Ocena wtrąceń niemetalicznych jest jednym z ważnych elementów kontroli jakości stali. Wielkość, kształt, liczba oraz rozmieszczenie wtrąceń mogą mieć wpływ między innymi na właściwości mechaniczne, zmęczeniowe, technologiczne i eksploatacyjne materiału.

W nowoczesnych laboratoriach coraz częściej stosuje się automatyczne systemy analizy obrazu. Pozwalają one skanować większe powierzchnie próbek, klasyfikować wtrącenia i ograniczać wpływ subiektywnej oceny operatora.

Automatyzacja nie zmniejsza jednak znaczenia jakości preparatyki. Wręcz przeciwnie — im większą część oceny powierzamy oprogramowaniu, tym ważniejsze staje się uzyskanie powierzchni, na której poszczególne rodzaje wtrąceń są prawidłowo zachowane i odpowiednio widoczne.

Co rozpoznaje system analizy obrazu?

System automatycznej analizy nie identyfikuje wtrącenia na podstawie intuicji ani doświadczenia, ale działa na podstawie przygotowanego algorytmu analizując między innymi:

• długość i szerokość obiektu,
• jego kształt i stopień wydłużenia,
• rozmieszczenie wtrąceń,
• poziom szarości,
• kontrast względem osnowy,
• przyjęte progi klasyfikacji.

Oznacza to, że jakość obrazu uzyskanego po preparatyce bezpośrednio wpływa na końcowy wynik.

Jeżeli preparatyka zmieni kontrast wtrącenia, spowoduje jego wykruszenie, rozmazanie albo pokrycie powierzchni osadem, system będzie klasyfikował właśnie taki obraz. Nie będzie wiedział, jak wtrącenie powinno wyglądać.

Dlaczego rozróżnienie siarczków i krzemianów może być problemem?

W optycznej klasyfikacji wtrąceń niemetalicznych obiekty typu A i typu C mogą mieć podobny, wydłużony kształt. Jednym z elementów pomagających je odróżnić jest ich wygląd w jasnym polu:

• wtrącenia typu A, oznaczane zazwyczaj jako siarczki, powinny być jasnoszare,
• wtrącenia typu C, klasyfikowane zwykle jako krzemianowe, są znacznie ciemniejsze.

Jeżeli na skutek zastosowanej metody wydłużone wtrącenia siarczkowe stają się bardzo ciemne lub czarne, parametr rozróżniający oba typu zostaje zatracony, co może utrudnić klasyfikację:

• automatycznemu systemowi analizy obrazu,
• mniej doświadczonemu operatorowi,
• osobie pracującej według uproszczonej instrukcji,
• laboratorium stosującemu stałe progi detekcji dla wielu gatunków stali.

Warto przy tym pamiętać, że klasyfikacja optyczna nie jest bezpośrednią analizą chemiczną. W przypadku obiektów nietypowych lub niejednoznacznych potwierdzenie składu może wymagać zastosowania dodatkowych metod, na przykład SEM-EDS.

Porównanie dwóch metod preparatyki

W ramach prac aplikacyjnych porównaliśmy dwie metody przygotowania stali jakościowej zawierającej wtrącenia siarczkowe oraz tlenkowe. Interesowało nas przede wszystkim:

• czy wtrącenia pozostaną dobrze zachowane,
• czy ich kontrast będzie odpowiedni,
• czy powierzchnię da się łatwo oczyścić,
• czy metodę można przenieść do procesu półautomatycznego lub automatycznego.

Dotychczasowa metoda    

Pierwsza metoda, stosowana dotychczas u klienta, jest oparta na materiałach jednego z popularnych i dobrze znanych producentów. Na dwóch pierwszych zdjęciach wydłużone wtrącenia siarczkowe są widoczne jako bardzo ciemne lub niemal czarne. Taki obraz może powodować kilka problemów:

• ogranicza różnicę pomiędzy siarczkami a innymi ciemnymi wtrąceniami,
• może utrudniać rozróżnienie obiektów typu A i C,
• zwiększa zależność wyniku od doświadczenia operatora,
• może wymagać dodatkowej korekty progów automatycznej detekcji,
• utrudnia zastosowanie jednej stabilnej procedury analitycznej.

Aby uzyskać akceptowalne wyniki, przy zastosowaniu materiałów standardowych wymagane było prowadzenie odpowiedniego i dosyć uciążliwego procesu ręcznego mycia próbek, zwłaszcza po etapie polerowania. Problem ten praktycznie uniemożliwiał oczekiwaną adaptację preparatyki do systemu w pełni automatycznego. Jedynym rozwiązaniem było wprowadzenie bezwodnej zawiesiny diamentowej i bezwodnego lubrykantu.

Metoda oparta na materiałach Akasel

Na kolejnych zdjęciach pokazano powierzchnię przygotowaną z wykorzystaniem materiałów Akasel – zawiesin diamentowych z rodziny DiaUltra oraz tarcz Piatto, Allegran3, Silk i Napal.

