兰昊天，秦 松，徐晓涵，宋乙峰，岳重祥

(1.江苏省(沙钢)钢铁研究院，张家港 215625；2.江苏沙钢集团有限公司，张家港 215625)

0 引 言

镀锡板俗称马口铁，指两面镀锡的冷轧低碳钢薄板，主要用作食品、饮料等包装材料，应用部位涉及罐身、顶底盖等[1]。镀锡板金属包装材料具有卫生无毒、耐腐蚀性优良、装饰性好、贮藏运输便捷等特点[2]，其中易开盖包装的开启、回收便利，主要生产流程由波剪→基本盖成型注胶→组合成型三部分组成，而组合成型部分工序多，制作过程复杂，因此易开盖对镀锡板性能及表面质量都有较高的要求。某钢厂生产的易开盖用MR-T-4CA镀锡板厚度为0.18 mm，上下表面镀锡量均为2.8 g·m-2，生产流程为铁液机械搅拌法脱硫→转炉炼钢→钢包精炼炉(LF)精炼→连铸→热轧→冷轧，所得轧硬卷经连续退火形成基板，其中连续退火时的均热温度为670 ℃，以100 ℃·s-1速率一次冷却至410 ℃，两段时效温度为410 ℃和360 ℃，最终以120 ℃·s-1速率冷却至100 ℃以下；基板经碱洗、酸洗、电镀、软熔和钝化等工序制成镀锡薄板，其中电镀液中的游离酸体积分数为35 mL·L-1，抗氧化剂体积分数为40 mL·L-1，添加剂的体积分数为20 mL·L-1；电镀工艺中电流为22 000 A，带钢移动速度为300 m·min-1，阴极电流效率约为90%。上述镀锡板制盖成型后经自动光检检验，发现部分盖体铆钉处出现开裂，开裂率约为0.08%，低于客户预期质量要求。为了找到开裂的原因，作者对易开盖用镀锡板进行了失效分析，并提出相应的改进措施。

1 理化检验及结果

1.1 断口形貌

易开盖开裂部位均在铆钉处，采用JSM-7001F型扫描电镜(SEM)观察断口形貌。由图1可以看出，断口存在典型的韧窝形貌，属于韧性断裂[3]。

图1 镀锡板的断口SEM形貌Fig.1 Fracture SEM morphology of tin plate

1.2 化学成分

利用CS-600型碳硫联测分析仪、ONH-5000型氧氮氢分析仪及ICP-AES型电感耦合等离子体原子发射光谱仪对开裂批次易开盖用镀锡板的化学成分进行测试，结果如表1所示。由表1可以看出，开裂批次易开盖用镀锡板的化学成分均在企业标准控制范围内。

表1 开裂镀锡板的化学成分

1.3 力学性能

按照GB/T 2520-2017，在开裂批次镀锡板的中部和边缘截取硬度试样，按照GB/T 228.1-2021，在开裂批次镀锡板上沿轧制方向纵向和横向截取拉伸试样，标距为50 mm。易开盖在制盖过程中需在190～200 ℃下进行印涂烘烤，为模拟此过程，将部分拉伸试样和硬度试样在烘箱内进行烘烤，烘烤温度为200 ℃，烘烤时间为20 min，空冷至室温。采用HRMS-45型数显表面洛氏硬度计测烘烤前后镀锡板的硬度，载荷为294 N，保载时间为5 s。采用Model 5565-5KN 型拉伸试验机测拉伸性能，拉伸速度为4 mm·min-1。测得烘烤前后开裂镀锡板中部的硬度分别为60.5,61.3 HR30T，边缘的硬度分别为60.7，61.6 HR30T，可知烘烤后边缘和中部的硬度均有所升高，且硬度均在GB/T 2520-2017中规定的(61±4) HR30T范围内。由表2可知，烘烤后开裂镀锡板的横向和纵向屈服强度较烘烤前的均有不同程度升高，抗拉强度在烘烤前后变化均不明显，断后伸长率小幅降低，开裂镀锡板的拉伸性能符合BS EN 10202标准要求。

