JP2016217780A

JP2016217780A - 鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置

Info

Publication number: JP2016217780A
Application number: JP2015100186A
Authority: JP
Inventors: 孝文尾関; Takafumi Ozeki; 敬一東; Keiichi Azuma; 清史上井; Seishi Uei; 鍋島　誠司; Seiji Nabeshima; 誠司鍋島
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: JP6260582B2

Abstract

【課題】介在物の検出能を十分に得ることができ、評価効率にも優れた鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置を提供すること。【解決手段】鋼材の清浄度評価方法は、水中焦点距離をＦ、超音波周波数をｆ、水中超音波音速をＣ、超音波探触子の集束方向の振動子幅をＤＦ、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をＤＮＦ、鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ０、鋼材の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ１としたとき、線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、式（１）を満たすとともに、式（２）を満たす場合には式（３）を満たすように、式（２）を満たさない場合は式（４）を満たすように設定する超音波探触子設定ステップと、設定された超音波探触子の非集束方向が鋼材の圧延方向と平行になるように鋼材上を２次元走査する超音波探傷ステップと、評価ステップと、を含むことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置に関し、特に高い疲労特性が求められる高清浄度鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置に関する。

鋼材を加工して製造された製品の高い疲労特性を実現するためには、破損の原因となる非金属介在物(以下、介在物という)を低減する必要があることが知られており、そのために材料となる鋼材内部の介在物を調査することが従来から行われている。例えば特許文献１には、超音波探傷法を用いて介在物を評価することにより、鋼材の清浄度評価を行う方法が記載されている。ここで、特許文献１では、介在物の評価方法として反射波強度が一定以上となる介在物の個数を評価している。

特開２００６−６４５６９号公報

しかしながら、特許文献１で提案された評価方法は、点集束超音波ビームを用いて探傷を行っているため、図１５に示すように、点集束超音波ビームのビーム直径をｄ_２としたとき、探傷ピッチｐを、下記式（５）を満たすように設定する必要がある。

そのため、特許文献１で提案された評価方法は、介在物の検出能を上げるために点集束超音波ビームのビーム直径ｄ_２を小さくしようとすると、探傷ピッチｐも小さくする必要があり、その結果、探傷領域当たりの測定点数が多くなり、評価効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、介在物の検出能を十分に得ることができ、評価効率にも優れた鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価方法であって、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さｄ_３を設定する介在物検出サイズ設定ステップと、水中焦点距離をＦ、超音波周波数をｆ、水中超音波音速をＣ、超音波探触子の集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦ、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_０、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_１としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式（１）を満たすとともに、下記式（２）を満たす場合には下記式（３）を満たすように、下記式（２）を満たさない場合は下記式（４）を満たすように設定する超音波探触子設定ステップと、前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を２次元走査する超音波探傷ステップと、前記２次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの２次元分布を取得し、前記２次元分布から、前記長さｄ_３に相当する信号レベル以上となる部分を評価する評価ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法は、前記介在物検出サイズ設定ステップにおいて、前記長さｄ_３を２０μｍ以下に設定することを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る鋼材の清浄度評価装置は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価装置であって、水中焦点距離をＦ、超音波周波数をｆ、水中超音波音速をＣ、超音波探触子の集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦ、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_０、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_１としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式（１）を満たすとともに、下記式（２）を満たす場合には下記式（３）を満たすように、下記式（２）を満たさない場合は下記式（４）を満たすように設定し、前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を２次元走査し、前記２次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの２次元分布を取得し、前記２次元分布から、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さｄ_３に相当する信号レベル以上となる部分を評価することを特徴とする。

本発明によれば、鋳造時に混入した介在物の圧延による延伸を考慮して、線集束超音波による超音波探傷の条件をこれに適するように決定するため、介在物の検出能を十分に得ることができる。また、線集束超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とが平行となるように超音波ビームを送受信することで、線集束超音波ビームの非集束方向に探傷ピッチを粗くすることができるため、探傷領域当たりの測定点数を少なくし、評価効率を向上させることができる。

