JP5862328B2

JP5862328B2 - 鋼の清浄度評価方法

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Inventors: 林　透; 透林; 鍋島　誠司; 誠司鍋島; 高田　一; 一高田
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Publication date: 2016-02-16
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Description

本発明は、鋼の清浄度を評価する方法に関する。

特に軸受鋼，肌焼鋼等のように疲労特性が要求される鋼では、その寿命（軸受用途等の場合は、転動疲労試験により評価されることが多い）の評価指標として清浄度が用いられている。鋼の清浄度を評価する方法としては、数十ｍｍ角程度のサイズに切断したサンプルを複数個用意し、埋め込み、研磨後に顕微鏡にて調査する各種方法（ＪＩＳＧ０５５５，ＡＳＴＭＥ４５等）、超音波疲労試験機にてサンプルを疲労破壊させ起点の介在物径を測定する方法（非特許文献１を参照）、超音波探傷にて探傷する方法（特許文献１を参照）、サンプルを酸溶解し介在物を抽出する方法等があげられる。

超音波探傷にて探傷する方法としては集束ビーム型超音波探傷法が知られているが、従来の集束ビーム型超音波探傷法で内部欠陥を検出するにあたっては、高速な検査を目的として、超音波ビームを電子的に走査する手法が使用されている。この手法のうち、従来から使用されているリニア電子走査と称される走査方式について、図５を参照しながら説明する。

振動子アレイ１０１には、その先端部に多数の超音波振動子（これ以降は「素子」と記すこともある）が等間隔でアレイ状に並べられており、このうち複数の素子を一組として駆動し、決められた位置に超音波ビームを集束させる。図５の例では、素子総数が６４個（１０１1 〜１０１64）、一組に用いる素子数を８個としている。各素子には素子番号１〜６４が付されている。Ｂ1 〜Ｂ57は各素子１０１1 〜１０１64により形成される超音波ビームを示す。符号１０２は、これら超音波ビームＢ1 〜Ｂ57の送受波を制御する制御回路である。

ここで、超音波ビームＢ1 〜Ｂ57の送受波動作の概略を説明する。まず、素子１０１1 〜１０１8 の８個を一組として駆動することにより、素子１０１1 〜１０１8 の中心線上に集束点（焦点ともいう）を持つ超音波ビームＢ1 を送受波する。次に、素子１０１2 〜１０１9 を一組として駆動することにより、素子１０１2 〜１０１9 の中心線上に集束点を持つ超音波ビームＢ2 を送受波する。以下同様に駆動素子群を１つずつシフトさせ、最後は素子１０１57〜１０１64の駆動により、超音波ビームＢ57を送受波する。

このような動作により、素子配列ピッチに等しいピッチで、被検体に対して超音波ビームを電子走査する。上記の集束超音波ビームの送受波及び電子走査に必要な制御は、振動子アレイ１０１に接続された制御回路１０２で行なわれる。
なお、送波ビームの集束は、超音波を送波するために各素子に与える電気パルスの印加タイミングを、前記一組の素子の中で変更することによって可能である。受波ビームの集束は、前記一組の素子が受波した信号を、素子毎に個別の時間だけ遅延させて加算することによって達成できる。

特開２００６−２２６９４１号公報特開２００７−１７０８７１号公報

古谷ら，鉄と鋼，Vol.88 (2002) ，No.10 ，p.643

ところが、本発明者らの研究では、顕微鏡による調査方法及び超音波疲労試験による方法では、転動疲労試験により得られるＢ１０寿命（１０％の試験片が破壊するまでの寿命）と清浄度とは相関はあるものの十分には強くなく、これだけで寿命を予測することは困難であることが分かった。また、酸溶解による方法は、測定に時間を要する上に介在物までも溶解してしまう場合があり、清浄度の評価に十分に適しているとは言えなかった。

さらに、前記リニア電子走査は、超音波探触子の機械走査を行なう方法に比べて、２０倍程度の高速な検査が可能であるとされているものの、金属材料等の搬送ラインにおいて、秒速１０００ｍｍ程度の高速で搬送される被検体を、前記リニア電子走査を用いて検査しようとすると、１回の電子走査が終了するまでに、被検体のかなりの長さの部分が通過してしまうために、検査に歯抜けが発生する問題があった。

