JPWO2017081879A1 - 鋼材の表面特性評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)交流電源及び周波数可変回路を備えた発振器と、発信器に接続され、コイルを備えた検出器と、周波数可変回路及び検出器に接続された計測器と、を含む表面特性評価装置を準備する準備工程。
(2)表面改質処理を施した鋼材を被検体として、コイルにより励起された交流磁気が被検体の内部に浸透するように該被検体を配置する被検体配置工程。
(3)交流電源を作動させることにより、コイルに交流磁気を励起させ、この交流磁気を被検体の内部に浸透させて、被検体に渦電流を発生させる渦電流生成工程。
(4)周波数可変回路によって交流電流の周波数を連続的に変更することにより、被検体への交流磁気の浸透深さを連続的に変更させる周波数変更工程。
(5)コイル両端の間の電位差及びコイルを流れる電流値を検出して、インピーダンスZ1を周波数毎に算出するインピーダンス算出工程。
(6)インピーダンスZ1に基づいて被検体の残留応力を評価する評価工程。
座標軸A:表面改質処理を施す前の鋼材を被検体として測定した基準インピーダンスZ0と表面改質処理を施した後の鋼材を被検体として測定したインピーダンスZ1の比を示す。
座標軸B:周波数を示す。
一実施形態の表面特性評価装置1は、発振器10、検出器20、計測器30、を備えている。
次に、本実施形態の表面特性評価装置1を用いて、被検体の表面特性を評価する方法について説明する。以下では、表面改質処理としてショットピーニング処理(以降、SP処理と記載)を選択し、表面改質処理の程度としてSP処理を施した鋼材の圧縮残留応力を評価した場合について説明する。
表面特性評価装置1及びSP処理を施す前の前述の鋼材(未処理品)を準備する。本実施形態では、φ40mm×30mmのクロムモリブデン鋼(JIS G4053に規定されるSCM420H)を、浸炭焼き入れしたものを準備した。
被検体として未処理品を検出器20にセットする。次の工程でコイル21に交流磁気を励起させた際にこの交流磁気が被検体の内部に浸透しさえすれば、被検体をセットする方法は特に限定されない。本実施形態では、未処理品をコイル21の円形断面中心で、且つ未処理品全体がコイル21の内部に位置するようにセットする。被検体をこのようにセットすることで、材料に起因する被検体内部の深さ方向に直行する方向のバラツキを軽減することができるので、測定精度を向上させることができる。
第1の渦電流生成工程として、制御手段37より交流電源11より出力される交流電流の周波数を制御する信号を周波数可変回路12に出力すると共に、交流電源11を作動させる。交流電源11の作動により、コイル21には交流磁気が励起される(図2を参照)。コイル21の内周側には被検体がセットされているので、この交流磁気が被検体に浸透する。交流磁気の浸透により被検体の表面には渦電流が発生する。渦電流により、交流磁気に対する反磁界が生じる。この時、残留応力の大きさによって透磁率が変わる。したがって、この反磁界と交流磁気とを合わせた磁束の大きさは、表面改質処理の程度を示す残留応力の大きさによって異なる。即ち、残留応力の大きさによって、交流電流がコイルに流れる際のコイルの電気特性を示す信号(コイル間(A−B間)の電位差を示す信号及びコイルを流れた後の電流値を示す信号)が変化する。増幅回路31−絶対値回路32−LPF33を通って制御手段37に入力された信号と、I/V変換回路34−絶対値回路35−LPF36を通って制御手段37に入力された信号と、から、制御手段37によりその周波数におけるインピーダンスZ0を算出する。
また、交流磁気が被検体に浸透する深さは、交流電流の周波数に依存する。従って、第1の周波数変更工程として、交流電源11より出力される交流電流の周波数を制御手段37により変化させる。交流電流の周波数を変化させながら、第1の検出工程として、各々の周波数毎に交流電流の電気的特性を示す信号を検出し、この信号からコイル21のインピーダンスZ0を算出して記憶手段に記憶する。
未処理品を検出器20より取り出した後、SP処理により圧縮残留応力の付与を行い、表面改質処理を施した前述の鋼材(表面改質処理品)を得る。
工程S04において表面改質処理を行った鋼材(表面改質処理品)を、第2の被検体配置工程として、検出器20にセットする。次に、工程S03と同様な、第2の渦電流生成工程、第2の周波数変更工程、及び第2の検出工程を実行し、周波数毎のコイル21のインピーダンスZ1を算出する。この工程における周波数は工程S03と同じ周波数とする。先述の反磁界は、表面改質処理の程度を示す圧縮残留応力の大きさによって異なるので、コイルを流れる交流電流の電気特性を評価することで、被検体の表面改質処理の程度を評価することができる。
インピーダンスZ0に対するインピーダンスZ1の比(Z1/Z0)を、制御手段37によって周波数毎に演算し、演算値群を得る。表面特性の評価としてインピーダンスの比(Z1/Z0)を用いることで、測定環境の変化(温度や湿度等)による電圧のドリフトを軽減することができる。また、表面改質処理による被検体の電磁気特性変化のみを抽出できるので、表面特性の評価の精度が向上する。
