СПОСОБ КОНТРОЛЯ ФОРСТЕРИТА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ФОРСТЕРИТА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛЬНОГО ЛИСТА
METHOD OF INSPECTING FORSTERITE, DEVICE FOR EVALUATION OF FORSTERITE AND PROCESS LINE FOR PRODUCTION OF STEEL SHEET

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу контроля форстерита, устройству для оценки форстерита и к технологической линии для производства стального листа.
Уровень техники
Лист текстурированной электротехнической стали главным образом применяется в качестве материала стального магнитопровода для электрических устройств, таких как трансформаторы и т.п. Поэтому имеется потребность в листах текстурированной электротехнической стали, обладающих превосходными свойствами намагничиваемости, в частности, низкими потерями в железе.
2
4
Такой лист текстурированной электротехнической стали изготавливается, например, выполнением горячей прокатки стального сляба, содержащего ингибитор (его источник), необходимый для вторичной рекристаллизации, например, MnS, MnSe и AIN, проведением при необходимости отжига при горячей прокатке, после этого проведением однократной холодной прокатки или же дважды, или большим количеством раз, с промежуточным отжигом, осуществляемым между операциями холодной прокатки, с целью достижения конечной толщины и далее выполнением обезуглероживающего отжига посредством последующего нанесения сепаратора отжига, такого как MgO, на поверхность стального листа с выполнением после этого заключительного чистового отжига. Здесь, за исключением исключительных случаев, на поверхности такого листа текстурированной электротехнической стали образуется изоляционное покрытие на основе форстерита (MgSiO) (форстеритовый слой).
Этот форстеритовый слой эффективно участвует в ослаблении вихревых токов, электрически изолируя друг от друга сложенные слои стального листа, когда стальные листы применяются в форме сложенных стопкой слоев. Однако в случаях когда форстеритовый слой на поверхности стального листа неоднороден, или в случаях когда при изготовлении ленточного сердечника происходит отслаивание форстеритового слоя, товарная ценность продукции снижается. Кроме того, происходит уменьшение коэффициента заполнения пакета, а также наблюдается местное тепловыделение из-за ухудшения изолирующей способности, которое вызывается давлением, развивающимся при сборке ленточного сердечника, что в итоге приводит к выходу трансформатора из строя.
Помимо этого такой форстеритовый слой создается не только для целей электрической изоляции. Так как благодаря низкому тепловому расширению форстеритового слоя оказывается возможным приложение к стальному листу растягивающего напряжения, форстеритовый слой вносит вклад в улучшение потерь в железе и, кроме того, магнитострикции. Кроме того, такой форстеритовый слой вносит свой вклад в улучшение магнитных свойств через очистку стали, обеспечиваемую абсорбцией в форстеритовый слой компонентов ингибитора, которые теряют свою необходимость после завершения вторичной рекристаллизации. Поэтому получение однородного и гладкого форстеритового слоя является одним из важных вопросов, влияющих на товарное качество листа текстурированной электротехнической стали.
В дополнение к этому, в случаях когда количество форстерита оказывается чрезмерно большим, обычно наблюдается тенденция к образованию точечных дефектов, в которых происходит локальное расслаивание в слое форстерита. С другой стороны, в случаях когда количество форстерита является слишком малым, происходит снижение адгезионной способности по отношению, например, к стальному листу. Поэтому в настоящее время количеству образующегося форстерита (содержанию форстерита) и морфологии распределения форстерита придается особая важность. Кроме того, в силу необходимости управления количеством и морфологией распределения форстерита для выпуска листа текстурированной электротехнической стали очень важно иметь возможность оценивать эти факторы.
Примеры имеющихся на предшествующем уровне техники методик, предназначенных для исследования количества форстерита и распределения содержания форстерита, включают следующие. Одна представляет способ, при котором количество форстерита определяется посредством проведения анализа кислорода на поверхности стального листа. Более конкретно, так как на форстеритном слое обычно создается напряженный покрывающий слой для дополнительного улучшения магнитных свойств, вначале удаляется этот создающий напряжение покровный слой, затем сталь растворяется и далее определяется количество кислорода с помощью метода исследования поглощения в инфракрасной области спектра после сжигания.
Кроме того, примеры способов контроля распределения слоя форстерита включают такой, при котором поверхность, с которой был удален напряженный покрывающий слой, рассматривается с помощью электронного сканирующего микроскопа (SEM). В этом случае может проводиться элементный анализ посредством детектирования характеристического рентгеновского излучения.
Кроме того, примеры способов для исследования распределения в поперечном направлении включают такой, при котором готовится поперечный срез стального листа выполнением, например, его полировки и при котором данный поперечный срез рассматривается с помощью SEM (например, патентный документ 1).
Список упоминаемых документов
Патентные документы
PTL 1 - нерассмотренная патентная заявка Японии, публикация №2012-36447.
Сущность изобретения
Техническая задача
Однако все описанные выше способы включают испытания с разрушением образца. Кроме того, любое из таких исследований требует много времени на выполнение оценки и приготовление образцов. Более того, в настоящее время даже не существует способа, позволяющего легко проверять присутствие форстерита без разрушения объекта измерений.
Настоящее изобретение было осуществлено с целью решения описанных выше задач, и первая цель настоящего изобретения состоит в предложении методики для несложной проверки присутствия форстерита без разрушения исследуемого объекта.
Кроме того, вторая цель заключается в предоставлении методики легкого контроля локализации форстерита без разрушения объекта исследования.
Далее, третья цель состоит в обеспечении методики контроля количества форстерита и распределения содержания форстерита неразрушающим способом в области наблюдения, достаточно широкой, чтобы быть представительной для данного объекта и при этом количественным образом.
