DE3887286T2

DE3887286T2 - Verfahren zur Messung der Verteilung von Kristallkörnchen in einer Metallplatte und Gerät für diesen Zweck.

Info

Publication number: DE3887286T2
Application number: DE88310752T
Authority: DE
Inventors: Kazuya Technical Researc Asano; Fumihiko Technical Re Ichikawa; Hajime Technical Resear Takada
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-11-16
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2008-11-16
Also published as: US4893510A; EP0317252A3; JPH071255B2; EP0317252B1; DE3887286D1; JPH01229962A; EP0317252A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Kristallkornorientierung in einem Metallblech. Tnsbesondere betrifft sie ein sehr praktisches Verfahren sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zum Bestimmen der Kristallkornorientierung in einem Metallblech, die sich für den Einsatz bei der Herstellung eines anisotropen Siliciumstahlblechs, das sich durch besondere elektromagnetische Eigenschaften bezüglich einer Walzrichtung auszeichnet, eignen und eine zerstörungsfreie Online-Bestimmung der Kristallkornorientierung im anisotropen Siliciumstahlblech ermöglichen.
Für den Einsatz als Kern eines Wechselspannungsaufwärtstransformators und dergleichen ist bereits ein anisotropes Siliciumstahlblech, das sich durch besondere elektromagnetische Eigenschaften in Walzrichtung auszeichnet, hergestellt worden. Dieses anisotrope Siliciumstahlblech wird unter Ausrichtung der Kristallkörner in die sogenannte GOS- Orientierung hergestellt, bei der sich die (110)-Ebene parallel zur Blechoberfläche sowie die (100)-Richtung parallel zur Walzrichtung erstreckt.
Je höher die Anzahl der Kristallkörner mit angenäherter GOS-Orientierung ist, desto besser fallen die elektromagnetischen Eigenschaften des anisotropen Siliciumstahlblechs aus. Jedoch ist es beim Herstellungsverfahren in der Praxis nicht immer möglich, nur Kristallkörner mit angenäherter GOS-Orientierung zu erzeugen. Aufgrund von Schwankungen bei den Herstellungsbedingtingen bzw. von Störeinflüssen können Körner mit einer größeren Abweichung von dieser GOS-Orientierung, d.h. sogenannte anomale Kristallkörner, erhalten werden.
Fig.14 zeigt ein Beispiel eines Produkts 10 mit anomalen Kristallkörnern 10A. Ein Normalkorn 10B mit angenäherter GOS-Orientierung weist einen Korndurchmesser von einigen mm bis einigen 10 mm auf, während das anomale Korn 10A im allgemeinen kleiner als einige mm ausfällt, wobei dessen Orientierung statistisch verteilt ist und wobei solche Körner in Walzrichtung, wie in Fig.l4 dargestellt, verbreitet sind.
Beim Herstellungsverfahren für das oben beschriebene anisotrope Siliciumstahlblech werden als Bestimmungsvorrichtung für die elektromagnetischen Eigenschaften des Produkts ein Epsteingerät und ein Einzelblechprüfgerät im Offline-Betrieb eingesetzt, während im Online-Betrieb ein kontinuierliches Wirbelstromverlust-Meßgerät verwendet wird, wobei die Wirbelstromverluste sowie die magnetische lnduktion des Stahlblechs gemessen werden. Jedoch können mit obigen Meßgeräten nur die über die Breite des Stahlblechs gemittelten elektromagnetischen Eigenschaften vermessen werden, während hingegen die Verteilung der anomalen Körner 10A nicht bestimmt werden kann.
Andererseits existiert für die Bestimmung der Verteilung der anomalen Körner des Siliciumstahlblechs ein Grobätz- Verfahren, bei dem das Produkt in Streifen zerteilt, ein isolierender Überzug auf der Oberfläche desselben abgezogen, und die Oberfläche mittels einer Nital-Ätzflüssigkeit angeätzt wird, wobei die Tatsache ausgenützt wird, daß die Ätzwirkung in Abhängigkeit von der Kristallkornorientierung unterschiedlich ausfällt, wodurch die Kristallkornverteilung bestimmbar ist.
Jedoch ist dieses Grobätzverfahren auf den Offline-Betrieb beschränkt, so daß es nicht online eingesetzt werden kann.
Überdies bedingt es die Zerteilung des Produkts in Streifen. Weiterhin kann erst nach Entfernung der Isolierschicht geätzt werden. Dies erfordert einen hohen Arbeitsaufwand sowie das nicht unproblematische Handhaben von Chemikalien. Weiterhin kann die Qualität des Produkts nicht auf dessen Gesamtlänge gewährleistet werden, da es sich um eine Zerstörungsprüfung sowie eine Stichprobenkontrolle handelt. Ferner ist unter ökonomischen Gesichtspunkten festzustellen, daß die Arbeitseffizienz hierbei gering ist.
Andererseits ist als für die vorliegende Erfindung relevante Technik ein zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften eines Stahlblechs unter Ausnützung der Ausbreitungseigenschaften von Ultraschallwellen in den Kristallkörnern vorgeschlagen worden.
Insbesondere errechnet sich generell die Schallgeschwindigkeit v einer sich in einer Richtung < n&sub1;, n, n&sub3;> eines Körpers aus gleichachsigen Kristallen ausbreitenden longitudinalen Ultraschallwelle aus der Wurzel der folgenden Gleichung:
worin n1, n2 und n3 für den jeweiligen Richtungs-Kosinus zwischen der Ausbreitungsrichtung und den Kristallhauptachsen stehen, und a, b und c sich aus den nachfolgenden b Formeln ergeben:
worin Cij für eine ij-Komponente einer Elastizitätsmatrix steht.
Demgemäß wird angenommen, daß Stahl einen Körper darstellt, und es wird eine Elastizitätskonstante des Stahls vorgegeben, woraus sich die Schallgeschwindigkeit v einer longitudinalen, sich in unterschiedlicher Richtung in einem Einkristall ausbreitenden Ultraschallwelle aus Gleichung (1) berechnen läßt.
Fig.15 zeigt Beispiele von berechneten Ergebnissen in Form einer stereoprojektiven Abbildung. Wie sich hieraus ergibt, differiert die schallgeschwindigkeit v in Abhängigkeit von den Ausbreitungsrichtungen der Ultraschallwellen.
