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標準化的零部件清潔度測試
摘要：在這篇文章中，我們對VDA-19和ISO-16232標準中描述到的汽車行業零部件清潔度分析的相關技術進行了概述。
介紹
汽車行業中關于清潔部件的要求，早是由羅伯特·博世公司（Robert Bosch）在1996年為了提高柴油汽車發動機共軌噴射系統的生產質量而提出的。由于共軌的高壓，羅伯特·博世縮小了噴嘴的尺寸至200μm甚至更小。但他們很快意識到，在生產流程過后，這種小噴嘴很容易被系統中殘留的污染顆粒堵塞。由于這種新觀念的出現，提出了對生產中清潔部件的質量規范。這也是零部件清潔度測試的誕生。
自此之后，在汽車系統中很多可靠性問題都已被歸因于微粒子污染，也即是零部件清潔度不足（如圖一）。
自1996年開始，由于零部件清潔度相關性數據的平穩上升，2005年德國汽車行業協會由此而出版了VDA-19標準。VDA-19標準從而成為范圍內非常有用的文件，該文件也成為標準ISO-16232的清潔度檢測的藍圖。值得注意的是，2009年出版的ISO-16232已經發展到與德國VDA-19標準*兼容。數年之后，數百家清潔度實驗室于汽車和供應行業中成立。與此同時，也有無數家獨立服務的實驗室開始運作。今天，受影響的眾多公司中的很多職位甚至整個部門，都在協調零部件清潔度的各個方面。
在次的VDA-19出版的十年后，德國汽車行業提出修訂和擴展規范的要求。其主要目的是提高清潔度測試結果的可對比性，并且增加污染物萃取和分析的新技術內容。基于新的VDA-19標于準與2015年3月份出版，一個ISO-16232修訂委員會也相應成立，目的是將新VDA-19標準的內容轉移到水平。新的ISO-16232也于2016/2017年出版。
如今，這兩個標準成為了范圍內汽車行業中的零部件清潔度的分析框架。特別是VDA-19標準中，提到了很多實用并有詳細說明的關于零部件表面污染物顆粒的萃取和定量分析的常用的方法。
測量方法
所有清潔度分析都分為三個步驟（圖二）。首先，從零部件表面洗掉的污染物顆粒通過萃取液來獲取。第二步，液體用過濾膜進行過濾。后一步，將過濾膜進行分析以確定顆粒的質量、數量、尺寸和類型。
萃取
常見的顆粒的萃取方法是用壓力流體沖洗零部件表面。對于不同的樣品類型的一些典型的示范（如圖三）。
另一個普遍的方法是用超聲波清洗機的來萃取顆粒。雖然在實驗室中很容易實現應用，但該方法的使用在過去幾年中慢慢的減少。對于鑄造的零部件，超聲波清洗可能會產生誤導的結果。超聲波的能量會損壞鑄造材料的基體，因此可能產生新的顆粒造成顆粒分析結果的不正確性。還有其他方法是內部清洗和通過搖晃來攪拌清洗，這些方法用于零部件內表面的顆粒的萃取。另外，新修訂的VDA-19標準中又引入了一個新方法，就是通過壓力空氣流來萃取顆粒。這個方法的是用于一些在功能使用中不暴露于液體中的零部件。不過，空氣萃取的方法還沒有廣泛建立起來。
關于萃取液，含表面活性劑洗滌劑的水基溶液是優選，因為在使用后可以用經濟的方式處理。然而，如果零件的表面是油性或油膩的，則水機溶液的萃取效果就不是很好了。在這種情況下，推薦使用冷清洗溶劑。通常情況下，冷清洗溶劑在進行萃取使用后會通過細過濾步驟來回收利用。
過濾
