JP3658504B2

JP3658504B2 - Surface layer thickness measuring device

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Publication number: JP3658504B2
Application number: JP19452598A
Authority: JP
Inventors: 良昭永島; 敦志渡辺; 文信高橋; 啓人川又
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: JP2000028582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の表面に形成されている表面層の厚さを非破壊で測定する装置に係り、特に耐摩耗性とクリープ強度の向上などのために形成した硬化層の厚さ測定に好適な表面層厚さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンなど高温、高圧のもとで動作する装置では、そこで使用される部材の耐摩耗性やクリープ強度を向上させるため、窒化処理を施して表面に硬化層を形成することが従来から知られている。
ところで、このように硬化層を形成させたとしても、その厚さが不足していると、高温環境下で使用中に変形等が生じ、運転上不具合を生じるので、処理を施した後、形成させた表面層の厚さを何らかの手段で評価する必要がある。
【０００３】
この場合、非破壊で測定できるのが望ましいので、表面波(表面弾性波)の伝播速度変化を利用する方法が知られている。
この表面波を利用する方法は、表面層の物理的性質、すなわち弾性係数や密度が母材部と異なることを利用するもので、具体的には、表面波の浸透深さ(約一波長)の中で、表面波の伝播経路に占める母材と表面層の割合によって、表面波の伝播速度(音速)が変化する性質を利用したものである。
【０００４】
この方法に関する従来技術としては、例えば特開昭６２−２７７５５４号公報に開示されているものがあり、ここでは、物体表面に表面波を伝播させ、伝播時間から音速を求め、母材の音速を基準とした音速変化率から表面層の厚さを測定するようになっているものであり、金属材料の表面に窒化、焼入れなどによる硬化層を形成したときの表面層の厚さ測定に有効である。
【０００５】
一方、水中や空気中で金属の表面に形成される酸化層の厚さを測定する方法としては、例えば特開平９−１１３４８８号公報に開示されているような、物体表面に発生する渦電流を用いる方法が知られている。
この方法は、コイルの交番磁界により物体(導電体)に渦電流が誘起されたことにより、コイルに現われるインピーダンスの変化と、物体に存在する表面層の厚さの関係に基づいて、表面層の厚さを評価するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、厚さを評価すべき表面層の内部構造について配慮がされておらず、表面層が複数層構成をなしていた場合には、所望する層の厚さの評価の点に問題があった。
上記したように、例えばタービン装置の部材に窒化処理を施し、表面に硬化層を形成するのは、その部材の耐摩耗性やクリープ強度を向上させるためであり、従って、評価の対象とすべきは、あくまでも硬化層自体の厚さである。
【０００７】
しかして、発電プラント用蒸気タービン装置などでは、高温蒸気の影響などにより、そこに使用されている部材に形成してある窒化層の表面が酸化され、この結果、使用時間の経過に伴い、表面側では酸化層で内面側は窒化層という、事実上、２層構造をなす表面層になってしまう。
【０００８】
このような場合、上記した表面波を利用する従来技術では、酸化層の影響により表面波の伝播速度が大きく変化してしまうので、内面側にある窒化層の厚さだけの測定が困難になってしまうという問題があった。
【０００９】
一方、渦電流を用いた従来技術では、表面側の酸化層の厚さは容易に測定できるが、内面側にある窒化層の厚さは測定できない。
この場合、表面側にある酸化層を除去してから検査するという手法が考えられるが、非破壊検査という前提が崩れてしまう外、多大の手間が掛る上、寸法精度が厳密な部品には適用できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、物体表面に形成された２層構造の表面層の厚さを、非破壊で、且つ個々独立に測定できるようにした装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、導電性の物体の表面に存在する表面層の厚さを非破壊で測定する表面層厚さ測定装置において、測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第１の特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記表面層の表面側に存在する第１の層の厚さと前記第１の特徴量との相関関係を表す第１のデータを保持する手段と、前記物体の表面における表面弾性波の伝播速度から第２特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記表面層の内側に存在する第２の層の厚さと前記第１の層の厚さ及び前記第２の特徴量の３種の量の相関関係を表す第２のデータを保持する手段とを設け、前記第１の特徴量が、前記物体として複数の物体を用い、それらに予め前記コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線から、厚さ測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスまでの距離であり、前記第２の特徴量が、前記物体のうち表面層がない物体での表面弾性波の伝播速度を基準としたときの特定周波数の表面弾性波の伝播速度の変化率であり、前記第１のデータを参照して、前記第１の層の厚さを算出し、前記第２の特徴量により、前記第２のデータを参照して、前記第２の層の厚さを算出するようにして達成される。
【００１２】
このとき、更に測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第３の特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記第２の層の硬さと前記第３の特徴量との相関関係を表す第３のデータを保持する手段とを設け、前記第３の特徴量が、前記表面側の層の厚さが異なる複数の物体に前記コイルを接触させたときの該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線に平行で、且つ、測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスを通過する第１の直線と、前記物体のうち表面層として表面硬さの異なる硬化層のみを有する複数の物体に該コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが分布する第２の直線との交点で、該第２の直線上の位置であり、前記第３の特徴量により、前記第３のデータを参照して、前記第２の層の硬さを算出するようにしても、上記目的を達成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による表面層厚さ測定装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、合金鋼などの磁性材料からなる蒸気タービンの構成部材を測定対象物とした本発明の一実施形態による表面層厚さ測定装置の全体構成図で、図において、１はコイル、２は渦電流励振部、３は超音波送信器、４は超音波受信器、５は超音波送受信部、６は治具、７はデジタイザ、８はＡ／Ｄ変換器、そして９は層厚さ演算部である。
【００１４】
ここで、Ｗが測定対象物で、例えば表面処理により形成させた窒化層Ｗ_N を備えているが、さらに、この窒化層Ｗ_N には、それが酸化された結果として形成されてしまった酸化層Ｗ_O が表面側にある。
この結果、この測定対象物Ｗは、事実上、２層構成の表面層を有することになっており、従って、ここでは、内面側にある窒化層Ｗ_N の厚さＴ₂ と、表面側にある酸化層Ｗ_O の厚さＴ₁ が測定対象量となる。
【００１５】
コイル１と渦電流励振部２は渦電流計測部を構成し、渦電流励振部２から周波数ｆの交流電流をコイル１に供給し、この状態でコイル１のインピーダンス(抵抗分Ｒとインダクタンス分Ｌ)を測定する働きをする。そして、測定された抵抗分Ｒとインダクタンス分ＬはＡ／Ｄ変換器８でディジタル信号化され、コンピュータで構成されている層厚さ演算部９に入力されるようになっている。
【００１６】
超音波送信器３と超音波受信器４及び超音波送受信部５は表面弾性波計測部を構成し、所定のタイミングで超音波送信器３を励振し、測定対象物Ｗの表面に表面弾性波Ｓを伝播させ、これを超音波受信器４で受信し、伝播速度の測定に必要な信号を出力する働きをする。そして、この信号はデジタイザ７に供給され、このデジタイザ７から層厚さ演算部９に入力されるようになっている。
【００１７】
治具６はコイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を保持し、超音波送信器３と超音波受信器４の間の距離を一定に保つと共に、測定時、コイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を、測定対象物Ｗの所定の部分の表面に接触した状態に保持する働きをする。
【００１８】
層厚さ演算部９は、上記したように、例えば市販のパーソナルコンピュータなどを備え、そこに搭載した所定のプログラムにより図２に示す処理を実行し、酸化層Ｗ_O の厚さＴ₁ と、窒化層Ｗ_N の厚さＴ₂ とを算出する働きをする。
