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干货 | 汽车零部件可靠性保障之颗粒物清洁度测试
零部件清洁度要求最早源于汽车行业，由罗伯特·博世公司在1996年提出，目的是为了提高柴油汽车发动机共轨喷射系统的生产质量。为了共轨的高压，罗伯特·博世将喷嘴尺寸缩小至200μm以下，但在实际的使用过程中，这种小喷嘴很容易被系统中残留的颗粒污染物堵塞，由此提出了对汽车行业中关于清洁部件的要求。在此之后，很多汽车系统中的可靠性问题都被归因于微粒子的污染。
微粒子对汽车行业、航空航天、精密制造、液压装置等危害极大。污染物会加速零件磨损，堵塞元件的节流孔使其失去调节功能，如进入滑阀间隙会导致阀门芯卡死，进而拉伤油缸内表面使泄漏增加或使输出力减小。微粒子也会损坏泵的配油盘使其烧伤或卡死，造成电子元器件线路板等短路从而导致失效。以上这些问题都会导致系统功能的丧失或瘫痪。
图1 微粒子的危害
调查研究发现微粒子污染物的主要来源是：工艺过程、环境、设备和人员。为了确定零件、总成和整机特定部位被杂质污染的程度，需要对生产过程导致的试样相关表面的颗粒污染进行测量，即颗粒物清洁度测试。清洁度的衡量指标包括污染物的种类、污染物的数量、污染物的大小及污染物的重量。
图2 微粒子污染物的主要来源
最早的颗粒物清洁度的测试标准是德国汽车行业协会在2005年提出的VDA-19标准。此后VDA-19标准成为了全球范围内清洁度测试的重要参考，也成为后来国际标准ISO-16232清洁度检测的蓝图，因此ISO-16232已与德国的VDA-19标准完全兼容。如今，这两个标准更是成为了汽车行业中零部件清洁度的分析框架，甚至被应用到其它精密部件领域。
清洁度的测试流程如下图3所示，主要包括三大步骤：萃取、过滤及分析。
图3 清洁度测试流程
1
萃 取
颗粒物的萃取分为两大类——即最常用的清洗液萃取和空气萃取。清洗液提取又分为喷洗、超声、冲洗和晃动四种方式。萃取过程中有一个重要的衰减测试环节：使用同一方法多次提取同一零部件污染颗粒物，直到90%的污染物被提取出来。如果已进行六次提取而未达到≤10%的值，那么必须修改提取参数。
空气提取有空气吹扫法和空气流通法。最常见的方法是用压力流体冲洗零部件表面，典型范例如下图所示：
图4 压力流体冲洗典型范例
2
过 滤
过滤是通过真空法进行，将萃取出的颗粒制备在滤膜上。常用的滤膜有发泡滤膜和聚乙烯网膜。发泡滤膜过滤效率高，非常适合确定总颗粒质量。但由于其海绵结构造成进一步的光学分析会比较困难，因此VDA-19推荐一种孔径大小为5μm的聚乙烯网膜作为标准膜，该种类型的滤膜不会出现黑色背景，适合光学粒度分析。
图5 发泡滤膜及网膜
3
分 析
光学分析可以提供杂质的部分具体信息，杂质颗粒可以被测量、计数以及确定类型。光学系统包括材料显微镜、体视显微镜、连续变倍镜和扫描电镜等。光学分析中颗粒物的种类是通过形状及是否有金属光泽来区分纤维、金属/非金属颗粒的。颗粒物的颗粒度测量方式如下图所示。如果需要对颗粒物进行成分分析，还会用到扫描电镜进行能谱分析。
图6 颗粒度分析测量方法
广电计量技术服务
广电计量配备了完整的清洁度萃取过滤设备（可提供喷洗、超声波清洗、冲洗和晃动以及空气吹扫等多种杂质提取方式）、高精密的分析天平（十万分之一精度）徕卡高精度显微分析系统以及场发射扫描电子显微镜，能够提供全方位一体化的颗粒清洁度解决方案。
图7萃取过滤设备
和光学分析系统
✦
案例分享
测试信息
试验结果
最大金属颗粒（1#）
最大非金属颗粒（1#）
最大纤维L=961.12（1#）
滤膜概括（1#）
典型图片
目前，广电计量在全国设有元器件筛选及失效分析实验室，构建了元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证等多个技术服务平台，满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域企业，提升电子产品质量与可靠性的需求。
文：孙龙飞
编辑：杨茜
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