表2 开裂镀锡板在不同条件下的拉伸性能

1.4 显微组织

在开裂镀锡板中间部位沿轧制方向截取金相试样，经打磨、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用Carl Zeiss imager.Z1m型光学显微镜观察显微组织。热轧钢板经冷轧后，其铁素体晶粒被拉长形成纤维状组织，轧硬卷经连续退火后内部组织发生回复再结晶及晶粒长大，最终形成致密的等轴晶。由图2可知：开裂易开盖用镀锡板组织主要为铁素体和渗碳体，渗碳体在晶界处沿轧制方向分布；组织为完全再结晶的等轴晶粒，无带状组织或未再结晶组织。

在开裂和未开裂易开盖铆钉处截取金相试样，经打磨、抛光，用体积分数4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用Carl Zeiss imager.Z1m型光学显微镜观察截面显微组织。在易开盖成型过程中，铆钉不同部位的变形量差异较大。由图3可见：成型后开裂易开盖铆钉中部实测厚度约为181 μm，厚度基本不变(镀锡板平均厚度为179 μm)，说明基本无变形，边部实测厚度约为117 μm，厚度减薄约35%，弯折处较厚部分实测厚度约为185 μm，较薄部分实测厚度约为131 μm，厚度减薄约27%；厚度变化较小部位的晶粒与镀锡板成品晶粒类似，未出现明显变形，而厚度减薄部位晶粒呈细长条状，变形明显。未开裂易开盖铆钉中部实测厚度约为179 μm，厚度基本不变，边部实测厚度约为111 μm，厚度减薄约38%，且减薄部位晶粒同样呈细长条状。可知，在易开盖成型时铆钉边部变形量大，减薄明显。

图2 开裂镀锡板中部的显微组织Fig.2 Microstructure of cracked tin plate center

图3 开裂和未开裂易开盖铆钉不同位置的截面显微组织Fig.3 Section microstructure of different positions of cracked easy-opening lid rivet (a) and uncracked easy-opening lid rivet (b)

1.5 夹杂物尺寸和形貌

采用JSM-7001F 型扫描电镜(SEM)观察镀锡板开裂处的微观形貌，利用附带的能谱仪(EDS)分析裂口处的微区成分。由图4可以看出，开裂处表面高低不平，呈沟壑状。由表3可知，开裂处除含有铁元素外，还含有镁、铝、钙、氧等元素，初步判断镀锡板开裂处存在夹杂物。

采用Explorer 4 Analyzer型夹杂物分析仪对开裂镀锡板内大尺寸夹杂物形貌进行分析，根据形貌特征大尺寸夹杂物可分为单个大尺寸夹杂物和簇群状夹杂物。由图5可知，单个大尺寸夹杂物的最大尺寸约为38.9 μm，簇群状夹杂物的最大尺寸约为28.3 μm，夹杂物的主要物相为Al2O3和CaO。

图4 镀锡板开裂处的微观形貌Fig.4 Micromorphology near cracking of tin plate: (a) at low magnification and (b) at high magnification

图5 开裂镀锡板中单个大尺寸夹杂物和簇群状夹杂物的形貌和EDS谱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 图4中不同位置的EDS分析结果

2 开裂原因及改进措施

2.1 开裂原因

由上述理化检验结果可知，易开盖铆钉处断口存在韧窝形貌，发生韧性断裂。开裂镀锡板的化学成分、力学性能满足要求，但组织中存在较多大尺寸夹杂物，夹杂物主要为Al2O3和CaO；在制盖过程中铆钉边部变形量大，发生明显的厚度减薄。研究[4-6]表明，在镀锡用低碳钢板的LF精炼过程中夹杂物以Al2O3-MgO为主，钙处理后成品镀锡板内夹杂物以球形MgO-Al2O3-CaO-CaS复合夹杂物为主。易开盖用镀锡板的厚度薄，若存在大尺寸夹杂物或大型簇群状夹杂物，在成型铆钉时夹杂物无法随薄板发生相应的变形，夹杂物附近会产生应力集中，从而引起开裂现象[7]。在加工变形中厚度减薄处是最易发生开裂的部位[8-9]，且这些部位与实际开裂位置相符。由此可知，易开盖铆钉处存在的大尺寸夹杂物和明显的厚度减薄是镀锡板开裂的直接原因和间接原因。开裂镀锡板的LF精炼工艺的脱氧能力较弱，因此在生产低碳钢时，需要在转炉脱氧时加入大量铝脱氧剂，从而产生大量高熔点Al2O3夹杂物；虽然通过钙处理可对夹杂物进行改性，并借助吹氩精炼等操作促进夹杂物上浮，但无法彻底消除夹杂物，仍会形成少量CaO-Al2O3钙铝酸盐类夹杂物[10-11]。

