KR102503235B1 - 강재의 표면 특성 평가 방법 - Google Patents

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Abstract

표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 평가하는 표면 특성 평가 방법을 제공한다. 표면 특성 평가 장치를 준비하는 공정, 표면 개질 처리를 실시한 강재를 표면 특성 평가 장치에 포함되는 코일에 여기된 교류 자기를 강재 내부에 침투하도록 배치하는 공정, 피검체에 와전류를 발생시키는 공정, 코일에 인가하는 교류 자기를 연속적으로 변경하는 공정, 코일간의 전위차 및 코일을 흐르는 전류값으로부터 임피던스(Z1)를 주파수마다 산출하는 공정, 임피던스(Z1)에 기초하여 연산을 행하는 공정, 연산에 의해 얻어진 결과에 기초하여 강재의 잔류 응력을 평가하는 공정을 포함한다.

Description

강재의 표면 특성 평가 방법
본 발명은, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 방법에 관한 것이다.
강재의 표면 개질 처리로서, 각종 열처리(침탄 ??칭, 질화 열처리, 고주파 ??칭 등)나 숏 피닝 처리가 널리 알려져 있다. 표면 개질 처리에 의해, 강재의 표면 근방에는 잔류 응력이 부여되어, 강재의 피로 강도가 향상된다. 표면 개질 처리는, 강재의 용도에 따라서 강재 표면으로부터의 깊이에 대해 원하는 잔류 응력이 부여되도록 처리 조건을 고려하고 있다. 이 표면 개질 처리가 적정하게 행해졌는지 여부를 고정밀도로 평가하는 데는, 깊이 방향도 고려할 필요가 있다.
강재의 피로 강도를 측정하는 방법이, 특허문헌 1에 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 숏 피닝을 행한 강재의 소정의 압축 잔류 응력이 피크값을 나타내는 깊이를 평가하고 있다. 그러나, 특허문헌 1에 개시되어 있는 평가 방법은, 측정 대상이나 표면 개질 처리의 조건마다 측정 조건을 설정할 필요가 있다. 따라서, 재료의 개체차 등의 변동에 의해 고정밀도의 평가를 행할 수 없다.
강재의 피로 강도를 측정하는 다른 방법이 특허문헌 2에 개시되어 있다. 특허문헌 2에서는, 강재에 맞닿게 한 여자 코일에 흐르게 하는 여자 전류의 주파수를 순차 변경시킴으로써 강재 표면에 있어서의 자속의 침투 깊이(투자율)를 순차 변경시키면서, 검출 코일의 출력 전압 값을 순차 측정함으로써, 강재의 압축 잔류 응력의 분포를 산출한다. 그러나, 검출 코일의 출력 전압 값에는, 투자율의 변화에 의한 전압 성분 및 검출 코일 자체의 임피던스에 의한 전압 성분이 포함되어 있다. 그 때문에, 주변 환경의 변화(온도, 노이즈 등)에 의해 검출 코일 자체의 임피던스 특성이 변화된 경우, 측정값의 신뢰성이 저하된다. 또한, 이 측정 장치에 있어서의 여자 코일은 강재와의 거리에 의한 검출 신호가 변화되는 현상(리프트 오프 현상)을 고려하여 설계할 필요가 있지만, 이 시점에서는 개시되어 있지 않다. 이와 같이, 특허문헌 2의 측정 장치로는 강재의 압축 잔류 응력을 정확하게 평가할 수 없다.
일본 특허 공개 평07-092140호 공보 일본 특허 공개 평05-203503호 공보
이상에 비추어, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을, 깊이 방향의 분포를 고려하여 고정밀도로 평가할 수 있는 표면 특성 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 표면 특성 평가 방법이다. 이 표면 특성 평가 방법은, 이하의 (1)∼(6)의 공정을 포함한다. 이들 공정은, 각각 행해도 되고, 2 이상을 동시에 행해도 된다.
(1) 교류 전원 및 주파수 가변 회로를 구비한 발진기와, 발신기에 접속되고, 코일을 구비한 검출기와, 주파수 가변 회로 및 검출기에 접속된 계측기를 포함하는 표면 특성 평가 장치를 준비하는 준비 공정.
(2) 표면 개질 처리를 실시한 강재를 피검체로 하여, 코일에 의해 여기된 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 당해 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정.
