(57)【要約】【課題】金属試料中の介在物等を直接的に、迅速かつ正確に評価する方法および装置を提供すること。【解決手段】金属試料にスパーク放電を、例えば１０回程度、繰返して金属試料中に存在する非金属介在物及び／または析出物が選択的放電を起こした段階であって、放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で、その選択放電を起こした金属試料の表面を直接に映像的に観察評価することを特徴する金属試料中介在物等の評価方法および装置又、コンピュータプログラムおよび記憶媒体。【選択図】      図７
2004163400.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、該放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で複数回スパーク放電を行い、前記金属試料の表層を映像的観察評価することにより、介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求めることを特徴とする金属試料中介在物の評価方法。
【請求項２】
金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、その放電による発光スペクトルを解析することにより、前記介在物および／または析出物の組成を特定することを特徴とする請求項１に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【請求項３】
前記スパーク放電回数が１回以上５００回未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【請求項４】
前記スパーク放電回数が１回以上２０回以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【請求項５】
前記映像的観察評価が画像解析である請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属試料中介在物等の評価方法。
【請求項６】
前記金属試料が鉄鋼である請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属試料中介在物等の評価方法。
【請求項７】
（ａ）金属試料表層と電極との間に不活性ガス雰囲気を形成する不活性ガス供給装置、
（ｂ）金属試料の表層との間に選択的にスパーク放電を発生させる電極を有する放電装置、
（ｃ）前記放電による金属試料表層からの発光スペクトルを分光装置を介してスペクトル分解し、検出器で受光する分光装置、
（ｄ）前記分光装置からの発光スペクトル信号を電気信号に変換する測光装置と、前記信号を解析して、介在物および／または析出物の組成を特定するスペクトル解析演算処理装置を含むデータ処理装置、及び
（ｅ）金属試料の表層を映像的観察評価して介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求める観察評価装置
を備えることを特徴とする金属試料中介在物等の評価装置。
【請求項８】
前記観察評価装置が、画像撮影装置および情報処理装置からなる画像解析処理装置であることを特徴とする請求項７に記載の金属試料中介在物等の評価装置。
【請求項９】
前記スパーク放電発光、前記組成特定、及び前記映像的観察評価を、一括してコンピュータ制御することを特徴とする請求項７又は８に記載の金属試料中介在物等の評価装置。
【請求項１０】
金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、該放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で複数回スパーク放電を行い、
前記放電による発光スペクトルを解析することにより介在物および／または析出物の組成を特定し、
前記金属試料の表層を画像解析することにより、介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求める処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１１】
請求項９に記載のコンピュータプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属試料中介在物等の評価方法に関し、より詳しくは金属試料に対してスパーク放電を発生させると、非金属介在物及び析出物（以下、単に「介在物等」ともいう。）が選択的に放電を受け、爆発することにより、その大きさが拡大され、かつ高コントラストになる現象を利用することにより、介在物等を画像解析などで、迅速かつ正確に評価する方法に関するものである。本発明は、同様に、金属試料中介在物等の評価装置、それに用いるコンピュータプログラム、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料中には非金属介在物および析出物（例えば、MnSのような硫化物、Al2O3のような酸化物、またはTi(C,N)のような炭化物、窒化物）が存在し、その組成、大きさ、個数などにより、例えば疲労強度の低下、腐食や水素誘起割れ、スリバー表面疵などの原因となり、金属の品質に大きな影響を及ぼす。そのため、これら介在物等の大きさ、個数、組成、粒径分布に関する諸情報を迅速かつ正確に定量解析することは、金属材料の品質管理を行なう上で、非常に重要である。
【０００３】
