新型電池殼鋼表面十微米級(jí)別“砂眼”的缺陷分析方法

薛菲　凡楊華　季思凱

摘 要：通過(guò)電解酸蝕方法將電池殼表面十微米級(jí)別“砂眼”進(jìn)行處理，有效的暴露出表面“砂眼”缺陷掩蓋的全部夾雜物，并使用掃描電鏡及光學(xué)顯微鏡對(duì)其成分、形態(tài)、尺寸進(jìn)行表征。結(jié)果證明，此方法能充分且安全的暴露夾雜物，有效避免了夾雜物的脫落，使得實(shí)驗(yàn)人員能快速的對(duì)肉眼無(wú)法精確定位的十微米級(jí)別“砂眼”缺陷進(jìn)行缺陷分析。

關(guān)鍵詞：十微米級(jí)別“砂眼”缺陷；電池殼鋼；缺陷分析

1 前言

電池鋼是一種高技術(shù)含量、高品質(zhì)要求的精密冷軋薄板精品，同時(shí)具備高速、深沖與減薄拉伸工藝、嚴(yán)格外觀質(zhì)量要求的產(chǎn)品。電池鋼原板厚度為0.25mm左右，要求達(dá)到雙面“O5”表面品質(zhì)。沖制的鋼殼一旦出現(xiàn)疑似“砂眼”缺陷，為了保證終端用戶產(chǎn)品使用的安全環(huán)保，凡涉及的卷號(hào)均全部退出使用，對(duì)制造部門的造成巨大的壓力。

鋼中非金屬夾雜物是造成冷軋鋼板表面“砂眼”缺陷的重要原因。雖然國(guó)內(nèi)較多薄板產(chǎn)線新上馬，但國(guó)內(nèi)在薄板的潔凈度、非金屬夾雜物穩(wěn)定性控制方面還存在很多問(wèn)題[1]。對(duì)于薄板中有害夾雜物的“臨界尺寸”，即能造成產(chǎn)品表面缺陷的最小夾雜物尺寸，目前尚沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Emi[2]認(rèn)為DI罐的有害夾雜物的“臨界尺寸”為20？滋m，丸川熊凈[3]提出100？滋m是超深沖汽車鋼板坯中夾雜物的有害上限。

寶鋼是國(guó)內(nèi)唯一一家生產(chǎn)電池鋼的廠家，也是全世界有此生產(chǎn)能力的四家廠家之一。2011年新型電池殼鋼推向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，打破了進(jìn)口電池鋼的壟斷格局。然而近期在市場(chǎng)推廣產(chǎn)品試制過(guò)程中出現(xiàn)一批極小疑似“砂眼”，其缺陷的外觀尺寸僅僅只在100微米左右浮動(dòng)，大部分已跌入十微米尺度。針對(duì)此類極小“砂眼”的缺陷試樣的制備及分析，與常規(guī)“砂眼”缺陷分析區(qū)別在于：前者肉眼需借助50倍放大鏡才能進(jìn)行精確定位（圖1a），后者肉眼就可以明顯的觀察到并剪切取截面樣（圖1b）。常規(guī)的電池殼缺陷分析必須依賴截面金相試樣的制備，而現(xiàn)行的精密切割機(jī)還未開發(fā)出時(shí)時(shí)放大功能。

2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)現(xiàn)行的常規(guī)方法，均不能保證能將“砂眼”確定檢出：

截面制樣法：精密切割機(jī)可控精度約150？滋m，與缺陷尺寸相當(dāng)（圖2中虛線示意切割方式對(duì)兩類尺寸“砂眼”缺陷的破壞對(duì)比效果）。在切割樣品制備截面試樣時(shí)，仍需肉眼定位沿拉升方向切割，極易造成差之毫厘失之千里的后果。

酸溶法：如大海撈針，在純凈鋼中撈取一串?dāng)嗑€的夾雜物，對(duì)酸液的純凈度、過(guò)程潔凈度的控制、濾膜的級(jí)別都需要嚴(yán)格選擇及控制。即使撈出雜質(zhì)，扔需鑒定區(qū)分雜質(zhì)與夾雜。

電解提取法[4]：對(duì)樣品尺寸（10mm×20mm）及平整度有一定要求，并需要對(duì)提取物進(jìn)行過(guò)濾鑒定，在此過(guò)程中還需要超聲波清洗可能會(huì)使得夾雜顆粒脫落，并不適合此種情況。

聚焦離子束切割法：聚焦離子束若對(duì)十微米級(jí)別的夾雜物進(jìn)行截面制樣，時(shí)間成本，設(shè)備成本要求非常高，不適合快速分析方法；且切割維度無(wú)法滿足暴露夾雜物的要求。

因此，采用電化學(xué)酸蝕法對(duì)樣品進(jìn)行處理：切取缺陷處，利用光學(xué)顯微鏡觀察其殼內(nèi)、外側(cè)宏觀特征形貌來(lái)判斷缺陷發(fā)生的第一現(xiàn)場(chǎng)和第二反應(yīng)區(qū)；根據(jù)第一現(xiàn)場(chǎng)位置選擇近酸液面放置方式；缺陷樣采用非水酸液進(jìn)行電化學(xué)腐蝕處理；樣品經(jīng)無(wú)水酒精沖洗吹干后觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 “砂眼”缺陷內(nèi)外壁宏觀形貌觀察

