新版顆粒物清潔度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)解讀

Markus J.Heneka

（RJL Micro&Analytic GmbH）

汽車行業(yè)中關(guān)于清潔部件的要求，最早是由羅伯特·博世公司（Robert Bosch）在1996年為了提高柴油汽車發(fā)動(dòng)機(jī)共軌噴射系統(tǒng)的生產(chǎn)質(zhì)量而提出的，他們?cè)谏a(chǎn)流程中發(fā)現(xiàn)小噴嘴很容易被系統(tǒng)中殘留的污染顆粒堵塞，因此提出了生產(chǎn)中清潔部件的質(zhì)量規(guī)范，由此誕生了零部件清潔度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。此后，在汽車系統(tǒng)中很多可靠性問題都被歸因于微粒子污染，即零部件清潔度不足。2015年3月，德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)推出了新版本的清潔度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（VDA 19.1）。文章基于該標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)測(cè)試方法做出了分析比較和解讀。

1 VDA 19和ISO 16232簡(jiǎn)介

自1996年開始，由于零部件清潔度相關(guān)性數(shù)據(jù)的平穩(wěn)上升，2005年德國(guó)汽車行業(yè)協(xié)會(huì)出版了VDA 19標(biāo)準(zhǔn)，因此該標(biāo)準(zhǔn)成為全世界非常有用的文件，也成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16232的清潔度檢測(cè)的藍(lán)圖。2009年版的ISO 16232已經(jīng)發(fā)展到與VDA 19標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。

VDA 19出版的10年后，德國(guó)汽車行業(yè)提出修訂和擴(kuò)展規(guī)范的要求。其主要目的是提高清潔度測(cè)試結(jié)果的可對(duì)比性，并且增加污染物萃取和分析的新內(nèi)容[1]5?；赩DA 19的新標(biāo)準(zhǔn)（VDA 19.1）于2015年3月出版，ISO 16232修訂委員會(huì)也相應(yīng)成立，目的是將VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到國(guó)際水平。新的ISO 16232預(yù)計(jì)于2017年出版。

如今，這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)成為了全世界汽車行業(yè)中的零部件清潔度的分析框架。特別是VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)中，提到了很多實(shí)用并有詳細(xì)說明的關(guān)于零部件表面污染物顆粒的萃取和定量分析的最常用的方法。

2 測(cè)試方法

所有零部件清潔度分析分為3個(gè)步驟[1]21-22：1）從零部件表面洗掉的污染物顆粒通過萃取液來獲??；2）液體用過濾膜進(jìn)行過濾；3）將過濾膜進(jìn)行分析以確定顆粒的質(zhì)量、數(shù)量、尺寸和類型。

2.1 萃取

最常見的顆粒萃取方法是用壓力流體沖洗零部件表面[1]25。沖洗不同類型樣品的一些典型示范，如圖1所示。

另一個(gè)普遍的方法是用超聲波清洗機(jī)來萃取顆粒。雖然在實(shí)驗(yàn)室中很容易實(shí)現(xiàn)，但該方法的使用在過去幾年中已慢慢減少。對(duì)于鑄造的零部件，超聲波的能量會(huì)損壞鑄造材料的基體，因此可能產(chǎn)生新的顆粒，造成顆粒分析結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)于零部件內(nèi)表面顆粒的萃取，可采用內(nèi)部清洗和通過搖晃來攪拌清洗[1]25-26。另外，VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)中引入了通過壓力空氣流來萃取顆粒的新方法[1]26-27。該方法適用于不浸入液體中使用的零部件。不過，空氣萃取的方法還沒有廣泛建立起來。

含表面活性劑的洗滌劑的水基溶液是萃取液的首選，因?yàn)槠涫褂煤罂梢杂媒?jīng)濟(jì)的方式處理。然而，如果零件的表面是油性或油膩的，則水機(jī)溶液的萃取效果就不是很好。在這種情況下，推薦使用冷清洗溶劑。通常情況下，冷清洗溶劑在進(jìn)行萃取使用后會(huì)通過細(xì)過濾步驟來回收利用。

2.2 過濾

通過液體的真空過濾，顆粒被吸附在過濾膜上。為了選擇合適的過濾膜，必須考慮過濾膜對(duì)抗液體的化學(xué)穩(wěn)定性和濾膜孔的尺寸。圖2示出2種過濾膜的結(jié)構(gòu)對(duì)比。