さらに、超音波探傷にて清浄度を評価する場合には、超音波探傷の焦点範囲が２ｍｍ幅程度であることから、大体積を調査する場合には焦点深さを変化させて複数回にわたってスキャンする必要があり、測定に時間を要していた。特に、これらの方法による清浄度の評価を、鋼の製造現場のライン上で行って出荷判定に使用することは困難であった。
さらに、近年、鋼の清浄度の向上に伴い、小さな評価面積又は評価体積では測定される介在物数に限りがあり、介在物の清浄度を精度良く評価できているとは言えなくなってきた。したがって、清浄度評価の精度向上のためには、大体積を調査する必要があると考えられる。大体積の調査には、超音波探傷による清浄度評価が有効である。特許文献１には、鋼の介在物が集積しやすい部分をマクロエッチングにより見出し、そこを超音波探傷する方法が開示されている。この方法であれば、比較的有利に介在物を調査することができると考えられる。しかしながら、一旦マクロエッチングにより集積部分を判定する必要があるが、この判定は測定者に一定の力量が必要である。また、前述のように、鋼の製造現場のライン上での測定に適用することは困難である。

さらに、鋼の製造現場のライン上で前述の集束ビーム型超音波探傷法により鋼の清浄度を測定する場合においては、被検体が鋼板であれば平面状の振動子アレイを用いればよいが、被検体が棒鋼又は鋼管であると円環状の振動子アレイを用いる必要がある。現在のところ、棒鋼又は鋼管の周方向の全領域のうち中心角が５０度以上の領域を測定可能な円環状振動子アレイの製造は技術的に困難であるため、中心角が小角度の領域しか測定できないという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術が有する問題点を解決し、転動疲労試験により得られるＢ１０寿命との相関が高い清浄度が得られ、且つ、鋼の製造現場のライン上での測定に適用することが可能な鋼の清浄度の評価方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る鋼の清浄度評価方法は、含有する介在物の個数によって鋼の清浄度を評価する方法であって、１次元に配列された複数の超音波振動子からなる振動子アレイのうち一部又は全部の超音波振動子から、周波数２５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の超音波を鋼材へ送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイのうち一部又は全部の超音波振動子を用いて受波して、該反射波の受波により生成された信号をディジタルの波形信号へ変換して受波信号とする受波信号生成工程と、前記振動子アレイの中から選択された２個以上の超音波振動子で構成される超音波振動子群の各超音波振動子と前記鋼材内部に形成するｎ個（ｎは２以上）の受波焦点との距離に基づいて、前記各超音波振動子のディジタル変換された受波信号から、前記ｎ個の焦点毎に、その焦点形成に寄与する受波信号を抽出し、前記ｎ個の焦点毎に抽出した受波信号を加算合成することにより、受波焦点が連続的又は半連続的に形成された受波ニードルビームを前記振動子アレイの下に形成する信号処理工程と、を備える超音波探傷試験を前記鋼材に施して、前記鋼材のうち表面から所定深さまでの表層部分に含まれる直径２０μｍ以上の介在物の個数を測定することを特徴とする。

このような本発明に係る鋼の清浄度評価方法においては、前記鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、前記表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却する熱処理工程を、前記受波信号生成工程の前に備えることが好ましい。また、前記鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、前記表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却した後に、さらに１５０℃以上６００℃以下の温度に再加熱し３０分間以上保持した後に空冷する熱処理工程を、前記受波信号生成工程の前に備えることが好ましい。さらに、前記所定深さが１５ｍｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明に係る鋼の清浄度評価方法においては、複数の前記振動子アレイを、仮想円柱面に沿い且つ円弧状又は螺旋状をなすように配列し、これら振動子アレイの内側を前記仮想円柱面の軸に沿う方向に移動する前記鋼材に前記超音波探傷試験を施すこともできる。
さらに、本発明に係る鋼の清浄度評価方法においては、複数の前記振動子アレイを、仮想直線に沿い且つ前記超音波振動子の配列方向と前記仮想直線とが直交するように配列し、前記仮想直線と平行な中心軸を回転中心として回転しながら前記仮想直線に沿う方向に移動する前記鋼材に前記超音波探傷試験を施すこともでき、前記鋼材は、前記振動子アレイが配列されている部分を通過する間に１回転以上回転することが好ましい。

本発明に係る鋼の清浄度評価方法によれば、非破壊で且つ極めて短時間で、転動疲労寿命（Ｂ１０寿命）と相関の高い鋼の清浄度を得ることができる。また、本発明の鋼の清浄度評価方法は、鋼の製造現場のライン上での測定に適用することが可能である。

