JP2021043161A - 硬度測定装置、硬度測定方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】鋼材の表層の硬度をより精度高く測定することが可能な硬度測定装置、硬度測定方法及びプログラムを提供する。【解決手段】硬度測定装置１は、測定対象となる鋼材１０１の表層に対して、パラメータを測定する測定部１０と、鋼材１０１の鋼種に応じて予め求められたパラメータと鋼材１０１の表層の硬度との相関関係、及び、測定部１０で測定されたパラメータの測定結果に基づいて、測定部１０によって測定した位置における鋼材１０１の表層の硬度を求める硬度取得部２０とを備え、測定部１０は、パラメータとして、測定範囲の鋼材１０１の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、硬度取得部２０は、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼材の表層の硬度を測定する硬度測定装置、硬度測定方法及びプログラムに関する。

近年、硫化水素環境下に晒される鋼材では、硫化物腐食割れ（ＳＳＣ：Sulfide Stress Cracking）が問題となっている。ＳＳＣは、硫化水素などの硫化物にさらされる鋼材の表層において、予め定められた硬度の上限値よりも硬度の高い表層硬化部が起点となって発生することが明らかとなっている。また、鋼材の強度が不足すると、鋼材の表層においては予め定められた硬度の下限値よりも硬度の低い表層軟化部が起点となって鋼材の破断が発生してしまう場合がある。このため、このような表層硬化部や表層軟化部（以下、表層硬化部および表層軟化部を総称して表層硬度変化部という）を硬度の測定により検出する方法が求められている。

鋼材の表層の硬度を測定する方法としては、例えば鋼材の表層の電磁気特性値を測定する方法が知られている。例えば、特許文献１に記載する技術では、このような電磁気特性値が鋼材の硬度に対して対応関係を示す一方、簡単な分析的な解決を不可能とするように変動することから、複数の電磁気特性値によって鋼材の硬度を概算する方法が提案されている。具体的には、特許文献１に記載する技術では、各電磁気特性値に関して、類似の化学組成を有する複数の鋼試料の硬度および電磁気特性値を測定し、これら測定値をデータバンク内に、各々測定された電磁気特性値に対する硬度の量子化された複数の組分け中に記憶する。そして、硬度を概算すべき鋼の複数の電磁気特性値を測定し、データバンク内に記憶された量子化された組分けと比較して、測定された電磁気特性値が入る量子化された組分けを決定した後に、それぞれの電磁気特性値で組分けされた結果を比較することで硬度を概算している。

特表平９−５０７５７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、それぞれの電磁気特性において、あくまでも組分けを決定することに限られており、複数の電磁気特性で得られた組分けから確からしい硬度を概算することができるにすぎなかった。このため、より精度高く鋼材の表層の硬度を測定することが可能な装置及び方法が求められていた。

そこで、この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、鋼材の表層の硬度をより精度高く測定することが可能な硬度測定装置、硬度測定方法及びプログラムを提供するものである。

発明者らは、様々な鋼種の鋼材に対して、様々な条件の下、表層の電磁気特性値など、鋼材の性状によって変化するパラメータを測定した。その結果、発明者らは、測定されるパラメータが、表層の硬度に依存するとともに、表層の応力状態にも依存することを見出した。すなわち、表層の硬度が所定の値であったとしても応力状態が異なると測定されるパラメータが異なる場合がある。鋼材の表層には、外力が加わっていなくても、製造プロセスにおける冷却条件の違いにより部分ごとに異なる残留応力が生じうる。このため、同じ硬度を有していても、残留応力が異なることにより測定されるパラメータは異なってしまう。その一方で、様々な種類のパラメータの中で、一部の種類のパラメータでは、特定の応力範囲において、応力に対してパラメータが略一定となることを見出した。発明者らは、鋼材の表層のパラメータを測定し、パラメータと応力および硬度との相関関係を複数作成し、作成した複数の相関関係のうち、応力に対してパラメータが略一定となる応力範囲を有する相関関係を用い、当該応力範囲でパラメータから硬度を求めることによって、応力の影響を控除してパラメータから硬度を求めることができるとの知見に至った。

本知見に基づいて、上記の課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係る硬度測定装置は、測定対象となる鋼材の表層に対して、鋼材の性状によって変化するパラメータを測定する測定部と、前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係、及び、前記測定部で測定された前記パラメータの測定結果に基づいて、前記測定部によって測定した位置における前記鋼材の表層の硬度を求める硬度取得部とを備え、前記測定部は、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、前記硬度取得部は、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める。
この構成によれば、鋼材の鋼種に応じて、パラメータと、鋼材の表層の硬度との相関関係を求めた結果を予め取得しておく。この際、パラメータと、鋼材の表層の応力との相関関係も求めておき、応力に対してパラメータが略一定となる応力範囲を特定しておく。そして、測定部によってパラメータとして、測定範囲の鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定する。そして、硬度取得部は、パラメータと鋼材の表層の硬度との相関関係と、パラメータの測定結果に基づいて、測定部によって測定した位置における鋼材の表層の硬度を求める。このように、測定範囲の鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、これによって硬度を求めることで、応力による影響を控除して硬度を精度高く求めることができる。

