JP2007204772A

JP2007204772A - 鋼のミクロ組織観察用着色エッチング液およびエッチング方法

Info

Publication number: JP2007204772A
Application number: JP2006021734A
Authority: JP
Inventors: Akio Omori; 章夫大森; Tadashi Ishida; 忠石田; Kiyoyuki Umeki; 清之梅木; Katsuichiro Maruno; 勝一郎丸野; Katsuhiro Omori; 勝博大森; Yoichi Kanamori; 洋一金森
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】同一相内で結晶方位の異なる領域、即ちフェライト粒、マルテンサイトやベイナイト組織の旧γ粒、旧γ粒内の下部組織（パケット、ブロックなど）を結晶面方位に対応した色に着色し、高価な器機や熟練を必要とせずに、光学顕微鏡によって簡便に識別可能とする着色エッチング液とエッチング方法の提供。
【解決手段】水（Ｈ_２Ｏ）１ｍｏｌにチオ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３）を８．７ｘ１０^−３〜１７．４ｘ１０^−３ｍｏｌ加え、更にピロ亜硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_５）とピロ亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_５）のどちらか一方、又は両方を合計して、２．４ｘ１０^−３〜６．８ｘ１０^−３ｍｏｌ加えて溶解した水溶液からなることを特徴とする着色エッチング液に顕微鏡観察用試料を浸漬、水洗、乾燥する。
【選択図】図５

Description

本発明は，鋼材のミクロ組織を観察するにあたって、機械的性質、特に靭性の良否に大きく影響するミクロ組織単位の寸法、すなわちフェライト粒径、マルテンサイトやベイナイトのパケット径、ブロック径など結晶方位をほぼ同じくする領域の大きさを、着色により光学顕微鏡で識別可能とするエッチング液およびエッチング方法に関するものである。

低合金鋼の光学顕微鏡によるミクロ組織観察において、最も一般的に用いられるエッチング液は、ナイタール液（1〜5%硝酸エタノール溶液）である。ナイタール液は、異なる相の境界や、同一相内で結晶方位の異なる領域の境界を、優先腐食して線状に現出する。種々の境界を、ほぼ均等に腐食するため、腐食された境界の種類（異相境界なのか同一相内の粒界なのか、大角粒界なのか亜粒界なのか、旧γ粒界なのかパケット境界なのか、など）に関する情報は得られない場合が多い。

そこで、複数の相を含む組織を各組織別に色分けする着色エッチング法として特許文献１、特許文献２や非特許文献１が提案されている。

これらの方法により、フェライト、残留オーステナイト、パーライト、マルテンサイトやベイナイトなどの種々の相を異なる色に着色して、識別することができる。しかし，これらの方法では、同一相はすべて同じ色に着色されてしまうため、同一相内で結晶方位の異なる領域、即ちフェライト粒、マルテンサイトやベイナイト組織の旧γ粒、旧γ粒内の下部組織（パケット、ブロックなど）を識別することはできない。

従来、マルテンサイトやベイナイトのパケット、ブロックなどの組織単位を観察する方法として、ナイタール液などのエッチングによる微妙な白黒コントラスト差から判別する方法が知られているが、全ての鋼種には適用できず、また判別のためには高度な知識と経験が必要であった。

また、厳密な測定には、透過型電子顕微鏡(TEM)や電子線後方散乱回折(EBSP,EBSD)法など電子線回折を用いて結晶方位を解析する手法が用いられるが、高価な電子機器が必要であり、測定には長時間を要し、しかも１回に観察できる領域が狭いなどの問題があり、より簡便な方法が求められていた。
特公昭６３−３９６７４号公報特許第２５４８６５４号公報松村、板東著「着色腐食法による複合組織鋼の顕微鏡組織の分別とその応用」熱処理３２卷６号（１９９２年）

本発明は、同一相内で結晶方位の異なる領域、即ちフェライト粒、マルテンサイトやベイナイト組織の旧γ粒、旧γ粒内の下部組織（パケット、ブロックなど）を結晶面方位に対応した色に着色し、高価な器機や熟練を必要とせずに、光学顕微鏡によって簡便に識別するためのものである。