本発明に係る鋼の清浄度評価方法の一実施形態であるニードルビーム型超音波探傷法を説明する模式図である。本実施形態のニードルビーム型超音波探傷法の変形例を説明する模式図である。本実施形態のニードルビーム型超音波探傷法の別の変形例を説明する模式図である。ニードルビーム型超音波探傷法により得られた、熱処理あり試験片及び熱処理なし試験片の人工穴の画像を示す図である。従来の集束ビーム型超音波探傷法を説明する模式図である。

本発明に係る鋼の清浄度評価方法の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるニードルビーム型超音波探傷法を説明する模式図である。
なお、本実施形態においては、超音波振動子の総数が３８４個、受波ニードルビームの形成に用いる１組の超音波振動子群に含まれる超音波振動子の数が２４個である場合を例にして説明する。ただし、これらの超音波振動子の数が前記のものに限定されないことは勿論である。

本実施形態においては、２４個の超音波振動子を用いて、その配列の下方にビーム径が小さい１つの受波ビーム（以降においては、ニードルビームと記すこともある）を形成し、さらに３８４個の超音波振動子から選択が可能な２４個の超音波振動子からなる超音波振動子群の配列の下方に受波ニードルビームを同時に形成することにより、振動子アレイ１の下に受波ニードルビームが密に並んだ受波ニードルビームカーテンが形成される。

なお、この実施形態では、前記受波ニードルビームを形成するため、振動子アレイ１からの距離が異なる８個の位置にビームが集束して焦点となるように、各超音波振動子が受波した信号から、その焦点の近傍（ビーム焦点位置を中心とした所定領域）のみの信号を抽出して、それらを加算合成（並列信号処理）することにより、前記受波ニードルビームによる受波を実現している。

ニードルビーム型超音波探傷装置は、１次元に配列された複数の超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・からなる振動子アレイ１を備えている。すなわち、被検体である鋼製の丸棒材１０の外周面から所定間隔を空けて同心円状に複数の超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・が配列されており、これらの超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・により振動子アレイ１が構成されている。

また、ニードルビーム型超音波探傷装置は、振動子アレイ１の各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・から丸棒材１０へ超音波を送波するため、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・に電気パルスを印加するパルサと、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・が受波した超音波により生成された信号を増幅するための受波増幅器と、増幅後の前記信号をディジタルの波形信号へ変換して受波信号とするＡ／Ｄ変換器と、ディジタル変換された受波信号から受波ビーム焦点に寄与する受波信号のみを抽出する信号抽出部と、抽出した信号を格納する波形メモリと、格納された抽出信号を加算合成して、一点（受波ビーム焦点ともいう）に集束した受波ビームにより受波するのと等価な受波合成信号を生成する加算合成処理部と、加算合成処理部からの信号を時間的につなぎ合わせることにより、隣り合う超音波振動子（例えば超音波振動子ａ１と超音波振動子ａ２）の間の下に形成される１つのニードルビームによって受波するのと等価な受波信号を生成する信号合成部と、を備えている。すなわち、本実施形態では、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・毎に、パルサ，受波増幅器，Ａ／Ｄ変換器，信号抽出部，及び波形メモリが備えられている。

まず、振動子アレイ１の全超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・から丸棒材１０の外周面に向かって、周波数２５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の超音波を送波する。すると、送波された超音波によって反射波が生起されるので、この反射波を振動子アレイ１の全超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・で受波する。反射波の受波により各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・で生成された信号は、各受波増幅器によって増幅された後、各Ａ／Ｄ変換器によってディジタルの波形信号に変換される。

これらディジタル変換された受波信号の位相合わせを行った後、加算合成を行うことにより、図１に示すような受波ニードルビームを形成できる。丸棒材１０の断面（長手方向に直交する平面により切断した断面）を高分解能で検査するためには、ディジタル変換された受波信号から、受波ビーム焦点に寄与する受波信号のみを抽出すればよいことに着目した。具体的には、各Ａ／Ｄ変換器によって変換された受波信号から、各信号抽出部を用いて、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・と丸棒材１０の内部に形成される受波ビーム焦点との距離に相当する時間範囲に受波された受波信号のみを抽出して、加算合成を行えばよい。なお、信号抽出部においては、設定部から入力された各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・と受波ビーム焦点との距離、及び、媒体（鋼）中の音速などの情報に基づき、抽出条件パラメータが設定される。

すなわち、丸棒材１０の深さ方向にほぼ切れ目なく並ぶ複数の受波ビーム焦点を設定し（領域がほぼ切れ目なく並ぶように複数の焦点距離を設定する）、これら複数の受波ビーム焦点から受波される信号のみを抽出して、加算合成を行えばよい。そうすれば、このとき形成される受波ビームは、連続的又は半連続的に並んだ受波ビーム焦点の列を中心とした集束ビーム径に対応した細い領域に局在するニードルビームと言える。