図１は、鍛造された鋼片が丸棒鋼（鋼材）へと圧延される様子を模式的に示す図である。図２は、水侵探傷法による超音波探傷で用いる点集束超音波探触子を模式的に示す図である。図３Ａは、介在物とビーム集束部との関係を模式的に示す図であって、介在物の長さがビーム直径を超えている場合を示す図である。図３Ｂは、介在物とビーム集束部との関係を模式的に示す図であって、介在物の長さがビーム直径以下である場合を示す図である。図４は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価装置の概略構成を示す図である。図５は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法の内容を示すフローチャートである。図６は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法における評価条件設定ステップの内容を示すフローチャートである。図７Ａは、介在物とビーム集束部との関係を模式的に示す図であって、介在物の長さが非集束方向のビーム幅以下である場合を示す図である。図７Ｂは、介在物とビーム集束部との関係を模式的に示す図であって、介在物の長さが非集束方向のビーム幅を超えている場合を示す図である。図８は、仕様の異なる６種類の超音波探触子について、実際の超音波探傷と同等の条件で反射信号（超音波反射信号）の比較を行った結果を示す表である。図９は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法における探傷ピッチを模式的に示す図である。図１０は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法における被検体評価ステップの内容を示すフローチャートである。図１１は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法における被検体の切出し方法の一例を示す図である。図１２は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法において、探傷面が平面の場合の探傷方法の一例を示す図である。図１３は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法において、探傷面が曲面の場合の探傷方法の一例を示す図である。図１４は、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法の実施例において、従来の点集束超音波ビームと、本発明に係る線集束超音波ビームとによってそれぞれ探傷を行った結果を示す表である。図１５は、従来の点集束超音波ビームを用いた鋼材の清浄度評価方法における探傷ピッチを模式的に示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を、水侵探傷法（以下、水侵法という）を利用した超音波探傷によって評価する方法である。ここで、以下ではまず本発明の背景となる技術を説明した後、本発明の具体的内容について説明することとする。

一般に、鋼材の製造工程としては、まず鋼片が鋳造され、その後その鋼片が圧延工程により延ばされて鋼材が製造される（例えば参考文献１参照）。なお、圧延工程は複数であることもあり、また、その間に熱処理や表面処理が行われることもある。

参考文献１：特開２００９−２８５６９８号公報

これらの製造工程において、介在物は鋳造時に鋼片中に混入すると推定される。またその際、介在物は図１左図に示すように、およそ球形であることが想定される。そして、このように鋳造時に混入した介在物は、同図右図に示すように、圧延工程を経て延伸されることが想定される。この場合、圧延後の鋼材（例えば丸棒鋼）における介在物の形状、すなわち介在物の圧延方向（延伸方向）における長さ（長径）Ｌと、当該圧延方向と垂直な幅方向における長さ（短径）ｄ_１は、同図に示すように、鋳造時における鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_０、圧延後における丸棒鋼の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_１、鋳造時における介在物の直径をｄ_０としたとき、それぞれ下記式（６）および下記式（７）に示すものとなる。なお、前記した「圧延方向」とは、鋼片が圧延される方向であり、鋼材の長さ方向と平行な方向を意味している。

ここで、上記式（６）および上記式（７）において、介在物の圧延方向における長さＬ（以下、介在物の長さＬという）は、圧延比Ｓ_０／Ｓ_１に比例して延伸するものと仮定し、介在物の圧延方向と垂直な幅方向における長さｄ_１（以下、介在物の幅ｄ_１という）は、幅方向に垂直な断面において円形であると仮定している。また、上記式（６）および上記式（７）において、介在物の体積は圧延前後で不変であると仮定している。

