KR102504193B1 - 강재의 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법 - Google Patents

강재의 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법 Download PDF

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Abstract

표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 평가하는 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법을 제공한다. 표면 특성 평가 장치는, 발진기, 검출기, 계측기를 구비하고 있다. 강재는 검출기에 포함되는 코일에 맞닿게, 또는 근접하여 세트된다. 발진기로부터 코일에 교류 전류를 인가하고, 코일간의 전기 특성을 나타내는 신호로부터 연산을 행한다. 이 조작을 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하면서 행함으로써, 강재의 잔류 응력을 평가한다. 코일은 사용 주파수보다 자기 공진 주파수가 높은 구성이다.

Description

강재의 표면 특성 평가 장치 및 표면 특성 평가 방법
본 발명은, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 장치 및 표면 개질 처리의 정도의 평가 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 원하는 잔류 응력이 되도록 처리 조건을 고려하고 있다. 이 표면 개질 처리가 적정하게 행해졌는지 여부를 고정밀도로 평가하기 위해서는, 강재 표면으로부터의 깊이 방향의 잔류 응력의 분포도 고려할 필요가 있다.
강재의 피로 강도를 측정하는 방법이 특허문헌 1에 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 표면 개질 처리로서 숏 피닝을 행한 강재의 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 장치 및 이 표면 특성 평가 장치를 사용한 표면 특성 평가 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은, 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 분포를 평가하는 표면 특성 평가 장치이다. 이 표면 특성 평가 장치는, 발진기와, 발진기에 접속되는 검출기와, 주파수 가변 회로 및 검출기에 접속되는 계측기를 구비한다. 발진기는, 교류 전원 및 교류 전원에 의해 출력되는 교류 전류의 주파수를 변경 가능한 주파수 가변 회로를 구비한다. 검출기는, 피검체를 맞닿게, 또는 근접시켜 세트할 수 있다. 그리고, 검출기는, 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전류에 의해 교류 자기가 여기 가능한 코일을 구비하고 있다. 계측기는, 주파수 가변 회로에 의해 설정된 복수의 주파수에 있어서의, 코일을 흐르는 교류 전류의 전기 특성을 나타내는 신호에 기초하여, 복수의 주파수마다 연산을 행하도록 구성되어 있다. 이 코일의 자기 공진 주파수는, 주파수 가변 회로에 의해 설정되는 교류 전류의 주파수 대역 이상에 있는 구성이다.
이 표면 특성 평가 장치를 사용하여 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 분포를 평가하는 표면 특성 평가 방법은, 이하의 (1)∼(5)의 공정을 구비한다. 이들 공정은, 각각 행해도 되고, 2 이상을 동시에 행해도 된다.
(1) 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정.
(2) 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정. 교류 전원을 작동시켜 교류 자기를 피검체에 침투시킴으로써 행한다.
(3) 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하는 주파수 변경 공정. 상기 (2)의 상태를 계속한 상태에서 주파수 가변 회로에 의해 행한다.
(4) 코일에 흐르는 전류의 전기 특성을 나타내는 신호를 검출하는 검출 공정. 상기 (3)의 주파수 변경 공정에 있어서의 각 주파수에 대해 행한다.
(5) 검출된 신호에 기초하여 연산을 행하여, 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정. 상기 (4)의 검출 공정에 있어서 검출한 주파수마다 행한다.
교류 전류의 인가에 의해 코일에 교류 자기가 여기된다. 이 교류 자기(자속)를 피검체에 침투시킴으로써 피검체에는 와전류가 발생한다. 와전류에 의해 교류 자기에 대한 반자계가 발생한다. 이 반자계와 교류 자기를 합친 자속의 크기는, 표면 개질 처리의 정도를 나타내는 잔류 응력의 크기에 따라 상이하다. 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(코일 양단 사이의 전위차를 나타내는 신호 및 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호)가 변화된다. 따라서, 코일을 흐르는 교류 전류의 전기 특성을 평가함으로써, 피검체의 표면 개질 처리의 정도를 평가할 수 있다. 또한, 교류 전류의 주파수를 변경하면, 교류 자기의 침투 깊이를 변경할 수 있다. 따라서, 교류 전류의 주파수를 변경하여, 각각의 주파수에 대한 코일을 흐르는 교류 전류의 전기 특성을 평가함으로써, 피검체의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 평가할 수 있다.
