鍍錫板T3材質方罐開裂形成機理及治理

包 暢，任予昌，趙 堅，胡 易，曹 磊，童 亮

(武鋼日鐵(武漢)鍍錫板有限公司，湖北 武漢 430080)

0 引言

金屬包裝形式一般有圓罐、方罐和異形罐等，其中，鍍錫板鐵方罐具有密封性好、阻隔性高、耐腐蝕性好等其他包裝形式所不能比擬的優勢。對于鍍錫板鐵方罐所使用的鍍錫基板材質而言，既要滿足方罐及異形罐加工過程中罐身脹方、擴徑或不規則變形等引起的滑移線或起棱等問題，也應當避免方罐在運輸過程中由于承壓不固定性、倉儲堆垛、加工等特性導致的承壓不足、癟罐、開裂漏罐等問題[1-3]。其中，針對鍍錫板加工過程中脹形開裂質量缺陷問題，白會平等[4]分析了鍍錫板焊接電流對焊縫頂部殘余應力及膨脹開裂的影響;劉建兵等[5]通過實驗對比分析了不同軋制厚度、不同退火目標硬度和不同二次冷軋壓下率工藝條件下食品級DR材鍍錫板的性能指標;Burkhard Kaup等[6]采用單向拉伸實驗、動態高速拉伸實驗、深沖實驗以及多向拉伸脹形實驗對鍍錫板高速變薄拉伸過程中的變形行為進行了評價。本文主要對長期困擾鍍錫基板T3材質方罐運輸存儲過程中出現的易開裂等問題進行了影響因素、實驗以及開裂機理分析，并提出相應的治理方案。

1 T3材質方罐開裂形貌分析

金屬材料宏觀表象的斷裂在微觀上表現為裂紋的擴展，因此，結合裂紋的宏觀及微觀形貌，找到裂紋擴展源從而確定導致材料斷裂的原因。根據斷裂原因分析材料的裂紋擴展行為，從而確定材料局部破壞的內部原因及外界條件，為進一步防止材料斷裂、改善材料受力環境奠定基礎。

1.1 T3材質方罐裂紋源的宏觀形貌

T3材質方罐在運輸過程中一般采用多層堆放的形式，由于反復顛簸導致罐身局部產生動態擠壓與反復應力加載，當局部應力超過罐子屈服應力時，失穩部位就會產生彎曲變形，甚至產生開裂，如圖1所示。

圖1 方罐開裂宏觀形貌

1.2 T3材質方罐裂紋源的微觀形貌

一般來說，金屬材料裂紋擴展微觀形貌包括兩種情況，一種是在金屬邊界夾雜著脆性非金屬以及碳氮化物的顆粒；另一種是相界面、氫脆區以及應力腐蝕。通過對T3材質方罐產品斷裂區域的微觀分析，裂紋擴展屬于第二種情況，如圖2所示。

圖2 T3材質方罐裂紋微觀形貌

2 T3材質方罐開裂試驗分析

本試驗選用開裂罐(NG罐)進行材質性能與成分分析、承壓與拉伸試驗、折彎試驗以及斷裂面金相分析，以確定鍍錫板T3材質方罐運輸過程中開裂的原因。

2.1 材質成分分析

目前鍍錫基板是根據T3化學成分設計值進行生產。由于T3材質強度較低，不滿足方罐存儲運輸要求，在此基礎上，為提高其力學性能，有些鋼企對T3的成分提出了新的建議值，如表1所示。

表1 T3鍍錫板化學成分(質量分數) %

由表1可知，T3的設計值在C和Mn含量上明顯低于建議值，從金屬學熱處理角度來說，碳(C)用于固溶強化鐵素體和珠光體以及形成碳化物，對金屬起到沉淀強化和細晶強化的作用，C含量在一定范圍內時可以增加材料硬度；錳(Mn)用于固溶強化鐵素體，Mn含量的增加可以極大地提高T3的屈服強度。因此當前T3材質罐體開裂的原因可能是由于C、Mn含量較低。

2.2 T3材質方罐承壓與拉伸試驗分析

為進一步分析當前T3材質方罐的力學性能，選取2020年2月～11月在運輸過程中產生開裂的10個方罐，利用板材成形抗凹性試驗機進行方罐單腳承壓試驗，得到的方罐單腳承壓載荷極限值如表2所示，方罐開裂失穩狀態如圖3所示。

表2 方罐單腳承壓載荷極限值

圖3 方罐開裂失穩狀態

由圖3可以看出，按照單腳承壓罐體失穩部位可以將其分為4種形式：簡單局部失穩(1#、2#、3#、10#樣罐)，復雜局部失穩(4#、9#樣罐)，腳跟壁塌陷失穩(5#、6#樣罐)，塌陷扭曲失穩(7#、8#樣罐)。結合表2進行承載能力排序：塌陷扭曲失穩>簡單局部失穩>腳跟壁塌陷失穩>復雜局部失穩。