このように圧延されて製造された鋼材に対して超音波探傷を行う場合、介在物の検出能および探傷効率を考慮して、例えば前記した特許文献１に記載されたような焦点型探触子を用いた水侵法によって行うことが一般的である。図２に、その際に用いられる点集束超音波探触子１１０と、当該点集束超音波探触子１１０によって形成される点集束超音波ビームを示す。

図２に示したビーム集束部（焦点、集束領域）における介在物からの超音波反射信号（以下、反射信号という）は、ビーム集束部におけるビーム断面積Ｓ_２と、点集束超音波ビーム内に含まれている介在物の断面積Ｓ_３との比Ｓ_３／Ｓ_２におよそ比例すると考えられる。図３Ａおよび図３Ｂは、点集束超音波ビームのビーム集束部に介在物が存在する場合を想定した断面図であり、鋼材における介在物が存在する領域を圧延方向と平行に切断し、その切断面を上から観察した様子を模式的に示す図である。なお、ここでは、鋼材の圧延方向と垂直に点集束超音波ビームを入射させることを想定している。このように点集束超音波ビームを圧延方向と垂直に入射すると、ビーム集束部における介在物の断面積が大きくなるため、微小な介在物の検出にも有利である。

このとき、図３Ａに示すように、介在物の長さＬがビーム直径ｄ_２を上回る場合（Ｌ＞ｄ_２）、点集束超音波ビームをどのように当てても介在物の一部が点集束超音波ビームからはみ出てしまう。この場合、鋼材からの反射信号は点集束超音波ビーム内の断面積にしか対応しないため、介在物全体の断面積がわからないという問題がある。なお、前記した「ビーム直径」とは、点集束超音波ビームのビーム集束部における直径のことを意味している。

一方、図３Ｂに示すように、介在物の長さＬがビーム直径ｄ_２以下（Ｌ≦ｄ_２）となるような点集束超音波ビームを使えば、介在物全体を点集束超音波ビーム内に収めることができる。しかし、この場合はビーム断面積Ｓ_２が大きくなってしまうため、ビーム断面積Ｓ_２と介在物の断面積Ｓ_３との比Ｓ_３／Ｓ_２が小さくなり、鋼材からの反射信号の強度が弱くなるため、介在物の検出能が低下してしまうという問題がある。

なお、図３Ａに示すように、ビーム直径ｄ_２を小さくした場合、介在物全体の断面積は分からないものの、点集束超音波ビーム内の介在物の断面積が一定以上（ビーム集束部の断面積に対する介在物の断面積が一定以上）であれば、介在物を検出することは可能である。

しかしこの場合も、前記したように、介在物の検出能を上げるには探傷ピッチｐも小さくする必要があり（図１５および上記式（５）参照）、その結果、探傷領域当たりの測定点数が多くなって評価効率が低下するという問題があった。そこで、本発明者らは、このような問題点を解決するために、評価効率に優れた鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置を考案した。以下、本発明の内容について説明する。

本発明の実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法を行うための装置の基本的構成を図４に示す。清浄度評価装置１は、線集束超音波探触子（以下、超音波探触子という）１０と、制御部２０と、を備えている。なお、図４では本発明に関係する構成のみを図示し、その他の構成は図示を省略している。

超音波探触子１０は、線集束超音波ビーム（以下、超音波ビームという）を形成し、水侵法によって超音波探傷を行うものである。また、制御部２０は、超音波探触子１０を制御するとともに、超音波探触子１０によって取得された反射信号を処理するものである。この制御部２０は、具体的にはＣＰＵ、ディスク装置、メモリ装置、入力装置、出力装置、通信装置等で構成される一般的なコンピュータを、本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法の後記各ステップを行う手段として機能させる。

本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、図５に示すように、評価条件設定ステップ（ステップＳ１）と、被検体評価ステップ（ステップＳ２）と、を行う。そのうち、評価条件設定ステップでは、図６に示すように、介在物検出サイズ設定ステップ（ステップＳ１１）と、超音波探触子設定ステップ（ステップＳ１２）と、検出閾値設定ステップ（ステップＳ１３）と、探傷ピッチ設定ステップ（ステップＳ１４）と、をこの順番で行う。