Deshalb wird die Schallgeschwindigkeit v gemessen, so daß bis zu einem gewissen Grad die Kornorientierung bestimmt werden kann. Wenn beispielsweise die Richtung der Blechdicke als Z-Achse vorgegeben ist, wird die Schallgeschwindigkeit v in Richtung der Z-Achse bestimmt, und falls der Meßwert 6500 m/s beträgt, kann gefolgert werden, daß bei diesem Körper die [111]-Kristallachse in Richtung der Blechdicke liegt.
Als ein gebräuchliches Beispiel für die Bestimmung der Materialeigenschaften mittels der Charakteristika der sich in einem Kristall - wie oben beschrieben - ausbreitenden Ultraschallwelle sei das in der JP-OS 126 992/1978 of fengelegte Verfahren zur Bestimmung eines Gußgefüges angeführt. Gemäß diesem Verfahren wird die Ausbreitungszeit der Ultraschallwelle in Richtung der Blechdicke eines polykristallinen Körpers gemessen, wobei aus dem derart erhaltenen Meßwert die Dicke eines Stengelkristalls und die Dicke eines gleichachsigen Kristalls geschätzt werden.
Falls generell die Schallgeschwindigkeit in Richtung der Blechdicke eines Körpers bestimmt werden soll, wird, wie aus Fig.16 ersichtlich, der zu vermessende Körper 11 in Richtung der Blechdicke mittels eines Ultraschallprüfkopfs 12 mit einer Ultraschallwelle beauf schlagt, das Zeitinterval t einer Reihe von Rückwandechos B1, B2 und B3, die hierdurch - wie aus Fig.17 ersichtlich - erzeugt werden, bestimmt, und sodann die Schallgeschwindigkeit v anhand nachfolgender Formel berechnet:
v = 2d/t .. . (5)
worin d für die Blechdicke des Körpers 11 steht. Ferner bezeichnet S ein Signal, das von einer von der Oberfläche reflektierten Welle erzeugt wird (vgl. Fig.17).
Falls jedoch bei diesem Verfahren die Blechdicke in die Nähe der Ultraschallwellenlänge kommt, überlagern sich BI, B2 und B3 in der Serie der Rückwandechos, wodurch das Problem entsteht, daß das Zeitinterval t nicht bestimmt werden kann.
Falls beispielsweise die Ultraschallfrequenz 10 MHz beträgt, liegt die Wellenlänge der Longitudinalwelle bei ca. 0,6 mm. Liegt jedoch die Stahlblechdicke d zwischen 0,1 und 0,5 mm, so ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Um dieses Verfahren dennoch nutzen zu können, muß zu kurzen Impulsen und einer Ultraschallfrequenz von mindestens 100 MHz übergegangen werden, was kostspielige elektronische Schaltungen sowie eine starke Dämpfung der Ultraschallwellen usw. bedingt, so daß sich dieses Verfahren für die Praxis nicht eignet.
Andererseits ist ein Verfahren, bei dem auf die Auswertung der Rückwandechos verzichtet wird, wie beispielsweise in Fig.18 dargestellt, vorgeschlagen worden. Bei diesem Verfahren wird der zu vermessende Körper 11 zwischen ein Sender-Bauteil 12 A und ein Empfänger-Bauteil 12B verbracht, und die Durchlauf(Transmission)-Zeitdifferenz ti der Ultraschallwellen bestimmt. In diesem Fall errechnet sich das Verhältnis zwischen der Durchlaufzeitdifferenz ti und der Schallgeschwindigkeit v anhand nachfolgender Gleichung:
Δti = d/v + (Li + L2)/v&sub0; ...(6)
Δti = d/v/v&sub2; ...(7)
Wenn demzufolge die Schallgeschwindigkeit v mit einer Genauigkeit von beispielsweise 1 % zu bestimmen ist, werden die Schallgeschwindigkeit v = 6000 m/s, die Blechdicke d = 0,3 mm sowie Av/v = 0,01 in Gleichung (7) eingesetzt, um Δti = 5 x 10&supmin;¹&sup0; s zu erhalten. Dieses Beispiel setzt voraus, daß der Abstand zwischen den Ultraschallprüfköpfen 12A und 12B innerhalb von nur 0,75 um konstant gehalten wird. Dieser Wert ist zwar in einem Forschungslabor nicht unerreichbar, in der Praxis ist er jedoch nur sehr schwer zu realisieren.
EP-A-0 155 630 offenbart ein Ultraschallmeßverfahren des obigen Typs für den medizinischen Einsatz.
GB-A-2 144 551 beschreIbt ein Verfahren zur Bestimmung der Korngröße in Stahl, wobei der Stahl von Ultraschallwellen durchdrungen wird, und der Durchmesser der durch Großwinkelkorngrenzen begrenzten Kristallkörner bestimmt wird. Bei diesem Verfahren interferieren die reflektierten Ultraschallwellen nicht, wobei deren Amplituden getrennt bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik entwickelt. Die Erfinder erkannten den Bedarf an einem für die Praxis geeigneten Verfahren bzw. einer Vorrichtung zum Bestimmen der Kristallkornverteilung in einem Metallblech, womit eine zerstörungsfreie effiziente Bestimmung der Verteilung anomaler Kristallkörner im Online-Betrieb sowie die Sicherung der Qualität über die Gesamtblechlänge ermöglicht wird, ohne daß das Blech in Streifen zerteilt und eine isolierende Deckschicht wie beim Grobätzverfahren entfernt werden muß.
Einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zum Bestimmen der zweidimensionalen Verteilung der Kristallkornorientierung in einem Metallblech, wie in Anspruch 1 definiert, geschaffen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der zweidimensionalen Verteilung der Kristallkornorientierung in einem Metallblech, wie in Anspruch 2 definiert, geschaffen.
Einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der zweidimensionalen Verteilung der Kristallkornorientierung in einem Metallblech, in Verbindung mit demselben, wie in Anspruch 5 definiert, geschaffen.
Beim Ultraschallprüfkopf handelt es sich vorzugsweise um einen fokussierenden Typ, der die Ultraschallwellen auf einen Fokus, der im wesentlichen in der Mittellinie der Blechdicke liegt, zusammenzuführen gestattet.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bestimmen der zweidimensionalen Verteilung der Kristallkornorientierung in einem Metallblech, in Verbindung mit demselben, wie in Anspruch 6 definiert, geschaffen.
