易開蓋用鍍錫板開裂原因及改進措施

蘭昊天，秦 松，徐曉涵，宋乙峰，岳重祥

(1.江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，張家港 215625；2.江蘇沙鋼集團有限公司，張家港 215625)

0 引 言

鍍錫板俗稱馬口鐵，指兩面鍍錫的冷軋低碳鋼薄板，主要用作食品、飲料等包裝材料，應用部位涉及罐身、頂底蓋等[1]。鍍錫板金屬包裝材料具有衛生無毒、耐腐蝕性優良、裝飾性好、貯藏運輸便捷等特點[2]，其中易開蓋包裝的開啟、回收便利，主要生產流程由波剪→基本蓋成型注膠→組合成型三部分組成，而組合成型部分工序多，制作過程復雜，因此易開蓋對鍍錫板性能及表面質量都有較高的要求。某鋼廠生產的易開蓋用MR-T-4CA鍍錫板厚度為0.18 mm，上下表面鍍錫量均為2.8 g·m-2，生產流程為鐵液機械攪拌法脫硫→轉爐煉鋼→鋼包精煉爐(LF)精煉→連鑄→熱軋→冷軋，所得軋硬卷經連續退火形成基板，其中連續退火時的均熱溫度為670 ℃，以100 ℃·s-1速率一次冷卻至410 ℃，兩段時效溫度為410 ℃和360 ℃，最終以120 ℃·s-1速率冷卻至100 ℃以下；基板經堿洗、酸洗、電鍍、軟熔和鈍化等工序制成鍍錫薄板，其中電鍍液中的游離酸體積分數為35 mL·L-1，抗氧化劑體積分數為40 mL·L-1，添加劑的體積分數為20 mL·L-1；電鍍工藝中電流為22 000 A，帶鋼移動速度為300 m·min-1，陰極電流效率約為90%。上述鍍錫板制蓋成型后經自動光檢檢驗，發現部分蓋體鉚釘處出現開裂，開裂率約為0.08%，低于客戶預期質量要求。為了找到開裂的原因，作者對易開蓋用鍍錫板進行了失效分析，并提出相應的改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 斷口形貌

易開蓋開裂部位均在鉚釘處，采用JSM-7001F型掃描電鏡(SEM)觀察斷口形貌。由圖1可以看出，斷口存在典型的韌窩形貌，屬于韌性斷裂[3]。

圖1 鍍錫板的斷口SEM形貌Fig.1 Fracture SEM morphology of tin plate

1.2 化學成分

利用CS-600型碳硫聯測分析儀、ONH-5000型氧氮氫分析儀及ICP-AES型電感耦合等離子體原子發射光譜儀對開裂批次易開蓋用鍍錫板的化學成分進行測試，結果如表1所示。由表1可以看出，開裂批次易開蓋用鍍錫板的化學成分均在企業標準控制范圍內。

表1 開裂鍍錫板的化學成分

1.3 力學性能

按照GB/T 2520-2017，在開裂批次鍍錫板的中部和邊緣截取硬度試樣，按照GB/T 228.1-2021，在開裂批次鍍錫板上沿軋制方向縱向和橫向截取拉伸試樣，標距為50 mm。易開蓋在制蓋過程中需在190～200 ℃下進行印涂烘烤，為模擬此過程，將部分拉伸試樣和硬度試樣在烘箱內進行烘烤，烘烤溫度為200 ℃，烘烤時間為20 min，空冷至室溫。采用HRMS-45型數顯表面洛氏硬度計測烘烤前后鍍錫板的硬度，載荷為294 N，保載時間為5 s。采用Model 5565-5KN 型拉伸試驗機測拉伸性能，拉伸速度為4 mm·min-1。測得烘烤前后開裂鍍錫板中部的硬度分別為60.5,61.3 HR30T，邊緣的硬度分別為60.7，61.6 HR30T，可知烘烤后邊緣和中部的硬度均有所升高，且硬度均在GB/T 2520-2017中規定的(61±4) HR30T范圍內。由表2可知，烘烤后開裂鍍錫板的橫向和縱向屈服強度較烘烤前的均有不同程度升高，抗拉強度在烘烤前后變化均不明顯，斷后伸長率小幅降低，開裂鍍錫板的拉伸性能符合BS EN 10202標準要求。