まず、介在物検出サイズ設定ステップでは、介在物検出サイズを設定する。ここで、介在物検出サイズとは、超音波探傷によって検出しようとする鋼材中における最小（下限）の介在物のサイズのことである。より具体的には、検出しようとする最小の介在物の、圧延方向と垂直な幅方向における長さのことを意味している。以下では、この介在物検出サイズのことをｄ_３で示す。

本ステップでは、図１に示すように、鋼材中の介在物が圧延によって延伸されたものと想定し、当該延伸後の介在物の幅ｄ_１に対応させた介在物検出サイズｄ_３を設定する。そして、後段の超音波探傷ステップ（図１０参照）において、ｄ_１＞ｄ_３となる介在物を検出する。なお、介在物検出サイズｄ_３は、値が小さいほど小さな介在物を検出できるため、なるべく小さな値とすることが好ましい。例えば以下の参考文献２には、２０μｍ以下の欠陥が疲労き裂の起点となることが示されているため、本ステップでは、介在物検出サイズｄ_３を２０μｍ以下に設定することが好ましい。

参考文献２：藤松威史ほか、「高炭素クロム軸受鋼の転がり疲れにおける内部欠陥からのき裂発生挙動」、鉄と鋼、一般社団法人日本鉄鋼協会、2008年、Vol.94、No.1、p13−20

次に、超音波探触子設定ステップでは、超音波探傷に使用する超音波探触子１０を設定する。本ステップでは、超音波ビームによる超音波探傷の条件を、集束方向および非集束方向におけるビーム幅や振動子幅を考慮して決定する。以下、超音波探傷の条件を決定するための式について説明する。

まず、超音波ビームのビーム集束部における集束方向のビーム幅ｄ_２Ｆは、超音波探触子１０の集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ、水中焦点距離をＦ、水中超音波音速をＣ、超音波周波数をｆとした場合、下記式（８）のように示すことができる。

なお、超音波ビームの集束方向のビーム幅ｄ_２Ｆは、当該超音波ビームが鋼材中に入射した場合であっても、基本的には変化しない。

また、超音波ビームのビーム集束部における非集束方向のビーム幅ｄ_２ＮＦは、超音波探触子１０の非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦとし、超音波探触子１０からの距離ｘが下記式（９）を満たすとき、下記式（１０）に示すことができる。

ここで、超音波ビームの集束方向における焦点（ｘ＝Ｆ）では、上記式（８）を満たす必要があるため、下記式（１）を条件として課す。

このとき、超音波ビームのビーム集束部におけるビーム断面積Ｓ_２は、下記式（１１）のように示すことができる。

一方、介在物に関して、介在物の長さＬは、上記式（６）および上記式（７）を考慮すると、介在物の幅ｄ_１および圧延比Ｓ_０／Ｓ_１を用いて、下記式（１２）のように示すことができる。

そして、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とを一致させ、かつ介在物が超音波ビーム断面の中央にある場合を考えると、超音波ビーム内に含まれる介在物の断面積Ｓ_３は、下記式（１３）および下記式（１４）のように示すことができる。なお、下記式（１３）および下記式（１４）では、ｄ_２ＮＦ＜Ｌの場合は超音波ビーム内の介在物の断面を長方形として近似し、ｄ_２Ｆ≧ｄ_１であることを仮定している。

次に、超音波ビームのビーム断面積Ｓ_２と、当該超音波ビーム内に含まれている介在物の断面積Ｓ_３との比であるＳ_３／Ｓ_２について考える。超音波探傷時に介在物から得られる反射信号Ａ_１は、超音波ビーム全体から超音波が反射する場合の反射信号Ａ_０を用いると、下記式（１５）のように示すことができる。なお、下記式（１５）では、反射信号Ａ_１，Ａ_０における単位面積当たりの反射率は同等と仮定している。