Ein ultraschallwellenreflektierender Abschnitt der Reflektorplatte ist vorzugsweise konkav ausgeführt, so daß die von dieser konkaven Fläche ref lektierten Ultraschallwellen wieder ungefähr in der Mittellinie der Blechdicke fokussiert werden.
Die Nachteile des gebräuchlichen Ultraschallverfahrens vor Augen, haben die Schöpfer der vorliegenden Erfindung erkannt, daß ohne Bestimmung der Ultraschallwellengeschwindigkeit per se eine Veränderung derselben durch die Interferenzintensität bei der Überlagerung der Ultraschallwellen ermittelt werden kann. Diese Intensität kann bestimmt werden, so daß hieraus eine Information bezüglich der Schallgeschwindigkeit im Metallblech gewonnen werden kann. Wenn insbesondere Ultraschallimpulse senkrecht auf ein Blech der Dicke d aus dem Prüfkopf 12 durch ein Kontaktmedium (z. B. Wasser) abgestrahlt werden, tritt Reflexion und Transmission der Pulse sowohl an der oberen als auch unteren Fläche des Blechs auf, wie aus Fig.2 ersichtlich, wodurch mehrfach reflektierte Impulse zu beobachten sind.
Wenn die Frequenz der Ultraschallwelle derart gewählt wird, daß deren Wellenlänge in der gleichen Größenordnung wie die Blechdicke d liegt, überlagern sich die mehrfach reflektierten Pulse, wodurch Interferenzen erzeugt werden, wie in Fig.3 dargestellt. Wenn sich bei dieser Überlagerung die mehrfach reflektierten Pulse außer Phase befinden, d.h. eine Phasendifferenz von 180º aufweisen, löschen sie sich gegenseitig aus (Signal Bb' der sich überlagernden mehrfach reflektierten Pulse). Wenn sich hingegen die mehrfach reflektierten Pulse in Phase befinden, d. h. eine Phasendifferenz von 0º aufweisen, verstärken diese sich maximal (Signal Ba' der sich überlagernden mehrfach reflektierten Pulse). In Fig.3 stehen Sa' und Sb' jeweils für ein Signal des von der Oberfläche reflektierten Pulses.
Die Bedingungen für eine Interferenz sind erfüllt, wenn die Anregungsfrequenz f der Ultraschallwelle die nachfolgende Gleichung erfüllt:
f = v/2d ...(8)
Damit die Ultraschallwellen interferieren können, muß die einfallende Ultraschallwelle mindestens zwei Perioden, d.h. einen stoßimpulsartigen Puls, umfassen.
Die normalen Kristallkörner in einem Siliciuinstahlblech nehmen die GOS-Orientierung ein. In diesem Fall ist die Kristallachse in Richtung der Blechdicke die (110)-Achse, wobei die Schallgeschwindigkeit in dieser Richtung 6200 m/s beträgt. Wenn die Blechdicke d = 0,3 mm, die Ultraschallwellen-Anregungsenergie f = 10,33 MHz sowie die Anzahl der Impulsperioden = 10 betragen und das Verhältnis zwischen der Schallgeschwindigkeit v und der Intensität der interferierenden mehrfach reflektierten Impulse berechnet wird, erhält man das in Fig.4 dargestellte Ergebnis.
Die normalen Kristallkörner in einem anisotropen Siliciumstahlblech nehmen die GOS-Orientierung ein, wobei Abweichungen von derselben maximal 100 betragen. Wenn dies in die Schallgeschwindigkeit in Richtung Blechdicke transformiert wird, wird eine Distribution von 6200 ± 50 m/s erhalten. Folglich wird die Intensität der interferierenden mehrfach reflektierten Wellen überwacht, wobei das Auftreten von anomalen Kristallkörner erkannt werden kann, wenn die Intensität einen bestimmten Wert unterschreitet. Wie aus Fig.14 ersichtlich, weisen die anomalen Kristallkörner 10A in der Praxis einen sehr geringen Korndurchmesser im Vergleich zu dem der normalen Kristallkörner 10B auf, wobei deren Verteilung konzentriert ist, und die Orientierungen der betreffenden Kristallkörner statistisch verteilt sind. Demgemäß kann die Verteilung der anomalen Kristallkörner bestimmt werden, selbst wenn ein Schwellwert zur ausschließlichen Detektion der Kristallkörner mit den Orientierungen (111) und (100) gewählt wird.
Eine erste Anmerkung bezüglich der Anwendung der vorliegenden Erfindung in der Praxis ist dahingehend zu machen, daß die interf erierenden mehrfach ref lektierten Impulse Ba' und Bb, wie aus Fig.3 ersichtlich, zeitlich nach den von der Oberfläche reflektierten Impulsen Sa' und Sb' auftreten, welche die zuerst an der Grenzfläche zwischen dem Kontaktmedium (Wasser) und dem zu vermessenden Körper (Metallblech) reflektierten Wellen repräsentieren und die eine hohe Amplitude aufweisen, so daß die an der Oberfläche reflektierten Impulse nicht detektiert werden sollten.
Die folgenden Verfahren gestatten die ausschließliche Detektion der interferierenden mehrfach reflektierten Impulse unter Ausblendung der an der Oberfläche des zu vermessenden Körpers reflektierten Impulse:
(a) Wie in Fig.5 dargestellt, sind ein Sender-Bauteil 12A und ein Empfänger-Bauteil 12B oberhalb bzw. unterhalb des zu vermessenden Körpers 11 zur Detektion der durchtretenden Ultraschallwellen (Transmissionsverfahren) vorgesehen.
Bei dieser Anordnung erreichen die an der Oberfläche des Körpers 11 reflektierten Impulse mit hoher Intensität nicht das Empfänger-Bauteil 12B. Demgemäß ist das Empfangssignal ausschließlich auf einen interferierenden Mehrfach-Stoßimpuls T1 beschränkt, dessen Maximum in einfacher Weise bestimmt werden kann, wie aus Fig.6 ersichtlich.
Wie in Fig.5 dargestellt, wird als Ultraschallprüfkopf 12 ein fokussierender Typ, der in der Lage ist, die Ultraschallwellen zusammenzuführen, eingesetzt, wobei dessen Fokus so eingerichtet wird, daß er im wesentlichen in die Mittellinie der Blechdicke des Körpers 11 fällt, wodurch die räumliche Auflösung beim Meßvorgang verbessert werden kann.
