型性及錫的耐蝕性、可焊性和美觀性[1]。錫還具有環(huán)保無毒、延展性好、耐蝕性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在食品罐、飲料罐、奶粉罐等食品包裝上得到了極為廣泛的應(yīng)用。

為了得到具有光亮表面和良好性能的鍍錫板，往往需要對鍍錫板進(jìn)行軟熔處理。軟熔是指將鍍錫板加熱到錫的熔點(diǎn)(232 ℃)以上，再快速淬水。熔融的錫具有溜平作用，可以消除電鍍錫過程中形成的微孔，同時(shí)能在純錫層與鋼板的界面生成FeSn2金屬間化合物，起到提高鍍層結(jié)合力和耐蝕性的作用[2-3]。對于低錫量鍍錫板而言，軟熔處理還能提高其耐絲狀腐蝕性能和抗劃傷性能[4]。

本文研究了軟熔功率、軟熔時(shí)間及軟熔后的空氣暴露時(shí)間和淬水溫度對鍍錫板耐蝕性的影響，以便獲得最佳軟熔工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍錫板制備工藝

基板為0.20 mm厚的MR T-4CA低碳鋼板，依次進(jìn)行堿洗、酸洗、電鍍錫和軟熔。

1.1.1 堿洗

采用20 g/L的NaOH溶液，陰極電流密度5 A/dm2，電解時(shí)間20 s，去離子水沖洗后酸洗。

1.1.2 酸洗

采用30 g/L的硫酸溶液，陰極電流密度5 A/dm2，電解時(shí)間5 s，去離子水沖洗后電鍍錫。

1.1.3 電鍍錫

采用生產(chǎn)現(xiàn)場的甲基磺酸鹽鍍液，陰極電流密度1.2 A/dm2，鍍液溫度45 ℃，鍍錫量1.1 g/m2。

1.1.4 軟熔

采用高頻軟熔加熱爐對鍍錫板進(jìn)行軟熔，軟熔功率430 ～ 830 W，時(shí)間0.4 ～ 0.9 s；軟熔后空氣暴露時(shí)間0 ～ 6 s，淬水溫度25 ～ 90 ℃。所用高頻軟熔加熱爐采用加熱線圈感應(yīng)加熱，可以自動(dòng)控制軟熔功率和軟熔時(shí)間，以及軟熔后空氣暴露時(shí)間和淬水溫度。

1.2 耐蝕性檢測

采用美國普林斯頓P4000電化學(xué)工作站進(jìn)行塔菲爾(Tafel)曲線測試，電解質(zhì)為pH = 7.0的3.5% NaCl溶液，工作電極(即鍍錫板)的有效面積為1 cm2，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極采用1 cm × 1 cm的鉑電極，電位掃描范圍為開路電位± 0.25 V，掃描速率為10 mV/s。通過塔菲爾曲線外推法得到腐蝕電流密度(jcorr)，以對比不同試樣的耐蝕性。

2 結(jié)果與討論

2.1 軟熔功率對鍍錫板耐蝕性的影響

在不同功率下對鍍錫板軟熔0.7 s后立即置于溫度50 °C的水中淬冷，以研究軟熔功率對鍍錫板耐蝕性的影響。由圖1可以看出，隨著軟熔功率的增大，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度呈現(xiàn)先緩慢下降后快速升高的趨勢。當(dāng)軟熔功率為630 W時(shí)，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度最低，耐蝕性最優(yōu)。

圖1 軟熔功率對鍍錫板腐蝕電流密度的影響 Figure 1 Effect of reflowing power on corrosion current density of tinplate

當(dāng)軟熔功率較低時(shí)，鍍錫板表面溫度低，錫層熔化不完全，使得表面孔隙率較高，耐蝕性差。隨著軟熔功率的升高，純錫鍍層被熔化、溜平的程度提高，孔隙率降低，耐蝕性提高。但軟熔功率過高時(shí)，純錫鍍層逐漸被氧化，甚至產(chǎn)生過軟熔，使得鍍錫板表面氧化物的含量升高而耐蝕性變差。觀察不同功率下軟熔的試片時(shí)發(fā)現(xiàn)，鍍錫板表面在軟熔功率超過730 W后開始出現(xiàn)明顯的泛黃現(xiàn)象，已不能滿足鍍錫板的外觀要求。因此選擇軟熔功率為630 W。

2.2 軟熔時(shí)間對鍍錫板耐蝕性的影響

在功率630 W下對鍍錫板軟熔不同時(shí)間后立即置于溫度為50 ℃的水中淬冷，以研究軟熔時(shí)間對鍍錫板耐蝕性的影響。由圖2可以看出，隨著軟熔時(shí)間的延長，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度呈現(xiàn)先顯著降低，后緩慢升高，最后急劇升高的趨勢。當(dāng)軟熔時(shí)間為0.5 ～ 0.8 s時(shí)，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度都較低，以軟熔0.5 s時(shí)的腐蝕電流密度為最低，耐蝕性最好。軟熔時(shí)間超過0.8 s后出現(xiàn)過軟熔現(xiàn)象，鍍錫板明顯泛黃，耐蝕性惡化。

