(57)【要約】【課題】鋼中のクラスター状不定形介在物を正確かつ迅速に求める分析方法について提案する。【解決手段】分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用した画像処理結果に基づいて、介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定すると共に、介在物の組成分析を行い、該介在物相互間の距離が予め設定した基準距離以内に存在し、かつ介在物を構成する元素の組み合わせが相互に同一である、介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定する。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用した画像処理結果に基づいて、介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定すると共に、介在物の組成分析を行い、該介在物相互間の距離が予め設定した基準距離以内に存在し、かつ介在物を構成する元素の組み合わせが相互に同一である、介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定することを特徴とするクラスター状不定形介在物の分析方法。
【請求項２】
請求項１において、基準距離が１００μｍ　以下であることを特徴とするクラスター状不定形介在物の分析方法。
【請求項３】
請求項１または２において、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定する条件に、介在物を構成する粒子数Ｎと該介在物の円相当径Ｄとが下記式を満たすこと、を追加することを特徴とするクラスター状不定形介在物の分析方法。
記
１．８　×　ｌｏｇＤ−１．５　≦　ｌｏｇＮ≦１．８　×　ｌｏｇＤ−０．２
【請求項４】
分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用する画像処理装置を有し、該画像処理装置の出力した画像処理結果に基づいて個々の介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定する距離測定装置を有し、前記個々の介在物の組成分析を行う装置を有し、前記個々の介在物が同一のクラスター状不定形介在物に属するかどうかを判定する判定装置を有することを特徴とするクラスター状介在物分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、　例えば鉄鋼の分野において、鋼中のクラスター状不定形介在物の分析を行うための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼中に含まれるクラスター状介在物は、鉄鋼製品において、主に表面欠陥の原因となるため、高品質の製品の開発や生産性の向上を実現する上で、さらなる鋼の高清浄度化が重要である。そのためには、製鋼プロセスの各工程において、欠陥原因となるクラスター状介在物を評価することが重要であり、正確かつ迅速なクラスター状介在物の分析方法の開発が望まれている。
【０００３】
とりわけ、クラスター状介在物のうち、クラスターと構成する個々の介在物との集合状態が球状を著しく逸脱するクラスター状不定形介在物は、自動車用極低炭素鋼板などにおいて、特にスラブ表層に存在する約１００　μｍ　以上のクラスター状不定形介在物が、最終的に表面欠陥の起因となっている。鋼板の欠陥を無くすためには、スラブのような、圧延されていない段階で、クラスター状不定形介在物の大きさ、個数を把握することが有意義であることから、そのための方途が希求されていた。
【０００４】
従来、クラスター状不定形介在物については、光学顕微鏡や電子線マイクロプローブ分析装置などによる分析が行われている。
すなわち、光学顕微鏡による方法は、光学顕微鏡を介した目視によりクラスター状不定形介在物を構成している介在物を認識し、クラスター状不定形介在物を決定していた。しかしながら、この方法では介在物間距離を正確に計測するのに非常に長い時間を要し、さらに個々の介在物に対して組成分析を行うことができないため、単独に存在する介在物や隣接クラスター状不定形介在物を構成する介在物を、クラスター状不定形介在物の構成粒子として誤認識する可能性があった。
【０００５】