(3) 교류 전원을 작동시킴으로써, 코일에 교류 자기를 여기시키고, 이 교류 자기를 피검체의 내부에 침투시켜, 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정.
(4) 주파수 가변 회로에 의해 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경함으로써, 피검체에의 교류 자기의 침투 깊이를 연속적으로 변경시키는 주파수 변경 공정.
(5) 코일 양단 사이의 전위차 및 코일을 흐르는 전류값을 검출하여, 임피던스(Z1)를 주파수마다 산출하는 임피던스 산출 공정.
(6) 임피던스(Z1)에 기초하여 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정.
본 발명의 일 측면에서는, 코일에 여기시킨 교류 자기를 강재에 침투시킴으로써 표면 개질 처리에 의해 내부에 발생한 변형을 검지한다. 그때, 코일에 인가하는 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변화시킴으로써, 이 변형의 깊이 방향의 분포를 검지할 수 있다. 또한, 임피던스(Z1)를 사용함으로써, 코일의 임피던스에 상당하는 신호 및 S/N 비(S: 평가 전압, N: 평가 전압 이외로부터의 노이즈)를 크게 할 수 있으므로, 평가 정밀도를 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 고정밀도로 평가할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 표면 개질 처리를 실시하기 전의 강재를 피검체로 하여 주파수마다 기준 임피던스(Z0)를 미리 측정하는 기준 임피던스 측정 공정을 더 포함해도 된다. 그리고, 평가 공정에 있어서는, 기준 임피던스(Z0)와 임피던스(Z1)의 비를 주파수마다 연산하고, 이 연산값 군에 기초하여 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가해도 된다. 표면 개질 처리 전후의 강재를 각각 피검체로서 측정한 임피던스의 비를 사용하여 평가함으로써, 주변의 온도 및 습도의 변화에 의한 전압의 드리프트를 경감시킬 수 있다. 또한, 표면 개질 처리에 의한 전자기 특성의 변화만을 추출할 수 있다. 이상에 의해, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 평가를, 깊이 방향의 분포를 고려하여 고정밀도로 행할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 평가 공정에 있어서는, 임피던스(Z1)를 사용하여 주파수마다 유도 리액턴스(X1)를 산출하고, 이들 유도 리액턴스(X1)에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가해도 된다. 임피던스의 Y축 성분(복소 임피던스의 허수 성분)인 유도 리액턴스를 산출하고, 이 유도 리액턴스에 기초하여 평가를 행함으로써, 피검체의 투자율만을 평가할 수 있다. 그 결과, 평가의 정밀도가 향상된다.
일 실시 형태에서는, 교류 자기의 침투 깊이는, 교류 전류의 주파수로부터 다음 식에 의해 환산하고, 환산된 침투 깊이에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 깊이 방향의 분포를 평가해도 된다. 변형의 깊이 방향의 분포를 고정밀도로 파악하고, 평가할 수 있다.
Figure 112018007058621-pct00001
일 실시 형태에서는, 이하의 좌표축 A, B를 갖는 좌표계 상에 연산값 군을 플롯해도 된다. 표면 개질 처리에 의해 발생한 강재 내부의 변형의 분포를 시각적으로 파악할 수 있다.
좌표축 A: 표면 개질 처리를 실시하기 전의 강재를 피검체로서 측정한 기준 임피던스(Z0)와 표면 개질 처리를 실시한 후의 강재를 피검체로서 측정한 임피던스(Z1)의 비를 나타낸다.
좌표축 B: 주파수를 나타낸다.
일 실시 형태에서는, 잔류 응력을 평가하는 공정에 있어서, 좌표축 A, B를 갖는 좌표계 상에 플롯된 연산값 군의 그래프의 궤적 및 이 궤적의 극값을 포함하는 1 또는 복수의 연산값에 기초하여, 표면 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가해도 된다. 잔류 응력의 평가를, 표면 개질 처리에 의해 발생한 강재 내부의 변형의 분포의 양태와 극값이 되는 깊이에 있어서의 연산값의 값의 양면으로부터 행할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 평가 공정에 있어서, 극값을 포함하는 1 또는 복수의 연산값을 미리 설정된 역치와 비교함으로써, 표면 개질 처리의 양부를 판정해도 된다. 표면 개질 처리가 적정하게 실시되어 있는지 여부를, 깊이 방향을 고려하여 판정할 수 있다.