金属材料中に存在する介在物等の従来の検査方法としては、ASTM法、JIS法、仏国のMICHELIN社が開発したMICHELIN法などの顕微鏡試験法が知られている。例えば、JIS-G-0555に定められている顕微鏡試験法は、金属試料を研磨した後、顕微鏡の倍率を原則400倍として少なくとも視野数60以上を観察し、介在物等が占める面積率より鋼の清浄度を判定するものである。これらの従来法はいずれも光学顕微鏡による目視検査であるため、検査速度が遅く、また介在物等と、塵埃、研磨疵、錆などの誤認要因とを分別するための一定尺度が明確でないために誤差が大きく、測定の精度面で問題があった。
【０００４】
前記誤認要因を分別可能な検査装置として、特許文献１には、非金属介在物を撮像し、得られた撮像結果から形状係数Ｋ（周囲長の二乗と面積の比）を求めることにより、介在物と誤認要因とを自動的に分別し定量解析する画像処理装置が開示されている。しかし、一般的に、母材金属と介在物等のコントラストは明確でない場合が多いため、画像処理で白黒２値化した時点で誤差が発生し、介在物等の個数、粒径分布を確実に判断することには難があった。さらに、画像処理では、介在物等の形態的特徴は分別できても、その組成に関する情報を得ることは原理的に不可能である。
【０００５】
また、顕微鏡試験法とは異なる別の評価方法として、特許文献２および非特許文献１には、金属試料に対して約２０００パルスのスパーク放電発光分析法を行い、酸化物形成元素の非常に強い発光（異常発光）強度は、１個の酸化物が発光するものと仮定した上で、初期数百パルスの予備放電データを除去した放電データから、酸化物粒径を求める方法が開示されている。非特許文献２には、金属試料に対してスパーク放電発光分析法を行い、得られた発光分析データ中、ある閾値を超えたパルスデータのみが介在物等であると仮定して、その強度からアルミナ介在物の大きさと頻度を求めた例が示されている。これらの方法は、発光強度という光学的情報をデータ処理したものであり、個人誤差が少なく、多元素同時発光を利用した組成解析が行えるという利点はあるものの、「１回の異常パルス発光は１個の酸化物が発光する」という仮定に対し、後述するように、数mmφという実際の放電痕跡を観察する限りは「１回のパルス発光は複数個の介在物（酸化物）の発光である」と考えるのが自然であり、この方法の測定精度には疑問がある。
【０００６】
上述のように、金属材料の品質管理を行う上で、金属中の介在物等の粒径、頻度、組成を迅速かつ正確に定量解析することは、非常に重要であるにもかかわらず、従来の顕微鏡観察法においては、官能検査特有の誤差と検査時間がかかるという問題点があり、発光分析法による推定法では、確実性の低い仮定の下に発光パルス強度から間接的に介在物等の粒度を推定せざるを得ない問題点を含んでおり、従って根本的な解決策とはなっていなかった。
【特許文献１】
特開平９−３３５１６号公報
【特許文献２】
特開平１０−３００６５９号公報
【非特許文献１】
学術誌CAMP-ISIJ、14巻、2001年、813頁
【非特許文献２】
ISIJ International, 37巻、1997年、No.6,637頁
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の前記問題点を解決し、金属試料中の介在物等に関する組成、存在領域、個数、粒度分布等の情報を迅速かつ正確に評価する方法、装置、コンピュータプログラム、および読み取り可能な記憶媒体を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、金属などの導体中に含有される介在物等の不導体物質に電圧を印加すると、金属と不導体の境界領域に分極が生じて、その部分を狙い選択的に放電が起きる（介在物等への選択的放電現象）ことに着目し、金属試料に１〜数千パルスの発光分光分析を行い、得られた発光スペクトルのうち、特に発光初期の数百パルスを解析することにより、介在物等の存在個数、粒径、含有量、または平均粒径を所定の式に従って求めることができることを、特開平４−２３８２５０号公報で開示している。特開平９−４３１４５０号公報には、本発明者が特開平４−２３８２５０号公報で開示している知見に基づき、放電発光スペクトルを測定、解析して、介在物等の組成および粒度分布を求める方法が開示されている。
【０００９】
このように、介在物等への選択的放電現象は、介在物等に関する多くの情報をもたらすことが知られている。本発明者は、従来のＰＤＡ（パルス放電分析）理論においては、金属中介在物等に放電が発生し始めてから安定放電状態に至るまでの放電は、いわゆる予備放電として除去した上で、安定放電に至ってからのデータのみで議論がなされているが、特開平４−２３８２５０号公報や特開平９−４３１４５０号公報において、介在物等への選択的放電を行った際の「表面状態の経時変化に対する知見」が欠如していることに着目し、介在物等への選択放電を行った際の金属表面状態の経時変化について、(i)放電開始前の介在物等存在状態、(ii)放電初期の介在物等への選択的放電状態、(iii)安定放電状態の３ステージに分けてより詳細な観察を行なった。なお、試料には微量Ｔｉを含有する鉄鋼を用い、該試料中の特定成分（Ｔｉ）の発光分光分析を行なった。
【００１０】
図１は、試料中の特定成分（Ｔｉ）に対して、横軸に時間Ｔ（スパーク放電パルス数）、縦軸にＴｉ発光強度Ｉを記したＩＴ曲線である。発光強度は、放電初期の約数百パルスまでに徐々に低下して、その後安定することがわかる。
【００１１】