【００１９】
そこで、次に、この図２のフローチャートにより、この実施形態による表面層厚さ測定装置の動作について説明する。
最初、この図２の処理の開始に先立って、図１に示すように、治具６によりコイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を測定対象物Ｗの所定の部分の表面に設置させ、次いで図２の処理を開始する。
【００２０】
まず、ステップ１０１では、渦電流励振部２を動作させ、コイル１に周波数ｆの交流電流を供給させ、この状態でコイル１のインピーダンスを測定する。
このとき、測定対象物Ｗは導電材料で作られているので、交流磁界のもとでは渦電流損を発生し、また、測定対象物Ｗは強磁性体であるので、交流磁場の影響で磁化される。
【００２１】
この結果、図１の状態のとき、つまりコイル１が測定対象物Ｗの表面に接触させられているときのインピーダンスは、コイル１の近傍に何も物体が存在していないときのインピーダンス(抵抗Ｒ₀、インダクタンスＬ₀)から、それとは異なったインピーダンスに変化する。
ここで、このときの抵抗Ｒ₀ とインダクタンスＬ₀ からなるインピーダンスをフリーインピーダンスと呼ぶ。
【００２２】
そこで、渦電流励振部２では、コイル１を一辺とするブリッジ回路を用い、励振交流電圧と同相の電圧成分からなる出力Ｈと、励振交流電圧と位相が直交する電圧成分からなる出力Ｖを検出する。そして、層厚さ演算部９は、これらの出力を、Ａ／Ｄ変換器８を介して取り込み、コイル１の抵抗Ｒと、リアクタンスωＬ(ω＝２πｆ)を算出する処理を行なう。
【００２３】
次に、ステップ１０２では、これら抵抗ＲとリアクタンスωＬをフリー状態でのリアクタンスωＬ₀ で除算し、基準化抵抗((Ｒ−Ｒ₀)／ωＬ)と、基準化リアクタンス(ωＬ／ωＬ₀)からなる基準化インピーダンスを算出し、予め所定の基準線(詳細は後述)が設定してあるインピーダンス平面上で、この基準化インピーダンスから基準線までの距離ｄを算出し、次いで、ステップ１０３で、予め求めてある酸化層厚さＴ₁ と距離ｄの相関関係(詳細は後述)を参照し、距離ｄを酸化層厚さＴ₁ に変換する。
【００２４】
こうして、酸化層Ｗ_O の厚さＴ₁ を求める処理を終えたら、続いてステップ１０４以降の窒化層Ｗ_N の厚さＴ₂ を算出する処理に進む。
このため、まずステップ１０４では、超音波送受信部５により超音波送信器３を駆動し、測定対象物Ｗの表面に表面波Ｓを発生させ、一定距離伝播した表面波が超音波受信器２で受信されるようにし、受信信号を検出する。
【００２５】
次に、ステップ１０５では、受信信号を超音波送受信部５で増幅した上でデジタイザ７に供給し、ここでデジタル信号に変換してから層厚さ演算部９に取り込み、ここで音速変化率(ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ₀)を算出する。
そして、ステップ１０６において、予め求めてある酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ に対する音速変化率の相関関係(詳細は後述)を参照して、窒化層厚さＴ₂ に変換する。
【００２６】
従って、この実施形態によれば、以上の手順により窒化層と酸化層を各々独立に測定することができ、この結果、窒化層の厚さの減少などの経年的な変化を、表面に存在するであろう酸化層を除去することなく、定量的に把握することができる。
そしてまた、この結果、酸化層の除去に伴う機械部品など測定対象物Ｗの寸法変化を受けることなく、窒化層を有する部品の健全性を的確に評価することができる。
【００２７】
次に、前述したステップ１０２での基準線の詳細について説明する。
この基準線は、上記したように、インピーダンス平面上に設定されるが、このインピーダンス平面とは、図３に示すように、基準化抵抗((Ｒ−Ｒ₀)／ωＬ)を横軸にし、基準化リアクタンス(ωＬ／ωＬ₀)を縦軸にして表わされる平面のことである。
【００２８】
そして、このインピーダンス平面上での基準線の設定は、図４に示すフローチャートによる処理を実行することにより得られる。
まず、この図４の処理を開始する前に、窒化層厚さＴ₂ が異なる複数個の測定対象物Ｗを用意する。
【００２９】
このときの測定対象物Ｗとしては、新たに部品を製作し、それに窒化処理をするとき、窒化処理時間や温度を変えることにより、異なった厚さの窒化層を形成させるようにしてもよいし、窒化処理後に電解研磨加工などにより窒化層厚さを変えて得るようにしてもよい。さらに、実機で長時間使用した部品の表面の酸化層を完全に除去したものを用いるようにしてもよい。
【００３０】
次いで、図４の処理に入り、まず、ステップ２０１で、複数個の各測定対象物Ｗを対象にして、コイル１のインピーダンスを個々に測定する。
このときは、図２の装置などを用い、前述の手順と同様にしてインピーダンスを測定すればよく、このとき、コイル１に印加すべき交流電圧の周波数は、測定時と同じ周波数ｆになるようにする。
【００３１】
次に、ステップ２０２では、前述の手順と同様にして、基準化抵抗と基準化リアクタンスを算出し、それぞれの測定対象物Ｗ毎に、図３に示したインピーダンス平面上に、白丸点で示してあるようにプロット(配置)し、測定点とする。
そうすると、夫々の基準化インピーダンスは、窒化条件などの違いにより生じている窒化層のごく表層部の透磁率の差などにより異なるので、これらの測定点は、図３に示すように、インピーダンス平面上で直線的に分布する。
そこで、これらの測定点の連なりを最小二乗法などにより直線に近似し、基準線１８とするのである。
【００３２】
次に、前述したステップ１０３における変換処理に必要な酸化層厚さＴ₁ と距離ｄの相関関係を求める処理について説明すると、この距離ｄと酸化層厚さＴ₁ の関係は、図５に示すような特性を示すが、この特性を表す相関関係は、図６に示すフローチャートによる処理を実行することにより得られる。
【００３３】
この図６の処理が開始されると、まず、ステップ３０１では、酸化層厚さＴ₁ の値を異にする２層構造の測定対象物Ｗを複数個用意し、前述した手順と同様にして基準化インピーダンスを算出し、算出した結果を図３に示されているインピーダンス平面に配置して測定値１９とする。
次に、ステップ３０２では、この測定値１９から基準線１８方向に延び、基準線１８に直交する直線に沿って基準線１８に至る距離ｄ、すなわち測定値１９から基準線１８までの最短の距離ｄを算出し、第１の特徴量とする。
【００３４】
続いて、ステップ３０３では、各測定対象物Ｗを測定位置で切断し、断面の組織観察やマイクロビッカース硬さ測定器による計測結果などにより、酸化層厚さＴ₁ の実測値を求め、これらの実測値からなる酸化層厚さＴ₁ を横軸に、そして距離ｄを縦軸にして整理し、その後、ステップ３０４において、両者の関係を、例えば一次関数で近似して、図５に示すような特性として表される相関関係を決定し、第１のデータとするのである。
【００３５】
ここで、距離ｄ、すなわち測定値１９から基準線１８までの最短距離を利用することの利点は、酸化層の下にある窒化層の影響成分、例えば窒化層表面の透磁率を除去して、酸化層厚さに依存する成分だけが抽出できる点にあり、従って、この実施形態によれば、極めて高い精度で酸化層厚さＴ₁ を測定することができる。
【００３６】
次に、上記ステップ１０６における酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ に対する音速変化率の相関関係を求める処理について説明する。
この相関関係は、図９に示すようになるが、この実施形態では、これを図７のフローチャートに示す処理によって求めるようになっており、このときの音速変化率の算出についての処理の内容は、図８に示すようになっている。
【００３７】
図７において、まず、ステップ４０１では、図８の左上に示すように、酸化層と窒化層のいずれも存在しない測定対象物Ｗを用意し、その表面に超音波送信器３と超音波受信器４を距離Ｄだけ離して配置し、この状態で、超音波受信器４により受信した表面波Ｓをデジタイザ７に入力し、遅延時間ｔ１の時間窓のもとでデジタル信号波形Ｘ(t)に変換し、これを層厚さ演算部９のメモリ９ａに格納する。
【００３８】
次に、ステップ４０２では、図８の右下に示すように、窒化層Ｗ_N の表面に酸化層Ｗ_O を有し、酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ が種々異なる複数の測定対象物Ｗを用意し、これらを対象として、同じく距離Ｄを隔てて配置した超音波送信器３と超音波受信器４により、遅延時間ｔ２の時間窓のもとで、表面波Ｓのディジタル信号波形Ｙ(t) を層厚さ演算部９に取り込む。
【００３９】
そして、ステップ４０３では、高速フーリエ変換を使って、波形Ｘ(t)と波形Ｙ(t)のクロススペクトルの位相特性θ(ω)を算出し、次の(1)式により音速変化率(ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ₀ )を算出し、第２の特徴量とする。
ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ₀ ＝(Ｄ／Ｕｒ₀−τ(f))／τ(f)…… ……(1)
ここで、Ｕｒ₀ は測定対象物Ｗの母材の中での音速、τ(f)は群遅延時間で、
τ(f)＝ｄθ(ω)／(ｄω)＋ｔ２−ｔ１
である。
【００４０】
さらにステップ４０３では、測定対象物Ｗの測定部を切断し、断面の組織観察やマイクロビッカース硬さ測定器による計測結果などにより、酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ を求め、これら３種の値について、図９に示すような相関関係を得、これを第２のデータとするのである。