表2 開裂鍍錫板在不同條件下的拉伸性能

1.4 顯微組織

在開裂鍍錫板中間部位沿軋制方向截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Carl Zeiss imager.Z1m型光學顯微鏡觀察顯微組織。熱軋鋼板經冷軋后，其鐵素體晶粒被拉長形成纖維狀組織，軋硬卷經連續退火后內部組織發生回復再結晶及晶粒長大，最終形成致密的等軸晶。由圖2可知：開裂易開蓋用鍍錫板組織主要為鐵素體和滲碳體，滲碳體在晶界處沿軋制方向分布；組織為完全再結晶的等軸晶粒，無帶狀組織或未再結晶組織。

在開裂和未開裂易開蓋鉚釘處截取金相試樣，經打磨、拋光，用體積分數4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Carl Zeiss imager.Z1m型光學顯微鏡觀察截面顯微組織。在易開蓋成型過程中，鉚釘不同部位的變形量差異較大。由圖3可見：成型后開裂易開蓋鉚釘中部實測厚度約為181 μm，厚度基本不變(鍍錫板平均厚度為179 μm)，說明基本無變形，邊部實測厚度約為117 μm，厚度減薄約35%，彎折處較厚部分實測厚度約為185 μm，較薄部分實測厚度約為131 μm，厚度減薄約27%；厚度變化較小部位的晶粒與鍍錫板成品晶粒類似，未出現明顯變形，而厚度減薄部位晶粒呈細長條狀，變形明顯。未開裂易開蓋鉚釘中部實測厚度約為179 μm，厚度基本不變，邊部實測厚度約為111 μm，厚度減薄約38%，且減薄部位晶粒同樣呈細長條狀。可知，在易開蓋成型時鉚釘邊部變形量大，減薄明顯。

圖2 開裂鍍錫板中部的顯微組織Fig.2 Microstructure of cracked tin plate center

圖3 開裂和未開裂易開蓋鉚釘不同位置的截面顯微組織Fig.3 Section microstructure of different positions of cracked easy-opening lid rivet (a) and uncracked easy-opening lid rivet (b)

1.5 夾雜物尺寸和形貌

采用JSM-7001F 型掃描電鏡(SEM)觀察鍍錫板開裂處的微觀形貌，利用附帶的能譜儀(EDS)分析裂口處的微區成分。由圖4可以看出，開裂處表面高低不平，呈溝壑狀。由表3可知，開裂處除含有鐵元素外，還含有鎂、鋁、鈣、氧等元素，初步判斷鍍錫板開裂處存在夾雜物。

采用Explorer 4 Analyzer型夾雜物分析儀對開裂鍍錫板內大尺寸夾雜物形貌進行分析，根據形貌特征大尺寸夾雜物可分為單個大尺寸夾雜物和簇群狀夾雜物。由圖5可知，單個大尺寸夾雜物的最大尺寸約為38.9 μm，簇群狀夾雜物的最大尺寸約為28.3 μm，夾雜物的主要物相為Al2O3和CaO。

圖4 鍍錫板開裂處的微觀形貌Fig.4 Micromorphology near cracking of tin plate: (a) at low magnification and (b) at high magnification

圖5 開裂鍍錫板中單個大尺寸夾雜物和簇群狀夾雜物的形貌和EDS譜Fig.5 Morphology (a, c) and EDS spectra (b, d) of single large inclusion (a-b) and clustered inclusion (c-d) in cracked tin plate

表3 圖4中不同位置的EDS分析結果

2 開裂原因及改進措施

2.1 開裂原因

由上述理化檢驗結果可知，易開蓋鉚釘處斷口存在韌窩形貌，發生韌性斷裂。開裂鍍錫板的化學成分、力學性能滿足要求，但組織中存在較多大尺寸夾雜物，夾雜物主要為Al2O3和CaO；在制蓋過程中鉚釘邊部變形量大，發生明顯的厚度減薄。研究[4-6]表明，在鍍錫用低碳鋼板的LF精煉過程中夾雜物以Al2O3-MgO為主，鈣處理后成品鍍錫板內夾雜物以球形MgO-Al2O3-CaO-CaS復合夾雜物為主。易開蓋用鍍錫板的厚度薄，若存在大尺寸夾雜物或大型簇群狀夾雜物，在成型鉚釘時夾雜物無法隨薄板發生相應的變形，夾雜物附近會產生應力集中，從而引起開裂現象[7]。在加工變形中厚度減薄處是最易發生開裂的部位[8-9]，且這些部位與實際開裂位置相符。由此可知，易開蓋鉚釘處存在的大尺寸夾雜物和明顯的厚度減薄是鍍錫板開裂的直接原因和間接原因。開裂鍍錫板的LF精煉工藝的脫氧能力較弱，因此在生產低碳鋼時，需要在轉爐脫氧時加入大量鋁脫氧劑，從而產生大量高熔點Al2O3夾雜物；雖然通過鈣處理可對夾雜物進行改性，并借助吹氬精煉等操作促進夾雜物上浮，但無法徹底消除夾雜物，仍會形成少量CaO-Al2O3鈣鋁酸鹽類夾雜物[10-11]。

