KR20170132885A - 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 강재 중에 있어서의 개재물의, 강재의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이 d3 을 설정하는 개재물 검출 사이즈 설정 스텝과, 점 집속 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자 (10) 를 사용하여 수침 탐상법에 의해 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사면이 압연 방향과 평행이 되도록 강재 상을 2 차원 주사하는 초음파 탐상 스텝과, 2 차원 주사한 면에 대응하는 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 분포를 취득하고, 2 차원 분포를 1 차원화 처리하는 1 차원화 처리 스텝과, 1 차원화된 초음파 반사 신호 레벨에 있어서, 길이 d3 에 상당하는 신호 레벨 이상이 되는 영역의 압연 방향의 길이의 총합을 구하여 평가하는 평가 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치{STEEL MATERIAL CLEANLINESS EVALUATION METHOD AND CLEANLINESS EVALUATION DEVICE}
본 발명은 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치에 관한 것으로, 특히 높은 피로 특성이 요구되는 고세정도 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치에 관한 것이다.
강재를 가공하여 제조된 제품의 높은 피로 특성을 실현하기 위해서는, 파손의 원인이 되는 비금속 개재물 (이하, 개재물이라고 한다) 을 저감시킬 필요가 있는 것이 알려져 있고, 그것을 위해 재료가 되는 강재 내부의 개재물을 조사 (調査) 하는 것이 종래부터 실시되고 있다. 예를 들어 특허문헌 1 에는, 초음파 탐상법을 이용하여 개재물을 평가함으로써, 강재의 청정도 평가를 실시하는 방법이 기재되어 있다. 여기서, 특허문헌 1 에서는, 개재물의 평가 방법으로서 반사파 강도가 일정 이상이 되는 개재물의 개수를 평가하고 있다.
일본 공개특허공보 2006-64569호
그러나, 특허문헌 1 에서 제안된 평가 방법은, 피로 특성의 평가 정밀도를 충분히 얻을 수 없는 경우가 있다는 문제가 있었다. 즉, 특허문헌 1 에서 제안된 평가 방법은, 검출된 개재물의 개수가 많을수록 강재의 표면 또는 표면 근방 (이하, 강재의 표면이라고 한다) 에 개재물이 실제로 존재할 확률이 높아, 피로 특성이 낮다고 되어 있었다. 그러나, 이와 같은 개재물의 개수의 많고 적음과, 강재의 표면에 개재물이 실제로 존재할 확률은 반드시 대응하고 있지는 않아, 이 평가 방법으로는 강재의 청정도를 정확하게 평가할 수 없었다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 강재의 청정도를 정확하게 평가할 수 있는 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 주조된 강편을 압연하여 형성되는 강재의 청정도를 초음파 탐상에 의해 평가하는 강재의 청정도 평가 방법으로서, 상기 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 상기 강재 중에 있어서의 개재물의, 상기 강재의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이 d3 을 설정하는 개재물 검출 사이즈 설정 스텝과, 점 (点) 집속 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자를 사용하여, 수침 탐상법에 의해 상기 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사 (走査) 면이 압연 방향과 평행이 되도록 상기 강재 상을 2 차원 주사하는 초음파 탐상 스텝과, 상기 2 차원 주사한 면에 대응하는 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 분포를 취득하고, 상기 2 차원 분포를 1 차원화 처리하는 1 차원화 처리 스텝과, 상기 1 차원화된 초음파 반사 신호 레벨에 있어서, 상기 길이 d3 에 상당하는 신호 레벨 이상이 되는 영역의 상기 압연 방향의 길이의 총합을 구하여 평가하는 평가 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 상기 초음파 탐상 스텝 전에, 상기 강편의 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S0, 상기 강재의 상기 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S1 로 했을 때, 상기 초음파 탐상 스텝에서 사용하는 상기 초음파 탐촉자의 초음파 빔의 빔 직경 d2 를, 하기 식 (1) 을 만족하는 경우에는 하기 식 (2) 를 만족하도록, 하기 식 (1) 을 만족하지 않는 경우에는 하기 식 (3) 을 만족하도록 설정하는 초음파 탐촉자 설정 스텝을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pct00001
또, 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 개재물 검출 사이즈 설정 스텝에 있어서, 상기 길이 d3 을 20 ㎛ 이하로 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기 서술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 장치는, 주조된 강편을 압연하여 형성되는 강재의 청정도를 초음파 탐상에 의해 평가하는 강재의 청정도 평가 장치로서, 점 집속 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자를 사용하여, 수침 탐상법에 의해 상기 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사면이 압연 방향과 평행이 되도록 상기 강재 상을 2 차원 주사하고, 상기 2 차원 주사한 면에 대응하는 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 분포를 취득하여, 당해 2 차원 분포를 1 차원화 처리하고, 상기 1 차원화된 초음파 반사 신호 레벨에 있어서, 상기 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 상기 강재 중에 있어서의 개재물의, 상기 강재의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이 d3 에 상당하는 신호 레벨 이상이 되는 영역의 상기 압연 방향의 길이의 총합을 구하여 평가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 개재물의 연신 방향의 길이의 총합을 기준으로 하여 청정도를 평가하기 때문에, 강재의 표면 또는 표면 근방에 개재물이 실제로 존재할 확률과의 대응이 양호해져, 강재의 청정도를 정확하게 평가할 수 있다.