また、上記硬度測定装置において、 前記応力範囲は以下の式（１）及び式（２）に基づいて定められるものとしても良い。
Δσ≦ΔＰ／α ・・・・・（１）
ΔＰ≦ａ・ΔＨｖ／２ ・・・・・（２）
ただし、
Δσ：前記応力範囲の最小応力σ１と最大応力σ２との差（＝σ２−σ１）
ΔＨｖ：前記硬度取得部で求める硬度として要求される硬度分解能
ΔＰ：前記硬度分解能に基づいて許容される前記パラメータの測定誤差
ａ：予め求められた硬度に対する前記パラメータの変化率
α：予め求められた応力に対する前記パラメータの変化率
この構成によれば、求める硬度として要求される硬度分解能に基づいて、パラメータに対して許容される応力の変動幅を求めることができる。そして、当該変動幅に含まれる応力範囲をパラメータが略一定となる範囲とし、当該範囲に鋼材の表層の応力状態が含まれていることで、要求される硬度分解能に基づいて鋼材の表層の硬度を測定することができる。

本発明の一態様に係る硬度測定方法は、測定対象となる鋼材の表層に対して、パラメータを測定する測定工程と、前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係、及び、前記測定工程で測定された複数種類の前記パラメータの測定結果に基づいて、前記測定工程で測定した位置における前記鋼材の表層の硬度を求める硬度取得工程とを備え、前記測定工程では、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、前記硬度取得工程では、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める。
この方法によれば、鋼材の鋼種に応じて、パラメータと、鋼材の表層の硬度との相関関係を求めた結果を予め取得しておく。この際、パラメータと、鋼材の表層の応力との相関関係も求めておき、応力に対してパラメータが略一定となる応力範囲を特定しておく。そして、測定工程では、パラメータとして、測定範囲の鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定する。そして、硬度取得工程では、パラメータと鋼材の表層の硬度との相関関係と、パラメータの測定結果に基づいて、測定部によって測定した位置における鋼材の表層の硬度を求める。このように、測定範囲の鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、これによって硬度を求めることで、応力による影響を控除して硬度を精度高く求めることができる。

また、上記硬度測定方法において、前記鋼材の表層の応力状態を変化させる応力調整工程を備え、前記測定工程では、前記応力調整工程で応力状態が調整された前記鋼材に対して測定を行うものとしても良い。
この方法によれば、応力調整工程で、測定対象となる鋼材の表層の応力状態を変化させることができる。そして、このように応力状態を変化させることで、測定工程で測定するパラメータが応力に対して略一定となる応力範囲に、鋼材の表層の応力状態を調整することができ、これにより応力の影響を控除して精度高く硬度を測定することができる。

また、上記硬度測定方法において、 測定対象となる前記鋼材と同一の鋼種であって、予め表層の応力及び硬度が既知の標準片を、応力または硬度が異なるようにして複数準備する第一準備工程と、前記第一準備工程で準備された複数の前記標準片について、前記パラメータを測定する第二準備工程と、前記第二準備工程で測定された結果に基づいて、前記パラメータに関する前記相関関係を取得する第三準備工程とを備えるものとしても良い。
この方法によれば、第一準備工程及び第二準備工程を実施することで、検査対象となる鋼材と同一の鋼種について、異なる応力及び硬度と対応してパラメータを測定することができる。このため、第三準備工程で、これらの結果に基づいて、パラメータに関する相関関係を取得し、また、当該相関関係において応力に対して電磁特性値が略一定となる応力範囲を得ることができる。そして、測定工程では、当該応力範囲に鋼材の表層の応力状態が含まれている状態でパラメータを測定し、硬度取得工程では、取得した当該相関関係を用いて硬度を求めることで、応力の影響を控除して精度高く硬度を測定することができる。

本発明の一態様に係るプログラムは、コンピュータを、測定対象となる鋼材の表層で測定されたパラメータを取得するパラメータ取得手段、前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係を取得する相関関係取得手段、前記相関関係取得部で取得された前記相関関係及び前記パラメータ取得手段で取得された前記パラメータに基づいて、前記鋼材の表層の硬度を求める硬度演算手段、として機能させ、前記パラメータ取得手段が、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを取得し、前記硬度取得手段が、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める。