ここで、超音波探傷では、前記した介在物検出サイズ設定ステップで設定した介在物検出サイズｄ_３以上の介在物に対応する反射信号Ａ_１を検出できるようにすれば良いため、超音波探傷におけるノイズレベルをＡ_ｎ、検出のための余裕値（ＳＮ比）をαとしたとき、反射信号Ａ_１は、下記式（１６）に示すような値とする。

以上より、ｄ_１≧ｄ_３となる介在物を検出するために超音波ビームの集束方向のビーム幅ｄ_２Ｆおよび非集束方向のビーム幅ｄ_２ＮＦに求められる条件は、上記式（１１）〜上記式（１６）を考慮すると、下記式（１７）および下記式（１８）に示すものとなる。

ここでさらに、上記式（１７）および上記式（１８）におけるノイズレベルＡ_ｎについて考える。発明者らは、仕様の異なる６種類の超音波探触子１０について、図８に示すように、実際の超音波探傷と同等な条件で反射信号Ａ_０とノイズレベルＡ_ｎの比較を行った。同図に示すそれぞれの「ＳＮ比の逆数」から、超音波探触子１０の仕様によらず、Ａ_ｎ≒０．０１・Ａ_０とすれば良いことが分かる。これを考慮すると、上記式（１７）および上記式（１８）は、下記式（１９）および下記式（２０）となる。

そして、余裕値αは、α≧２が少なくとも必要となる。この場合、上記式（１９）および上記式（２０）は、下記式（２１）および下記式（２２）となる。

また、余裕値αは、α≧５とすることがより好ましい。この場合、上記式（１９）および上記式（２０）は、下記式（２３）および下記式（２４）となる。

また、上記式（２１）および上記（２２）について、上記式（８）、（９）、（１２）を利用してｄ_２Ｆ，ｄ_２ＮＦ，Ｌを消去すると、下記式（２５）および下記式（２６）となる。そして、下記式（２５）および下記式（２６）に上記式（１）を加えたものが本ステップにおける条件式となる。

同様に、上記式（２３）および上記式（２４）について、上記式（８）、（９）、（１２）を利用してｄ_２Ｆ，ｄ_２ＮＦ，Ｌを消去すると、下記式（２７）および下記式（２８）となる。そして、下記式（２７）および下記式（２８）に上記式（１）を加えたものが本ステップにおけるより好ましい条件式となる。

以上を踏まえ、本ステップでは、後記する超音波探傷ステップで用いる超音波探触子１０を、上記式（１）を満たすとともに、上記式（２５）または上記式（２６）（好ましくは上記式（２７）または上記式（２８））を満たすように設定する。言い換えると、超音波探触子１０を、上記式（１）を満たすとともに、下記式（２）を満たす場合には下記式（３）を満たすように、下記式（２）を満たさない場合は下記式（４）を満たすように設定する。

次に、検出閾値設定ステップでは、介在物の検出閾値Ａ_ｔｈを設定する。ここでは、介在物検出サイズｄ_３に相当する介在物の反射信号Ａ_１を検出できれば良いため、上記式（１１）〜上記式（１６）を考慮すると、検出閾値Ａ_ｔｈは、下記式（２９）および下記式（３０）を満たすように設定する。

次に、探傷ピッチ設定ステップでは、鋼材の圧延方向における探傷ピッチｐ_１および鋼材の圧延方向に垂直な方向における探傷ピッチｐ_２を決定する。探傷ピッチｐ_１，ｐ_２は、ビーム幅ｄ_２Ｆ，ｄ_２ＮＦを基に、探傷もれが無いように設定すれば良い。探傷ピッチｐは、例えば図９のような測定点を考慮した場合、下記式（３１）および下記式（３２）を満たすように設定する。

