JP2007086029A - 金属加工材の材質測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波計測法で結晶粒径を精度良く計測する材質測定装置を得る。
【解決手段】熱間圧延機により加工される被測定材２の表面にレーザ光を照射させて２の表面にパルス状超音波を発生させ、前記レーザ光とは別のレーザ光を照射させることで、２内を伝播した超音波を受信し、２内を伝播した超音波を受信する際に前記レーザ光を照射させ、前記レーザ光を２分割し、この分割したレーザ光の一方及び他方を基準光及び２の表面に反射させる反射光とし、前記反射光と前記基準光を干渉させ、この干渉による光強度の変化により、２内を伝播してきた超音波波形を検出する干渉計３と、３により検出された波形を取り込み信号解析することにより、２の結晶粒径を求める信号処理装置４と、加工・熱処理条件を入力値とし、材質モデル７に基づく材質予測計算を行い、各サブ組織の体積分率を計算し、４の結晶粒径計算値に補正を加える装置５を具備したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象である、熱間圧延機により加工される金属加工材内に発生された超音波振動を計測することにより該材料の結晶粒径を評価する、超音波振動計測による金属加工材の材質測定装置に関する。

従来、鉄鋼材料の材質には、機械的性質とよばれる強度や延性があり、これらの性質は、結晶粒径などの金属組織により決定される。このため、結晶粒径などの金属組織を把握することにより、機械的性質を算出することができる。

しかし、結晶粒径の計測は、試験片切り出し、研磨、顕微鏡観察などの工程を必要とし、多くの手間と時間を必要とする。このため、かねてより非破壊で粒径を計測することが強く望まれている。

この結晶粒径の測定を非破壊で行う方法の１つとして、超音波振動を用いた方法がある(特許文献１参照)。特許文献１には、材料内に打ち込んだ超音波の強度変化又は伝播速度の検出値に基づいて材料の結晶粒度又は集合組織を測定する方法が開示されている。

なお、超音波の送受信には近年開発されたレーザ超音波装置，又は電磁超音波装置などを用いることができ、例えば、特許文献２にはレーザ超音波装置の一例が開示されている。レーザ超音波装置は材料表面から装置のヘッドまでの距離を長く取ることが出来る特徴があり、とりわけ熱間測定、及び、オンライン測定を行う必要がある場合には利用価値が高い。

この材質センサは耐久性等の観点から非接触、非破壊のものが望ましく、透磁率などの材質を直接測定するものの他、電気抵抗，超音波の伝播特性，放射線の散乱特性など材質と強い相関を示す物理量を検出し、結晶粒径，成形性などの材質に換算することで間接的に測定するものを用いることが出来る。このようなセンサは様々なものがあり、特許文献３には、磁束検出器で検出される磁束強度から鋼材の変態量を測定する装置が開示されている。さらに、特許文献４には電磁超音波を利用したランクフォード値の測定方法が開示されている。

結晶粒径の測定を非破壊で行う方法には、レーリー散乱を利用する方法、超音波の伝播速度を利用する方法、及び、超音波顕微鏡を用いる方法などが提案されている。
ここでは代表的な、超音波の結晶粒子による散乱（レーリー散乱）による減衰を利用した方法を示す。
超音波は、その振動形態の違いにより、縦波(Ｐ波=バルク波)、横波(Ｓ波)、表面波(Ｌ波=レイリー波、ラブ波)、板波(ＳＯモード、ＡＯモード)に分類される。このうち、レーリー散乱を利用する粒径測定方法では、縦波（バルク波）を用いる。

バルク波の減衰は減衰定数aを用いて次式で表される。

x : 鋼板中の伝播距離
p、p0 : 音圧
a : 減衰係数
バルク波の周波数が"レーリー領域"の場合、減衰定数aは超音波周波数fの4次関数で近似される。
（ここで、第1項は内部摩擦による吸収減衰項、第2項はレーリー散乱項である）

f: バルク波周波数
a1、a4 : 係数
なお、このレーリー領域は、結晶粒径がバルク波の波長に比べて十分に小さい領域で、例えば下記の範囲とされている(特許文献５参照)。

d ：結晶粒径
λ ：バルク波の波長
また、式(2)の４次の係数a4は、結晶粒径ｄの3乗に比例する係数であることが知られている。

S ：散乱定数
送信器で送信されるバルク波は、その波形中にある分布の周波数成分を含んでいるので、受信波形を周波数分析することにより各周波数成分の減衰率を得ることができる。さらに、送受信の時間差から鋼板内での伝播距離が判るので、伝播距離と各周波数成分の減衰率に基づき(2)式の各係数を同定することができる。更に、標準サンプルなどで予め散乱定数Sを決めておけば、(4)式により結晶粒径dを得ることができる。
特開昭５７−５７２５５号公報 特開２００１−２５５３０６号 特開昭５６−８２４４３号公報 特公平６−８７０５４号公報 特許第３１８４３６８