本発明によれば、鋼材の表層の硬度をより精度高く測定することができる。

第１の実施形態の硬度測定装置の構成を示す模式図である。 第１の実施形態のパラメータ測定装置で得られるＢＨループの模式図である。 第１の実施形態の硬度演算装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 電磁気特性値と、応力及び硬度との相関関係の例を模式的に示したグラフである。 第１の実施形態の硬度演算装置で用いられる電磁気特性値と硬度との相関関係であって、応力に対して電磁気特性値が略一定となる応力範囲における相関関係の例を模式的に示したグラフである。 第１の実施形態の硬度演算装置の機能構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の硬度測定方法を説明するフロー図である。 第１の実施形態の硬度測定方法において、硬度取得工程で実施される処理手順を示すフロー図である。 第２の実施形態の硬度測定装置の構成を示す模式図である。 第２の実施形態のパラメータ測定装置で得られる波形の模式図である。 第３の実施形態の硬度測定方法を説明するフロー図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る第１の実施形態について図１から図８を参照して説明する。図１は本実施形態の硬度測定装置を示している。
（硬度測定装置）
図１に示すように、本実施形態の硬度測定装置１は、鋼材１０１の表層の性状によって変化するパラメータに基づいて硬度を測定する装置である。本実施形態のパラメータとしては、例えば鋼材１０１の表層に磁界をかけた場合に、磁界を生成するために入力するパラメータであって当該表層の性状の影響を受けて変化するパラメータ、及び、磁界をかけることによって当該表層の性状に応じた値が測定されるパラメータを含む。なお、鋼材１０１の表層に磁界をかけた場合に、当該表層の性状の影響を受けて変化するパラメータを総称して電磁気特性と称し、得られるパラメータの値を電磁気特性値と称する。以下、鋼材１０１の表層の性状によって変化するパラメータが、鋼材１０１の表層の電磁気特性である場合について説明する。

硬度測定装置１は、鋼材１０１の表層の電磁気特性値を測定するパラメータ測定装置（測定部）１０と、パラメータ測定装置１０で測定された電磁気特性値に基づいて鋼材１０１の表層の硬度を求める硬度演算装置（硬度取得部）２０とを備える。ここで、本実施形態における硬度とは、様々な試験によって定量される硬度を含む。例えば、ビッカース硬さ試験によるビッカース硬度、ブリネル硬さ試験によるブリネル硬度、ヌープ硬さ試験によるヌープ硬度、ロックウェル硬さ試験によるロックウェル硬度などである。また、これらの硬度は、各硬度を測定する試験方法によって測定される値である必要はなく、予め相関関係が分かっていれば、リバウンド式試験機によって測定された結果に基づいて測定値を得ても良く、リバウンド式試験で得られる測定値そのものを硬度の指標として用いても良い。以下においては、一例としてビッカース硬度を測定するものとして説明し、単に硬度と称する。

（パラメータ測定装置）
図１に示すように、本実施形態においてパラメータ測定装置１０は、例えば鋼材１０１のＢＨループから得られる電磁気特性値を測定する装置である。ＢＨループは、鋼材１０１の表層に周期的に印加される磁界の強さＨと、印加された磁界により鋼材１０１の表層に生じた磁束密度Ｂとの関係を示す相関データである。パラメータ測定装置１０は、磁化器１１と、発振器１２と、励磁電源１３と、磁界演算部１４と、検出コイル１５と、磁束密度演算部１６と、ＢＨループ演算部１７と、電磁気特性値検出部１８とを備える。

磁化器１１は、ヨーク１１１と、励磁コイル１１２とを有する。Ｕ字形状のヨーク１１１は、胴部１１１ｂと、胴部１１１ｂの両端に形成された一対の先端部１１１ａとを有している。一対の先端部１１１ａは、磁極となる先端面を測定対象である鋼材１０１の表層の表面に対向して配される。励磁コイル１１２は、先端部１１１ａのそれぞれに巻かれている。このような構成により、ヨーク１１１は、励磁コイル１１２に交流電流が流れることで、先端部１１１ａと対向する位置に配された鋼材１０１の表層に、交流電流の大きさに応じた強さＨの磁界を発生させることができる。

発振器１２は、目的とする交流電流の周波数に応じた周波数の信号を出力する。励磁電源１３は、発振器１２から受け付けた信号の周波数に応じた交流電流を励磁コイル１１２に出力する。また、励磁電源１３は、出力する交流電流の大きさ、すなわち交流電流の振幅を設定できる。磁界演算部１４は、励磁電源１３から励磁コイル１１２に出力される交流電流の大きさを検出し、検出された交流電流の大きさ、予め記憶された励磁コイル１１２の巻き数などから、鋼材１０１の表層に発生した磁界の強さＨを演算する。磁界演算部１４は、演算した磁界の強さＨをＢＨループ演算部１７に出力する。

検出コイル１５は、一対の先端部１１１ａの少なくとも一方の先端部分に、磁極となる先端面を囲むように巻かれている。磁化器１１によって発生する磁界と鋼材１０１の表層の状態とにより、磁極と鋼材１０１の表面とのギャップに発生する磁束Φは変化する。そして、検出コイル１５には、この磁束Φの時間変化に応じて電磁誘導により電圧が発生する。磁束密度演算部１６は、検出コイル１５に発生する電圧を検出し、検出された電圧と、予め求められた検出コイル１５の巻き数、検出コイル１５の断面積などから、磁束密度Ｂを演算する。磁束密度演算部１６は、演算した磁束密度ＢをＢＨループ演算部１７に出力する。