本実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法は、以上のように評価条件設定ステップ（図５のステップＳ１、図６のステップＳ１１〜Ｓ１４）を行った後、被検体評価ステップ（図６のステップＳ２）を行う。被検体評価ステップでは、図１０に示すように、被検体準備ステップ（ステップＳ２１）と、超音波探傷ステップ（ステップＳ２２）と、評価ステップ（ステップＳ２３）と、をこの順番で行う。

まず、被検体準備ステップでは、超音波探傷の被検体の準備を行う。本ステップでは、具体的には、例えば鋼材（丸棒鋼）の切出し、表面平滑化加工、結晶粒微細化のための熱処理等を行う。また、鋼材の切出しにおいては、図１１に示すように、探傷面が圧延方向と平行になるようにする。また、後に水侵２次元探傷を効率良く行う上では、同図に示すように、探傷面が平面となるように被検体を切出すことが好ましい。

次に、超音波探傷ステップでは、超音波探傷を実施する。本ステップでは、線集束の超音波探触子１０による探傷を精度良く、かつ効率的に行うために水侵法を用いる。そして、本ステップでは、超音波探触子設定ステップで設定された超音波探触子１０を用い、探傷ピッチ設定ステップで設定された探傷ピッチｐ_１，ｐ_２ごとに超音波を送受信しつつ、それぞれの位置ごとに反射信号Ａ_１を検出していくことで、反射信号レベル（反射信号強度）の２次元マップ（２次元分布）を生成する。

なお、本ステップでは、超音波ビームの非集束方向が常に鋼材の圧延方向に平行になるようにしながら探傷を行う。また、本ステップにおける超音波探傷の具体的方法としては、探傷面が平面の場合は、図１２に示すように、例えば参考文献３に記載されているようなＣスキャン探傷法を用いることが好ましい。なお、同図では点集束超音波ビームによる超音波探傷の場合を一例として示しているが、線集束の場合も同様である。

参考文献３：特開２００８−２６１８８９号公報

また、探傷面が曲面の場合は、例えば図１３に示すように、軸方向の回転と軸方向に平行な方向の移動を組み合わせて２次元走査を行うことが好ましい。

このように、本ステップでは、超音波ビームを形成する超音波探触子１０を用いて水侵法により被検体である鋼材に超音波を送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように鋼材上を２次元走査する。

最後に、評価ステップでは、反射信号レベルの２次元マップを基に、鋼材の清浄度を評価する。本ステップでは、前記した超音波探傷ステップにおいて２次元走査した面に対応する反射信号レベルの２次元マップを取得し、介在物検出サイズｄ_３に相当する信号レベル（検出閾値Ａ_ｔｈ）以上となる部分を評価する。本ステップにおける具体的な評価方法としては、例えば検出された介在物の個数をカウントして評価する、あるいは検出されたそれぞれの介在物の信号レベルを評価すること等が挙げられる。

以上説明した本発明に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置１によれば、鋳造時に混入した介在物の圧延による延伸を考慮して、線集束超音波による超音波探傷の条件をこれに適するように決定するため、介在物の検出能を十分に得ることができる。また、線集束超音波ビームの非集束方向と介在物の延伸方向とが平行となるように超音波ビームを送受信することで、線集束超音波ビームの非集束方向に探傷ピッチを粗くすることができるため、探傷領域当たりの測定点数を少なくし、評価効率を向上させることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。本実施例では、本発明に係る方法および従来の点集束超音波ビームを利用した方法によって、圧延比Ｓ_０／Ｓ_１＝１００で圧延された鋼材の探傷を行った場合を想定した数値実験を行った。

本発明に係る方法では、介在物検出サイズｄ_３＝２０μｍとし、超音波探触子としては、超音波周波数ｆ＝５０ＭＨｚ、集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ＝３ｍｍ、非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦ＝６ｍｍ、水中焦点距離Ｆ＝３８ｍｍに設定した。これにより、以下に示すように、超音波探触子設定ステップにおける上記式（１）および上記式（４）の条件（あるいは上記式（１）および上記式（２６）の条件）を満たすことになる。またこの場合、集束方向のビーム幅ｄ_２Ｆ＝０．３７ｍｍ、非集束方向のビーム幅ｄ_２ＮＦ＝６ｍｍとなる。