実際には、測定点の個数が限られているので、各測定点の間のデータについては、直線補完などにより得た内挿値や外挿値で補うことになり、これにより、連続した特性の相関関係を得ることができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本発明が測定対象としている酸化層は、母材の表面に形成した窒化層が酸化され、その表面から内部に向かって順次、酸化層に変化してゆくことにより形成されるものであり、従って、酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ の和は、最初に形成した窒化層の厚さからは変わらず、ほぼ一定値を保つ筈である。
【００４２】
すなわち、いま、窒化層の厚さの初期値をＴ₂₀ とすれば、
Ｔ₂₀＝Ｔ₁＋Ｔ₂
となり、従って、Ｔ₂₀＝Ｃ(定数)とすれは、
Ｔ₂＝Ｃ−Ｔ₁
となり、酸化層厚さＴ₁ が測定されれば、これから図１０に示すように、窒化層厚さＴ₂ を求めることができる筈である。
【００４３】
そこで、この第２の実施形態では、上記した第１の実施形態におけるコイル１と渦電流励振部２からなる渦電流計測部を用い、図１０に示す関係を利用し、酸化層厚さＴ₁ の測定だけで、窒化層厚さＴ₂ を求めるようにしたものである。
【００４４】
従って、渦電流励振部２から周波数ｆの交流電流をコイル１に供給し、この状態でコイル１のインピーダンス(抵抗分Ｒとインダクタンス分Ｌ)を測定し、測定された抵抗分Ｒとインダクタンス分ＬをＡ／Ｄ変換器８でディジタル信号化し、層厚さ演算部９で処理して酸化層厚さＴ₁ を測定し、窒化層厚さＴ₂ を求めるようにした点は、図１で説明した第１の実施形態と同じである。
【００４５】
次に、この第２の実施形態による表面層厚さ測定処理について、図１１に示すフローチャートにより説明する。
この図１１の処理は、層厚さ演算部９のコンピュータにより実行されるものであるが、ここでステップ５０１〜ステップ５０３での処理は、上記した第１の実施形態の処理を示す図２のフローチャートにおけるステップ１０１〜ステップ１０３と同じなので、説明は省略する。
【００４６】
この後、ステップ５０４では、図１０の相関関係を参照し、酸化層厚さＴ₁ を窒化層厚さＴ₂ に変換する。
この図１０に示す相関関係の設定については、蒸気タービン装置などで実際に使用された部品を破壊検査して求め、予めデータベース化しておいたものを使用すればよい。
【００４７】
従って、この第２の実施形態によれば、構成の大幅な簡略化を得ることができる。
なお、この第２の実施形態の場合、酸化層が剥離したり、周囲部品との摺動により削取られたりする虞れの無い部品の測定に適用するのが望ましい。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、表面層の厚さ測定に際して、窒化層の表面の硬さも測定できるようにしたもので、図１２は、その測定処理を示すフローチャートであり、この処理も、層厚さ演算部９のコンピュータにより実行されるようになっている。
なお、ハード的な構成については、第１の実施形態、又は第２の実施形態による表面層厚さ測定装置と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００４９】
初めに、この第３の実施形態による窒化層の硬さ測定の原理について説明すると、まず、窒化層１２ｂや酸化層１２ａのいずれも存在しない試験体を用意し、この上にコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定する。
次に、同一温度条件ではあるが、異なった窒化処理時間で形成した窒化層Ｗ_N を有する試験体を用意し、その上にコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定する。
【００５０】
これらの各試験体毎のインピーダンス測定値を、図１３に示すように、インピーダンス平面上に白丸印としてプロットすると、図示のように、これらは、ある線分２０上に分布する。
なお、このことは、上記した第１の実施形態においても、図３により説明した通りである。
【００５１】
次に、実際のプラントなどの高温環境下で使用した部品の表面の酸化層を削り落し、表面を窒化層だけにした試験体を複数個用意し、これらにコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定し、同じく図１３に示すように、測定値を黒丸印として、インピーダンス平面上にプロットする。
【００５２】
そうすると、これらのプロット点は、図示のように、ほぼ線分２０の延長線上に沿って分布するが、分布する位置は線分２０から離れており、軟化が進んだ窒化層を有する試験体によるものほど、その離れた距離が大きくなる。
これは、窒化層が経年変化し、これにより硬化に寄与する元素成分が減少し、この結果、軟化が進むと共に、それに相関して透磁率が変化するためである。
【００５３】
そこで、この性質から、線分２０を延長した直線２１上の基準化抵抗方向での位置を原点位置ｘとすると、この原点位置ｘと窒化層表面の硬さの間に、図１４に示すような相関関係を見い出すことができる。
ここで、この原点位置ｘの設定点は直線２１上の何処に定めても良いが、ここでは、例えば表面硬さが窒化処理時の硬さとなる点２３にしてある。
【００５４】
一方、実際のプラントなどの高温環境下で使用した或る部品の１個を試験体とし、その表面の酸化層を少しずつ削っていき、その都度、コイル１を近接させてインピーダンスを測定し、インピーダンス平面上にプロットするということを繰り返すと、図１３の三角印で示すように、その測定値は、さらに直線２０、２１とは異なる直線２２上に分布し、酸化層をすべて落としたときの試験体Ｗ_O0 による測定値は、図示のように、直線２１との交点にくる。
【００５５】
これは、窒化層と酸化層では透磁率等の性質が異なることによるもので、三角印が直線２１から離れるほど、酸化層が厚いことを表わしていることは、上記した第１の実施形態で、図３により説明した通りである。
従って、このことから、被測定対象物に酸化層が存在していても、図１３において、コイル１により測定したインピーダンス値を通り、直線２２と平行な直線を求め、この直線が直線２１と交わる点の位置を第３の特徴量とすると、これから、酸化層の内側にある窒化層の表面の硬さの測定が可能なことが判る。
【００５６】
従って、この第３の実施形態による窒化層の表面の硬さを求める手順は、図１２に示すようになる。
まず、ステップ７０１では、測定対象物Ｗにコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスＬ’を測定する。
次に、ステップ７０２では、図１３のインピーダンス平面上において、この測定したインピーダンス値Ｌ’を通る直線の中で、直線２２に平行な直線を求め、この直線と直線２１との交点を求め、交点の直線２１上の位置ｘを求める。このとき、位置ｘを決める原点は、図１４の相関関係を測定したときと同一の点とする。
【００５７】
ステップ７０３において、求めた位置ｘと図１４の相関関係を第３のデータとして参照し、表面硬さに変換するのである。
ここで、この第３の実施形態におけるステップ７０１の処理は、第１の実施形態の処理を示す図２のフローチャートにおけるステップ１０１及び第２の実施形態の処理を示す図１１のフローチャートにおけるステップ５０１と同じである。
【００５８】
そこで、この第３の実施形態におけるステップ７０２とステップ７０３を、図２のフローチャート、又は図１１のフローチャートに付加してやれば、酸化層厚さＴ₁ と窒化層厚さＴ₂ の測定に加えて、窒化層の表面の硬さも求めることができる。
従って、この第３の実施形態によれば、部品の耐摩耗性やクリープ強度を、より一層、的確に評価することができ、装置の信頼性を大きく向上させることができる。
【００５９】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１５により説明する。
図１５において、１５は治具、１６は走査駆動部、そして１７は走査制御部であり、その他の構成は、図１に示した第１の実施形態の場合と同じである。
治具１５はコイル１と超音波受信器４を保持する働きをする。従って、この第４の実施形態の場合、超音波送信器３は、図示してない別の治具などにより、直接、測定対象物Ｗの表面に固定して保持されるようになっている。
【００６０】
走査駆動部１６は電磁リニアアクチュエータなどの直線駆動機構を備え、治具１５を動かし、コイル１と超音波受信器４を接測定対象物Ｗの表面に沿って、第１の位置から、所定のピッチで第２の位置まで移動させてゆく処理、すなわち走査する働きをする。
【００６１】
走査制御部１７は層厚さ演算部９により制御され、走査駆動部１６によるコイル１と超音波受信器４の走査を制御する働きをする。
なお、このとき、治具１５に保持させるのは超音波送信器３にし、超音波受信器４が直接、測定対象物Ｗの表面に固定されるようにしてもよい。
次に、この第４の実施形態の動作について、図１６に示すフローチャートにより説明する。
この図１６のフローチャートによる処理も、同じく層厚さ演算部９を構成しているコンピュータにより、図２の第１の実施形態におけるステップ１０４の代りに実行されるもので、その他の処理は、図２のフローチャートと同じである。
【００６２】
図２のステップ１０３までの処理を終わったら、ステップ６０１の処理に移行し、まず、ここでは走査制御部１７を介して走査駆動部１６を制御し、治具１５に保持されているコイル１と超音波受信器４を第１の位置、つまり初期位置に移す。
次に、ステップ６０２では、この初期位置で超音波送信器３を動作させ、超音波受信器４で受信された表面波Ｓの波形Ｘ₀(t)をデジタル信号として層厚さ演算部９に取り込み、所定のメモリに記録する。
