JP2007064817A - 焼き入れ深さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 母材の抵抗率が未知であっても鋼材の焼き入れ深さを簡単に精度良く測定することのできる焼き入れ深さ測定装置を提供する。
【解決手段】 焼き入れ処理した鋼材の表面の任意の２点間に電流を流す１対の通電電極針と、この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも３対の電位検出針と、上記各電位検出針によりそれぞれ検出された電位差、該電位差をそれぞれ検出した部位の情報（針の間隔）、および前記通電電極針間に流した電流に従って、前記鋼材に生じた電位分布を示す特性式に基づいて前記鋼材の焼き入れ深さを算出する演算手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、焼き入れ処理された鋼材の焼入れ層の深さを非破壊検査する焼き入れ深さ測定装置に関する。

クランクシャフトやコンロッド等の鋼製の自動車部品は、通常、焼き入れによりその表面を硬化処理することで耐摩耗性や疲労特性の向上が図られている。従来、この種の鋼材の焼入れ層（硬化層）の深さの評価は、専ら、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により実施されている。

これに対して本出願人等は、先に高周波焼き入れした鋼材の焼き入れ深さを非破壊検査する手法を提唱した（特許文献１を参照）。この手法は、鋼材の２点間に一定の電流Ｉを流す一対の通電電極針と、これによって上記鋼材に生じる電位分布の互いに異なる部位での電位差Ｖ１,Ｖ２をそれぞれ検出する２対の電位検出針とを用いた、いわゆる６端子測定法である。そして上記電流Ｉと上記電位差Ｖ１,Ｖ２、およびこれらの電位差Ｖ１,Ｖ２をそれぞれ計測した部位の情報から、前記鋼材に生起された電位分布と焼き入れ層および母材の各抵抗率との関係に従って、上記焼き入れ層の深さｄを計算により求めるようにしたものである。
特開２００４−３０９３５５号公報

しかしながら上述した手法は、高周波焼き入れによりその表面を硬化処理しても、その内部の母材部分の抵抗率が変化することがなく、また母材の抵抗率が既知であるとの前提条件の下で行われる。これ故、侵炭焼き入れした鋼材のように、その内部の母材部分における抵抗率が焼き入れ時の熱により変化してしまうようなもの、更には鋼材の種別（組成）が不明で、母材の抵抗率が未知のものには上述した検査手法を適用することができないと言う不具合があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、母材の抵抗率が未知であっても鋼材の焼き入れ深さを簡単に精度良く測定することのできる焼き入れ深さ測定装置を提供することにある。

上述した目的を達成するべく本発明に係る焼き入れ深さ測定装置は、
<ａ> 焼き入れ処理した鋼材の表面の任意の２点間に電流を流す１対の通電電極針と、
<ｂ> この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも３対の電位検出針と、
<ｃ> 上記各電位検出針によりそれぞれ検出された電位差、該電位差をそれぞれ検出した部位の情報、および前記通電電極針間に流した電流に従って、前記鋼材に生じた電位分布を示す特性式に基づいて前記鋼材の焼き入れ深さを算出する演算手段とを備えたことを特徴としている。

ちなみに前記少なくとも３対の電位検出針は、請求項２に記載するように前記一対の通電電極針間の中点を中心としてその並びの方向に対称に配列されたものからなる。特にこれらの電位検出針は、例えば前記１対の通電電極針と共に一体化された探針プローブとして実現することが好ましい。また前記演算手段は、請求項３に記載するように前記鋼材の焼き入れ層の深さ、該焼き入れ層の抵抗率、および前記鋼材の母材部の抵抗率をそれぞれ未知数として求められる、前記対をなす電位検出針間の電位差のそれぞれと前記電位分布との各関係から前記鋼材の焼き入れ層の深さを逆解析するように構成される。

具体的には請求項４に記載するように前記演算手段は、前記一対の通電電極針間に流す電流をＩ、これらの通電電極針間の離間距離をＳ、前記鋼材の母材部の抵抗率をρ_ｏとしたとき、対をなす前記各電位検出針間の電位差Ｖ_１,Ｖ_２,〜Ｖ_ｎ（ｎ≧３）を、
Ｖ_ｉ＝ｆ_ｉ（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ） ｉ＝１,２,〜ｎ
として表され、また前記鋼材の焼き入れ層の深さｄ、該焼き入れ層の抵抗率ρ、および対をなす各電位検出針の前記通電電極針からの離間距離ｒ_ｉに応じて前記各係数ｆ_ｉ［＝Ｆ（ｄ,ρ,ｒ_ｉ）］がそれぞれ決定されるものとして、上記各電位差についてそれぞれ求められた連立方程式から、その未知数である前記鋼材の焼き入れ層の深さｄを計算するように構成される。

