JP7092101B2

JP7092101B2 - 鋼材の清浄度評価方法

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Publication number: JP7092101B2
Application number: JP2019186330A
Authority: JP
Inventors: 知樹土信田; 啓之内田; 翔橋本; 秀幸飛鷹
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: EP4043876A4; US20220381740A1; WO2021070751A1; JP2021060373A; EP4043876A1; KR20220073749A; CN114391100A

Description

本発明は、鋼材の清浄度評価方法に関する。

従来より、軸受用鋼等の転がり疲れが発生する用途に使用される鋼の転動疲労寿命は、鋼中の非金属介在物の量、特に、酸化物系介在物の量と強い相関関係があることが知られている。そのため、鋼中の非金属介在物の量は、ＪＩＳ法（ＪＩＳ－Ｇ０５５５）や、ＡＳＴＭ（アメリ力材料試験協会）：Ｅ４５法で測定され、その結果を製鋼工程にフィードバックすることによって、一定の品質の鋼、あるいは、より高品質の鋼が製造されていた。

また、鋼中の酸化物系介在物の量は、当然、鋼の酸素含有量と強い相関があることから、軸受用鋼等の清浄度が要求される鋼の製造は、鋼中酸素含有量の低減のために、溶鋼脱ガスや真空精錬、取鍋精錬等の清浄度向上に効果のある種々の製鋼方法が採用されている。
ここで、近年の製鋼技術の発達により、鋼の酸素含有量を極力減らすことが可能となったが、鋼の酸素含有量が低レベルになると、鋼中の非金属介在物は非常に少なく、且つ小さくなり、そのため、上記のＪＩＳ法やＡＳＴＭ法では検出限界に近い領域での測定となり、清浄度レベルの評価としては妥当ではない場合も見受けられるようになった。

また、ＪＩＳ法やＡＳＴＭ法よりも測定精度が高く、数十μｍの小さな介在物を評価する方法として、極値統計法が採用されている。極値統計法は、現時点で一般的な評価方法であり、その評価方法は、単位面積１００～２００ｍｍ^２程度でサンプル数１５～３０個を観察し、サンプル毎で最大の介在物径を記録し、統計学により想定面積中に存在する最大介在物径を推測するというものである。

しかし、極値統計法は、ある一定の面積を評価し、想定面積中に存在する最大介在物径を予想するという統計学を利用した評価手法であるため、サンプルの準備はもちろん、評価及び解析にも非常に多大な時間とロードがかかるという問題点があった。
これらのＪＩＳ法やＡＳＴＭ法、極値統計法等の従来の清浄度の評価方法における問題点に対して、測定精度が高く、短時間で行うことができる清浄度の評価方法として、超音波探傷によって鋼の清浄度を評価する方法が行われている。例えば、特許文献１には、超音波探傷法による鋼材の清浄度の評価方法として、周波数２５ＭＨｚ～１００ＭＨｚの超音波を鋼材へ送波し，鋼材の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が開示されている。

特開２０１２－１７７６８４号公報

ところで、特許文献１に記載の方法の場合、鋼材の径方向の位置について、鋼材の中心を０％、表面を１００％としたときに、５０％以上の位置を探傷している。しかし、探傷する径方向の位置が上記の５０％以上の位置であると、鋼材の直径や材質によっては表面近くの位置での超音波透過量と５０％近くの位置での超音波透過量の差が大きく、５０％近くの位置では検出できる最小介在物寸法が大きくなり、清浄度の信頼性が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、超音波探傷法による鋼材の清浄度評価方法において、信頼性の高いデータを迅速に取得することができる、鋼材の清浄度評価方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば鋼材の中心を０％、表面を１００％とした径方向位置において、上記鋼材の９０％以上１００％以下の範囲の少なくとも一部を探傷するよう、超音波探傷を行い、上記超音波探傷により得られる、上記鋼材中の介在物の寸法と個数とに基づいて清浄度を評価し、上記超音波探傷を行う際に、探傷される上記鋼材の評価体積を１０００００ｍｍ ³ 以上とする、鋼材の評価方法が提供される。