次に、ステップ６０３では、コイル１と超音波受信器４を初期位置から所定のピッチで走査してゆく。
この場合の走査ピッチは、表面波Ｓの半波長λ／２の長さに選べばよい。
【００６３】
そして、各ピッチ移動する毎に、同じく受信された表面波Ｓの波形をデジタル信号Ｘ_i(t)として取り込み、記録する。
【００６４】
そして、ステップ６０４では、これらの波形Ｘ₀(t)と波形Ｘ_i(t)を比較し、波形の相関により、位相差Δθ_i を算出する。
ついで、ステップ６０５で、走査完了位置に達しているか否かを調べ、完了してなければステップ６０３に戻り、(ｉ←ｉ＋１)としてから再びステップ６０３に進み、完了してたらステップ６０６に移行し、各走査ピッチ毎に順次求めた複数の位相差Δθ_i の統計的な処理により音速を算出するのである。
【００６５】
音速算出後の処理は、第１の実施形態の表面層厚さ測定方法と同じなので、説明は省略する。
この第４の実施形態によれば、上記した複数の位相差Δθ_i を用いて統計的な処理により音速を算出するようにしたので、超音波送信器３と超音波受信器４間の距離が短くても高精度で音速が検出でき、この結果、走査移動距離として、高々表面波Ｓの波長(超音波の周波数が５ＭＨｚなら、波長は約６００μｍ)の１０倍程度でよいので、測定対象物Ｗの表面の狭い部分での測定が可能になる。
【００６６】
例えば、上記した第１の実施形態では、超音波送信器３と超音波受信器４の間の距離Ｄを比較的長くとる必要があり、このため、コイル１による渦電流計測部で必要とする最小測定範囲に比して、超音波送信器３と超音波受信器４による表面弾性波計測部で必要とする最小計測範囲がかなり大きくなってしまい、このため、微小部分の計測には適応が困難があった。
【００６７】
しかして、この第４の実施形態によれば、渦電流計測部で必要とする最小測定範囲と同等の範囲での計測も容易になり、この結果、例えば、図１７に示すように、酸化層Ｗ_O の厚さが微小範囲で異なっている場合にも充分に対応することができ、表面層の状態を細かく評価することができ、また、測定対象物が小さい場合にも容易に対応することができる。
【００６８】
ところで、以上の実施形態では、渦電流計測部で使用するインピーダンス平面として、図３、又は図１３に示すように、横軸が基準化抵抗で、縦軸が基準化リアクタンスになっている平面として定義しているが、本発明の実施形態におけるインピーダンス平面としては、他の定義によるものでも実施可能であり、以下、この点について説明する。
【００６９】
まず、図１８は、コイル１と渦電流励振部２の一部の他の実施形態による回路構成図で、この図において、渦電流計測部のコイル１は抵抗値がＲａで、インダクタンス値がＬａであり、これが渦電流励振部２のブリッジ回路の一素子として組み込まれている。
そして、このブリッジ回路は、抵抗値がＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各抵抗素子と、抵抗値がＲｂ、インダクタンス値Ｌｂのリアクタンス素子で構成され、一方の端子間に交流電圧Ｖin が印加されおり、他方の端子間から交流電圧Ｖo が取り出されるように構成されている。
【００７０】
コイル１は測定対象物Ｗから離れているときと、測定対象物Ｗに近接したときでは、インピーダンス値を異にするので、この場合には、ブリッジ回路に入力される交流電圧Ｖin と出力される交流電圧Ｖo の関係が変化する。
そして、このとき、この実施形態では、図１９に示すように、出力される交流電圧Ｖo と入力された交流電圧Ｖin との位相関係によりインピーダンス平面を定義したものであり、横軸には出力される交流電圧Ｖo の内、入力された交流電圧Ｖin と同相の成分をとり、縦軸には、入力された交流電圧Ｖin と直交する成分をとったものである。
【００７１】
そこで、この実施形態の場合には、複数個の各測定対象物Ｗを対象にして、出力される交流電圧Ｖo を個々に測定し、図１９に、白丸点で示してあるようにプロット(配置)し、測定点とする。
そして、これらの測定点の連なりを最小二乗法などにより直線に近似し、基準線１８’とする。
【００７２】
次に、この場合でも、酸化層厚さＴ₁ と距離ｄ’の相関関係は、図５に示すようになるので、図３の場合と同様にして、酸化層厚さＴ₁ を算出し、測定することができる。
なお、その他の構成や処理については、第１の実施形態乃至第４の実施形態と同じなので説明は省略する。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、物体の表面に形成された表面層が２層構成をなしていたとしても、それらの層の厚さを各々独立に非破壊で測定できるので、所望の層の厚さを常に正確に、且つ容易に評価することができる。
そして、この結果、蒸気タービンなど、高温高圧のもとで動作している機器の信頼性の向上に大いに寄与することができ、高い安全性の確保を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表面層厚さ測定装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態におけるインピーダンス平面の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における基準線の決定方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態における酸化層の厚さと距離の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態における酸化層厚さと距離の関係を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態における音速変化率と酸化層厚さ及び窒化層厚さの関係を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態における音速変化率の算出方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態における酸化層厚さ及び窒化層厚さと音速変化率との相関関係の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の一実施形態における窒化層厚さと酸化層厚さの関係を示す特性図である。
【図１１】本発明の一実施形態における酸化層厚さと窒化層厚さの測定処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施形態における表面硬さ測定処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による表面硬さの測定処理に使用するインピーダンス平面の説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態における表面硬さを表す特性図である。
【図１５】本発明による表面層厚さ測定装置の他の一実施形態を示すブロック図である。
【図１６】本発明の他の一実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の他の一実施形態による測定状態の一例を示す説明図である。
【図１８】本発明における渦電流励振部の他の実施形態を示す回路図である。
【図１９】本発明の一実施形態におけるインピーダンス平面の他の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１コイル
２渦電流励振部
３超音波送信器
４超音波受信器
５超音波送受信部
６治具
７デジタイザ
８Ａ／Ｄ変換器
９層厚さ演算部
Ｗ測定対象物
Ｗ_O 酸化層
Ｗ_N 窒化層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for measuring the thickness of a surface layer formed on the surface of an object in a nondestructive manner, and is particularly suitable for measuring the thickness of a hardened layer formed for improving wear resistance and creep strength. The present invention relates to a surface layer thickness measuring apparatus.
[0002]
[Prior art]
In apparatuses that operate under high temperature and high pressure, such as steam turbines, it has been conventionally known to form a hardened layer on the surface by nitriding to improve the wear resistance and creep strength of the members used there. ing.
By the way, even if the cured layer is formed in this way, if the thickness is insufficient, deformation occurs during use in a high temperature environment, resulting in operational problems. It is necessary to evaluate the thickness of the formed surface layer by some means.