従来の着色エッチングでは、同一相内はほぼ単色に着色され、結晶粒やパケット、ブロックなどの一つの相をさらに分割する組織単位を識別することはできなかった。これは、従来の方法では、同一相内の結晶粒やパケット、ブロックなど結晶方位差に起因して生じる色差が、フェライト／マルテンサイト／パーライトなど相の違いによる色差に比べてはるかに小さいため、かき消されてしまったためであると考えられる。

従来の種々の着色エッチング液は、ピクリン酸、クエン酸、硝酸などの強酸と、ピロ亜硫酸（メタ重亜硫酸）ナトリウム、チオ硫酸（次亜硫酸）ナトリウム、ピロ亜硫酸（メタ重亜硫酸）カリウムなどＳを含む化合物塩の組み合わせからなるものが多い。

各々の薬品の詳細な効果は明らかでないが、酸はＦｅ原子をイオンとして溶出させ、溶出したＦｅイオンがＳを含む化合物を生成して再度試料表面に付着し、皮膜を形成すると考えられている。この皮膜の膜厚が光顕組織における色の違いを生じているものと考えられる。

発明者らは、着色エッチングにより同一相内の結晶方位に対応した色差を得るには、従来の着色エッチング液よりも反応性の弱い液にすべきであると考えた。

そのためには、従来の着色エッチング液で用いられているような酸を混合すべきではなく、着色成分であるＳを含む種々の化合物塩のみを主成分とし、弱酸性の組成とすることが良いと考えた。

そして、最適の組み合わせと濃度を検討した結果、本願発明の成分の液を用いたとき、フェライト粒、マルテンサイトやベイナイトのパケットおよびブロックなど同一相内で結晶方位が異なる領域が色分けされて識別できるという知見を得た。

１．第一の発明は、水（Ｈ_２Ｏ）１ｍｏｌにチオ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３）を８．７ｘ１０^−３〜１７．４ｘ１０^−３ｍｏｌ加え、更にピロ亜硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_５）とピロ亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_５）のどちらか一方、又は両方を合計して、２．４ｘ１０^−３〜６．８ｘ１０^−３ｍｏｌ加えて溶解した水溶液からなることを特徴とする着色エッチング液である。

２．第二の発明は、第一の発明に記載のエッチング液を１０〜４０℃に保持し、顕微鏡組織観察用試料を３０〜１５０秒間浸漬後、水洗し、乾燥する事を特徴とする着色エッチング方法である。

本発明により、結晶粒，マルテンサイトやベイナイトのパケット、ブロック等の結晶方位をほぼ同じくする領域を色分けして着色し、光学顕微鏡によって判別可能となる。

ほぼ同一の色彩を呈する領域の大きさを測定することによって、結晶粒径、マルテンサイトやベイナイトのパケット径またはブロック径などの組織寸法を測ることができる。

また、着色の色合いは、おおむね観察面に露出した結晶面の方位に対応している。鋼の化学組成やミクロ組織を構成する相の種類によって色合いは変化するが、例えば低炭素ベイナイト単相組織やフェライト単相組織の場合、｛１００｝面は青色または緑色、｛１１０｝面は茶色から赤系統の色に着色され、｛１１１｝面はあまり着色されずに白色または薄い茶色に見える。

従って、本発明による着色の色合いを他の方法（電子線後方散乱回析法：ＥＢＳＰまたはＥＢＳＤ法など）による結晶方位測定結果と比較して解析することにより、結晶方位に関する情報も得ることができる。

以下に具体的実施例に基づいて本願発明を説明する。

図１、２は極低炭素鋼（0.02C-0.3Si-1.3Mn-1.0Ni-0.2Cr-0.02Nb-0.002B）を１１５０℃に加熱後、９５０℃（鋼１）と８５０℃（鋼２）で仕上圧延した後に、空冷し、ベイナイト単相組織とした供試材を、ナイタール液（３％硝酸エタノール溶液）でエッチングした例である。

図３，４は本発明例であり、水１０８ｍｌ（５ｍｏｌ）にチオ硫酸ナトリウム(Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３)を１２．０ｘ１０^−３ｍｏｌ、ピロ亜硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_５）を４．５ｘ１０^−３ｍｏｌ、ピロ亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_５）を４．０ｘ１０^−４ｍｏｌ加えて溶解したエッチング液を２０℃に保持し、顕微鏡観察用試料を90秒間浸漬後、水洗、乾燥して撮影したものである。

