JP4161435B2 - 溶射皮膜の膜厚計測方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測する溶射皮膜の膜厚計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
溶射(thermal spraying)は、溶融状態に加熱した溶射材料の粉末または粒子を素材表面に高速度で吹き付けて層をつくり皮膜とする表面処理法である。かかる溶射に適用される溶射材料には、各種金属材料、合金、セラミック、プラスチック等が用いられ、素材表面に所望される性質により、耐候性、耐食性、耐高温酸化性、耐摩耗性、潤滑性、等を付与することができる。
【0003】
溶射により形成された皮膜(溶射皮膜)の厚さは、その性能に大きく影響する。そのため、溶射皮膜の膜厚を計測する手段として、電磁式測定方法や渦電流式測定方法が従来から広く用いられている(例えば、JIS−H8401には溶射製品の厚さ試験方法が規定されている。)
【0004】
電磁式測定方法は、強磁性金属素地上の常磁性の溶射皮膜の厚さを、磁極、溶射皮膜及び素地金属を通る磁気回路の磁気抵抗、又は溶射皮膜を介して永久磁石と素地金属との間に働く磁気的引力を測定して求めるものである。
また、渦電流式測定方法は、常磁性金属素地上の溶射皮膜の厚さを検出機のコイルに高周波電流を流したとき、資料の素地金属の表層部又は溶射皮膜に生じる渦電流の振幅及び位相が溶射皮膜の厚さによってそれぞれ変わることを利用して求めるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した電磁式測定方法では、溶射皮膜が常磁性である必要があり、溶射皮膜が強磁性(鉄等の磁性材料)である場合には計測ができない問題点があった。また逆に、上述した渦電流式測定方法では、素地が常磁性金属である必要があり、素地が強磁性(鉄等の磁性材料)である場合には計測ができない問題点があった。
そのため、素地が鉄系材料であり、皮膜がセラミックやニッケル合金のような非磁性材料である場合には、従来の電磁式測定方法が適用できるが、素地と皮膜の両方が強磁性材料(例えば鉄系材料)である場合には、これらの方法が全く適用できなかった。
しかし、例えばボイラの炉壁管等の耐食性能の向上や圧延ロールの耐摩耗性能の向上のために鉄系材料に鉄系の金属溶射を行うことが多く、これらの溶射皮膜の膜厚を非破壊で計測する方法が強く要望されていた。
【0006】
本発明は、かかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、溶射皮膜と基材材質に左右されることなく、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測することができる溶射皮膜の膜厚計測方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t1 を計測し、予め求めた溶射皮膜内の音速v1 と前記反射時間とから、溶射皮膜の厚さT1 を算出し、前記基材および前記溶射皮膜と実質的に等しい基材および溶射皮膜からなる試験片を製作し、該試験片から前記音速v1を求め、前記試験片の前記基材と前記溶射皮膜の境界面の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理を施し又は離型剤を塗布し、前記一部において前記溶射皮膜の厚さT 0 を計測し、前記一部以外の前記試験片の部分において、入射した超音波が前記試験片の前記溶射皮膜と前記基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t 0 を計測し、前記厚さT 0 と前記反射時間t 0 とから前記音速v 1 を算出する、ことを特徴とする溶射皮膜の膜厚計測方法が提供される。好ましくは、前記試験片の前記溶射皮膜は、前記反射時間t1の計測対象である前記溶射皮膜と材質および密度が同じになるように、前記反射時間t1の計測対象である前記溶射皮膜と同時に製作される。
【0008】
本発明の方法によれば、例えば超音波プローブを溶射皮膜の表面に当てて超音波を発信することにより、溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射波を超音波プローブを介して例えばオシロスコープ等を用いて記録し、記録された反射波から超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t1 を計測することができる。従って、予め溶射皮膜内の音速v1 を計測しておき、パソコン等で音速v1 と反射時間t1 を乗算し、これを2で割れば、溶射皮膜の厚さT1 を算出することができる。