W obrazie w jasnym polu widoczna jest wyraźniejsza różnica pomiędzy poszczególnymi rodzajami wtrąceń:

• wydłużone wtrącenia siarczkowe mają czytelny, jasnoszary odcień,
• wtrącenia tlenkowe pozostają wyraźnie ciemniejsze,
• granice wtrąceń są dobrze zachowane.

Bardzo istotną różnicą okazało się również czyszczenie próbek. Pozostałości po procesie można było usunąć znacznie łatwiej, niż zakładaliśmy przed rozpoczęciem testu. Ma to duże znaczenie praktyczne.

Co bardzo ważne – użyte zawiesiny są standardowym produktem, nie ma konieczności pracy z materiałami bezwodnymi/alkoholowymi.

Wykorzystanie zawiesin DiaUltra, które nie sprawiały żadnych problemów zarówno z otrzymanym obrazem jak i myciem, pozwala na łatwą adaptację procesu zarówno w procesie półautomatycznym jak i w pełni automatycznym, gdzie nie ma możliwości prostego wprowadzenia etapu czyszczenia manualnego.

Dodatkowym zyskiem jest zmniejszenie uzależnienia wyniku od doświadczenia operatora i czas potrzebny na przeszkolenie nowej osoby w przygotowaniu danego materiału. Oba te czynniki zmniejszają ryzyko blokady pracy laboratorium przy nieobecności jednego doświadczonego pracownika.

Preparatyka jest częścią systemu pomiarowego

Przygotowanie próbki bywa traktowane jako etap nie do końca związany z właściwą analizą. Tego typu podejście aktualnie zaczyna się pogłębiać przez coraz większe, niezweryfikowane, zaufanie we wszelkiego rodzaju systemu „AI”.

W rzeczywistości preparatyka jest częścią całego systemu pomiarowego, gdyż na podstawie wyników z preparatyki, czy to operator czy mniej lub bardziej zaawansowany algorytm, będą dokonywali oceny. Żaden z nich nie jest w stanie skompensować błędów powstałych podczas przygotowania.

Dlatego na końcowy wynik analizy i oceny „produkt dobry/zły” wpływają nie tylko mikroskop, kamera i oprogramowanie, ale również:

• sposób pobrania i wycięcia próbki,
• dobór dysków szlifierskich
• dobór sukien polerskich,
• skład zawiesiny i lubrykantu,
• siła, czas oraz kierunek pracy,
• sposób mycia i suszenia.

Jeżeli jeden z tych etapów zmienia obraz wtrącenia, wpływa również na wynik jego klasyfikacji.

W przeprowadzonym przez nas porównaniu metoda oparta na materiałach Akasel zapewniła bardziej czytelny obraz wtrąceń oraz usunięcie wielu problemów z procesu preparatyki. Dzięki temu lepiej odpowiada wymaganiom pracy półautomatycznej i potencjalnej dalszej automatyzacji procesu.

Podsumowanie

Automatyczny system analizy obrazu może bardzo szybko przeanalizować dużą powierzchnię próbki. Nie potrafi jednak skorygować błędów powstałych podczas jej przygotowania.

Jeżeli preparatyka:

• zmieni kontrast wtrącenia,
• pogorszy jego granice,
• pozostawi osad,
• spowoduje wykruszenie albo rozmazanie,

system przeanalizuje właśnie taki obraz i na podstawie takiego obrazu przedstawi wynik „Dobry/Zły” potencjalnie powodując spore straty finansowe lub wizerunkowe.

W przedstawionym przypadku zastosowanie metody opartej na materiałach Akasel pozwoliło uzyskać wyraźniejsze rozróżnienie wtrąceń siarczkowych i tlenkowych oraz znacząco uprościło sam proces preparatyki.

To szczególnie ważne w laboratoriach stali jakościowych, które chcą zwiększać stopień automatyzacji i ograniczać zależność wyniku od doświadczenia pojedynczego operatora.

Automatyzacja laboratorium nie zaczyna się przy komputerze. Zaczyna się na prawidłowo przygotowanej powierzchni próbki.

Zdjęcia 1–2

Powierzchnia stali jakościowej przygotowana z wykorzystaniem dotychczasowej metody, opartej na materiałach jednego z popularnych producentów. Wydłużone wtrącenia siarczkowe są bardzo ciemne, co może utrudniać ich odróżnienie od innych ciemnych wtrąceń. Jasne pole, powiększenie 50×.

Zdjęcie 3

Powierzchnia przygotowana z wykorzystaniem materiałów Akasel. Widoczna jest wyraźniejsza różnica kontrastu pomiędzy wydłużonymi wtrąceniami siarczkowymi a ciemniejszymi wtrąceniami tlenkowymi. Jasne pole, powiększenie 20×.

Zdjęcie 4

Wydłużone wtrącenia siarczkowe zachowują szary odcień oraz czytelne granice, co ułatwia klasyfikację ręczną i automatyczną. Jasne pole, powiększenie 50×.