しかしながら、上記計測方法では、計測に使用している超音波の伝播方向の平均粒径を計測しているため、被測定材(測定対象)の各サブ組織の体積分率に影響を受ける。鋼材では、炭素含有量や加工冷却条件によりフェライトの母相にパーライトやマルテンサイトが分散した混相組織となる。例えばパーライト分率が増加した場合は、上記計測法で計測した粒径が実際よりも大きく計測される傾向にあり、例えばマルテンサイト分率が増加した場合では、上記計測法で計測した粒径が実際よりも小さく計測される傾向にある。

このため、本発明の目的は、超音波計測法で計測した粒径を精度良く計測する金属加工材の材質測定装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、測定対象である熱間圧延機により加工される金属加工材の表面にレーザ光を照射させて該測定対象の表面にパルス状の超音波を発生させるための送信レーザ光源と、前記送信レーザ光源からのレーザ光とは別のレーザ光を照射させることで、前記測定対象内を伝播したパルス状の超音波を受信可能な受信ヘッドと、前記受信ヘッドにおいて前記測定対象内を伝播した超音波を受信する際に前記レーザ光を照射させる受信レーザ光源と、前記受信ヘッド内において前記受信レーザ光源からのレーザ光を２分割し、この分割したレーザ光の一方及び他方を基準光及び前記測定対象の表面に反射させる反射光とし、前記反射光と前記基準光を干渉させ、この干渉による光強度の変化により、前記測定対象内を伝播してきた超音波波形を検出する干渉計と、前記干渉計により検出された超音波波形を取り込み信号解析することにより、測定対象の結晶粒径を求める信号処理装置と、加工・熱処理条件を入力値とし、材質モデルに基づく材質予測計算を行い、各サブ組織の体積分率を計算し、前記信号処理装置の結晶粒径計算値に補正を加える結晶粒径補正装置とを具備した金属加工材の材質測定装置である。

前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、測定対象である熱間圧延機により加工される金属加工材の表面にレーザ光を照射させて該測定対象の表面にパルス状の超音波を発生させるための送信レーザ光源と、前記送信レーザ光源からのレーザ光とは別のレーザ光を照射させることで、前記測定対象内を伝播したパルス状の超音波を受信可能な受信ヘッドと、前記受信ヘッドにおいて前記測定対象内を伝播した超音波を受信する際に前記レーザ光を照射させる受信レーザ光源と、前記受信ヘッド内において前記受信レーザ光源からのレーザ光を２分割し、この分割したレーザ光の一方及び他方を基準光及び前記測定対象の表面に反射させる反射光とし、前記反射光と前記基準光を干渉させ、この干渉による光強度の変化により、前記測定対象内を伝播してきた超音波波形を検出する干渉計と、前記干渉計により検出された超音波波形を取り込み信号解析することにより、測定対象の結晶粒径を求める信号処理装置と、前記測定対象の各サブ組織の体積分率を材質センサによって計測し、この計測値に前記信号処理装置で求められた結晶粒径計算値を補正する結晶粒径補正装置とを具備した金属加工材の材質測定装置である。

前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記材質モデルは、熱間加工モデルと変態モデルと析出モデルのいずれかの組み合わせであり、前記熱間加工モデルは、ロールで圧下されている最中に発生する動的再結晶、これに引き続いて発生する回復、静的再結晶、粒成長などの現象を定式化することであり、前記変態モデルは、各生成と成長を分離し、粒径、パーライト、ベイナイトの分率など変態後の組織状態を推定するために設けられ、前記析出モデルはNb、V、Tiなどの微量添加元素の含有量に基づき析出方向の数及び大きさを推定することを特徴とする請求項１記載の金属加工材の材質測定装置である。

前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記干渉計は、ファブリペロー干渉計、フォトリフラクティブ干渉計、マイケルソン干渉計のいずれかであり、用途に応じて選択することを特徴とする請求項１又は２記載の金属加工材の材質測定装置である。

前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記受信ヘッドから前記干渉計及び受信レーザ光源までの伝送路として光ファイバ伝送路を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の金属加工材の材質測定装置である。