本発明の一態様によれば、超音波探傷法による鋼材の清浄度評価方法において、信頼性の高いデータを迅速に取得することができる、鋼材の清浄度評価方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における超音波探傷検査装置の構成を示す模式図である。実施例１における径方向位置と清浄度指数との関係を示すグラフである。実施例２における各評価体積に対する介在物個数比を示すグラフである。

以下の詳細な説明では、本発明の完全な理解を提供するように、本発明の実施形態を例示して多くの特定の細部について説明する。しかしながら、かかる特定の細部の説明がなくても１つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。また、図面は、簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。

＜鋼材の清浄度評価方法＞
図１に、本発明に一実施形態に係る鋼材の清浄度評価方法に用いる超音波探傷検査装置１の概略構成図を示す。超音波探傷検査装置１は、鋼材である丸棒２の清浄度を評価する装置であり、図１に示すように、探触子１１と、水槽１２と、３個のモータ１３～１５と、モータコントローラ１６と、探傷器１７と、演算部１８と、チャック装置１９とを備える。介在物が評価される鋼材は、本実施形態では軸受鋼であるが、非金属介在物が起因して不具合が発生する鋼材（例えば、肌焼鋼等の高清浄度鋼）であれば特に限定されない。なお、本発明に適する製品としては、例えば、転がり軸受や、ボールねじ、リニアガイド、トラクションドライブ変速機、電動ブレーキ等を対象とすることができる。

探触子１１は、焦点型の超音波探触子であり、超音波を発信し、反射したエコーを検出することで丸棒２を探傷する。また、本実施形態における超音波探傷法では、垂直探傷法が用いられ、探触子１１は、水槽１２内の丸棒２の中心線の直上に設けられ、超音波の発信方向が鉛直方向下方に設定される。
水槽１２は、超音波伝達媒体である水を貯留する。なお、探触子１１は、水槽１２内の水の中に設けられる。

３個のモータ１３～１５は、モータコントローラ１６の制御信号を受けて探触子１１をｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に平行な方向にそれぞれ移動される。なお、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、それぞれ直交する軸であり、ｘ軸方向及びｙ軸方向が水平方向に平行な方向であり、ｚ軸方向が鉛直方向に平行な方向である。また、ｙ軸方向は、丸棒２の長手方向に平行な方向である。

モータコントローラ１６は、演算部１８への入力で作動が制御され、３個のモータ１３～１５の回転方向や回転速度、回転角を制御することにより、を制御する装置であり、探触子１１と丸棒２との位置関係を制御する。
探傷器１７は、探触子１１に接続され、探触子１１の探傷周波数、反射エコー及び反射エコーの強度から検出される介在物の大きさをモニターし、それらの測定結果を演算部１８に記憶する。

演算部１８は、演算処理機能を有するパソコン等のコンピュータシステムであり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を備えて構成され、ＲＯＭ等に予め記憶された各種専用のプログラムを実行することにより、後述する各機能をソフトウェア上で実現する。また、演算部１８は、探傷器１７で算出された測定結果を記憶する。
チャック装置１９は、丸棒２を固定する工具であり、丸棒２の長手方向の両端を固定する。また、チャック装置１９は、不図示の回転駆動装置の駆動力を受けて回転することで、中心線を中心に丸棒２を回転させることができる。なお、チャック装置１９の回転の制御は、モータコントローラ１６によって行われてもよい。

本実施形態に係る清浄度評価方法では、チャック装置１９を用いて丸棒２を一定方向に回転させると共に、探触子１１で丸棒２を超音波探傷する。丸棒２は、圧延されたままの状態のものでもよいが、圧延後に熱処理をし、表面を旋削して研磨したものであることが好ましい。旋削及び研磨による丸棒２の表面の削り代は、特に限定されないが、厚さで１ｍｍ（直径換算で２ｍｍ）としてもよい。