さらに、本発明者は、試料のスパーク放電時の下記４ステージにおける介在物等の形状、個数、組成について、顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子マイクロプローブ二次元マッピング法（以下、ＣＭＡ法と略記する）等を用いて解析を実施した。
【００１２】
ステージ(a)：スパーク  ０パルス（放電前）
ステージ(b)：スパーク  １０パルス時
ステージ(c)：スパーク  ５００パルス時
ステージ(d)：スパーク  ５０００パルス時
その結果、図２に示すように、１０パルス時(b)には介在物等へ選択的に放電が発生して介在物等が微細分散すること、５００パルス時(c)や５０００パルス時(d)には試料表層は溶融化現象を起こして介在物等らしい形状は見ることができなくなることを見出した。さらに、CMA法（電子マイクロプローブ二次元マッピング法）を用いて、Ｔｉ成分の解析を２次元平面分布で行なった結果、図３に示すように、スパーク放電前(a)には介在物等個数は約500×500μｍ四方に約数百個観察されるのに対して、５００パルス時(c)や５０００パルス時(d)では同じ面積あたりの介在物等個数が数個程度と激減している事実を発見した。これは、５００パルス時(c)や５０００パルス時(d)では介在物等の相当数が選択放電を受けて崩壊したことを示している。
【００１３】
次に、本発明者は、このときＴｉ強度も介在物等個数と同様に激減しているか否かを確かめるために、CMA法によって求めた前記各ステージにおける単位面積あたりＴｉ／Ｆｅの強度比の計測を行なった。放電開始前ゼロパルス時のＴｉ／Ｆｅ強度比を１００としたときの比強度を図４に示す。放電初期の１０パルス発光時には、放電開始前０パルス時よりも比強度が大きくなるが、放電５００パルス時および５０００パルス時の強度は、放電開始前ゼロパルス時の強度レベルとほぼ同じである。
【００１４】
従って、本発明者は、上記知見から、Ｔｉ介在物は選択放電を受けたあとに、イオン化、原子化して発光に寄与するものと、母材に微細分散化していくものがあることを突き止めた。すなわち、スパーク放電前は、介在物等の大きさは放電スポット径と同レベルであるために、選択放電を受けると高いスペクトル線強度を与えるが、数百パルス以降になると、表層に存在していた介在物等の殆どは選択放電を受けて崩壊し、母材に微細分散化していくことを突き止めた。
【００１５】
本発明は、上記の介在物等が選択放電を受けて微細分散化していく時系列的な変化を観察する中で、介在物等を含む試料の表面に１０回程度のパルス放電をした時点で止めて、観察すると、介在物等に選択放電が顕著に発生していることに気付くとともに、従来の光学顕微鏡用試料として供される研磨だけの観察面と比較して介在物等が、大きく観察され、かつ高コントラストになっていること、またその成分濃度も数倍に強調されていることを見出し、本発明を完成したものである。即ち、本発明は、下記を提供することにより、本発明の上記課題を解決するものである。
【００１６】
（１）金属試料表層（の表面疵）と電極との間に（選択的に）電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、該放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で複数回スパーク放電を行い、前記金属試料の表層を映像的観察評価することにより、介在物および／または析出物（介在物等）の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求めることを特徴とする金属試料中介在物の評価方法。
【００１７】
（２）金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、その放電による発光スペクトルを解析することにより、前記介在物および／または析出物の組成を特定することを特徴とする上記（１）に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【００１８】
（３）前記スパーク放電回数が１回以上５００回未満であることを特徴とする上記（１）（２）に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【００１９】
（４）前記スパーク放電回数が１回以上２０回以下であることを特徴とする上記（１）（２）に記載の金属試料中介在物の評価方法。
【００２０】
（５）前記映像的観察評価が画像解析である上記（１）〜（４）に記載の金属試料中介在物等の評価方法。
【００２１】
（６）前記金属試料が鉄鋼である上記（１）〜（５）に記載の金属試料中介在物等の評価方法。
【００２２】
（７）（ａ）金属試料表層と電極との間に不活性ガス雰囲気を形成する不活性ガス供給装置、
（ｂ）金属試料の表層との間に選択的にスパーク放電を発生させる電極を有する放電装置、
（ｃ）前記放電による金属試料表層からの発光スペクトルを分光装置（回折格子、特定波長フィルターなど）を介してスペクトル分解し、検出器で受光する分光装置、
（ｄ）前記分光装置からの発光スペクトル信号を電気信号に変換する測光装置と、前記信号を解析して、介在物および／または析出物の組成を特定するスペクトル解析演算処理装置を含むデータ処理装置、及び
（ｅ）金属試料の表層を映像的観察評価して介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求める観察評価装置
を備えることを特徴とする金属試料中介在物等の評価装置。
【００２３】