上記構成の焼き入れ深さ測定装置によれば、鋼材の表面に接触させた１対の通電電極針を介して通電される電流により上記鋼材に生起された電位分布を、少なくとも３対の電位検出針を用いて上記電位分布により生じる互いに異なる部位間での電位差としてそれぞれ検出するので、これらの電位差とその計測部位の情報、および前記通電電極針間に流した電流を用いて前記鋼材に生じた電位分布の特性を表すことができる。特に焼き入れ層および母材の各抵抗率とその焼き入れ深さを未知数として、前記各電位差毎に上記電位分布の特性をそれぞれ表すことができる。

従って互いに異なる部位間での各電位差を、少なくとも３箇所においてそれぞれ計測すれば、これらの各電位差毎に電位分布の特性を表した少なくとも３つの連立方程式を立てることができるので、これらの連立方程式を逆解析することにより未知数である上記焼き入れ深さを計測することが可能となる。特に母材の抵抗率、更には焼き入れ層の抵抗率が不明であっても、上述した電位分布の特性と、互いに異なる部位での少なくとも３箇所での電位差とから焼き入れ層の深さを精度良く計測することが可能となる。故に鋼材が高周波焼き入れしたものであるか、或いは侵炭焼き入れしたものであるかに拘わることなく、また鋼材の組成が不明である場合でも、その焼き入れ深さを精度良く計測することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る焼き入れ深さ測定装置について説明する。
図１はこの発明に係る焼き入れ深さ測定装置の概略構成と、その計測原理を説明する為の図である。この焼き入れ深さ測定装置は、予め焼き入れによりその表面層を硬化処理した、例えば丸棒状の鋼材１０の表面層の厚みｄ、つまり焼き入れ深さｄを、鋼材１０を破壊することなく検出する（非破壊検査する）ものである。特に本発明は、焼き入れ層の抵抗率がその母材部の抵抗率よりも高く、焼き入れ層の表面から任意の２点間に一定の電流を流した場合、これによって上記２点間に生起される電位分布が上記焼き入れ層の厚み（焼き入れ深さ）によって変化することに着目して、電位差法により焼き入れ深さｄを計測するものとなっている。

この焼き入れ深さ測定装置は、その検出プローブとして上記鋼材１０の表面に接触させて用いられる一対の通電電極針１ａ,１ｂ（通電電極針対１）と、これらの通電電極針１ａ,１ｂの配列中心（プローブ中心）を基準としてその並びの方向に対称に設けられた３対の電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂ（電位検出針対２,３,４）とを備える。特にこの例では、各電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂは、各通電電極針１ａ,１ｂから順次一定の間隔ｒを隔てて直線状に配列されている。

上記一対の通電電極針１ａ,１ｂ（通電電極針対１）は、電源５から印加される電圧を受けて通電駆動され、鋼材１０の上記通電電極針１ａ,１ｂがそれぞれ接触した２点間に一定の電流Ｉを流す役割を担う。また前記各電位検出針対２,３,４は、上記通電により鋼材１０に生起された電位分布の状況を、その接触点間に生じる電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３としてそれぞれ検出する役割を担う。

尚、この例では前記一対の通電電極針１ａ,１ｂは、距離Ｓを隔てて配列されており、第１の電位検出針対２は上記通電電極針対１の外側に配列され、また第２および第３の電位検出針対３,４は前記通電電極針対１の内側にそれぞれ配列されている。しかしこれらの配列関係は上述した例に限定されるものではなく、例えば一対の通電電極針１ａ,１ｂの内側に第１〜第３の電位検出針対２,３,４を対称に配列することも勿論可能である。またこれらの各針は、その先端を一定の圧力で鋼材１０の表面に接触させて設けられる。

一方、上述した検出プローブが接続される測定装置本体６は、前述した電源５を内蔵すると共に、前記各電位検出針対２,３,４を介して前記鋼材１０に生じた電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３をそれぞれ検出するセンシングアンプ（電圧計）７_１,７_２,７_３と、例えばマイクロプロセッサからなり、上記各センシングアンプ７_１,７_２,７_３にて検出された電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３に従って前記鋼材１０の焼き入れ深さｄを算出する演算器（演算手段）８とを備えて構成される。

