JP2004309355A - 鋼材の焼入れ深さ測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを非破壊で簡単に精度良く測定することができる鋼材の焼入れ深さ測定装置を提供する。
【解決手段】鋼材１の表面に接触して電流を供給する一対の電流探針と、電流探針と異なる位置に接触して異なる二つの電圧を検出する二対の検出探針とを有する６探針プローブ１１、電流探針に電流を供給する励磁手段１２、検出した二つの電圧を取り込み交互に出力する切換手段１３、出力された各電圧を増幅する増幅手段１５、１６、増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、次式
【数１】
で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、焼入れ深さｄを算出する演算手段１８、算出された焼入れ深さｄを表示する表示手段１９を備えた構成としたものである。
【選択図】 図１３
【解決手段】鋼材１の表面に接触して電流を供給する一対の電流探針と、電流探針と異なる位置に接触して異なる二つの電圧を検出する二対の検出探針とを有する６探針プローブ１１、電流探針に電流を供給する励磁手段１２、検出した二つの電圧を取り込み交互に出力する切換手段１３、出力された各電圧を増幅する増幅手段１５、１６、増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、次式
【数１】
で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、焼入れ深さｄを算出する演算手段１８、算出された焼入れ深さｄを表示する表示手段１９を備えた構成としたものである。
【選択図】 図１３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを非破壊で測定する鋼材の焼入れ深さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車部品としてのクランクシャフトやコンロッド等の鋼製部品においては、耐摩耗性、疲労特性を向上させるために高周波焼き入れにより鋼材の表面硬化が施されている。鋼材の表面に生成した焼入れ層（硬化層）の深さ（以下「焼入深さ」という）を評価する場合、従来からビッカース硬さ試験、ブルネル硬さ試験、ロックウエル硬さ試験、ショア硬さ試験、マクロ組織試験法等の破壊方式が採用されている。硬さ試験による焼入深さの測定方法は、焼入された部品を焼入れ層に垂直に切断し、切断面を研磨仕上げ後ダイヤモンド等の非常に硬いものにより所定の荷重を加えて前記仕上げ面に凹みをつけ、この凹みの一辺の長さを測定して硬さ推移曲線からビッカース硬さにより有効焼入れ層の深さを、又は凹みの深さを測定して硬さ推移曲線からブルネル硬さにより有効焼入れ層の深さを、算出するものである。マクロ組織試験法は、試料の切断面を腐食させて低倍率の拡大鏡で観察し、焼入れ層の深さを測定するものである。
【０００３】
また、渦電流を利用して焼入深さを測定する非破壊検査方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
「非破壊検査第４９巻１号」（社）日本非破壊検査協会出版平成１２年１月１日発行Ｐ．５５〜６５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビッカース硬さ試験、ブルネル硬さ試験、ロックウエル硬さ試験、ショア硬さ試験、或いはマクロ組織試験法等の非破壊検査による評価方法は、非常に手間がかかり、大変な労力を要するばかりでなく、材料を無駄にする、抜き取り破壊検査のため実サンプルでない、全数検査をすることができない等の多くの問題がある。
【０００６】
また、渦電流を利用して焼入深さを測定する検査方法においては、鋼材に導電率と透磁率の２つのパラメータが存在するために測定が難しいという問題がある。
また、４探針プローブを用いた電位差法によって焼入れ層の深さを非破壊で評価することが可能であることが古くから知られているが未だに実用とされていない。その理由は、評価精度が明らかとされていないこと、精度と作業性の両方を考慮したプローブの検討がなされていないこと等が考えられる。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを非破壊で簡単に且つ精度良く測定することが可能な鋼材の焼入れ深さ測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明では、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを測定する鋼材の焼入深さ測定装置であって、前記鋼材の表面に接触して電流を供給する一対の電流探針と、前記鋼材表面の前記電流探針と異なる位置に接触して異なる二つの電圧を検出する二対の検出探針とを有する６探針プローブと、前記電流探針に電流を供給する励磁手段と、前記検出した二つの電圧を取り込み、交互に出力する切換手段と、前記出力された各電圧を増幅する増幅手段と、前記増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、次式
【０００９】
【数２】
【００１０】
で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、前記焼入れ深さｄを算出する演算手段と、前記算出された焼入れ深さｄを表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。
６探針プローブの三対の探針が鋼材の表面に接触され、励磁回路から一対の電流探針間に電流が供給されると、二対の検出探針間に夫々異なる電圧が発生する。これらの異なる二つの電圧は、切換手段に取り込まれ交互に出力されて増幅手段により増幅される。プローブは、２本の電流探針と４本の検出探針とで６探針構成とすることで測定を１回で済ませることができ、測定誤差、間違いを軽減することができる。演算手段は、前記増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、演算式で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、前記焼入れ深さｄを算出して、表示手段により表示する。これにより、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さｄを精度良く、迅速且つ簡単に測定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる鋼材の焼入れ深さ測定装置を図面により詳細に説明する。