【0009】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、溶射皮膜の形成時に同一の皮膜を有する試験片を制作し、該試験片の皮膜厚さT0 を予め測定し、該皮膜厚さT0 と該試験片を用いて計測して前記反射時間t0 から溶射皮膜内の音速v1 を算出する。
一般に溶射皮膜中を進む超音波の音速v1 は、溶射皮膜の材質や密度で変動するため、実際の音速v1 を精度よく計測する必要がある。本発明のこの実施形態によれば、予め溶射皮膜の形成時に材質,密度等が同一の皮膜を有する試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さT0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておく。また、この試験片を用いて前述の反射時間t0 を求めることにより、皮膜厚さT0 と反射時間t0 とから、溶射皮膜内の音速v1 を精度よく算出することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施態様を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図1は、本発明の膜厚計測方法を実施する計測装置の構成図である。この図において、1は溶射する基材、2は溶射皮膜、3は超音波4を発信及び受信する超音波プローブ、5は超音波の反射波4bを記録するオシロスコープ、6は記録されたデータを基に溶射皮膜2の膜厚Tを算出するためのコンピュータ(パソコン等)である。本発明の方法を適用する基材1及び溶射皮膜2は、鉄系材料、例えば炭素鋼であり、強磁性材料である。この場合、基材1と溶射皮膜2との境界面7では、超音波4の入射波4aの一部が反射波4bとして反射される。本発明はこの反射波4bから溶射皮膜の膜厚を計測するものである。
【0011】
また、本発明の方法を実施するための試験片を制作する。試験片は、非破壊で計測する実際の基材1及び溶射皮膜2と実質的に等しい基材と溶射皮膜からなる。ただし、試験片の基材と溶射皮膜の境界面7の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理又は離型剤を塗布し、その部分の皮膜2をマイクロスコープ等を用いて精密測定できるようになっている。
【0012】
図2は、本発明で計測される反射超音波の模式図である。この図において、横軸は時間、縦軸は超音波の強度であり、図中のA,B,Cの波形は、それぞれ皮膜表面、境界面、基材端面からの反射波を示している。
【0013】
図1及び図2に示す計測装置を用い、本発明の溶射皮膜の膜厚計測方法は、(a)超音波入射、(b)反射波計測、(c)演算処理、の3つのステップからなる。
(a)の超音波入射ステップでは、超音波プローブ3を用いて溶射皮膜2の表面から溶射基材1に向けて超音波4aを入射する。
(b)並行して、入射した超音波4aが溶射皮膜2と基材1の境界面7から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t1 を計測する。この計測は、オシロスコープ5を用いて超音波の反射波4bを記録し、図2に示すような反射波を記録することにより容易に行うことができる。また、反射時間t1 の実際の計測は、オシロスコープの反射波を解析して、溶射膜境界面からの反射波(エコー)を識別し、超音波4aを入射からの時間を計測する。この解析は、溶射膜境界面エコーから直接行ってもよく、或いはフーリエ変換等を用いて入射波と反射波を識別してもよい。
(c)次いで、予め求めた溶射皮膜内の音速v1 と計測された反射時間t1 とから、溶射皮膜の厚さT1 を算出する。この算出は、パソコン等で音速v1 と反射時間t1 を乗算し、これを2で割ることにより、短時間に容易に溶射皮膜の厚さT1 を算出することができる。
【0014】
また、溶射皮膜内の音速v1 を予め求めるために、本発明では、図1(B)に示した試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さT0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておく。この試験片は、予め計測対象となる溶射皮膜の形成時に厚さ,材質,密度等が同一の皮膜を有するように、好ましくは同一条件で同時に制作する。更に、この試験片を用いて上述した方法で超音波の反射時間t0 を計測する。なお、この場合、境界面が実質的に実際の境界面7と同一の部分、すなわち皮膜が剥離しやすいように表面処理又は離型剤を塗布していない部分を用いて反射時間t0 を計測する。
このようにして得られた反射時間t0 と皮膜厚さT0 から、例えば、v1 =2×T0 /t0 の式により、溶射皮膜内の音速v1 を精度よく算出することができる。
【0015】