超音波探傷では、探触子１１から発信される超音波の周波数を３０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下とすることが好ましい。超音波探傷の周波数をこのような範囲とすることで、最小寸法が３０μｍ程度となる介在物を検出することができる。また、超音波の周波数を高くするとより小さい介在物を検出することができるようになるが、同時に超音波の減衰が大きくなるため、評価体積当たりの測定時間が長くなってしまう。周波数を低くすると、超音波の減衰が小さくなるため、測定時間に関しては有利であるが、検出できる介在物の最小寸法が大きくなり、清浄度の評価を誤る恐れがある。すなわち、大きい介在物ほど評価体積当たりの存在数が少なくなるため、大きな介在物しか検出できない場合、あるいは、大きな介在物のみを測定対象とした場合は、評価体積を大きくしないと、大きな介在物が存在しているにもかかわらず、介在物を見逃してしまう恐れがある。評価体積との兼ね合いもあるが、上記周波数範囲を用いれば、適当な測定時間で適正な清浄度評価ができる。更に好ましくは、超音波の周波数を、４０ＭＨｚ以上６０ＭＨｚ以下とし、より好ましくは５０ＭＨｚとする。

なお、介在物の寸法は、介在物の大きさを表す指標であればよく、介在物の直径であっってもよい。また、介在物の寸法は、介在物の直径に限らず、√area等の他の指標であってもよい。つまり、本実施形態に係る鋼材の評価方法においては、後述するように、介在物の大きさを表す指標である介在物の寸法と、介在物の個数とに基づいて清浄度が評価される。また、介在物の最小寸法についても、介在物の最小直径に限らず、√area等の他の指標の最小値が用いられてもよい。

また、本実施形態では、丸棒２を回転させながら超音波探傷を行うことで、丸棒２の表面から特定の深さの範囲を、周方向に連続して測定する。この際、超音波探傷が行われる丸棒２の特定の深さの範囲を、径方向位置で９０％以上１００％以下とする。径方向位置は、丸棒２の長手方向に直交する断面において、丸棒２の中心を０％、丸棒２の表面を１００％とした場合の、丸棒２の半径方向での位置を示す。なお、この範囲において、全ての範囲で超音波探傷が行われてもよく、一部の範囲で超音波探傷が行われてもよい。つまり、径方向位置において、９０％以上１００％以下の範囲の少なくとも一部の範囲で超音波探傷が行われる。丸棒２の径方向位置が９０％以上１００％以下の範囲では、鋼材の清浄度の差が顕著に表れることとなる。このため、この範囲を探傷することで、信頼性の高い清浄度のデータを取得することができる。

さらに、超音波探傷では、丸棒２の超音波探傷する体積である評価体積を、６００００ｍｍ^３以上とし、好ましくは１０００００ｍｍ^３以上とする。評価体積は、丸棒２を回転させながら連続して行われる超音波探傷にて、丸棒２の探傷される領域の体積である。評価体積が６００００ｍｍ^３未満の場合、清浄度である非金属介在物の個数のばらつきが大きくなることから、精度よく清浄度を評価することができない。このため、評価体積を６００００ｍｍ^３以上とすることで精度よく清浄度を評価することができ、評価体積を１０００００ｍｍ^３以上とすることでより高い精度で清浄度を評価することができる。また、評価体積の上限は特に限定されないが、２０００００ｍｍ^３とすることが好ましい。評価体積が２０００００ｍｍ^３超となる場合、探傷に要する時間が長くなる上、評価体積を１０００００ｍｍ^３以上２０００００ｍｍ^３以下とする場合に比べて清浄度の評価精度に大きな差がない。

さらに、超音波探傷では、探触子１１により反射エコーの強度などの探傷結果が探傷器１７へと送られる。探傷器１７での探傷結果は、演算部１８に記録され、検出された介在物の寸法を算出する。つまり、演算部１８には、評価体積に含まれる介在物の寸法と個数とが記録される。なお、超音波の周波数を３０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚとすることで、検出される最小寸法が３０μｍ程度以上の介在物の個数と寸法が結果として記録されることとなる。