깊이 방향의 분포를 고려하여 피검체의 잔류 응력을 평가하는 경우, 평가하는 깊이에 대해 코일 양단 사이의 전위차 및 코일을 흐르는 전류를 양호하게 검출할 필요가 있다. 일 측면과 같이, 코일의 자기 공진 주파수가 주파수 가변 회로에 의해 설정되는 주파수 대역 이상이 되도록 함으로써, 평가 목적의 범위에 있어서 코일간의 전위차 및 코일을 흐르는 전류를 양호하게 검출할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 주파수 가변 회로에 의해 설정되는 주파수 대역을 0.5×103㎐∼20×106㎐의 범위 내로 설정해도 된다. 표면 개질 처리로서 열처리(침탄 ??칭, 질화 열처리, 고주파 ??칭 등)나 숏 피닝 처리를 선택한 경우, 이들 처리에 의해 개질되는 표면으로부터의 깊이(영향층)는 대략 10∼1000㎛이다. 설정되는 주파수 대역을 상기한 범위로 함으로써, 이러한 피검체의 표층 근방의 잔류 응력의 분포를 양호하게 평가할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 복수의 도선을 묶은 선재를 권회하여 코일을 구성해도 된다. 이 구성에 의해, 코일의 공진 주파수 대역을 더 높게 할 수 있다. 또한, 주변 환경의 영향을 받기 어려워지므로, 평가 정밀도가 향상된다.
일 실시 형태에서는, 코일을 피검체의 측 주위면을 포위할 수 있는 구성으로 해도 된다. 재료에 기인하는 피검체 내부의 깊이 방향에 대해 직교하는 방향의 변동을 경감시킬 수 있으므로, 평가 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 평가 대상면, 즉 표면 개질 처리를 행한 면의 전체를 한 번의 측정으로 평가할 수 있으므로, 평가 시간을 단축할 수 있다.
일 실시 형태에서는, 계측기는 코일에 흐르는 전류를 측정하는 I/V 변환 회로를 구비하고 있어도 된다. 그리고, 이 표면 특성 평가 장치를 사용하여 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력의 분포를 평가하는 표면 특성 평가 방법은, 이하의 (1)∼(5)의 공정을 포함해도 된다. 이들 공정은, 각각 행해도 되고, 2 이상을 동시에 행해도 된다.
(1) 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정.
(2) 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정. 교류 전원을 작동시켜 교류 자기를 피검체에 침투시킴으로써 행한다.
(3) 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하는 주파수 변경 공정. 상기 (2)의 상태를 계속한 상태에서 주파수 가변 회로에 의해 행한다.
(4) 코일 양단 사이의 전위차 및 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호를 검출하는 검출 공정. 코일을 흐르는 전류의 신호는, I/V 변환 회로를 통해 검출한다. 이 검출은, 상기 (3)의 주파수 변경 공정에 있어서의 주파수마다 행한다.
(5) 코일의 임피던스에 기초하여 연산을 행하여, 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정. 임피던스는, (4)에서 검출된 전위차 및 전류값을 나타내는 신호에 기초하여 산출된다. 임피던스의 산출은, 상기 (4)의 검출 공정에 있어서 검출한 주파수마다 행한다.
이 공정에 의해, 코일의 임피던스에 상당하는 신호를, 피검체의 복수의 깊이에 대해 각각 추출할 수 있다. 이에 의해, 임피던스의 신호 및 S/N 비(S: 평가 전압, N: 평가 전압 이외로부터의 노이즈)를 크게 할 수 있으므로, 평가 정밀도가 향상된다.
일 실시 형태에서는, 연산을 다음과 같이 해도 된다.
(1) 표면 개질 처리를 실시하기 전의 강재(미처리품)를 피검체로 하여 계측기를 사용하여, 코일 양단 사이의 전위차의 신호 및 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호를 미리 검출한다. 그리고, 이 검출 결과에 기초하여 임피던스(Z0)를 산출한다. 임피던스(Z0)의 산출은, 주파수마다 행한다.
(2) 표면 개질 처리를 행한 강재(표면 개질 처리품)를 피검체로 하여 계측기를 사용하여, 코일 양단 사이의 전위차의 신호 및 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호를 검출한다. 그리고, 이 검출 결과에 기초하여 임피던스(Z1)를 산출한다. 임피던스(Z1)의 산출은, 주파수마다 행한다.
(3) 산출된 Z0 및 Z1에 기초하여, 그 비(Z1/Z0 또는 Z0/Z1)를 연산한다.
