镀锡板暗斑缺陷的成因与对策

周雨奇

（上海梅山钢铁股份有限公司，江苏 南京 210039）

镀锡板是指两面镀有一层极薄金属锡的冷轧薄钢板，集冷轧薄板的硬度、强度以及锡镀层的易焊接性、抗腐蚀性、美观性于一体[1]，目前在食品罐头工业、奶粉罐、饮料罐、气雾罐和电子器件等行业均有广泛应用。

1 暗斑缺陷的形貌分析

暗斑是镀锡量为5.6g/m2、2.8g/m2的厚镀层镀锡板在生产过程中产生的色泽偏暗的表面缺陷。在5.6g/m2镀层上，暗斑缺陷整板面分布，呈雨点状或片状。在2.8g/m2镀层上，暗斑缺陷弥散分布，为针尖大小。

暗斑缺陷的性能指标如附着力、抗硫性能等均为一级，未发生异常。对暗斑缺陷处进行成分分析也未发现异常元素，可见暗斑缺陷并不是常见的斑迹缺陷。暗斑缺陷不影响镀锡板的实际使用，但会影响镀锡板表面质量，用户观感不佳，会导致抱怨甚至批量质量异议，需要高度重视。

电镀锡机组的暗斑缺陷发展主要分为3 个阶段。第一阶段，5.6g/m2镀层产生雨点状暗斑缺陷，如图1所示，通过关闭电镀1#槽电极板，可以基本消除此缺陷。第二阶段，关闭电镀1#槽电极板无法消除该缺陷，仅有色泽上的变化，由发白的浅色暗斑变为发黑的深色暗斑。第三阶段，在2.8g/m2镀层上产生针尖大小暗斑、暗点，如图2所示。

图1 5.6g/m2 镀层暗斑形貌

图2 2.8g/m2 镀层暗斑形貌

暗斑缺陷是一种全新的缺陷，没有历史经验可供参考，因此需要结合其他斑迹类缺陷产生原因，并考虑电镀锡全部工艺流程，如碱洗、酸洗、电镀、软熔、钝化以及涂油一系列工艺对带钢表面暗斑缺陷的影响，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 镀锡基板分析

在实际生产过程中，2.8g/m2镀层奶粉罐镀锡板均未发生点状暗斑缺陷，其与普通2.8g/m2镀层镀锡板的差别为奶粉罐镀锡板采用R2 表面基板，粗糙度偏高；普通镀锡板采用R 表面基板，粗糙度偏低。因此，需要考虑基板表面粗糙度对暗斑缺陷的影响。

以厚0.20mm、T-4 调质、连续退火的低碳钢基板为例，根据平整工艺的不同，分为R 表面（粗糙度为0.255μm）和R2 表面（粗糙度为0.438μm），以320mpm 的速度运行，使用不同的镀锡量设定，即2.8g/m2与5.6g/m2。

在镀锡量为2.8g/m2时，R 表面镀锡板产生针尖大小的点状暗斑，R2 表面镀锡板无暗斑。

在镀锡量为5.6g/m2时，R 表面镀锡板产生片状暗斑，R2表面镀锡板也产生片状暗斑，色泽比R 表面亮。

根据以上试验结果，粗糙度较高的R2 表面对2.8 镀层的点状暗斑存在一定的改善效果。

但是，镀锡机组在同一时间、同一工艺和同一镀层条件下连续生产R 表面和R2 表面产品，和R 表面相比，R2 表面产品的斑迹缺陷有极大改善，表面粗糙度提升对斑迹类缺陷的改善主要体现在降低了斑迹类缺陷在频闪仪下目视检测的显著性，对产生斑迹的溶液飞溅、辊系脏污并没有改善效果。

因此，R2 表面对2.8g/m2镀层的点状暗斑的改善效果体现在无法目视发现上，实际的点状暗斑仍然存在于镀锡板表面。

2.2 镀锡机组辊系分析

在生产过程中，镀锡板需要与现场辊系直接接触，当辊面结垢、磨损时，都会导致辊面缺陷翻印到镀锡板表面，产生斑迹类缺陷，该类斑迹类缺陷通常会有固定的位置与周期。而暗斑缺陷在镀锡板表面没有固定的位置与周期，与该类斑迹类缺陷差异较大。