本発明によれば、材質モデルに基づく材質予測計算又は材質センサにより金属加工材の材質を把握することにより、超音波計測法で計測した粒径を精度良く計測する金属加工材の材質測定装置を提供できる。

以下、本発明を実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の構成を示したブロック図である。超音波発振器１から発せられるパルスレーザとしては、Ｑスイッチ動作ができるＹＡＧレーザなどを用いる。

ここで、Ｑスイッチ動作は、低Ｑ値状態から高Ｑ値状態へと変化させる動作のことである。例えば、固体レーザにおいて、発振を制御し高出力パルスを得る方法としてＱスイッチ法がある。レーザのＱスイッチ発振の原理は、最初レーザ共振器の光損失を大きくして発振を抑え光ポンピングが進み、レーザ媒質中の励起状態にある原子数がおおきくなった時点で共振器のＱ値を急に高めることでジャイアントパルスが得られる。

超音波発振器１からのパルスレーザ光１ａは、図示しないレンズにより絞るなどして目的とするビーム径として、測定対象である熱間圧延機により加工される被測定材(金属材料)２の表面に照射される。被測定材２の表面で発生した超音波パルス２ａは、被測定材２中を伝搬し、被測定材２の裏面を振動変位させると共に、被測定材２中を往復する多重反射を繰り返す。このため、被測定材２の裏面での振動変位(超音波検出レーザ光) ２ａ’は、ＣＷ（連続波）レーザを用いた超音波検出器３により検出される。この検出信号３ａは、図示しないデジタル波形記憶器（例えばデジタルオシロスコープ）などによって取り込まれ、超音波信号処理装置４により信号処理され、波形特徴パラメータ同定結果(多次関数係数ベクトル)４ａが得られる。

波形特徴パラメータ同定結果４ａは、結晶粒径算出装置５’に入力され、ここで結晶粒径が算出される。この算出された結晶粒径は、結晶粒径補正装置５に入力され、ここで後述する材質モデル７からの各サブ組織の体積分率により結晶粒径が補正される。この補正された結晶粒径が結晶粒径出力装置８において、例えば表示、音声等により外部から認識可能或いは外部から読み出し可能になっている。

ここで、超音波検出器３としては、例えばフォトリフラクティブ干渉計を用いる。

干渉計の種類は、フォトリフラクティブ干渉計に限らず、ファブリペロー干渉計でもよい。また、金属表面が粗面でなければ、マイケルソン干渉計でもよい。これにより、被測定材２の表面で生じている超音波振動を、レファレンス光と反射光との間に生じた光路の変化が生じることを利用して、結果として被測定材２の表面の振動変位に応じて干渉光の強度変化が生じる。

ここで、上記干渉計の周波数特性及び信頼性について説明する。すなわち、粒径１〜１０ミクロンの計測に用いる数１０〜１００ＭＨｚ程度の周波数範囲であれば、フォトリフラクティブ干渉計に比べてファブリペロー干渉計の方が感度が高く有利であるが、フォトリフラクティブ干渉計であっても実験結果よれば実用上問題がない。

一方、信頼性については、ファブリペロー干渉計は相対する２つのミラーの間隔を正確に保つようにミラーを逐次操作するため、緻密な制御機構が必要であり、故障の確率の面で多少信頼性が落ちる。これに対して、フォトリフラクティブ干渉計は、結晶内で基準光と反射光を干渉させるので、機構部が少なく故障の確率の面で信頼性が高い。
次に、超音波信号処理装置４での処理動作を、図２のブロック図を用いて説明する。まず、超音波検出器３により複数個の粗密波エコー信号３ａを採取する(Ｓ４１)。次にこれらの複数個粗密波エコー信号の周波数分析を行い(Ｓ４２)、被測定材２の表面からの多重エコー信号のスペクトル強度の差から、各周波数毎の減衰量を算出する。次に、必要で有れば、拡散減衰補正、透過損失補正を行い、減衰定数の周波数特性を算出する(Ｓ４３)。減衰定数の周波数特性は、４次曲線などの多次関数に最小二乗法などでフィッティングさせる(Ｓ４４)、ことにより、多次関数の係数ベクトル４aを求める。

上記の減衰定数に４次曲線を最小自乗法などでフィッティングさせた際に得られる多次関数の係数ベクトルと、校正のための被測定材から得られる散乱係数Ｓから、各サブ組織の体積率による補正を行う前の結晶粒径測定値ｄ₀を算出する。