また、従来の電子線マイクロプローブ分析装置　（ＥＰＭＡ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）　では、反射電子像や二次電子像を観察したあと、電子像の輝度の違いを利用して画像処理を行うことにより、存在する介在物を認識するが、クラスター状不定形介在物を構成する介在物は目視により認識が行なわれるため、観察者の個人差によりクラスター状不定形介在物を構成する介在物の判定に差異が存在した。このため、他の組成のクラスター状不定形介在物の構成粒子の一部や単独に存在する介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物として認識するなどの可能性があり、クラスター状不定形介在物を正確かつ迅速に分析することは極めて困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上、述べたように、光学顕微鏡や電子線マイクロプローブ分析装置などを用いる、従来の分析法では、鋼中のクラスター状不定形介在物を正確かつ迅速に分析することは極めて困難であった。
【０００７】
そこで、この発明は、　上記した従来技術の問題点を解決し、鋼中のクラスター状不定形介在物を構成している介在物の範囲を正確かつ迅速に認識する分析方法について提案することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、この発明は、分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用した画像処理結果に基づいて、介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定すると共に、介在物の組成分析を行い、該介在物相互間の距離が予め設定した基準距離以内に存在し、かつ介在物を構成する元素の組み合わせが相互に同一である、介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定することを特徴とするクラスター状不定形介在物の分析方法である。
【０００９】
ここで、実施に当り、基準距離が１００　μｍ　以下であることが有利である。
さらに、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定する条件に、介在物を構成する粒子数Ｎと該介在物の円相当径Ｄとが下記式（１）　を満たすこと、を追加することが、判定精度の更なる向上に有利である。
記
１．８　×　ｌｏｇＤ−１．５　≦　ｌｏｇＮ≦１．８　×　ｌｏｇＤ−０．２　　‥‥（１）
【００１０】
また、この発明は、前記発明方法を実施するに好適な装置であるところの、分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用する画像処理装置を有し、該画像処理装置の出力した画像処理結果に基づいて個々の介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定する距離測定装置を有し、前記個々の介在物の組成分析を行う分析装置を有し、前記個々の介在物が同一のクラスター状不定形介在物に属するかどうかを判定する判定装置を有することを特徴とするクラスター状介在物分析装置である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
一般に、鋼板（試料）などの介在物を観察する際、その試料面上で２次元的に見ているクラスター状不定形介在物は、クラスター状不定形介在物の断面を見ていて、その場合クラスター状不定形介在物は多くの介在物の集まりにみえる。しかしながら、クラスター状不定形介在物は３次元的な構造を持っており、２次元で見られるクラスター状不定形介在物の構成介在物は一つにつながっており同一組成であるのが通例である。そのため、２次元的にクラスター状不定形介在物を見た場合、クラスター状不定形介在物の構成介在物を分析すると、それらの介在物を構成する元素の組み合わせは相互に同一である。
【００１２】
そこで、まず、反射電子像や二次電子像など（以降区別する必要がない場合は、単に“画像”と称する。）を観察し、コンピューター処理により電子像の輝度の違いを利用して２値化による画像処理を行ない、介在物の位置を特定して、介在物相互間の距離を解析する。このとき観察する像は、反射電子が元素の違いを反映して介在物検出に有利であることから、反射電子像が好ましい。
【００１３】
さらに、位置が特定された介在物に対して、その組成分析を行う。
なお、組成分析は、短時間で一度に多元素の測定が可能であるエネルギー分散型Ｘ線分光器：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＤＸ）による分析で行うことが好ましい。
【００１４】
次に、上記の解析並びに分析結果において、介在物相互間の距離が予め設定された基準距離以内にあり、かつ介在物を構成する元素の組み合わせが相互に同一である介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定し、クラスター状不定形介在物として認識する。
【００１５】
