宝钢集团电池壳钢微米级夹杂物缺陷分析

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。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。

有关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，如认为DI罐的有害夹杂物的“临界尺寸”为20μm，100μm是超深冲汽车钢板坯中夹杂物有害上限等。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量力的四家厂家之一。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。宝钢在其电池钢市场推广产品试制过程中曾出现一批极小疑似“砂眼”的产品，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”缺陷分析差别在于：前者肉眼需借助50倍放大镜才能进行精确定位，后者肉眼就可以明显的观察到并剪切取截面样。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。

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150μm，与缺陷尺寸相当，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，极易造成严重的失误。

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、滤膜的级别都要严格选择及控制。即使捞出杂质，仍需鉴定区分杂质与夹杂。

电解提取法：对样品尺寸(10mm×20mm)及平整度有一定要求，并要对提取物进行过滤鉴定，在此过程中还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、外侧宏观特点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。

通过对十微米级“砂眼”缺陷外壁宏观形貌进行分析得出，第I类“砂眼”缺陷外壁为第一现场：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。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、与基板和模具三项用途的反应区域。此形貌特点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。为了防止误判，结合内壁的观察是非常必要的。分析第Ⅱ类“砂眼”缺陷的第一现场可知，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。

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”重要含有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)。此类缺陷的存在重要是因为簇群状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，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类试样进行二次酸蚀法处理后并观察，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0.25mm→0.18mm的28%减薄拉升后，内嵌+空洞的体积迅速放大了200%。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，减薄流程有关夹杂物的有害级别的放大效应是呈几何级数急剧上升。

根据以上分析可以得出：

(1)电解酸蚀法实现了一种准原位的分析思路，不仅能充分、安全地暴露出夹杂物的形态，还可以观察到夹杂物与基体相互用途的残留痕迹;有效防止了夹杂物的脱落，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。

(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。

(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，要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进行研究。