圖2 軟熔時(shí)間對鍍錫板腐蝕電流密度的影響 Figure 2 Effect of reflowing time on corrosion current density of tinplate

當(dāng)軟熔時(shí)間較短時(shí)，錫鍍層吸收的熱量不足以使其完全熔化，導(dǎo)致鍍層孔隙率較高，耐蝕性差。延長軟熔時(shí)間后，純錫鍍層熔化、溜平的效果增強(qiáng)，孔隙率降低，耐蝕性變好。但軟熔時(shí)間過長時(shí)，純錫鍍層逐漸被氧化，使鍍層中氧化物含量過多而耐蝕性變差。因此選擇軟熔時(shí)間為0.5 ～ 0.8 s，最佳為0.5 s。

2.3 軟熔后空氣暴露時(shí)間對鍍錫板耐蝕性的影響

在軟熔過程中，鍍錫板表面溫度瞬間升高，軟熔結(jié)束后表面溫度仍然很高，錫及錫鐵合金層很容易在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，暴露在空氣中的鍍錫板表面溫度逐漸降低，熔化的錫逐漸冷卻結(jié)晶。因此，軟熔后鍍錫板在空氣中暴露的時(shí)間會(huì)影響錫層的氧化物含量和錫的結(jié)晶形貌，進(jìn)而影響鍍錫板的耐蝕性。以630 W的功率對鍍錫板軟熔0.7 s，在空氣中暴露不同時(shí)間后再置于溫度為50 ℃的水中淬冷，以研究軟熔后在空氣中的暴露時(shí)間對鍍錫板耐蝕性的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 軟熔后空氣暴露時(shí)間對鍍錫板腐蝕電流密度的影響 Figure 3 Effect of time to exposure in air after reflowing on corrosion current density of tinplate

由圖3可以看出，隨著軟熔后鍍錫板在空氣中暴露時(shí)間的延長，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度呈波動(dòng)式變化，總體上升，即耐蝕性逐漸變差。這可能是因?yàn)橐环矫嫣幱诟邷貭顟B(tài)的表面錫層不斷在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，使表面的錫氧化物含量增加，耐蝕性下降；另一方面，熔化的錫與空氣發(fā)生熱交換而逐漸結(jié)晶，由于空氣的溫度較低，結(jié)晶時(shí)的過冷度大，所得的晶核多而細(xì)小，令鍍錫板的孔隙率下降，耐蝕性提高。這兩方面因素的共同作用使得鍍錫板的耐蝕性出現(xiàn)波動(dòng)。但總體而言，縮短鍍錫板在空氣中的暴露時(shí)間有利于增強(qiáng)其耐蝕性。因此軟熔后鍍錫板不宜在空氣中停留過長時(shí)間，最好是立即進(jìn)行淬水處理。

2.4 軟熔后淬水溫度對鍍錫板耐蝕性的影響

鍍錫板經(jīng)軟熔后表層的金屬錫逐漸熔化而實(shí)現(xiàn)溜平，為了使其快速冷卻結(jié)晶，減少氧化物的生成，需要對軟熔后的鍍錫板進(jìn)行淬水處理。淬水溫度不同，錫鍍層的氧化物含量和結(jié)晶狀態(tài)也有所不同，勢必會(huì)影響鍍錫板的耐蝕性。在功率630 W下對鍍錫板軟熔0.7 s后立即置于不同溫度的水中淬冷，以研究軟熔后淬水溫度對鍍錫板耐蝕性的影響，結(jié)果如圖4所示。從中可以看出，淬水溫度為50 ℃和70 ℃時(shí)，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度較小，即耐蝕性較好。軟熔層的結(jié)晶過程包含形核與晶粒長大兩個(gè)過程[5-6]。隨著軟熔后淬水溫度的降低，錫結(jié)晶過程的過冷度增大，這將提高結(jié)晶的形核率，令錫層結(jié)晶更加致密，有利于降低鍍錫板的孔隙率，進(jìn)而提高鍍錫板的耐蝕性。另外，較大的過冷度會(huì)使錫層晶粒長大的時(shí)間縮短[7]，許多晶粒還來不及長大結(jié)晶過程就已經(jīng)結(jié)束，這又會(huì)降低錫層的致密度，令鍍錫板的耐蝕性降低。以上兩種因素的共同作用使得鍍錫板的耐蝕性伴隨淬水溫度變化而改變。綜合考慮后選擇淬水溫度為50 ℃或70 ℃。

圖4 軟熔后淬水溫度對鍍錫板腐蝕電流密度的影響 Figure 4 Effect of water quenching temperature after reflowing on corrosion current density of tinplate

3 結(jié)論

隨軟熔功率升高或軟熔時(shí)間延長，鍍錫板在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電流密度呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢，即鍍錫板的耐蝕性呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。當(dāng)軟熔功率為630 W、軟熔時(shí)間為0.5 s時(shí)，鍍錫板的耐蝕性最優(yōu)。

為了確保得到品質(zhì)良好的鍍錫板，軟熔功率不宜超過730 W，軟熔時(shí)間不宜超過0.8 s。軟熔后應(yīng)立即淬水，淬水溫度以50 ℃或70 ℃為佳。