上記の通り、超音波検出器３により第１超音波パルス、第２超音波パルス、…、というような超音波パルス列が測定される。この超音波パルス列の一例を、図４に示す。この時、各超音波パルスに含まれているエネルギは，反射の際の損失や材料中の伝播に伴う減衰によって徐々に小さくなっている。第１超音波パルスあるいは第２超音波パルスの部分だけを取り出し、周波数解析してそれぞれのエネルギ（パワースペクトラム）を求めると、第２超音波パルスは第１超音波パルスに比べ、材料板厚ｔの２倍分だけ伝搬距離が長いため、上記（１）式に従ったエネルギの減衰が生ずる。第１超音波パルスのパワースペクトラムとの差として両者間の減衰量を求める。この曲線は上記（２）式の減衰定数ａに伝搬距離の差２ｔを乗じたものに相当する。これより，単位伝搬距離での上記（２）式の各係数を最小２乗法などにより求める。そして、予め標準サンプルによって求めておいた散乱定数Ｓと上記求められた係数の内のａ4 とから，上記（３）式を逆算することにより各サブ組織の体積率による補正を行う前の結晶粒径測定値ｄ₀を求めることができる。

図１に示す通り、本実施例の超音波振動計測による金属材料の材質測定装置は、パルスレーザ光（励起光）を被測定材に照射することにより、被測定材に励起された超音波振動のパルスを計測し、この計測されたパルスのエネルギーレベル変化に基づいて、被測定材を評価する点では、従来技術と同様である。

しかし、本実施形態ではこの後に、材質モデル７に基づく材質予測計算により各相の組成、すなわち、各サブ組織の体積分率に従った補正を掛ける部分を設けたことで、これまでの実施形態とは異なる。これは、図１の通り、化学成分６１、温度条件・加工条件６２、冷却条件６３などの加工・熱処理条件入力装置６における入力値とし、材質モデル７に基づく材質予測計算を行い、各サブ組織の体積率、例えばパーライト率などを計算し、このパーライト率に応じて粒径計算値に補正を加える。一般に、パーライト率が高いほど、超音波振動による粒径計測値が大きくなる傾向にある。この補正は、材質予測計算の結果に基づくものに限定せず、組成を計測する材質センサによる入力でもよい。

材質予測計算は、例えば次のように行う。図３のように、材質モデル７は、大別して熱間加工モデル７１、変態モデル７２から構成される。

熱間加工モデル７１は、ロールで圧下されている最中に発生する動的再結晶、これに引き続いて発生する回復、静的再結晶、粒成長などの現象を定式化することにより、圧延中と圧延後の粒径（単位体積当りの粒界面積）や残留転位密度などの例えばオーステナイト状態を計算するために設けられている。この熱間加工モデル７１は、オーステナイト粒径、温度や速度に基づく温度・パス間時間情報、及び圧下パターンに基づく相当歪・歪速度情報とにより、演算結果（圧延オーステナイト粒径、転位密度など）を演算する。

なお、温度・パス間時間情報及び相当歪・歪速度情報は、圧延条件（入側板厚、出側板厚、加熱温度、パス間時間、ロール径、ロール回転数）に基づいて算出される。

変態モデル７２は、核生成と成長を分離し、粒径、パーライト、ベイナイトの分率など変態後の組織状態を推定するために設けられている。

この変態モデル７２は、図示しない熱間圧延機のランナウトテーブルでの冷却パターンに基づく温度情報によって、演算結果（フェライト粒径、各相の組織分率など）を出力する。なお、温度情報は、冷却条件（空冷・水冷区分、水量密度、冷却装置内通板速度、成分）及び変態モデルによる変態量の各々に基づいて演算される。上記のモデルのほか、Nb、V、Tiなどの微量添加元素の影響が考えられる場合は、析出粒子の影響を考慮した析出モデルを適宜用いても良い。なお、アルミやステンレスなどの一部の金属材料については、変態しないため、変態モデルを用いない場合もある。

これらの計算により、各サブ組織の体積分率を 推定(計算)することができる(７３)。この結果を超音波振動計測により得られた粒径d₀に考慮する。考慮は、例えば次のように行う。

ｄ= ｄ０(１＋ｋ×ｒ/１００ ) (５)
ｄ：結晶粒径測定値(μm)
d₀：各サブ組織の体積率による補正を行う前の結晶粒径測定値(μm)
k：影響係数（予め多数のサンプルを測定し同定しておく） (-/%)
r：サブ組織体積分率(%)
上記の式のように超音波振動計測により計測された粒径に補正を加え、超音波振動計測の計測精度を向上させることができる。