일 측면 및 실시 형태에 의해, 표면 개질 처리를 행한 강재의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 고정밀도로 평가할 수 있는 표면 특성 평가 방법을 제공할 수 있다. 이에 의해, 강재에 실시한 표면 개질 처리의 정도를 깊이 방향의 분포를 고려하여 고정밀도로 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 코일에 발생하는 와전류를 설명하는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 표면 특성 평가 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 실시예를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 실시예에서 사용한 강재의 잔류 응력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태(변경예 1)를 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태(변경예 2)를 설명하기 위한 회로도이다.
본 발명의 일 실시 형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 상하 좌우 방향이라 함은, 특별히 정하지 않는 한, 도면 중의 방향을 나타낸다.
(표면 특성 평가 장치)
일 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(1)는, 발진기(10), 검출기(20), 계측기(30)를 구비하고 있다.
발진기(10)는 교류 전원(11)과 주파수 가변 회로(12)를 구비하고 있다. 주파수 가변 회로(12)는, 교류 전원(11)에 접속되어 있고, 교류 전원(11)으로부터 출력되는 교류 전류의 주파수를 변경할 수 있다.
검출기(20)는, 코일(21)을 포함한다. 코일(21)의 일단부측(점 A)은 교류 전원(11)과 접속되어 있고, 교류 전원(11)으로부터 출력된 교류 전류가 공급된다. 또한, 도 1의 코일(21)을 나타내는 파선 내의 회로 기호는 코일(21)의 전기 등가 회로를 나타내는 것이다.
계측기(30)는, 증폭 회로(31), 절댓값 회로(32), 저역 통과 필터(LPF)(33), I/V 변환 회로(34), 절댓값 회로(35), LPF(36), 제어 수단(37), 표시기(38)를 구비하고 있다. 또한, 기억 수단을, 제어 수단(37)의 내부 또는 도시하지 않은 영역에 구비하고 있다. 구체적으로는, 제어 수단(37)은, 마이크로프로세서, 인터페이스 회로, 메모리 및 이것들을 작동시키는 프로그램(이상, 도시하지 않음) 등에 의해 구성할 수 있다.
증폭 회로(31)는, 코일(21)의 양단인 점 A와 점 B에 접속되어 있다. 점 A와 점 B 사이의 전위차의 신호는 증폭 회로(31)에 입력되어, 증폭된다. 이 증폭된 신호는, 절댓값 회로(32)에 의해 전파 정류된 후, LPF(33)에 의해 직류로 변환된다. 이 변환된 신호는 제어 수단(37)에 입력된다.
I/V 변환 회로(34)는, 코일(21)의 타단부측(점 B)에 접속되어 있다. 코일(21)을 흐른 전류의 전류값을 나타내는 신호는 I/V 변환 회로(34)에 입력되어, 전위차를 나타내는 신호로 변환된다. 그리고, 절댓값 회로(35)에 의해 전파 정류된 후, LPF(36)에 의해 직류로 변환된다. 이 변환된 신호는 제어 수단(37)에 입력된다.
제어 수단(37)은, 주파수 가변 회로(12), LPF(33) 및 LPF(36)에 접속되어 있고, 코일(21)에 인가한 교류 전류의 주파수와, 이 주파수에 대한 LPF(33, 36)를 통과한 신호가 각각 입력된다. 입력된 이들 신호에 기초하여 연산을 행하고, 연산 결과에 의해 피검체의 표면 특성의 평가를 행한다. 또한, 교류 전류의 주파수 변경은 수동으로 행해도 되고, 제어 수단(37)에 주파수를 연속적으로 변경하는 신호를 주파수 가변 회로(12)에 출력시키는 기능을 갖게 하여 자동으로 주파수의 변경을 행해도 된다. 본 실시 형태에서는, 후자로 하였다.
표시기(38)는, 제어 수단(37)에 의한 평가 결과의 표시 또는 경고를 행한다.
(평가 방법)
다음으로, 본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(1)를 사용하여, 피검체의 표면 특성을 평가하는 방법에 대해 설명한다. 이하에서는, 표면 개질 처리로서 숏 피닝 처리(이후, SP 처리라고 기재)를 선택하고, 표면 개질 처리의 정도로서 SP 처리를 실시한 강재의 압축 잔류 응력을 평가한 경우에 대해 설명한다.