(b) Wie in Fig.7 gezeigt, ist der sowohl das Sender- als auch Empfänger-Bauteil umfassende Ultraschallprüfkopf 12 auf der einen Seite des zu vermessenden Körpers 11 vorgesehen, während sich auf dessen anderer Seite eine Reflektorplatte 14 befindet, die eine solche Dicke aufweist, daß eine Interferenz der mehrfach reflektierten Impulse hiermit vermieden wird. Bei dieser Anordnung wird die Ultraschallwelle von der Reflektorplatte 14 zurückgeworfen, so daß wiederum die Größe eines aus der den Körper 11 durchdringenden Ultraschallwellen gewonnenen Signals bestimmt werden kann (Reflektorplatte-Methode).
In Fig.8 sind die bei dieser Anordnung vom Ultraschallprüfkopf 12 empfangenen Signale dargestellt, worin mit R1 das aus diesen zu bestimmende Signal bezeichnet ist, wobei die von der Oberfläche des Körpers 11 reflektierten hochintensiven Impulse B hierin nicht enthalten ist. Demgemäß bereitet es keine Schwierigkeiten, einen Peak des angestrebten interferierenden Mehrfachwellensignals R1 mittels eines in der Fußleiste der Fig.8 dargestellten Torsignals 5B zu bestimmen. In Fig.8 bezeichnet Sa ein von der Oberfläche des Körpers 11 reflektiertes Signal, während Ba für interferierende Vielfachechos steht, die im Anschluß an Sa auftreten. Dieses Signal Ba kann mittels eines in der Mitte der Fig. 8 dargestellten Torsignals A ausgeblendet werden.
Wie aus Fig.9 ersichtlich, weist bei diesem Verfahren ein Abschnitt der mit Ultraschallwellen beaufschlagten Reflektorplatte 14 eine konkäve Oberfläche 14a auf, wodurch die Ultraschallwelle wiederum ungefähr auf die Mittellinie der Blechdicke des Körpers 11 fokussiert wird, so daß die räumliche Auflösung beim Meßvorgang verbessert werden kann.
Mit den beiden oben dargestellten Verfahren (a) und (b) können nicht nur die interferierenden mehrfach ref lektierten Wellen problemlos detektiert werden, sondern es kann auch bei Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer Online-Messung der Einfluß einer vertikalen Auslenkung des Körpers 11 vorteilhafterweise minimiert werden. Weiterhin kann die einfache Anordnung gemäß Fig.2 für das Reflexionsverfahren gewählt werden, wenn der Einfluß der von der Oberfläche des Körpers 11 reflektierten hochintensiven Impulse unproblematisch ist, bzw. wenn dieser Einfluß durch andere Vorkehrungen, beispielsweise durch eine Gatterschaltung oder dergleichen, eliminiert werden kann.
Voranstehend ist der Fall erläutert, bei dem für die Wellenlänge der sich in Richtung der Blechdicke der Kristallkörner mit normaler Anordnung ausbreitenden Ultraschallwelle ein Wert gewählt wird, der sich aus den verdoppelten Blechdicken, multipliziert mit exakt den Integralzeiten bzw. exakt den halben Integralzeiten, errechnet, so daß die Interferenz der mehrfach ref lektierten Wellen mit den jeweils die normale Orientierung aufweisenden Kristallkörnern verstärkt wird, während die Interferenz mit den die anomale Orientierung aufweisenden Kristallkörnern abgeschwächt wird. Beim anisotropen siliciumstahlblech weisen jedoch fast alle Kristallkörner die gleiche Orientierung auf, wobei theoretisch und experimentell bestätigt worden ist, daß bei der Bestimmung der Orientierung der normalen Kristallkörner für die Ultraschallwellenlänge vorzugsweise ein Wert zu wählen ist, der geringfügig von dem Wert abweicht, der sich aus den doppelten Blechdicken, multipliziert mit den Integralzeiten, errechnet. Insbesondere wird, wie in Fig.4 dargestellt, die Ultraschallfrequenz (10,33 MHz) festgelegt, so daß sich für.die Wellenlänge der sich in [110]- Richtung ausbreitenden Ultraschallwelle ein Wert (0,6 mm) ergibt, der dem Doppelten der Blechdicke (0,3 mm) entspricht. In diesem Fall erreicht die Intensität der interferierenden mehrfach reflektierten Wellen ein Maximum, bezogen auf die Scballgeschwindigkeit (6200 m/s) der Kristallkörner mit normaler Orientierung, wobei ein Haltepunkt erzeugt wird. Hierbei fällt eine Veränderung bei der Reflexionsintensität im Vergleich zu einer sehr geringen Veränderung der Schallgeschwindigkeit minimal aus, woraus sich eine unbefriedigende Empfindlichkeit ergibt. Im Gegensatz hierzu ist in Fig.10 ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Intensität der reflektierten Wellen aufgeführt, wenn die Ultraschallfrequenz geringfügig auf 10,66 MHz (entsprechend einer Wellenlänge von 0,58 mm) verändert wird. Wie aus Fig.10 ersichtlich, fällt die Intensitätsänderung der interferierenden mehrfach reflektierten Wellen im Vergleich zu einer Veränderung der Schallgeschwindigkeit im Bereich um 6200 m/s in den Kristallkörnern mit formaler Orientierung groß aus, so daß eine hochempfindliche Bestimmung der Kristallkörner mit normaler Orientierung durchgeführt werden kann.
Eine zweite Anmerkung bezüglich des Einsatzes der vorliegenden Erfindung in der Praxis ist dahingehend angebracht, daß für die problemlose Erzeugung mindestens zwei kontinuierliche Perioden (Stoßimpulse) für die einfallenden Wellen, wie in Fig.11 dargestellt, anstelle einer Einzelperiode benötigt werden. Bezüglich der Interferenz ist festzuhalten, daß die Einflußmöglichkeit hierauf mit der Anzahl der Perioden wächst. Doch ergibt sich hieraus das Problem einer längeren Zeitdauer für die von der Oberfläche reflektierten Wellen sowie ein längerer Meßtakt, weshalb in der Praxis für die Anzahl der Perioden des Stoßimpulses ein Wert zwischen 10 und 20 gewählt wird.