[0003]
In this case, since it is desirable to be able to measure nondestructively, a method using a change in propagation velocity of a surface wave (surface acoustic wave) is known.
This method using surface waves is based on the fact that the physical properties of the surface layer, i.e., the elastic modulus and density differ from the base material, and specifically, the penetration depth of surface waves (about one wavelength) Among them, the property of changing the propagation speed (sound speed) of the surface wave according to the ratio of the base material and the surface layer in the propagation path of the surface wave is utilized.
[0004]
As a prior art relating to this method, for example, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-277554. Here, a surface wave is propagated to the surface of an object, the sound speed is obtained from the propagation time, and the sound speed of the base material is determined. It is designed to measure the thickness of the surface layer from the rate of change of the sound velocity as a reference, and is effective for measuring the thickness of the surface layer when a hardened layer is formed on the surface of a metal material by nitriding or quenching. is there.
[0005]
On the other hand, as a method for measuring the thickness of an oxide layer formed on the surface of a metal in water or in air, for example, an eddy current generated on the surface of an object as disclosed in JP-A-9-113488 is used. The method used is known.
In this method, eddy currents are induced in the object (conductor) by the alternating magnetic field of the coil, and therefore, based on the relationship between the impedance change appearing in the coil and the thickness of the surface layer existing in the object, Thickness is evaluated.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The above prior art does not give consideration to the internal structure of the surface layer whose thickness is to be evaluated. If the surface layer has a multi-layer structure, there is a problem in evaluating the desired layer thickness. was there.
As described above, for example, a member of a turbine apparatus is subjected to nitriding treatment and a hardened layer is formed on the surface in order to improve the wear resistance and creep strength of the member, and therefore should be the object of evaluation. Is the thickness of the cured layer itself.
[0007]
Therefore, in a steam turbine device for a power plant, the surface of the nitride layer formed on the member used therein is oxidized due to the influence of high-temperature steam, etc. As a result, as the usage time elapses, the surface On the side, an oxide layer is formed, and on the inner surface side, a nitride layer is formed. In effect, this becomes a surface layer having a two-layer structure.
[0008]
In such a case, in the conventional technique using the above-described surface wave, the propagation speed of the surface wave greatly changes due to the influence of the oxide layer, making it difficult to measure only the thickness of the nitride layer on the inner surface side. There was a problem that.
[0009]
On the other hand, in the prior art using eddy current, the thickness of the oxide layer on the surface side can be easily measured, but the thickness of the nitride layer on the inner surface side cannot be measured.
In this case, the method of inspecting after removing the oxide layer on the surface side can be considered, but the premise of nondestructive inspection is destroyed, and it takes a lot of time and is applied to parts with strict dimensional accuracy. There was a problem that I could not.
[0010]
The present invention has been made in view of such a state of the art, and an object of the present invention is to measure the thickness of the surface layer of the two-layer structure formed on the surface of the object independently and non-destructively. An object of the present invention is to provide such an apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Above purposeIs ledIn a surface layer thickness measurement device that measures the thickness of a surface layer existing on the surface of an electrically conductive object in a nondestructive manner, when a measuring coil is brought into contact with the surface of the object, it is defined by the characteristics of the coil. Means for calculating the first feature amount based on the amount of change in impedance of the coil appearing on the impedance plane, and the first layer existing on the surface side of the surface layer that has been calculated in advance.thicknessAnd means for holding first data representing the correlation between the first feature quantity and means for calculating the second feature quantity from the propagation velocity of the surface acoustic wave on the surface of the object. Means for holding second data representing a correlation between three kinds of amounts of the thickness of the second layer existing inside the surface layer, the thickness of the first layer, and the second feature amount And the first feature amountHowever, when a plurality of objects are used as the object and the impedance of the coil obtained by previously contacting the coil with the object is distributed on the impedance plane, the coil is brought into contact with the object during thickness measurement. The distance to the impedance of the coil, and the second feature value is propagation of surface acoustic waves of a specific frequency when the propagation speed of surface acoustic waves is measured with respect to the object having no surface layer among the objects. The rate of change of speed,The thickness of the first layer is calculated with reference to the first data, and the thickness of the second layer is calculated with reference to the second data by the second feature amount. To be achieved.
[0012]
At this time, when a measuring coil is further brought into contact with the surface of the object, a third feature value is calculated based on the amount of change in the impedance of the coil appearing on the impedance plane defined by the characteristics of the coil. Means and a means for holding third data representing a correlation between the hardness of the second layer and the third feature value, which are calculated in advance, and the third feature value is When the coil is brought into contact with a plurality of objects having different thicknesses on the surface side layer, the impedance of the coil is parallel to a straight line distributed on the impedance plane, and the coil is brought into contact with the object during measurement. In the coil obtained by bringing the coil into contact with a plurality of objects having only a first straight line passing through the impedance of the coil obtained and a hardened layer having a different surface hardness as the surface layer among the objects. A position on the second straight line at an intersection with the second straight line where the dance is distributed, and the hardness of the second layer by referring to the third data by the third feature amount Even if it is calculated, the above purpose can be achieved..
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a surface layer thickness measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to illustrated embodiments.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a surface layer thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention in which a component of a steam turbine made of a magnetic material such as alloy steel is an object to be measured. Is an eddy current excitation unit, 3 is an ultrasonic transmitter, 4 is an ultrasonic receiver, 5 is an ultrasonic transmission / reception unit, 6 is a jig, 7 is a digitizer, 8 is an A / D converter, and 9 is a layer thickness It is a calculation part.
[0014]
Here, W is a measurement object, for example, a nitride layer W formed by surface treatment._N In addition, the nitride layer W_N The oxide layer W that has been formed as a result of oxidation_O Is on the surface side.
As a result, the measurement object W has a two-layer surface layer in effect, and therefore, here, the nitride layer W on the inner surface side is here._N Thickness T₂ And the oxide layer W on the surface side_O Thickness T₁ Is the amount to be measured.
[0015]
The coil 1 and the eddy current excitation unit 2 constitute an eddy current measurement unit, and an alternating current having a frequency f is supplied from the eddy current excitation unit 2 to the coil 1. In this state, the impedance of the coil 1 (resistance R and inductance L ) To measure. The measured resistance component R and inductance component L are converted into digital signals by the A / D converter 8 and input to the layer thickness calculator 9 constituted by a computer.
[0016]
The ultrasonic transmitter 3, the ultrasonic receiver 4, and the ultrasonic transmission / reception unit 5 constitute a surface acoustic wave measurement unit, which excites the ultrasonic transmitter 3 at a predetermined timing and causes surface acoustic waves to be generated on the surface of the measurement object W. S is propagated, this is received by the ultrasonic receiver 4, and the signal required for the measurement of the propagation velocity is output. This signal is supplied to the digitizer 7 and is input from the digitizer 7 to the layer thickness calculator 9.
[0017]
The jig 6 holds the coil 1, the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4, keeps the distance between the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 constant, and at the time of measurement, The sonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 serve to hold the surface of a predetermined portion of the measurement object W in contact with the surface.
[0018]
As described above, the layer thickness calculator 9 includes, for example, a commercially available personal computer, and executes the processing shown in FIG._O Thickness T₁ And nitride layer W_N Thickness T₂ It works to calculate.
[0019]
Therefore, the operation of the surface layer thickness measuring apparatus according to this embodiment will be described next with reference to the flowchart of FIG.
First, prior to the start of the processing of FIG. 2, as shown in FIG. 1, the coil 1, the ultrasonic transmitter 3, and the ultrasonic receiver 4 are placed on the surface of a predetermined portion of the measurement object W by the jig 6. Then, the process of FIG. 2 is started.
[0020]
First, in step 101, the eddy current excitation unit 2 is operated to supply an alternating current having a frequency f to the coil 1, and the impedance of the coil 1 is measured in this state.
At this time, since the measuring object W is made of a conductive material, eddy current loss occurs under an alternating magnetic field, and since the measuring object W is a ferromagnetic material, it is magnetized due to the influence of the alternating magnetic field. Is done.
[0021]
As a result, in the state of FIG. 1, that is, when the coil 1 is brought into contact with the surface of the measurement object W, the impedance when no object is present in the vicinity of the coil 1 (resistance R₀, Inductance L₀) Changes to a different impedance.