S01: 준비 공정
표면 특성 평가 장치(1) 및 SP 처리를 실시하기 전의 전술한 강재(미처리품)를 준비한다. 본 실시 형태에서는, φ40㎜×30㎜의 크롬몰리브덴강(JIS G4053에 규정되는 SCM420H)을 침탄 ??칭한 것을 준비하였다.
S02: 제1 배치 공정(미처리품)
피검체로서 미처리품을 검출기(20)에 세트한다. 다음 공정에서 코일(21)에 교류 자기를 여기시켰을 때, 이 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하기만 하면, 피검체를 세트하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태에서는, 미처리품을 코일(21)의 원형 단면 중심이며, 또한 미처리품 전체가 코일(21)의 내부에 위치하도록 세트한다. 피검체를 이와 같이 세트함으로써, 재료에 기인하는 피검체 내부의 깊이 방향에 직교하는 방향의 변동을 경감시킬 수 있으므로, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.
S03: 미처리품의 측정 공정(기준 임피던스 측정 공정)
제1 와전류 생성 공정으로서, 제어 수단(37)에 의해 교류 전원(11)으로부터 출력되는 교류 전류의 주파수를 제어하는 신호를 주파수 가변 회로(12)에 출력함과 함께, 교류 전원(11)을 작동시킨다. 교류 전원(11)의 작동에 의해, 코일(21)에는 교류 자기가 여기된다(도 2를 참조). 코일(21)의 내주측에는 피검체가 세트되어 있으므로, 이 교류 자기가 피검체에 침투한다. 교류 자기의 침투에 의해 피검체의 표면에는 와전류가 발생한다. 와전류에 의해, 교류 자기에 대한 반자계가 발생한다. 이때, 잔류 응력의 크기에 따라 투자율이 바뀐다. 따라서, 이 반자계와 교류 자기를 합친 자속의 크기는, 표면 개질 처리의 정도를 나타내는 잔류 응력의 크기에 따라 상이하다. 즉, 잔류 응력의 크기에 따라, 교류 전류가 코일에 흐를 때의 코일 전기 특성을 나타내는 신호(코일간(A-B간)의 전위차를 나타내는 신호 및 코일을 흐른 후의 전류값을 나타내는 신호)가 변화된다. 증폭 회로(31)-절댓값 회로(32)-LPF(33)를 통해 제어 수단(37)에 입력된 신호와, I/V 변환 회로(34)-절댓값 회로(35)-LPF(36)를 통해 제어 수단(37)에 입력된 신호로부터, 제어 수단(37)에 의해 그 주파수에 있어서의 임피던스(Z0)를 산출한다.
또한, 교류 자기가 피검체에 침투하는 깊이는, 교류 전류의 주파수에 의존한다. 따라서, 제1 주파수 변경 공정으로서, 교류 전원(11)으로부터 출력되는 교류 전류의 주파수를 제어 수단(37)에 의해 변화시킨다. 교류 전류의 주파수를 변화시키면서, 제1 검출 공정으로서, 각각의 주파수마다 교류 전류의 전기적 특성을 나타내는 신호를 검출하고, 이 신호로부터 코일(21)의 임피던스(Z0)를 산출하여 기억 수단에 기억시킨다.
S04: 표면 개질 처리 공정
미처리품을 검출기(20)로부터 취출한 후, SP 처리에 의해 압축 잔류 응력의 부여를 행하여, 표면 개질 처리를 실시한 전술한 강재(표면 개질 처리품)를 얻는다.
S05: 표면 개질 처리품의 측정 공정
공정 S04에 있어서 표면 개질 처리를 행한 강재(표면 개질 처리품)를 제2 피검체 배치 공정으로서, 검출기(20)에 세트한다. 다음으로, 공정 S03과 마찬가지인, 제2 와전류 생성 공정, 제2 주파수 변경 공정 및 제2 검출 공정을 실행하고, 주파수마다의 코일(21)의 임피던스(Z1)를 산출한다. 이 공정에 있어서의 주파수는 공정 S03과 동일한 주파수로 한다. 상술한 반자계는, 표면 개질 처리의 정도를 나타내는 압축 잔류 응력의 크기에 따라 상이하므로, 코일을 흐르는 교류 전류의 전기 특성을 평가함으로써, 피검체의 표면 개질 처리의 정도를 평가할 수 있다.