挤干辊、压辊压靠异常造成溶液飞溅到带钢表面，则会产生点状、片状的斑迹，没有固定的位置与周期，与暗斑缺陷的形貌接近。但是溶液飞溅产生的斑迹类缺陷为连续产生，暗斑缺陷针对特定镀层产生，存在一定差异性。

排查辊系原因产生的斑迹类缺陷时，一方面利用连续在线生产，现场排查，锁定斑迹缺陷的具体发生位置，另一方面可以利用检修停机机会，抽出带钢检查辊系表面状态。

连续在线生产时，全线挤干辊、压辊压靠均未发现溶液飞溅异常，但是可以在软熔段的淬水槽出口使用频闪仪观察到暗斑缺陷的出现，说明暗斑缺陷产生于软熔及软熔之前的工艺段。

而在电镀段出口观察不到暗斑缺陷，这并不表示电镀段与暗斑缺陷的产生原因无关。暗斑缺陷主要显示为色泽上的差异，来料的粗糙度异常、酸洗工艺的表面活化异常都会产生色泽差异。同时，在电镀工艺中，镀锡板表面锡层为电解沉积产生的锡结晶，呈现乳白色，无法观察到暗斑缺陷的色泽差异，需要经过软熔工艺，表面锡层熔化流平，产生金属光泽后，暗斑缺陷才会在软熔工艺之后显现出来。

在检修停机的辊面检查作业中，全线辊系均未发现辊面结垢、磨损，同时辊面也未发现与暗斑缺陷形貌类似的纹路。

综上所述，辊系异常并不是影响暗斑缺陷的关键因素。

2.3 镀锡机组溶液分析

2.3.1 镀锡机组工艺变更分析

在生产过程中，镀锡板除了与现场辊系直接接触外，还需要浸泡在槽罐内溶液、冲洗水中，因此需要考虑溶液、冲洗水的工艺变更对暗斑缺陷的影响。

镀锡机组在暗斑缺陷发生前工艺变更冲洗水流量调整，暗斑缺陷可能与冲洗水流量不足，镀锡板表面溶液残留有关。

但是，工艺变更与暗斑缺陷发生时间间隔超过半年，关联不够紧密。在现场生产过程中尝试恢复冲洗水流量，并进一步提高冲洗水流量与温度，对暗斑缺陷无影响。

因此，冲洗水流量并不是影响暗斑缺陷的关键因素。

2.3.2 镀锡机组碱洗工艺分析

碱洗工艺主要是通过化学碱洗和电解碱洗清除带钢表面油脂与铁粉。碱洗工艺的主要缺陷为镀层不良或镀层脱落，与斑迹类缺陷没有直接关系。因此，碱洗工艺对暗斑缺陷产生影响的可能性较小。

在碱洗段的工艺调整试验中，将氢氧化钠溶液从浓度为14g/L、温度45℃逐步向浓度为30g/L、温度65℃调整，5.6g/m2镀层的暗斑缺陷无任何变化。

因此，碱洗工艺并不是影响暗斑缺陷的关键因素。

2.3.3 镀锡机组酸洗工艺分析

酸洗工艺可以清除带钢表面肉眼不可见的薄氧化膜，使带钢表面呈现金属结晶组织的活化状态，保证带钢与锡层之间的良好结合。

酸洗段的圈状暗斑与5.6g/m2镀层暗斑形貌类似。酸洗段的圈状暗斑主要产生原因为电解酸洗工艺过程中，带钢表面气泡析出，造成带钢表面活化程度不均匀，并产生色泽差异。通过关闭酸洗极板，可以消除该缺陷。同时，酸冲洗不充分和酸液残留也会产生斑迹。因此酸洗工艺也可能与暗斑缺陷有关。

但在酸洗段的工艺调整试验中，关闭电解酸洗极板，采用纯化学酸洗，并将硫酸溶液从浓度为45g/L、温度45℃逐步向浓度为65g/L、温度65℃调整，5.6g/m2镀层的暗斑缺陷无任何变化。