超音波探傷が終了した後、演算部１８は、探傷結果から、清浄度評価指標である清浄度指数を算出することで清浄度を評価する。清浄度は軸受寿命と強い相関があるべきであるが、寿命と相関のある清浄度パラメーターとして介在物寸法と介在物個数が主因子として挙げられる。よって、清浄度指数は、介在物の寸法と個数とを用いて算出される指標である。清浄度指数の算出方法は、特に限定されず、用途や鋼材の種類に応じて適設定されてもよい。例えば、清浄度指数は、高くなるほど清浄度が悪いものとして設定され、寸法の大きな介在物が多くなるほど高くなるように設定されてもよい。また、例えば、清浄度指数としては、検出される介在物の寸法から極値統計法において用いられる介在物の面積の平方根√areaを算出し、この√areaが所定値以上となる介在物の大きさと個数とから決定される指数が用いられてもよい。

＜変形例＞
以上で、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、これら説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態とともに種々の変形例を含む本発明の別の実施形態も明らかである。従って、特許請求の範囲に記載された発明の実施形態には、本明細書に記載したこれらの変形例を単独または組み合わせて含む実施形態も網羅すると解すべきである。

例えば、上記実施形態では、清浄度が評価される鋼材は丸棒２であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。鋼材は、角形の棒鋼や板材であってもよい。
また、上記実施形態では、超音波探傷検査装置１として、図１に示す構成のものを用いるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。超音波探傷検査装置は、鋼材の表層を上記の条件で超音波探傷可能なものであれば、他の構成であってもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の一態様に係る鋼材の清浄度評価方法は、鋼材（例えば、丸棒２）の中心を０％、表面を１００％とした径方向位置において、鋼材の９０％以上１００％以下の範囲の少なくとも一部を探傷するよう、超音波探傷を行い、超音波探傷により得られる、鋼材中の介在物の寸法と個数とに基づいて清浄度を評価する。
上記（１）の構成によれば、信頼性の高い清浄度のデータを迅速に取得することができる。なお、超音波探傷は、一例として、鋼材と探触子１１とを超音波伝達媒体中に配し、探触子１１から超音波を鋼材に発信することで行われる。

（２）上記（１）の構成において、超音波探傷を行う際に、探傷される鋼材の評価体積を６００００ｍｍ^３以上とする。
（３）上記（２）の構成において、評価体積を１０００００ｍｍ^３以上とする。
上記（２），（３）の構成によれば、より高い精度で清浄度を評価することができる。
（４）上記（１）～（３）のいずれかの構成において、超音波探傷を行う際に、超音波の周波数を３０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下とする。
上記（４）の構成によれば、最小寸法が３０μｍ程度となる介在物を検出することができる。
（５）上記（１）～（４）のいずれかの構成において、鋼材は転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド、トラクションドライブ変速機、又は電動ブレーキに使用される鋼材である。

次に、本発明者らが行った実施例１について説明する。実施例１では、径と清浄度の異なる５本の丸棒２のサンプルについて、複数の径方向位置での清浄度を測定することで、清浄度と径方向位置との関係を調べた。実施例１の調査では、上記実施形態と同様な方法で丸棒２を超音波探傷し、焦点型探触子は周波数５０ＭＨｚ、振動子径３ｍｍ、水中焦点距離１２．５ｍｍの探触子を用いた。超音波探傷をする際、圧延直後の丸棒２に対して、探傷する丸棒２の表面が径方向位置で９０％付近、７０％付近、５０％付近、３０％付近となるように徐々に丸棒２を研削し、それぞれ研削した後に、上記範囲について超音波探傷を行った。本実施例では、介在物からのエコー強度などの探傷結果から√areaを推定し、その√areaが５０μｍ以上の介在物の個数と寸法から清浄度指数を算出した。