Erfindungsgemäß kann die Verteilung der Kristallkörner mit anomaler Orientierung im Metallblech berührungslos, zerstörungsfrei und schnell bestimmt werden. Demgemäß können die Nachteile des gebräuchlichen Grobätzverfahrens vermieden werden, d.h. das Abziehen der isolierenden Deckschicht sowie das Hantieren mit den Ätzcheinikalien können entfallen. Weiterhin wird die Prüfzeit beträchtlich verkürzt. Früher gab es kein für die Online-Bestimmung geeignetes Verfahren, während der Online-Einsatz der vorliegenden Erfindung die Durchführung der Qualitätsprüfung auf der Gesamtlänge der anomalen Kristallkörner im Produkt ermöglicht. Weiterhin können in einem nachfolgenden Herstellungsschritt, beispielsweise einem Trennschritt, Abschnitte mit anomalen Kristallkörnern entfernt werden, wobei nur Abschnitte mit normalen Kristallkörnern als Erzeugnis akzeptiert werden, so daß ausgezeichnete Produkte erhalten werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei hierin durchgehend einheitliche Bezugszeichen für gleiche bzw. ähnliche Teile verwendet werden. Es zeigt:
Fig.1 einen Blockschaltplan inklusive einer partiellen Schrägansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Bestimmung der Kristallkornverteilung in einem Metallblech;
Fig.2 eine vereinfachte Ansicht der Schallgeschwindigkeitsmessung mittels interferierender Mehrfachreflexionen zwecks Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
Fig.3 eine grafische Darstellung eines Beispiels von gemessenen, durch interferierende Mehrfachreflexion erhaltenen Wellenformen;
Fig.4 ein Diagramm eines Beispiels für die Beziehung zwischen der Intensität der interferierenden mehrfach reflektierten Wellen und der Schallgeschwindigkeit zwecks Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
Fig.5 einen Aufriß, der den wesentlichen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des Transmissionsverfahrens darstellt;
Fig.6 ein Diagramm, in dem ein Beispiel der empfangenen ellenformen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Fig.5 erhältlich sind, aufgeführt ist;
Fig.7 einen Aufriß, der den wesentlichen Abschnitt eines weiteren Ausführungbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des Reflektorplatte-Verfahrens darstellt;
Fig.8 ein Diagramm, in dem ein Beispiel der empf angenen Wellenformen, die mit dem Verfahren gemäß Fig.7 erhältlich sind, aufgeführt sind;
Fig.9 einen Aufriß, der den wesentlichen Abschnitt eines verbesserten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des Reflektorplatte-Verfahrens darstellt;
Fig.10 ein Diagramm, das die Auswirkungen einer geringfügigen Variation der Ultraschallfrequenz gegenüber derjenigen in Fig.4 dargestellten zeigt;
Fig.11 ein Diagramm, in dem ein Ausführungsbeispiel der stoßimpulsarten Form des Einfallsimpulses gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
Fig.12 eine Perspektivansicht des Abtastverfahrens des Ultraschallprüfkopfs gemäß der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform;
Fig.13 ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Meßresultat beziiglich der Verteilung der anomalen Körner im obigen Ausführungsbeispiel darstellt;
Fig.14 eine Perspektivansicht eines Siliciumstahlblechs mit anomalen Kristallkörnern in vereinfachter Darstellungsweise;
Fig.15 eine Stereoprojektion, in der die Variation der Ultraschallgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Orientierungen der Einkristalle im Siliciumstahl dargestellt ist;
Fig.16 einen Aufriß, der die konventionelle Ultraschallgeschwindigkeitsmessung unter Verwendung von Mehrfachreflexionen in vereinfachter Darstellungsweise zeigt;
Fig.17 ein Diagramm, in dem Beispiele für die bei der Ultraschallgeschwindigkeitsmessung mittels Mehrfachreflexionen erhältliche Wellenformen dargestellt sind; und
Fig.18 einen Aufriß, in dem die gebräuchliche Ultraschallgeschwindigkeitsmessung mittels des Transmissionsverfahrens in vereinfachter Darstellungsweise gezeigt ist.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung für das erfindungsgemäße Reflektorplatte-Verfahren ist in Fig.1 dargestellt.
Ein Zeitsteuerschaltkreis 22 erzeugt periodische Pulse mit einer Wiederholfrequenz beispielsweise zwischen 1 und 10 KHz in Abhängigkeit von einer Probenabtastgeschwindigkeit eines Scanners 26.
Ein Pulsgenerator 20 erzeugt ein ca. 10 Stoßimpulse umfassendes elektrisches Signal mit einer Frequenz f, die sich nach der Gleichung f = v/2d errechnet, synchron zu den Pulsen vom Zeitsteuerschaltkreis 22.
Ein Sender- und Empfänger-Bauteile umfassender Ultraschallprüfkopf, wie in Fig.7 dargestellt, wandelt das elektrische Signal aus dem Pulsgenerator 20 in ein Ultraschallsignal um und sendet dieses in den zu vermessenden Körper 11. Der Ultraschallprüfkopf 12 ist im allgemeinen zusammen mit dem Körper 11 beispielsweise in Wasser eingetaucht. Weiterhin steuert der Scanner 26 den Ultraschallprüfkopf 12 so, daß dieser den Körper 11 zweidimensional abtastet.
Eine Reflektorplatte 14 ist unterhalb des Körpers 11 angebracht, wie aus Fig.7 ersichtlich.
Von der Oberseite bzw. Unterseite des Körpers 11 reflektierte Ultraschallwellen werden von der Reflektorplatte 14 zurückgeworfen und gelangen wieder zum Ultraschallprüfkopf 12, wo sie in elektrische Signale umgewandelt werden.
Ein Empfänger 28 nimmt die elektrischen Signale aus dem Ultra-schallprüfkopf 12 auf, verstärkt diese und leitet sie an eine Gatterschaltung 30 weiter.
Die Gatterschaltung 30 öffnet sich synchron zu einem Puls aus dem Zeitsteuerschaltkreis 22 nach einer festgelegten Verzögerungszeit, so daß nur das in Fig.8 dargestellte interferierende mehrfach reflektierte Signal R1 an eine Peak-Halteschaltung 32 durchgelassen wird.
Die Peak-Halteschaltung 32 detektiert synchron zu einem Puls aus dem Zeitsteuerschaltkreis 22 einen Spitzenwert des Signals aus der Gatterschaltung 30 während einer Wiederholzeit bis zum Eintreffen des folgenden Pulses und speichert den Spitzenwert für eine Wiederholzeit.
Da die Dauer eines Ultraschallsignals lediglich im Mikrosekundenbereich liegt, wird in dieser Peak-Halteschaltung 32 die Dauer des detektierten Signals verlängert, wodurch die Analog-Digital (A/D)-Umwandlung mittels eines A/D- Wandlers erleichtert wird.