先ず、焼入れ深さの測定方法の原理について説明する。鋼材の表面に焼入れをした場合、焼入れ層の抵抗率が母材（母層）の抵抗率と異なり、焼入れ層の抵抗率が母材の抵抗率よりも高くなる。そこで、母材と焼入れ層の抵抗率が異なることに着目して実用的な電位差法を用いて焼入れ深さの測定を行うものである。
【００１２】
図１に示すように十分大きな試料（鋼材）１の母材２の表面に焼入れ層３が生成されている場合、母材２の抵抗率をρ０、焼入れ層３の抵抗率をρ、焼入れ深さをｄとする。そして、この試料１の表面に測定プローブ５を接触させる。６探針プローブ５は、三対（６本の）電極探針（以下、単に「探針」という）Ａ〜Ｆを有し、一対の探針Ａ―Ｄを電極探針としてこれらの探針Ａ−Ｄ間に電流Ｉを供給し、一対の探針Ｅ―Ｆ、及び一対の探針Ｂ−Ｃを夫々検出探針としてこれらの検出探針Ｅ−Ｆ間、Ｂ−Ｃ間の各電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを測定する。各探針Ａ〜Ｆは、不図示のスプリングのばね力により先端が焼入れ層３の表面に一定圧で接触可能とされている。探針Ａ〜Ｆは、プローブの中心位置に対して左右対称に一列に配置されており、探針Ａ−Ｅ、Ｆ−Ｄの間隔を夫々ｒ１、探針Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄの間隔を夫々ｒ２としている。このとき電位差Ｖｎは、次式で表される。
【００１３】
【数３】
【００１４】
電位差ＶＥＦ、ＶＢＣは測定可能であり、電流Ｉ、探針総隔値Ｓ、探針間隔ｒ１、ｒ２は既知であるから、母材２の抵抗率ρ０が予め分かっていれば、未知数はρとｄだけとなり、電位差ＶＥＦとＶＢＣとを表す２つの式より２つの未知数ρ、ｄを連立して求めることが可能となる。
電位差から焼入れ深さｄと抵抗率の比α（ρ／ρ０）を求める方法は、測定した電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを満たすｄとαの関係により求める。即ち、ＶＥＦを満たすｄとαの関係をｄＥＦ（α）、ＶＢＣを満たすｄとαの関係をｄＢＣ（α）とし、これを満たすｄとαを求める。具体的には図２に示す２本の曲線の交点を求めて、ｄとαを求める。
【００１５】
電位差の測定値には通常誤差が含まれる。従って、二つの電位差から数式３に基づいて値ｄとαを求める過程において誤差がｄとαに拡大して伝播する。この誤差伝播の特性は、プローブの探針総間隔Ｓ、検出探針間隔ｒ１、ｒ２の取り方で変化する。そこで、誤差伝播のシミュレーションを実施し、その結果に基づいて評価精度明らかにすると共に、精度が最も良い探針間隔を決定する。即ち、測定精度が最も良いプローブの設計を誤差伝播解析に基づいて行う。
【００１６】
実際に導入される焼入れ層３の焼入深さは１〜７ｍｍ程度である。また、最も良く使われる鋼材としてはＳ４５Ｃ、ＳＣＭ４３５があり、自動車部品等の高周波焼き入れに用いられる部品の約８割がこれらの鋼材が占めている。Ｓ４５Ｃでは理想的に焼入れをした場合、α（＝ρ／ρ０）が約１．３である。そこで、αの値を典型的な焼入れ鋼の場合の値α＝１．３として、１＜ｄ＜７ｍｍの焼入れ層３に対して探針間隔が異なる２つのプローブを適用した場合について、夫々電位差の測定誤差｜ΔＶ／Ｖ｜が±０．５％の場合に現れる焼入れ深さｄの評価誤差｜Δｄ｜（ｍｍ）と、αの相対評価誤差｜Δα｜／α（％）の伝播をシミュレートした。その結果を図３、図４、及び図５に示す。Δｄは、ｄを真値としたときに、真値ｄから電位差が±０．５％変化した時のｄの値を引いた値を、Δαは、αを真値としたときに、真値αから電位差が±０．５％変化した時のαの値を引いた値である。
【００１７】
図３は、図１に示す６探針プローブ５においてｒ１＝１ｍｍ、ｒ２＝４ｍｍ、Ｓ＝１５ｍｍに設定した場合を、図４は、ｒ１＝５ｍｍ、ｒ２＝１０ｍｍ、Ｓ＝２５ｍｍに設定した場合を、図５は、ｒ１＝２ｍｍ、ｒ２＝６ｍｍ、Ｓ＝２５ｍｍに設定した場合を示す。図３乃至図５において太線は｜Δｄ｜（ｍｍ）を、細線は｜Δα｜／α（％）を示す。これにより、探針総間隔Ｓ、検出探針間隔ｒ１、ｒ２によって誤差伝播の特性が大きく異なることが明らかとなった。特に、図５に示すプローブを使用した場合、αの誤差が５％以下（５％を超えると評価できなくなる）で、焼入れ深さｄが１〜５ｍｍにおいて誤差±０．５ｍｍの範囲で評価可能であることが明らかとなった。
【００１８】
図５において誤差±０．５％の範囲内のｄの最小値が約１．７ｍｍ、最大値が約４．８ｍｍであり、ｄの有効範囲は、約１．７〜４．８ｍｍである。そこで、ｒ１を２ｍｍに固定してｒ２を変化させ、誤差±０．５％以内におけるｄの最小値、最大値をシミュレートした結果、ｄの有効範囲は、図６の曲線ＩａとＩｂの間の領域［Ｉ］となった。同様にｒ１＝１ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は、曲線ＩＩａとＩＩｂの間の領域［ＩＩ］、ｒ１＝３ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は曲線ＩＩＩａとＩＩＩｂの間の領域［ＩＩＩ］の範囲となった。
【００１９】
具体的には、ｒ１を１ｍｍとし、ｒ２を１０ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜６．５ｍｍ、ｒ２を６ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．１ｍｍ〜５．４ｍｍである。また、ｒ１を３ｍｍとし、ｒ２を１０ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約２．２ｍｍ〜５．５ｍｍ、ｒ２を６ｍｍとした場合ｄの有効範囲は約２．０ｍｍ〜３．６ｍｍである。
【００２０】
同様に図３において誤差±０．５％の範囲内のｄの最小値が約１．２ｍｍ、最大値が約４．０ｍｍであり、ｄの有効範囲は、約１．２ｍｍ〜４ｍｍである。そこで、ｒ１を１ｍｍに固定してｒ２を変化させ、誤差±０．５％以内におけるｄの最小値、最大値をシミュレートした結果、ｄの有効範囲は、図７の曲線ＩＶａとＩＶｂの間の領域［ＩＶ］となった。同様にｒ１＝２ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は、曲線ＶａとＶｂの間の領域［Ｖ］となった。
【００２１】
具体的には、ｒ１を１ｍｍとし、ｒ２を７ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜４．７ｍｍ、ｒ２を５ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜４．３ｍｍである。また、ｒ１を２ｍｍとし、ｒ２を７ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．５ｍｍ〜４．３ｍｍ、ｒ２を５ｍｍとした場合ｄの有効範囲は約１．４ｍｍ〜３．６ｍｍである。
