JP2009236778A

JP2009236778A - ワーク表面硬化層深さの測定方法

Info

Publication number: JP2009236778A
Application number: JP2008084951A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Yamamoto; 雄三山本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2008-03-27
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009119868A1

Abstract

【課題】表面硬化処理が施されているワークの局所における表面硬化深さを非接触で連続的又は断続的に測定し、工数を低減する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】検出コイル２８は、絶縁性に富む三角形断面のナイロンなどの樹脂体３６を介して検出コイル支持体２４に支持されている。樹脂体３６が三角形断面であるため、検出コイル２８をワーク１５の表面に接近させることができる。すなわち、ワーク１５の局所を測定できる。
【効果】励磁コイルでワークの局所を励磁し、ワークに発生した渦電流を信号検出部で検出する。信号検出部をワークの局所に近づけるので、ワークの形状が複雑であってもワークの局所における表面硬化層深さを測定できる。加えて、渦電流を利用してワークを連続的又は断続的に測定するので、工数を低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、表面硬化処理が施されているワークの表面硬化層深さを測定する表面硬化層深さ測定技術に関する。

表面硬化処理が施されたワークの表面硬化層深さは、破壊検査法と非破壊検査法とのいずれかの測定法で測定される。
非破壊検査法による表面硬化層深さ測定技術は多数提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平２−１４１６５６号公報（請求項１）

特許文献１の請求項１に「高周波焼入、浸炭焼入等で、表面部を焼入硬化した部材の焼入硬化部位における表面硬さおよび硬化深さを、非破壊測定装置で連続的に測定する際に、・・・非破壊測定装置による測定値を予め定めた基準値と比較して合否判定を行い、・・・」の記載があり、表面硬化処理が施された部材としてのワークの硬化深さを非破壊的に測定し、予め定めた基準値と比較して合否判定を行う方法が開示されている。

また、非破壊測定の具体的方法として、超音波を利用した方法も実用化されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−１９８８２２公報（図２）

特許文献２を次図に基づいて説明する。
図１２は従来の技術の基本原理を説明する図であり、水を入れた測定層１０１内で表面硬化処理が施されたワーク１０２を回転台１０３にセットして回転させる。走行機構１０４を水平方向に、昇降体１０５を上下方向に移動させることで、プローブ１０６の位置を調整しながら、超音波深傷機１０７で測定を行う。

しかし、特許文献２では、ワークを液体容器に入れるため、測定後にワークを乾燥させる工数が掛かる。

そこで、ワークを乾燥させる必要がない測定方法として、渦電流を利用した非破壊検査装置が実用化されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００３−１３９７４５公報（図２）

特許文献３を次図に基づいて説明する。
図１３は従来の技術の基本原理を説明する図であり、渦電流測定機構１０８を表面硬化処理が施されたワーク１０９に近づける。ワーク１０９の表面と平行に対面するリング状の面を有する励磁コイル１１０に電流を印加し、ワーク１０９に発生した渦電流を検出コイル１１１で検出することで、表面硬さを測定する。

しかし、ワークの構造が複雑な場合、渦電流測定機構１０８を測定位置に近づけることが困難である。

すなわち、複雑な形状のワークの局所における表面硬化層深さを測定する工数を低減することが求められる。

本発明は、表面硬化処理が施されているワークの局所における表面硬化深さを非接触で連続的又は断続的に測定し、工数を低減する技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、表面硬化処理が施されているワークの表面硬化層深さを励磁コイルと信号検出部とからなる渦電流測定機構で測定するワーク表面硬化層深さ測定方法において、前記励磁コイルで前記ワークの局所を励磁し、前記ワークに発生した渦電流で発生する磁界の変化を前記信号検出部で検出することで、前記ワークの局所における表面硬化層深さを連続的又は断続的に測定することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、表面硬化層は、熱処理硬化層であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、熱処理硬化層は、浸炭処理層、高周波焼入れ層及び窒化処理層であることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、浸炭処理層は、真空浸炭層であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、表面硬化層深さは、ワークを切断し接触型硬度計で求めた硬さと相関があることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、接触型硬度計で求めた硬さは、切断したワークの硬さと深さの関係を示す曲線であることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、曲線により、設定基準硬さの表面硬化層深さが、渦電流測定機構の測定値と関連することを特徴とする。

請求項８に係る発明では、ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの短辺周囲を連続的又は断続的に測定することを特徴とする。

請求項９に係る発明では、ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの長辺を連続的又は断続的に測定することを特徴とする。