ＢＨループ演算部１７は、磁界演算部１４から出力された磁界の強さＨと、磁束密度演算部１６から出力された磁束密度Ｂとに基づいて、磁界の強さＨと磁束密度Ｂとの関係を示すＢＨループを演算する。図２は、ＢＨループ演算部１７で演算されるＢＨループの一例を示している。図２に示すようなＢＨループにより、測定対象である鋼材１０１の表層の電磁気特性値を得ることができる。具体的には、電磁気特性値としては、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃ、透磁率μなどが挙げられる。残留磁束密度Ｂｒは、ＢＨループにおいてＨが最大なった点Ｒ１から磁界の強さＨを小さくしてゼロになった点Ｒ２における磁束密度である。また、保磁力Ｈｃは、さらに磁界の向きを逆転させて磁束密度がゼロとなる点Ｒ３における磁界の強さを示している。また、透磁率μは、任意の磁界の強さＨの時において磁界の強さをΔＨ分変動させた時の磁界の強さＨに対する磁束密度Ｂの変化率を示している。なお、電磁気特性値としては、残留磁束密度Ｂｒ、保磁力Ｈｃ、透磁率μに限られず、磁界の強さの変化により検出される電磁気特性値であればこれに限られるものではない。電磁気特性値検出部１８は、後述する測定範囲の鋼材１０１の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対して電磁気特性値が略一定となる種類の電磁気特性値をＢＨループ演算部１７で演算されたＢＨループから抽出する。本実施形態では、電磁気特性値検出部１８は、例えば、保磁力Ｈｃを抽出する。ただし、これに限られず、電磁気特性値検出部１８は、保磁力Ｈｃに代えて残留磁束密度Ｂｒや透磁率μなど、少なくとも、後述する測定範囲の鋼材１０１の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対して電磁気特性値が略一定となる他の種類の電磁気特性値を検出するものとしても良く、複数種類の電磁気特性値を検出するものとしても良い。電磁気特性値検出部１８は、抽出した電磁気特性値を硬度演算装置２０に出力する。

（硬度演算装置）
次に、硬度演算装置２０について説明する。
図３に示すように、硬度演算装置２０は、バスで接続されたＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等のプロセッサ２００とメモリ２０１とを備える制御部２１を備え、プログラムを実行する。硬度演算装置２０は、プログラムの実行によって制御部２１、出力部２２及び記憶部２３を備える装置として機能する。なお、硬度演算装置２０の各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）やＰＬＤ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）やＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置である。プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。

出力部２２は、各種情報を出力する。出力部２２は、例えば、パラメータ測定装置１０で測定された鋼材１０１の表面上の任意の位置おける硬度を出力する。また、位置情報取得し、位置情報と硬度に関する情報とを対応付けて表示しても良い。また、位置情報と硬度に基づいて鋼材１０１を示す平面上に硬度に関する情報を数値、または、色により視覚的に示すものとしても良い。出力部２２は、例えば、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）ディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等の表示装置を含んで構成される。出力部２２は、これらの表示装置を自装置に接続するインタフェースとして構成されてもよい。

記憶部２３は、磁気ハードディスク装置や半導体記憶装置などの記憶装置を用いて構成される。記憶部２３はパラメータ測定装置１０に関する各種情報を記憶する。記憶部２３は、例えば、パラメータ測定装置１０で測定される複数種類の電磁気特性値のそれぞれと、硬度及び応力との相関関係が記憶されている。電磁気特性値と硬度及び応力との相関関係の詳細について以下に示す。

図４は、電磁気特性値と、応力及び硬度との相関関係のパターンの一例を示したグラフである。図４のグラフは、横軸を測定した部分の鋼材の表層の応力、縦軸を対象となる電磁気特性値の大きさとし、また、応力と電磁気特性値との関係を硬度ごとにまとめたグラフである。応力は引張応力を正の値とし、圧縮応力を負の値として示している。各グラフで示している硬度の種類は、硬度が高い実線で示す硬度と、硬度が低い点線で示す硬度と２種類示しているが、これに限るものではなく、３種類以上で示すものとしても良い。

図４（ａ）〜（ｄ）に示すパターンでは、単純増加または単純減少の傾向を示す。すなわち、図４（ａ）に示すパターンは、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値も大きくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値は小さくなる相関関係を有している。図４（ｂ）に示すパターンは、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値も大きくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値も大きくなる相関関係を有している。図４（ｃ）に示すパターンは、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値は小さくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値は小さくなる相関関係を有している。図４（ｄ）に示すパターンは、圧縮応力が小さくにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値は小さくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値も大きくなる相関関係を有している。

一方、図４（ｅ）〜（ｈ）に示すパターンでは、一部の応力範囲Ｍで、応力の変化に対する電磁気特性値の変化が飽和し、応力に対して電磁気特性値が略一定となるパターンを示す。すなわち、図４（ｅ）に示すパターンは、圧縮応力となる一部の応力範囲Ｍでは、応力が変化しても電磁気特性値は略一定である。さらに、当該範囲Ｍよりも圧縮応力が小さい、または、引張応力の場合には、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値も大きくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値も大きくなる相関関係を有している。図４（ｆ）に示すパターンは、圧縮応力となる一部の応力範囲Ｍでは、応力が変化しても電磁気特性値は略一定である。さらに、当該範囲Ｍよりも圧縮応力が小さい、または、引張応力の場合には、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値は小さくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値は小さくなる相関関係を有している。図４（ｇ）に示すパターンは、圧縮応力となる一部の応力範囲Ｍでは、応力が変化しても電磁気特性値は略一定である。さらに、当該範囲Ｍよりも圧縮応力が小さい、または、引張応力の場合には、圧縮応力が小さくなるにつれて、また、引張応力が大きくなるにつれて電磁気特性値は小さくなり、また、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値も大きくなる相関関係を有している。図４（ｈ）に示すパターンは、圧縮応力となる応力範囲では、応力が小さくなるにつれて電磁気特性値が大きくなるとともに、引張応力となる応力範囲Ｍでは、応力が変化しても電磁気特性値は略一定である。さらに、硬度が高くなるにつれて電磁気特性値は小さくなる相関関係を有している。なお、このような相関関係については、横軸を測定した部分の鋼材の表層の硬度、縦軸を対象となる電磁気特性値の大きさとし、また、硬度と電磁気特性値との関係を応力ごとにまとめたグラフとしても良い。