Решение задачи
Авторы настоящего изобретения провели тщательные исследования в отношении способов изучения форстеритного слоя и в результате обнаружили, что из слоя форстерита испускается свет, когда поверхность стального листа облучается пучком электронов. Этот свет является следствием возбуждения электронным пучком, то есть представляет собой катодолюминесценцию (CL). Однако хотя эта CL была известна и ранее и применялась, например, в области полупроводниковых материалов (например, Takashi Sekiguchi: Materia Japan, том 35, стр. 551-557 (1996)), раньше не было известно, что форстерит, образованный на поверхности листа текстурированной электротехнической стали, демонстрирует CL.
Кроме того, не существовало никакой концепции, касающейся света, исходящего из форстерита, когда образованный на поверхности листа электротехнической стали форстерит облучается электронным пучком. Кроме того, в случаях когда образец является листом текстурированной электротехнической стали, имеющей напряженный покрывающий слой, такой обеспечивающий напряжение покрывающий слой толщиной в несколько микрон присутствует на слое форстерита. Поэтому, в частности, в случае листа текстурированной электротехнической стали, имеющего напряженный покрывающий слой, трудно было предположить, что свет испускается слоем форстерита из-за пучка электронов.
Авторы настоящего изобретения выяснили следующие факты посредством оснащения установки SEM устройством для исследования света (при этом такое устройство для световых измерений, включало, например, обнаруживающее свет устройство), сканированием и облучением поверхности и поперечного сечения листа текстурированной электротехнической стали электронным пучком и рассмотрением CL-изображения, при котором такое изображение создается с помощью светового сигнала возбужденного света.
На основе генерируемой в форстерите CL возможна визуальная проверка присутствия в образце форстерита.
В случаях когда выполняется наблюдение с поверхности листа текстурированной электротехнической стали, получение CL-изображения слоя форстерита возможно, даже если на слое форстерита образован напряженный покрывающий слой.
Величина сигнала CL (например, интенсивность сигнала или яркость), получаемого от испускаемого из слоя форстерита света, возбуждаемого электронным пучком, приблизительно коррелирует с количеством форстерита.
На основе CL-изображения, получаемого посредством возбуждаемого электронным пучком света, испускаемого из слоя форстерита, возможно получение информации о распределении форстеритного слоя на листе текстурированной электротехнической стали.
Кроме того, было найдено, что CL в слое форстерита на листе электротехнической стали имеет два или более пиков в диапазоне видимого света. Поэтому был сделан вывод о возможности получения некоторой информации относительно форстеритного слоя посредством выбора детектируемого света с использованием оптического фильтра. Например, при детектировании красного света увеличивается степень корреляции между интенсивностью сигнала или яркостью и количеством форстерита.
Кроме того, было найдено, что посредством получения вначале CL-изображения и переведением яркости CL-изображения в цифровую форму вместо прямого детектирования интенсивности возбуждаемого электронным пучком света, испускаемого из слоя форстерита, оказывается возможным количественное и несложное определение количества форстерита и распределения содержания форстерита.
Настоящее изобретение было сделано на основе по меньшей мере одного из описанных выше обнаружений и представлено следующим образом.
(1) Способ контроля форстерита, при этом данный способ включает контроль локализации форстерита в области, из которой испускается свет, возбуждаемый электронным пучком, когда содержащий форстерит материал облучается пучком электронов.
(2) Способ контроля форстерита, при этом данный способ включает контроль количества форстерита и/или распределения содержания форстерита в неизвестном материале, содержащем неизвестное количество форстерита, с помощью интенсивности сигнала или яркости света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда неизвестный материал облучается электронным пучком, основывающийся на корреляции между количеством форстерита и интенсивностью сигнала или яркостью света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда содержащий форстерит материал облучается электронным пучком.
(3) Способ контроля форстерита по п.п. (1) или (2), в котором данный материал является листом текстурированной электротехнической стали, имеющим слой форстерита.
(4) Способ контроля форстерита по п. (3), в котором данный материал является листом текстурированной электротехнической стали, имеющим напряженный покрывающий слой на слое форстерита и в котором ускоряющее напряжение составляет 10 кВ или выше, когда поверхность напряженного покрывающего слоя облучается электронным пучком.
(5) Способ контроля форстерита по любому из пп. (1)-(4), в котором из света, который возбуждается и испускается под действием электронного пучка, для контроля форстерита применяется свет с длиной волны 560 нм или более.
(6) Устройство для контроля форстерита, при этом данное устройство включает предметный столик для удержания содержащего форстерит материала, устройство испускания электронного пучка для облучения материала электронным пучком, светоизмерительное устройство, предназначаемое для выполнения оценки света, возбуждаемого электронным пучком и испускаемого, когда электронный пучок излучается из устройства испускания электронного пучка, и вакуумную камеру, в которой размещаются столик, устройство испускания электронного пучка и светоизмерительное устройство.
(7) Устройство для контроля форстерита по п. (6), при этом данное устройство включает, кроме того, ограничивающий длину волны фильтр, предназначаемый для пропускания света с длиной волны 560 нм или более и размещаемый между устройством испускания электронного пучка и светоизмерительным устройством.
(8) Устройство для контроля форстерита по п. (6) или (7), в котором светоизмерительное устройство включает светоизмерительный блок, предназначаемый для измерения интенсивности сигнала или яркости света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда материал облучается электронным пучком из устройства испускания электронного пучка, узел хранения корреляционных данных, предназначаемый для запоминания корреляции между интенсивностью сигнала или яркостью и количеством форстерита, и блок количественного анализа, предназначаемый для получения сведений о количестве форстерита и/или распределении содержания форстерита в неизвестном материале, содержащем неизвестное количество форстерита, на основе интенсивности сигнала или яркости света, измеряемых с помощью светоизмерительного блока, когда неизвестный материал облучается электронным пучком, и корреляционных данных, запоминаемых в узле хранения корреляционных данных.