發(fā)泡濾膜的結(jié)構(gòu)像海綿一樣，過濾效率高，非常適合于確定總顆粒的質(zhì)量。另外，由于發(fā)泡濾膜的可用孔徑能低至亞微米水平，所以可進(jìn)行最小顆粒的分析。

如果零件上的顆粒以小顆粒為主或萃取液中有碳黑，則過濾后會(huì)得到一個(gè)黑色背景的濾膜。在這種情況下，往往不可能進(jìn)行顆粒的光學(xué)分析。對(duì)此，VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)推薦將一種孔徑為5 μm的聚乙烯（PET）網(wǎng)膜作為標(biāo)準(zhǔn)膜[1]88。由于網(wǎng)膜不會(huì)出現(xiàn)黑色的背景，因此，5μm的PET過濾膜非常適合于光學(xué)粒度分析。此外，PET膜在許多萃取液下都可以表現(xiàn)出很好的化學(xué)穩(wěn)定性。然而，市面上最小的網(wǎng)格濾膜孔徑為5 μm，根據(jù)VDA 19.1的規(guī)定，網(wǎng)膜的孔徑至少要小于所需過濾顆粒直徑的1/5才能有效把顆粒截留在濾膜上做下一步分析。所以網(wǎng)膜的光學(xué)分析僅限于長(zhǎng)度大于25 μm的顆粒。在實(shí)際使用中，發(fā)泡濾膜和網(wǎng)膜可以通過雙層濾膜托盤一起使用。

對(duì)于萃取和過濾，一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的方法是使用一個(gè)實(shí)驗(yàn)室噴水器用于粒子提取和一個(gè)玻璃真空過濾器用于過濾制備濾膜。此方法對(duì)于可以在一個(gè)燒杯中進(jìn)行提取的中小尺寸的零部件非常適用且很好建立。另一種方法是使用集噴水器、過濾及液體循環(huán)于一體的自動(dòng)提取柜。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)單裝置，使用提取柜手動(dòng)操作的提取物會(huì)少一些，同時(shí)成本會(huì)更高。

2.3 顆粒分析

2.3.1 稱重法顆粒分析

通過稱重過濾膜可獲取顆粒的總質(zhì)量。即只需稱出過濾膜在過濾前和過濾后的質(zhì)量，兩者之間的差值就等于顆粒的總質(zhì)量[1]100。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，對(duì)過濾膜進(jìn)行前處理非常重要。通常將膜浸入萃取液中，然后在烘箱中干燥，最后儲(chǔ)存在預(yù)先設(shè)置好時(shí)間的干燥器中。需注意，在技術(shù)上很難量化質(zhì)量小于3 mg的顆粒，對(duì)此需要一個(gè)高端的天平和一間環(huán)境條件恒定的房間才有可能進(jìn)行。如果質(zhì)量容差要求很嚴(yán)格，則建議一大批樣品一起測(cè)試。

2.3.2 粒度式顆粒分析

用于粒度式顆粒分析的檢測(cè)設(shè)備（如光學(xué)掃描儀和光學(xué)顯微鏡）都是采用光學(xué)分析原理。VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)認(rèn)可了可以簡(jiǎn)化粒子分析的儀器（如光學(xué)掃描儀）的發(fā)展趨勢(shì)。在修訂過程中，VDA 19工作組將Micro-QuickTM顆粒清潔度掃描儀與多種自動(dòng)化光學(xué)顯微鏡設(shè)備進(jìn)行了循環(huán)測(cè)試比較[1]106-113，目的是建立一套儀器參數(shù)，可針對(duì)結(jié)果進(jìn)行更好的對(duì)比。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過以一致的方式調(diào)節(jié)照明水平和顆粒檢測(cè)閾值，所得到的定量結(jié)果幾乎一致。關(guān)于粒度標(biāo)準(zhǔn)分析，依據(jù)VDA 19.1建議的運(yùn)行規(guī)程[1]112，光學(xué)顯微鏡和平板掃描儀可以獲得同等的測(cè)試結(jié)果。另外，掃描儀快速與簡(jiǎn)便的操作也獲得認(rèn)可。