より具体的には上記演算器８は、各電位検出針対２,３,４を介してそれぞれ検出された電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３と、通電電極針対１を介して鋼材１０に流した電流Ｉ、更には前記通電電極針１ａ,１ｂの離間距離Ｓ、および通電電極針１ａ,１ｂに対する電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂの位置ずれ量−ｒ,ｒ,２ｒに従い、前記電流Ｉによって鋼材１０に生起された電圧分布から後述するようにして鋼材１０の焼き入れ深さｄを算出するものとなっている。

即ち、前記鋼材１０の母材部の抵抗率をρ_ｏとしたとき、前記各電位検出針対２,３,４を介してそれぞれ検出される電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３は、
Ｖ_１＝ｆ_１（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ）
Ｖ_２＝ｆ_２（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ）
Ｖ_３＝ｆ_３（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ）
として表すことができる。但し、上記係数ｆ_１,ｆ_２,ｆ_３は、鋼材１０の焼き入れ層の深さｄ、該焼き入れ層の抵抗率ρ、および各電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂの記通電電極針１ａ,１ｂからの離間距離（位置ずれ量）ｒ_１（＝−ｒ）,ｒ_２（＝ｒ）,ｒ_３（＝２ｒ）に応じて決定される値［＝Ｆ（ｄ,ρ,ｒ_ｉ）］である。

一般的には３対以上の電位検出針をそれぞれ介して検出される電位差Ｖ_１,Ｖ_２,〜Ｖ_ｎ（ｎ≧３）は、
Ｖ_ｉ＝ｆ_ｉ（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ） ｉ＝１,２,〜ｎ
として表される。そして上記各係数ｆ_ｉは、前記鋼材の焼き入れ層の深さｄ、該焼き入れ層の抵抗率ρに応じて前記電流Ｉによって生起される鋼材１０での電位分布の下で、対をなす各電位検出針の前記通電電極針からの離間距離ｒ_ｉに応じた関数値
ｆ_ｉ＝Ｆ（ｄ,ρ,ｒ_ｉ）
として与えられる。より具体的には、上記係数ｆ_ｉは次式で与えられる。

但し、上式においてｍは係数ｆ_ｉが収束するまでの回数であり、αおよびＱは焼き入れ層の抵抗率をρ、鋼材１０の母材部の抵抗率をρ_０としたとき
α＝ρ／ρ_０ , Ｑ＝（１−α）／（１＋α）
としてそれぞれ定義される値（比）である。また上式は図２に示すように一対の通電電極針１ａ,１ｂをそれぞれ中心として正負の電位勾配が生じ、これに伴ってその間の抵抗率に応じた電位分布が生じているとして求められるものである。

ここで高周波焼き入れのように鋼材１０の内部の母材部分が熱の影響を受けることがなく、また鋼材１０の組成が明らかでその抵抗率ρ_０が既知であるとすれば、前述した特許文献１に開示されるように焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さｄだけが未知数なので、上述した如く計測された電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３を上式に代入して、各電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３をそれぞれ満たす未知数α,ｄの関係をそれぞれ求めれば、これらの関係を同時に満足する条件として未知数ｄを特定することができる。即ち、即ち、検出プロープを用いた鋼材１０の測定条件（電流Ｉや針間隔Ｓ,ｒ等）が既知なので、計測された電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３をそれぞれ特定する前述した連立方程式を逆解析すれば、これによって未知数である焼き入れ深さｄを算出することができる。特に少なくとも２対の電位検出針を用いて計測される２つの電位差Ｖ_１,Ｖ_２を用いることで、上述した連立方程式から焼き入れ深さｄを計算することができる。

しかしながら測定対象である鋼材１０が、高周波焼き入れしたものであるか、或いは侵炭焼き入れしたものであるかが不明である場合、若しくは鋼材１０の組成自体が不明であり、母材部の抵抗率ρ_０が不明である場合には、焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さｄを含めて未知数が３つとなるので、２対の電位検出針を用いて計測される２つの電位差Ｖ_１,Ｖ_２からだけでは前述した抵抗率の比αや焼き入れ深さｄを特定することはできない。