(9) Технологическая линия для производства листа текстурированной электротехнической стали, имеющая участок получения форстерита, в котором на листе текстурированной электротехнической стали образуется форстеритный слой, при этом данная технологическая линия включает устройство испускания электронного пучка для облучения электронным пучком листа текстурированной электротехнической стали, имеющего форстеритный слой, светоизмерительное устройство, предназначаемое для оценки света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда лист текстурированной электротехнической стали облучается электронным пучком из устройства испускания электронного пучка, и вакуумный участок, который находится вслед за участком получения форстерита, и в котором размещаются устройство испускания электронного пучка и светоизмерительное устройство.
(10) Технологическая линия для производства стального листа по п. (9), при этом данная технологическая линия включает, кроме того, ограничивающий длину волны фильтр, предназначаемый для пропускания света с длиной волны 560 нм или более и размещаемый между устройством испускания электронного пучка и светоизмерительным устройством.
(11) Способ контроля форстерита, при этом данный способ включает контроль того, присутствует или нет форстерит в материале, на основе того, испускается или нет из данного материала свет, возбуждаемый под действием облучения электронным пучком, когда такой материал облучается пучком электронов.
(12) Способ контроля форстерита, при этом данный способ включает контроль количества форстерита в неизвестном материале, содержащем неизвестное количество форстерита, используя интенсивность испускания света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда неизвестный материал облучается электронным пучком, на основе корреляции между количеством форстерита и интенсивностью испускания света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда содержащий форстерит материал облучается электронным пучком.
Полезные эффекты изобретения
Согласно настоящему изобретению оказывается возможной простая проверка присутствия форстерита без разрушения объекта измерений.
Согласно настоящему изобретению оказывается возможной простое определение локализации присутствующего форстерита без разрушения объекта измерений.
Согласно настоящему изобретению оказывается возможным определение количества форстерита и распределения содержания форстерита неразрушающим способом в области наблюдения, достаточно широкой для того, чтобы быть представительной для данного объекта и при этом количественным образом. В частности, в случаях когда изучается распределение содержания форстерита, оказывается возможной несложная проверка того, действительно ли слой форстерита является однородным и гладким. Здесь «однородный» относится к случаю, когда имеются лишь небольшие колебания в распределении форстерита в зависимости от его локализации, а «гладкий» относится к случаю, когда имеются только небольшие колебания массы покрытия в зависимости от локализации.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую пример устройства для определения форстерита.
Фиг. 2 является схематической диаграммой, демонстрирующей светоизмерительное устройство, установленное в устройстве для определения форстерита, иллюстрируемом на фиг. 1.
Фиг. 3 является диаграммой, иллюстрирующей вторично-электронное изображение (верхняя часть) поперечного сечения образца и CL-изображения (нижняя часть) той же самой области представления, использовавшейся для получения вторично-электронного изображения.
Фиг. 4 является диаграммой, иллюстрирующей вторично-электронное изображение, наблюдаемое на поверхности образца, подобного наблюдаемому на фиг. 3.
Фиг. 5 является диаграммой, иллюстрирующей CL-изображение той же самой области представления, которая используется для вторично-электронного изображения на фиг. 4.
Фиг. 6 является диаграммой, иллюстрирующей вторично-электронные изображения и CL-изображения, полученные при использовании двух видов образцов, обладающих различными свойствами адгезии между слоем форстерита и листом текстурированной электротехнической стали.
Фиг. 7 является диаграммой, иллюстрирующей CL-изображения, полученные преобразованием в двоичный код CL-изображения на фиг. 6.
Фиг. 8 представляет график, полученный соотнесением средней величины CL-свечения с количества кислорода в покрытии, отображаемым по горизонтальной оси.
Фиг. 9 является диаграммой, иллюстрирующей пример CL-спектра, снятого с поверхности листа текстурированной электротехнической стали при ускоряющем напряжении в 25 кВ.
Фиг. 10 представляет диаграмму, иллюстрирующую зависимость между количеством кислорода в покрытии и CL-свечением в случаях применения фильтра, ограничивающего длину волны.
Фиг. 11 является диаграммой, иллюстрирующей изменение CL-свечения в зависимости от температуры процесса образования форстерита.
Осуществление изобретения
Далее представлено описание вариантов осуществления настоящего изобретения. При этом настоящее изобретение нижеследующими вариантами осуществления не ограничивается.
Прежде всего будет описан применяемый в настоящем изобретении материал (в дальнейшем также именуемый как «образец»). С помощью настоящего изобретения также оказывается возможной проверка того, что образец не содержит форстерита. Поэтому понятие «образец, который применяется в настоящем изобретении», включает не только содержащий форстерит образец, но также и образец, форстерита не содержащий.
В случаях когда образец не содержит форстерита, возможна только проверка того, что в данном образце форстерит не содержится. С другой стороны, в случае образца, содержащего форстерит, возможно определение наличия форстерита, местоположения, где форстерит присутствует, количества форстерита и распределения содержания форстерита. Здесь в случаях когда оказываются включены генерирующие CL материалы помимо форстерита, примеры способов отличения форстерита от других таких материалов включают способ, основанный на интенсивности испускания, и способ, основанный на длине волны. Однако предпочтительно, чтобы другие, помимо форстерита, генерирующие CL материалы не включались.
2
4
В настоящем изобретении в качестве образца может быть использован лист текстурированной электротехнической стали, имеющий слой форстерита и напряженный покрывающий слой. Более конкретно, примеры такого образца включает лист текстурированной электротехнической стали, имеющий слой форстерита и наслоенную основу, имеющую слоистую структуру, включающую напряженный покрывающий слой, слой форстерита и лист текстурированной электротехнической стали в указанном от поверхностной стороны порядке. В случаях когда эти листы текстурированной стали применяются в качестве образцов, так как обычно слой форстерита главным образом содержит MgSiO, а напряженный покрывающий слой содержит, например, фосфат, образец не содержит иных, помимо форстерита, материалов, генерирующих CL.
2
2
4
Примеры способов образования слоя форстерита на листе текстурированной электротехнической стали включают следующий способ. Вначале на листе текстурированной электротехнической стали, имеющем конечную толщину и содержащем подходящее количество Si, выполняется обезуглероживающий отжиг (дублируемый в качестве рекристаллизационного отжига). Вслед за этим на стальной лист наносится сепаратор отжига (одним подходящим является содержащий главным образом MgO), далее стальной лист сматывается в рулон и намотанный стальной лист подвергается заключительному чистовому отжигу для вторичной рекристаллизации и образования слоя форстерита. Здесь при выполнении обезуглероживающего отжига на поверхности стального листа образуется оксидный слой (подслойная окалина), содержащий главным образом SiO, и когда проводится заключительный чистовой отжиг, этот оксидный слой реагирует с MgO в сепараторе отжига. В результате этой реакции на листе текстурированной электротехнической стали образуется слой форстерита (MgSiO).
Примеры способов получения напряженного покрывающего слоя включают вариант, при котором для образования напряженного покрывающего слоя на слое форстерита применяется способ нанесения неорганического покрытия или способ нанесения керамического покрытия, такой как способ физического осаждения из паровой фазы или способ химического осаждения из паровой среды, после выполнения заключительного чистового отжига. Посредством образования напряженного покрывающего слоя оказывается возможным снижение потерь в железе.
Далее будет описано устройство для определения форстерита, которое может применяться при способе контроля форстерита согласно настоящему изобретению. Фиг. 1 представляет схематическую диаграмму, иллюстрирующую пример устройства для определения форстерита. Фиг. 2 является схематической диаграммой, демонстрирующей светоизмерительное устройство, установленное в устройстве для определения форстерита, иллюстрируемом на фиг. 1.
-2
-2
Как показано на фиг. 1, устройство 1 для определения форстерита включает предметный столик 10, устройство 11 испускания электронного пучка, светоизмерительное устройство 12, вакуумную камеру 13 и ограничивающий длину волны фильтр 14. На фиг. 1 показано, что предметный столик 10, устройство 11 испускания электронного пучка, светоизмерительное устройство 12 и ограничивающий длину волны фильтр 14 располагаются в вакуумной камере 13. Здесь степень разрежения, которая может быть реализована в вакуумной камере, является степенью, при которой может функционировать SEM и обычно это вакуум около 10 Па или ниже 10 Па. Однако это не всегда применимо к системам, для которых исключено дифференциальное вакуумирование. Например, настоящее изобретение может быть реализовано в такой системе даже при степени разрежения вплоть до около 200 Па.
Здесь, хотя устройство 1 для определения форстерита в настоящем воплощении имеет ограничивающий длину волны фильтр 14, проверка на основе данных по свету интересующей информации, такой как о количестве форстерита, возможна и без ограничивающего длину волны фильтра 14. Поэтому оснащение ограничивающим длину волны фильтром 14 обязательным не является.
В устройстве 1 для определения форстерита возможно облучение образца 2, удерживаемого на предметном столике 10, электронным пучком (электронный пучок обозначен пунктирной линией со стрелкой) от устройства 11 испускания электронного пучка (например, включающего устройство образования электронного пучка и электронную оптическую систему для сужения электронного пучка и сканирования образца). В случаях когда образец 2, который облучается электронным пучком, содержит форстерит, такой образец 2 испускает возбуждаемый электронным пучком свет. Оценивая эту люминесценцию с помощью светоизмерительного устройства 12, возможно проверить наличие форстерита, определить местоположение, где форстерит присутствует, количество форстерита и распределение содержания форстерита. Здесь устройство 1 для определения форстерита имеет ограничивающие длину волны фильтр 14. При использовании ограничивающего длину волны фильтра 14 можно с помощью светоизмерительного устройства 12 среди всего возбуждаемого электронным пучком света оценивать свет, имеющий длину волны в некотором диапазоне. Как описывается ниже, при использовании света с длиной волны 560 нм или более увеличивается точность определений.
Как показано на фиг. 2, светоизмерительное устройство 12 включает светоизмерительный блок 120, блок 121 количественного анализа и узел 122 хранения корреляционных данных. Светоизмерительное устройство 12 представляет собой устройство, полученное объединением узла 122 хранения корреляционных данных, в котором запоминается определенная корреляция, и блока 121 количественного анализа, с помощью которого выполняется количественный анализ на основе информации, получаемой от фотодетектора, и на основе описанной выше корреляции, с обычным фотодетектором, с помощью которого обнаруживается свет и с помощью которого измеряются интенсивность сигнала или яркость света. Поэтому предпочтительное светоизмерительное устройство 12 согласно настоящему изобретению получается, например, объединением компьютера, который имеет обычную функцию количественного анализа и в котором запоминается описанная выше корреляция с обычным фотодетектором.
Какие-либо специальные ограничения в отношении светоизмерительного блока 120 отсутствуют при условии, что данное устройство способно обнаруживать видимый свет, а примеры такого устройства включают такие, которые обнаруживают свет с помощью, например, электронного фотоумножителя (РМТ). Кроме того, светоизмерительный блок 120 имеет функцию преобразования информации, касающейся обнаруживаемого света, в такие данные, как интенсивность сигнала или яркость. Поэтому когда образец 2 облучается электронным пучком от устройства 11 испускания электронного пучка, светоизмерительный блок 120 обнаруживает возбуждаемый электронным пучком и испускаемый свет и преобразует относящуюся к этому свету информацию в такие данные, как интенсивность сигнала или яркость. Как описывалось выше, возможна проверка присутствия форстерита отслеживанием обнаружения света с помощью светоизмерительного блока 120.
Кроме того, светоизмерительный блок 120 может обнаруживать возбуждаемый электронным пучком и испускаемый свет для каждой области в случаях когда поверхность образца 2 разделена на множество областей. Поэтому посредством отслеживания обнаружения света с помощью светоизмерительного блока 120 также возможно определение местоположения (области), где присутствует форстерит. Никаких специальных ограничений в отношении площади описанной выше области не существует, и такая площадь может быть отрегулирована, например, в соответствии с требуемой точностью измерений.