請求項１に係る発明は、励磁コイルでワークの局所を励磁し、ワークに発生した渦電流を信号検出部で検出する。信号検出部をワークの局所に近づけるので、ワークの形状が複雑であってもワークの局所における表面硬化層深さを測定できる。加えて、渦電流を利用してワークを連続的又は断続的に測定するので、測定工数を低減できる。

請求項２に係る発明では、表面硬化層は、熱処理硬化層である。表面硬化法には、被覆法、蒸着法、熱処理法などが挙げられるが、被覆法や蒸着法は表面に薄い硬質層が偏在し、硬化層の深さの測定が適用できない。この点、熱処理法であれば、硬化層がある程度の深さまで存在するので測定が容易となる。

請求項３に係る発明では、熱処理硬化層は、浸炭処理層、高周波焼入れ層又は窒化処理層である。浸炭処理、高周波焼入れ、窒化処理は、汎用技術であり、ワークの表面硬化に広く採用されている。このようなワークに適用することで、本発明の用途を拡大することができる。

請求項４に係る発明では、浸炭処理層は、真空浸炭層である。真空浸炭処理は、ガス浸炭処理に比較してばらつきが発生しやすいと言われている。本発明によれば、真空浸炭処理によるワークの表面硬化層深さを的確に測定することができる。

請求項５に係る発明では、表面硬化層深さは、ワークを切断し接触型硬度計で求めた硬さと相関関係がある。接触型硬度計で求めた硬さが分かれば、相関関係を利用することで、ワークの表面硬化層深さを推定することができる。

請求項６に係る発明では、接触型硬度計で求めた硬さは、切断したワークの硬さと深さの関係を示す曲線である。この曲線を利用することで、渦電流で発生する磁界の変化を測定すれば、ワークの表面硬化層深さを簡易に推定することができる。

請求項７に係る発明では、曲線により、設定基準硬さの表面硬化層深さが、渦電流測定機構の測定値と関連する。本発明による非破壊検査方法で渦電流で発生する磁界の変化を測定することで、ワークの表面硬化層深さを推定することができる。

請求項８に係る発明では、ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの短辺周囲を連続的又は断続的に測定する。信号検出部をワークの局所に近づけるので
ワークの短辺であっても、表面硬化層の状態を適切に把握できる。ワークが丸棒状であれば、任意の位置の円周の表面硬化層の深さが正確に求まる。

請求項９に係る発明では、ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの長辺を連続的又は断続的に測定する。ワークの長辺の表面硬化深さにばらつきあっても、部分的に浅い硬化層か深い硬化層かを把握することができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明のワーク表面硬化層深さ測定方法に適した表面硬化層深さ計測装置の原理図であり、表面硬化層深さ計測装置１０は、基台１１と、この基台１１の上面中央に設けられ図左右に延びているレール１２と、このレール１２に左右移動自在に載せられているスライダ１３と、このスライダ１３に軸受１４を介して縦向きに且つ回転自在に支持されワーク１５を支える歯車支軸１６と、スライダ１３に内蔵され歯車支軸１６を一定ピッチで回転させるインデックスモータ１７と、基台１１に載置されスライダ１３をレール１２に沿って往復移動させるシリンダユニット１８と、このシリンダユニット１８及びインデックスモータ１７を制御する制御部１９と、基台１１の一端（図左側）から上へ延ばされているブラケット２１と、このブラケット２１の上部にボルト２２、２２で取り付けられているコ字状の鉄芯２３と、この鉄芯２３に支持されワーク１５に向かって延びている検出コイル支持体２４と、鉄芯２３の先端からワーク１５に向かって延びている球体２５、２５と、鉄芯２３の先端に巻かれた励磁コイル２６、２６と、これらの励磁コイル２６、２６に交流電圧を印加する交流電源２７と、検出コイル支持体２４の先端に設けられている信号検出部（以下、検出コイルと記す。）２８と、鉄心２３、検出コイル支持体２４、球体２５、２５、励磁コイル２６、２６、交流電源２７及び検出コイル２８で構成され歯車の表面硬化層深さ（例えば、真空浸炭処理の浸炭深さ）を測定する渦電流測定機構２９と、検出コイル２８から検出情報を取得して表面硬化層深さとしての浸炭深さに換算する表面硬化層深さ換算装置３０と、得られた浸炭深さを合格基準深さと比較して合否を判定する合否判定部３１と、得られた合否判定に基づいて、合格、不合格を表示する合否表示部３２と、からなる。