以上の手順に従うことによって、クラスター状不定形介在物を構成している介在物を誤認することがなくなり、測定者による個人差の影響を受けない同一評価基準の下でのクラスター状不定形介在物の認識を正確かつ迅速に行なうことが可能となる。
【００１６】
ここで、クラスター状不定形介在物を判定するための基準距離とは、実質的に、相互の介在物が同一のクラスター状不定形介在物である可能性が高い距離のことである。基準距離は鉄鋼製品などでは１００　μｍ　以下であるが、必要な分析精度により分析者が任意に決定する。この発明では、隣り合う相互の介在物の重心間距離であり、この発明では介在物断面の面積重心とする。なお、１０μｍ　程度以内の介在物は、ほぼ同一のクラスター状不定形介在物である。また、従来、光学顕微鏡の観察時にも基準距離の１０μｍ　を用いていた。
【００１７】
そして、上記基準距離は、１００　μｍ以下に設定することが好ましい。なぜなら、１００　μｍ　をこえると、単独に存在する介在物をクラスター状不定形介在物の構成粒子として認識する頻度が多くなるからである。
【００１８】
なお、介在物相互の距離とは、反射電子像の画像処理結果の一例である、図１にＬとして示すように、隣り合う相互の介在物の重心間距離であり、この発明では介在物断面の面積重心とする。この距離が近い場合、相互の介在物は同一のクラスター状不定形介在物である可能性が高い。
【００１９】
この発明においては、電子線マイクロプローブ分析装置からの情報を画像処理して得られた全ての介在物に対して、介在物相互間の距離を解析を行ない、さらに介在物の組成を分析することにより、クラスター状不定形介在物の認識を正確かつ迅速に行うものである。
【００２０】
さらに、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定するための上記条件に加えて、介在物を構成する粒子数Ｎと該介在物の円相当径Ｄとについての条件を付加することによって、判定精度の更なる向上をはかることができる。
【００２１】
さて、一般的に粒子が密集した状態であるクラスターについて、３　次元の構成粒子数Ｎおよび円相当径をＤとすると、Ｎ＝ａＤｂ　（ａ　、ｂ　：定数）と表され、理論計算および実験によりｂ　＝１．８　であることが知られ、鉄鋼中のクラスター状不定形介在物ついても実験により、ｂ　＝１．８　であることが知られている。すなわちｂ　が１．８　近傍にあるかどうかを調査することにより、クラスター状不定形介在物を構成している介在物の範囲を正確に認識できる。
【００２２】
次に、この発明方法における、上記した（１）式に示す判定条件（以下、「Ｎ　−Ｄ　制限」という）が、後述の従来方法と遜色なくクラスター状不定形介在物の範囲を認識できることを検証するために実験を行った。すなわち、先に従来方法にて試料中のクラスター状不定形介在物の範囲を認識しておき、同じ試料をこの発明の判定条件で判定してクラスター状不定形介在物の範囲を認識できるかどうかを検証したのである。
【００２３】
まず始めに、従来方法として、光学顕微鏡観察にて精密に介在物間相互距離を測定し、さらにＥＰＭＡを手動で操作して個々の介在物の組成分析を行って正確にクラスター状不定形介在物の範囲を認識した。
【００２４】
次に、この発明に従う、分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用した画像処理結果に基づいて、介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定すると共に、介在物の組成分析を行い、該介在物相互間の距離が予め設定した基準距離以内に存在し、かつ介在物を構成する元素の組み合わせが相互に同一である、介在物を、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定することを特徴とするクラスター状不定形介在物の分析方法を、従来方法の場合と同じ試料に対して適用した。
【００２５】
なお、分析対象試料に電子線を照射して画像を得る装置および介在物の組成分析を行う装置は、具体的にはＥＰＭＡを用いた。また、ＥＰＭＡによる観察倍率は４００　倍とし、解析のための基準距離は４０μｍ　とした。以上の解析結果を、ｌｏｇＮ−ｌｏｇＤプロットした結果について図３に示す。この図において、○、△および□はサンプルの違いを示す。
【００２６】
ここで、Ｎ＝ａＤｂ　の関係はｌｏｇＮ＝ｂ×ｌｏｇＤ＋ｌｏｇａと表されることから、このプロットでの傾きがｂに相当する。そして、図３に示したプロットは傾きｂが１．８であり、前記したように、ｂ＝１．８　であることがクラスター状不定形介在物であることを示しているから、Ｎ＝Ｄ制限を用いる、この発明の方法でも不定形介在物を認識できることがわかる。しかも、この発明方法は自動装置を用いることが出来るため、迅速に認識を完了する。