S06: 판단 공정(평가 공정)
임피던스(Z0)에 대한 임피던스(Z1)의 비(Z1/Z0)를, 제어 수단(37)에 의해 주파수마다 연산하여, 연산값 군을 얻는다. 표면 특성의 평가로서 임피던스의 비(Z1/Z0)를 사용함으로써 측정 환경의 변화(온도나 습도 등)에 의한 전압의 드리프트를 경감시킬 수 있다. 또한, 표면 개질 처리에 의한 피검체의 전자기 특성 변화만을 추출할 수 있으므로, 표면 특성의 평가 정밀도가 향상된다.
임피던스의 비(Z1/Z0)를 종축, 주파수를 횡축으로 하는 그래프(좌표계)를 준비하고, 각 주파수에 대해 산출된 임피던스의 비(Z1/Z0)인 연산값 군에 대응하는 점을 그래프 상에 플롯한다. 주파수는 피검체의 표면으로부터의 깊이에 상당하므로, 그래프 상의 궤적에 의해, 표면 개질 처리의 정도를 나타내는 압축 잔류 응력의 깊이 방향의 분포를 시각적으로 파악할 수 있다.
주파수로부터 강재 표면으로부터의 깊이를 산출하고, 이것을 횡축으로 해도 된다. 주파수와 강재 표면으로부터의 깊이의 관계는, (수학식 2)로부터 주파수와 강재 표면으로부터의 깊이의 관계를 나타내는 검량선을 작성하고, 이 검량선으로부터 산출할 수 있다. (수학식 2)에 있어서의 보정 계수 k는, 피검체의 형상(예를 들어, 피검체의 체적)이나 성상(예를 들어, 전단계로서의 열처리의 유무)이나 SP 처리의 조건(예를 들어, 숏의 입자경, 경도, 분사 시간, 분사 압력) 등의 영향을 받아 변동되는 값이며, 실험에 의해 미리 산출된다.
Figure 112018007058621-pct00002
얻어진 분포로부터, 제어 수단(37)에 의해 표면 개질 처리의 양부를 판정한다. 판정 방법을 이하에 예시하지만, 이 방법에 한정되지 않는다.
SP 처리가 적정하게 실시되어 있는지 여부를 판정하기 위한 역치군 및 허용 범위를 미리 산출한다. SP 처리가 적정하게 실시된 강재(양품) 및 SP 처리가 만족되지 않은 강재(불량품)를 상술한 공정 S01∼공정 S04의 조작에 의해 각각 복수 개 측정하고, 이 측정에 기초하여 임피던스의 비 및 이것에 대응하는 주파수 또는 강재 표면으로부터의 깊이를 나타내는 역치군 및 허용 범위를 결정한다.
이 역치군을 연산값 군의 값과 비교한다. 예를 들어, 임피던스의 비를 산출한 연산값 군의 그래프의 궤적이 극값으로 되는 주파수 및 그 근방의 임의의 주파수를 수 점 선택하고(예를 들어, 6점), 선택된 주파수에 있어서의 임피던스의 비를 역치와 각각 비교한다. 이때, 비교한 모든 값이 역치의 허용 범위 내이면 「SP 처리가 적정하게 실시되어 있다」고 판정하고, 1점이라도 역치의 범위를 일탈하고 있으면 「SP 처리가 부적정」이라고 판정한다.
다른 판정 방법은, 「연산값 군을 나타내는 그래프(주파수 또는 강재 표면으로부터의 깊이와 임피던스의 비의 관계를 나타내는 그래프)가, 역치군이 나타내는 마찬가지의 그래프의 허용 범위 내인지 여부의 판정」과, 「임피던스의 비의 그래프의 극값이, 역치군에 있어서의 극값의 허용 범위 내인지 여부의 판정」을 행한다. 양쪽이 역치군의 허용 범위 내이면 「SP 처리가 적정하게 실시되어 있다」고 판정하고, 한쪽이라도 역치군의 허용 범위를 일탈하고 있으면 「SP 처리가 부적정」이라고 판정한다.
S07: 출력 공정
표면 개질 처리의 양부의 판정 결과를, 표시기(38)에 출력한다. 표시기(38)에서는, 양부 결과만 표시해도 되고, 부라고 판정하였을 때에 경고음을 발하도록 해도 된다. 또는, 상술한 그래프(주파수(또는 강재의 표면으로부터의 깊이)와 임피던스의 비의 관계를 나타내는 그래프)를 표시해도 된다.