図３，４では，結晶方位を同じくするベイナイトパケットあるいはブロックが同一色に着色されるため、色分けされる個々の領域がベイナイトパケットまたはブロックを示している。鋼１に比べて鋼２の組織単位が微細であることがわかる。これは，仕上圧延温度の低い鋼２の方が、より微細なベイナイトパケット、ブロックを有することを示している。

本発明のエッチング液では、ナイタールでは判別できないベイタイトパケットまたはブロックが着色により現出し、ナイタールでは判別できないミクロ組織（ベイナイトパケットまたはブロックのサイズ）の差が明瞭に観察できる。

図５(a)は，極低炭素鋼（0.02C-0.15Si-1.8Mn-0.8Ni-0.2Mo-0.03Nb-0.001B）を１１５０℃に加熱後、９００℃で仕上圧延した後に、加速冷却して製造した鋼板（鋼３）のＬ断面（試料を圧延方向に平行に切断した断面）を、本発明のエッチング液でエッチングして光学顕微鏡により撮影した実施例である。

図５(b)には、図５(a)中で明るい青色に着色されている領域と白く見える領域のうち、いくつかの例をそれぞれA〜I，a〜lで示す。それ以外にも暗い青色，濃い茶色，薄い茶色で着色されている領域が存在する。

比較のために、図６(a)にＥＢＳＰ法（電子線後方散乱回折法）によって得られた図５(a)と同一箇所のＴＤ方向（Ｃ方向，紙面垂直方向）の結晶方位マップを示す。ＥＢＳＰ法は結晶方位を１μm以下の分解能で解析し、カラー表示できる組織解析手法である。

図６(b)には、図６(a)中で赤色に表示されている領域（TD方向//[100]の結晶方位を示す）と青色に表示されている領域（TD方向//[111]の結晶方位を示す）のうち、いくつかの例をそれぞれA〜I、a〜lで示す。これらの領域は、図5(b)のA〜I、a〜lに対応しており、本発明による着色エッチングの色合いが，結晶方位に対応していることがわかる。

すなわち、本発明によるエッチング手法によれば、図５のA〜Iに示すように｛１００｝面は明るい青色に着色される。また、図５のa〜lに示すように｛１１１｝面は白色に，また｛１１０｝面は茶色に色分けされ、光学顕微鏡観察により簡便に結晶面方位を識別することができる。

なお，フェライト組織やマルテンサイト組織でも、本発明によりミクロ組織を着色して結晶粒や、マルテンサイト組織中のパケット、ブロックを色分けすることができる。色彩は組織の種類によって若干変化するものの、ＥＢＳＰ法による解析結果と対照することにより、本発明により結晶方位に関する情報を得ることができる

本発明の着色エッチング液をもちいると、鋼材の結晶方位をほぼ同じくする領域を色分けして着色するので、各種低合金鋼材の結晶方位を光学顕微鏡によって判別することができる。

鋼１をナイタールエッチングした光学顕微鏡写真である。鋼２をナイタールエッチングした光学顕微鏡写真である。鋼１を本発明のエッチング液でエッチングした光学顕微鏡写真である。鋼２を本発明のエッチング液でエッチングした光学顕微鏡写真である。鋼３を本発明のエッチング液でエッチングした光学顕微鏡写真である。鋼３をＥＢＳＰ法で表示した結晶方位マップである。

Claims

水（Ｈ_２Ｏ）１ｍｏｌにチオ硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_３）を８．７ｘ１０^−３〜１７．４ｘ１０^−３ｍｏｌ加え、更にピロ亜硫酸カリウム（Ｋ_２Ｓ_２Ｏ_５）とピロ亜硫酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_５）のどちらか一方、又は両方を合計して、２．４ｘ１０^−３〜６．８ｘ１０^−３ｍｏｌ加えて溶解した水溶液からなることを特徴とする着色エッチング液。
請求項１に記載のエッチング液を１０〜４０℃に保持し、顕微鏡組織観察用試料を３０〜１５０秒間浸漬後、水洗し、乾燥する事を特徴とする着色エッチング方法。