【００２２】
従って、探針の総間隔Ｓ、検出探針の間隔ｒ１、ｒ２を変えることで、種々の仕様に対応することが可能である。尚、これらの間隔Ｓ、ｒ１、ｒ２をプローブ定数と称することとする。
さて、図１に示すプローブにおいて、探針間隔をｓとすると、式（１）は、次式で表される。
【００２３】
【数４】
【００２４】
ここに、ＦＢＣ、ＦＥＦは無次元の係数である。
上式（２）、（３）において電流Ｉ、抵抗率ρ０、探針間隔ｓが既知であり、従って、電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを測定することで、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣが求まる。例えば、探針間隔が等間隔ｓの場合、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣは、次式で表される。
【００２５】
【数５】
【００２６】
これらの式（４）、（５）において、αをパラメータとし、ｄ／ｓを変化させると、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣは、図８、図９のように表される。
上述したように測定した電位差ＶＥＦと、既知の電流Ｉ、抵抗率ρ０、探針間隔ｓとにより１／ＦＥＦが求まるから、図８において前記求めた１／ＦＥＦの値における各特性曲線との各交点の各αと各ｄ／ｓとを読み取り、図１０に示すように横軸をα、縦軸をｄ／ｓとして特性曲線ＶＩを描く。同様にして図９において１／ＦＢＣの値と各特性曲線との交点の各αと各ｄ／ｓとを読み取り、図１０に特性曲線ＶＩＩを描く。そして、これらの２本の特性曲線ＶＩとＶＩＩとの交点が求める値αと、ｄ／ｓとなる。値ｓは、既知であり、従って、ｄを求めることができる。
【００２７】
前述した（２）式、（３）式は、試料が無限に広い平らな表面と無限の厚さを持つ場合（以下「半無限体」という）に成り立つ関係式である。従って、有限の大きさを持つ現実の試料にプローブを当てて測定した電位差を夫々Ｖｅｆ、Ｖｂｃとするときこれに形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃを掛けて次式に示すように試料が半無限体の場合に測定される電位差ＶＥＦ、ＶＢＣに補正する。
【００２８】
【数６】
【００２９】
そして、これらの補正した値ＶＥＦ、ＶＢＣを前記（２）式、（３）式の電位差として代入して焼入深さの評価を行う。尚、形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃは鋼材の形状に応じて予め求める。以下に焼入深さの評価の実施例を示す。
【００３０】
【実施例】
（１）試料：ＳＣＭ４３５、φ４８ｍｍ、長さ３００ｍｍ
（２）エッチングによって評価した焼入れ深さｄ＝３．７ｍｍ
（３）測定プローブ：図１に示す６探針プローブを使用
探針総間隔Ｓ＝１５ｍｍ、ｒ１＝１ｍｍ、ｒ２＝４ｍｍに設定した。
（４）信頼限界＝標本平均±ｋ（不偏分散／データ数）１／２で表し、ｋの値を、データ数３０未満のときｔ分布表より、データ数３０以上のとき正規分布表より求めた。
（５）信頼限界９０％の区間で評価した測定結果を以下に示す。
（ｉ）データ数＝３０のとき
ｄ＝３．５５±０．３１ｍｍ
α＝１．２３±０．００７
（ｉｉ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．４６±０．５７ｍｍ
α＝１．２４±０．０１６
（ｉｉｉ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．５８±０．６２ｍｍ
α＝１．２２±０．０１１
（ｉｖ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．６０±０．６６ｍｍ
α＝１．２３±０．０１１
以上の各評価結果から、α（ρ／ρ０）の誤差が５％以下で、焼入れ深さｄが１＜ｄ＜７ｍｍにおいて誤差±０．５ｍｍの範囲で評価可能であり、十分に実用的であることが明らかとなった。
【００３１】
尚、上記測定方法において６探針プローブ５は、電流探針ＡとＤの内側に検出探針ＥとＦ、ＢとＣを配置した構成としたが、これに限るものではなく、図１１に示す６探針プローブ６のように電流探針ＡとＤの内側に検出探針ＢとＣを、外側に検出探針ＥとＦとを配置した構成としてもよく、或いは図１２に示す６探針プローブ７のように、電流探針ＡとＤの外側に検出探針ＢとＣを配置し、検出探針ＢとＣの外側に検出探針ＥとＦとを配置する構成としてもよい。
【００３２】
また、これらの６探針プローブ５、６、７においては６本の探針Ａ〜Ｆを一直線上に一列に配置したがこれに限るものではない。即ち、検出探針ＥとＦ、ＢとＣは、電流探針ＡとＤにより材料に電流を供給したときに異なる２つの電位差を検出できればよく、従って、電流探針ＡとＤ、検出探針ＥとＦ、及びＢとＣの配置や、各探針の間隔等は、被測定対象物の形状や測定個所等に応じて最適な配置や間隔に設定すればよい。
【００３３】
次に、本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置について説明する。
図１３は、鋼材の焼入れ深さ測定装置の実施形態を示すブロック図である。図１３において材料１は、例えば、Ｓ４５Ｃの丸棒鋼で母材２の表面に深さｄの焼入れ層３が生成されている。そして、母材２の抵抗率がρ０、焼入層３の抵抗率がρであるとする。
【００３４】
鋼材の焼入深さ測定装置１０のプローブ１１は、図１に示すような探針間隔が等間隔Ｓの６探針プローブとされ、各探針Ａ〜Ｆは、不図示のスプリングのばね力により先端が焼入れ層３の表面に一定圧で接触可能とされている。探針ＡとＤが電流探針とされ、探針ＥとＦ、ＢとＣが夫々電位差Ｖｅｆ、Ｖｂｃを検出する検出探針とされている。電流探針ＡとＤは、励磁回路１２に接続されて材料１に電流（直流電流）Ｉを供給（通電）し、検出探針ＥとＦは、電位差（以下「電圧」という）Ｖｅｆを検出し、検出探針ＢとＣは、電位差（以下「電圧」という）Ｖｂｃを検出する。これらの検出探針ＥとＦ、ＢとＣは、切換回路１３に接続されている。
【００３５】
切換回路１３は、後述する演算手段としてのコンピュータ１８により切換制御されて、電圧ＶｅｆとＶｂｃを交互に取り込んで出力する。プローブ１１を２本の電流探針と４本の検出探針とで６探針構成とすることで測定を１回で済ませることができ、測定誤差、間違いを軽減することができる。また、切換回路１３により４本の検出探針ＥとＦ、ＢとＣから差動入力方式で２つの電圧を切り換えて交互に取り込み出力することで、装置の安定化、小型化が可能となる。