（８）前記観察評価装置が、画像撮影装置および情報処理装置からなる画像解析処理装置であることを特徴とする上記（７）に記載の金属試料中介在物等の評価装置。
【００２４】
（９）前記スパーク放電発光、前記組成特定、及び前記映像的観察評価を、一括してコンピュータ制御することを特徴とする上記（７）（８）に記載の金属試料中介在物等の評価装置。
【００２５】
（１０）金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、該放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で複数回スパーク放電を行い、
前記放電による発光スペクトルを解析することにより介在物および／または析出物の組成を特定し、
前記金属試料の表層を画像解析することにより、介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求める処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【００２６】
（１１）上記（１０）に記載のコンピュータプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、Ｔｉを含有する鉄鋼材料を例にとり説明を行なうが、本発明はこれに限定されるものではなく、金属材料としては、鉄、鋼、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼など、種々の金属について適用可能である。
【００２８】
本発明は、金属試料中の介在物等の組成、存在領域、個数、大きさ、粒度分布等を迅速かつ正確に評価することを目的とし、一般的に金属の多成分同時分析用として広く汎用されているスパーク放電発光分析装置の放電機能を活用することにより、簡易に介在物等を選択的にコントラスト強く浮き立たせる方式を提供するものである。
【００２９】
本発明において試料と電極の間にスパーク放電を行う方法及び装置は特に限定されないが、好適にはスパーク放電発光分析法及び装置を用いる。
【００３０】
スパーク放電発光分析法は広く知られている（例えば、アグネ「最新の鉄鋼状態分析」、１９７９年、１１２頁や日本鉄鋼協会「鉄鋼の製造のための分析解析技術」、２００２年、２７頁）。目的とする試料を採取、切断、切削した後、研削または研磨して表面を平滑な平面状に仕上げ、該試料を図５に示す如き発光分光分析装置にセットして、該試料と電極との間にスパーク放電を起こし、１〜数千パルスまで測定を行なう。
【００３１】
パルス数が指定できない機種の場合は放電周波数と放電時間を指定する事により放電回数を定める事ができる。試料は、通常粒度＃80〜＃200番の研磨紙で研磨し、不活性ガス雰囲気下で該試料と電極間にスパーク放電を行なう。該不活性ガスにはＡｒなどが使用される。得られた発光スペクトルを分光器によって分光し、１パルス毎の発光スペクトル線強度を一定時間積算した後、デジタル信号値に変換して測定する一定時間積分測光法を行なう。
【００３２】
図５の発光分光分析装置では、アルゴンなどで不活性雰囲気が供給された分析試料１に対して電極２からスパーク放電を行う。３は放電装置である。試料１の発光を集光レンズ４で集め、スリット５を介して回折格子６でスペクトル分解し、分光スペクトル７を電子増倍管などの検出器８および測光装置９で検出および電気信号変換し、演算処理装置１０でスペクトル光を分析することにより所謂スパーク放電発光分析を行うことができる。図５の２０が発光部、３０が分光部、４０がデータ処理部である。スパーク放電発光分析法およびそのための装置自体は公知である。なお分光機能としては回折格子のほかに特定波長のみを通過させる波長フィルターなども適用できる。
【００３３】
スパーク放電発光分析法を利用して、介在物等の組成分析を行う方法は公知であり、本発明でも同様の方法で行うことができる。
【００３４】
一般的には、本発明に従い選択放電段階で金属試料表面を映像的観察評価するためのスパーク放電と、介在物等の組成を分析するためのスパーク放電発光は異なる工程として行うが、選択放電段階で金属試料表面を映像的観察評価するためのスパーク放電におけるスパーク放電発光を利用して介在物等の組成を分析することができれば、これらを共通させてもよい。また、同一試料について介在物等の組成を分析するためにスパーク放電発光分析を、金属試料表面を映像的観察評価するための選択放電と別に行う場合、そのスパーク放電発光分析のための放電は選択放電段階で停止する必要は必ずしもなく、介在物等の組成を分析できればよい。
【００３５】
介在物Ｔｉの大きさは、スパーク放電前は放電スポット径と同レベルであるために、介在物等への選択放電を受けると高いスペクトル線強度を与えるが、数百パルス以降になると、表層に存在していた介在物等の殆どは選択放電を受けて崩壊し、母材に微細分散化していく。
【００３６】