因此，酸洗工艺并不是影响暗斑缺陷的关键因素。

2.3.4 镀锡机组电镀工艺分析

由电镀1#槽电极板及镀锡量对暗斑缺陷的影响可确定暗斑缺陷和电镀段工艺有关。

2.3.4.1 电镀液成分异常分析

镀锡机组电镀段主要采用MSA（甲基磺酸）工艺，电镀段的斑迹缺陷主要为电镀液中添加剂、抗氧化剂浓度异常或失效导致。

在电镀工艺从抗氧化剂浓度15mol/L、添加剂浓度10mol/L逐步向抗氧化剂浓度25mol/L、添加剂浓度16mol/L 调整过程中，5.6g/m2镀层的暗斑缺陷无任何变化。

因此，电镀液成分并不是影响暗斑缺陷的关键因素。

2.3.4.2 电镀液性能劣化分析

电镀锡机组的暗斑缺陷是一种随时间不断恶化的缺陷，可能与电镀液性能不断劣化有关。为了验证两者的关联性，从电镀液循环罐TC-1 内取在线使用的电镀液与除铅系统沉淀罐内保存2年的电镀液进行赫尔槽试验，在电流2A、通电时长3min 的试验条件下，2 种电镀液赫尔槽试验标准试片效果如图3所示。

图3 赫尔槽试验标准试片形貌

赫尔槽试验结果显示：和除铅系统沉淀罐内电镀液相比，电镀液循环罐TC-1 内取在线使用的电镀液性能有所劣化。强制搅拌，有利于工作电流密度区镀层质量改善。在线使用的电镀液加入添加剂后，镀层质量改善。

为消除电镀液性能劣化的影响，利用检修对镀液进行如下调整：将电镀液排放30m3，并重新配制电镀液；将电镀液循环泵由开二备二改为全部开启，并添加开缸剂，即高浓度添加剂调整镀液成分；再次开机后，5.6g/m2镀层的暗斑缺陷并未消除。

综上所述，电镀液性能劣化可能是影响暗斑缺陷的因素之一，但是小幅度调整电镀液并不能消除暗斑缺陷。而电镀液周期性整体更换、重新配置成本过高，不可能用作暗斑缺陷的常规解决方案。

2.3.4.3 镀锡量分析

将在线带钢的镀锡量依次设定为5.6g/m2、4.0g/m2、2.8g/m2，暗斑色泽无变化，暗斑面积则随镀层的降低而不断变小，从鸡蛋大小逐步缩减为黄豆大小、针尖大小。因此，镀锡量确实为暗斑缺陷的影响因素。但因合同规定的镀层重量而无法在实际生产中进行相关调整。

综上所述，电镀工艺对暗斑缺陷存在一定影响，但并不是消除暗斑缺陷的关键因素。

2.3.5 镀锡机组软熔工艺分析

在电镀段镀锡后，带钢表面锡层为白色，只有在经过软熔段后，带钢表面锡层经过电阻软熔与感应软熔的共同作用，重新熔化流平，才能产生富有金属光泽的镀锡板表面。其中，镀锡量为5.6g/m2、2.8g/m2的厚镀层镀锡板表面可呈现镜面效果。从软熔工艺对镀锡板表面色泽的影响可以得出软熔工艺也是暗斑缺陷的影响因素的结论。

软熔工艺主要分为软熔前的助溶工艺、电阻软熔加感应软熔的组合软熔以及淬水槽脱盐水冷却。

2.3.5.1 组合软熔与淬水槽分析

组合软熔的主要作用是将带钢温度提高至232℃以上，达到锡的熔点，使锡层熔化，而淬水槽的作用则是用脱盐水冷却带钢，使熔化流平的锡层凝固。

软熔与淬水的关键参数是带钢温度与脱盐水温度，这2项参数需要相互配合才能产生富有金属光泽的镀锡板表面，一旦配合错误，则会产生雨点状或贝壳状的淬水斑。

由于不同速度、不同规格、不同镀层、脱盐水流量与冷却板换开口度都能影响带钢温度与脱盐水温度的配合，影响因素过多，因此无法形成固定的配合公式，需要镀锡机组主操观察镀锡板表面状态不断调整，以不出现淬水斑为准。因此，带钢温度与脱盐水温度无法配合暗斑缺陷消除的工艺试验。

2.3.5.2 助熔工艺分析

助熔剂可以促进锡层进行软熔时的流平反应，提高软熔效果。助熔剂浓度过低会导致镀锡板亮度不足，浓度过高可能会导致板面过亮。

助熔工艺对镀锡板表面质量的影响主要体现在点锈缺陷。点锈缺陷为镀锡板表面的针尖大小锈点，主要产生于1.1g/m2镀层。点锈缺陷是一种具有时效的缺陷，在镀锡板生产结束后存放一周才会出现在带钢表面，而在线生产时是无法看到点锈缺陷的。