미처리품의 임피던스에 대한 표면 개질 처리품의 임피던스의 비를 사용하여 잔류 응력을 평가하면, 주변의 온도 및 습도의 변화에 의한 전압의 드리프트를 경감시킬 수 있다. 또한, 표면 개질 처리에 의한 전자기 특성의 변화만을 추출할 수 있다. 이들에 의해, 평가의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
일 실시 형태에서는, 계측기가, 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전압과 코일을 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 위상 검파 회로를 더 구비해도 된다. 그리고, 이 표면 특성 평가 장치를 사용한 피검체의 잔류 응력의 분포를 평가하는 표면 특성 평가 방법은, 이하의 (1)∼(5)의 공정을 포함해도 된다. 이들 공정은, 각각 행해도 되고, 2 이상을 동시에 행해도 된다.
(1) 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정.
(2) 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정. 교류 전원을 작동시켜 교류 자기를 피검체에 침투시킴으로써 행한다.
(3) 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하는 주파수 변경 공정. 상기 (2)의 상태를 계속한 상태에서 주파수 가변 회로에 의해 행한다.
(4) 코일 양단 사이의 전위차의 신호 및 코일을 흐르는 전류값을 나타내는 신호를 검출함과 함께, 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전압과 코일에 흐르는 전류의 위상차 신호를 검출하는 위상차 검출 공정. 이 검출은, 상기 (3)의 주파수 변경 공정에 있어서의 주파수마다 행한다.
(5) 유도 리액턴스를 산출하고, 이것에 기초하여 피검체의 표면 특성을 평가하는 공정. 유도 리액턴스는, (4)에서 검출된 전위차 및 전류값을 나타내는 신호에 기초하여 산출된 코일의 임피던스와 위상차에 기초하여 산출된다. 유도 리액턴스의 산출 및 이 연산은, 상기 (4)의 위상차 검출 공정에 있어서 검출한 주파수마다 행한다.
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, 계측기는, 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전압의 주파수가 연속적으로 변경되도록 교류 전원에 신호를 출력해도 된다. 피검체의 평가를 자동으로 행할 수 있다.
일 측면 및 실시 형태에 의해, 표면 개질 처리를 행한 피검체의 잔류 응력을, 깊이 방향을 고려하여 고정밀도로 평가할 수 있는 표면 특성 평가 장치 및 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 교류 자기(자속)를 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 다른 실시 형태(변경예 1)를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 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.
본 실시 형태에 의한 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 것이며, 코일(21)의 상세는 후술한다.
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.
다음으로, 코일(21)에 대해 설명한다. 코일(21)은, 도통성이 있는 선재를 권회하여 원통 형상으로 형성되어 있다. 이 선재는, 단일의 도선을 사용해도 되지만, 복수 개의 가느다란 도선을 묶어 1개의 선과 같이 형성된 것을 사용해도 된다. 후자의 경우, 복수 개의 가느다란 도선을 꼬아 형성해도 되고, 복수 개의 가느다란 도선을 엮어 1개의 선과 같이 형성해도 된다. 또한, 복수 개의 가느다란 도선을 엮어 1개의 선과 같이 형성한 후, 이것을 비틂으로써 가느다란 1개의 선과 같이 형성해도 된다. 복수 개의 가느다란 도선을 묶어 1개의 선과 같이 형성한 것을 코일(21)의 선재로서 사용함으로써 코일(21)의 공진 주파수를 높게 할 수 있다.
또한, 코일(21)은 중공의 원통 형상의 코어에 선재를 권회한 구성(유심 코일)으로 해도 되지만, 본 실시 형태에서는, 코어를 갖지 않는 구성(공심 코일)으로 하였다.
본 실시 형태의 코일(21)의 제작 방법은, 먼저, 수백 개의 에나멜 구리선을 엮어 트위스트한 선재를, 수지제의 원통에 권회하였다. 이 후, 권회한 선재를 에폭시 수지로 접착한 후, 원통을 떼어냄으로써 제작하였다.
코일(21)의 그 밖의 제작 방법으로서, 예를 들어 열경화성 수지로 피복한 선재를 사용하여 이 선재를 권회한 후, 열풍이나 건조로 등에 의해 가열하여 선재를 코일상의 형상을 유지하도록 고정하는 방법이 있다. 이와 같이, 선재가 코일상의 형상을 유지할 수 있으면, 그 제작 방법은 특별히 한정되지 않는다.