前述の実施形態では、受信ヘッドから干渉計及び受信レーザ光源までの伝送路として光ファイバ伝送路を用いる。このようにすることにより、受信ヘッドがコンパクトになり、測定面の場所や向きの自由度が高いと言うメリットがある。また、連続的に高温にさらされるような測定条件でも小型の受信ヘッド部のみを冷却すればすむので、有利である。

本発明に係る金属加工財の材質測定装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図。 図１の超音波信号処理装置の構成を示すブロック図。 図１の材質モデルの実施の形態の構成を示すブロック図。 超音波パルス列の一例を示す図。

符号の説明

１…超音波発振器、１ａ…パルスレーザ光、２…被測定材、２ａ…超音波パルス、２ａ’…超音波検出レーザ光、３…超音波検出器、４…超音波信号処理装置、４a…係数ベクトル、５…結晶粒径補正装置、５’…結晶粒径算出装置、６…加工・熱処理条件入力装置、７…材質モデル、６１…化学成分、６２…温度条件・加工条件、６３…冷却条件、７１…熱間加工モデル、７２…変態モデル。

Claims (5)

1. 測定対象である熱間圧延機により加工される金属加工材の表面にレーザ光を照射させて該測定対象の表面にパルス状の超音波を発生させるための送信レーザ光源と、
   前記送信レーザ光源からのレーザ光とは別のレーザ光を照射させることで、前記測定対象内を伝播したパルス状の超音波を受信可能な受信ヘッドと、
   前記受信ヘッドにおいて前記測定対象内を伝播した超音波を受信する際に前記レーザ光を照射させる受信レーザ光源と、
   前記受信ヘッド内において前記受信レーザ光源からのレーザ光を２分割し、この分割したレーザ光の一方及び他方を基準光及び前記測定対象の表面に反射させる反射光とし、前記反射光と前記基準光を干渉させ、この干渉による光強度の変化により、前記測定対象内を伝播してきた超音波波形を検出する干渉計と、
   前記干渉計により検出された超音波波形を取り込み信号解析することにより、測定対象の結晶粒径を求める信号処理装置と、
   加工・熱処理条件を入力値とし、材質モデルに基づく材質予測計算を行い、各サブ組織の体積分率を計算し、前記信号処理装置の結晶粒径計算値に補正を加える結晶粒径補正装置と、
   を具備した金属加工材の材質測定装置。
2. 測定対象である熱間圧延機により加工される金属加工材の表面にレーザ光を照射させて該測定対象の表面にパルス状の超音波を発生させるための送信レーザ光源と、
   前記送信レーザ光源からのレーザ光とは別のレーザ光を照射させることで、前記測定対象内を伝播したパルス状の超音波を受信可能な受信ヘッドと、
   前記受信ヘッドにおいて前記測定対象内を伝播した超音波を受信する際に前記レーザ光を照射させる受信レーザ光源と、
   前記受信ヘッド内において前記受信レーザ光源からのレーザ光を２分割し、この分割したレーザ光の一方及び他方を基準光及び前記測定対象の表面に反射させる反射光とし、前記反射光と前記基準光を干渉させ、この干渉による光強度の変化により、前記測定対象内を伝播してきた超音波波形を検出する干渉計と、
   前記干渉計により検出された超音波波形を取り込み信号解析することにより、測定対象の結晶粒径を求める信号処理装置と、
   前記測定対象の各サブ組織の体積分率を材質センサによって計測し、この計測値に前記信号処理装置で求められた結晶粒径計算値を補正する結晶粒径補正装置と、
   を具備した金属加工材の材質測定装置。
3. 前記材質モデルは、熱間加工モデルと変態モデルと析出モデルのいずれかの組み合わせであり、
   前記熱間加工モデルは、ロールで圧下されている最中に発生する動的再結晶、これに引き続いて発生する回復、静的再結晶、粒成長などの現象を定式化することであり、
   前記変態モデルは、各生成と成長を分離し、粒径、パーライト、ベイナイトの分率など変態後の組織状態を推定するために設けられ、
   前記析出モデルはNb、V、Tiなどの微量添加元素の含有量に基づき析出方向の数及び大きさを推定することを特徴とする請求項１記載の金属加工材の材質測定装置。
4. 前記干渉計は、ファブリペロー干渉計、フォトリフラクティブ干渉計、マイケルソン干渉計のいずれかであり、用途に応じて選択することを特徴とする請求項１又は２記載の金属加工材の材質測定装置。
5. 前記受信ヘッドから前記干渉計及び受信レーザ光源までの伝送路として光ファイバ伝送路を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載の金属加工材の材質測定装置。

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