Here, the resistance R at this time₀ And inductance L₀ The impedance consisting of is called free impedance.
[0022]
Therefore, the eddy current excitation unit 2 uses a bridge circuit with the coil 1 as one side to detect an output H composed of a voltage component in phase with the excitation AC voltage and an output V composed of a voltage component whose phase is orthogonal to the excitation AC voltage. To do. Then, the layer thickness calculator 9 takes these outputs through the A / D converter 8 and performs a process of calculating the resistance R of the coil 1 and the reactance ωL (ω = 2πf).
[0023]
Next, in step 102, the resistance R and reactance ωL are set to reactance ωL in a free state.₀ Divided by the normalized resistance ((R−R₀) / ΩL) and normalized reactance (ωL / ωL)₀), And a distance d from the normalized impedance to the reference line is calculated on an impedance plane in which a predetermined reference line (details will be described later) is set in advance. , Oxide layer thickness T determined in advance₁ And the distance d is referred to (details will be described later).₁ Convert to
[0024]
Thus, the oxide layer W_O Thickness T₁ When the process for obtaining the thickness is finished, the nitride layer W after step 104 is subsequently processed._N Thickness T₂ Proceed to the process of calculating.
For this reason, first, in step 104, the ultrasonic transmitter / receiver 5 drives the ultrasonic transmitter 3 to generate a surface wave S on the surface of the measurement object W, and the surface wave propagated for a certain distance is generated by the ultrasonic receiver 2. The received signal is detected.
[0025]
Next, in step 105, the received signal is amplified by the ultrasonic transmission / reception unit 5 and then supplied to the digitizer 7, where it is converted into a digital signal and then taken into the layer thickness calculation unit 9, where the rate of change in sound velocity ( ΔUr (f) / Ur₀) Is calculated.
In step 106, the oxide layer thickness T determined in advance is obtained.₁ And nitride layer thickness T₂ Referring to the correlation of the sound velocity change rate with respect to (details will be described later), the nitride layer thickness T₂ Convert to
[0026]
Therefore, according to this embodiment, the nitride layer and the oxide layer can be independently measured by the above procedure, and as a result, a secular change such as a decrease in the thickness of the nitride layer exists on the surface. It is possible to grasp quantitatively without removing the oxide layer that would be.
As a result, the soundness of the part having the nitride layer can be accurately evaluated without receiving a dimensional change of the measurement object W such as a mechanical part accompanying the removal of the oxide layer.
[0027]
Next, the details of the reference line in step 102 will be described.
As described above, the reference line is set on the impedance plane, and the impedance plane is defined by a reference resistance ((R−R) as shown in FIG.₀) / ΩL) on the horizontal axis, normalized reactance (ωL / ωL)₀) Is a plane represented by the vertical axis.
[0028]
The setting of the reference line on the impedance plane can be obtained by executing the processing according to the flowchart shown in FIG.
First, before starting the processing of FIG.₂ A plurality of measurement objects W are prepared.
[0029]
As a measurement object W at this time, when a new part is manufactured and nitriding is performed on it, nitride layers having different thicknesses may be formed by changing the nitriding time and temperature. The nitride layer thickness may be changed by electrolytic polishing after nitriding. Furthermore, a part obtained by completely removing the oxide layer on the surface of a part used for a long time in an actual machine may be used.
[0030]
Next, the process of FIG. 4 is entered. First, in step 201, the impedance of the coil 1 is individually measured for each of the plurality of measurement objects W.
In this case, the impedance may be measured using the apparatus shown in FIG. 2 in the same manner as described above. At this time, the frequency of the AC voltage to be applied to the coil 1 is the same frequency f as that at the time of measurement. To.
[0031]
Next, in step 202, the standardized resistance and the standardized reactance are calculated in the same manner as described above, and each measured object W is indicated by a white circle on the impedance plane shown in FIG. Plot (arrange) as a measurement point.
Then, the respective standardized impedances differ depending on the difference in the permeability of the very surface layer portion of the nitrided layer caused by the difference in the nitriding conditions and the like, and these measurement points are on the impedance plane as shown in FIG. It is distributed linearly.
Therefore, the series of these measurement points is approximated to a straight line by the least square method or the like, and used as the reference line 18.
[0032]
Next, the oxide layer thickness T required for the conversion process in Step 103 described above is used.₁ The process for obtaining the correlation between the distance d and the distance d will be described.₁ 5 shows the characteristic as shown in FIG. 5, and the correlation representing this characteristic is obtained by executing the processing according to the flowchart shown in FIG.
[0033]
When the process of FIG. 6 is started, first, in step 301, the oxide layer thickness T₁ Prepare a plurality of two-layer structure measuring objects W with different values, calculate the standardized impedance in the same manner as described above, and place the calculated result on the impedance plane shown in FIG. The measured value is 19.
Next, in step 302, the distance d extending from the measured value 19 in the direction of the reference line 18 and reaching the reference line 18 along a straight line orthogonal to the reference line 18, that is, the shortest distance from the measured value 19 to the reference line 18. d is calculated as the first feature amount.
[0034]
Subsequently, in step 303, each measurement object W is cut at the measurement position, and the oxide layer thickness T is determined by observing the structure of the cross section, the measurement result by the micro Vickers hardness measuring instrument, or the like.₁ Measured values of the oxide layer thickness T consisting of these measured values₁ Are arranged on the horizontal axis and the distance d is on the vertical axis. Thereafter, in step 304, the relationship between the two is approximated by a linear function, for example, and a correlation expressed as a characteristic as shown in FIG. 5 is determined. The first data is used.
[0035]
Here, the advantage of using the distance d, that is, the shortest distance from the measured value 19 to the reference line 18 is that the influence component of the nitride layer under the oxide layer, for example, the permeability of the nitride layer surface is removed, Only the component depending on the oxide layer thickness can be extracted. Therefore, according to this embodiment, the oxide layer thickness T can be obtained with extremely high accuracy.₁ Can be measured.
[0036]
Next, the oxide layer thickness T in the above step 106₁ And nitride layer thickness T₂ A process for obtaining the correlation of the sound velocity change rate with respect to will be described.
This correlation is as shown in FIG. 9. In this embodiment, this correlation is obtained by the process shown in the flowchart of FIG. 7. The contents of the process for calculating the sound velocity change rate at this time are as follows. As shown in FIG.
[0037]
In FIG. 7, first, in step 401, as shown in the upper left of FIG. 8, a measurement object W in which neither an oxide layer nor a nitride layer exists is prepared, and an ultrasonic transmitter 3 and an ultrasonic receiver are provided on the surface. 4 are arranged with a distance D apart, and in this state, the surface wave S received by the ultrasonic receiver 4 is input to the digitizer 7 and converted into a digital signal waveform X (t) under the time window of the delay time t1. This is converted and stored in the memory 9a of the layer thickness calculator 9.
[0038]
Next, at step 402, as shown in the lower right of FIG._N Oxide layer W on the surface of_O And having an oxide layer thickness T₁ And nitride layer thickness T₂ A plurality of measurement objects W are prepared, and the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 that are also arranged with a distance D between them are used as targets, under the time window of the delay time t2. The digital signal waveform Y (t) of the surface wave S is taken into the layer thickness calculator 9.
[0039]
In step 403, the phase characteristic θ (ω) of the cross spectrum between the waveform X (t) and the waveform Y (t) is calculated using fast Fourier transform, and the sound velocity change rate (ΔUr is calculated by the following equation (1). (f) / Ur₀ ) Is calculated as the second feature amount.
ΔUr (f) / Ur₀ = (D / Ur₀-Τ (f)) / τ (f) ………… (1)
Where Ur₀ Is the speed of sound in the base material of the measurement object W, τ (f) is the group delay time,
τ (f) = dθ (ω) / (dω) + t2−t1
It is.
[0040]
Further, in step 403, the measurement part of the measurement object W is cut, and the oxide layer thickness T is determined by observing the structure of the cross section, the measurement result by the micro Vickers hardness measurement device, or the like.₁ And nitride layer thickness T₂ For these three types of values, a correlation as shown in FIG. 9 is obtained, and this is used as the second data.
