CN107643309B - 电工钢表面涂层的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电工钢表面涂层的分析方法，属于分析方法技术领域。它包括如下步骤：1)电工钢表面涂层试样的预处理；2)调整涂层试样表面至电子束和离子束的共聚焦点；3)对涂层试样表面进行金属沉积；4)采用离子束对涂层试样的前后两个区域分别进行挖坑处理；5)对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割、提取及焊接；6)减薄和抛光。本发明的分析方法采用聚焦离子束进行精确定位制备出电工钢表面涂层的透射电镜样品，再结合常规透射电镜分析电工钢表面涂层的微观形貌，解决了现有技术分析电工钢表面涂层微观形貌的问题。

Description

电工钢表面涂层的分析方法

技术领域

本发明涉及电工钢表面涂层，属于分析方法技术领域，具体的涉及一种电工钢表面涂层的分析方法。

背景技术

电工钢的表面涂层通常分为底层和绝缘涂层两层；底层为脱碳退火后在钢板表面涂敷的氧化镁在高温条件下与钢板表面的二氧化硅富硅薄膜反应生成的玻璃状硅酸镁底层；绝缘涂层为在高温退火硅酸镁底层上涂敷的磷酸盐涂层。电工钢高温退火后形成的硅酸镁底层不仅具有绝缘性、耐蚀性，而且使钢中产生拉应力降低铁损，硅酸镁晶粒越细应力越大。也有研究证明，利用特殊绝缘涂层可使其受到一定的拉应力，改变磁畴结构，改进磁性，从而降低硅钢片单位重量损耗和减小硅钢片的磁致伸缩。绝缘涂层应能耐绝缘漆、变压器油、机器油等的侵蚀，附着性良好，应能经受住消除应力退火，消除应力退火前后所测钢板的绝缘涂层电阻最小值能符合用户要求。可以看出，电工钢的表面涂层质量不仅影响电工钢的磁性能，而且也对使用性能有较大的影响。

目前电工钢的研究工作者对电工钢涂层的绝缘性能和绝缘涂层附着力进行了大量的研究。通过所建立的厚涂层附着模型和电子探针微区分析仪(EPMA)、辉光放电光谱仪(GDS)，分析和研究了无取向电工钢绝缘涂层剥离前后的形貌和成分。另有研究者利用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对无取向电工钢的涂层厚度进行了观察。研究发现制样方法对成像质量起到关键作用。由于涂层薄(约为1.0μm)，传统的金相研磨方法无法清晰准确观察到真正的涂层厚度。经低温脆断和喷金处理后，就能得到清晰的涂层断面微观电子像。由于是利用场发射扫描电子显微镜观察，所以仅能获得涂层断面的表面微观电子像，而无法获得涂层截面的结构特征。

目前，分析电工钢的涂层存在一定的不足，主要如下：

1)扫描电镜或者电子探针仅能观察涂层的形貌和微区成分，而至于涂层的相结构特征信息却无法获得。

2)由于扫描电镜或者电子探针分辨能力相对透射电镜低，因此无法观察涂层的高分辨形貌像，而电工钢涂层一般有几部分组成，形貌和结构均不同，这些信息均无法获取。

3)目前国内没有对于电工钢的涂层透射电镜制样方法，导致无法用透射电镜观察电工钢涂层。

期刊《冶金分析》，2015，35(10)：14-18，公开了钢铁材料复合夹杂物的聚焦离子束定位加工及结构表征，主要介绍了利用聚焦离子束精确定位功能，定位制备出复合夹杂物的透射电镜剖面样品，最大限度的呈现整个夹杂物的多种物相形态，再结合能谱仪的面分析功能和投射电镜的晶体结构分析技术对复合夹杂物进行全面的表征。通过对夹杂物的成分分析和物相衍射花样的标定，最终得到复合夹杂物的物相组成。

目前尚未有利用聚焦离子束精确定位功能，定位制备出电工钢表面涂层的透射电镜剖面样品。

发明内容

为实现上述目的，本发明公开了一种电工钢表面涂层的分析方法。该分析方法为采用聚焦离子束进行精确定位制备出电工钢表面涂层的透射电镜样品，再结合常规透射电镜分析电工钢表面涂层的微观形貌，它包括如下步骤：