將單腳承壓試驗的開裂罐體試樣，按照國標GB/T2975-1998通過線切割設備制作尺寸為25 mm×12.5 mm的試樣，采用型號為Z030XL全自動拉力試驗機進行方向角為0°的拉伸試驗，得到試樣上屈服強度、抗拉強度和延伸率，并計算其屈強比(上屈服強度與抗拉強度的比值)，如表3所示。

表3 T3材質方罐拉伸試驗結果

由表3可以看出，同種生產條件下，材料的上屈服強度存在較大的差異，因此在開裂罐體中極可能存在由于生產工藝誤差導致的部分T3材料屈服強度不滿足要求，因此為進一步保障T3材料力學性能的穩定性，應提高材料的硬度以及抗拉強度。

將方罐單腳承壓載荷極限值與屈強比進行趨勢分析，結果如圖4所示。由圖4可知，隨著材料屈強比的增加，罐體的單腳承壓能力有下降的趨勢，因此在后續改進工藝過程中應嚴格控制材料的屈強比。

圖4 單腳承壓力與屈強比的關系

2.3 T3材質折彎試驗分析

在分析T3材質開裂方罐力學性能的基礎上，為進一步研究折彎次數對T3材質方罐開裂的影響，選用上述罐體進行試樣的制作，并對試樣進行脫錫、脫涂層處理。通過循環加載試驗機對試樣進行180°折彎，并通過掃描電子顯微鏡對折彎處微觀形貌進行分析。此外，為分析罐體內介質對折彎開裂處的影響，通過3%硝酸酒精對折彎處進行輕微腐蝕，研究罐體內介質對罐體開裂的影響。T3材料180°折彎處微觀形貌如圖5所示。

圖5 T3材料180°折彎處微觀形貌

由圖5(a)可以看出，180°折彎后，其折彎處的表面形貌與未折彎處的表面形貌不存在明顯的差異性，也未產生開裂傾向，從另一方面證明了T3罐的開裂并非一次折彎造成的，而是經過循環應力加載造成的開裂。由圖5(b)可以看出，涂層脫落后，彎曲部位存在明顯的腐蝕痕跡，當T3材質罐體經過循環加載損傷罐體涂層后，罐體內的腐蝕介質與折彎處形貌接觸發生化學腐蝕導致罐體開裂。

根據上述試驗結果分析，在提高罐體承壓能力、硬度、拉伸強度的同時，也不能過大降低T3材料的韌性，防止在運輸過程中循環應力超過T3材質罐體承壓極限時，造成單次加載就產生開裂傾向，進而被介質腐蝕導致罐體開裂。

2.4 開裂罐裂紋金相掃描分析

對T3材質開裂罐的開裂處進行金相試樣的制作，并利用金相顯微鏡對開裂部位的組織進行分析。

開裂罐裂紋部位金相掃描結果如圖6所示，裂紋附近晶粒的變形不大，且在板面存在多個裂紋源，裂紋的延伸呈鋸齒狀沿晶界走向居多，較符合應力腐蝕產生的裂紋，這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發展，而且還能穿過晶粒發展，因此從裂紋特征可以判斷出，罐中液體通過涂層損傷部位腐蝕基板，并在交變加載應力下加速了侵蝕過程，導致了開裂現象的發生。

圖6 開裂罐裂紋部位金相掃描結果

3 T3材質方罐開裂機理分析

通過上述試驗結果分析，T3材質罐體開裂的機理為：罐子受力因超出承載極限出現部分折彎或癟塌，折彎與癟塌部位的涂層因折彎變形出現開裂、剝落等損傷，并因震動和擠壓等原因變得更加嚴重，導致基板表面露出，罐體內介質對承受交變應力部位的基板產生化學腐蝕進而導致裂紋的產生，在交變載荷與介質腐蝕的綜合作用下導致罐體開裂。

4 T3材質方罐開裂治理方案

在對開裂罐體材質的化學成分、力學性能與開裂形貌分析的基礎上，分別從材料成分改善、工藝方法改進、受力狀態改善和基板材料開發4個方面提出T3材質方罐開裂的治理方案。

(1)材料成分改善：在不大幅降低T3材料韌性的基礎上，通過提高T3中C、Mn含量，進一步提升T3材料的硬度與抗拉強度，從而提高T3材質罐體的抗折彎性能。

(2)工藝方法改進：根據承壓與拉伸試驗測試結果可知，屈強比值接近1時，材料開裂失穩的概率較大，需要管控屈強比值為1的材料，因此通過控制退火溫度曲線達到T3的調質度，進一步控制T3材料的屈強比。

(3)受力狀態改善：改善T3材質方罐的運輸與存儲狀態，降低受力后微小變形量波動導致的罐體折彎或癟塌缺陷，降低由于涂層脫落導致罐體介質腐蝕導致的開裂，建議盡量減少傾斜以減少局部承壓力較大的現象。

(4)基板材料開發：表4為T3和T4鍍錫基板的化學成分對比，T4在C、Si、Mn等含量上高于T3，從工藝方面出發，研發出介于T3和T4之間的T3.5,使得其洛氏硬度HR30T≥56，抗拉強度≥380 MPa，直接從本質上提升制罐材料的力學性能。

表4 T3、T4鍍錫基板化學成分對比(質量分數) %