【００３６】
入力手段としての操作キー１４は、コンピュータ１８に各種のパラメータを入力する。パラメータとしては、鋼材の形状（丸棒、パイプ、角棒等）に依存する形状補正係数（１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃ ）、プローブ１１の探針の総間隔Ｓ、探針間隔ｒ１、ｒ２等のプローブ定数、供給する電流値Ｉ、母材２の抵抗率ρ０、メモリ番号等がある。メモリ番号とは、ユーザによって測定すべき材料の形状、寸法、探針位置及び電流値が特定している場合において、これらの情報をメモリに記憶させたときに、これらの情報の組合せについて付ける番号である。この番号を入力することで、これらの情報の入力の手間が省ける。
【００３７】
前段増幅回路１５、後段増幅回路１６は、切換回路１３から交互に出力された電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃを増幅して所定の電圧として出力する。負帰還回路１７は、前段増幅回路１５、後段増幅回路１６に接続されており、接点電圧即ち、検出された電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃ、増幅回路１５、１６の残留電圧を、負帰還を掛けて測定前の０（零）値を取るためのものである。
【００３８】
コンピュータ１８は、励磁回路１２を制御して電流探針Ａ、Ｄに加える電流Ｉの方向を所定時間毎に電極探針Ａ→Ｄ、Ｄ→Ａへと所定回数例えば、１０回切り換え、その都度検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ 、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃを測定してその平均値（以下「平均電圧」という）Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出する。また、コンピュータ１８は、探針Ａ〜Ｆの材料１への接触時及び離隔時にアークの発生を防止するために、測定開始時に６本の探針が全て材料１の表面に接触した後に電流探針Ａ、Ｄ間に通電させ、所定回測定後電流を遮断する。
【００３９】
また、コンピュータ１８は、前段増幅回路１５、後段増幅回路１６の各増幅率を最適な値に切換制御して後段増幅器１６から所定の電圧を出力させる。電源回路２０は、前記各回路１２、１３、１５〜１８に所定の電源を供給する。
以下に測定の動作を説明する。
コンピュータ１８は、測定に際して検出探針ＥとＦとの間、ＢとＣとの間を短絡させてゼロ調節する。また、電流探針ＡとＤとの間の電流Ｉが０（開放時）のときに前段増幅回路１５と後段増幅回路１６の各オフセット電圧をキャンセルして、測定前のゼロを取る。
【００４０】
プローブ１１の探針Ａ〜Ｆの先端が材料１の表面に押し付けられて接触し、電流探針ＡからＤに電流Ｉが供給されると、検出探針ＥとＦ間に電圧Ｖｅｆが発生し、探針ＢとＣとの間に電圧Ｖｂｃが発生する。コンピュータ１８は、電流探針ＡとＤとの間の電流Ｉの方向を前述したように１０回切り換えて切換回路１３から交互に出力されて前段増幅回路１５及び後段増幅回路１６で増幅された各電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃを入力する。
【００４１】
コンピュータ１８は、１０回づつ測定した検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出し、これらの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを操作キー１４から入力されてメモリに記憶されている形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃにより補正し、材料１が半無限体の場合に測定される電位差ＶＥＦ（＝Ｖｅｆｍ／Ｃｅｆ ）、ＶＢＣ（＝Ｖｂｃｍ／Ｃｂｃ ）に補正し、これらの補正した電位差ＶＥＦ、ＶＢＣにより前式（２）〜（５）に沿って演算処理して値ｄ／ｓ、αを算出し、これらの値から焼入れ深さｄ、焼入硬化層３の抵抗率ρを算出する。このように、検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃを複数回（１０回）づつ測定してその平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出し、これらの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを用いてＶＥＦ、ＶＢＣを補正して（２）式、（３）式の演算を行うことで、演算時間の大幅な短縮を図ることが可能となる。コンピュータ１８は、算出した焼入れ深さｄを表示回路１９に表示する。これにより、焼入れ層３の焼入深さｄを迅速、且つ精度よく測定することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、６探針プローブにより鋼材表面の異なる２箇所の電圧を検出し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数として所定の演算式で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算することにより、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さｄを非破壊で精度良く、迅速且つ簡単に測定し、表示手段にすることができ、製品検査の作業性の大幅な向上が図られると共に、全数検査を行うことができ、信頼性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置の測定方法を説明する図である。
【図２】図１の測定方法により測定した電位差を満たす焼入れ深さと抵抗率の比との関係を示す図である。
【図３】図１に示す測定方法における誤差の評価の一例を示す図である。
【図４】図１に示す測定方法における誤差評価の一例を示す図である。
【図５】図１に示す測定方法における誤差評価の一例を示す図である。
【図６】図５に示す誤差評価から焼入れ深さの有効範囲と探針間隔との関係の一例を示す図である。
【図７】図３に示す誤差評価から焼入れ深さの有効範囲と探針間隔との関係の一例を示す図である。
【図８】測定した一の電位差から抵抗率比と焼入れ深さとの関係の一例を示す図である。
【図９】測定したもう一つの電位差から抵抗率比と焼入れ深さとの関係の一例を示す図である。