表面改質処理の良否の判定結果を、表示器38に出力する。表示器38では、良否結果のみ表示してもよいし、否と判定した際に警告音を発するようにしてもよい。または、先述のグラフ(周波数(又は鋼材の表面からの深さ)とインピーダンスの比との関係を示すグラフ)を表示してもよい。
別の実施形態の表面特性評価装置2を図6に示す。本実施形態の表面特性評価装置2は、一実施形態の表面特性評価装置2における計測器30は、増幅回路31、A/D変換回路39a、I/V変換回路34、A/D変換回路39b、制御手段37、表示器38を備えている。また、制御手段37には、記憶手段37aが内蔵されている。なお、記憶手段37aは、制御手段37の外部に設けられていても良い。また、発振器10及び検出器20の構成は、上述した一実施形態と同様であるため説明を省略し、ここでは、一実施形態と異なる点を中心に説明する。
別の実施形態の表面特性評価装置3を図7に示す。本実施形態の表面特性評価装置3においては、一実施形態の表面特性評価装置1(図1)の計測器30に、位相検波回路301、絶対値回路302、及びLPF303が、新たに加えられている。また、発振器10及び検出器20の構成は、上述した一実施形態と同様であるため説明を省略し、ここでは、計測器30に新たに加えられた構成を中心に説明する。
a)コイル両端の間の電圧をA/D変換回路39aによりA/D変換したデジタル信号と、コイルを流れる電流の信号をA/D変換回路39bによりA/D変換したデジタル信号の位相差(α0、α1)を、制御手段37により算出する。
b)A/D変換回路39a、39bを介して入力された各デジタル信号から、図6に基づいて説明した演算によりインピーダンス(Z0、Z1)を算出する。
c)上記a、bで算出された「位相差」及び「インピーダンス」を用いて、誘導リアクダンス(X0、X1)を算出する。
2 別の実施形態の表面特性評価装置(変更例1)
3 別の実施形態の表面特性評価装置(変更例2)
10 発振器
11 交流電源
12 周波数可変回路
20 検出器
21 コイル
30 計測器
31 増幅回路
32 絶対値回路
33 LPF
34 I/V変換回路
35 絶対値回路
36 LPF
37 制御手段
38 表示器
39a A/D変換回路
39b A/D変換回路
301 位相検波回路
302 絶対値回路
303 LPF
Claims (7)
- 表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価する表面特性評価方法であって、
交流電源及び周波数可変回路を備えた発振器と、前記発信器に接続され、コイルを備えた検出器と、前記周波数可変回路及び前記検出器に接続された計測器と、を含む表面特性評価装置を準備する準備工程と、
前記表面改質処理を施した鋼材を被検体として、前記コイルにより励起された交流磁気が前記被検体の内部に浸透するように該被検体を配置する被検体配置工程と、
前記交流電源を作動させることにより、前記コイルに交流磁気を励起させ、この交流磁気を前記被検体の内部に浸透させて、該被検体に渦電流を発生させる渦電流生成工程と、
前記周波数可変回路によって前記交流電流の周波数を連続的に変更することにより、前記被検体への前記交流磁気の浸透深さを連続的に変更させる周波数変更工程と、
前記コイル両端の間の電位差及び前記コイルを流れる電流値を検出してインピーダンスZ1を周波数毎に算出するインピーダンス算出工程と、
前記インピーダンスZ1に基づいて前記被検体の残留応力を評価する評価工程と、
を備えることを特徴とする表面特性評価方法。 - 更に、表面改質処理を施す前の鋼材を被検体として周波数毎に基準インピーダンスZ0を予め測定する基準インピーダンス測定工程を備え、前記評価工程においては、前記基準インピーダンスZ0と前記インピーダンスZ1との比を周波数毎に演算し、この演算値群に基づいて前記表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価することを特徴とする請求項1に記載の表面特性評価方法。
- 前記評価工程においては、前記インピーダンスZ1を用いて周波数毎に誘導リアクタンスX1を算出し、これらの誘導リアクタンスX1に基づいて前記表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価することを特徴とする請求項1に記載の表面特性評価方法。
- 前記評価工程において、更に、前記基準インピーダンスZ0と前記インピーダンスZ1の比、及び周波数を夫々座標軸とする座標系上に、前記比の演算値群をプロットすることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の表面特性評価方法。
- 前記評価工程において、更に、前記座標系上にプロットされた前記演算値群のグラフの軌跡及びこの軌跡の極値を含む1又は複数の前記演算値に基づいて前記表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価することを特徴とする請求項5に記載の表面特性評価方法。
- 前記評価工程において、更に、前記極値を含む1又は複数の演算値を予め設定された1又は複数の閾値と比較することにより、表面改質処理の良否を判定することを特徴とする請求項6に記載の表面特性評価方法。
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