Tác giả: S. Fujiyasu và M. Tsuchiya, Phòng giải pháp CT – Hitachi High-Tech Corporation
Tổng quan và Thách thức phân tích
Thép tấm được sử dụng rộng rãi từ các sản phẩm hàng ngày cho đến các công trình cơ sở hạ tầng đại chúng. Trong quá trình sản xuất, các tạp chất không mong muốn có thể bị lẫn vào trong vật liệu, thường được gọi là các hạt tạp chất. Những tạp chất này có thể ảnh hưởng xấu đến các tính chất cơ học cốt lõi, chẳng hạn như độ bền kéo và khả năng gia công cắt gọt của thép. Để nâng cao hiệu suất và chất lượng vật liệu, các nhà sản xuất luôn tìm cách hiểu rõ hình thái cấu trúc cũng như thành phần của tạp chất.
Thông thường, công việc này được thực hiện thông qua phân tích thủ công sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Tuy nhiên, phương pháp thủ công tốn rất nhiều thời gian và phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành. Trong nghiên cứu này, giải pháp sử dụng thiết bị kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM SU8700 kết hợp với phần mềm EM Flow Creator tích hợp chức năng xử lý hình ảnh tiên tiến đã được áp dụng nhằm tự động hóa hoàn toàn quy trình phát hiện và phân tích tạp chất, từ đó giảm thiểu tối đa nhu cầu vận hành thủ công.
Sơ đồ quy trình chụp ảnh tự động (Hình 1)
Quy trình tự động hóa chuỗi thao tác thu nhận dữ liệu được thiết lập một cách có hệ thống thông qua các bước cốt lõi sau:
- Tạo thư mục lưu dữ liệu: Thiết lập không gian lưu trữ đồng bộ cho toàn bộ dữ liệu ảnh và kết quả đo.
- Chụp hình ảnh ở độ phóng đại thấp: Thu nhận ảnh trường nhìn rộng để bao quát bề mặt mẫu.
- Xử lý hình ảnh: Áp dụng các thuật toán xử lý kỹ thuật số trực tiếp như giảm nhiễu và nhị phân hóa.
- Phát hiện tạp chất: Xác định vị trí các hạt tạp chất dựa trên kết quả ảnh đã qua xử lý.
- Di chuyển bàn mẫu đến vị trí tạp chất: Điều khiển cơ học bàn mẫu chính xác đến tọa độ hạt được phát hiện.
- Chụp hình ảnh ở độ phóng đại cao: Ghi lại cấu trúc chi tiết của hạt tạp chất (quá trình này tự động lặp lại cho đến khi chụp hết các hạt trong trường nhìn).
- Di chuyển bàn mẫu đến vùng tiếp theo: Khi tất cả tạp chất trong trường nhìn hiện tại đã được chụp hoặc số lượng đạt đến giới hạn cấu hình, bàn mẫu tự động chuyển sang vùng tiếp theo và tái khởi động lại quy trình.
Hình 1. Sơ đồ quy trình chụp ảnh tự động
Kết quả thực nghiệm và Phân tích hình ảnh (Hình 2)
Quy trình kiểm tra tự động áp dụng thành công các kỹ thuật xử lý hình ảnh nền tảng bao gồm giảm nhiễu và nhị phân hóa đối với các ảnh SEM thu được ở độ phóng đại thấp.
- Hình 2 (a) – Ảnh độ phóng đại thấp sau xử lý: Minh họa trực quan sự phân bố của các hạt tạp chất được hệ thống tự động phát hiện bằng phương pháp xử lý ảnh (các hạt được định vị và đánh dấu bằng màu xanh lam nhạt). Phép phân tích hạt (particle analysis) được thực hiện đồng thời, cho phép phần mềm tự động đo đạc và phân loại tạp chất dựa trên các thông số hình thái học quan trọng như diện tích hạt, tọa độ trọng tâm, và các đặc tính hình học khác. Độ phóng đại kiểm tra tại bước này đạt 200x.
- Hình 2 (b) – Ảnh độ phóng đại cao của tạp chất điển hình: Hiển thị ảnh điện tử tán xạ ngược (BSE) sắc nét của một hạt tạp chất thu được ở độ phóng đại lớn (10 kx). Trong quá trình này, các tính năng tự động lấy nét (auto-focus) và tự động điều chỉnh độ sáng/độ tương phản (auto-brightness/contrast) hoạt động mượt mà, giúp đảm bảo chất lượng hình ảnh đồng đều cho mọi hạt tạp chất mà không cần con người can thiệp thủ công.
Thông số điều kiện thiết bị: Hệ thống sử dụng model SU8700 hoạt động tại mức điện áp gia tốc 15 kV, khoảng cách làm việc (WD) 6.4 mm, thu nhận tín hiệu hình ảnh bằng đầu dò điện tử tán xạ ngược BSE chuyên dụng.
Kết luận và Ứng dụng thực tế
Việc kết hợp khả năng thu nhận hình ảnh tự động của kính hiển vi SEM với công nghệ xử lý ảnh kỹ thuật số thông minh thông qua công cụ EM Flow Creator giúp giảm đáng kể khối lượng công việc thủ công nặng nề cho kỹ thuật viên, đồng thời nâng cao vượt trội hiệu suất và tính chính xác của các phép phân tích định kỳ. Phương pháp này có tính linh hoạt cao, không chỉ ứng dụng hiệu quả cho phân tích tạp chất trong thép tấm mà còn có thể mở rộng hoàn hảo cho nhiều loại vật liệu dạng hạt hoặc bột mịn khác nhau trong việc chụp ảnh tự động và xác định đặc tính cấu trúc. (Hình 3 trong tài liệu gốc cung cấp một video trình diễn trực quan cho toàn bộ quá trình vận hành tự động này).
Cấu hình thiết bị đề xuất
| Cấu hình đề xuất | Ghi chú |
|---|---|
| SU8700 FE-SEM | Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường sử dụng Súng bắn electron Schottky thông lượng cao, mang lại độ phân giải siêu cao. |
| EM Flow Creator | Phần mềm lập trình kéo-thả và điều khiển quy trình chụp ảnh tự động đa điểm nâng cao trên hệ thống kính hiển vi SEM của Hitachi. |
Từ khóa: Vật liệu / Thép tấm / Tạp chất / Phân tích cỡ hạt / EM Flow Creator / Chụp ảnh tự động