図２に実施例１の結果として、丸棒２の径方向位置と清浄度指数との関係を示す。また、表１に各サンプルにおける、圧延まま材直径及び探傷位置を示す。なお、探傷位置は、圧延直後の丸棒２に対する探傷する径方向位置を示す。また、清浄度指数は、介在物の個数が多くなるほど高くなり、介在物の寸法が大きくなるほど高くなるように設定される。

図２に示すように、鋼材の中心寄り部分で清浄度が悪く（３０％位置）、半径中心位置（５０％位置）部分では良くなり、鋼材表面部分で悪くなる（９０～１００％位置）ことが確認できた。このことは、清浄度が悪いサンプルと良いサンプルの差が、鋼材表面での顕著であり、半径中心位置（５０％位置）では差が出にくいということを示している。したがって、鋼材のうちで鋼材表面からこの鋼材の径方向位置で１０％深さの範囲（図１の９０～１００％の範囲）に含まれる介在物を評価することで、鋼材の清浄度を高い信頼性で評価できることが確認できた。また、清浄度の序列は鋼材内部で大きく変わらないことから中心部から９０％位置までの測定は省略できる。

次に、本発明者らが行った実施例２について説明する。実施例２では、直径と清浄度の異なる３本の丸棒２のサンプルについて、評価体積を変えて同体積当たりの介在物個数を測定することで、評価体積と測定精度との関係を調べた。実施例２では、上記実施形態と同様な方法で丸棒２を超音波探傷し、異なる評価体積で実施例１と同様の手法で算出した√areaが５０μｍ以上の介在物の一定体積当たりの個数を複数回測定した。そして、各評価体積における介在物個数のばらつきを求めることで、測定精度を調査した。

図３に実施例２の結果として、各評価体積における介在物個数比を示す。図３の縦軸に示す介在物個数比は、測定される介在物の一定体積当たりの個数について、各サンプルそれぞれの最も評価体積が大きいときの個数を１とした際の、各評価体積の個数の比を示すものである。介在物個数比が１以上のプロットは、同評価体積における介在物個数比のバラツキの最大値、１以下のプロットは同評価体積におけるバラツキの最小値を示している。また、表２には、各サンプルにおける、圧延まま材直径及び評価体積（図３の横軸の評価体積の数値）を示す。

評価体積が小さいときには検出された介在物個数の比がばらついているが、評価体積が多くなるにつれて介在物個数比が安定することが確認できた。特に、評価体積が６００００ｍｍ^３以上の領域ではバラツキが顕著に小さくなり、評価体積が１０００００ｍｍ^３以上の領域ではほぼ一定となることが確認できた。このことから、上記施形態のように、評価体積を６００００ｍｍ^３以上、好ましくは１０００００ｍｍ^３以上とすることで、精度よく迅速に清浄度を評価できることが確認できた。

１超音波探傷検査装置
１１探触子
１２水槽
１３～１５モータ
１６モータコントローラ
１７探傷器
１８演算部
１９チャック装置
２丸棒

Claims

鋼材の中心を０％、表面を１００％とした径方向位置において、前記鋼材の９０％以上１００％以下の範囲の少なくとも一部を探傷するよう、超音波探傷を行い、
前記超音波探傷により得られる、前記鋼材中の介在物の寸法と個数とに基づいて清浄度を評価し、
前記超音波探傷を行う際に、探傷される前記鋼材の評価体積を１０００００ｍｍ^３以上とし、
前記鋼材は、直径が４２ｍｍ以上８２ｍｍ以下の丸棒である、鋼材の評価方法。
前記超音波探傷を行う際に、前記超音波の周波数を３０ＭＨｚ以上７０ＭＨｚ以下とする、請求項１に記載の鋼材の清浄度評価方法。
前記鋼材は、転がり軸受、ボールねじ、リニアガイド、トラクションドライブ変速機、又は電動ブレーキに使用される鋼材である、請求項１又は２に記載の鋼材の清浄度評価方法。