Der Analog/Digital-Wandler 34 wandelt ein analoges Signal aus der Peak-Halteschaltung 32 synchron zu einem Puls aus der Zeitsteuerschaltung 22 in ein digitales Signal um und leitet dieses sodann an einen Mikroprozessor 36 weiter.
Der Mikroprozessor 36 empfängt das Digitalsignal aus dem A/D-Wandler 34 sowie ein Prüfkopf-Positionssignal von der Abtast-Einrichtung 26, bestimmt aus der Größe des interferierenden mehrfach reflektierten Wellensignals R1, ob die Kristallkörner normal bzw. anomal sind und gibt das Resultat sodann an eine Sichtanzeige-Einheit 38 weiter.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung der Kristallkorn-Orientierung ist vorzugsweise in einem Steuergerät für einen vorangehenden bzw. nachfolgenden Herstellungsschritt untergebracht, wodurch direkt eine Online-Kontrolle in Abhängigkeit von den Meßresultaten durchgeführt werden kann. In diesem Fall kann die Sichtanzeige-Einheit 38 entfallen.
Die Betriebsweise dieser Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezug auf ein Beispiel, bei dem ein Siliciumstahlblech mit einer Blechstärke d = 0,3 mm vermessen wird, näher erläutert.
Bei dieser Ausführungsform veranlaßt die Abtasteinrichtung 26 den Ultraschallprüfkopf 12, die Oberfläche des Stahlblechs 11 zweidimensional, wie aus Fig.12 ersichtlich, abzutasten. Wenn die Relativgeschwindigkeit auf 1 m/s, der Abtastzwischenraum auf 0,5 mm und die Wiederholfrequenz des Pulses aus der Zeitsteuerschaltung 22 auf 2 kHz festgelegt werden, dringt die Ultraschallwelle mit einer Geschwindigkeit von 1 pro (0,5 mm)² in das Stahlblech 11 ein.
Der Durchmesser des Kristallkorns in der Ebene des anisotropen Siliciumstahlblechs im Bereich der anomalen Kristallkörner liegt zwischen 0,5 und 1 mm, während derjenige im Bereich der normalen Kristallkörner darüber liegt. Daher durchdringen ein bzw. mehrere Ultraschallpulse fast alle Kristallkörner, so daß die Größe des interferierenden mehrfach ref lektierten Wellensignals für alle Kristallkörner bestimmt werden kann.
Wenn weiterhin der fokussierende Ultraschallprüfkopf, der die Ultraschallwellen zusammenzuführen in der Lage ist, eingesetzt wird und der Fokus in die Nähe der Mittellinie des Stahlblechs 11 in Dickenrichtung gelegt wird, kann ein Ultraschallstrahl mit einem Durchmesser von ca. 0,5 mm problemlos erhalten werden. Überdies kann der Abstand zwischen dem Stahlblech 11 und dem Prüfkopf 12 genauso groß ausfallen wie die Brennweite (einige mm bis einige 10 mm).
Während des oben geschilderten Abtastens kann diese Ausführungsform die Intensitäten der interferierenden mehrfach reflektierten Stoßimpulse R1 nacheinander bestimmen.
Wenn die Ultraschallfrequenz auf 10,33 MHz festgelegt wird, ist das Verhältnis zwischen der Reflexionsintensität und der Schallgeschwindigkeit in dem jeweiligen Kristallkorn das gleich wie das in Fig.4 dargestellte. Wenn demgemäß diese Reflexionsintensität synchron zur Abtastzone angezeigt wird, repräsentiert dieses Intensitätsverteilungsmuster die Kristallkonorientierungsverteilung. Somit kann aus der Meßwertverteilung bestimmt werden, ob die Produktqualität gut oder schlecht ist.
In Fig.13 ist ein Fallbeispiel aufgeführt, bei dem unter der Voraussetzung, daß die Anzahl der Stoßimpulse in der Ultraschallwelle auf 10 festgelegt ist, nur die Zonen mit anomalen Kristallkörnern als Beispiel für das Meßresultat gemäß dieser Ausführungform schwarz dargestellt sind. Es ist festzustellen, daß dieses Meßresultat sich in guter Übereinstimmung mit dem Meßergebnis gemäß dem konventionellen Grobätzverfahren befindet. Wie oben dargelegt, kann erfindungsgemäß die Zone der anomalen Kristallkörner zerstörungsfrei mit hoher Präzision bestimmt werden.
Diese Ausführungsform umfaßt die Kombination eines einzigen Ultraschallprüfkopfs 12 mit der Reflektorplatte 14 für den Einsatz gemäß Fig.7 (Reflektorplatte-Verfahren), womit von einer Seite aus gemessen werden kann, was insbesondere für Online-Messungen vorteilhaft ist. Nebenbei bemerkt beschränkt sich die Anordnung für die Ausstrahlung und den Empfang der Ultraschallwellen nicht auf die dargestellte Ausführungsform. Vielmehr ist auch eine Anordnung, wie beispielsweise in Fig.5 dargestellt, einsetzbar, bei der sich ein als Ultraschallsender 12A fungierender Prüfkopf auf der einen Seite des zu vermessenden Körpers 11 befindet, während diesem auf der anderen Seite des Körpers 11 ein als Empfänger 12B dienender Probekopf gegenübersteht (Transmissionsverfahren). Weiterhin kann auch eine Anordnung unter Verzicht auf die Reflektorplatte 14 (einfaches Reflexionsverfahren) gewählt werden.
Während bei obiger Ausführungform ein einziger Ultraschallprüfkopf 12 verwendet wird, kann jedoch eine Mehrzahl (bzw. eine Mehrzahl von Paaren) von Ultraschallköpfen zur Erhöhung der Meßgeschwindigkeit eingesetzt werden, falls der zu vermessende Körper 11 wie bei einer Online-Messung bewegt und eine Hochgeschwindigkeitsmessung gefordert wird.
Im übrigen ist bei obiger Ausführungform die Ultraschallfrequenz f so festgelegt worden, daß die Phasen miteinander übereinstimmen, wenn die Geschwindigkeit in die (110)- Richtung weist. Jedoch kann die Frequenz f derart gewählt werden, daß die Phasen um 180º gegeneinander verschoben sind, oder es kann im Gegensatz hierzu die Frequenz in Übereinstimmung mit der Geschwindigkeit der anomalen Orientierung festgelegt werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der zweidimensionalen Verteilung der normalen und anomalen Kristallkornorientierung in einem Metallblech (11), umfassend die Schritte:

