摘 要：提出电镀锡板表面硬度的快速检测方法－铅笔硬度法，用此方法对不同条件下的镀锡板的表面硬度进行了测定，并对镀锡板的工艺条件进行了优化，研究表明：采用低温、低走速、高合金层厚度有利于提高镀锡板的表面硬度.
1 引言
镀锡板俗称马口铁，是两面镀有商业纯锡的冷轧低碳薄钢板或钢带. 镀锡板既具有钢的成型性，又含有锡的耐蚀性，且重量轻、强度高、外形美观，因此被广泛用于制作罐头、包装材料、汽车部件、干电池外壳、电取暖器等[1]3. 目前全世界生产镀锡板在 2000万吨以上，约占锡消耗总量的 40％. 镀锡板在生产加工运输过程中，其表面经常出现划痕、划伤，这不仅使板材外形受损，更重要的是外部镀锡层一旦划破，就会暴露出基体，从而使整个镀锡板的耐腐蚀性大大
下降，从这个意义上来说，镀锡板表面硬度及抗划伤能力也应成为其质量体系中的重要指标之一. 但据我们所知，在整个镀锡板行业中，只有反映基材力学性能的洛氏硬度(即脱锡试样的硬度)，而没有镀锡层硬度这一项[2]54-57. 究其原因：主要在于镀锡层非常薄且锡本身很软，测定起来比较困难，因此迄今为止，有关镀锡层硬度的测定方法国内外几乎未见报道. 本文从涂料工业及汽车行业对外壳涂层硬度的测定中受到启发[3]12-15，将它们常用的铅笔硬度法移植到镀锡板表面硬度研究中来，并加以适当改进，经多次实验，笔者发现铅笔硬度法可以定量、半定量地测定电镀锡板的表面硬度，本文用此方法测定了多种工艺条件下镀锡板的表面硬度，并由此为依据，从理论上对电镀锡板生产的优化工艺条件进行了探讨.
2 实验方法
涂膜硬度铅笔测定法参照 GB－6739－86[4]27-30，对 QHQ 铅笔硬度测定仪进行改造，把原来固定 1KG的负载砝码改为可调式，使用一组日本进口涂膜铅笔，由 9H～6B 硬度递减，铅笔上压有 500g～1kg 负载，校水平后，使端口磨平的铅笔与镀锡板表面成 45°角，铅笔走速 1mm/s，对镀锡板表面犁出五道痕，每道痕的长度约 8mm，将划过的镀锡板置于 11W 日光台灯下，用 10 倍放大镜进行观察，以未犁伤镀膜的最高铅笔硬度来表示该镀锡板的表面硬度. 文中所有镀锡板均由宝钢 1420 电镀锡机组提供，显微硬度测定在上海交通大学物理实验室进行.
3 结果讨论
3.1 铅笔硬度法与其它方法的印证
笔者首先对铅笔硬度法测量镀锡板硬度的可行性进行了验证：通常金属表面硬度的测定采用显微硬度法，此法要求被测样品的厚度在 25 微米以上，硬度越低，要求待测样品厚度越大；而镀锡层材料厚度约为0.5~1.5 微米，用通常的显微硬度计无法测定. 本文采用超显微硬度计(HXD-100TM)进行了尝试，其测试条件：载荷 F＝0.001N（0.1g），加载速度 5×10－5N/s，停留时间 15s，显微硬度 Hv＝0.1891F/d2（d 为压痕对角线长度），整个实验在扫描电镜中进行. 此法在选取测量点上有误差，但在一定程度上可以反映出镀锡板表面硬度情况. 对同一样品，本文也用铅笔硬度法（负载 1kg）进行了测试，二者结果对比如下：
表1显示：超显微硬度测定结果与铅笔硬度法测量结果在次序上基本一致，说明铅笔硬度法在一定程度上能正确反映镀锡板表面硬度情况，由于超显微硬
度法测试要求十分苛刻，测一只样品需一天时间，对仪器损坏较大，费用很高，且取点也有局限性，故不能作为常规研究手段，只能在特殊情况下使用，相比之下，铅笔硬度测试法简单方便，易于操作，有较强的实用性.
3.2 镀锡板工艺条件的优化
电镀锡板的生产要经过基材处理、电镀、软熔、钝化等诸多工序，本文用铅笔硬度法测定了不同工艺条件下的镀锡板表面硬度，对工艺参数进行了优化.
3.2.1 电镀液温度的影响
样品锡层厚度 5.6 g/M2，电镀板走速 134mpm，铅笔负载 1kg，温度对锡层硬度影响见表2
由表 2 可以看出，其它工艺条件相同时，随着电镀液温度升高，镀锡板表面硬度依次下降，这和理论上的预测相吻合. 电镀过程实际上就是溶液中 Sn2+在阴极表面的还原沉积，依电沉积理论：阴极极化大，所得到的沉积锡结晶就细，镀层的致密度就高[5]121，表面硬度就大. 当电镀液温度升高时，增强了溶液中离子的扩散速度，减少了浓差极化，导致阴极极化减小，则镀层结晶变粗，表面硬度下降.
3.2.2 电镀板走速对硬度的影响
样品锡层厚度5.6 g/M2，温度41°C，铅笔负载1kg，电镀板走速对硬度的影响见表 3
不难看出，当电镀板在电镀槽中走速加快时，实际上加强了在电镀液中的搅拌，进一步减少了浓差极化，使沉积锡的晶粒变粗，导致表面硬度下降.
3.2.3 合金层厚度的影响
软熔是镀锡板生产的一重要工序，它将基材上的沉积锡重新熔化，在二者交接处形成合金层，合金层的厚度将影响镀锡板的表面硬度，本文对不同品牌镀
锡板的合金层厚度与表面锡层硬度的关系进行了测定，结果见表 4.
可以看出：合金层的厚度大则镀锡层的硬度高.综合以上研究结果，提高镀锡板表面硬度的途径是：采取低温、低走速、提高合金层厚度.
4 结论
在目前尚无检测方法的情况下，铅笔硬度法可以作为一常规手段进行镀锡板表面硬度的测定，它操作简单，结果准确，可以用于电镀工艺参数的优化和筛选.
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