코일(21)에 교류 전류를 인가함으로써 여기된 교류 자기를 피검체에 침투시킴으로써, 피검체에는 와전류가 발생한다. 와전류에 의해, 교류 자기에 대한 반자계가 발생하여, 교류 자기가 침투하는 깊이가 변화된다. 이 반자계와 교류 자기를 합친 자속의 크기는, 표면 개질 처리의 정도를 나타내는 잔류 응력의 크기에 따라 상이하다. 따라서, 코일(21)을 흐르는 전류의 전기 특성을 평가함으로써, 표면 개질 처리의 정도를 평가할 수 있다. 이 경우, 피검체의 표면 특성을 고정밀도로 평가하기 위해서는, 반자계를 더 고정밀도로 포착할 필요가 있다. 그 때문에, 본 실시 형태의 코일(21)은, 공진 주파수가 사용 주파수 대역 이상이 되도록 선재를 권회하는 횟수를 조정하였다. 표면 개질 처리에 의해 개질되는 표면으로부터의 깊이(영향층)는, 대략 10∼1000㎛이다. 이 경우, 사용 주파수 대역을 0.5×103㎐∼20×106㎐로 하고, 코일(21)의 자기 공진 주파수를 10㎒ 이상(바람직하게는, 주파수 가변 회로(12)에 의해 설정되는 사용 주파수대의 1.5배 이상)으로 해도 된다. 또한, 표면 개질 처리로서 숏 피닝 처리를 선택한 경우의 영향층은 대략 10∼300㎛이므로, 사용 주파수 대역을 1×103㎐∼20×106㎐로 하고, 코일(21)의 공진 주파수를 10㎒ 이상(바람직하게는 주파수 가변 회로(12)에 의해 설정되는 사용 주파수대의 1.5배 이상)으로 해도 된다.
코일(21)에 여기된 교류 자기를 피검체의 내부에 침투할 수 있도록 코일(21)이 피검체에 근접할 수 있으면 되고, 검출기(20)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 본 실시 형태의 검출기(20)는 원통 형상으로 하고, 중심부에 피검체를 삽입하여 배치할 수 있는 구성으로 하였다. 즉, 코일의 중심부에 피검체를 삽입하여 배치함으로써, 코일(21)이 피검체의 측 주위면을 포위할 수 있는 구성으로 하였다. 이 구성에서는, 재료에 기인하는 피검체 내부의 깊이 방향에 직교하는 방향의 변동을 경감시킬 수 있으므로, 평가 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 피검체의 측 주위면, 즉 평가 대상면의 전체에 와전류를 투과시킬 수 있으므로, 평가 대상면 전체를 한 번의 측정으로 평가할 수 있다.
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 개질 처리를 행하지 않은 피검체(미처리품)를 준비한다. 본 실시 형태에서는, φ40㎜×30㎜의 크롬몰리브덴강(JIS G4053에 규정되는 SCM420H)을 침탄 ??칭한 것을 준비하였다.
S02: 측정 공정(미처리품)
제1 피검체 배치 공정으로서, 미처리품을 검출기(20)에 세트한다. 여기서는, 미처리품을 코일(21)의 원형 단면 중심이며, 또한 미처리품 전체가 코일(21)의 내부에 위치하도록 세트한다.
이어서, 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 미처리품이 세트되어 있으므로, 이 교류 자기가 미처리품에 침투한다. 교류 자기의 침투에 의해 피검체의 표면에는 와전류가 발생하므로, 교류 전류가 코일에 흐를 때의 코일의 전기 특성을 나타내는 신호(코일간(A-B간)의 전위차를 나타내는 신호 및 코일을 흐른 후의 전류값을 나타내는 신호)가 변화된다. 이들 신호로부터, 제어 수단(37)에 의해 그 주파수에 있어서의 임피던스(Z0)를 산출한다.
또한, 교류 자기가 미처리품에 침투하는 깊이는, 교류 전류의 주파수에 의존한다. 따라서, 제1 주파수 변경 공정으로서, 교류 전원(11)으로부터 출력하는 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 연산하여 기억 수단에 기억시킨다.
S03: 표면 개질 처리 공정
미처리품을 검출기(20)로부터 취출한 후, 표면 개질 처리를 행한다.