【図１０】図８及び図９に示す特性から求めた焼入れ深さと抵抗率比との関係の一例を示す図である。
【図１１】図１に示す６探針プローブの他の構成例を示す説明図である。
【図１２】図１に示す６探針プローブの他の構成例を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 材料（鋼材）
２ 母材
３ 焼入れ層
５、６、７、１１ ６探針プローブ
１０ 鋼材の焼入れ深さ測定装置
１２ 励磁回路
１３ 切換回路
１４ 操作キー（入力手段）
１５、１６ 増幅回路
１７ 負帰還回路
１８ コンピュータ（演算手段）
１９ 表示回路（表示手段）
２０ 電源回路
Ａ、Ｄ 電流探針
Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ 検出探針
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを非破壊で測定する鋼材の焼入れ深さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車部品としてのクランクシャフトやコンロッド等の鋼製部品においては、耐摩耗性、疲労特性を向上させるために高周波焼き入れにより鋼材の表面硬化が施されている。鋼材の表面に生成した焼入れ層（硬化層）の深さ（以下「焼入深さ」という）を評価する場合、従来からビッカース硬さ試験、ブルネル硬さ試験、ロックウエル硬さ試験、ショア硬さ試験、マクロ組織試験法等の破壊方式が採用されている。硬さ試験による焼入深さの測定方法は、焼入された部品を焼入れ層に垂直に切断し、切断面を研磨仕上げ後ダイヤモンド等の非常に硬いものにより所定の荷重を加えて前記仕上げ面に凹みをつけ、この凹みの一辺の長さを測定して硬さ推移曲線からビッカース硬さにより有効焼入れ層の深さを、又は凹みの深さを測定して硬さ推移曲線からブルネル硬さにより有効焼入れ層の深さを、算出するものである。マクロ組織試験法は、試料の切断面を腐食させて低倍率の拡大鏡で観察し、焼入れ層の深さを測定するものである。
【０００３】
また、渦電流を利用して焼入深さを測定する非破壊検査方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
「非破壊検査第４９巻１号」（社）日本非破壊検査協会出版平成１２年１月１日発行Ｐ．５５〜６５
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ビッカース硬さ試験、ブルネル硬さ試験、ロックウエル硬さ試験、ショア硬さ試験、或いはマクロ組織試験法等の非破壊検査による評価方法は、非常に手間がかかり、大変な労力を要するばかりでなく、材料を無駄にする、抜き取り破壊検査のため実サンプルでない、全数検査をすることができない等の多くの問題がある。
【０００６】
また、渦電流を利用して焼入深さを測定する検査方法においては、鋼材に導電率と透磁率の２つのパラメータが存在するために測定が難しいという問題がある。
また、４探針プローブを用いた電位差法によって焼入れ層の深さを非破壊で評価することが可能であることが古くから知られているが未だに実用とされていない。その理由は、評価精度が明らかとされていないこと、精度と作業性の両方を考慮したプローブの検討がなされていないこと等が考えられる。
【０００７】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを非破壊で簡単に且つ精度良く測定することが可能な鋼材の焼入れ深さ測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明では、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを測定する鋼材の焼入深さ測定装置であって、前記鋼材の表面に接触して電流を供給する一対の電流探針と、前記鋼材表面の前記電流探針と異なる位置に接触して異なる二つの電圧を検出する二対の検出探針とを有する６探針プローブと、前記電流探針に電流を供給する励磁手段と、前記検出した二つの電圧を取り込み、交互に出力する切換手段と、前記出力された各電圧を増幅する増幅手段と、前記増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、次式
【０００９】
【数２】
で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、前記焼入れ深さｄを算出する演算手段と、前記算出された焼入れ深さｄを表示する表示手段とを備えたことを特徴とする。
６探針プローブの三対の探針が鋼材の表面に接触され、励磁回路から一対の電流探針間に電流が供給されると、二対の検出探針間に夫々異なる電圧が発生する。これらの異なる二つの電圧は、切換手段に取り込まれ交互に出力されて増幅手段により増幅される。プローブは、２本の電流探針と４本の検出探針とで６探針構成とすることで測定を１回で済ませることができ、測定誤差、間違いを軽減することができる。演算手段は、前記増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、演算式で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算し、前記焼入れ深さｄを算出して、表示手段により表示する。これにより、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さｄを精度良く、迅速且つ簡単に測定することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる鋼材の焼入れ深さ測定装置を図面により詳細に説明する。
先ず、焼入れ深さの測定方法の原理について説明する。鋼材の表面に焼入れをした場合、焼入れ層の抵抗率が母材（母層）の抵抗率と異なり、焼入れ層の抵抗率が母材の抵抗率よりも高くなる。そこで、母材と焼入れ層の抵抗率が異なることに着目して実用的な電位差法を用いて焼入れ深さの測定を行うものである。
【００１２】
図１に示すように十分大きな試料（鋼材）１の母材２の表面に焼入れ層３が生成されている場合、母材２の抵抗率をρ０、焼入れ層３の抵抗率をρ、焼入れ深さをｄとする。そして、この試料１の表面に測定プローブ５を接触させる。６探針プローブ５は、三対（６本の）電極探針（以下、単に「探針」という）Ａ〜Ｆを有し、一対の探針Ａ―Ｄを電極探針としてこれらの探針Ａ−Ｄ間に電流Ｉを供給し、一対の探針Ｅ―Ｆ、及び一対の探針Ｂ−Ｃを夫々検出探針としてこれらの検出探針Ｅ−Ｆ間、Ｂ−Ｃ間の各電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを測定する。各探針Ａ〜Ｆは、不図示のスプリングのばね力により先端が焼入れ層３の表面に一定圧で接触可能とされている。探針Ａ〜Ｆは、プローブの中心位置に対して左右対称に一列に配置されており、探針Ａ−Ｅ、Ｆ−Ｄの間隔を夫々ｒ１、探針Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄの間隔を夫々ｒ２としている。このとき電位差Ｖｎは、次式で表される。