図４に示されるように、電磁気特性値と、応力及び硬度との相関関係のパターンは電磁気特性ごとに異なる関係となる場合がある。そのため、電磁気特性ごとに、電磁気特性値と、応力及び硬度との相関関係のパターンを確認する必要がある。なお、相関関係のパターンについては図４に示すパターンに限られず、電磁気特性値が略一定となる応力の範囲の存在や、傾きの程度などにより様々なパターンが存在している。また、図４に示すような直線状の相関関係の組み合わせではなく、２次曲線や反比例曲線等で示される相関関係を有していても良い。そして、本実施形態では、少なくとも応力に対して電磁気特性値の変化が略一定となる応力範囲Ｍを有する電磁気特性値であって、当該応力範囲Ｍに測定対象となる鋼材の表層の応力状態が含まれていれば、様々な種類の電磁気特性値を用いることができる。ここで、電磁気特性値が略一定となる応力範囲Ｍとは、応力の変化に対して電磁気特性値の変化がゼロとなる応力範囲に限るものではなく、硬度の測定に対して影響のない範囲で応力の変化に対して電磁気特性値が変化するパターンも含まれる。以下に、電磁気特性値が略一定となる応力範囲Ｍに関する考え方の一例を示す。

図４（ｅ）〜（ｈ）に示すように、所定の応力のときに、電磁気特性値と、硬度との相関関係は、式（３）で以下のように示される。
Ｐ_ｉ＝ｆ_ｉ（Ｈｖ） ・・・・・（３）
ただし、
ｉ ：電磁気特性（パラメータの種類）を示す符号
ｆ_ｉ：相関関係を示す関数
Ｐ_ｉ：電磁気特性値（パラメータの値）
Ｈｖ：電磁気特性値（パラメータ）を測定した各位置における硬度

そして、電磁気特性値として上記例示した残留磁束密度、保磁力、透磁率などでは、硬度と電磁気特性値とが直線状の相関関係を示すことを見出した。すなわち、図５に示すような直線状の相関関係を示す場合、電磁気特性値と、硬度との相関関係を示す関数は以下の式（４）で示される。
Ｐ_ｉ＝ａ_ｉ・Ｈｖ＋ｂ_ｉ ・・・・・（４）
ただし、
ｉ ：電磁気特性（パラメータの種類）を示す符号
Ｐ_ｉ：電磁気特性値（パラメータの値）
ａ_ｉ、ｂ_ｉ：電磁気特性値（パラメータ）ごとに求められる定数
Ｈｖ：電磁気特性値（パラメータ）を測定した各位置における硬度

ここで、本実施形態の硬度測定装置１において要求される硬度分解能をΔＨｖ（±ΔＨｖ／２）とすると、硬度分解能と対応して電磁気特性値として許容される測定誤差ΔＰは、式（４）を用いて以下の式（５）のように示される。
ΔＰ_ｉ＝ａ_ｉ・ΔＨｖ／２ ・・・・・（５）

また、所定の応力範囲における応力に対する電磁気測定値Ｐ_ｉの変化率をα_ｉとすると、硬度分解能ΔＨｖを満たす、当該応力範囲において許容される応力の変動範囲Δσは、以下の式（６）で示される。
Δσ≦ΔＰ_ｉ／α_ｉ ・・・・・（６）

以上から、硬度分解能ΔＨｖが要求される場合において、所定の応力範囲が応力に対して電磁気特性値が略一定の範囲であることは、式（５）及び式（６）によりΔσを求め、応力範囲を示す下限σ_１と上限σ_２との差（σ_２−σ_１）が式（６）から求められるΔσ以下であることにより判断することができる。

このような電磁気特性値の種類ごとに示される相関関係は、予め同一の鋼種の標準片について、応力状態及び硬度を異なるものを準備し、それぞれについて電磁気特性値を測定することによって得ることができる。ここで、同一の鋼種の標準片とは、対象となる鋼材と成分が同一であって、同一の製造条件で製造された同一形状の鋼材を言う。詳細については後述する準備工程で詳細に説明する。そして、硬度と電磁気特性値の相関関係を示す相関データは、例えば式（４）の形式により記憶部２３に記憶されている。なお、式（４）に限られず、一次式以外となる関係式も含めて式（３）の形式により記憶されても良く、あるいは、図４に示されるようなグラフをテーブル形式で示された数値の集合により構成し記憶していても良い。また、記憶部２３に記憶された相関データが適用可能な応力範囲Ｍが、鋼材１０１の表層の応力状態を含んでいるか否かを判定するために、応力範囲Ｍ（σ_１≦σ≦σ_２）を示す情報と対応付けて記憶されていても良い。