2.2 改進措施

鋼液真空循環脫氣(RH)精煉工藝采用真空碳脫氧，在轉爐冶煉和RH精煉時無需進行鋁脫氧，因此RH精煉工藝對夾雜物控制水平較好[12-15]。為提升夾雜物控制水平，將LF精煉工藝改為RH精煉工藝，改進后的冶煉過程為鐵水機械攪拌法脫硫→轉爐煉鋼→RH精煉→連鑄。分別在工藝改進前后的生產流程中取結晶器試樣、鑄坯試樣、熱軋試樣和成品試樣，對其夾雜物的尺寸和數量進行統計分析，分析區域面積為10 mm×10 mm。由圖6可以看出,工藝改進后不同生產過程的各試樣中夾雜物數量均遠低于工藝改進前，說明在冶煉過程中RH精煉工藝對夾雜物的控制效果優于LF精煉工藝。結合EDS分析結果統計得到改進工藝前成品鍍錫板內單位面積夾雜物數量為49.8個·mm-2，最大尺寸為38.9 μm，夾雜物為Al2O3和CaO，存在一些尺寸大于15 μm的夾雜物；工藝改進后單位面積夾雜物數量為4.7個·mm-2，夾雜物數量較少，且尺寸大于10 μm的夾雜物相對較少，最大尺寸為15.5 μm，夾雜物主要為Al2O3，且未發現簇群狀夾雜物。典型夾雜物形貌和EDS分析結果如圖7所示。可知，RH精煉工藝生產的鍍錫板內單位面積夾雜物數量及尺寸控制水平比LF工藝生產的鍍錫板有較大改善。

圖6 工藝改進前后不同生產過程各試樣的單位面積夾雜物數量統計結果Fig.6 Statistical results of number of inclusions per unit area in each samples in different production processes before and after process improvement

圖7 工藝改進后成品鍍錫板內的典型夾雜物形貌和EDS譜Fig.7 Morphology (a) and EDS spectrum (b) of typical inclusion in tin plate after process improvement

采用失效分析中相同的測試方法對工藝改進后生產的鍍錫板的化學成分、力學性能和顯微組織進行分析。工藝改進后生產的鍍錫板主要化學成分(質量分數/%)為0.050C，0.20Mn，0.010P，0.004 6S，0.043Al，0.001 3N，與表1中工藝改進前的開裂鍍錫板成分相近。在烘烤前后用改進工藝生產的鍍錫板邊緣的硬度分別為60.8,61.8 HR30T，中部的硬度分別為60.7,61.6 HR30T，與工藝改進前的開裂鍍錫板相比，硬度無明顯變化。由表4可以看出，在烘烤前后用改進工藝生產的鍍錫板的拉伸性能與工藝改進前的開裂鍍錫板相近，均滿足標準要求。由圖8可以看出：用改進工藝生產的鍍錫板組織與工藝改進前的開裂鍍錫板相似，均由等軸鐵素體和沿軋制方向分布的滲碳體組成，無異常帶狀組織，晶粒等級為1級。綜上，將LF精煉工藝改進為RH精煉工藝后，易開蓋用鍍錫板內夾雜物數量及尺寸得到明顯改善，且化學成分、硬度、拉伸性能、顯微組織均無明顯變化。經客戶大批量應用，制蓋開裂率由0.08%降低至0.01%以下，達到了預期效果。

表4 工藝改進后鍍錫板在不同條件下的拉伸性能

圖8 改進工藝生產的鍍錫板的顯微組織Fig.8 Microstructure of tin plate by improved process

3 結 論

(1) 易開蓋用鍍錫板在制蓋時于鉚釘處發生韌性開裂，鉚釘處存在的Al2O3和CaO大尺寸夾雜物和明顯厚度減薄現象是鍍錫板開裂的直接原因和間接原因。

(2) 將冶煉過程中的LF精煉工藝改進為RH精煉工藝后，成品鍍錫板內單位面積夾雜物數量為4.7個·mm-2， 最大尺寸為15.5 μm，明顯低于工藝改進前的49.8個·mm-2和38.9 μm，未發現簇群狀夾雜物，RH精煉工藝對夾雜物的控制效果優于LF精煉工藝，而且鍍錫板的化學成分、硬度、拉伸性能、顯微組織均與工藝改進前的一致，符合易開蓋制蓋要求，制蓋開裂率由0.08%降低至0.01%以下。