図１においては、細い領域に局在する受波ニードルビームが４本形成されているように図示されているが、図１に点線で示されているように、実際は多数の受波ニードルビームが形成されている。振動子アレイ１の各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・から所定の距離の間に受波ニードルビームを形成できるように、受波ビームが集束する複数（例えば８個）の受波ビーム焦点を設定している。具体的な動作は以下の通りである。

振動子アレイ１の全超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・から、超音波を丸棒材１０の外周面に向かって送波する。また、丸棒材１０からの超音波の反射波（介在物からの反射波を含む）を、振動子アレイ１の全超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・を用いて受波する。各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・によって受波された超音波による信号は、それぞれ受波増幅器によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル信号に変換される。

信号抽出部は、複数（例えば８個）の領域の中心に集束された受波ビームを形成するため、それぞれの領域から受波された信号を抽出して波形メモリへ送付する。波形メモリは、複数（例えば８個）の領域に分かれており、複数の領域から受波された信号をそれぞれ記憶するようになっている。波形メモリに記録された信号は、加算合成処理部へ送られて、加算合成される。このようにして加算合成処理によって得られた複数（例えば８個）の領域に集束した受波ビームによる受波信号が信号合成部へ送られて、１つの受波信号にまとめられる。

信号合成部においては、前記各領域に集束した受波ビームによって得られた信号が、抽出した領域の大きさに相当する時間幅をもった信号となる。振動子アレイ１とそれぞれの領域との距離が異なるため、各領域から振動子アレイ１により受波される信号は、時間的に異なるタイミングで現れる。信号合成部は、これら信号を加算することにより、１つの受波信号を生成する。このようにして所定の距離の間に形成された受波ニードルビームによって受波された信号が得られる。

振動子アレイ１のうち、超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・の下方に多数（例えば３６１本）の受波ニードルビームが形成される。図１では、図の複雑化を避けるため、そのうち４本のみを示している。振動子アレイ１、パルサ、受波増幅器、及びＡ／Ｄ変換器の動作は、前述の通りである。振動子アレイ１のうちの１つの超音波振動子が、同時に複数（例えば２４箇所）の位置での複数本（例えば２４本）の受波ニードルビーム形成に用いられるため、例えば合計２４×８個の受波ビーム焦点近傍からの信号を各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・に接続された各波形メモリに記憶する必要がある。

このため、波形メモリは例えば２４×８個の領域に分かれている。波形メモリへ受波信号を送り出す信号抽出部は、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・と２４×８個の受波ビームを集束させる領域との距離に応じて、受波信号から２４×８個の信号を取り出して波形メモリへ送付する。波形メモリに記録された受波信号から、受波ニードルビームによる受波信号を得るためには、波形メモリに記録された受波信号の中から、各超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・の下に設定した８個の受波ビーム焦点近傍（焦点位置を基準とした所定領域）からの信号を加算合成処理部へ送る。これら信号は加算合成処理部において、加算合成される。このようにして得られた例えば８個の領域に集束した受波ビームによって得られた信号が信号合成部へ送られて、１つの受波信号にまとめられる。このようにして、所定の距離の間に形成された受波ニードルビームによって受波された信号が得られる。他の受波ニードルビームにより受波された信号も、同様のプロセスを用いて得ることができる。

なお、本実施形態においては、超音波振動子群を構成する２４個の超音波振動子の下に８個の受波ビーム焦点を設定して受波ニードルビームを形成する方法を示したが、これは一例であって、ビーム形成に用いる超音波振動子群の超音波振動子の数は４以上であれば特に限定されない。また、設定する受波ビーム焦点の数も、被検体である丸棒材１０の直径や必要とされる分解能・検出能に応じて自由に変更することができる。

さらに、本実施形態においては、受波ビームの焦点をほぼ等間隔に設定しているが、これも一例であって、設定する受波ビームの焦点間の距離を不等間隔とすることも可能である。一般に、受波ビームの送波方向での集束範囲は、焦点と振動子アレイとの距離に応じて大きくなるので、これに応じて受波ビーム焦点間の距離を定めるようにするとよい。
なお、焦点位置における超音波のビーム径Ｂｄは、概ね下記式のように表される。
Ｂｄ＝λ・Ｆ／Ｄ
ここで、λは超音波の波長、Ｆは集束ビームの焦点距離、Ｄはグループ化された振動子アレイの長さ（超音波振動子のピッチ×超音波振動子の数に相当）である。
したがって、振動子アレイの長さＤを一定としたまま、焦点距離Ｆを大きくすると、ビーム径Ｂｄが大きくなるので、焦点距離Ｆに応じて所望のビーム径となるようにＤを変更する構成も可能である。具体的には、焦点距離Ｆに応じて受波ニードルビーム形成に用いる超音波振動子の数を変更するとよい。