zweidimensionales Abtasten der Oberfläche eines Blechs mit einem Ultraschall-Generator (12), wobei Ultraschallstoßimpulse erzeugt werden, jeder Impuls eine Anzahl Perioden besitzt und von den Blechflächen reflektierte Impulse erzeugt, die Ultraschallfrequenz f und die Periodenzahl des jeweiligen Impulses so gewählt sind, daß die Reflexionsimpulse interferieren, wobei die Frequenz f definiert ist durch f = n v/(2 d) oder als Wert wenig verschieden davon und n eine ganze Zahl oder ein Halbzahl ist, v die Schallgeschwindigkeit bei normaler oder anomaler Kristallkornorientierung und d die Dicke des Metallblechs;

Erfassen des Signals (T&sub1;), das ausgelöst wird von den interferierenden mehrfach reflektierten Impulsen, die der Auslöseimpuls verursacht hat und durch die andere Blechoberfläche (11) austreten;

Messen der Amplitude des erfaßten Signals (T&sub1;), wobei die Amplitude die gemessene Schallgeschwindigkeit in dem Metallblech darstellt und deren Geschwindigkeit von der Orientierung der Körner im Metallblech abhängt; und

Bestimmen aus der Amplitude die Kornorientierung in dem Bereich des Metallblechs (11), der gerade abgetastet wird, und Konstruktion der zweidimensionalen Kornorientierungs-Verteilung.

2. Verfahren zum Messen der zweidimensionalen Verteilung der normalen und anomalen Kristallkornorientierung in einem Metallblech (11), umfassend die Schritte:

zweidimensionales Abtasten der Oberfläche eines Blechs mit einem Ultraschallgenerator (12), wobei Ultraschallstoßimpulse erzeugt werden, jeder Impuls eine Anzahl Peripden besitzt und von den Blechflächen reflektierte Impulse erzeugt, die Ultraschallfrequenz f und die Periodenzahl des jeweiligen Impulses so gewählt sind, daß die Reflexionsimpulse interferieren, die Frequenz f definiert ist durch f = n v/(2 d) oder als ein leicht verschiedener Wert davon und n eine ganze Zahl oder eine Halbzahl ist, v die Geschwindig keit des Schalls bei normaler oder anomaler Kristallkornorientierung und d die Metallblechdicke;

Erfassen des Signals (S, B, R&sub1;, R&sub2;), das ausgelöst wurde von den interferierenden mehrfach reflektierten Impulsen- die der eine Auslöseimpuls verursacht hat und durch die Fläche des Blechs (11) austreten, und Verarbeiten des Erfassungssignals (S, B, R&sub1;, R&sub2;), wobei ein Signal (S), das eine direkt von der Fläche reflektierte Welle darstellt, entfernt wird;

Messen der Amplituden des verarbeiteten Erfassungssignals (B, R&sub1;), wobei die Amplitude die gemessene Schallgeschwindigkeit in dem Metallblech darstellt und deren Geschwindigkeit abhängt von der Kornorientierung in dem Metallblech; und

Bestimmen der Kornorientierung in dem Bereich des Metallblechs (11), das gerade abgetastet wird, aus der Amplitude, und Konstruktion der zweidimensionalen Kornorientierungsverteilung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gegenwart anomaler Körner mit zufälliger Kornorientierung so bestimmt wird, daß die gemessene Amplitude geringer ist als ein vorbestimmter Wert.

4. Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei ein jeder Ultraschallstoßimpuls zwischen 10 und 20 Perioden besitzt.

