각종 금속 재료는 열처리 등에 의해 그 금속 조직과 기계적 성질이 변화합니다. 재료를 올바르게 평가하려면 공업 규격에 맞는 확실한 결정 입도 해석이 필요합니다.
기존의 결정 입도 해석에서 나타나는 육안 비교의 과제를 해결하고 공업 규격에 의거한 입도 번호를 자동으로 산출하는 4K 디지털 마이크로스코프의 활용 사례를 소개합니다.

금속 조직의 결정·입도 해석에서의 공업 규격과 정량 평가

금속 재료의 기계적 성질과 결정 입도

자동차를 비롯하여 인프라 설비부터 건축물, 전기·전자 디바이스까지 각종 분야·제품에 많이 이용되는 금속 재료. 그 종류는 매우 다양하여 용도·목적에 따라 적절한 것을 선택할 필요가 있습니다. 한 예로, 자동차의 본체와 엔진 부품은 사용하는 금속 재료에 요구되는 기계적 성질이 크게 다릅니다. 또한, 철이나 알루미늄 등의 순금속 및 합금 등 금속 재료의 종류와 더불어 열처리 등에 의해 변화하는 금속 조직과 기계적 성질의 파악도 중요합니다.

금속 조직은 여러 「결정립」으로 구성된 결정 구조의 「다결정체」입니다. 결정립과 결정립 사이에는 원자 배열이 흐트러진 영역이 있고 그 경계가 「결정 입계」입니다.
같은 금속·합금일지라도 결정립은 열처리 등에 의해 그 원자의 성장에 맞춰 특정 패턴으로 나열되어 처리 전과 다른 결정 입계를 형성합니다. 결정립의 입도(결정 입도) 변화에 따라 기계적 성질도 변화합니다. 따라서 열처리 등으로 변화시킨 재료의 결정 입도는 기계적 성질의 평가에서 중요한 요소입니다.

결정 입도의 해석에 의한 금속 조직 평가 방법

금속 조직의 결정 입도 해석에서 금속 재료가 원하는 기계적 성질을 가지고 있는지 검사하여 평가할 수 있습니다. 일반적으로 금속 조직의 샘플을 준비하고 금속 현미경을 사용하여 결정 입도와 결정립의 분포를 조사하는 「입도 해석」이 실시됩니다.

결정 입도 해석에는 다양한 규격이 있습니다. 한 예로, 미국에서는 ASTM E112-13「Standard Test Methods for Determining Average Grain Size」라는 규격에 따라 실시합니다.
대부분의 경우 결정립 해석에서는 「비교법」에 의한 육안 검사가 실시됩니다. 일반적으로 다음 방법을 통해 결정 입도를 추정 또는 특정합니다.

표준도를 사용한 육안 비교
현미경으로 확대한 샘플의 금속 조직과 「표준도」를 육안으로 비교하여 결정 입도의 입도 번호를 추정합니다.
강의 오스테나이트 결정 입도 표준도 (100×)
입도 번호1
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입도 번호2
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입도 번호3
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입도 번호4
입도 번호4
입도 번호5
입도 번호5
입도 번호6
입도 번호6
입도 번호7
입도 번호7
입도 번호8
입도 번호8
레티클을 사용한 육안 비교
입도 패턴 화상이 삽입된 「접안 렌즈용 레티클」을 금속 현미경에 이용하여 확대한 샘플과 표준도를 동시에 시야에 두고 육안으로 비교합니다.
육안 비교에 사용되는 금속 현미경의 접안 렌즈용 레티클
육안 비교에 사용되는 금속 현미경의 접안 렌즈용 레티클
「입도」·「입경」이란
결정립의 크기를 표현할 때 「입도」 외에 「입경」으로 표현되는 경우가 있습니다. 일반적으로 「입도」는 공업 규격에 의거한 표준도의 「입도 번호」로 표현됩니다. 한편, 「입경」은 결정립의 직경으로 표현됩니다.
또한, 결정립의 입도가 클수록(입경이 작을수록) 기계적 성질이 뛰어난 금속 재료인 경우가 많다고 합니다.

결정 입도 해석에 관한 과제

기존의 금속 현미경을 사용한 비교법으로 입도를 해석하는 경우, 아래와 같은 과제가 있었습니다.

  • 표준도 및 레티클을 사용한 입도 해석은 육안으로 비교하기 때문에 검사에 숙련도가 필요했습니다. 또한, 보는 사람에 따라 해석 결과의 편차가 발생하여 정량적으로 평가하지 못했습니다.
  • 금속 현미경에 카메라를 설치한 경우, 금속 조직의 화상만 저장됩니다. 그래서 접안용 레티클상을 동시 촬영한 비교 화상을 취득하지 못하거나, 금속 조직의 어느 교점에서 비교·해석했는지 기록되지 않는다는 문제가 있었습니다.
  • 해석 결과를 종이에 기입하거나 PC로 입력하는 공정 수와 시간이 필요하며 입력 실수로 오류 평가가 발생할 리스크도 있었습니다.