さらに、本実施形態においては、鋼製の丸棒材１０を被検体としたが、鋼製の棒材の形状は丸棒状に限らず角棒状でもよい。また、円管状や角管状でもよい。さらに、鋼製の板材を被検体としてもよい。その場合は、超音波振動子を板材の板面に沿って直線状に配列して振動子アレイとする。さらに、鋼の種類は特に限定されるものではなく、軸受鋼，肌焼鋼，ステンレス鋼等の一般的な鋼が使用可能である。

従来の超音波探傷法では、超音波の焦点が合う範囲は深さ２ｍｍ程度であり、１５ｍｍ近い深さ（厚さ）を走査するためには焦点を複数回変更しつつ測定を繰り返す必要があった。これに対して、本実施形態のニードルビーム型超音波探傷法では、１５ｍｍ近い厚さの全厚さに対して１回の走査で焦点が合い、全厚さの介在物情報を得ることが可能となる。このため、従来の調査方法と比較して非常に短時間（例えば数秒程度）で、転動疲労寿命（Ｂ１０寿命）と相関の高い清浄度を評価することが可能となる。超音波探傷法により走査する部分の体積は、２０００００ｍｍ³ 以上の大体積とすることが好ましい。

ここで、ニードルビーム型超音波探傷法を利用する理由は、大体積を１スキャンで走査できるため、特に鋼の製造現場での時間を争う状況での清浄度評価に好適である点である。複数パスを繰り返し調査するのは製造現場では困難である。棒材を水中に搬送し、スキャン、ライン戻しする搬送設備を導入すれば、鋼の製造現場のライン上での棒材の清浄度評価が可能となる。
なお、一般的に超音波のプローブ（超音波振動子）は棒材の周方向の全領域のうち１／８の部分（中心角が約４５度の領域）のみを走査可能であるため、周方向の全領域の走査が必要な場合には、周方向に複数のプローブを配置することにより１スキャンの走査が可能となる。

例えば、丸棒材１０の周方向の全領域のうち中心角が４５度の領域のみを走査可能な振動子アレイ１を８個用意し、振動子アレイ１を構成する超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・の配列方向が丸棒材１０の周方向に沿うような向きで、これら８個の振動子アレイ１を丸棒材１０の外周面に沿って円弧状をなすように配列し、丸棒材１０の全周３６０度を囲む（すなわち、８個の振動子アレイ１を円周状に配列する）。そして、円弧状をなして並ぶ振動子アレイ１の内側（円弧の径方向内側）を、丸棒材１０の中心軸に沿って丸棒材１０を移動させながら測定を行えば（丸棒材１０は回転させない）、丸棒材１０の周方向の全領域の走査を行うことができる。この場合、丸棒材１０の外周面が、本発明の要件である仮想円柱面に相当し、丸棒材１０の中心軸が仮想円柱面の軸に相当する。

ただし、上記のように、８個の振動子アレイ１を丸棒材１０の外周面に沿って円弧状をなすように配列すると、隣接する振動子アレイ１同士の間に若干の隙間が生じるため、丸棒材１０の周方向の全領域のうち、前記隙間に対応する部分は測定できないこととなる。そこで、８個の振動子アレイ１の位置、すなわち、丸棒材１０の中心軸に沿う方向（以下「軸方向」と記すこともある）の位置を全て同一とするのではなく、図２に示すように軸方向位置を少しずつずらして、螺旋状をなすように８個の振動子アレイ１を配列し、隣接する振動子アレイ１同士の間に周方向の隙間が生じないようにすれば、丸棒材１０の周方向の全領域を漏れなく測定することができる。

隣接する振動子アレイ１同士の間に周方向の隙間が生じないようにするためには、隣接する振動子アレイ１の端部同士が周方向に重なるように配列することが好ましい。この重なる部分の中心角は、５〜１０度であることが好ましい。
この超音波探傷試験は水中で行われるため、上記の２例のように８個の振動子アレイ１を丸棒材１０の全周３６０度を囲むように配すると、多くの振動子アレイ１は水中に浸漬された状態で使用されることとなる。よって、振動子アレイ１を構成する超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・にそれぞれ設けられた端子には防水性が要求されるが、防水性が不十分な場合には振動子アレイ１の耐久性が低くなってしまう。