1)电工钢表面涂层试样的预处理；

2)调整涂层试样表面至电子束和离子束的共聚焦点；

3)对涂层试样表面进行气体沉积；

4)采用离子束对涂层试样的前后两个区域分别进行挖坑处理；

5)对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割、提取及焊接；

6)减薄和抛光；

7)采用透射电镜观察；

所述步骤5)包括如下步骤：

51)控制电子束与试样表面垂直，调节涂层试样表面在电子束和离子束的共聚焦点，对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割，并保留涂层试样的一边与基体相连；

52)采用离子束将纳米机械手的尖端与U型切割后的涂层试样焊接在一起；

53)继续切割涂层试样使其与基体分离，使用纳米机械手将切割完的涂层试样取出，得到透射电镜样品的粗产品；

54)调整透射电镜专用铜网的焊接部位使其置于电子束和离子束同步观察中心，调节纳米机械手的尖端使其靠近铜网的焊接部位，采用离子束将透射电镜样品的粗产品与铜网焊接在一起；

55)采用离子束将纳米机械手的尖端与透射电镜样品的粗产品分离。

进一步地，所述步骤6)包括如下步骤：

61)调整透射电镜样品的粗产品的表面至电子束和离子束的共聚焦点；

62)对透射电镜样品的粗产品不断切割减薄，至电子束观察到产品透明，停止切割，即完成透射电镜样品的制备。

再进一步地，所述步骤62)中，切割减薄按如下步骤进行：

621)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±6°，对透射电镜样品的粗产品进行切割减薄，切割的平面形状为方形，切割宽度为1～2μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为2～4nA；

622)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±4°，切割的平面形状为方形，切割宽度为1～1.5μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为1～2nA；

623)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±2°，切割的平面形状为方形，切割宽度为0.5～1μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为50～300pA。

更进一步地，所述步骤4)中，挖坑的平面形状为梯形，梯形高度为10～30μm，沿梯形长边开始切割，以梯形短边结束切割，切割深度为10～30μm。

更进一步地，所述步骤4)中，保证离子束与试样表面垂直，控制离子束加速电压为20～30kV，离子束流为＞15nA，切割深度为10～30μm。

更进一步地，所述步骤51)中，切割深度为2～5μm，离子束加速电压为20～30kV，离子束流为1～4nA。

更进一步地，所述步骤53)中，继续切割深度为2～5μm，离子束加速电压为20～30kV，离子束流为1～4nA，调节样品台使其下降0.05～0.10mm，使用纳米机械手将切割完的涂层试样取出，再将纳米机械手调整至电镜工作距离为4.5～5.0mm的位置。

更进一步地，所述步骤54)中，调整样品台使电镜工作距离>10mm，再调整透射电镜专用铜网和样品台的位置，使透射电镜专用铜网的焊接部位置于电子束和离子束同步观察中心。

有益效果：

本发明采用聚焦离子束成功的制备了电工钢表面涂层的透射电镜样品，不仅弥补了现有技术分析电工钢表面涂层微观形貌的难题，而且本发明的分析方法还可结合能谱和电子衍射等进一步的获取电工钢表面涂层的更多的信息。

附图说明

图1为实施例中电子束与离子束共聚焦点示意图；

图2为实施例中离子束观察视角下的取样的平面结构示意图；

图3为实施例中离子束观察视角下的取样的平面结构示意图；

图4为实施例中离子束观察视角下的样品与铜网焊接的平面结构示意图；

图5为实施例中采用透射电镜观察的电工钢涂层微观形貌；

其中，图2是离子束与试样表面垂直，图3和图4是电子束与样品表面垂直，且图中标号如下：

电工钢表面涂层试样1、样品台2、共聚焦点3、透射电镜样品4、挖坑区域5、挖坑区域6、切割区域7、切割区域8、切割区域9、纳米机械手10、铜网11。

具体实施方式

本发明实施例采用蔡司的AURIGA双束系统对电工钢表面涂层进行制备透射电镜样，所述透射电镜样为JEM-2100F场发射透射电镜。

本实施例公开了一种电工钢表面涂层的分析方法，该分析方法为采用聚焦离子束进行精确定位制备出电工钢表面涂层的透射电镜样品，再结合常规分析仪器分析电工钢表面涂层的微观形貌，它包括如下步骤：