なお、ワークに施す表面硬化処理は、真空浸炭処理に限定されず、ガス浸炭、液体浸炭及び固体浸炭等の浸炭処理、又は、高周波焼入れ、火炎焼入れ、電解焼入れ、プラズマ表面焼入れ、電子ビーム焼入れ及びレーザー焼入れ等の焼入れ、又は、Ｎ_２ベース雰囲気熱処理及び真空熱処理等の熱処理雰囲気を利用する表面処理、又は、ガス窒化法、塩浴窒化法、ガス軟窒化法及びイオン窒化法等の窒化、又は、硫化処理、溶融塩浸硫法及びガス浸硫窒化法等の浸硫処理、又は、金属浸透法、又は、ほう化処理、又は、イオン注入法、又は、蒸着処理法、又は、被覆処理法等、金属部材を表面強化する処理であれば種類は問わない。

図２は図１の要部拡大図であり、渦電流測定機構２９では、検出コイル支持体２４は鉄芯２３に、水平方向にスライド可能にビス３３で固定されている。また、球体２５は円錐部３４及び円柱部３５を介して鉄芯２３に固定されている。

図３は図２の３線断面図であり、検出コイル２８は、例えば絶縁性に富む三角形断面のナイロンなどの樹脂体３６を介して検出コイル支持体２４に支持されている。樹脂体３６が三角形断面であるため、検出コイル２８をワーク１５の表面に接近させることができる。すなわち、ワーク１５の局所における表面硬化層深さ（浸炭深さ）を測定できる。

図４は図２の４線断面図であり、球体２５は、ワーク１５の表面に接触している。
この結果、ワーク１５の表面からの検出コイル２８の距離や励磁コイル２６、２６（図２）の距離を一定化することができる。この結果、測定の信頼性を高めることができる。

次に図１に戻って、本発明のワーク表面硬化層深さの測定方法に好適な表面硬化層深さ計測装置の作用を説明する。まず、合格基準深さ範囲Ｄｓを定める。例えば、合格基準深さ範囲Ｄｓは０．５ｍｍ〜０．８ｍｍとする。この０．５ｍｍ〜０．８ｍｍを合否判定部３１へインプットする。
次に測定対象とするワークの測定回数Ｎを、制御部１９へインプットする。測定回数を監視するために、先ず、回数ｎを１とする。

ワーク１５を前進させる。ワーク１５の表面を測定させる。浸炭深さ換算装置３０により、測定電圧を浸炭深さＤａに換算させる。合否判定部３１により、測定で得られた浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓの範囲に入っているか否かを調べる。合格範囲に入っていれば、「合格」の表示をする。次に、ワーク１５を後退させる。

ここで、測定回数を調べる。初回はｎは１である。例えば規定測定回数Ｎが４０であれば、ｎ＜Ｎであるから、ｎに１を加える。そして、ワーク１５を規定量だけ回転させる。そして、再度、ワーク１５の浸炭深さを測定する。

ところで、浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓ内でなければ、合否表示部３２で不合格表示を行う。不合格の場合は、この歯車に対する測定をこの時点で終了させることができる。
測定回数ｎが規定測定回数Ｎに到達すれば、測定終了の表示を行い、測定を終了する。

次に本発明の別実施例を説明する。
図５は本発明に係る別実施例の表面硬化層深さ測定装置の原理図であり、図１と同様の部材で構成されている部分は、符号を流用して詳細な説明は省略する。
表面硬化層深さ測定装置１０は、基台１１と、この基台１１に設けられｘ方向に延びているｘ方向レール５１、５１と、これらのｘ方向レール５１、５１にｘ方向移動自在に載せられているｘ方向移動台５２と、基台１１に載置されｘ方向移動台５２をｘ方向レール５１、５１に沿って移動させるｘ方向シリンダユニット５３と、ｘ方向移動台５２に設けられｙ方向に延びているｙ方向レール５４、５４と、これらのｙ方向レール５４、５４にｙ方向移動自在に載せられているｙ方向移動台５５と、ｘ方向移動台５２に載置されｙ方向移動台５５をｙ方向レール５４、５４に沿って移動させるｙ方向シリンダユニット５６と、ｙ方向移動台５５に設けられた溝５７、５７、５７と、これらの溝５７、５７、５７にボルト５８、５８、５８で取り付けられ表面硬化処理が施された長尺状ワーク５９をｙ方向移動台５５に固定するクランプ６１、６１、６１と、基台１１の一端からｚ方向に延ばされている柱６２と、この柱６２にｚ方向移動自在に嵌められている昇降アーム６３と、柱６２に上部に設けられ昇降アーム６３を柱６２に沿って昇降させるｚ方向シリンダユニット６４と、昇降アーム６３の先端部から下方に延ばされているロッド６５と、このロッド６５の下端に設けられ渦電流測定機構２９を任意の角度で固定する角度調節部６６と、ｘ方向シリンダユニット５３、ｙ方向シリンダユニット５６及びｚ方向シリンダユニット６４を制御する制御部６７とからなる。

