鍍錫板T3材質(zhì)方罐開裂形成機(jī)理及治理

包 暢，任予昌，趙 堅(jiān)，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(yōu)勢(shì)。對(duì)于鍍錫板鐵方罐所使用的鍍錫基板材質(zhì)而言，既要滿足方罐及異形罐加工過(guò)程中罐身脹方、擴(kuò)徑或不規(guī)則變形等引起的滑移線或起棱等問(wèn)題，也應(yīng)當(dāng)避免方罐在運(yùn)輸過(guò)程中由于承壓不固定性、倉(cāng)儲(chǔ)堆垛、加工等特性導(dǎo)致的承壓不足、癟罐、開裂漏罐等問(wèn)題[1-3]。其中，針對(duì)鍍錫板加工過(guò)程中脹形開裂質(zhì)量缺陷問(wèn)題，白會(huì)平等[4]分析了鍍錫板焊接電流對(duì)焊縫頂部殘余應(yīng)力及膨脹開裂的影響;劉建兵等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了不同軋制厚度、不同退火目標(biāo)硬度和不同二次冷軋壓下率工藝條件下食品級(jí)DR材鍍錫板的性能指標(biāo);Burkhard Kaup等[6]采用單向拉伸實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)高速拉伸實(shí)驗(yàn)、深沖實(shí)驗(yàn)以及多向拉伸脹形實(shí)驗(yàn)對(duì)鍍錫板高速變薄拉伸過(guò)程中的變形行為進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文主要對(duì)長(zhǎng)期困擾鍍錫基板T3材質(zhì)方罐運(yùn)輸存儲(chǔ)過(guò)程中出現(xiàn)的易開裂等問(wèn)題進(jìn)行了影響因素、實(shí)驗(yàn)以及開裂機(jī)理分析，并提出相應(yīng)的治理方案。

1 T3材質(zhì)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(xiàn)為裂紋的擴(kuò)展，因此，結(jié)合裂紋的宏觀及微觀形貌，找到裂紋擴(kuò)展源從而確定導(dǎo)致材料斷裂的原因。根據(jù)斷裂原因分析材料的裂紋擴(kuò)展行為，從而確定材料局部破壞的內(nèi)部原因及外界條件，為進(jìn)一步防止材料斷裂、改善材料受力環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

1.1 T3材質(zhì)方罐裂紋源的宏觀形貌

T3材質(zhì)方罐在運(yùn)輸過(guò)程中一般采用多層堆放的形式，由于反復(fù)顛簸導(dǎo)致罐身局部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擠壓與反復(fù)應(yīng)力加載，當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)罐子屈服應(yīng)力時(shí)，失穩(wěn)部位就會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，甚至產(chǎn)生開裂，如圖1所示。

圖1 方罐開裂宏觀形貌

1.2 T3材質(zhì)方罐裂紋源的微觀形貌

一般來(lái)說(shuō)，金屬材料裂紋擴(kuò)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(qū)以及應(yīng)力腐蝕。通過(guò)對(duì)T3材質(zhì)方罐產(chǎn)品斷裂區(qū)域的微觀分析，裂紋擴(kuò)展屬于第二種情況，如圖2所示。

圖2 T3材質(zhì)方罐裂紋微觀形貌

2 T3材質(zhì)方罐開裂試驗(yàn)分析

本試驗(yàn)選用開裂罐(NG罐)進(jìn)行材質(zhì)性能與成分分析、承壓與拉伸試驗(yàn)、折彎試驗(yàn)以及斷裂面金相分析，以確定鍍錫板T3材質(zhì)方罐運(yùn)輸過(guò)程中開裂的原因。

2.1 材質(zhì)成分分析

目前鍍錫基板是根據(jù)T3化學(xué)成分設(shè)計(jì)值進(jìn)行生產(chǎn)。由于T3材質(zhì)強(qiáng)度較低，不滿足方罐存儲(chǔ)運(yùn)輸要求，在此基礎(chǔ)上，為提高其力學(xué)性能，有些鋼企對(duì)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表1可知，T3的設(shè)計(jì)值在C和Mn含量上明顯低于建議值，從金屬學(xué)熱處理角度來(lái)說(shuō)，碳(C)用于固溶強(qiáng)化鐵素體和珠光體以及形成碳化物，對(duì)金屬起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，C含量在一定范圍內(nèi)時(shí)可以增加材料硬度；錳(Mn)用于固溶強(qiáng)化鐵素體，Mn含量的增加可以極大地提高T3的屈服強(qiáng)度。因此當(dāng)前T3材質(zhì)罐體開裂的原因可能是由于C、Mn含量較低。

2.2 T3材質(zhì)方罐承壓與拉伸試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步分析當(dāng)前T3材質(zhì)方罐的力學(xué)性能，選取2020年2月～11月在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生開裂的10個(gè)方罐，利用板材成形抗凹性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行方罐單腳承壓試驗(yàn)，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(wěn)狀態(tài)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(wěn)狀態(tài)