図3は、本発明の実施例を示す図である。この図は、図2に示した反射超音波の実測値であり、(A)(B)(C)はそれぞれ皮膜厚さが1.5mm,1.2mm,1mmの場合を示している。また、各図における白抜きの矢印は溶射膜境界面エコーを示し、黒の矢印は反射波の最初の到達時間(すなわち計測された反射時間t1 )を示している。なお、この反射波の最初の到達時間は、この波形から目視等で判断してもよいが、この実施例では、パソコン内で反射波を解析して、求めている。
図3(A)(B)(C)において、実際の境界面7における反射時間t1 は、それぞれ5.261μs,5.186μs,5.125μsであり、皮膜厚さに比例しており、本発明の方法が鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測するのに適用できることがわかった。
【0016】
図4は、本発明の実施例を示す別の図である。この図は、図3と同様に、図2に示した反射超音波の実測値であり、(A)(B)(C)はそれぞれ皮膜厚さが0.8mm,0.5mm,0.3mmの場合を示している。また、図4(A)(B)において、実際の境界面7における反射時間t1 は、それぞれ5.056μs,4.985μsであり、(C)では測定不可能であった。従って、少なくとも0.5mm以上の厚さの溶射皮膜に対して、本発明の方法が適用できることがわかった。
【0017】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【0018】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法によれば、例えば超音波プローブを溶射皮膜の表面に当てて溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射波を超音波プローブを介して例えばオシロスコープ等を用いて記録し、記録された反射波から超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t1 を計測することにより、予め計測した溶射皮膜内の音速v1 と反射時間t1 を乗算し、これを2で割れば、溶射皮膜の厚さT1 を算出することができる。
【0019】
また、予め溶射皮膜の形成時に材質,密度等が同一の皮膜を有する試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さT0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておくことにより、この試験片を用いて前述の反射時間t0 を求め、皮膜厚さT0 と反射時間t0 とから、溶射皮膜内の音速v1 を精度よく算出することができる。
【0020】
従って、本発明の溶射皮膜の膜厚計測方法は、溶射皮膜と基材材質に左右されることなく、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測することができる、優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の膜厚計測方法を実施する計測装置の構成図である。
【図2】本発明で計測される反射超音波の模式図である。
【図3】本発明の実施例を示す図である。
【図4】本発明の実施例を示す別の図である。
【符号の説明】
1 溶射基材
2 溶射皮膜
3 超音波プローブ
4 超音波
4a 入射波
4b 反射波
5 オシロスコープ
6 コンピュータ(パソコン)
7 境界面
Claims (2)
- 溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t1 を計測し、予め求めた溶射皮膜内の音速v1 と前記反射時間とから、溶射皮膜の厚さT1 を算出し、
前記基材および前記溶射皮膜と実質的に等しい基材および溶射皮膜からなる試験片を製作し、該試験片から前記音速v1を求め、
前記試験片の前記基材と前記溶射皮膜の境界面の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理を施し又は離型剤を塗布し、
前記一部において前記溶射皮膜の厚さT 0 を計測し、
前記一部以外の前記試験片の部分において、入射した超音波が前記試験片の前記溶射皮膜と前記基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間t 0 を計測し、
前記厚さT 0 と前記反射時間t 0 とから前記音速v 1 を算出する、ことを特徴とする溶射皮膜の膜厚計測方法。 - 前記試験片の前記溶射皮膜は、前記反射時間t1の計測対象である前記溶射皮膜と材質および密度が同じになるように、前記反射時間t1の計測対象である前記溶射皮膜と同時に製作される、ことを特徴とする請求項1に記載の溶射皮膜の膜厚計測方法。
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