이상의 공정에 의해, 피검체의 표면으로부터의 깊이 방향을 고려한 표면 개질 처리의 정도의 평가를 행할 수 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(1)를 사용하여, 강재의 표면 특성을 평가한 결과를 나타낸다.
전술한, 침탄 ??칭을 행한 크롬몰리브덴강(φ40㎜×30㎜)을 향해, 평균 입자경 50㎛∼1000㎛의 숏(모두 신또 고교 가부시끼가이샤 제조)을 숏 피닝기(신또 고교 가부시끼가이샤 제조)에 의해, 0.3㎫의 분사 압력으로 커버리지가 300％로 되도록 분사하여 숏 피닝 처리를 행하였다(표 1 참조). 이 숏 피닝 처리를 실시한 크롬몰리브덴강을 피검체로 하였다.
Figure 112018007058621-pct00003
교류 전류의 주파수(사용 주파수)는, 10㎑∼20㎒로 설정하였다. 또한, 상술한 검량선으로부터 사용 주파수로부터 교류 자기의 침투 깊이를 산출하였다.
결과를 도 4에 나타낸다. 임피던스의 비(Z1/Z0)의 궤적이 극값을 나타내는 깊이는, 피검체 A는 10㎛ 근방, 피검체 B는 25㎛ 근방, 피검체 C는 55㎛ 근방인 것을 도 4로부터 알 수 있다.
다음으로, 피검체 A∼C의 압축 잔류 응력을 X선 응력 측정 장치에 의해 각각 측정한 결과를 도 5에 나타낸다. 압축 잔류 응력의 궤적이 극값을 나타내는 깊이는, 피검체 A는 5∼10㎛ 근방, 피검체 B는 20㎛ 근방, 피검체 C는 50㎛ 근방인 것을 도 5로부터 알 수 있다. 도 4 및 도 5에 있어서 극값을 나타내는 깊이에 대해, 거의 상관성이 있으므로, 본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법에 의해, 깊이 방향을 고려한 표면 개질 처리의 정도의 평가를 행할 수 있는 것이 시사되었다.
(변경예 1)
다른 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(2)를 도 6에 도시한다. 본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(2)는, 일 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(2)에 있어서의 계측기(30)는, 증폭 회로(31), A/D 변환 회로(39a), I/V 변환 회로(34), A/D 변환 회로(39b), 제어 수단(37), 표시기(38)를 구비하고 있다. 또한, 제어 수단(37)에는, 기억 수단(37a)이 내장되어 있다. 또한, 기억 수단(37a)은, 제어 수단(37)의 외부에 설치되어 있어도 된다. 또한, 발진기(10) 및 검출기(20)의 구성은, 상술한 일 실시 형태와 마찬가지이므로 설명을 생략하고, 여기서는, 일 실시 형태와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
증폭 회로(31)는, 코일(21)의 양단인 점 A와 점 B에 접속되어 있다. 점 A와 점 B 사이의 전위차의 신호는 증폭 회로(31)에 입력되어, 증폭된다. 이 증폭된 신호는, A/D 변환 회로(39a)에 의해 아날로그 전압의 신호로부터 디지털 신호로 변환된다. 이 변환된 디지털 신호는 제어 수단(37)에 입력된다.
I/V 변환 회로(34)는, 코일(21)의 타단부측(점 B)에 접속되어 있다. 코일(21)을 흐른 전류의 전류값을 나타내는 신호는 I/V 변환 회로(34)에 입력되어, 아날로그 전압의 신호로 변환된다. I/V 변환 회로(34)로부터 출력된 아날로그 전압의 신호는, A/D 변환 회로(39b)에 의해 디지털 신호로 변환되어, 제어 수단(37)에 입력된다.
제어 수단(37)에서는, A/D 변환 회로(39a, 39b)로부터 각각 입력된 디지털 신호가 디지털 신호 처리에 의해 가공된다. 즉, 증폭 회로(31) 및 I/V 변환 회로(34)로부터 입력된 각 디지털 신호는 교류적으로 변동되는 시계열 신호이지만, 상술한 일 실시 형태에 있어서의 절댓값 회로(32, 35) 및 LPF(33, 36)(도 1)와 등가인 디지털 연산에 의해, 직류적인 디지털 신호로 변환된다. 이에 의해, 각 A/D 변환 회로(39a, 39b)에 입력된 아날로그 전압의 교류 신호는, 제어 수단(37) 중에서, 교류 신호의 진폭에 비례한 디지털 값으로 변환된다. 그리고, 이들 디지털 값에 기초하여 임피던스가 산출된다.