Actually, since the number of measurement points is limited, the data between each measurement point is supplemented by interpolation values or extrapolation values obtained by linear interpolation, etc. Can be obtained.
[0041]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The oxide layer to be measured by the present invention is formed by oxidizing the nitride layer formed on the surface of the base material and gradually changing from the surface toward the inside to the oxide layer. , Oxide layer thickness T₁ And nitride layer thickness T₂ The sum of the values should not change from the thickness of the nitride layer formed first, and should remain almost constant.
[0042]
In other words, the initial value of the nitride layer thickness is now T₂₀ given that,
T₂₀= T₁+ T₂
And therefore T₂₀= C (constant)
T₂= C-T₁
Oxide layer thickness T₁ Is measured, as shown in FIG.₂ 筈 that can ask for.
[0043]
Therefore, in the second embodiment, the eddy current measurement unit including the coil 1 and the eddy current excitation unit 2 in the first embodiment is used, and the relationship shown in FIG.₁ The thickness of the nitride layer T₂ Is to ask for.
[0044]
Accordingly, an alternating current having a frequency f is supplied from the eddy current excitation unit 2 to the coil 1, and the impedance (resistance R and inductance L) of the coil 1 is measured in this state, and the measured resistance R and inductance L are measured. Is converted into a digital signal by the A / D converter 8 and processed by the layer thickness calculator 9 to obtain the oxide layer thickness T.₁ And measure the nitride layer thickness T₂ The point that is obtained is the same as that of the first embodiment described in FIG.
[0045]
Next, the surface layer thickness measurement process according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
The processing in FIG. 11 is executed by the computer of the layer thickness calculation unit 9. Here, the processing in steps 501 to 503 is the processing in FIG. 2 showing the processing in the first embodiment described above. Since it is the same as step 101 to step 103 in the flowchart, description thereof is omitted.
[0046]
Thereafter, in step 504, referring to the correlation in FIG.₁ Nitride layer thickness T₂ Convert to
The correlation shown in FIG. 10 may be obtained by performing a destructive inspection on a part actually used in a steam turbine device or the like, and using a database that has been prepared in advance.
[0047]
Therefore, according to the second embodiment, the configuration can be greatly simplified.
In the case of the second embodiment, it is desirable to apply to the measurement of parts in which the oxide layer is not peeled off or scraped off by sliding with surrounding parts.
[0048]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
In the third embodiment, when the thickness of the surface layer is measured, the hardness of the surface of the nitride layer can also be measured. FIG. 12 is a flowchart showing the measurement process. The operation unit 9 is configured to be executed by a computer.
Since the hardware configuration is the same as that of the surface layer thickness measuring apparatus according to the first embodiment or the second embodiment, detailed description thereof is omitted.
[0049]
First, the principle of the hardness measurement of the nitride layer according to the third embodiment will be described. First, a test body in which neither the nitride layer 12b nor the oxide layer 12a is present is prepared, and the coil 1 is brought close to the test body. The impedance of the coil 1 is measured.
Next, a nitride layer W formed under different nitriding times under the same temperature condition_N Is prepared, the coil 1 is brought close to the test body, and the impedance of the coil 1 is measured.
[0050]
When the impedance measurement values for each of these test specimens are plotted as white circles on the impedance plane as shown in FIG. 13, they are distributed on a certain line segment 20 as shown.
This is the same as described with reference to FIG. 3 also in the first embodiment.
[0051]
Next, the oxide layer on the surface of the part used in a high temperature environment such as an actual plant is scraped off, and a plurality of test bodies having only the nitride layer on the surface are prepared. The impedance is measured, and the measured value is plotted as a black circle on the impedance plane as shown in FIG.
[0052]
Then, as shown in the figure, these plot points are distributed almost along the extension line of the line segment 20, but the distribution position is away from the line segment 20, and the test piece having the nitrided layer whose softening has progressed. The farther away, the greater the distance.
This is because the nitride layer changes over time, thereby reducing the elemental component that contributes to hardening, and as a result, the softening progresses and the magnetic permeability changes in correlation therewith.
[0053]
Therefore, due to this property, when the position in the normalized resistance direction on the straight line 21 obtained by extending the line segment 20 is defined as the origin position x, the distance between the origin position x and the hardness of the nitride layer surface is as shown in FIG. Can be found.
Here, the set point of the origin position x may be determined anywhere on the straight line 21, but here, for example, the surface hardness is a point 23 at which the hardness during nitriding is obtained.
[0054]
On the other hand, one of the parts used in a high-temperature environment such as an actual plant is used as a test specimen, and the oxide layer on the surface is gradually scraped. Each time, the coil 1 is brought close to each other, and the impedance is measured. When the plotting on the impedance plane is repeated, the measured values are further distributed on the straight line 22 different from the straight lines 20 and 21 as shown by the triangle marks in FIG. Specimen W_O0 As shown in the figure, the measured value obtained by is at the intersection with the straight line 21.
[0055]
This is because the nitride layer and the oxide layer have different properties such as magnetic permeability, and the fact that the oxide layer is thicker as the triangle mark is further away from the straight line 21 is the first embodiment described above. As described with reference to FIG.
Therefore, even if an oxide layer is present on the object to be measured, in FIG. 13, a straight line that passes through the impedance value measured by the coil 1 and is parallel to the straight line 22 is obtained, and this straight line intersects the straight line 21. Assuming that the position of the point is the third feature amount, it can be seen that the hardness of the surface of the nitride layer inside the oxide layer can be measured.
[0056]
Therefore, the procedure for obtaining the hardness of the surface of the nitride layer according to the third embodiment is as shown in FIG.
First, in step 701, the coil 1 is brought close to the measurement object W, and the impedance L 'of the coil 1 is measured.
Next, in step 702, a straight line parallel to the straight line 22 is obtained from the straight lines passing through the measured impedance value L ′ on the impedance plane of FIG. 13, and an intersection of the straight line and the straight line 21 is obtained. The position x on the straight line 21 is obtained. At this time, the origin for determining the position x is the same point as when the correlation in FIG. 14 is measured.
[0057]
In step 703, the correlation between the obtained position x and FIG. 14 is referred to as third data, and converted into surface hardness.
Here, the processing of step 701 in the third embodiment includes step 101 in the flowchart of FIG. 2 showing the processing of the first embodiment and step 501 in the flowchart of FIG. 11 showing the processing of the second embodiment. The same.
[0058]
Therefore, if steps 702 and 703 in the third embodiment are added to the flowchart of FIG. 2 or the flowchart of FIG. 11, the oxide layer thickness T₁ And nitride layer thickness T₂ In addition to the above measurement, the hardness of the surface of the nitride layer can also be obtained.
Therefore, according to the third embodiment, the wear resistance and creep strength of the parts can be more accurately evaluated, and the reliability of the apparatus can be greatly improved.
[0059]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 15, 15 is a jig, 16 is a scanning drive unit, and 17 is a scanning control unit, and the other configurations are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
The jig 15 serves to hold the coil 1 and the ultrasonic receiver 4. Therefore, in the case of the fourth embodiment, the ultrasonic transmitter 3 is directly fixed and held on the surface of the measurement object W by another jig (not shown).
[0060]
The scanning drive unit 16 includes a linear drive mechanism such as an electromagnetic linear actuator, moves the jig 15, and moves the coil 1 and the ultrasonic receiver 4 from the first position along the surface of the object to be measured W from a first position. A process of moving to the second position at a pitch, that is, a function of scanning.
[0061]
The scanning control unit 17 is controlled by the layer thickness calculation unit 9 and functions to control scanning of the coil 1 and the ultrasonic receiver 4 by the scanning driving unit 16.
At this time, the ultrasonic transmitter 3 may be held by the jig 15 and the ultrasonic receiver 4 may be directly fixed to the surface of the measurement object W.
Next, the operation of the fourth embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
The processing according to the flowchart of FIG. 16 is also executed by the computer constituting the layer thickness calculation unit 9 instead of step 104 in the first embodiment of FIG. This is the same as the flowchart of FIG.
[0062]
When the process up to step 103 in FIG. 2 is completed, the process proceeds to step 601. First, here, the scan driving unit 16 is controlled via the scan control unit 17, and the coil 1 held in the jig 15 is connected. The ultrasonic receiver 4 is moved to the first position, that is, the initial position.