点锈缺陷的主要成分是氧化铁，可以初步判断为1.1g/m2镀层太薄，表面漏锡产生针尖大小的漏锡点，通过现场工艺排查，确认助熔工艺调整可以消除漏锡点。

点锈缺陷的产生机理为助熔剂对镀锡层的流平作用使低锡量镀锡板的锡层聚集在基板表面的凹坑处，加剧了镀锡板基板凸点漏锡和产生点锈的概率[2]。

1.1g/m2镀锡层，按照锡的密度7.28g/cm3计算，镀锡层的厚度仅有0.15μm，而镀锡基板R 表面粗糙度为0.255μm，即镀锡基板表面微小峰谷的不平度无法被镀锡层彻底覆盖，基板表面粗糙度峰值处的凸点突出镀锡层，凸点处的铁与镀锡层的锡产生电化学反应，从而在凸点处产生点锈。

根据点锈产生机理，镀锡机组在2018年对助熔工艺进行了变更，将助熔剂浓度由（10±3）g/L 降低至0g/L，即采用脱盐水助熔。

在助熔工艺的暗斑缺陷消除试验中，助熔槽重新配置了浓度为13g/L 的助熔剂，5.6g/m2镀层表面的暗斑缺陷得到有效消除。

为避免高浓度的助熔剂产生点锈缺陷的风险，逐步稀释助熔剂浓度，直至1g/L、5.6g/m2镀层表面的暗斑缺陷未再次发生。

综上所述，低浓度的助熔剂可以有效消除高锡量的镀锡板暗斑缺陷。对高锡量的镀锡板，即2.8g/m2、5.6g/m2镀层，助熔剂可以使锡层在整板面均匀流动，形成色泽一致的锡层。而电镀液性能劣化导致在脱盐水助熔工艺下锡层流动性不足，不同区域的锡层产生流动差异，发生不均匀的软熔流平，从而造成不同区域的锡层色泽差异，形成暗斑。镀层越厚，锡层流动差异的面积越大，形成的暗斑越大，这也是不同镀层的暗斑形貌存在差异的原因。

3 改善措施

镀锡机组的电镀液性能劣化与脱盐水助熔工艺造成了高锡量的镀锡板产生暗斑缺陷。由于电镀液全部重新配置成本过高，因此镀锡机组通过改善助熔工艺来消除暗斑缺陷。为平衡点锈缺陷与暗斑缺陷的助熔工艺冲突，针对不同镀层采取差异化助熔的工艺。

针对5.6g/m2镀层，采用低浓度助熔剂助熔，需要关闭脱盐水阀门，向助熔槽加入助熔剂，浓度达到1g/L 即可消除暗斑缺陷。针对1.1g/m2镀层，采用脱盐水助熔。而在5.6g/m2镀层与1.1g/m2镀层之间，为避免点锈缺陷出现，可以生产2.8g/m2的镀层过度。在生产过程中，需要提前排放助熔剂，并打开脱盐水阀门，冲洗槽罐。

4 实施效果

采用差异化助熔工艺后，镀锡板未再出现暗斑缺陷，同时压库拆包也未发现点锈缺陷，改善效果比较明显。

差异化助熔工艺明显减少了镀锡板暗斑缺陷损失，同时5.6g/m2镀层合同量占比极少，每月批量生产一次，现场操作人员劳动强度没有明显提高。

5 结语

镀锡板的表面质量是镀锡机组质量管控的关键指标，镀锡板表面质量的好坏会影响用户对镀锡板品牌形象的评价。该文针对实际生产中出现的镀锡板暗斑缺陷问题，从镀锡机组的基板、辊系与溶液体系多个方面进行了分析，结合电镀液性能劣化与脱盐水助熔工艺的不足，制定了差异化助熔的改善方案，从而解决了镀锡板暗斑缺陷，改善了镀锡板表面质量，维护了镀锡板的品牌形象。同时也证明了助熔剂在镀锡溶液体系内的必要性，为今后的镀层差异化缺陷的解决提供了参考思路。