본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(2)는, 신호의 연산이 디지털 신호 처리에 의해 행해지므로, 더 노이즈의 영향을 받기 어려운 구성으로 된다. 따라서, 노이즈가 발생하기 쉬운 환경에서 평가하는 경우라도, 더 정밀도가 높은 평가를 행할 수 있다.
(변경예 2)
다른 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(3)를 도 7에 도시한다. 본 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(3)에 있어서는, 일 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(1)(도 1)의 계측기(30)에, 위상 검파 회로(301), 절댓값 회로(302) 및 LPF(303)가 새롭게 추가되어 있다. 또한, 발진기(10) 및 검출기(20)의 구성은, 상술한 일 실시 형태와 마찬가지이므로 설명을 생략하고, 여기서는 계측기(30)에 새롭게 추가된 구성을 중심으로 설명한다.
위상 검파 회로(301)는, 교류 전원(11) 및 코일(21)의 타단부측(점 B)에 접속되어 있다. 교류 전원(11)에 의해 인가된 전압에 대한 코일(21)을 흐르는 전류의 위상차를 나타내는 신호가 위상 검파 회로(301)로부터 출력되어, 절댓값 회로(302)에 의해 전파 정류된 후, LPF(303)에 의해 직류로 변환된다. 이 변환된 신호는 제어 수단(37)에 입력된다. 즉, 코일(21)에 인가된 전압과, 코일(21)을 흐른 전류의 위상차에 비례한 전압 신호가 제어 수단(37)에 입력된다.
제어 수단(37)에서는, 측정 공정 S03(도 3)에 있어서, 미처리품을 피검체로 한 경우의 임피던스(Z0)가 산출된다. 또한, LPF(303)로부터 입력된 신호에 의해, 미처리품을 피검체로 한 경우의 위상차(α0)가 산출된다. 산출된 임피던스(Z0) 및 위상차(α0)로부터, 유도 리액턴스(X0)를 X0＝Z0×sinα0의 식에 의해 주파수마다 산출한다. 또한, 측정 공정 S05(도 3)에 있어서, 표면 개질 처리품을 피검체로 한 경우의 임피던스(Z1) 및 위상차(α1)를 마찬가지로 산출하고, 유도 리액턴스(X1)를 주파수마다 산출한다.
판단 공정 S06(도 3)에서는, 상술한 유도 리액턴스(X0)(미처리품)에 대한 유도 리액턴스(X1)(표면 개질 처리품)의 비(X1/X0)를 제어 수단(37)에 의해 주파수마다 연산한다. 표면 특성의 평가로서 유도 리액턴스의 비를 사용함으로써 피검체의 투자율만을 평가할 수 있다. 임피던스에 비해 유도 리액턴스는 값이 작지만, 전기 특성의 변화에 대한 감도가 우수하다. 특히 정밀한 평가가 필요한 경우, 유도 리액턴스의 비로 평가를 행함으로써, 더 정밀도가 높은 평가를 행할 수 있다.
또한, 유도 리액턴스는 본 실시 형태와 같은 아날로그 신호 처리에 의해 산출해도 되고, 도 6의 회로를 사용하여 제어 수단(37)에 있어서의 디지털 신호 처리에 의해 산출해도 된다. 이 경우, 도 7의 회로에 있어서의 위상 검파 회로(301), 절댓값 회로(302), LPF(303)와 등가인 디지털 연산을 제어 수단(37)의 내부에서 실행하고, 구해진 위상차(α0, α1)에 기초하여 유도 리액턴스(X0, X1)를 연산한다. 즉, 제어 수단(37)에 있어서는, 하기 a∼c의 연산이 행해진다.
a) 코일 양단 사이의 전압을 A/D 변환 회로(39a)에 의해 A/D 변환한 디지털 신호와, 코일을 흐르는 전류의 신호를 A/D 변환 회로(39b)에 의해 A/D 변환한 디지털 신호의 위상차(α0, α1)를 제어 수단(37)에 의해 산출한다.
b) A/D 변환 회로(39a, 39b)를 통해 입력된 각 디지털 신호로부터, 도 6에 기초하여 설명한 연산에 의해 임피던스(Z0, Z1)를 산출한다.
c) 상기 a, b에서 산출된 「위상차」 및 「임피던스」를 사용하여, 유도 리액턴스(X0, X1)를 산출한다.