そこで、８個の振動子アレイ１を図３に示すように配列すれば、端子の防水性が不十分であっても振動子アレイ１の耐久性は低下せず、問題なく使用することができる。すなわち、振動子アレイ１を構成する超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・の配列方向が丸棒材１０の周方向に沿うような向きで、８個の振動子アレイ１を丸棒材１０の中心軸に沿って一直線状に配列する。隣接する各振動子アレイ１の軸方向の間隔は等間隔とすることが好ましい。あるいは、各振動子アレイ１の間には軸方向の隙間を設けなくてもよい。
各振動子アレイ１の超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・は、図３に示すように水中に位置して丸棒材１０の外周面に対向し、超音波振動子ａ１，ａ２，ａ３・・・とは反対側に設けられた各端子は水上に出すことができるため、端子の防水性はそれほど要求されず、端子の防水性が不十分であっても振動子アレイ１の耐久性は優れている。

そして、一直線状に並ぶ振動子アレイ１の配列方向に対して中心軸を平行にして丸棒材１０を配し、この中心軸を回転中心として回転させつつ、中心軸に沿う方向に丸棒材１０を移動させながら測定を行うとよい。なお、丸棒材１０の中心軸が、本発明の要件である仮想直線に相当する。そして、図３に示すように、８個の振動子アレイ１が配列されている部分を通過する間に１回転丸棒材１０を回転させれば、丸棒材１０の周方向の全領域の走査を行うことができる。例えば、８個の振動子アレイ１を０．５ｍの範囲に一直線状に並べ、丸棒材１０を１回転／ｓの回転速度で回転させつつ、０．５ｍ／ｓの移動速度で軸方向に移動させながら測定を行えば、丸棒材１０の周方向の全領域の走査を１回の測定で行うことができる。

測定に使用する超音波の周波数については、２５ＭＨｚ以上である必要がある。特に、最近の高清浄度鋼の転動疲労寿命を支配する介在物径は２０μｍ以上である。２０μｍ以上の介在物を検出するためには、周波数は２５ＭＨｚ以上である必要があるため、測定周波数は３０ＭＨｚ以上とすることが好ましい。ただし、測定周波数が１００ＭＨｚを超えると、超音波の鋼材透過性が低下し、十分な深さまで測定することが困難となるため、超音波の周波数は１００ＭＨｚ以下とする必要がある。

また、被検体である鋼については、鋼の製造現場のライン上で測定する場合には、熱処理されていない圧延ままの鋼を測定することが一般的であるが、鋼の製造現場のライン外（オフライン）で測定する場合には、鋼に熱処理を施してから測定することも可能である。熱処理の内容は、鋼材を一旦Ａｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、鋼材のうち表面から所定深さまでの表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却するという処理が好ましい。あるいは、鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、前記表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却した後に、さらに１５０℃以上６００℃以下の温度に再加熱し３０分間以上保持した後に空冷するという処理でもよい。このような熱処理を施してから測定を行うことにより、透過する超音波の量が増加し、Ｓ／Ｎ比がより向上する。
なお、前記所定深さは１５ｍｍ以下が好ましい。１５ｍｍ超過であると信号のノイズが大きくなるため、Ｓ／Ｎ比が低下して精度が悪化するおそれがある。

また、上記のような熱処理を鋼材に施す高周波加熱装置及び冷却装置をライン上に設ければ、熱処理が施された鋼材の清浄度を鋼の製造現場のライン上で測定することが可能である。
鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱するのは、鋼をオーステナイト相に変態させ、続く焼入れを可能にするためである。温度がＡｃ３よりも低いと、鋼を完全にオーステナイトにすることができないおそれがある。一方、温度をＡｃ３＋１５０℃超過にすると、旧γ粒界が粗大化し、焼入れ時に鋼材が割れるおそれがある。

また、前記表層部分の冷却速度は、２℃／ｓ以上とすることが好ましい。これよりも遅い冷却速度であると、組織が焼入れ組織にならないおそれがある。組織を焼入れ組織又はそれに準じる組織にすることにより、超音波の透過量を増加させ、ひいてはＳ／Ｎ比を向上させることができる。
その後、鋼材を焼入れままでニードルビーム型超音波探傷法による清浄度評価を行ってもよいし、上記のように１５０℃以上Ａｃ１以下の温度に再加熱し３０分間以上保持した後に空冷する焼戻しを行ってから、清浄度評価を行ってもよい。１５０℃以上で３０分間以上加熱するのは、焼戻しの効果を得るために必要で、温度や時間がこれ以下であると鋼材が割れるおそれがある。また、Ａｃ１を超える温度に加熱すると、冷却後の組織にフェライトが現れ、清浄度評価時のＳ／Ｎ比が低下するおそれがある。