別実施例における表面硬化層深さ測定装置１０の作用を説明する
ｚ方向シリンダユニット６４で昇降アーム６３を下降させ、渦電流測定機構２９を表面硬化処理が施された長尺状ワーク５９の表面に近づける。ｘ方向シリンダユニット５３でｘ方向移動台を移動させ、渦電流測定機構２９で長尺状ワーク５９の長辺を連続的又は断続的に測定する。また、ｙ方向シリンダユニット５６でｙ方向移動台を移動させ、渦電流測定機構２９で長尺状ワーク５９の短辺周囲を連続的又は断続的に測定する。さらに、角度調節部６６で渦電流測定機構２９の角度を９０度動かすことで、長尺状ワーク５９の側壁を測定することもできる。

次に本発明の更なる別実施例を説明する。
図６は本発明の更なる別実施例の表面硬化層深さ測定装置の原理図であり、図１と同様の部材で構成されている部分は、符号を流用して詳細な説明は省略する。
渦電流測定機構２９は、ワーク１５の端面を測定できる位置に配置されている。

次に、このワーク１５に対する、更なる別実施例の作用を説明する。
ワーク１５を表面硬化層深さ測定装置１０にセットする。交流電源２７で励磁コイル２６に電流を印加する。ワーク１５に生じた渦電流磁界の変化による電圧を検出コイル２８で測定させる。浸炭深さ換算装置３０により、Ｘ電圧を浸炭深さＤａに換算させる。合否判定部３１により、測定で得られた浸炭深さＤａが合格基準深さ範囲Ｄｓの範囲に入っているか否かを調べる。ＹＥＳであれば、「合格」の表示をする。ワーク１５を矢印のように規定量だけ回転させる。そして、再度検出コイル２８で測定させる。ワーク１５が１回転したところで測定を終了する。

図７は図６の７−７線断面図であり、ワーク１５は、端面の一部（防炭部）に防炭剤を塗布して防炭処理をしてから真空浸炭処理が施されている。
このワーク１５の円周を３４分割し、図６に示した表面硬化層深さ測定装置１０でワーク１５の端面を３４箇所測定した。

図８は測定結果を示すグラフであり、防炭部の測定電圧は、真空浸炭処理が施されている部分とは異なる測定電圧となった。
そこで、内部の状態を調べるため、このワークを切断し、切断面を磨いてから、切断面を観察した。

図９は図７の９−９線断面図であり、浸炭部左及び浸炭部右では、表面からある程度の深さまで、浸炭処理されていることが確認できる。また、防炭部では浸炭処理が施されていないことが確認できる。さらに、浸炭部と防炭部の境界部では、浸炭深さが徐々に小さくなっていることが確認できる。
次に、この切断面を測定対象として、表面から０．１ｍｍ毎に、１．０ｍｍまで、マイクロビッカース硬さ計で、ビッカース硬さ（Ｈｖ）を測った。

図１０は測定で得られた硬さを表したグラフであり、各測定点は、横軸が表面からの距離（深さ）で、縦軸がビッカース硬さであるグラフに、生のデータをプロットしたものである。
ところで、この種のワークでは、「表面から○○ｍｍの深さで、ロックウエルＣスケール硬さが５０以上であること」と言った要求仕様が出されることが多い。ロックウエルＣスケール硬さ５０は、換算表によれば、ビッカース硬さ（Ｈｖ）５１３に相当する。
そこで、グラフにプロットした複数の点を滑らかな曲線で繋ぐ。

結果、図１０に示すグラフが得られる。そこで、基準硬さである縦軸の５１３から横線を引き、浸炭部左の曲線及び浸炭部右の曲線に交わったところから、縦線を降ろし、この縦線が横軸と交わったところの距離を読む。表面からの距離はＡで０．６４ｍｍであり、Ｂで０．６６ｍｍであった。