図６に、発光分光分析時における介在物等の分解微細化および蒸発イメージの経時変化を模式的に示す。図６の左図に見られる如く、試料と電極間にＡｒガス雰囲気で電圧を印加すると、介在物等の大きさに応じて、介在物等と母材の地鉄との境界部に電荷が蓄積され、分極が発生する。図６の中図に見られる如く、電圧をさらに印加すると、試料と電極間に絶縁破壊が発生し、電子雪崩現象で細い糸状の放電チャンネルが形成される。この急激な通電でArがAr+イオンやAr*メタステーブルイオンへと励起される。次に試料表面の電界不均一部に陰極点が形成され爆発が起きる。この時、上述した介在物と母材地鉄との境界部は典型的な電界不均一部であるため介在物は自らが帯電爆発して崩壊する。この時、崩壊した介在物の一部は微細化して母材の地鉄中に分散すると共に、一部はベーパージェット流として陽極電極側に噴出し、Ar+,Ar*イオンなど活性種と衝突しプラズマ光を形成する。このようにして介在物は高いスペクトル線強度を与えながら帯電爆発して微細分散化していく。図６の右図に見られる如く、約数百パルスを経ると、スパーク放電前に表層に存在していた介在物等は、放電により蒸発、あるいは母材に微細分散化するため、放電スポットが当たった部分においては、母材に含まれる固溶成分の発光と、不溶成分が微細分散化された分の発光を足し合わせた合計の発光を示すこととなる。また、表面がＡｒスパッタリングなどによって蒸発し、不溶成分が試料表面に新たに析出すると、該不溶成分に対して新たに放電が発生するため、この部位に放電スポットが当たったときには高いスペクトル線強度が得られるが、放電初期の絶縁破壊時に蓄えられる電荷が、この時点では容易に周囲のイオン、電荷により運ばれるため、この時の発光強度は、放電初期の数百パルスと比較してはるかに小さい。
【００３７】
本発明は、上述したスパーク放電発光分析装置による放電処理を下記条件で実施することにより介在物等を選択的に浮き出たせることを可能とするものである。
【００３８】
すなわち、目的とする試料を採取、切断、切削した後、研削または／および研磨して表面を平滑な平面状に仕上げる。試料は、通常のスパーク放電では粒度＃80〜＃200番の研磨紙で研磨するが、本発明の場合は、その後、粒度＃400番〜#2000番相当で研磨したのち必要に応じてダイヤモンド研磨などの工程を経て、通常の光学顕微鏡観察用の鏡面研磨面試料を作製する。数μｍ以上の比較的大きな介在物等を検出する場合は、時間短縮のため粒度＃数百番相当でとどめてもよいが、数μｍ以下の微小介在物等を検出する場合は、研磨疵との区別を明確にするために、鏡面研磨面を得ることが望ましい。
【００３９】
次に、得られた研磨面を図５に示す発光分光分析装置にセットして、該試料と電極との間に１〜数百パルス（一般的に５００回未満）のスパーク放電を起こす。この放電回数は、好ましくは１００回以下であるが、更に介在物等への選択放電が顕著に観察される回数として約２０パルス以下に限定することにより、介在物等を選択放電により爆発させることが可能となる。
【００４０】
上述した方法で作製した試料の放電前後における試料表面を図７に示す。この図からわかるように、放電前には、コントラストが弱く、介在物等の個数、大きさが不明瞭であったのが、放電後には、介在物等が選択放電を受けて爆発し広がった結果、見かけ上の大きさが大きく、かつ高コントラストになっていることが観察される。図８に同じ試料を研磨して、顕微鏡観察した場合の介在物等の粒度分布と、本発明に従う１０回放電後の顕微鏡観察による介在物等の粒度分布を比較して示す。この図より、粒度分布のうち、観察される同一面積あたりの頻度は、縦軸方向に約１桁増加し、大きさは横軸方向に約数倍に拡大されて観察されていることがわかる。しかし、上記の試料に更にスパーク放電を繰り返すと、例えば５００回の放電の後には、介在物等は、放電前の元の大きさと比較しても、微細分散化し、顕微鏡では観察が難しくなる。
【００４１】
図６を参照すると、図６左図の大きな●で示した介在物等は地金と介在物等の境界に分極が発生する。この介在物と母材地鉄との境界部は典型的な電界不均一部であるため介在物は自らが帯電爆発して崩壊する。この時、崩壊した介在物の一部は微細化して母材の地鉄中に分散すると共に、一部はベーパージェット流として陽極電極側に噴出し、Ar+,Ar*イオンなど活性種と衝突しプラズマ光を形成する。これが介在物等への選択放電現象である。そのため、放電初期においては、介在物等起因の高強度発光が顕著に出現することとなる。このとき放電を受けた介在物等は、微細な介在物等（図６右図の小さな●）の群落（大きな介在物等として見える）となるが、元の介在物等の大きさより広がって存在するために、顕微鏡観察すると、介在物等（小さな●の集合体）が大きく見える。しかし、さらに放電を続けると、微細分散化した介在物等（小さな●）が元の介在物等の位置から金属試料表面全体に更に分散して均一に分布するようになるために、また放電前には電極と試料間は絶縁状態だったのがその間に電子や不活性ガスイオンなど電荷を運ぶ物質が存在するために、容易に電流が流れるようになり、介在物等のみならず、金属母材への放電も多く発生するようになる。この状態では、介在物等だけへの選択放電は稀となり、母材と介在物等を一緒に含んで無選択放電が起きるようになってくる。この状態が図１及び図６の安定放電の状態である。
【００４２】
このように金属試料の表層と電極の間のスパーク放電は選択放電から非選択放電に移行するが、本発明によれば、金属試料の介在物等への選択放電が顕著に発生する段階で放電を停止して、この段階で金属試料表面を映像的に観察評価する。この選択放電段階の金属試料表面は、金属試料中の介在物等が大きくかつ高コントラストになり、しかも個々の介在物等を直接観察できる特徴を有する。
【００４３】
このとき金属試料表面の映像的観察評価を、例えば、周知の画像解析法を用いて行えば、金属試料表面に顕在化された介在物等を個々にかつ直接に評価して、金属試料中介在物等の個数と大きさの情報を迅速かつ正確に直接評価できるものである。
【００４４】