【００１３】
【数３】
電位差ＶＥＦ、ＶＢＣは測定可能であり、電流Ｉ、探針総隔値Ｓ、探針間隔ｒ１、ｒ２は既知であるから、母材２の抵抗率ρ０が予め分かっていれば、未知数はρとｄだけとなり、電位差ＶＥＦとＶＢＣとを表す２つの式より２つの未知数ρ、ｄを連立して求めることが可能となる。
電位差から焼入れ深さｄと抵抗率の比α（ρ／ρ０）を求める方法は、測定した電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを満たすｄとαの関係により求める。即ち、ＶＥＦを満たすｄとαの関係をｄＥＦ（α）、ＶＢＣを満たすｄとαの関係をｄＢＣ（α）とし、これを満たすｄとαを求める。具体的には図２に示す２本の曲線の交点を求めて、ｄとαを求める。
【００１５】
電位差の測定値には通常誤差が含まれる。従って、二つの電位差から数式３に基づいて値ｄとαを求める過程において誤差がｄとαに拡大して伝播する。この誤差伝播の特性は、プローブの探針総間隔Ｓ、検出探針間隔ｒ１、ｒ２の取り方で変化する。そこで、誤差伝播のシミュレーションを実施し、その結果に基づいて評価精度明らかにすると共に、精度が最も良い探針間隔を決定する。即ち、測定精度が最も良いプローブの設計を誤差伝播解析に基づいて行う。
【００１６】
実際に導入される焼入れ層３の焼入深さは１〜７ｍｍ程度である。また、最も良く使われる鋼材としてはＳ４５Ｃ、ＳＣＭ４３５があり、自動車部品等の高周波焼き入れに用いられる部品の約８割がこれらの鋼材が占めている。Ｓ４５Ｃでは理想的に焼入れをした場合、α（＝ρ／ρ０）が約１．３である。そこで、αの値を典型的な焼入れ鋼の場合の値α＝１．３として、１＜ｄ＜７ｍｍの焼入れ層３に対して探針間隔が異なる２つのプローブを適用した場合について、夫々電位差の測定誤差｜ΔＶ／Ｖ｜が±０．５％の場合に現れる焼入れ深さｄの評価誤差｜Δｄ｜（ｍｍ）と、αの相対評価誤差｜Δα｜／α（％）の伝播をシミュレートした。その結果を図３、図４、及び図５に示す。Δｄは、ｄを真値としたときに、真値ｄから電位差が±０．５％変化した時のｄの値を引いた値を、Δαは、αを真値としたときに、真値αから電位差が±０．５％変化した時のαの値を引いた値である。
【００１７】
図３は、図１に示す６探針プローブ５においてｒ１＝１ｍｍ、ｒ２＝４ｍｍ、Ｓ＝１５ｍｍに設定した場合を、図４は、ｒ１＝５ｍｍ、ｒ２＝１０ｍｍ、Ｓ＝２５ｍｍに設定した場合を、図５は、ｒ１＝２ｍｍ、ｒ２＝６ｍｍ、Ｓ＝２５ｍｍに設定した場合を示す。図３乃至図５において太線は｜Δｄ｜（ｍｍ）を、細線は｜Δα｜／α（％）を示す。これにより、探針総間隔Ｓ、検出探針間隔ｒ１、ｒ２によって誤差伝播の特性が大きく異なることが明らかとなった。特に、図５に示すプローブを使用した場合、αの誤差が５％以下（５％を超えると評価できなくなる）で、焼入れ深さｄが１〜５ｍｍにおいて誤差±０．５ｍｍの範囲で評価可能であることが明らかとなった。
【００１８】
図５において誤差±０．５％の範囲内のｄの最小値が約１．７ｍｍ、最大値が約４．８ｍｍであり、ｄの有効範囲は、約１．７〜４．８ｍｍである。そこで、ｒ１を２ｍｍに固定してｒ２を変化させ、誤差±０．５％以内におけるｄの最小値、最大値をシミュレートした結果、ｄの有効範囲は、図６の曲線ＩａとＩｂの間の領域［Ｉ］となった。同様にｒ１＝１ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は、曲線ＩＩａとＩＩｂの間の領域［ＩＩ］、ｒ１＝３ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は曲線ＩＩＩａとＩＩＩｂの間の領域［ＩＩＩ］の範囲となった。
【００１９】
具体的には、ｒ１を１ｍｍとし、ｒ２を１０ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜６．５ｍｍ、ｒ２を６ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．１ｍｍ〜５．４ｍｍである。また、ｒ１を３ｍｍとし、ｒ２を１０ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約２．２ｍｍ〜５．５ｍｍ、ｒ２を６ｍｍとした場合ｄの有効範囲は約２．０ｍｍ〜３．６ｍｍである。
【００２０】
同様に図３において誤差±０．５％の範囲内のｄの最小値が約１．２ｍｍ、最大値が約４．０ｍｍであり、ｄの有効範囲は、約１．２ｍｍ〜４ｍｍである。そこで、ｒ１を１ｍｍに固定してｒ２を変化させ、誤差±０．５％以内におけるｄの最小値、最大値をシミュレートした結果、ｄの有効範囲は、図７の曲線ＩＶａとＩＶｂの間の領域［ＩＶ］となった。同様にｒ１＝２ｍｍに固定してｒ２を変化させた場合ｄの有効範囲は、曲線ＶａとＶｂの間の領域［Ｖ］となった。
【００２１】
具体的には、ｒ１を１ｍｍとし、ｒ２を７ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜４．７ｍｍ、ｒ２を５ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．０ｍｍ〜４．３ｍｍである。また、ｒ１を２ｍｍとし、ｒ２を７ｍｍとした場合ｄの有効測定範囲は約１．５ｍｍ〜４．３ｍｍ、ｒ２を５ｍｍとした場合ｄの有効範囲は約１．４ｍｍ〜３．６ｍｍである。
【００２２】
従って、探針の総間隔Ｓ、検出探針の間隔ｒ１、ｒ２を変えることで、種々の仕様に対応することが可能である。尚、これらの間隔Ｓ、ｒ１、ｒ２をプローブ定数と称することとする。
さて、図１に示すプローブにおいて、探針間隔をｓとすると、式（１）は、次式で表される。
【００２３】
【数４】
ここに、ＦＢＣ、ＦＥＦは無次元の係数である。
上式（２）、（３）において電流Ｉ、抵抗率ρ０、探針間隔ｓが既知であり、従って、電位差ＶＥＦ、ＶＢＣを測定することで、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣが求まる。例えば、探針間隔が等間隔ｓの場合、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣは、次式で表される。
【００２５】
【数５】
これらの式（４）、（５）において、αをパラメータとし、ｄ／ｓを変化させると、１／ＦＥＦ、１／ＦＢＣは、図８、図９のように表される。