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

將單腳承壓試驗(yàn)的開裂罐體試樣，按照國(guó)標(biāo)GB/T2975-1998通過(guò)線切割設(shè)備制作尺寸為25 mm×12.5 mm的試樣，采用型號(hào)為Z030XL全自動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行方向角為0°的拉伸試驗(yàn)，得到試樣上屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率，并計(jì)算其屈強(qiáng)比(上屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值)，如表3所示。

表3 T3材質(zhì)方罐拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，同種生產(chǎn)條件下，材料的上屈服強(qiáng)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(chǎn)工藝誤差導(dǎo)致的部分T3材料屈服強(qiáng)度不滿足要求，因此為進(jìn)一步保障T3材料力學(xué)性能的穩(wěn)定性，應(yīng)提高材料的硬度以及抗拉強(qiáng)度。

將方罐單腳承壓載荷極限值與屈強(qiáng)比進(jìn)行趨勢(shì)分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著材料屈強(qiáng)比的增加，罐體的單腳承壓能力有下降的趨勢(shì)，因此在后續(xù)改進(jìn)工藝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制材料的屈強(qiáng)比。

圖4 單腳承壓力與屈強(qiáng)比的關(guān)系

2.3 T3材質(zhì)折彎試驗(yàn)分析

在分析T3材質(zhì)開裂方罐力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究折彎次數(shù)對(duì)T3材質(zhì)方罐開裂的影響，選用上述罐體進(jìn)行試樣的制作，并對(duì)試樣進(jìn)行脫錫、脫涂層處理。通過(guò)循環(huán)加載試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行180°折彎，并通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)折彎處微觀形貌進(jìn)行分析。此外，為分析罐體內(nèi)介質(zhì)對(duì)折彎開裂處的影響，通過(guò)3%硝酸酒精對(duì)折彎處進(jìn)行輕微腐蝕，研究罐體內(nèi)介質(zhì)對(duì)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(chǎn)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(jīng)過(guò)循環(huán)應(yīng)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(dāng)T3材質(zhì)罐體經(jīng)過(guò)循環(huán)加載損傷罐體涂層后，罐體內(nèi)的腐蝕介質(zhì)與折彎處形貌接觸發(fā)生化學(xué)腐蝕導(dǎo)致罐體開裂。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，在提高罐體承壓能力、硬度、拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，也不能過(guò)大降低T3材料的韌性，防止在運(yùn)輸過(guò)程中循環(huán)應(yīng)力超過(guò)T3材質(zhì)罐體承壓極限時(shí)，造成單次加載就產(chǎn)生開裂傾向，進(jìn)而被介質(zhì)腐蝕導(dǎo)致罐體開裂。

2.4 開裂罐裂紋金相掃描分析

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

開裂罐裂紋部位金相掃描結(jié)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(gè)裂紋源，裂紋的延伸呈鋸齒狀沿晶界走向居多，較符合應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發(fā)展，而且還能穿過(guò)晶粒發(fā)展，因此從裂紋特征可以判斷出，罐中液體通過(guò)涂層損傷部位腐蝕基板，并在交變加載應(yīng)力下加速了侵蝕過(guò)程，導(dǎo)致了開裂現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 開裂罐裂紋部位金相掃描結(jié)果

3 T3材質(zhì)方罐開裂機(jī)理分析

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，T3材質(zhì)罐體開裂的機(jī)理為：罐子受力因超出承載極限出現(xiàn)部分折彎或癟塌，折彎與癟塌部位的涂層因折彎變形出現(xiàn)開裂、剝落等損傷，并因震動(dòng)和擠壓等原因變得更加嚴(yán)重，導(dǎo)致基板表面露出，罐體內(nèi)介質(zhì)對(duì)承受交變應(yīng)力部位的基板產(chǎn)生化學(xué)腐蝕進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，在交變載荷與介質(zhì)腐蝕的綜合作用下導(dǎo)致罐體開裂。

4 T3材質(zhì)方罐開裂治理方案

在對(duì)開裂罐體材質(zhì)的化學(xué)成分、力學(xué)性能與開裂形貌分析的基礎(chǔ)上，分別從材料成分改善、工藝方法改進(jìn)、受力狀態(tài)改善和基板材料開發(fā)4個(gè)方面提出T3材質(zhì)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(chǔ)上，通過(guò)提高T3中C、Mn含量，進(jìn)一步提升T3材料的硬度與抗拉強(qiáng)度，從而提高T3材質(zhì)罐體的抗折彎性能。

(2)工藝方法改進(jìn)：根據(jù)承壓與拉伸試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，屈強(qiáng)比值接近1時(shí)，材料開裂失穩(wěn)的概率較大，需要管控屈強(qiáng)比值為1的材料，因此通過(guò)控制退火溫度曲線達(dá)到T3的調(diào)質(zhì)度，進(jìn)一步控制T3材料的屈強(qiáng)比。

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

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

表4 T3、T4鍍錫基板化學(xué)成分對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %