Co jsou to nekovové vměstky?
Nekovové vměstky jsou sloučeniny a materiály, které se během výrobního procesu zachytí v oceli. Vměstky mají různý chemický původ a způsobují, že ocel získá jiné mechanické vlastnosti, např. tvárnost, tvrdost, obrobitelnost a odolnost vůči korozi. Obecně platí, že čím je méně vměstků nebo čím slabší vměstky jsou, tím vyšší je kvalita oceli. Proto je pro kontrolu kvality důležitá analýza a dokumentování nekovových vměstků.
Mezinárodní normy pro analýzu nekovových vměstků v oceli
Mezi běžně používané normy pro analýzu nekovových vměstků v oceli patří normy ISO 4967 (celosvětová), DIN 50602 (Německo), SEP 1571 (Německo), EN 10247 (Evropa), JIS G 0555 (Japonsko), GB/T 10561 (Čína) a UNI 3244 (Itálie). V Severní a Jižní Americe se pro analýzu nekovových vměstků v oceli dominantně používá norma ASTM E45. Laboratoře řízení kvality k analýze vměstků stále používají metodu referenčního porovnání dle normy ASTM. Tato metoda spočívá v tom, že operátoři provádí vizuální odhad typu a závažnosti vměstků porovnáním živého obrazu získaného optickým mikroskopem s referenčními etalony, často zobrazenými na plakátu zavěšeném na zdi v blízkosti mikroskopu.
Před příchodem digitálního zobrazování bylo kritérium pro zvětšení specifikované normou ASTM E45 takové, že byla klasifikace vměstků prováděna složeným mikroskopem při celkovém 100násobném zvětšení (objektiv se zvětšením 10× a okuláry se zvětšením 10×). Tato norma však byla aktualizována tak, aby se přizpůsobila stále se rozmáhajícímu trendu analýzy digitálního obrazu. Nyní stanovuje, že je při použití objektivu se zvětšením 10× nutné použít rozlišení 1,0 μm/pixel nebo lepší. V současnosti je analýza digitálního obrazu upřednostňovanou metodou, a to z důvodu její mnohem větší přesnosti a opakovatelnosti, což pomáhá snížit rizika plynoucí ze subjektivního hodnocení prováděného na základě pozorování lidským okem. Navíc je do pracovního postupu zcela plynule integrováno dokumentování výsledků analýzy.
Metody kontroly pro analýzu nekovových vměstků ve vzorcích oceli
Po náležité přípravě vzorku lze nekovové vměstky pozorovat přímo na povrchu daného vzorku oceli, a to pomocí složeného mikroskopu (při použití vzpřímeného nebo invertovaného modelu), který umožňuje pozorování v odraženém světle, technikou světlého pole. Vměstky se snadno pozorují a analyzují, protože mají vysoký kontrast – na světlém, vysoce odrazném pozadí oceli se vměstky jeví tmavé. Morfologické parametry se u různých typů vměstků liší (tj. oxidické a křemíkové), stejně jako jejich hodnoty na stupnici šedi (tj. korund a sulfid).
Díky soustavnému vývoji moderních softwarů pro obrazovou analýzu může práci s plně integrovaným digitálním řešením pro klasifikaci nekovových vměstků v oceli, speciálně uzpůsobeným pro požadavky laboratorního prostředí, každý uživatel zahájit okamžitě. Software pro materiálové vědy určený pro metalurgické mikroskopy, navržený se zohledněním normy ASTM E45 (i dalších mezinárodních norem), umožňuje uživatelům všech úrovní zkušeností klasifikovat vměstky v oceli přesně a opakovatelně při minimálním zaškolení.
Doporučené vybavení pro analýzu nekovových vměstků v oceli
Typická konfigurace vybavení pro analyzování nekovových vměstků v oceli analýzou digitálního obrazu sestává z těchto komponent:
1. Invertovaný metalurgický mikroskop
Zpravidla se dává přednost invertovanému mikroskopu před vzpřímeným modelem, protože rovný leštěný vzorek leží přímo na mechanickém stolku. To pomáhá zajistit konzistentní zaostření při manévrování se skenovacím stolkem.
2. Speciální software pro obrazovou analýzu pro metalurgii
Nekovové vměstky se vyznačují vlastní vysokou úrovní kontrastu i jedinečnými morfologickými parametry, díky čemuž je lze softwarem pro obrazovou analýzu detekovat přesně, opakovatelně a jednoduše. Software pro obrazovou analýzu pro materiálové vědy často nabízí volitelné nástavbové moduly, které uživatelům umožňují získat výsledky ve shodě s normou ASTM E45 i dalších mezinárodních norem.
 |  |  |
Typická konfigurace vybavení: invertovaný metalurgický mikroskop, objektiv s 10násobným zvětšením a digitální mikroskopová kamera s vysokým rozlišením
3. Objektiv pro metalurgii s 10násobným zvětšením
Toto je požadované zvětšení objektivu pro klasifikaci nekovových vměstků.
4. CCD nebo CMOS digitální mikroskopová kamera
Nejdůležitějším parametrem pro výběr kamery pro klasifikaci vměstků je velikost pixelu. Podle normy ASTM E45 je požadována kalibrovaná velikost digitálního pixelu
1,0 μm/pixel nebo lepší. Například při použití objektivu s 10násobným zvětšením a adaptéru pro kameru se zvětšením 0,63× je požadována digitální kamera s nekalibrovanou, skutečnou velikostí pixelu 6,3 μm nebo jemnější.
Kalibrované digitální rozlišení = (skutečná velikost pixelu) ÷ (zvětšení objektivu) ÷ (zvětšení adaptéru pro kameru)
Kalibrované digitální rozlišení = (6,3 μm) ÷ (10) ÷ (0,63)
Kalibrované digitální rozlišení = 1 μm na jeden pixel
Je doporučeno použít kódovanou ruční nebo motorizovanou otočnou hlavici objektivů. Zvolený software pro analýzu obrazu by měl být vždy schopen automaticky načítat zvětšení objektivu. Tím je zajištěna maximální úroveň přesnosti měření, protože automatické rozpoznání objektivu pomáhá vyloučit riziko zadání nesprávného zvětšení objektivu do softwaru.
Pro manipulaci se vzorkem a umístění oblasti zájmu pro pozorování a analýzu je nutný ruční nebo motorizovaný XY stolek. Nicméně protože norma ASTM E45 stanovuje, že k analýze musí být provedeno skenování oblasti o ploše nejméně 160 mm2, je doporučeno používat motorizovaný stolek, který můžete naprogramovat tak, aby byla naskenována plocha, kterou požaduje daná norma.
Vybraný počítač musí splňovat minimální systémové požadavky kamery a softwaru pro obrazovou analýzu. Je nutný také monitor s vysokým rozlišením.
Postup analýzy nekovových vměstků v oceli
1. Vyberte objektiv s 10násobným zvětšením. Za podmínek pozorování v odraženém světle a při použití metody světlého pole posouvejte vzorkem na stolku XY tak, abyste zobrazili oblast zájmu obsahující vměstky, jejichž analýzu potřebujete provést. Alternativně, pokud používáte motorizovaný stolek, software můžete naprogramovat tak, aby bylo provedeno skenování požadované oblasti zájmu o ploše splňující požadavek normy (v případě normy ASTM E45 nejméně 160 mm2).
2. Softwarem pro obrazovou analýzu pořiďte digitální snímek pozorovaného obrazu.
3. V softwaru na klasifikaci vměstků nastavte prahové hodnoty na stupnici šedi tak, aby byly definovány všechny vměstky a bylo zajištěno rozlišení mezi oxidy a sulfidy. Tak bude software pro obrazovou analýzu schopen tyto dva typy od sebe odlišit.
4. Software zanalyzuje obraz a klasifikuje vměstky v souladu se zvolenou normou.
 |  |
5. Na základě uživatelem předem definované šablony je automaticky vygenerován protokol obsahující výsledky analýzy, podporující snímky vměstků a relevantní data.
Další způsoby, jak zefektivnit analýzu nekovových vměstků
Vzhledem k vysokému kontrastu mezi nekovovými vměstky a jejich kovových pozadím, danému vlastní podstatou vměstků, lze pomocí moderního softwaru pro obrazovou analýzu pro oblast materiálových věd vměstky zařadit přesně a opakovatelně. Mnohé softwarové balíčky jsou navrženy tak, aby vyhovovaly normě ASTM E45 a celé řadě dalších mezinárodních norem a aby jejich použití bylo možné zavést s jen minimálním úsilím. Mnoho softwarových programů jde nad rámec samotné analýzy nekovových vměstků a nabízí příhodnou konektivitu, možnosti tvorby protokolů a správy dat, což vede k úsporám času. Software s automatickou tvorbou protokolů, archivací a sdílením dat, rychlým vyhledáváním snímků a souvisejících dat zajistí vyšší efektivitu vašeho týmu. Při zvažování řešení pro klasifikaci nekovových vměstků je nesmírně důležité spolupracovat přímo se zkušeným výrobcem mikroskopů, jelikož vám může pomoci v každém kroku tohoto procesu, od výběru zařízení až po jeho nasazení.
Použité zdroje
Carmo Pelliciari, Dr. Eng., Konzultant pro metalurgii
Norma Americké společnosti pro zkoušení a materiály (American Society for Testing and Materials, ASTM) E45-11
ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, PA, 19428-2959 USA