図１１は測定電圧と浸炭深さの相関図であり、横軸が浸炭深さ（表面からの距離に相当。）で、縦軸が測定電圧であるグラフに、１個のデータ（０．６４ｍｍ、−６７ｍＶ）を●でプロットした。
浸炭条件を変えて得られたサンプルを２１個作製し、これらのサンプルについても図１０の手順を踏んで、浸炭深さと測定電圧を定めた。２１個のサンプルについては○で、グラフにプロットした。

１個の●と２１個の○は右下りの直線に沿って分散している。縦軸の測定電圧が測定で得られれば、この相関図により、得られた測定電圧に対応する浸炭深さを求めることができる。
また、詳細な計算法は省略するが、この分散における相関係数（ｒ^２）は０．９２であった。

以上の説明から明らかなように、本発明は次の点にも特徴がある。すなわち、図１０で説明したように、得られた硬さと深さは、測定で得られた硬さを、ワークの表面から内部に向かってプロットした点を結んでなる曲線から得る。点を結んで曲線を得るようにしたので、測定点の数を少なく設定することができ、測定時間が短縮でき、測定コストの低減を図ることができる。

又、図１０で求めた硬さという定量的データに基づいて、浸炭深さが決められる。すなわち、図１０で説明したように、破壊検査による硬さデータと、非破壊検査による測定電圧との突き合わせが行われる。この後は、非破壊検査により測定電圧を求め、図１１に基づいて、浸炭深さに換算する。非破壊検査であるにも拘わらず、破壊検査での裏付けがなされているので、非破壊検査で求めた浸炭深さの信頼性が飛躍的に高まる。
なお、好適な周波数をとして、１ｋＨｚを使用した。

尚、本発明のワーク表面硬化層深さ測定方法は、図１に示した表面硬化層深さ計測装置１０以外の装置やツールで表面硬化層深さを測ることは差し支えない。要は、ワークの表面硬化層深さが非破壊的に計測することができるものであれば、計測装置の形態、種類は問わない。
また、ワークは、歯車及び長尺状のワークに限定されず、軸、エンジンのピストン等、一般の機械部材であって、表面処理が可能な鋼で構成されているものであれば、種類は問わない。

本発明は、真空浸炭処理されたワークの浸炭深さを計測する技術に好適である。

本発明のワーク表面硬化層深さ測定方法に適した表面硬化層深さ計測装置の原理図である。図１の要部拡大図である。図２の３線断面図である。図２の４線断面図である。本発明に係る別実施例の表面硬化層深さ測定装置の原理図である。本発明の更なる別実施例の表面硬化層深さ測定装置の原理図である。図６の７−７線断面図である。測定結果を示すグラフである。図７の９−９線断面図である。測定で得られた硬さを表したグラフである。測定電圧と浸炭深さの相関図である。従来の技術の基本原理を説明する図である。従来の技術の基本原理を説明する図である。

符号の説明

１０…表面硬化層深さ計測装置、１５…ワーク、２６…励磁コイル、２８…信号検出部（検出コイル）、２９…渦電流測定機構、５９…長尺状ワーク。

Claims

表面硬化処理が施されているワークの表面硬化層深さを励磁コイルと信号検出部とからなる渦電流測定機構で測定するワーク表面硬化層深さ測定方法において、
前記励磁コイルで前記ワークの局所を励磁し、前記ワークに発生した渦電流で発生する磁界の変化を前記信号検出部で検出することで、前記ワークの局所における表面硬化層深さを連続的又は断続的に測定することを特徴とするワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記表面硬化層は、熱処理硬化層であることを特徴とする請求項１記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記熱処理硬化層は、浸炭処理層、高周波焼入れ層又は窒化処理層であることを特徴とする請求項２記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記浸炭処理層は、真空浸炭層であることを特徴とする請求項３記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記表面硬化層深さは、前記ワークを切断し接触型硬度計で求めた硬さと相関があることを特徴とする請求項１記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記接触型硬度計で求めた硬さは、切断した前記ワークの硬さと深さの関係を示す曲線であることを特徴とする請求項５記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記曲線により、設定基準硬さの表面硬化層深さが、渦電流測定機構の測定値と関連することを特徴とする請求項６記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの短辺周囲を連続的又は断続的に測定することを特徴とする請求項１記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。
前記ワークの局所における表面硬化層深さの測定は、長尺状ワークの長辺を連続的又は断続的に測定することを特徴とする請求項１記載のワーク表面硬化層深さ測定方法。