合金成分の目標組成が、炭素１．０質量％、ケイ素０．２５質量％、マンガン０．４０質量％、アルミニウム０．０２０質量％、クロム１．４質量％で、残部が鉄及び不可避的不純物である鋼素材５種Ａ〜Ｅ（直径６０ｍｍ、長さ５００ｍｍの丸棒材であり、圧延ままである）を用意して、従来型の集束ビーム型超音波探傷装置及びニードルビーム型超音波探傷装置を用いて、それぞれ表面から深さ１５ｍｍまでの表層部分（該部分の体積は２６５０００ｍｍ³ である）についてスキャンし、直径２０μｍ以上の介在物の個数を測定した。

また、鋼素材Ａ〜Ｅについて、転動疲労寿命（Ｂ１０寿命）を測定した。鋼素材Ａ〜Ｅの試験片としては、８３０℃で４０分間加熱した後に、６０℃で油焼入れを行い、１８０℃、１２０分間という条件で焼戻しを行った上、仕上げ加工したものを用いた。また、転動疲労試験には３球負荷型のスラスト転動疲労試験機を用い、ヘルツ応力５２３０ＭＰａ、軸回転速度１２００ｒｐｍ、応力負荷回数１８００ｃｐｍという条件で行った。

介在物の個数と転動疲労寿命（Ｂ１０寿命）の測定結果を表１に示す。従来型の集束ビーム型超音波探傷装置による測定では、丸棒材の表面から１５ｍｍの深さまで測定するのに、焦点変更を１０回行い、探傷時間は３０００秒間を要した。これに対して、ニードルビーム型超音波探傷装置による測定では、表面から１５ｍｍの深さまでの測定が１パスで完了し、測定時間は僅か１秒間であった。なお、いずれの装置による測定でも、１回に測定できる丸棒材の周方向の領域は、中心角が４５度の領域であり、同一である。

測定結果は、いずれの装置を使用した場合でも同一の結果が得られている。そして、測定した２０μｍ以上の介在物の個数とＢ１０寿命との間に良好な相関が見られた。したがって、この例のように、転動疲労寿命と一定体積中の２０μｍ以上の介在物の個数との関係を予め明らかにしておき、目標とする転動疲労寿命を決定することにより、ニードルビーム型超音波探傷装置を用いた清浄度評価により、測定される鋼素材が目標とする転動疲労寿命を満足するか否かを迅速に判定できる。

さらに、鋼素材Ａについては、丸棒材の端面に直径２ｍｍ、深さ２０ｍｍの穴をドリルで加工したものを６個用意した。そして、そのうち５個については、種々の条件で熱処理を施し、残りの１個については圧延ままとした（熱処理の条件については表２を参照）。これらの丸棒材について、ニードルビーム型超音波探傷装置を用いて外周面に向かって超音波を送波して、外周面から中心方向に７ｍｍ内側の位置に設けられた穴の超音波画像及びＳ／Ｎ比を得た。なお、鋼素材ＡのＡｃ１は７７５℃であり、Ａｃ３は８５０℃である。

結果を表２に示す。条件１の熱処理は、鋼素材Ａからなる丸棒材を１０００℃で６０分間保持した後に、６０℃で油焼入れを行い、９００℃から２００℃までの範囲を３．５℃／ｓの速度で冷却し、その後に１７０℃、６０分間という条件で焼戻しを行うというものである。穴の超音波画像を図４の（ａ）に示す。一方、条件４は、圧延ままで熱処理を施していない丸棒材である。穴の超音波画像を図４の（ｂ）に示す。図４の（ａ），（ｂ）ともに、円内の白い点が穴に相当する。図４及び表２から分かるように、上記のような熱処理を施した条件１の方が、圧延ままの条件４よりもＳ／Ｎ比が高く、画像を明瞭に読み取ることが可能であった。

次に、条件２の熱処理は、鋼素材Ａからなる丸棒材を６５０℃で６０分間保持した後に、６０℃で油焼入れを行い、６５０℃から１５０℃までの範囲を３．２℃／ｓの速度で冷却し、その後に３００℃、６０分間という条件で焼戻しを行うというものである。Ａｃ３以上の温度とすることでオーステナイトに完全に逆変態するため、６５０℃という温度では焼きが入らず、Ｓ／Ｎ比は１．７であった。したがって、単に高温に晒すだけではＳ／Ｎ比の改善にはつながらず、一旦オーステナイト化して焼入れることによってＳ／Ｎ比が良好となることが分かる。