С применением описанных выше способов возможно определение наличия и локализации форстерита. В частности, так как такая проверка может выполняться без разрушения образца, возможен контроль образования форстерита в процессе получения форстеритного слоя. Здесь нет никаких специальных ограничений в отношении того, какой способ применяется для распознавания информации, касающейся обнаруживаемого светоизмерительным блоком 120 света, возможно изучение такой информации с помощью светоизмерительного устройства 12 в комбинации с SEM.
Как описывалось выше, возможно определение интенсивности сигнала или яркости света с помощью светоизмерительного блока 120. Эти данные об интенсивности сигнала или яркости передаются в блок 121 количественного анализа и в блоке 121 количественного анализа обеспечивается получение сведений о количестве форстерита и распределении содержания форстерита в образце на основе касающейся света информации и корреляции, которая запасается в узле 122 хранения корреляционных данных (корреляция между количеством форстерита и интенсивностью сигнала или яркостью света, который возбуждается электронным пучком и испускается, когда содержащий форстерит образец облучается электронным пучком. Более конкретно, сведения о количестве форстерита в указанной области получаются из данных по интенсивности сигнала или яркости и указанной корреляции, а данные по распределению содержания форстерита получаются посредством объединения информацию о количествах форстерита во множестве областей. Здесь «яркость» относится к яркости CL-изображения, которая получается на основе интенсивности сигнала возбуждаемого электронным пучком света, и эта яркость может быть выражена в терминах люминесценции.
С помощью описанных выше способов и устройства возможно получение сведений о количестве форстерита и распределении содержания форстерита в образце. В частности, так как такая проверка может выполняться без разрушения образца, возможен контроль образования форстерита в процессе получения форстеритного слоя. Поэтому с применением настоящего изобретения возможно простое определение условий образования форстеритного слоя, характеризующегося показателями количества и распределения форстерита в желаемом диапазоне. Кроме того, возможно определение информации, относящейся к количеству форстерита и распределению содержания форстерита, например, с использованием светоизмерительного устройства 12 и SEM в описанной выше комбинации.
Здесь нет никаких специальных ограничений в отношении того, какой способ применяется для получения корреляции, которая запоминается в узле 122 хранения корреляционных данных. Например, используя множество образцов, содержащих различные количества форстерита, при том, что эти количества в образцах известны, можно получить корреляцию, облучая каждый из этих образцов электронным пучком и определяя интенсивность сигнала или яркость возбуждаемого электронным пучком света.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно с привлечением примера, в котором в качестве образца применяется материал, имеющий слоистую структуру, включающую слой форстерита и напряженный покрывающий слой, которые образованы в указанном порядке на листе текстурированной электротехнической стали.
Посредством облучения образца электронным пучком и детектирования света, который при этом испускается, снимаются данные по интенсивности CL (интенсивность возбуждаемого электронным пучком света). Кроме того, при сканировании поверхности образца сфокусированным электронным пучком и посредством определения интенсивности CL в синхронизации с позицией сканирования может быть получено CL-изображение. Здесь в случаях когда применяется описанный выше образец, предпочтительно, чтобы ускоряющее напряжение бомбардирующего электрона выбиралось из диапазона от 0,1 кВ до 100 кВ.
В случае образца в настоящем воплощении было установлено, что только слой форстерита обнаруживает CL, как показано на фиг. 3 («опорная плита» на фиг. 3 относится к «опорной плите, изготовленной из меди»). Фиг. 3 является диаграммой, иллюстрирующей вторично-электронное изображение (верхняя часть) поперечного сечения образца в настоящем воплощении и CL-изображение (нижняя часть) той же самой, использовавшейся для получения вторично-электронного изображения, области представления. Было выяснено, что в поперечных сечениях, иллюстрируемых на фиг. 3, CL не возбуждается в основном стальном листе или в напряженном покрытии, и что CL возбуждается только в слое форстерита. Здесь способ получения представленного на фиг. 3 вторично-электронного изображения, является следующим. Используя содержащее детектор устройство, образованное из SEM SUPRA55-VP (ТМ) производства Carl Zeiss AG, светособирающего зеркала и РМТ, было выполнено наблюдение в условиях ускоряющего напряжения в 3 кВ. В случаях когда наблюдение так же, как и в этом примере, выполняется на поперечном срезе, так как при этом необходима высокая пространственная разрешающая способность, предпочтительным является применение детектора, имеющего высокую чувствительность, с низким ускоряющим напряжением.
Фиг. 4 является диаграммой, представляющей вторично-электронное изображение, наблюдаемое на поверхности образца, подобного наблюдаемому на фиг. 3 (слой форстерита был специально счищен с части поверхности (участок со счищенный слоем покрытия)) (наблюдение проводилось с образованным на поверхности напряженным покрывающем слоем). С помощью SEM SUPRA55-VP производства Carl Zeiss AG и детектора ЕТ было получено вторично-электронное изображение в условиях ускоряющего напряжения в 30 кВ. Кроме того, с помощью тех же самых устройств и условий, которые применялись для получения вторично-электронного изображения на фиг. 4, было получено CL-изображение, представленное на фиг. 5, наблюдение проводилось аналогичным образом с образованным на поверхности напряженным покрывающим слоем, за исключением того, что применялся фотодетектор (не имевший светособирающего зеркала), включавший прозрачную стеклянную трубку и РМТ. На фиг. 5, так как участок со счищенным покрытием выглядит темным, это подтверждает, что слой форстерита был удален. Кроме того, на фиг. 5 различаются темные участки, продолжающиеся полосами в направлении прокатки. При рассмотрении поперечного сечения этого участка с использованием метода фокусированного ионного пучка (FIB) было обнаружено отсутствие на нем слоя форстерита. Кроме того, по результатам этого рассмотрения поперечного сечения было найдено, что большое количество форстерита присутствует в участке, который выглядит более ярким, чем окружающие участки. Из описанных выше результатов становится понятно, что CL-изображение отображает распределение содержания форстерита. Здесь увеличенные представления на фиг. 5 иллюстрируют поперечные сечения по пунктирным линиям и показывают результаты анализа распределения слоев форстерита, основанные на результатах (SE) наблюдения SEM, выполненного на поперечных срезах, приготовленных методом FIB, и схеме распределения Mg, (Mg) по данным EDS. Были приготовлены (наблюдаемые) поперечные срезы двух участков, притом, что один был приготовлен на участке (сплошной участок), где на полученном на поверхности CL-изображении наблюдался слой форстерита, а другой был приготовлен на продолжающемся в направлении прокатки участке, где слой форстерита отсутствовал (дефектный участок).