결정 입도 측정에 의한 입도 해석의 정량화·효율화

KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 기존의 금속 현미경을 사용한 입도 해석의 과제들을 해결하고, 검사하는 사람의 숙련도와 상관없이 간단한 조작을 통해 결정 입도의 정확한 해석·측정, 정량 평가를 실현합니다.

「VHX 시리즈」는 고분해능 HR 렌즈와 4K CMOS, 독자적인 설계의 관찰·측정 시스템을 채택했습니다. 고해상도 4K 화상에 의한 고해상도의 확대 화상은 물론, 고정도의 2D·3D 측정, 그리고 공업 규격에 의거한 입도 번호를 자동 산출하는 「결정 입도 측정」 등 금속 조직의 입도 해석에 요구되는 기능을 응축한 최첨단 디지털 마이크로스코프입니다.
또한, 현장의 의견을 꾸준히 반영하여 직감적으로 조작할 수 있는 사용자 인터페이스와 사용자의 숙련도와 관계없는 간단한 오퍼레이션을 동시에 실현했습니다.

여기에서는 결정 입도의 해석·측정·정량 평가에 관한 「VHX 시리즈」의 활용 사례를 소개합니다.

결정 입도 측정 기능을 이용한 공업 규격에 의거하는 정량 평가

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도의 확대 화상을 통해 「ASTM E1382」 등의 공업 규격에 의거한 「입도 번호」를 자동으로 산출할 수 있습니다. 또한, 「교점 수」와 「보충 결정립 수」로 금속 재료에 맞는 측정 방법을 선택할 수 있습니다.

육안 비교에서는 결정립의 크기가 어느 입도 번호에 해당하는지 애매한 경우, 사용자에 따라 평가에 편차가 발생하는 경우가 있었습니다.
그러나 「VHX 시리즈」는 정확한 측정을 통해 정량적으로 입도 번호를 도출할 수 있습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 금속 조직 결정 입도의 자동 측정
800×
800×

금속 조직 샘플의 연마 상태에 쉽게 영향을 받지 않음

수지를 채운 샘플의 연마면이 처져 있는 등 관찰면이 평평하지 않은 경우, 기존의 현미경은 피사계 심도의 한계로 일부에만 초점이 맞았습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 「라이브 심도 합성」을 통해 표면에 경사나 요철이 있는 수지를 채운 샘플도 샘플 관찰면 전체에 풀 포커스를 맞춘 고해상도 화상을 신속하게 취득할 수 있습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 금속 조직의 결정 입도 측정
일반
일반
심도 합성
심도 합성
심도 합성에 의한 금속 조직 샘플 관찰
심도 합성에 의한 금속 조직 샘플 관찰

광시야·고해상도 화상을 쉽게 취득 가능

기존에는 고배율·고해상도로 촬영할 수는 있어도 시야가 좁았기 때문에 그것이 샘플의 어느 부분인지 알기 어려워 작업 효율 저하의 원인이 되었습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」의 「화상 연결 기능」은 버튼을 누르기만 하면 스테이지를 자동으로 제어하면서 연속 촬영합니다. 고속으로 화상이 어긋나지 않게 시야를 연결하여 최대 50000×50000픽셀로 화상을 연결할 수 있습니다. 배율·해상도는 그대로 유지하면서 이것을 조감도로 이용하는 효율적인 관찰이 실현됩니다.

기존의 과제: 고해상도지만 시야가 좁다
기존의 과제: 고해상도지만 시야가 좁다
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 화상 연결에 의한 광시야 화상
화상 연결 기능으로 스테이지를 자동 제어하여 고배율·고해상도를 유지하며 광범위 촬영이 가능
화상 연결 기능으로 스테이지를 자동 제어하여 고배율·고해상도를 유지하며 광범위 촬영이 가능

금속 조직의 관찰부터 입도 해석까지 1대로 완결

초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 여기에서 소개한 내용 외에도 금속 재료의 관찰·해석·검사에 도움을 주는 여러 기능이 탑재되어 있습니다.
금속 표면 특유의 빛 반사로부터 영향을 받지 않는 「헐레이션 제거」 기능이나 확대 화상을 선택만 하면 서브미크론 단위의 고정도 측정을 실행할 수 있는 2D·3D 측정 등, 기존 마이크로스코프의 개념을 뛰어넘는 다기능성과 간단한 조작을 모두 갖추었습니다.
또한, 「VHX 시리즈」에 Excel을 설치할 수 있고 임의의 템플릿에 확대 화상이나 측정값 등을 자동으로 입력하는 「리포트 기능」이 탑재되었습니다. 일련의 작업이 마이크로스코프 1대로 신속하고 간단하게 완결되어 작업 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있습니다.

「VHX 시리즈」에 관한 자세한 내용을 알아보시려면 아래의 버튼을 클릭하여 카탈로그를 다운로드하시거나 부담 없이 상담·문의해 주시기 바랍니다.