次に、制御部２１の機能構成の一例について説明する。
図６に示すように、制御部２１は、電磁気特性値取得部（パラメータ取得部）２１１と、相関関係取得部２１２と、硬度演算部２１３とを有する。電磁気特性値取得部２１１は、パラメータ測定装置１０による測定単位ごと（同一の測定位置での測定ごと）に、電磁気特性値検出部１８から出力された電磁気特性値を取得する。例えば、本実施形態では、電磁気特性値取得部２１１は、保磁力Ｈｃを取得する。相関関係取得部２１２は、電磁気特性値取得部２１１で取得された電磁気特性値の種類と対応した相関データを取得する。硬度演算部２１３は、電磁気特性値取得部２１１で取得された電磁気特性値と、当該電磁気特性値の種類と対応して相関関係取得部２１２で取得された相関データとに基づいて硬度を演算する。応力範囲Ｍでは、上記のとおり応力に対して電磁気特性値が略一定であるため、上記式（３）、または、式（４）で示される相関関係に基づいて電磁気特性値から硬度Ｈｖを求めることができる。硬度演算部２１３は、求めた硬度Ｈｖを出力部２２に出力する。なお、制御部２１では、パラメータ測定装置１０から電磁気特性値を取得して硬度を演算するものとしたが、電磁気特性値を取得する前処理、すなわち例えば電磁気特性値検出部１８で実行する処理や、さらにはＢＨループ演算部で実行する処理についても実行するものとしても良い。

（硬度測定方法）
次に、硬度測定装置１によって実施される本実施形態の硬度測定方法について説明する。図７及び図８は、本実施形態の硬度測定方法のフローを示している。なお、準備工程については予め実施して複数種類の電磁気測定値と応力及び硬度との相関関係を取得していれば省略することができる。

図７に示すように、本実施形態の硬度測定方法は、準備工程Ｓ１と、測定工程Ｓ３と、硬度取得工程Ｓ４とを備える。準備工程Ｓ１は、第一準備工程Ｓ１１と、第二準備工程Ｓ１２と、第三準備工程Ｓ１３とを備える。第一準備工程Ｓ１１は、測定対象となる鋼材１０１と同一鋼種であって、予め表層の応力σ及び硬度Ｈｖが既知の標準片を、応力σまたは硬度Ｈｖが異なるようにして複数準備する。各標準片において硬度Ｈｖを異ならせるためには、例えば、当該標準片を切り出す材料について、加熱及び冷却を実施し、微細な組織の状態を異ならせることで実現できる。このようにして微細な組織の状態を異ならせた複数の標準片について、ビッカース硬さ試験により硬度Ｈｖを測定することで、異なる値で硬度Ｈｖが既知である標準片を得ることができる。これら硬度Ｈｖの異なる標準片それぞれについて、さらに応力状態を異ならせる。応力状態を異ならせる方法としては、例えば外力を加えることが可能な試験機に標準片を設置して、所定の圧縮応力または引張応力を生じさせることで実現できる。

第二準備工程Ｓ１２では、第一準備工程Ｓ１１で準備した各標準片の表層について電磁気特性値を測定する。電磁気測定値の測定方法については後述する測定工程Ｓ３と同じであるので説明を省略する。第三準備工程では、各標準片で第二準備工程Ｓ１２を実施して得られた電磁気特性値と、第一準備工程Ｓ１１で得られている各標準片の応力及び硬度に基づいて、図４（ａ）〜（ｈ）のような電磁気特性値と応力及び硬度との相関関係を取得する。そして、取得された相関関係の中から、応力に対して電磁気特性値が略一定となる応力範囲Ｍおよび、応力範囲Ｍを有する相関関係（電磁気特性）を特定する。特定される相関関係（電磁気特性）は、図４（ｅ）〜（ｈ）に示されるように電磁気特性値として、測定範囲の鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対して電磁気特性値が略一定となる関係である。

測定工程Ｓ３では、パラメータ測定装置１０により鋼材１０１の表面上の各測定位置において表層の電磁気特性値を測定する。この際、測定対象となる電磁気特性値には、少なくとも第二準備工程Ｓ１２で特定された応力範囲Ｍを有する。具体的には、励磁電源１３から交流電流を供給して磁界を発生させつつ磁化器１１の磁極面の位置が異なるように鋼材１０１の表面上で走査し、検出コイル１５で磁束Φを検出する。これにより上記のとおりＢＨループを各測定位置で取得し、当該取得したＢＨループから電磁気特性値を求める。測定された結果は、パラメータ測定装置１０から硬度演算装置２０に出力される。