Обычно полагают, что в случаях когда на слое форстерита образован напряженный покрывающий слой, трудно проверить состояние слоя форстерита неразрушающим образом. Однако согласно настоящему изобретению можно проверить состояние слоя форстерита без удаления напряженного покрывающего слоя. Причина состоит в том, что когда излучается электронный пучок, ускоренные электроны проникают через находящийся на верхней стороне напряженный покрывающий слой к слою форстерита. Поэтому для исследования форстерита, который находится под напряженным покрывающем слоем, как в настоящем воплощении, необходимо управлять ускоряющим напряжением, которое является параметром для излучения электронного пучка. Хотя необходимое ускоряющее напряжение варьирует в зависимости от вида и толщины напряженного покрывающего слоя, ускоряющее напряжение может соответствующим образом выбираться в диапазоне от 10 до 60 кВ в случаях, когда толщина напряженного покрывающего слоя на фосфатной основе составляет от 1 до 2 мкм. Более конкретно, так как количество возбуждаемого света возрастает с увеличением ускоряющего напряжения, увеличивается и количество информации, что является предпочтительным для детектирования. Однако поскольку чем выше ускоряющее напряжение, тем в большей степени электронный пучок рассеивается в образце, происходит снижение пространственной разрешающей способности. Кроме того, так как увеличивается количество электронных пучков, которые проходят через слой форстерита, наблюдается снижение интенсивности испускания. Необходимо управлять ускоряющим напряжением, основываясь на этих общих принципах и толщине напряженного покрытия.
Фиг. 6 представляет диаграмму, иллюстрирующую вторично-электронные изображения и CL-изображения двух образцов, имеющих различные свойства адгезии между слоем форстерита и листом текстурированной электротехнической стали, притом, что образцы были подобны описанному выше (который был приготовлен с образованием слоя форстерита и напряженного покрывающего слоя в указанном порядке на листе текстурированной электротехнической стали). Фиг. 6(a) и фиг. 6(b) представляют соответственно вторично-электронное изображение и CL-изображение образца, обладающего слабыми свойствами адгезии, а фиг. 6(c) и фиг. 6(d) соответственно представляют вторично-электронное изображение и CL-изображение образца, имеющего сильные адгезионные свойства. Условия при получении вторично-электронных изображений и CL-изображений были такими же, как и использовавшиеся для получения вторично-электронного изображения на фиг. 4 и CL-изображения на фиг. 5. На основании вторично-электронных изображений с фиг. 6(a) и фиг. 6(c) оценить различия в адгезионных свойствах невозможно. С другой стороны, можно определить различия в адгезионной способности с помощью CL-изображений с фиг. 6(b) и фиг. 6(d). Более конкретно, с помощью фиг. 6(b) и фиг. 6(d) можно убедиться, что образец, обладающий высокой адгезионной способностью, содержит большее количество форстерита, чем образец, имеющий слабые свойства адгезии, и что обладающий высокой адгезионной способностью образец имеет меньше участков, продолжающихся в направлении прокатки, где отсутствует слой форстерита, чем образец, имеющий слабые свойства адгезии. То есть, основываясь на CL-изображении, которое отображает распределение содержания форстерита, оказывается возможным оценить, является ли адгезионная способность удовлетворительной. Помимо этого фиг. 7 представляет CL-изображения в двоичном виде. Гистограммы на фиг. 7 иллюстрируют распределения яркости CL-изображений. Бинаризованное CL-изображение на фиг. 7(a) соответствует CL-изображению на фиг. 6(b), а бинаризованное изображение CL фиг. 7(b) соответствует CL-изображению с фиг. 6(d). Перевод в двоичный вид позволяет оценивать различия между образцами с большей ясностью. Производственный контроль может выполняться, основываясь на уровне серого CL-изображения, или по доле площади дефектов, которая определяется с помощью CL-изображения, как описано выше. Здесь предполагается, что в случаях когда количество форстерита велико, так как при этом происходит увеличение количества точек контакта между стальным листом и слоем форстерита, усиливаются и свойства адгезии.
Как иллюстрируется в вышеприведенных примерах (в частности, на фиг. 3-5), эффективным является одновременное рассмотрение вместе с CL-изображениями и вторично-электронных изображений, поскольку это дает возможность получить представление обо всем изображении и форме образца.
2
Далее была выполнена проверка возможности получения количественной оценки содержания форстерита по интенсивности CL-сигнала. С использованием шести образцов с различными количествами форстерита (проверка основывалась на количестве присоединенного кислорода) было получено CL-изображение каждого образца. Данные CL-изображения были получены с помощью того же самого устройства и при тех же условиях, которые применялись при получении фиг. 5. Средняя яркость каждого полученного CL-изображения определялась по шкале с 256 уровнями серого с помощью программного обеспечения для обработки изображений (Photoshop CS6). На фиг. 8 был получен построением графика средней яркости (средней люминесценции) в зависимости от количества присоединенного кислорода (количество кислорода в покрытии), откладываемого по горизонтальной оси. Оказалось, что между обоими факторами существует зависимость, которая может быть аппроксимирована с помощью квадратичной функции. Здесь коэффициент корреляции R равнялся 0,95. Кроме того, из описанных выше результатов были получены следующие сведения.