【００２７】
なお、クラスター状不定形介在物は、３　次元的な形状が不均一であるため、その断面である試料表面での二次元的に見られるクラスターは、断面位置のとり方によりその形状が異なる。そのため、実際の二次元的に見られるクラスターから得られるＮとＤとの関係は、あるばらつきを持つことになり、図３において２直線で挟まれた領域内、すなわち
１．８　×１０ｇＤ−１．５　≦１０ｇＮ≦１．８　×１０ｇＤ−０．２
を満たす領域にクラスター状不定形介在物が存在することになる。
【００２８】
そこで、上記した基本条件、すなわち基準距離が一定範囲内にあり、かつ元素の組み合わせが同一であることに、上記ＮおよびＤについて
１．８　×　ｌｏｇＤ　−１．５　≦　ｌｏｇＮ　≦１．８　×　ｌｏｇＤ　−０．２
を満たすＮ−Ｄ制限を加えると、クラスター状不定形介在物の判定をより一層確実なものとできる。
【００２９】
この発明の方法を実施するには、分析対象試料に電子線を照射して得られる反射電子像あるいは二次電子像における輝度を利用する画像処理装置を有し、該画像処理装置の出力した画像処理結果に基づいて個々の介在物の位置を特定して介在物相互間の距離を測定する距離測定装置を有し、前記個々の介在物の組成分析を行う分析装置を有し、前記個々の介在物が同一のクラスター状不定形介在物に属するかどうかを判定する判定装置を有することを特徴とするクラスター状介在物分析装置が好適である。
【００３０】
ここで、分析対象試料に電子線を照射する装置としては、電子線マイクロプローブ分析装置が利用できる。電子線マイクロプローブ分析装置は、図４に示すように、画像取り込みのための反射電子検出器（１）　および二次電子検出器（２）　を有し、組成分析のためのエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）（３）　および波長分散型Ｘ線分光器（ＷＤＸ　：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（４）　を有し、試料（５）　を固定し移動可能な試料ステージ（６）　を有する本体部（７）　と、それらの全てを制御する機能をもつコンピュータ（８）とからなる。なお、このコンピュータ（８）は画像処理装置、距離測定装置を有し、組成分析を行う分析装置の一部となるデータ解析装置、個々の介在物が同一のクラスター状不定形介在物に属するかどうかを判定する判定装置の機能を併せ持つ。
【００３１】
そして、試料ステージの移動により試料を測定に適した領域に移動後、電子銃（９）からの電子線（１０）をクラスター状介在物と考えられる領域とその周囲に照射し、試料から発生する反射電子は、反射電子検出器により、二次電子は二次電子検出器により取り込まれる。このとき介在物の検出には、反射電子が元素の違いを反映するので反射電子を用いるのがより好ましい。
【００３２】
次いで、輝度情報を含む測定結果は、前述のコンピュータ（８）に取り込まれて画像として認識される。
次に、取り込まれた画像から、輝度の違いを利用した２値化による画像処理により、個々の介在物情報（重心位置、大きさ、形状）が求められる。コンピュータ（８）に含まれる距離測定装置は、重心位置をもとに介在物距離を計算する。また、これらの介在物情報に基づき、個々の介在物に対して電子線を照射し、そこから発生するＸ線をＥＤＸ　により検出し、介在物組成を分析する。コンピュータ（８）に含まれる前記の判定装置は、組成分析結果および介在物距離、さらにはＮ−Ｄ制限を元に個々の介在物をクラスター状不定形介在物に属するか否かを判定する。
【００３３】
なお、クラスター状不定形介在物が同一試料に複数含まれる可能性がある場合は、第一の測定領域の解析が終了すると、第二の測定領域に移動し、同様に像の取り込みからクラスター解析までを行なう。このクラスター解析を繰り返すことにより広領域の介在物解析を行なうことが出来る。
以上のように、第１の測定領域への移動から最終の測定領域のクラスター解析までの全てをコンピュータ（８）により制御することによって、全自動測定が可能となる。
【００３４】
【実施例】
測定装置として電子線マイクロプローブ分析装置を用いて、鋼中のクラスター状不定形介在物の分析を行った。すなわち、加速電圧２０ｋＶ、試料電流１０ｎＡおよび倍率１０００倍の測定条件にて得られた、反射電子像を観察し、その反射電子像における輝度の違いを利用して反射電子像を画像処理し、図１に示すように点在する１２個の介在物Ｎｏ．１〜１２を抽出し、それぞれの介在物位置および介在物相互間の距離の自動解析をコンピュータにより行なった。次に、これらの全介在物に対して、コンピューターによる自動制御の下に電子線を照射し、エネルギー分散型Ｘ線分光器：Ｅｎｅｒｇｙ　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ　Ｘ−ｒａｙ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＤＸ　）による介在物の組成分析を行った。その組成分析結果を、表１に示す。この組成分析結果に併せて、クラスター状不定形介在物を構成している介在物と判定するための基準距離は１０μｍ　として、クラスター状不定形介在物の認識を行った。