図８は、硬度演算装置２０において実行される処理手順を示している。図８に示すように、硬度取得工程Ｓ４では、電磁気測定値取得工程Ｓ４１と、相関関係取得工程Ｓ４２と、硬度演算工程Ｓ４３とを実施する。電磁気測定値取得工程Ｓ４１では、電磁気特性値取得部２１１がパラメータ測定装置１０から各測定位置における電磁気特性値を取得する。本実施形態では、例えば電磁気特性値として保磁力Ｈｃを取得する。相関関係取得工程Ｓ４２では、電磁気測定値取得工程Ｓ４１で取得された電磁気特性値の種類と対応した相関データを記憶部２３から取得する。

硬度演算工程Ｓ４３では、電磁気測定値取得工程Ｓ４１で取得された電磁気特性値と、相関関係取得工程Ｓ４２で取得された対応する相関データとに基づいて硬度Ｈｖを演算する。

以上のように、本実施形態の硬度測定装置１、硬度測定方法及びプログラムによれば、硬度と相関があるとともに、所定の応力範囲Ｍで応力に対して略一定である電磁気特性値を測定し、鋼材１０１の表層の応力状態が応力範囲Ｍに含まれていることを条件として上記相関関係から硬度を求めることで、応力による影響を控除して硬度を精度高く求めることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態を示したものである。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態の硬度測定装置５０は、パラメータ測定装置６０と、硬度演算装置２０とを備える。パラメータ測定装置６０は、第１の実施形態のようなＢＨループを測定し、当該ＢＨループから得られる電磁気特性値を得る装置ではなく、渦流探傷試験装置である。すなわち、パラメータ測定装置６０は、検査プローブ６１と、発振器６２と、ブリッジ６３と、移送器６４と、増幅器６５と、同期検波器６６と、波形生成部６７と、電磁気特性値検出部６８とを有する。検査プローブ６１は、測定コイル６１１を有する。発振器６２は、所定の周波数を有する基準信号を生成し、ブリッジ６３及び移送器６４に出力する。ブリッジ６３は、測定コイル６１１の微小なインピーダンス変化を電圧に変換し増幅器６５に出力する。増幅器６５は、ブリッジ６３から出力された信号を増幅して、同期検波器６６に出力する。移送器６４は、基準信号の周波数を保ったまま位相をシフトした信号を生成し、同期検波器６６に出力する。同期検波器６６は、増幅器６５から出力された信号を、移送器６４から出力される信号によって同期検波し、直流成分を抽出して波形生成部６７に出力する。波形史枝政部波形生成部６７では、同期検波器６６から出力された信号に基づいて図１０に示すような波形を生成する。電磁気特性値検出部６８では、電磁気特性値として、同期検出器６６で生成された波形から、例えば渦流位相δを検出する。そして、電磁気特性値検出部６８は、電磁気特性値である渦流位相δを硬度演算装置２０に出力する。硬度演算装置２０では、電磁気特性値である渦流位相δに基づいて、鋼材１０１の表層の応力状態が、応力に対して渦流位相δが略一定である応力範囲Ｍに含まれることを条件として第１の実施形態同様に硬度を求める。

以上のように、電磁気特性値を測定する測定部としては、ＢＨループを検出する装置に限られず、本実施形態のような渦流探傷試験装置とし、これによって得られる電磁気特性値としても良い。また、ＢＨループを検出する装置と渦流探傷試験装置とを組み合わせても良いし、ＢＨループを検出する装置及び渦流探傷試験装置以外でも良い。少なくとも鋼材１０１の表層に磁界を発生させ、硬度の違いによって異なる応答が得られるとともに、少なくとも一部の応力範囲で応力に対して略一定となる電磁気特性値を測定可能な装置であれば適用可能である。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第３の実施形態を示したものである。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１１に示すように、本実施形態の硬度測定方法は、応力調整工程Ｓ５を備える点が第１の実施形態と異なる。応力調整工程Ｓ５は、測定工程Ｓ３の前に実施される。応力調整工程Ｓ５は、測定対象となる鋼材１０１の表層に応力を与えて、応力状態を変化させる。応力調整工程Ｓ５において、鋼材１０１の表層に応力を与える方法としては、例えば、鋼材１０１の表層の表面にショットブラスト処理を行うことが挙げられる。これにより、鋼材１０１の表層には、応力調整工程Ｓ５を実施する前の鋼材１０１と比較して大きな残留圧縮応力を与えることができる。あるいは、応力調整工程Ｓ５を実施する前の鋼材１０１が残留応力として引張応力が生じている部分と圧縮応力が生じている部分とがある場合に、全体を圧縮応力が生じた状態とすることができる。したがって、例えば測定工程Ｓ３で測定する電磁気特性値において、応力に対して電磁気特性値が略一定となる応力範囲Ｍと比較して、元の鋼材１０１の表層の応力状態が小さい圧縮応力または引張応力である場合に、上記のようにブラスト処理を実施して残留圧縮応力を与えることで、鋼材１０１の表層の応力状態を応力範囲Ｍに含まれるようにすることができる。なお、鋼材１０１の表層に応力を与える方法としてはこれに限られず、例えば両端部が固定された鋼材１０１を加熱または冷却して熱変形させることで熱応力を与えたり、外力を加えることで引張応力または圧縮応力を与えたりするものとしても良い。例えば、応力範囲Ｍに対して元の鋼材１０１の表層の応力状態が小さい引張応力または大きい圧縮応力であった場合には、鋼材１０１に引張応力を生じさせることで鋼材１０１の表層の応力状態を応力範囲Ｍに含ませることができる。