Во-первых, оказалось возможным определение количества форстерита, образованного на поверхности листа текстурированной электротехнической стали, из характеризующей свет информации, такой как интенсивность сигнала или яркость CL.
Во-вторых, оказалась возможной оценка распределения содержания форстерита, образованного на поверхности листа текстурированной электротехнической стали, по данным о распределении света на CL-изображении. Более конкретно, посредством оснащения светоизмерительного устройства блоком хранения корреляционных данных, в котором запоминается информация о корреляции между количеством форстерита и параметрами света, оказывается возможной оценка распределения содержания форстерита в образце по интенсивности сигнала или яркости, измеряемой светоизмерительным блоком.
В-третьих, хотя в описанных выше исследованиях CL-изображение было получено путем сканирования образца суженным электронным пучком, возможна проверка количества форстерита, образованного на поверхности стального листа, рассмотрением интенсивности светового сигнала, относящегося к свету, испускаемому в результате облучения электронным пучком поверхности стального листа, с помощью более простого устройства, не имеющего системы сканирования.
В-четвертых, хотя описанные выше результаты были получены с помощью метода SEM, понятно, что количество форстерита может проверяться в режиме реального времени организацией вакуумного пути (вакуумного диапазона) для луча в одной части технологической линии по производству листа электротехнической стали и размещением устройства испускания электронного пучка и светоизмерительного устройства на этом вакуумном пути. При этом вакуум в данном вакуумном диапазоне относится к такой же степени вакуумирования, как и степень вакуумирования, которая может быть реализована посредством описанной выше вакуумной камеры.
Точность описанной выше проверки улучшается при детектировании света, имеющего среди всего возбуждаемого электронным пучком света длину волны в некотором определенном диапазоне. Фиг. 9 является диаграммой, иллюстрирующей пример CL-спектра, снятого с поверхности листа текстурированной электротехнической стали при ускоряющем напряжении в 25 кВ. Выяснилось, что в грубом представлении спектр имеет пики на длинах волн 400 нм и 650 нм. Здесь яркость CL (средняя яркость CL-изображения) была определена для каждого из четырех образцов с различными количествами форстерита в случаях когда применялся коротковолновый фильтр, который блокировал пропускание света, имевшего длину волны в 590 нм или менее, в случаях когда применялся длинноволновый фильтр, который главным образом обеспечивал детектирование света с длиной волны от 350 нм до 510 нм, и в случаях когда ограничивающие длину волны фильтры не использовались (результаты, полученные, соответственно, с использованием коротковолнового и длинноволнового ограничивающего длину волны фильтра, проиллюстрированы на фиг. 9, где для этих результатов применяется вертикальная ось с правой стороны). Фиг. 10 является диаграммой, иллюстрирующей зависимости между количеством кислорода в покрывающем слое (количество кислорода в покрытии) и средней яркостью CL в соответствующих случаях (вертикальная ось с правой стороны отвечает случаю применения коротковолнового ограничивающего длину волны фильтра). В случаях когда применялся коротковолновой ограничивающий длину волны фильтр, хотя и имеется снижение в интенсивности CL, несогласующиеся точки, которые обозначены белыми стрелками, были исключены, что позволило получить более четко выраженную зависимость между этими двумя факторами. Как описано выше, количество форстерита может быть определено более точно при использовании ограничивающих длину волн фильтров. То есть при использовании в качестве целевого для выполнения оценки света, имеющего длину волны в 560 нм или более, с исключением пика в области длин волн в 400 нм, обеспечивается повышение точности проверки.
Примеры
Пример 1
Посредством сканирования и облучения трех областей наблюдения 2,6 мм × 1,7 мм электронным пучком с ускоряющим напряжением 30 кВ каждого из листов текстурированной электротехнической стали, приведенных в таблице 1 (образцы, имеющие слой форстерита и напряженный покрывающий слой на основе фосфата в указанном порядке на поверхности листа текстурированной электротехнической стали), в одинаковых условиях были получены CL-изображения с применением светодетектора, включавшего световод и РМТ. Средняя яркость полученных изображений была проанализирована по шкале с 256 уровнями серого с использованием существующего программного обеспечения для анализа изображений (Photoshop CS6) (яркость каждой области наблюдения дается в таблице 1). Перечь оцениваемых параметров состоял из средних количественных показателей, показателей распределения содержания, возможности осуществления исследования образца неразрушающим способом (в таблице «неразрушаемость») и времени, необходимого для выполнения оценки. Средние показатели по количеству и распределению содержания проверялись следующим способом. Результаты представлены в таблице 2 с меткой 5 (способ наблюдения 5).
2
Средние количественные показатели проверялись на основе того, действительно ли результаты измерений коррелировали с полученными способом, при котором напряженный покрывающий слой счищался для проведения анализа на кислород (в качестве критерия наличия такой корреляции рассматривался случай, когда коэффициент корреляции R равнялся 0,7 или более). Кроме того, было проверено, действительно ли возможно получить усредненную информацию по области 10 мм × 10 мм или более. Оценочные критерии были следующие.
"О": случай, когда была получена усредненная информация для области 10 мм × 10 мм или более и были получены результаты, демонстрирующие корреляцию.
"х": случай, когда усредненная информация для области 10 мм × 10 мм или более получена не была, когда не были получены результаты, демонстрирующие корреляцию, или не было получено удовлетворительных результатов по любому из этих критериев.
Показатели количественного распределения оценивались на основе того, действительно ли было возможно наблюдать распределение форстерита с пространственным разрешением в 10 мкм или менее и действительно ли было возможно определять количество форстерита с этим разрешением. Оценочные критерии были следующие.