2.2 改进措施

钢液真空循环脱气(RH)精炼工艺采用真空碳脱氧，在转炉冶炼和RH精炼时无需进行铝脱氧，因此RH精炼工艺对夹杂物控制水平较好[12-15]。为提升夹杂物控制水平，将LF精炼工艺改为RH精炼工艺，改进后的冶炼过程为铁水机械搅拌法脱硫→转炉炼钢→RH精炼→连铸。分别在工艺改进前后的生产流程中取结晶器试样、铸坯试样、热轧试样和成品试样，对其夹杂物的尺寸和数量进行统计分析，分析区域面积为10 mm×10 mm。由图6可以看出,工艺改进后不同生产过程的各试样中夹杂物数量均远低于工艺改进前，说明在冶炼过程中RH精炼工艺对夹杂物的控制效果优于LF精炼工艺。结合EDS分析结果统计得到改进工艺前成品镀锡板内单位面积夹杂物数量为49.8个·mm-2，最大尺寸为38.9 μm，夹杂物为Al2O3和CaO，存在一些尺寸大于15 μm的夹杂物；工艺改进后单位面积夹杂物数量为4.7个·mm-2，夹杂物数量较少，且尺寸大于10 μm的夹杂物相对较少，最大尺寸为15.5 μm，夹杂物主要为Al2O3，且未发现簇群状夹杂物。典型夹杂物形貌和EDS分析结果如图7所示。可知，RH精炼工艺生产的镀锡板内单位面积夹杂物数量及尺寸控制水平比LF工艺生产的镀锡板有较大改善。

图6 工艺改进前后不同生产过程各试样的单位面积夹杂物数量统计结果Fig.6 Statistical results of number of inclusions per unit area in each samples in different production processes before and after process improvement

图7 工艺改进后成品镀锡板内的典型夹杂物形貌和EDS谱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测试方法对工艺改进后生产的镀锡板的化学成分、力学性能和显微组织进行分析。工艺改进后生产的镀锡板主要化学成分(质量分数/%)为0.050C，0.20Mn，0.010P，0.004 6S，0.043Al，0.001 3N，与表1中工艺改进前的开裂镀锡板成分相近。在烘烤前后用改进工艺生产的镀锡板边缘的硬度分别为60.8,61.8 HR30T，中部的硬度分别为60.7,61.6 HR30T，与工艺改进前的开裂镀锡板相比，硬度无明显变化。由表4可以看出，在烘烤前后用改进工艺生产的镀锡板的拉伸性能与工艺改进前的开裂镀锡板相近，均满足标准要求。由图8可以看出：用改进工艺生产的镀锡板组织与工艺改进前的开裂镀锡板相似，均由等轴铁素体和沿轧制方向分布的渗碳体组成，无异常带状组织，晶粒等级为1级。综上，将LF精炼工艺改进为RH精炼工艺后，易开盖用镀锡板内夹杂物数量及尺寸得到明显改善，且化学成分、硬度、拉伸性能、显微组织均无明显变化。经客户大批量应用，制盖开裂率由0.08%降低至0.01%以下，达到了预期效果。

表4 工艺改进后镀锡板在不同条件下的拉伸性能

图8 改进工艺生产的镀锡板的显微组织Fig.8 Microstructure of tin plate by improved process

3 结 论

(1) 易开盖用镀锡板在制盖时于铆钉处发生韧性开裂，铆钉处存在的Al2O3和CaO大尺寸夹杂物和明显厚度减薄现象是镀锡板开裂的直接原因和间接原因。

(2) 将冶炼过程中的LF精炼工艺改进为RH精炼工艺后，成品镀锡板内单位面积夹杂物数量为4.7个·mm-2， 最大尺寸为15.5 μm，明显低于工艺改进前的49.8个·mm-2和38.9 μm，未发现簇群状夹杂物，RH精炼工艺对夹杂物的控制效果优于LF精炼工艺，而且镀锡板的化学成分、硬度、拉伸性能、显微组织均与工艺改进前的一致，符合易开盖制盖要求，制盖开裂率由0.08%降低至0.01%以下。