なお、この基準距離：１０μｍ　は、ほぼ同一のクラスター状不定形介在物相互間の距離である。
【００３５】
【表１】
2004045366.tif 000002
【００３６】
表１から、Ｎｏ．７および１２の粒子はＡｌ２Ｏ３　−ＣａＯ　系介在物であり、それ以外の介在物はＡｌ２Ｏ３　であった。ここで、Ｎｏ．７と１２の介在物は、その組成が他と異なるため、単独の介在物と見做した。
【００３７】
さらに、介在物相互間の距離については、Ｎｏ．１の粒子は最も近いＮｏ．３の粒子から１０μｍ　を超えて離れていることから、クラスター状不定形介在物から除外した。従って、Ｎｏ．２、３、４、５、６、８、９、１０および１１の介在物がクラスター状不定形介在物を構成していると判定した。
検証のために、測定箇所をさらに研磨して深さ方向の分布を分析した結果、Ｎｏ２　、３　、４　、５　、６　、８　、９　、１０および１１の介在物が一つにつながっている（同一のクラスター状不定形介在物に属している）ことを、さらにＮｏ．１　、７　、１２の介在物が単独に存在していることを確認し、この発明方法による分析が正確であるということがわかった。
【００３８】
また、比較のため、同一の試料について、従来法である光学薪微鏡で判定した場合を仮想して検証すると、個々の介在物の組成分析ができないため、Ｎｏ．７、１２の粒子を構成粒子として認識してしまうことは明らかである。さらに、各粒子の重心位置を正確に求めるには、別途画像をコンピュータに取り込む必要があり、粒子間距離を正確に求めるには煩雑な操作が必要である。
【００３９】
さらに、複数の試料（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）に対して、一定領域中の多数のクラスター状不定形介在物について、光学顕微鏡による介在物相互間距離の測定と組成分析に基づいて厳密にクラスター状不定形介在物の判定を行う一方、同一の領域を４００　倍でＥＰＭＡで測定し、基準距離４０μｍ　でＮ−Ｄ制限を行って解析を行い、それぞれの方法によって得られたクラスター状不定形介在物個数を比較した結果について、図５に示す。
【００４０】
図５に示すように、Ｎ−Ｄ制限を付加した本発明の方法は、クラスター状不定形介在物数が、実測による厳密な測定と同等の値が得られた。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、従来不正確であった、鉄鋼中など固体試料に存在するクラスター状不定形介在物の認識を、迅速かつ正確に行うことができる。従って、クラスター状不定形介在物が原因となって発生する表面欠陥等を、未然に防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】介在物の画像処理結果を示す図である。
【図２】介在物の画像処理結果を示す図である。
【図３】介在物の測定処理を、介在物の構成粒子数Ｎおよび円相当径Ｄについて整理した結果を示す図である。
【図４】この発明に従う分析装置の構成を示す図である。
【図５】各種方法によるクラスター状不定形介在物の判定個数を示す図である。
【符号の説明】
１　反射電子検出器
２　二次電子検出器
３　エネルギー分散型Ｘ線分光器
４　波長分散型Ｘ線分光器
５　試料
６　試料ステージ
７　本体部
８　コンピュータ
【図１】
2004045366.tif 000003
【図２】
2004045366.tif 000004
【図３】
2004045366.tif 000005
【図４】
2004045366.tif 000006
【図５】
2004045366.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月26日(2002.12.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
なお、クラスター状不定形介在物は、３次元的な形状が不均一であるため、その断面である試料表面での二次元的に見られるクラスターは、断面位置のとり方によりその形状が異なる。そのため、実際の二次元的に見られるクラスターから得られるＮとＤとの関係は、あるばらつきを持つことになり、図３において２直線で挟まれた領域内、すなわち
１．８　×　ｌｏｇＤ　−１．５　≦　ｌｏｇＮ　≦１．８　×　ｌｏｇＤ　−０．２　
を満たす領域にクラスター状不定形介在物が存在することになる。