この点、本発明に係る焼き入れ深さ測定装置においては、前述したように少なくとも３対の電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂを備えており、これらの電位検出針対２,３,４により、互いに異なる部位間での３つの電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３をそれぞれ計測している。従ってこれらの各電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３についてそれぞれ求められる３つの連立方程式を解析することで、３つの未知数である焼き入れ層の抵抗率ρとその焼き入れ深さｄ、および母材部の抵抗率ρ_０を、換言すれば上述した抵抗率の比α（＝ρ／ρ_０）および焼き入れ深さｄをそれぞれ特定することができる。即ち、鋼材１０の母材部の抵抗率ρ_０が不明であっても、上記電位差Ｖ_１,Ｖ_２,Ｖ_３から該鋼材１０の焼き入れ深さｄを算出することが可能となる。

ちなみに上述した如くして焼き入れ深さｄを計算するに際しては、例えば通電電極針１ａ,１ｂ間に流す電流Ｉを１Ａとしておけば実質的に前式から電流Ｉの項を［１］として演算対象から除くことができるので、その演算負担を軽減することができる。また通電電極針１ａ,１ｂ間の離間距離Ｓ、およびこれらの各通電電極針１ａ,１ｂに対する電位検出針２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂの離間距離ｒをそれぞれ整数値で表し得るように設定しておけば、これによってもその演算負担を軽減することができる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば４つ以上の電位検出針を用いて、互いに異なる４つ以上の部位での電位差をそれぞれ検出し、これらの各電位差から焼き入れ深さｄを算出するようにしても良いことは言うまでもない。また通電電極針および電位検出針の形状・構造についても、鋼材１０に対して確実に点接触し得るように構成しておけば十分である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る焼き入れ深さ測定装置の概略構成と、その計測原理を説明する為の図。 鋼材の通電電極針間に生起される電位分布と、対をなす電位検出針によってそれぞれ検出される電位差との関係を示す図。

符号の説明

１ａ,１ｂ 対をなす通電電極針
２ａ,２ｂ,３ａ,３ｂ,４ａ,４ｂ 対をなす電位検出針
５ 電源
６ 測定装置本体
７_１,７_２,７_３ センシングアンプ（電圧計）
８ 演算器（演算手段）
１０ 鋼材

Claims (4)

1. 焼き入れ処理した鋼材の表面の任意の２点間に電流を流す１対の通電電極針と、
   この通電に伴って前記鋼材に生じる電位分布の、互いに異なる部位間での電位差をそれぞれ検出する少なくとも３対の電位検出針と、
   これらの電位検出針によりそれぞれ検出された電位差、該電位差をそれぞれ検出した部位の情報、および前記通電電極針間に流した電流に従って、前記鋼材に生じた電位分布を示す特性式に基づいて前記鋼材の焼き入れ深さを算出する演算手段と
   を具備したことを特徴とする焼き入れ深さ測定装置。
2. 前記少なくとも３対の電位検出針は、前記一対の通電電極針間の中点を中心としてその並びの方向に対称に配列されたものである請求項１に記載の焼き入れ深さ測定装置。
3. 前記演算手段は、前記鋼材の焼き入れ層の深さ、該焼き入れ層の抵抗率、および前記鋼材の母材部の抵抗率をそれぞれ未知数として求められる、前記対をなす電位検出針間の電位差のそれぞれと前記電位分布との各関係から前記鋼材の焼き入れ層の深さを逆解析するものである請求項１に記載の焼き入れ深さ測定装置。
4. 前記演算手段は、前記一対の通電電極針間に流す電流をＩ、これらの通電電極針間の離間距離をＳ、前記鋼材の母材部の抵抗率をρ_ｏとしたとき、対をなす前記各電位検出針間の電位差Ｖ_１,Ｖ_２,〜Ｖ_ｎ（ｎ≧３）を、
   Ｖ_ｉ＝ｆ_ｉ（ρ_ｏ・Ｉ／Ｓ） ｉ＝１,２,〜ｎ
   として表され、前記鋼材の焼き入れ層の深さｄ、該焼き入れ層の抵抗率ρ、および対をなす各電位検出針の前記通電電極針からの離間距離ｒ_ｉに応じて前記各係数ｆ_ｉ［＝Ｆ（ｄ,ρ,ｒ_ｉ）］がそれぞれ決定されるとして、前記各電位差についての連立方程式から、その未知数である前記鋼材の焼き入れ層の深さｄを計算するものである請求項３に記載の焼き入れ深さ測定装置。

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