従来、金属中に含まれる介在物等の粒径、頻度、組成を迅速かつ正確に定量する必要性は非常に高いにもかかわらず、顕微鏡観察法においては官能検査特有の誤差と時間がかかるという問題点があり、また発光分析法による推定法では発光パルス強度から間接的に介在物等粒度を推定せざるを得ないという問題点があった。これに対し、本発明の評価方法によれば、塵埃などの誤差要因となる物質と介在物等が混在する試料表面の中で介在物等のみを選択的に放電させて、介在物等を高コントラストにすることが可能であり、顕微鏡観察の特徴である介在物等を個々にかつ直接評価するメリットを享受しながら、画像処理技術を適用して迅速性と正確さの両方を達成することが可能になった。
【００４５】
さらに、従来の顕微鏡観察法では介在物等の組成情報を得ることは原理的に困難であったのに対して、本発明では、スパーク放電させるので、スパーク放電発光分析法を用いて放電初期における分光スペクトルより多元素情報を得ることが簡易であり、この情報から介在物等の構成元素に関する情報を得ることが可能となった。
【００４６】
以上のように、本発明は、従来の顕微鏡観察法とスパーク放電発光分析法の両方で得ていた情報を同時に得ると共に、金属中に含まれる介在物等の粒径、頻度、組成を迅速かつ正確に定量することを可能とするものである。
【００４７】
また、本発明の選択放電後の金属試料表面の映像的観察評価方法は、上記の特徴のほか下記の利点を有することも確認された。
【００４８】
１）介在物等拡大効果：選択放電により介在物等が元の大きさの数倍に爆発して拡大される。その結果、大型介在物等では簡易に画像処理することを容易にすると共に、数μｍ以下の小型の介在物等は通常の光学顕微鏡では発見することが困難であるが、本発明では容易に観察できるようになる。
【００４９】
２）表層下誘爆効果：選択放電で与えられる爆発の大きさは介在物等が研磨面に表出した面積に比例するのではなく、研磨面から母材金属中に埋没している体積に比例するので（蓄えられる電荷が体積に比例する）、爆発後の金属試料表面に見える介在物等の大きさは、爆発前に表層下に隠れていた介在物等の実大きさを反映した大きさになる。このため、通常の研磨面観察では３次元の介在物等を２次元に投影した形であるため真の大きさより小さく評価される可能性が高いのに比較して、本方法の評価はより３次元の介在物等の形状を反映できるという利点を有する。
【００５０】
３）コントラスト増大効果：介在物等の爆発に伴い、コントラストが増大するため、２値化画像処理を行なう上で、明瞭な閾値を与え、自動化、迅速化する上で、非常に有効である。
【００５１】
４）組成分析効果：スパーク放電発光分析装置の多元素同時発光情報より、介在物等を構成する元素を容易に知ることができる。
【００５２】
５）表面濃度増幅効果：介在物等の爆発に伴い、表層に微細分散した元素の濃度は、研磨だけの面と比較すると、数倍の濃度を示す。これにより表層を例えばＣＭＡなどの元素マッピング分析装置で観察すると、介在物等の分布状況をより明確に知りうると共に、個々の介在物等構成元素を容易に把握することが可能となる。
【００５３】
本発明において、放電前の研磨面における介在物等の寸法および数量は、選択放電後の介在物等の寸法および数量と１：１で対応するものではない。また介在物等の拡大倍率も硫化物、酸化物、炭窒化物など一様に同じ倍率であるとは限らない。しかしながら、選択放電前後の介在物等の形状、個数、分布においては、相関が認められるとともに、放電前には顕在化しにくかった介在物等が画像解析を容易にするように拡大、高コントラスト化されて、「個々」の介在物等を「直接」に評価しやすくするので、本発明の評価方法は介在物等の評価方法として、従来技術にない有用性を有し、その価値は高いものである。
【００５４】
特に金属材料品質を決定する介在物等のうち、大型有害介在物等の個数と大きさは、疲労強度や線材の延伸性能、軸受鋼の転動疲労寿命などに大きな影響を与えるため、これらの介在物等に関する情報を、より多くの視野、製品に関して速く、低コストで、かつ精度よく評価する手法の開発は重要である。
【００５５】
本発明は、このような大型の介在物等の個数と大きさを画像処理等で自動化、機械化して評価する上で、従来技術を飛躍的に改良させる効果をもつ。
【００５６】
選択放電の回数は、試料の種類および放電条件に依存するが、一般的には、数百回以下であり、通常５００回未満が好ましく、１００回以下、より好ましくは２０回以下であり、特に１０回程度が好ましい。介在物等への選択放電は、試料の種類および放電条件に依存するが、図１のスパーク放電強度の時系列的チャートを観察すれば明らかなように、一般的には５００回未満に集中している。従ってこの回数までのパルス発光にかかわる成分および強度を解析することにより介在物等の組成を明らかにすることができる。選択放電の段階にあるかどうかは、発光強度の時系列的チャートを観察すれば明らかであり、試料表面を観察しても、容易に知ることができる。また介在物等の個々の大きさを特定するには、母材金属への放電が少なく、かつ介在物等の大きさが特定できる回数としては、通常１００回以下が好ましく、より好ましくは１０回から２０回が好ましい。放電回数は１回でも、介在物等を選択放電させることは可能であり、コントラストも高く見えるため、介在物等観察には適している。しかし求める介在物等をほぼ１００％選択放電させて統計的データを得るには、１回の放電では回数が少ない場合もある。従って、通常は１０回程度が好適である。典型的な回数として１０回程度の放電で介在物等を迅速にかつ正確に評価できることは利点である。
【００５７】
放電条件としては、例えば、電圧３００Ｖ、周波数３３３Ｈｚ、スパーク放電で実施することができる。電極と試料間の間隙は、通常のスパーク放電発光分析装置のままでよいため、汎用されているスパーク放電発光分析装置を活用することが可能である。