1)电工钢表面涂层试样的预处理：具体的为将试样切割成长×宽为10×10mm，并对试样表面的污染物采用超声清洗仪进行清除，清洗完后将试样表面吹干；

2)调整涂层试样表面至电子束和离子束的共聚焦点：具体过程为将所述步骤1)预处理后的试样，如图1所示的电工钢表面涂层试样1装入聚焦离子束扫描电子显微镜双束系统的样品台中，如图1所示的样品台2，使样品尽量靠近样品台的边缘，然后控制电子束加速电压为5kV，离子束加速电压为30kV，继续将样品台倾斜至54°(本实施例优选向左倾斜，如图1所示)，调整电镜工作距离为5.1mm，使试样表面置于电子束和离子束的共聚焦点，如图1所示的共聚焦点3，该共聚焦点也为取透射电镜样品的部位。

3)对涂层试样表面进行气体沉积：在沉积之前，先采用气体注入系统(GIS)在试样表面诱导沉积，创造真空环境，具体操作为先对气体注入系统(GIS)中的气体预热0.5小时，然后向试样表面伸入气体针头进行放气，控制时间为300s，诱导沉积结束后取涂层试样表面长×宽为20×2μm的区域进行Pt沉积，控制离子束流为200pA。

4)采用离子束在涂层试样的前后两个区域分别进行挖坑处理：如图2所示，区域5和6为挖坑的平面结构示意图，且优选挖坑的平面形状为梯形，梯形高度为20μm(梯形的长边与短边之间的距离)，采用离子束沿梯形的长边开始切割，结束边为梯形的短边，保证离子束与试样表面垂直，控制离子束加速电压为30kV，离子束流为16nA，切割深度为20μm；

此外，在上述切割时，需要对切割过程进行实时监控，并选用大尺寸光阑和高束流模式进行观察。

5)对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割、提取及焊接：

所述步骤5)包括如下步骤：

51)控制电子束与试样表面垂直，调节涂层试样表面在电子束和离子束的共聚焦点，对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割，并保留涂层试样的一边与基体相连：具体的过程为首先将样品台倾斜至0°，即电子束与试样表面垂直，调整电镜工作距离为5.1mm，使涂层试样表面在电子束和离子束的共聚焦点，再切割图3所示的区域7和8的部分，本实施例优选区域7和区域8的平面形状为方形，方形的宽度为0.5μm(两条边之间的距离)，控制离子束加速电压为30kV，离子束流为2nA，切割深度为2μm；同时，在切割时需要对切割过程进行实时监控，一旦发现切穿试样就需要停止切割，更换试样。

52)采用离子束将纳米机械手10的尖端与U型切割后的涂层试样焊接在一起：同理采用GIS对试样表面诱导沉积，再调节纳米机械手10的尖端使其靠近样品，如图3所示，将纳米机械手10置于试样左端正上方，控制离子束流为50pA，将纳米机械手10的尖端与U型切割后的涂层试样焊接在一起。

53)继续切割涂层试样使其与基体分离，使用纳米机械手10将切割完的涂层试样取出，得到透射电镜样品的粗产品：继续对图3所示的区域9进行切割，区域9的平面形状为方形，方形的宽度为0.5μm，控制离子束加速电压为30kV，离子束流为2nA，切割深度为2μm；同理，在切割时需要对切割过程进行实时监控，一旦发现切穿试样就需要停止切割，更换试样。然后使样品台下降0.05mm，使用纳米机械手10将切割完的涂层试样取出，再将纳米机械手10提升至电镜工作距离为4.8mm的位置。

54)调整透射电镜专用铜网11的焊接部位使其置于电子束和离子束同步观察中心，调节纳米机械手10的尖端使其靠近铜网11的焊接部位，采用离子束将透射电镜样品的粗产品与铜网11焊接在一起：如图4所示，使样品台下降5mm，将透射电镜专用铜网11旋转至当前位置，上升样品台至共聚焦点，再调节纳米机械手10的尖端使其靠近铜网11的焊接部位，采用GIS对试样表面放气，控制离子束流为50pA将透射电镜样品的粗产品与铜网焊接在一起。

55)采用离子束将纳米机械手的尖端与透射电镜样品的粗产品分离：控制离子束流为2nA，直至将纳米机械手的尖端与透射电镜样品的粗产品切断。

6)减薄和抛光：

所述步骤6)包括如下步骤：

61)调整透射电镜样品的粗产品的表面至电子束和离子束的共聚焦点：具体的为将样品台倾斜至54°(本实施例优选向左倾斜)，调整电镜工作距离为5.1mm，使试样表面置于电子束和离子束的共聚焦点；