圖3、4為兩類典型的十微米級(jí)“砂眼”缺陷外壁宏觀形貌：第I類“砂眼”缺陷外壁為第一現(xiàn)場(chǎng)（圖3a）：外壁呈現(xiàn)微型不規(guī)則裂口，為微型夾雜物露頭現(xiàn)場(chǎng)；第Ⅱ類“砂眼”缺陷外壁為第二反應(yīng)區(qū)（圖3b）：因外壁是人工挑揀的直接觀察區(qū)域所以被直接觀察到缺陷區(qū)域有白亮區(qū)域，同時(shí)也是對(duì)應(yīng)內(nèi)壁區(qū)域夾雜物露頭時(shí)、與基板和模具三項(xiàng)作用的反應(yīng)區(qū)域。此形貌特征與外來(lái)雜質(zhì)在成型時(shí)被模具壓入基體極其相似，易被誤定性為異物壓入。為了避免誤判，結(jié)合內(nèi)壁的觀察是非常必要的。圖4為第Ⅱ類“砂眼”缺陷的第一現(xiàn)場(chǎng)，由圖可見，缺陷閉合，未見所謂“夾雜物露頭”時(shí)造成的不規(guī)則裂口，僅見一條裂縫與成型拉升方向呈小角。

3.2 經(jīng)電解酸蝕處理后形貌及成分表征

圖5、6分別為第I、Ⅱ類“砂眼”缺陷經(jīng)酸蝕法處理后形貌及成分定性分析結(jié)果。如圖所示，經(jīng)酸蝕處理后，“砂眼”缺陷充分或局部暴露了夾雜顆粒的形態(tài)，第I、Ⅱ類“砂眼”主要含有Al、Ca、O、Mg、Ti元素，均為夾雜拌渣的成分。I類為單顆夾雜（渣），尺寸約60μm；Ⅱ類為串狀分布的多顆夾雜（渣）。此類缺陷的存在主要是因?yàn)榇厝籂預(yù)l2O3夾雜物及脫氧劑在鋼板軋制時(shí)破碎，沿軋制方向鋪展延伸并暴露于鋼板表面，在熱軋、冷軋基板上視其嚴(yán)重程度爆發(fā)成為翹皮狀、線狀缺陷[1]，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)質(zhì)檢的要求較低，檢出概率較大。但電池殼鋼基板表面或淺表的質(zhì)量檢驗(yàn)水平，無(wú)論從現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)備角度，還無(wú)法對(duì)后續(xù)“砂眼”缺陷的爆發(fā)有成功的預(yù)警。

為了能進(jìn)一步暴露夾雜物與基板的結(jié)合面形態(tài)，再次對(duì)第I類試樣再次處理并觀察（圖7），由圖可以推斷：成型露頭前，夾雜物可以視為直徑64μm的球形夾雜物，體積約0.00014mm3，成型后，演變成約0.00048mm3橢球型空洞+球形夾雜物。值得注意的是：當(dāng)電池殼基板在經(jīng)歷了0.25mm→0.18mm的28%減薄拉升后，內(nèi)嵌+空洞的體積迅速放大了200%強(qiáng)。但是無(wú)論是拉升前還是拉升后，其內(nèi)嵌物的尺寸均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有薄板內(nèi)嵌物的檢出范圍：（0.005mm3-0.05mm3）。由此可見，減薄流程對(duì)于夾雜物的有害級(jí)別的放大效應(yīng)是呈幾何級(jí)數(shù)急劇上升。

4 結(jié)束語(yǔ)

4.1 電解酸蝕法實(shí)現(xiàn)了一種準(zhǔn)原位的分析思路，不僅能充分、安全的暴露出夾雜物的形態(tài)，還可以觀察到夾雜物與基體的相互作用的殘留痕跡；有效避免了夾雜物的脫落，使得實(shí)驗(yàn)人員能快速的對(duì)肉眼無(wú)法精確定位的十微米級(jí)別“砂眼”缺陷進(jìn)行缺陷分析。

4.2 薄板表面點(diǎn)缺陷的缺陷分析，視其尺寸，可以結(jié)合表面、淺表分析的思路，配合電化學(xué)方法，不一定非要從截面金相的機(jī)械角度入手。

4.3 十微米級(jí)夾雜物在成型過(guò)程中，危害被迅速放大并露頭造成十微米級(jí)“砂眼”缺陷，對(duì)其在基板中分布形態(tài)，特別是其在淺表面分布的相關(guān)危害標(biāo)準(zhǔn)的研究勢(shì)在必行。

參考文獻(xiàn)

[1]王新華.高品質(zhì)冷軋薄板鋼中非金屬夾雜物控制技術(shù).鋼鐵 48卷 9期 1～7.

[2]Sahai Y，Emi T. Tundish Technology for Clean Steel Production[M]. Singapore： World Scientific Publishing Co PteLtd， 2008.

[4]繆樂(lè)德，張毅，張峰等，電解提取定量分析不銹鋼析出相進(jìn)展，寶鋼技術(shù)，2009，5期，46頁(yè).