上述したように測定した電位差ＶＥＦと、既知の電流Ｉ、抵抗率ρ０、探針間隔ｓとにより１／ＦＥＦが求まるから、図８において前記求めた１／ＦＥＦの値における各特性曲線との各交点の各αと各ｄ／ｓとを読み取り、図１０に示すように横軸をα、縦軸をｄ／ｓとして特性曲線ＶＩを描く。同様にして図９において１／ＦＢＣの値と各特性曲線との交点の各αと各ｄ／ｓとを読み取り、図１０に特性曲線ＶＩＩを描く。そして、これらの２本の特性曲線ＶＩとＶＩＩとの交点が求める値αと、ｄ／ｓとなる。値ｓは、既知であり、従って、ｄを求めることができる。
【００２７】
前述した（２）式、（３）式は、試料が無限に広い平らな表面と無限の厚さを持つ場合（以下「半無限体」という）に成り立つ関係式である。従って、有限の大きさを持つ現実の試料にプローブを当てて測定した電位差を夫々Ｖｅｆ、Ｖｂｃとするときこれに形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃを掛けて次式に示すように試料が半無限体の場合に測定される電位差ＶＥＦ、ＶＢＣに補正する。
【００２８】
【数６】
そして、これらの補正した値ＶＥＦ、ＶＢＣを前記（２）式、（３）式の電位差として代入して焼入深さの評価を行う。尚、形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃは鋼材の形状に応じて予め求める。以下に焼入深さの評価の実施例を示す。
【００３０】
【実施例】
（１）試料：ＳＣＭ４３５、φ４８ｍｍ、長さ３００ｍｍ
（２）エッチングによって評価した焼入れ深さｄ＝３．７ｍｍ
（３）測定プローブ：図１に示す６探針プローブを使用
探針総間隔Ｓ＝１５ｍｍ、ｒ１＝１ｍｍ、ｒ２＝４ｍｍに設定した。
（４）信頼限界＝標本平均±ｋ（不偏分散／データ数）１／２で表し、ｋの値を、データ数３０未満のときｔ分布表より、データ数３０以上のとき正規分布表より求めた。
（５）信頼限界９０％の区間で評価した測定結果を以下に示す。
（ｉ）データ数＝３０のとき
ｄ＝３．５５±０．３１ｍｍ
α＝１．２３±０．００７
（ｉｉ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．４６±０．５７ｍｍ
α＝１．２４±０．０１６
（ｉｉｉ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．５８±０．６２ｍｍ
α＝１．２２±０．０１１
（ｉｖ）データ数＝１０のとき
ｄ＝３．６０±０．６６ｍｍ
α＝１．２３±０．０１１
以上の各評価結果から、α（ρ／ρ０）の誤差が５％以下で、焼入れ深さｄが１＜ｄ＜７ｍｍにおいて誤差±０．５ｍｍの範囲で評価可能であり、十分に実用的であることが明らかとなった。
【００３１】
尚、上記測定方法において６探針プローブ５は、電流探針ＡとＤの内側に検出探針ＥとＦ、ＢとＣを配置した構成としたが、これに限るものではなく、図１１に示す６探針プローブ６のように電流探針ＡとＤの内側に検出探針ＢとＣを、外側に検出探針ＥとＦとを配置した構成としてもよく、或いは図１２に示す６探針プローブ７のように、電流探針ＡとＤの外側に検出探針ＢとＣを配置し、検出探針ＢとＣの外側に検出探針ＥとＦとを配置する構成としてもよい。
【００３２】
また、これらの６探針プローブ５、６、７においては６本の探針Ａ〜Ｆを一直線上に一列に配置したがこれに限るものではない。即ち、検出探針ＥとＦ、ＢとＣは、電流探針ＡとＤにより材料に電流を供給したときに異なる２つの電位差を検出できればよく、従って、電流探針ＡとＤ、検出探針ＥとＦ、及びＢとＣの配置や、各探針の間隔等は、被測定対象物の形状や測定個所等に応じて最適な配置や間隔に設定すればよい。
【００３３】
次に、本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置について説明する。
図１３は、鋼材の焼入れ深さ測定装置の実施形態を示すブロック図である。図１３において材料１は、例えば、Ｓ４５Ｃの丸棒鋼で母材２の表面に深さｄの焼入れ層３が生成されている。そして、母材２の抵抗率がρ０、焼入層３の抵抗率がρであるとする。
【００３４】
鋼材の焼入深さ測定装置１０のプローブ１１は、図１に示すような探針間隔が等間隔Ｓの６探針プローブとされ、各探針Ａ〜Ｆは、不図示のスプリングのばね力により先端が焼入れ層３の表面に一定圧で接触可能とされている。探針ＡとＤが電流探針とされ、探針ＥとＦ、ＢとＣが夫々電位差Ｖｅｆ、Ｖｂｃを検出する検出探針とされている。電流探針ＡとＤは、励磁回路１２に接続されて材料１に電流（直流電流）Ｉを供給（通電）し、検出探針ＥとＦは、電位差（以下「電圧」という）Ｖｅｆを検出し、検出探針ＢとＣは、電位差（以下「電圧」という）Ｖｂｃを検出する。これらの検出探針ＥとＦ、ＢとＣは、切換回路１３に接続されている。
【００３５】
切換回路１３は、後述する演算手段としてのコンピュータ１８により切換制御されて、電圧ＶｅｆとＶｂｃを交互に取り込んで出力する。プローブ１１を２本の電流探針と４本の検出探針とで６探針構成とすることで測定を１回で済ませることができ、測定誤差、間違いを軽減することができる。また、切換回路１３により４本の検出探針ＥとＦ、ＢとＣから差動入力方式で２つの電圧を切り換えて交互に取り込み出力することで、装置の安定化、小型化が可能となる。
【００３６】
入力手段としての操作キー１４は、コンピュータ１８に各種のパラメータを入力する。パラメータとしては、鋼材の形状（丸棒、パイプ、角棒等）に依存する形状補正係数（１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃ ）、プローブ１１の探針の総間隔Ｓ、探針間隔ｒ１、ｒ２等のプローブ定数、供給する電流値Ｉ、母材２の抵抗率ρ０、メモリ番号等がある。メモリ番号とは、ユーザによって測定すべき材料の形状、寸法、探針位置及び電流値が特定している場合において、これらの情報をメモリに記憶させたときに、これらの情報の組合せについて付ける番号である。この番号を入力することで、これらの情報の入力の手間が省ける。
【００３７】
前段増幅回路１５、後段増幅回路１６は、切換回路１３から交互に出力された電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃを増幅して所定の電圧として出力する。負帰還回路１７は、前段増幅回路１５、後段増幅回路１６に接続されており、接点電圧即ち、検出された電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃ、増幅回路１５、１６の残留電圧を、負帰還を掛けて測定前の０（零）値を取るためのものである。