【００５８】
選択放電を行なった金属試料表面の「映像的観察評価」の方法は、顕微鏡観察に基づき、単に写真撮影、テレビ観察などの方法によってもよいが、一般的にはコンピューターによる画像解析を行なう。本発明の方法によれば、介在物等の像が高コントラストになり、かつ大きさが拡大されるので、従来の単なる光学顕微鏡観察の場合と比べて、コンピューターによる画像解析で簡単にかつ正確な評価が可能となる利点がある。コンピューターによる画像解析方法は公知である。画像解析で得られるデータの種類は、限定するわけではないが、介在物等の粒子の寸法と個数、従って粒度分布を得たり、長径と短径との比や、周囲長の二乗と面積の比から形状を推定する情報などがある。
【００５９】
本発明の金属試料中介在物等の評価方法は、選択放電段階におけるスパーク放電後の金属試料表面の映像的観察評価を行う点で新規であり、従って、本発明によれば、（ａ）金属試料表層と電極との間に不活性ガス雰囲気を形成する不活性ガス供給装置、（ｂ）金属試料の表層との間に選択的にスパーク放電を発生させる電極を有する放電装置、（ｃ）前記放電による金属試料表層からの発光スペクトルを回折格子を介してスペクトル分解し、検出器で受光する分光装置、（ｄ）前記分光装置からの発光スペクトル信号を電気信号に変換する測光装置と、前記信号を解析して、介在物および／または析出物の組成を特定するスペクトル解析演算処理装置を含むデータ処理装置、及び（ｅ）金属試料表層の映像的観察を行う観察評価装置を備えることを特徴とする金属試料中介在物等の評価装置も、新規な金属試料中介在物等の評価装置として提供される。この金属試料中介在物等の評価装置は、従来公知のスパーク放電発光分析装置と金属試料の表面観察評価装置を組み合わせて構成される。好ましくは、観察評価装置は画像撮影装置および情報処理装置からなる画像解析処理装置である。
【００６０】
さらに、本発明の金属試料中介在物等の評価方法および装置では、好ましくは、工程をコンピュータ制御して自動化する。そのようなコンピュータプログラムは、（ａ）金属試料の表層と電極との間に電場を印加して、該表層に存在する介在物および／または析出物と電極との間に選択的にスパーク放電を発生させ、該放電が非選択的放電に遷移する以前の段階で複数回スパーク放電を行うこと、（ｂ）前記放電による発光スペクトルを解析することにより介在物および／または析出物の組成を特定すること、（ｃ）前記金属試料の表層を画像解析することにより、介在物および／または析出物の形状、個数、大きさ、存在領域および／または粒度分布を求める処理を実行させること含むことを特徴とする。
【００６１】
また、本発明では、上記コンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体も提供される。
【００６２】
【実施例】
本発明の具体例（実施例）については上記においても説明したが、さらに説明する。
【００６３】
（実施例１）
上記の説明は実施例に基づくものであるが、以下に更に説明する。
【００６４】
精錬工程から得られた鉄鋼試料を電圧：３００Ｖ、周波数：３３３Ｈｚ、放電形態：スパーク、放電回数：１０パルスで処理して得られたチタンの放電発光スペクトルを図１に示す。図１では、時系列的に当初はきわめて高い発光強度を示すが、放電回数１００回ぐらいからチャートに示されるように、ピークが低く安定しはじめ５００回では明らかに安定してきている。
【００６５】
図７に、同じ試料の放電前、と１０回放電後の表面顕微鏡写真を示す。介在物等の大きさが拡大されると共に、コントラストが高くなっており、画像解析に適していることが認められる。
【００６６】
このような実施例において実際の放電痕跡を観察する限り、「１パルス放電に複数個の介在物等発光」と考えるのが自然であることが確認される。
【００６７】
また、スパーク放電初期の介在物等への選択放電段階では、少ない放電パルス数で、大多数の介在物等の存在を浮き立たせることができることも確認される。
【００６８】
（実施例２）
圧延鍛造を経て製品となった鉄鋼試料を研磨した後に、１mmピッチで正方形の刻みをいれ、電圧：３００Ｖ、周波数：３３３Ｈｚ、放電形態：スパーク、放電回数：１０パルスで処理した。
【００６９】
得られた表面の顕微鏡写真を図９に示す。画像解析に有利な高コントラストを与えている。
【００７０】
この同一１mmピッチ面積内で、直径が５μｍ以上の介在物等のみを画像処理で選択し統計処理した結果を表１に、直径ごとの頻度分布に統計処理した結果を表２に示す。面積、円相当径等を簡易に得ることができた。表１において、番号は上記１mmピッチ面積内で直径が５μｍ以上の介在物等に付した番号であり、そのそれぞれの介在物等の面積、円相当径、針状比（長軸／短軸比）を示した。表２は、表１のデータを統計処理した結果である。
【００７１】
【表１】
2004163400.tif 000003
【００７２】
【表２】
2004163400.tif 000004
【００７３】
また、試料表面に選択放電の結果として得られた介在物等の組成を明らかにするため、スパーク放電発光分析を約５０パルス実施した結果を図１０に示す。この図１０より、ＭｎとＳが同時発光していることから、それがＭｎＳ系介在物であることが明らかになった。
【００７４】