このように応力調整工程Ｓ５を実施することで、測定工程Ｓ３で測定する電磁気特性値において、応力に対して電磁気特性値が略一定となる応力範囲Ｍに、鋼材１０１の表層の応力状態を調整することができ、これにより応力の影響を控除して精度高く硬度を測定することができる。なお、応力調整工程Ｓ５において、鋼材１０１の表層の応力状態が応力範囲Ｍに含まれたか否かは、例えば応力を付与しながら電磁気特性値を測定し、応力の変化に対して電磁気特性値の変化が所定範囲以内か否かを確認することで判断できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、鋼材１０１の表層の性状によって変化するパラメータが、鋼材１０１の表層の電磁気特性である場合について説明したが、これに限られない。また、本実施形態では、鋼材１０１の表層の電磁気特性として、磁界をかけることによって当該表層の性状に応じた値が測定されるパラメータを例としたが、これに限られない。たとえば、第１の実施形態に示されるように測定部が電磁気特性を測定する装置である場合、鋼材１０１の表層にかける磁界を生成するために、当該電磁気測定装置に印加（入力）される励磁電流や励磁電圧であってもよく、これらの信号に関する情報（例えば、振幅や高調波成分、半値幅（振幅の５０％における信号の幅）等）であってもよい。また、第２の実施形態に示されるように測定部が渦電流探傷試験装置である場合、測定された信号に関する情報（波形の幅や位相など）であっても良い。

１ 硬度測定装置
１０ パラメータ測定装置（測定部）
２０ 硬度演算装置（硬度取得部）
１０１ 鋼材
Ａ 渦流振幅
Ｂｒ 残留磁束密度
Ｈｃ 保磁力
Ｈｖ 硬度
μ 透磁率
δ 渦流位相
Ｓ１１ 第一準備工程
Ｓ１２ 第二準備工程
Ｓ１３ 第三準備工程
Ｓ３ 測定工程
Ｓ４ 硬度取得工程
Ｓ５ 応力調整工程

Claims (6)

1. 測定対象となる鋼材の表層に対して、鋼材の表層の性状によって変化するパラメータを測定する測定部と、
   前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係、及び、前記測定部で測定された前記パラメータの測定結果に基づいて、前記測定部によって測定した位置における前記鋼材の表層の硬度を求める硬度取得部とを備え、
   前記相関関係は、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる関係であって、
   前記硬度取得部は、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める硬度測定装置。
2. 前記応力範囲は以下の式（１）及び式（２）に基づいて定められる請求項１に記載の硬度測定装置。
   Δσ≦ΔＰ／α ・・・・・（１）
   ΔＰ≦ａ・ΔＨｖ／２ ・・・・・（２）
   ただし、
   Δσ：前記応力範囲の最小応力σ１と最大応力σ２との差（＝σ２−σ１）
   ΔＨｖ：前記硬度取得部で求める硬度として要求される硬度分解能
   ΔＰ：前記硬度分解能に基づいて許容される前記パラメータの測定誤差
   ａ：予め求められた硬度に対する前記パラメータの変化率
   α：予め求められた応力に対する前記パラメータの変化率
3. 測定対象となる鋼材の表層に対して、パラメータを測定する測定工程と、
   前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係、及び、前記測定工程で測定された複数種類の前記パラメータの測定結果に基づいて、前記測定工程で測定した位置における前記鋼材の表層の硬度を求める硬度取得工程とを備え、
   前記測定工程では、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを測定し、
   前記硬度取得工程では、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求める硬度測定方法。
4. 前記鋼材の表層の応力状態を変化させる応力調整工程を備え、
   前記測定工程では、前記応力調整工程で応力状態が調整された前記鋼材に対して測定を行う請求項３に記載の硬度測定方法。
5. 測定対象となる前記鋼材と同一の鋼種であって、予め表層の応力及び硬度が既知の標準片を、応力または硬度が異なるようにして複数準備する第一準備工程と、
   前記第一準備工程で準備された複数の前記標準片について、前記パラメータを測定する第二準備工程と、
   前記第二準備工程で測定された結果に基づいて、前記パラメータに関する前記相関関係を取得する第三準備工程とを備える請求項３または請求項４に記載の硬度測定方法。
6. コンピュータを、
   測定対象となる鋼材の表層で測定されたパラメータを取得するパラメータ取得手段、
   前記鋼材の鋼種に応じて予め求められた前記パラメータと前記鋼材の表層の硬度との相関関係を取得する相関関係取得手段、
   前記相関関係取得部で取得された前記相関関係及び前記パラメータ取得手段で取得された前記パラメータに基づいて、前記鋼材の表層の硬度を求める硬度演算手段、
   として機能させ、
   前記パラメータ取得手段が、前記パラメータとして、測定範囲の前記鋼材の表層の応力状態が少なくとも含まれる応力範囲で、応力に対してパラメータが略一定となる種類のパラメータを取得し、
   前記硬度取得手段が、前記応力範囲で前記相関関係から硬度を求めるためのプログラム。

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