S04: 측정 공정(표면 개질 처리품)
미처리품에 대해 표면 개질 처리를 행한 강재(표면 개질 처리품)를, 제2 피검체 배치 공정으로서, 검출기(20)에 세트하고, 공정 S02와 마찬가지인, 제2 와전류 생성 공정, 제2 주파수 변경 공정 및 제2 검출 공정을 실행한다. 이에 의해, 표면 개질 처리품을 피검체로 한 경우의 주파수마다의 코일(21)의 임피던스(Z1)를 연산한다. 제2 주파수 변경 공정에 있어서의 주파수는 공정 S02와 동일한 주파수로 한다.
S05: 판단 공정(평가 공정)
공정 S02에서 연산된 임피던스(Z0)(미처리품)에 대한 공정 S04에서 연산된 임피던스(Z1)(표면 개질 처리품)의 비(Z1/Z0)를 제어 수단(37)에 의해 주파수마다 연산한다. 표면 특성의 평가로서 임피던스의 비를 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.
또한, 주파수는 피검체의 표면으로부터의 깊이에 상당하므로, 이 연산에 의해 피검체의 표면으로부터의 깊이에 대한 표면 개질 처리의 정도(압축 잔류 응력)의 분포가 얻어진다.
이 분포와, 미리 기억 수단에 기억된 역치를 제어 수단(37)에 의해 비교함으로써, 표면 개질 처리의 양부를 판정한다.
S06: 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, 횡축에 주파수(혹은 피검체의 표면으로부터의 깊이), 종축에 임피던스의 비를 플롯한 그래프를 표시해도 된다. 후자의 경우, 피검체의 표면으로부터의 깊이를 산출해도 된다. 주파수와 강재 표면으로부터의 깊이의 관계는, (수 1)로부터 주파수와 강재 표면으로부터의 깊이의 관계를 나타내는 검량선을 작성하고, 이 검량선으로부터 산출할 수 있다. (수 1)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 112018007058812-pct00001
이상의 공정에 의해, 피검체의 표면으로부터의 깊이 방향의 분포를 고려한 표면 개질 처리의 정도의 평가를 행할 수 있다.
복수의 강재에 대해 평가를 행하는 경우, 2회째 이후의 측정에서 사용하는 미처리품의 임피던스(Z0)는, 1회째의 측정(공정 S02에서 실행된 제1 피검체 배치 공정, 제1 와전류 생성 공정, 제1 주파수 변경 공정 및 제1 검출 공정)에 의해 산출한 임피던스(Z0)를 사용해도 된다. 즉, 2회째 이후의 측정에서는, SP 처리를 실시한 강재에 대해 공정 S04∼S06만을 행하면 된다.
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 SP 처리를 행하였다(표 1 참조). 이 SP 처리를 실시한 크롬몰리브덴강을 피검체로 하였다.
Figure 112018007058812-pct00002
코일(21)은, 자기 공진 주파수가, 900㎑, 2.2㎒, 30㎒인 3종류를 사용하였다.
교류 전류의 주파수(사용 주파수)는, 10㎑∼20㎒로 설정하였다.
결과를 도 4에 나타낸다. 코일(21)의 자기 공진 주파수가 900㎑이고 사용 주파수 미만인 도 4의 (A), 및 자기 공진 주파수가 2.2㎒이고 사용 주파수 미만인 도 4의 (B)의 경우, 피검체 A∼D의 어느 경우든, 주파수에 대한 임피던스의 비의 분포의 곡선에 연속성이 없는 것을 알 수 있다. 불연속으로 된 값은, 코일(21)을 전기 등가 회로로 치환한 경우에 있어서의 인덕터 성분 및 콘덕터 성분에 해당되는 성분을 검출하고 있다.
한편, 코일(21)의 자기 공진 주파수가 30㎒이고 사용 주파수 이상인 도 4의 (C)의 경우, 피검체 A∼D의 어느 경우든, 주파수에 대한 임피던스의 비의 분포의 곡선에 연속성이 있는 것을 알 수 있다.
따라서, 코일(21)의 자기 공진 주파수가 사용 주파수 이상이면, 피검체의 표면 개질 처리의 정도를 양호하게 평가할 수 있는 것을 알 수 있다.