実際の処理においては、上記の如き小区画（１mmピッチ）内の処理を複数回実施することが好ましく、それにより介在物等の頻度分布に関する情報をより正確に得ることが可能となる。その理由は、金属中に含有される介在物等の粒度分布は、同一含有率の場合で比較すると、個々の介在物等径が小さなものは数多いのでどの部位を観測しても発見される確率は非常に高いため、ある微小領域を観察した場合でも小さな介在物等の存在確率は統計的に母数から推定したものと類似してくる。しかし、金属性質に多くは有害な影響を与える「大型介在物等」の場合、単位体積当りに存在する確率は約１／ｒ3 （ｒは介在物を球に見立てた時の半径に相当する長さである）に比例して小さくなるため、微小領域を観察したときには、偶然発見される確率は非常に小さくなる。従って、大型介在物等の粒度分布を得るためにはできる限り広い面積を走査して、サンプリング数を増加させることが必要である。この操作が、従来の光学顕微鏡による官能検査では広い面積を処理するほどコストと時間がかかっていた。しかし、本発明では、この操作が、画像処理装置を利用できるので簡易化、迅速化、正確化された。
【００７５】
図１１に、今回の実験で使用した画像処理装置の例を示す。研磨して上記放電処理を実施した試料１０１をＸＹステージ１０２に設置して、表面を顕微鏡１０３で観察し、得られた画像を画像入力ボード１０４で高速に処理した後、データ処理装置１０５に入力する。情報処理装置１２０内に事前に登録している画像処理ソフトの自動実行プログラムに基づき、試料平面をＸＹ走査した。一画面を撮影し、データ転送して表１、表２の画像処理、統計処理を得た後、次の画像位置に移動するまでに要した時間は、約２秒以内であり、この処理を１００回繰り返すことにより、試料面の１０×１０mm相当の面積に存在する、介在物等の個数、大きさ、頻度分布を得るのに要した時間は、約２００秒と迅速に処理することができた。
【００７６】
以上の装置を、製鋼工場のＲＨ（脱ガス・成分調整）処理過程に設置して、実試料中に含まれる介在物等の存在量、特に大型介在物等の存在量を調査するのに活用した。その結果、試料採取後、数分で、上記の介在物等情報を得ることが可能となった。従って、介在物等浮上分離効果確認によるＲＨ処理時間の最適化が実施され、製品の高品質化に貢献するとともに、ＲＨ処理コストの最適化によるコスト低減効果を得ることが可能となった。
【００７７】
【発明の効果】
本発明の金属試料中介在物等の評価方法および装置によれば、金属試料に対してスパーク放電すると、発光分析により組成分析ができるとともに、介在物等が選択的に放電を受け爆発することでその大きさが拡大されかつ高コントラストになる現象を利用して、介在物等を発光分光とともに画像解析など映像的評価を行うことで、迅速かつより正確に評価することが可能にされる。これは従来の顕微鏡観察法とスパーク放電発光分析法の両方で得ていた情報を同時に得ると共に、金属中に含まれる介在物等の組成、存在領域、粒径、頻度等を迅速かつ正確に定量することを可能とするものであり、金属精錬業、金属製品製造業において製品品質を迅速かつ正確に管理することを可能ならしめる。従って、本発明は、金属製品品質向上および製造コスト削減に寄与し、産業上、極めて価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】縦軸に鉄鋼中のＴｉの発光強度、横軸に時間（スパーク放電パルス数）を示すＩＴ曲線である。
【図２】スパーク放電を行なった際のＴｉ含有鉄鋼材料表面の走査型電子顕微鏡写真であり、（ａ）放電ゼロ時、（ｂ）１０パルス時、（ｃ）５００パルス時、（ｄ）５０００パルス時の写真である。
【図３】スパーク放電を行なった際のＴｉ含有鉄鋼材料のＴｉ存在量と分布の電子マイクロプローブ二次元マッピング法（CMA）解析写真であり、（ａ）放電ゼロ、（ｂ）１０パルス時、（ｃ）５００パルス時、（ｄ）５０００パルス時の写真である。
【図４】放電ゼロ時、１０パルス時、５００パルス時、５０００パルス時におけるＴｉ/Ｆｅ強度比を示す。
【図５】スパーク発光分析装置の模式図である。
【図６】発光分光分析時における介在物等分解微細化および蒸発イメージの経時変化を模式的に示した図である。
【図７】本発明のスパーク放電処理（１０パルス）前後における鉄鋼試料表面の顕微鏡観察写真である。
【図８】図７と同じ試料を研磨し、顕微鏡観察した場合の介在物等の粒度分布と本発明に従う１０回放電後の顕微鏡観察による介在物等の粒度分布を比較した図である。
【図９】圧延、鍛造した鉄鋼試料を研磨し、本発明に従う１０回放電後の顕微鏡観察写真（1mm x 1mm）である。
【図１０】図９と同じ試料に５０パルス放電した時の、同時発光組成分析結果を示した図である。
【図１１】連続処理方式の画像処理装置の模式図である。
【符号の説明】
１…分析試料
２…電極
３…放電装置
４…集光レンズ
５…スリット
６…回折格子
７…分光スペクトル
８…検出器
９…測光装置
１０…演算装置
２０…発光部
３０…分光部
４０…データ処理部
１０１…分析試料
１０２…ＸＹステージ
１０３…顕微鏡
１０４…画像入力ボード
１０５…データ処理装置
１０６…画像表示装置
１１０…画像撮影装置
１２０…情報処理装置
【図１】
2004163400.tif 000005
【図２】
2004163400.tif 000006
【図３】
2004163400.tif 000007
【図４】
2004163400.tif 000008
【図５】
2004163400.tif 000009
【図６】
2004163400.tif 000010
【図７】
2004163400.tif 000011
【図８】
2004163400.tif 000012
【図９】
2004163400.tif 000013
【図１０】
2004163400.tif 000014
【図１１】
2004163400.tif 000015