通過液體的真空過濾，顆粒被制備在過濾膜上。為了選擇合適的過濾膜，必須考慮過濾膜對抗液體的化學穩定性和濾膜孔的尺寸。有發泡膜和網格膜（圖四）。
發泡濾膜的結構是像海綿一樣，因此過濾效率高。由于這個原因，泡膜非常適合于確定總顆粒的質量。另外，發泡濾膜的可用的孔徑可低至亞微米水平，所以甚至有可能進行小顆粒的分析。
另外一方面，如何零件上的顆粒以小顆粒為主或萃取液中有碳黑，則過濾后會得到一個黑色背景的濾膜。在這種情況下，顆粒的光學分析往往是不可能的。出于這個原因，VDA-19標準推薦一種孔徑大小為5μm的聚乙烯（PET）的網膜作為標準膜。網膜不會出現黑色的背景，因此5μm的PET過濾膜非常適合于光學粒度分析。此外，PET膜在許多萃取液下都可以表現出很好的額化學穩定性。然而，小的網孔直徑為5μm，所以，光學分析限于顆粒大于25μm到50μm。請注意，這兩種類型的濾膜需要時可以結合使用。
對于提取和過濾，兩個技術的在市場上都可以實現。一種簡單而經濟的方法是使用一個實驗室噴水器用于粒子提取和一個玻璃真空過濾器用于過濾制備濾膜。此方法對于可以在一個燒杯中進行提取的小到中尺寸的零部件非常適用且很好建立。另一種可能性是使用集噴水器、過濾、液體循環于一體的自動提取柜。相對于實驗室的簡單裝置，使用提取柜手動操作的提取物會少一些，同時成本會更高。
稱重法顆粒分析
通過稱重，獲取顆粒的總質量是相當簡單的。也就是只需稱出過濾膜在過濾前和過濾后的重量，兩者之間的差異就等于顆粒的總質量。為了得到正確的結果，對過濾膜進行前處理是非常重要的。通常的將膜浸入萃取液中，然后在烘箱中干燥，后儲存在預先設置好時間的干燥器中。請注意，在技術上是很難去量化顆粒質量小于3mg的顆粒。因此要求一個的天平和一間環境條件恒定的房間。如果重量要求嚴格，則建議一大批樣品儀器測試。
粒度式顆粒分析
新VDA-19標準已經認可簡化粒子分析的儀器如光學掃描儀的發展趨勢。在修訂過程中，VDA-19工作組將多家自動化光學顯微鏡與MicroQuickTM顆粒清潔度掃描儀進行了循環測試的考驗。這種比較的目的是簡歷一套儀器參數，可針對結果進行更好對比。測試結果發現，通過以一致的方式調節照明水平和顆粒檢測閾值，所得到的定量結果幾乎一致。關于粒度標準分析，光學顯微鏡和平板掃描儀被認為是可以同等的一句新的VDA-19（圖五）提到的程序工作。
根據VDA-19的描述，弱化/避開小顆粒測試時近來的發展趨勢，對于許多實際案例，5-50μm是沒有相關性的，并且對那么小的顆粒進行分析甚至是一種工作的阻礙，因為對那么小的顆粒進行分析工作量很大。因此，現在已將顆粒大于50μm的顆粒分析作為標準化。而只有少數的特殊案例需要分析顆粒小于50μm的。通常的大小分布表示為不同粒級以及對應可容納的顆粒數量（圖六）。
根據定義，在過濾膜上檢測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。在任何的光學系統中，纖維和粒子支架是根據形狀來識別區分的，另外，光學儀器能夠檢測金屬反射。因此，這樣通過看顆粒上的金屬光澤可更簡單的區分無光澤和金屬光澤粒子。
擴展式顆粒分析
如VDA-19標準中描述的擴展式顆粒分析技術。用X射線元分析（SEM-EDX）的自動掃描電子顯微鏡廣泛用于世界各地的清潔度實驗室。
由德國安捷萊公司制造的顆粒物清潔度儀是針對汽車清潔中顆粒分析的特殊需求而定制的儀器。該系統能夠以驚人的速度全自動地識別顆粒的各類材料。