(변경예 1)
다른 실시 형태의 표면 특성 평가 장치(2)를 도 5에 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 마련되어 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 6에 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 S02(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 S04(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 S05(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 5의 회로를 사용하여 제어 수단(37)에 있어서의 디지털 신호 처리에 의해 산출해도 된다. 이 경우, 도 6의 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 5에 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 SP 처리를 실시한 경우에 강재에 부여된 압축 잔류 응력의 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, SP 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 (11)

  1. 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 표면 특성 평가 장치이며,
    교류 전원 및 상기 교류 전원에 의해 출력되는 교류 전류의 주파수를 변경 가능한 주파수 가변 회로를 구비한 발진기와,
    상기 발진기에 접속되고, 피검체에 와전류가 발생하도록 피검체를 맞닿게 또는 근접시켜 세트하는 검출기를 구비하고,
    상기 검출기는, 상기 교류 전원에 의해 인가되는 상기 교류 전류에 의해 교류 자기가 여기 가능한 코일을 구비하고 있고,
    상기 주파수 가변 회로 및 상기 검출기에 접속된 계측기를 더 구비하고,
    상기 계측기는, 절댓값 회로를 구비하고, 상기 주파수 가변 회로에 의해 설정된 복수의 주파수에 있어서의, 상기 코일을 흐르는 교류의 전류값을 나타내는 신호, 및 상기 코일 양단의 전위차를 나타내는 신호는, 각각, 상기 절댓값 회로에 의해 조정되고, 이들 조정된 신호에 기초하여, 상기 코일의 임피던스의 크기를 상기 복수의 주파수마다 연산하고, 연산된 임피던스의 크기에 기초하여 잔류 응력의 평가를 행하도록 구성되고,
    상기 코일의 자기 공진 주파수는, 상기 주파수 가변 회로에 의해 설정되는 교류 전류의 주파수 대역 이상에 있는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 가변 회로에 의해 설정되는 교류 전류의 주파수 대역은 0.5×103㎐∼20×106㎐의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코일은, 복수의 도선을 묶은 선재를 권회하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코일은 상기 피검체의 측 주위면을 포위 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 계측기는, 상기 코일에 흐르는 전류를 측정하기 위한 I/V 변환 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계측기는, 상기 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전압과 상기 코일을 흐르는 전류의 위상차를 측정하는 위상 검파 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주파수 가변 회로는, 상기 교류 전원에 의해 인가되는 교류 전압의 주파수가 연속적으로 변경되도록 상기 교류 전원에 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 표면 특성 평가 장치를 사용하여 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 표면 특성 평가 방법이며,
    상기 표면 개질 처리를 실시한 강재를 피검체로 하여, 상기 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정과,
    상기 교류 전원을 작동시켜 교류 자기를 상기 피검체에 침투시키고, 당해 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정과,
    상기 주파수 가변 회로에 의해 당해 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하는 주파수 변경 공정과,
    상기 코일에 흐르는 교류 전류의 전기 특성을 나타내는 신호를, 상기 복수의 주파수 각각에 대해 검출하는 검출 공정과,
    상기 검출된 신호에 기초하여 상기 주파수마다 연산을 행하여, 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정을
    구비하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  9. 제5항에 기재된 표면 특성 평가 장치를 사용하여 표면 개질 처리를 실시한 강재의 잔류 응력을 평가하는 표면 특성 평가 방법이며,
    상기 표면 개질 처리를 실시한 강재를 피검체로 하여, 상기 교류 자기가 피검체의 내부에 침투하도록 피검체를 배치하는 피검체 배치 공정과,
    상기 교류 전원을 작동시켜 교류 자기를 상기 피검체에 침투시키고, 당해 피검체에 와전류를 발생시키는 와전류 생성 공정과,
    상기 주파수 가변 회로에 의해 당해 교류 전류의 주파수를 연속적으로 변경하는 주파수 변경 공정과,
    상기 코일 양단의 전위차의 신호 및 상기 I/V 변환 회로를 통해 검출된 상기 코일에 흐르는 전류값을 나타내는 신호를, 상기 복수의 주파수 각각에 대해 검출하는 검출 공정과,
    상기 검출된 신호에 기초하여 상기 주파수마다 상기 코일의 임피던스의 크기를 산출하여, 피검체의 잔류 응력을 평가하는 평가 공정을
    구비하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 계측기는, 상기 평가 공정에 있어서, 표면 개질 처리를 실시하기 전의 강재를 피검체로 하여 임피던스의 크기를 주파수마다 미리 산출함과 함께, 표면 개질 처리를 행한 강재를 피검체로 하여 임피던스의 크기를 주파수마다 산출하고, 이들 임피던스의 크기의 비를 산출하는 것을 특징으로 하는, 표면 특성 평가 방법.
  11. 삭제
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