また、条件３の熱処理は、鋼素材Ａからなる丸棒材を９００℃で６０分間保持した後に、６０℃で油焼入れを行い、９００℃から２００℃までの範囲を３．５℃／ｓの速度で冷却し、その後に焼戻しは行わないというものである。その結果、Ｓ／Ｎ比は３．２と良好であった。条件１と条件３を比較すると、Ｓ／Ｎ比については条件３の方が優れているものの、焼入れままの場合には焼き割れが生じるおそれがあるため、焼戻しを施すことが好ましい。

さらに、条件５の熱処理は、鋼素材Ａからなる丸棒材を９００℃で６０分間保持した後に空冷し、９００℃から２００℃までの範囲を１．０℃／ｓの速度で冷却し、その後に２００℃、６０分間という条件で焼戻しを行うというものである。なお、条件５のみ、鋼素材Ａからなる丸棒材の直径を２２ｍｍとした。冷却速度が遅く焼きが入らないため、Ｓ／Ｎ比はやや劣っていた。ただし、条件４の場合（圧延まま）よりもＳ／Ｎ比は良好であった。

さらに、条件６の熱処理は、鋼素材Ａからなる丸棒材を９００℃で６０分間保持した後に油焼入れを行い、９００℃から６００℃までの範囲を３．０℃／ｓの速度で冷却し、その後に６００℃、６０分間という条件で焼戻しを行うというものである。焼入れ時に６００℃までしか冷却されず、冷却温度範囲の下限値が高いので、焼きが入らない。その結果、焼きが入る他の条件と比べてＳ／Ｎ比が劣っていた。

これらの結果から、本発明に係る鋼の清浄度評価方法によれば、圧延ままでも内部欠陥を検出することは可能であるが、焼入れ又は焼入れ焼戻しを施すことにより、内部欠陥をより容易に検出することが可能となることが分かる。
以上のことから、本発明に係る鋼の清浄度評価方法によれば、転動疲労寿命の指標となる清浄度を、鋼の製造現場のライン上でも迅速に評価することが可能である。

１振動子アレイ
ａ１，ａ２，ａ３超音波振動子
１０丸棒材

Claims

含有する介在物の個数によって鋼の清浄度を評価する方法であって、
１次元に配列された複数の超音波振動子からなる振動子アレイのうち一部又は全部の超音波振動子から、周波数２５ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の超音波を鋼材へ送波し、該送波された超音波によって生起された反射波を、前記振動子アレイのうち一部又は全部の超音波振動子を用いて受波して、該反射波の受波により生成された信号をディジタルの波形信号へ変換して受波信号とする受波信号生成工程と、
前記振動子アレイの中から選択された２個以上の超音波振動子で構成される超音波振動子群の各超音波振動子と前記鋼材内部に形成するｎ個（ｎは２以上）の受波焦点との距離に基づいて、前記各超音波振動子のディジタル変換された受波信号から、前記ｎ個の焦点毎に、その焦点形成に寄与する受波信号を抽出し、前記ｎ個の焦点毎に抽出した受波信号を加算合成することにより、受波焦点が連続的又は半連続的に形成された受波ニードルビームを前記振動子アレイの下に形成する信号処理工程と、
を備える超音波探傷試験を前記鋼材に施すに際して、
複数の前記振動子アレイを、仮想円柱面に沿い且つ螺旋状をなすように配列し、これら振動子アレイの内側を前記仮想円柱面の軸に沿う方向に移動する前記鋼材に前記超音波探傷試験を施して、前記鋼材のうち表面から所定深さまでの表層部分に含まれる直径２０μｍ以上の介在物の個数を測定することを特徴とする鋼の清浄度評価方法。
前記鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、前記表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却する熱処理工程を、前記受波信号生成工程の前に備えることを特徴とする請求項１に記載の鋼の清浄度評価方法。
前記鋼材をＡｃ３以上Ａｃ３＋１５０℃以下の温度に加熱し、前記表層部分の冷却速度が９００℃から２００℃までの温度範囲については２℃／ｓ以上となるように冷却した後に、さらに１５０℃以上６００℃以下の温度に再加熱し３０分間以上保持した後に空冷する熱処理工程を、前記受波信号生成工程の前に備えることを特徴とする請求項１に記載の鋼の清浄度評価方法。
前記所定深さが１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の鋼の清浄度評価方法。