新型电池壳钢表面十微米级别“砂眼”的缺陷分析方法

摘 要：通过电解酸蚀方法将电池壳表面十微米级别“砂眼”进行处理，有效的暴露出表面“砂眼”缺陷掩盖的全部夹杂物，并使用扫描电镜及光学显微镜对其成分、形态、尺寸进行表征。结果证明，此方法能充分且安全的暴露夹杂物，有效避免了夹杂物的脱落，使得实验人员能快速的对肉眼无法精确定位的十微米级别“砂眼”缺陷进行缺陷分析。

关键词：十微米级别“砂眼”缺陷；电池壳钢；缺陷分析

1 前言

电池钢是一种高技术含量、高品质要求的精密冷轧薄板精品，同时具备高速、深冲与减薄拉伸工艺、严格外观质量要求的产品。电池钢原板厚度为0.25mm左右，要求达到双面“O5”表面品质。冲制的钢壳一旦出现疑似“砂眼”缺陷，为了保证终端用户产品使用的安全环保，凡涉及的卷号均全部退出使用，对制造部门的造成巨大的压力。

钢中非金属夹杂物是造成冷轧钢板表面“砂眼”缺陷的重要原因。虽然国内较多薄板产线新上马，但国内在薄板的洁净度、非金属夹杂物稳定性控制方面还存在很多问题[1]。对于薄板中有害夹杂物的“临界尺寸”，即能造成产品表面缺陷的最小夹杂物尺寸，目前尚没有统一认识。Emi[2]认为DI罐的有害夹杂物的“临界尺寸”为20？滋m，丸川熊净[3]提出100？滋m是超深冲汽车钢板坯中夹杂物的有害上限。

宝钢是国内唯一一家生产电池钢的厂家，也是全世界有此生产能力的四家厂家之一。2011年新型电池壳钢推向国内市场，打破了进口电池钢的垄断格局。然而近期在市场推广产品试制过程中出现一批极小疑似“砂眼”，其缺陷的外观尺寸仅仅只在100微米左右浮动，大部分已跌入十微米尺度。针对此类极小“砂眼”的缺陷试样的制备及分析，与常规“砂眼”缺陷分析区别在于：前者肉眼需借助50倍放大镜才能进行精确定位（图1a），后者肉眼就可以明显的观察到并剪切取截面样（图1b）。常规的电池壳缺陷分析必须依赖截面金相试样的制备，而现行的精密切割机还未开发出时时放大功能。

2 实验方法

根据现行的常规方法，均不能保证能将“砂眼”确定检出：

截面制样法：精密切割机可控精度约150？滋m，与缺陷尺寸相当（图2中虚线示意切割方式对两类尺寸“砂眼”缺陷的破坏对比效果）。在切割样品制备截面试样时，仍需肉眼定位沿拉升方向切割，极易造成差之毫厘失之千里的后果。

酸溶法：如大海捞针，在纯净钢中捞取一串断线的夹杂物，对酸液的纯净度、过程洁净度的控制、滤膜的级别都需要严格选择及控制。即使捞出杂质，扔需鉴定区分杂质与夹杂。

电解提取法[4]：对样品尺寸（10mm×20mm）及平整度有一定要求，并需要对提取物进行过滤鉴定，在此过程中还需要超声波清洗可能会使得夹杂颗粒脱落，并不适合此种情况。

聚焦离子束切割法：聚焦离子束若对十微米级别的夹杂物进行截面制样，时间成本，设备成本要求非常高，不适合快速分析方法；且切割维度无法满足暴露夹杂物的要求。

因此，采用电化学酸蚀法对样品进行处理：切取缺陷处，利用光学显微镜观察其壳内、外侧宏观特征形貌来判断缺陷发生的第一现场和第二反应区；根据第一现场位置选择近酸液面放置方式；缺陷样采用非水酸液进行电化学腐蚀处理；样品经无水酒精冲洗吹干后观察。

3 实验结果及讨论

3.1 “砂眼”缺陷内外壁宏观形貌观察

图3、4为两类典型的十微米级“砂眼”缺陷外壁宏观形貌：第I类“砂眼”缺陷外壁为第一现场（图3a）：外壁呈现微型不规则裂口，为微型夹杂物露头现场；第Ⅱ类“砂眼”缺陷外壁为第二反应区（图3b）：因外壁是人工挑拣的直接观察区域所以被直接观察到缺陷区域有白亮区域，同时也是对应内壁区域夹杂物露头时、与基板和模具三项作用的反应区域。此形貌特征与外来杂质在成型时被模具压入基体极其相似，易被误定性为异物压入。为了避免误判，结合内壁的观察是非常必要的。图4为第Ⅱ类“砂眼”缺陷的第一现场，由图可见，缺陷闭合，未见所谓“夹杂物露头”时造成的不规则裂口，仅见一条裂缝与成型拉升方向呈小角。

3.2 经电解酸蚀处理后形貌及成分表征

图5、6分别为第I、Ⅱ类“砂眼”缺陷经酸蚀法处理后形貌及成分定性分析结果。如图所示，经酸蚀处理后，“砂眼”缺陷充分或局部暴露了夹杂颗粒的形态，第I、Ⅱ类“砂眼”主要含有Al、Ca、O、Mg、Ti元素，均为夹杂拌渣的成分。I类为单颗夹杂（渣），尺寸约60μm；Ⅱ类为串状分布的多颗夹杂（渣）。此类缺陷的存在主要是因为簇群状Al2O3夹杂物及脱氧剂在钢板轧制时破碎，沿轧制方向铺展延伸并暴露于钢板表面，在热轧、冷轧基板上视其严重程度爆发成为翘皮状、线状缺陷[1]，相对来说对质检的要求较低，检出概率较大。但电池壳钢基板表面或浅表的质量检验水平，无论从现有的技术标准或设备角度，还无法对后续“砂眼”缺陷的爆发有成功的预警。

为了能进一步暴露夹杂物与基板的结合面形态，再次对第I类试样再次处理并观察（图7），由图可以推断：成型露头前，夹杂物可以视为直径64μm的球形夹杂物，体积约0.00014mm3，成型后，演变成约0.00048mm3椭球型空洞+球形夹杂物。值得注意的是：当电池壳基板在经历了0.25mm0.18mm的28%减薄拉升后，内嵌+空洞的体积迅速放大了200%强。但是无论是拉升前还是拉升后，其内嵌物的尺寸均远远低于现有薄板内嵌物的检出范围：（0.005mm3-0.05mm3）。由此可见，减薄流程对于夹杂物的有害级别的放大效应是呈几何级数急剧上升。

4 结束语

4.1 电解酸蚀法实现了一种准原位的分析思路，不仅能充分、安全的暴露出夹杂物的形态，还可以观察到夹杂物与基体的相互作用的残留痕迹；有效避免了夹杂物的脱落，使得实验人员能快速的对肉眼无法精确定位的十微米级别“砂眼”缺陷进行缺陷分析。

4.2 薄板表面点缺陷的缺陷分析，视其尺寸，可以结合表面、浅表分析的思路，配合电化学方法，不一定非要从截面金相的机械角度入手。

4.3 十微米级夹杂物在成型过程中，危害被迅速放大并露头造成十微米级“砂眼”缺陷，对其在基板中分布形态，特别是其在浅表面分布的相关危害标准的研究势在必行。

参考文献

[1]王新华.高品质冷轧薄板钢中非金属夹杂物控制技术.钢铁 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]缪乐德，张毅，张峰等，电解提取定量分析不锈钢析出相进展，宝钢技术，2009，5期，46页.