【００３８】
コンピュータ１８は、励磁回路１２を制御して電流探針Ａ、Ｄに加える電流Ｉの方向を所定時間毎に電極探針Ａ→Ｄ、Ｄ→Ａへと所定回数例えば、１０回切り換え、その都度検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ 、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃを測定してその平均値（以下「平均電圧」という）Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出する。また、コンピュータ１８は、探針Ａ〜Ｆの材料１への接触時及び離隔時にアークの発生を防止するために、測定開始時に６本の探針が全て材料１の表面に接触した後に電流探針Ａ、Ｄ間に通電させ、所定回測定後電流を遮断する。
【００３９】
また、コンピュータ１８は、前段増幅回路１５、後段増幅回路１６の各増幅率を最適な値に切換制御して後段増幅器１６から所定の電圧を出力させる。電源回路２０は、前記各回路１２、１３、１５〜１８に所定の電源を供給する。
以下に測定の動作を説明する。
コンピュータ１８は、測定に際して検出探針ＥとＦとの間、ＢとＣとの間を短絡させてゼロ調節する。また、電流探針ＡとＤとの間の電流Ｉが０（開放時）のときに前段増幅回路１５と後段増幅回路１６の各オフセット電圧をキャンセルして、測定前のゼロを取る。
【００４０】
プローブ１１の探針Ａ〜Ｆの先端が材料１の表面に押し付けられて接触し、電流探針ＡからＤに電流Ｉが供給されると、検出探針ＥとＦ間に電圧Ｖｅｆが発生し、探針ＢとＣとの間に電圧Ｖｂｃが発生する。コンピュータ１８は、電流探針ＡとＤとの間の電流Ｉの方向を前述したように１０回切り換えて切換回路１３から交互に出力されて前段増幅回路１５及び後段増幅回路１６で増幅された各電圧Ｖｅｆ、Ｖｂｃを入力する。
【００４１】
コンピュータ１８は、１０回づつ測定した検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出し、これらの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを操作キー１４から入力されてメモリに記憶されている形状補正係数１／Ｃｅｆ、１／Ｃｂｃにより補正し、材料１が半無限体の場合に測定される電位差ＶＥＦ（＝Ｖｅｆｍ／Ｃｅｆ ）、ＶＢＣ（＝Ｖｂｃｍ／Ｃｂｃ ）に補正し、これらの補正した電位差ＶＥＦ、ＶＢＣにより前式（２）〜（５）に沿って演算処理して値ｄ／ｓ、αを算出し、これらの値から焼入れ深さｄ、焼入硬化層３の抵抗率ρを算出する。このように、検出探針ＥとＦ間の電圧Ｖｅｆ、検出探針ＢとＣ間の電圧Ｖｂｃを複数回（１０回）づつ測定してその平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを算出し、これらの平均電圧Ｖｅｆｍ、Ｖｂｃｍを用いてＶＥＦ、ＶＢＣを補正して（２）式、（３）式の演算を行うことで、演算時間の大幅な短縮を図ることが可能となる。コンピュータ１８は、算出した焼入れ深さｄを表示回路１９に表示する。これにより、焼入れ層３の焼入深さｄを迅速、且つ精度よく測定することが可能となる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、６探針プローブにより鋼材表面の異なる２箇所の電圧を検出し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数として所定の演算式で表される前記二つの電圧の連立方程式を演算することにより、鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さｄを非破壊で精度良く、迅速且つ簡単に測定し、表示手段にすることができ、製品検査の作業性の大幅な向上が図られると共に、全数検査を行うことができ、信頼性の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置の測定方法を説明する図である。
【図２】図１の測定方法により測定した電位差を満たす焼入れ深さと抵抗率の比との関係を示す図である。
【図３】図１に示す測定方法における誤差の評価の一例を示す図である。
【図４】図１に示す測定方法における誤差評価の一例を示す図である。
【図５】図１に示す測定方法における誤差評価の一例を示す図である。
【図６】図５に示す誤差評価から焼入れ深さの有効範囲と探針間隔との関係の一例を示す図である。
【図７】図３に示す誤差評価から焼入れ深さの有効範囲と探針間隔との関係の一例を示す図である。
【図８】測定した一の電位差から抵抗率比と焼入れ深さとの関係の一例を示す図である。
【図９】測定したもう一つの電位差から抵抗率比と焼入れ深さとの関係の一例を示す図である。
【図１０】図８及び図９に示す特性から求めた焼入れ深さと抵抗率比との関係の一例を示す図である。
【図１１】図１に示す６探針プローブの他の構成例を示す説明図である。
【図１２】図１に示す６探針プローブの他の構成例を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る鋼材の焼入れ深さ測定装置の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 材料（鋼材）
２ 母材
３ 焼入れ層
５、６、７、１１ ６探針プローブ
１０ 鋼材の焼入れ深さ測定装置
１２ 励磁回路
１３ 切換回路
１４ 操作キー（入力手段）
１５、１６ 増幅回路
１７ 負帰還回路
１８ コンピュータ（演算手段）
１９ 表示回路（表示手段）
２０ 電源回路
Ａ、Ｄ 電流探針
Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ 検出探針
Claims (1)
- 鋼材の表面に生成された焼入れ層の深さを測定する鋼材の焼入深さ測定装置であって、
前記鋼材の表面に接触して電流を供給する一対の電流探針と、前記鋼材表面の前記電流探針と異なる位置に接触して異なる二つの電圧を検出する二対の検出探針とを有する６探針プローブと、
前記電流探針に電流を供給する励磁手段と、
前記検出した二つの電圧を取り込み、交互に出力する切換手段と、
前記出力された各電圧を増幅する増幅手段と、
前記増幅された各電圧を記憶し、焼入深さｄ及び焼入れ層の抵抗率ρと母材の抵抗率ρ０との抵抗比α（＝ρ／ρ０）を未知数とし、次式
前記算出された焼入れ深さｄを表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする鋼材の焼入れ深さ測定装置。
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