62)对透射电镜样品的粗产品不断切割减薄，至电子束观察到产品透明，停止切割，即完成透射电镜样品的制备：

具体的过程为切割减薄的次数优选为三次，第一次切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±6°，对透射电镜样品的粗产品进行切割减薄，切割的平面形状为方形，切割宽度为2μm，切割深度为20μm，控制离子束流为2nA；第二次切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±4°，切割的平面形状为方形，切割宽度为1.5μm，切割深度为20μm，控制离子束流为1nA；第三次切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±2°，切割的平面形状为方形，切割宽度为1μm，切割深度为15μm，控制离子束流为100pA，同时，在上述切割时需要对切割过程进行实时监控，并将电子束电压调整至20kV，在电子束下观察试样透明程度，一旦试样减薄至透明则切割停止。

7)将上述制备的投射电镜样品置于透射电镜中观察，得到如图5所示的电工钢涂层的微观形貌。

Claims (6)

1.一种电工钢表面涂层的分析方法，该分析方法为采用聚焦离子束进行精确定位并制备出电工钢表面涂层的透射电镜样品，再在透射电镜下观察电工钢表面涂层的微观形貌，其特征在于：它包括如下步骤：

1)电工钢表面涂层试样的预处理；

2)调整涂层试样表面至电子束和离子束的共聚焦点；

3)对涂层试样表面进行气体沉积；

4)采用离子束对涂层试样的前后两个区域分别进行挖坑处理；挖坑的平面形状为梯形，梯形高度为10～30μm，沿梯形长边开始切割，以梯形短边结束切割，切割深度为10～30μm；保证离子束与试样表面垂直，控制离子束加速电压为20～30kV，离子束流为＞15nA，切割深度为10～30μm；

5)对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割、提取及焊接；

6)减薄和抛光；

7)采用透射电镜观察；

所述步骤5)包括如下步骤：

51)控制电子束与试样表面垂直，调节涂层试样表面在电子束和离子束的共聚焦点，对挖坑处理后的涂层试样进行U型切割，并保留涂层试样的一边与基体相连；

52)采用离子束将纳米机械手的尖端与U型切割后的涂层试样焊接在一起；

53)继续切割涂层试样使其与基体分离，使用纳米机械手将切割完的涂层试样取出，得到透射电镜样品的粗产品；

54)调整透射电镜专用铜网的焊接部位使其置于电子束和离子束同步观察中心，调节纳米机械手的尖端使其靠近铜网的焊接部位，采用离子束将透射电镜样品的粗产品与铜网焊接在一起；

55)采用离子束将纳米机械手的尖端与透射电镜样品的粗产品分离。

2.根据权利要求1所述电工钢表面涂层的分析方法，其特征在于：所述步骤6)包括如下步骤：

61)调整透射电镜样品的粗产品的表面至电子束和离子束的共聚焦点；

62)对透射电镜样品的粗产品不断切割减薄，至电子束观察到产品透明，停止切割，即完成透射电镜样品的制备。

3.根据权利要求2所述电工钢表面涂层的分析方法，其特征在于：所述步骤62)中，切割减薄按如下步骤进行：

621)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±6°，对透射电镜样品的粗产品进行切割减薄，切割的平面形状为方形，切割宽度为1～2μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为2～4nA；

622)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±4°，切割的平面形状为方形，切割宽度为1～1.5μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为1～2nA；

623)切割减薄的参数设置为：将样品台倾斜±2°，切割的平面形状为方形，切割宽度为0.5～1μm，切割深度为10～30μm，控制离子束流为50～300pA。

4.根据权利要求1所述电工钢表面涂层的分析方法，其特征在于：所述步骤51)中，切割深度为2～5μm，离子束加速电压为20～30kV，离子束流为1～4nA。

5.根据权利要求1所述电工钢表面涂层的分析方法，其特征在于：所述步骤53)中，继续切割深度为2～5μm，离子束加速电压为20～30kV，离子束流为1～4nA，调节样品台使其下降0.05～0.10mm，使用纳米机械手将切割完的涂层试样取出，再将纳米机械手调整至电镜工作距离为4.5～5.0mm的位置。

6.根据权利要求1所述电工钢表面涂层的分析方法，其特征在于：所述步骤54)中，调整样品台使电镜工作距离>10mm，再调整透射电镜专用铜网和样品台的位置，使透射电镜专用铜网的焊接部位置于电子束和离子束同步观察中心。

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