Next, in step 602, the ultrasonic transmitter 3 is operated at this initial position, and the waveform X of the surface wave S received by the ultrasonic receiver 4.₀(t) is taken into the layer thickness calculator 9 as a digital signal and recorded in a predetermined memory.
Next, in step 603, the coil 1 and the ultrasonic receiver 4 are scanned at a predetermined pitch from the initial position.
The scanning pitch in this case may be selected as the length of the half wavelength λ / 2 of the surface wave S.
[0063]
Then, as each pitch moves, the waveform of the received surface wave S is converted to the digital signal X._iCapture and record as (t).
[0064]
In step 604, these waveforms X₀(t) and waveform X_i(t) is compared, and the phase difference Δθ_i Is calculated.
Next, in step 605, it is checked whether or not the scanning completion position has been reached. If not completed, the process returns to step 603. After (i ← i + 1), the process proceeds to step 603 again. A plurality of phase differences Δθ obtained sequentially for each scanning pitch_i The sound speed is calculated by statistical processing.
[0065]
Since the processing after the calculation of the sound speed is the same as the surface layer thickness measurement method of the first embodiment, a description thereof will be omitted.
According to the fourth embodiment, the plurality of phase differences Δθ described above are used._i Since the sound speed is calculated by statistical processing using the, the sound speed can be detected with high accuracy even if the distance between the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 is short. The wavelength of the surface wave S may be about 10 times the wavelength of the surface wave S (if the frequency of the ultrasonic wave is 5 MHz, the wavelength is about 600 μm).
[0066]
For example, in the above-described first embodiment, the distance D between the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 needs to be relatively long. Compared to the minimum measurement range, the minimum measurement range required for the surface acoustic wave measurement unit by the ultrasonic transmitter 3 and the ultrasonic receiver 4 becomes considerably large. There were difficulties.
[0067]
Thus, according to the fourth embodiment, measurement in the range equivalent to the minimum measurement range required by the eddy current measurement unit is also facilitated. As a result, as shown in FIG. W_O It is possible to sufficiently cope with the case where the thickness of the sample is different in a minute range, to finely evaluate the state of the surface layer, and to easily cope with the case where the measurement object is small. .
[0068]
By the way, in the above embodiment, as an impedance plane used in the eddy current measurement unit, as shown in FIG. 3 or FIG. 13, the horizontal axis is a normalized resistance and the vertical axis is a normalized reactance. Although defined, the impedance plane in the embodiment of the present invention can be implemented by other definitions, and this point will be described below.
[0069]
First, FIG. 18 is a circuit configuration diagram according to another embodiment of a part of the coil 1 and the eddy current excitation unit 2. In this figure, the coil 1 of the eddy current measurement unit has a resistance value Ra and an inductance value La. This is incorporated as one element of the bridge circuit of the eddy current excitation unit 2.
This bridge circuit is composed of resistance elements having resistance values R1, R2, R3, and R4, and reactance elements having resistance values Rb and inductance values Lb, and an AC voltage Vin is applied between one terminal. The AC voltage Vo is taken out from between the other terminals.
[0070]
The coil 1 has different impedance values when it is away from the measurement object W and when it is close to the measurement object W. In this case, the coil 1 is output as the AC voltage Vin input to the bridge circuit. The relationship of the AC voltage Vo changes.
At this time, in this embodiment, as shown in FIG. 19, the impedance plane is defined by the phase relationship between the output AC voltage Vo and the input AC voltage Vin, and the horizontal axis indicates the output. Among the alternating voltage Vo, the component having the same phase as the input alternating voltage Vin is taken, and the vertical axis is the component orthogonal to the inputted alternating voltage Vin.
[0071]
Therefore, in the case of this embodiment, the output AC voltage Vo is individually measured for each of the plurality of measurement objects W, and plotted (arranged) as indicated by white circles in FIG. ) And make it a measurement point.
Then, a series of these measurement points is approximated to a straight line by the least square method or the like to obtain a reference line 18 '.
[0072]
Next, even in this case, the oxide layer thickness T₁ 5 and the distance d 'are as shown in FIG. 5, and the oxide layer thickness T is the same as in FIG.₁ Can be calculated and measured.
Since other configurations and processes are the same as those in the first to fourth embodiments, the description thereof will be omitted.
[0073]
【The invention's effect】
According to the present invention, even if the surface layer formed on the surface of the object has a two-layer structure, the thicknesses of these layers can be measured independently and nondestructively. It can always be evaluated accurately and easily.
As a result, it is possible to greatly contribute to the improvement of the reliability of equipment operating under high temperature and high pressure such as a steam turbine, and high safety can be easily ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a surface layer thickness measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of an impedance plane in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a reference line determination method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of an oxide layer and the distance in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a process for obtaining the relationship between the oxide layer thickness and the distance in one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a process for obtaining a relationship between a sound velocity change rate, an oxide layer thickness, and a nitride layer thickness in an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a calculation method of a sound velocity change rate in an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing an example of the correlation between the oxide layer thickness and nitride layer thickness and the sound velocity change rate in an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the relationship between the nitride layer thickness and the oxide layer thickness in one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a flowchart showing a measurement process of an oxide layer thickness and a nitride layer thickness in one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a flowchart showing a surface hardness measurement process in one embodiment of the present invention.
FIG. 13 is an explanatory diagram of an impedance plane used for a surface hardness measurement process according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing surface hardness in an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a block diagram showing another embodiment of the surface layer thickness measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 16 is a flowchart showing the operation of another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing an example of a measurement state according to another embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a circuit diagram showing another embodiment of the eddy current excitation unit according to the present invention.
FIG. 19 is an explanatory diagram showing another example of an impedance plane according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 coil
2 Eddy current excitation unit
3 Ultrasonic transmitter
4 Ultrasonic receiver
5 Ultrasonic transceiver
6 Jig
7 Digitizer
8 A / D converter
9 Layer thickness calculator
W Object to be measured
W_O Oxide layer
W_N Nitride layer

Claims

In a surface layer thickness measuring apparatus for nondestructively measuring the thickness of a surface layer present on the surface of a conductive object,
Means for calculating a first feature amount based on a change amount of impedance of the coil appearing on an impedance plane defined by characteristics of the coil when the measurement coil is brought into contact with the surface of the object;
Means for holding first data representing a correlation between a thickness of the first layer existing on the surface side of the surface layer and the first feature amount, which has been calculated in advance;
Means for calculating a second feature amount from the propagation velocity of surface acoustic waves on the surface of the object;
A second value representing a correlation between three kinds of amounts of the thickness of the second layer existing inside the surface layer, the thickness of the first layer, and the second feature amount, which is calculated in advance. Means for holding data,
From the straight line in which the first feature value is obtained by using a plurality of objects as the object and the coil is previously brought into contact with the coil, and the impedance is distributed on the impedance plane, the thickness is measured on the object. The distance to the impedance of the coil obtained by contacting the coil;
The second feature amount is a rate of change of the propagation velocity of the surface acoustic wave having a specific frequency when the propagation velocity of the surface acoustic wave in an object having no surface layer among the objects is used as a reference,
The thickness of the first layer is calculated with reference to the first data, and the thickness of the second layer is calculated with reference to the second data by the second feature amount. A surface layer thickness measuring apparatus, characterized in that it is configured to do so.

In the surface layer thickness measuring apparatus according to claim 1 ,
Means for calculating a third feature amount based on a change amount of impedance of the coil appearing on an impedance plane defined by characteristics of the coil when the measurement coil is brought into contact with the surface of the object;
Means for holding third data representing a correlation between the hardness of the second layer and the third feature amount, which has been calculated in advance;
The third feature is measured when the impedance of the coil is parallel to a straight line distributed on the impedance plane when the coil is brought into contact with a plurality of objects having different surface layer thicknesses. The coil is brought into contact with a plurality of objects having only a hardened layer having different surface hardness as a surface layer among the first straight line passing through the impedance of the coil obtained by contacting the coil with the object. The position on the second straight line at the intersection with the second straight line in which the impedance of the coil obtained in this way is distributed,
The surface layer thickness measuring apparatus is configured to calculate the hardness of the second layer by referring to the third data based on the third feature amount .