일 실시 형태에서는, 침탄 ??칭을 행한 강재에 숏 피닝 처리를 실시한 경우의, 숏 피닝 처리의 정도의 평가에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명의 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법은, 표면 개질 처리로서 각종 열처리를 행한 경우의 평가도 행할 수 있다. 또한, 숏 피닝 처리만을 행한 강재의 평가도 행할 수 있다.
1 : 표면 특성 평가 장치
2 : 다른 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(변경예 1)
3 : 다른 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(변경예 2)
10 : 발진기
11 : 교류 전원
12 : 주파수 가변 회로
20 : 검출기
21 : 코일
30 : 계측기
31 : 증폭 회로
32 : 절댓값 회로
33 : LPF
34 : I/V 변환 회로
35 : 절댓값 회로
36 : LPF
37 : 제어 수단
38 : 표시기
39a : A/D 변환 회로
39b : A/D 변환 회로
301 : 위상 검파 회로
302 : 절댓값 회로
303 : LPF

Claims (7)

  1. 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 표면 특성 평가 방법이며,
    교류 전원 및 주파수 가변 회로를 구비한 발진기와, 상기 발진기에 접속되고, 코일을 구비한 검출기와, 상기 주파수 가변 회로 및 상기 검출기에 접속된 계측기를 포함하는 표면 특성 평가 장치를 준비하는 준비 공정과,
    상기 표면 개질 처리를 실시한 강재를 피검체로 하여, 상기 코일에 의해 여기된 교류 자기가 상기 피검체의 내부에 침투하도록 당해 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정과,
    상기 교류 전원을 작동시킴으로써, 상기 코일에 교류 자기를 여기시키고, 이 교류 자기를 상기 피검체의 내부에 침투시켜, 당해 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정과,
    상기 주파수 가변 회로에 의해 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경함으로써, 상기 피검체에의 상기 교류 자기의 침투 깊이를 연속적으로 변경시키는 주파수 변경 공정과,
    상기 코일 양단 사이의 전위차를 나타내는 신호 및 상기 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호를, 각각 절댓값 회로를 통하여 검출하여 임피던스의 크기(Z1)를 주파수마다 산출하는 임피던스 산출 공정과,
    상기 임피던스의 크기(Z1)에 기초하여 상기 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정을 구비하고
    또한, 표면 개질 처리를 실시하기 전의 강재를 피검체로 하여 주파수마다 기준 임피던스의 크기(Z0)를 미리 측정하는 기준 임피던스 측정 공정을 포함하고, 상기 평가 공정에 있어서는, 상기 기준 임피던스의 크기(Z0)와 상기 임피던스의 크기(Z1)의 비를 주파수마다 연산하고, 이 연산값 군에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평가 공정에 있어서는, 상기 임피던스의 크기(Z1)를 사용하여 주파수마다 유도 리액턴스(X1)를 산출하고, 이들 유도 리액턴스(X1)에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 평가 공정에 있어서, 또한, 상기 교류 전류의 주파수를 다음 식에 의해 상기 교류 자기의 침투 깊이로 환산하고, 환산된 침투 깊이에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 깊이 방향의 분포를 평가하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
    Figure 112022112639088-pct00004
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 평가 공정에 있어서, 또한, 상기 기준 임피던스의 크기(Z0)와 상기 임피던스의 크기(Z1)의 비, 및 주파수를 각각 좌표축으로 하는 좌표계 상에, 상기 비의 연산값 군을 플롯하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 평가 공정에 있어서, 또한, 상기 좌표계 상에 플롯된 상기 연산값 군의 그래프의 궤적 및 이 궤적의 극값을 포함하는 1 또는 복수의 상기 연산값에 기초하여 상기 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 평가 공정에 있어서, 또한, 상기 극값을 포함하는 1 또는 복수의 연산값을 미리 설정된 1 또는 복수의 역치와 비교함으로써, 표면 개질 처리의 양부를 판정하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
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