5. Vorrichtung zum Messen der zweidimensionalen Verteilung der normalen und anomalen Kristallkornorientierung in einem Metallblech (11), in Verbindung mit dem Metallblech, beinhaltend:

eine Ultraschallprobe mit einem Übertragungsbauteil (12A) und einem Empfangsbauteil (12B), die einander an den gegenüberliegenden Seiten des Metallblechs (11) gegenüberstehen;

Einrichtungen (26) zum Abtasten der Ultraschallprobe in einem zweidimensionalen Abtastmuster, so daß die Übertragungs- und die Empfangsbauteile gleichförmig die betreffenden Oberflächen des Metallblechs (11) abtasten;

Erzeugungseinrichtungen (20), die an das Übertragungsbauteil (12A) Pulssignale liefern, so daß von dort Ultraschallstoßimpulse erzeugt werden, jeder Impuls eine Anzahl Perioden besitzt und von den Flächen des Blechs (11) mehrfach reflektierte Impulse erzeugt, die Ultraschallfrequenz f und die Zahl der Perioden eines jeden Stoßimpulses so gewählt sind, daß die mehrfach reflektierten Impulse interferieren, wobei die Frequenz f definiert ist durch f = n v/(2 d) oder als ein Wert wenig verschieden davon und n eine ganze Zahl oder eine Halbzahl ist, v die Geschwindigkeit des Schalls bei normaler oder anomaler Kristallkornorientierung und d die Dicke des Metallblechs;

Empfangseinrichtungen (28) zum Empfang eines Signals, das im Empfangsbauteil (12B) erzeugt wurde;

Einrichtungen (30) zur Herausnahme eines Signals (T1), das die interferierenden mehrfach reflektierten Impulse eines Auslöseimpulses darstellt, aus den Signalen, die von den Empfangseinrichtungen empfangen wurden;

Einrichtungen (32, 34) zum Bestimmen der Amplitude des Signals: (T&sub1;), das die gemessene Schallgeschwindigkeit in dem Metallblech darstellt und welche abhängt von der Orientierung der Körner in dem Metallblech; und

Verarbeitungseinrichtungen (36), die aus der Amplitude die Kornorientierung in dem Abschnitt des Metallblechs (11), das gerade abgetastet wird, bestimmen und daraus die zweidimensionale Verteilung der Kornorientierung konstruieren.

6. Vorrichtung zum Messen der zweidimensionalen Verteilung der normalen und anomalen Kristallkornorientierung in einem Metallblech (11), in Verbindung mit dem Metallblech, beinhaltend:

eine Ultraschallprobe (12) zum Übertragen und Empfangen von Ultraschallpulsen und angeordnet auf einer Seite des Metallblechs;

Einrichtungen (26) zum Abtasten der Ultraschallprobe in einem zweidimensionalen Tastmuster über das Metallblech (11);

Erzeugereinrichtungen (20), die an die Ultraschallprobe die Pulssignale geben, so daß von dort stoßähnlich Ultraschallpulse erzeugt werden, jeder Impuls eine Anzahl Perioden besitzt und von den Oberflächen des Blechs mehrfach reflektierte Impulse erzeugt, die Ultraschallfrequenz f und die Zahl der Perioden eines jeden Impulses so gewählt sind, daß die mehrfach reflektierten Impulse interferieren, wobei die Frequenz f definiert ist durch f = n v/(2 d) oder als ein Wert wenig verschieden davon und n eine ganze Zahl oder eine Halbzahl ist, v die Geschwindigkeit des Schalls bei normaler oder anomalen Kristallkornorientierung und d die Dicke des Metallblechs;

eine Reflexionsplatte (14), die auf der anderen Seite des Metallblechs (11), gegenüberliegend der Ultraschallprobe (12), angeordnet ist;

Empfangseinrichtungen (28) zum Empfangen eines Signals (Sa, Ba, R&sub1;, R&sub2;), die an der Ultraschallprobe (12) erzeugt werden;

Einrichtungen (30), die aus dem Signal ein direktes Reflexionssignal (5a) ausscheiden und ein Signal (R&sub1;) extrahieren, das jene interferierenden mehrfach reflektierten Impulse eines Auslösestoßimpulses darstellt, die bei der Reflexion an der Reflexionsplatte gebildet werden,

Einrichtungen (32, 34) zum Bestimmen einer Amplitude des Signals, das die gemessene Schallgeschwindigkeit in dem Metallblech darstellt und abhängt von der Orientierung der Körner in dem Metallblech; und

Verarbeitungseinrichtungen (36), die aus der Amplitude die Kornorientierung in dem Abschnitt des Metallblechs (11), das gerade abgetastet wird, bestimmen und davon die zweidimensionale Verteilung der Kornorientierung konstruieren.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Ultraschallprobe (12) eine fokussierende Ultraschallprobe ist, die den Impuls der Ultraschallwellen an einem Punkt nahe der Mitte des Blechs (11) in Dickenrichtung fokussiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Reflexionsplatte (14) einen konkaven Abschnitt hat, der die hierdurch reflektierten Ultraschallwellen an einem Punkt nahe der Mitte des Blechs (11) in Dickenrichtung fokussiert.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Empfangseinrichtungen beinhalten:

eine Gatterschaltung (30) zum Extrahieren nur eines Signals (Ba, R&sub1;, T&sub1;), das durch die Interferenz der mehrfach reflektierten Impulse erzeugt wird, während andere Signale, wie das Signal (S), das durch direkte Reflexion von der Blechoberfläche erzeugt wurde, ausgeschlossen werden und zwar synchron mit einem Impuls (A), der von der Zeitsteuerschaltung (22), die zur Steuerung der Erzeugereinrichtungen (20) verwendet wird, emittiert wird;

eine Peak-Halteschaltung (32) zum Halten eines Peakwerts des extrahierten Signals für eine vorbestimmte Zeitdauer; und

einen Analog/Digital-Wandler (34) zur analogen und digitalen Umwandlung einer Ausgabe von der Peak- Halteschaltung (32).

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, wobei sich der gesamte Ausbreitungsweg der Ultraschallwellen im Wasser befindet.