為了獲得準(zhǔn)確的清潔度測(cè)試結(jié)果，VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)中指出了光學(xué)顆粒分析儀器（掃描儀和光學(xué)顯微鏡設(shè)備）應(yīng)當(dāng)如何進(jìn)行設(shè)置[1]112。首先，必須設(shè)置照明水平以確保過濾膜的背景水平在灰度值全程的50%～60%，這一步設(shè)置的目的是為了確保無論過濾膜上裝載的顆粒數(shù)量多少，背景水平都能夠保持一致，從而提高測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。其次，灰度閾值必須分2步設(shè)置，目的是能夠分別檢測(cè)出過濾膜上特別暗淡（低閾值）的顆粒和特別明亮有金屬光澤（高閾值）的顆粒，因此VDA 19.1中指出，需設(shè)一個(gè)70%的閾值用于檢測(cè)出暗淡的顆粒，再設(shè)一個(gè)145%的閾值用于檢測(cè)出明亮的顆粒。這里閾值（如70%或145%）是相對(duì)于實(shí)際的過濾膜背景水平而言的，如設(shè)定過濾膜背景水平的照明水平為50%（灰度值全程的50%），則閾值70%，其對(duì)應(yīng)的灰度值為過濾背景水平（50%）的70%。

根據(jù)VDA 19.1，弱化/避開最小顆粒測(cè)試是近來的發(fā)展趨勢(shì)。只有少數(shù)特殊案例，其部件間隙容差非常小，會(huì)要求分析長(zhǎng)度在5～50 μm的顆粒，在實(shí)際常規(guī)案例中，長(zhǎng)度在5～50 μm的顆粒是沒有相關(guān)性的，而且對(duì)這么小的顆粒進(jìn)行分析工作量十分巨大，甚至?xí)蔀橐环N工作阻礙。因此，現(xiàn)在已將大于50 μm的顆粒分析作為標(biāo)準(zhǔn)要求[1]106。通常，顆粒大小分布以不同粒級(jí)以及對(duì)應(yīng)可容納的顆粒數(shù)量進(jìn)行表示，如表1所示。

表1 VDA 19.1中關(guān)于顆粒物尺寸分布的表述（例）

根據(jù)定義，在過濾膜上檢測(cè)到的任何物狀都稱為顆粒。在這些顆粒中，有軟纖維和硬粒子。在任何的光學(xué)系統(tǒng)中，纖維和粒子之間是根據(jù)形狀來識(shí)別區(qū)分的，另外，光學(xué)儀器能夠檢測(cè)金屬反射。因此，通過觀察顆粒上的金屬光澤可更簡(jiǎn)單地區(qū)分無光澤和金屬光澤粒子。

然而，必須清楚理解通過光學(xué)方法檢測(cè)到的“金屬”這一定義，它不是一種實(shí)際的材料分析。當(dāng)顆粒表面受腐蝕后，它是沒有金屬光澤的，即受腐蝕的金屬顆粒可能會(huì)被歸類為非金屬顆粒。而其他高亮的塑料和玻璃可能會(huì)誤判為金屬顆粒。如果要完全可靠地定義出顆粒的材料，可以使用掃描電鏡（SEM-EDX）。

2.3.3 擴(kuò)展式顆粒分析

在世界各地的清潔度實(shí)驗(yàn)室中廣泛使用SEM-EDX進(jìn)行VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)中描述的擴(kuò)展式顆粒分析技術(shù)[1]124。

由FEI公司制造的ASPEX Explorer是針對(duì)汽車清潔中顆粒分析的特殊需求而定制的儀器。該系統(tǒng)能夠以驚人的速度全自動(dòng)地識(shí)別顆粒的各類材料，顆粒尺寸可以低至1 μm甚至更小。

清潔實(shí)驗(yàn)室如果不愿意購(gòu)置一臺(tái)高成本的SEM-EDX設(shè)備，則可將其試驗(yàn)的分析任務(wù)逐案外包給有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室服務(wù)機(jī)構(gòu)。

3 結(jié)論

VDA 19.1和ISO 16232標(biāo)準(zhǔn)介紹的清潔度分析方法科學(xué)全面而且實(shí)用，可作為企業(yè)自編清潔度文件標(biāo)準(zhǔn)的雛形或者分析框架。在提高不同設(shè)備或儀器之間清潔度分析結(jié)果的可對(duì)比性方面，VDA 19.1標(biāo)準(zhǔn)將清潔度標(biāo)準(zhǔn)分析的顆粒定為大于50 μm。VDA 19委員會(huì)提出，對(duì)于大部分的清潔度問題，小于5 μm顆粒的分析工作耗力耗財(cái)，應(yīng)該逐案仔細(xì)評(píng)估是否有必要進(jìn)行小顆粒分析。