"О": случай, когда было возможно наблюдать распределение форстерита с пространственным разрешением 10 мкм или менее и когда было возможно оценивать количество форстерита с этим разрешением.
"Δ": случай, когда было возможно наблюдать распределение форстерита с пространственным разрешением 10 мкм или менее и когда нельзя было определить количество форстерита с этим разрешением.
"х": случай, когда было невозможно наблюдать распределение форстерита с пространственным разрешением в 10 мкм или менее.
Так как среднеквадратичное отклонение областей наблюдения 1-3 было достаточно малым по сравнению со средней яркостью («достаточно малое» относится к случаю, когда (среднеквадратичное отклонение/средняя яркость) × 100% равно 9% или менее), было установлено, что средняя яркость этих трех областей была определена с хорошей воспроизводимостью. Посредством получения стандартной кривой корреляции, показанной на фиг. 8, и применения этой стандартной кривой оказалось возможно определить количество форстерита неизвестного образца неразрушающем способом. кроме того, посредством преобразования с помощью стандартной кривой распределения яркости CL-изображения в распределение содержания форстерита оказалось возможным представить двумерное распределение содержания форстерита. Здесь, хотя в настоящем воплощении было получено CL-изображение, само собой разумеется, что то же самое может быть сделано отслеживанием интенсивности света при излучении широкого электронного пучка без получения изображения.
Помимо рассмотрения CL-изображения согласно настоящему изобретению, подобные определения были выполнены с использованием приведенных ниже способов наблюдения 1-4. Результаты этих определений представлены в таблице 2. Вариант, при котором в ходе оценки применялась опасная жидкость, был отмечен соответствующим описанием в колонке «Другое».
Способ наблюдения 1 (отслоение покрывающего слоя и анализ кислорода) - удалением с описанного выше образца напряженного покрывающего слоя погружением образца в щелочную жидкость и определением концентрации кислорода методом оценки поглощения в инфракрасной области спектра после сжигания по данным о концентрации кислорода было рассчитано количество форстерита.
Приведенная выше оценка была выполнена на основе количества форстерита и способа наблюдения.
Способ наблюдения 2 (отслоение покрывающего слоя и рассмотрение с помощью SEM) - удалением напряженного покрывающего слоя с описанного выше образца с применением того же самого, описанного выше способа и рассмотрением с помощью SEM поверхности образца после удаления напряженного покрывающего слоя. Приведенная выше оценка была выполнена на основе результатов наблюдения, полученных с помощью SEM, и способа наблюдения.
Способ наблюдения 3 (удаление стального листа и рассмотрение с помощью SEM) - путем удаления листов текстурированной электротехнической стали из описанного выше образца и рассмотрения с помощью SEM поверхности образца после удаления листа текстурированной электротехнической стали. Приведенная выше оценка была выполнена на основе результатов наблюдения, полученных с помощью SEM, и способа наблюдения. Способ наблюдения 4 (рассмотрение с помощью SEM поперечного среза) - с помощью SEM рассматривался поперечный срез, приготовленный разрезанием описанного выше, имеющего форму пластины образца в направлении под прямом углом к поверхности. Приведенная выше оценка была выполнена на основе результатов наблюдения, полученных с помощью SEM, и способа наблюдения.
Как видно из таблицы 2, хотя настоящее изобретение представляет собой простой способ, который может осуществляться в короткие сроки, с помощью настоящего изобретения он позволяет проверить наличие форстерита, определить места локализации имеющегося форстерита, количество форстерита и распределение содержания форстерита.
Пример 2
С использованием двух образцов, имевших различные свойства адгезии, при том, что эти образцы были подобны применявшимся в примере 1, с помощью описанного выше способа были получены результаты, иллюстрируемые на фиг. 6 и фиг. 7. Как описано выше, при рассмотрении CL-изображения оказалось возможным оценить не только различия в количестве форстерита, но также и распределение содержания форстерита. Кроме того, по количеству форстерита и относительной доле площади участков, где слой форстерита отсутствовал, можно было оценить адгезионную способность, представляющую собой важное свойство покрытия.
Пример 3
Для исследования показателей образования форстеритного слоя в зависимости от температуры нагревания в процессе получения форстерита, было выполнено рассмотрение CL-изображения на стальном листе, который не обрабатывался (до нанесения MgO, который является сырьевым материалом), и стального листа, на котором был нанесен MgO и который затем нагревался в лаборатории при температуре от 850°C до 1050°C. С помощью SEM SUPRA55 VP и ускоряющего напряжения 30 кВ под фиксированными условиями наблюдения были получены увеличенные в 50 раз CL-изображения (на основе формата пленки Polaroid (зарегистрированная торговая марка). В этом случае ограничивающие длину волны фильтры не применялись. Определялась средняя яркость по всему CL-изображению. Фиг. 11 является диаграммой, иллюстрирующей изменение средней яркости CL-изображений в зависимости от температуры нагревания. По этим результатам было установлено, что при температуре менее 850°C слой форстерита едва образовывался, что образование форстерита начиналось при температуре между 850°C и 950°C, что количество образовавшегося форстерита возрастало с увеличением температуры нагревания в диапазоне 950°C или выше. С другой стороны, в случаях когда оценка выполнялась на такой группе образцов с использованием стандартных способов, так как наряду с форстеритом на поверхности стального листа присутствуют и отличные от форстерита оксиды, проверка количества образовавшегося форстерита с помощью обычного способа, например, анализом количества кислорода, оказывается затруднена.
Перечень ссылочных позиций
1
Устройство для оценки форстерита.
10
Предметный столик.
11
Устройство испускания электронного пучка.
12
Светоизмерительное устройство.
120
Светоизмерительный блок.
121
Блок количественного анализа.
122
Блок хранения корреляционных данных.
13
Вакуумная камера.
14
Ограничивающий длину волны фильтр.
1
Образец.