本実施例における超音波探傷ステップでは、鋳造時における直径ｄ_０＝０．５ｍｍの介在物が探傷範囲に存在する場合を考慮した。この場合、延伸後における介在物の幅ｄ_１＝５０μｍ、延伸後における介在物の長さＬ＝５０ｍｍとなる。このような介在物について、本発明に係る線集束超音波探触子によって、非集束方向を圧延方向に合わせて探傷した結果と、比較のためにそれぞれ超音波ビーム直径０．３７ｍｍ，６ｍｍの従来技術に係る点集束超音波探触子によって探傷した結果を図１４に示す。同図では、探傷結果として、それぞれの反射信号レベルと、探傷に必要な単位面積当たりの測定点数を示している。

図１４に示すように、超音波ビーム直径が０．３７ｍｍの点集束超音波探触子を用いた場合は、検出できる反射信号レベルは高いものの測定点数が多くなって効率的に探傷できないことが分かる。また超音波ビーム直径が６ｍｍの点集束超音波探触子を用いた場合は、測定点数は少ないものの、信号レベルが低くなってしまうことが分かる。一方、本発明に係る線集束超音波探触子を用いた場合は、反射信号レベルが高く、測定点数も少ない。そのため、本発明によれば、反射信号レベルの優れた検出能と、探傷の効率化とを両立できていることが分かる。

以上、本発明に係る鋼材の清浄度評価方法および清浄度評価装置について、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。

１清浄度評価装置
１０線集束超音波探触子
２０制御部
１１０点集束超音波探触子

Claims

鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価方法であって、
前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さｄ_３を設定する介在物検出サイズ設定ステップと、
水中焦点距離をＦ、超音波周波数をｆ、水中超音波音速をＣ、超音波探触子の集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦ、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_０、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_１としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式（１）を満たすとともに、下記式（２）を満たす場合には下記式（３）を満たすように、下記式（２）を満たさない場合は下記式（４）を満たすように設定する超音波探触子設定ステップと、
前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を２次元走査する超音波探傷ステップと、
前記２次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの２次元分布を取得し、前記２次元分布から、前記長さｄ_３に相当する信号レベル以上となる部分を評価する評価ステップと、
を含むことを特徴とする鋼材の清浄度評価方法。
前記介在物検出サイズ設定ステップは、前記長さｄ_３を２０μｍ以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の鋼材の清浄度評価方法。
鋳造された鋼片を圧延して形成される鋼材の清浄度を超音波探傷によって評価する鋼材の清浄度評価装置であって、
水中焦点距離をＦ、超音波周波数をｆ、水中超音波音速をＣ、超音波探触子の集束方向の振動子幅をＤ_Ｆ、超音波探触子の非集束方向の振動子幅をＤ_ＮＦ、前記鋼片の圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_０、前記鋼材の前記圧延方向と垂直な方向における断面積をＳ_１としたとき、前記超音波探傷で用いる線集束超音波ビームを形成するための超音波探触子を、下記式（１）を満たすとともに、下記式（２）を満たす場合には下記式（３）を満たすように、下記式（２）を満たさない場合は下記式（４）を満たすように設定し、
前記設定された超音波探触子を用いて、前記超音波探触子の非集束方向が前記鋼材の圧延方向と平行になるように、水侵探傷法により前記鋼材に超音波ビームを送受信しつつ、走査面が圧延方向と平行になるように前記鋼材上を２次元走査し、
前記２次元走査した面に対応する超音波反射信号レベルの２次元分布を取得し、前記２次元分布から、前記超音波探傷によって検出しようとする前記鋼材中における介在物の、前記鋼材の圧延方向と垂直な幅方向における最小の長さｄ_３に相当する信号レベル以上となる部分を評価することを特徴とする鋼材の清浄度評価装置。