도 1 은, 주조된 강편이 환봉강 (丸棒鋼) (강재) 으로 압연되는 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는, 수침 탐상법에 의한 초음파 탐상에서 사용하는 점 집속 초음파 탐촉자를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3A 는, 개재물과 빔 집속부의 관계를 모식적으로 나타내는 도면으로서, 개재물의 길이가 빔 직경을 초과하고 있는 경우를 나타내는 도면이다.
도 3B 는, 개재물과 빔 집속부의 관계를 모식적으로 나타내는 도면으로서, 개재물의 길이가 빔 직경 이하인 경우를 나타내는 도면이다.
도 4A 는, 강재 내에 1 개의 개재물이 존재하는 경우를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4B 는, 강재 내에 2 개의 개재물이 존재하는 경우를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 내용을 나타내는 플로 차트이다.
도 6 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서의 평가 조건 설정 스텝의 내용을 나타내는 플로 차트이다.
도 7 은, 빔 직경이 상이한 4 종류의 점 집속 초음파 탐촉자에 대해, 실제의 초음파 탐상과 동등한 조건에서 반사 신호 (초음파 반사 신호) 와 노이즈 레벨의 비교를 실시한 결과를 나타내는 표이다.
도 8 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서의 탐상 피치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 9 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서의 피검체 평가 스텝의 내용을 나타내는 플로 차트이다.
도 10 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서의 피검체를 잘라내는 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 11 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서, 탐상면이 평면인 경우의 탐상 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서, 탐상면이 곡면인 경우의 탐상 방법의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서, 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 맵과, 그 1 차원 데이터의 일례를 나타내는 도면이다.
도 14 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법에 있어서, 검출된 개재물의 길이의 총합 평가의 일례를 나타내는 도면이다.
도 15A 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 실시예에 있어서, 평가재 1 에 포함되는 개재물을 나타내는 도면이다.
도 15B 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 실시예에 있어서, 평가재 2 에 포함되는 개재물을 나타내는 도면이다.
도 16A 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 실시예에 있어서, 평가재 1 을 2 차원 주사한 2 차원 맵과, 그 1 차원 데이터를 나타내는 도면이다.
도 16B 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 실시예에 있어서, 평가재 2 를 2 차원 주사한 2 차원 맵과, 그 1 차원 데이터를 나타내는 도면이다.
도 17 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 실시예에 있어서, 본 발명에 관련된 방법에 의한 평가 결과와, 종래 기술에 관련된 방법에 의한 평가 결과를 각각 나타내는 표이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치에 대해, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또, 하기 실시형태에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능하고 또한 용이한 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
본 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 주조된 강편을 압연하여 형성되는 강재의 청정도를, 수침 탐상법 (이하, 수침법이라고 한다) 을 이용한 초음파 탐상에 의해 평가하는 방법이다. 여기서, 이하에서는 먼저 본 발명의 배경이 되는 기술을 설명한 후, 본 발명의 구체적 내용에 대해 설명하는 것으로 한다.
일반적으로, 강재의 제조 공정으로는, 먼저 강편이 주조되고, 그 후 그 강편이 압연 공정에 의해 연장되어 강재가 제조된다 (예를 들어 참고 문헌 1 참조). 또한, 압연 공정은 복수인 경우도 있고, 또, 그 사이에 열 처리나 표면 처리가 실시되는 경우도 있다.
참고 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2009-285698호
이들 제조 공정에 있어서, 개재물은 주조시에 강편 중에 혼입되는 것으로 추정된다. 또 그 때, 개재물은 도 1 좌측도에 나타내는 바와 같이, 대략 구형인 것이 상정된다. 그리고, 이와 같이 주조시에 혼입된 개재물은, 동 도면 우측도에 나타내는 바와 같이, 압연 공정을 거쳐 연신되는 것이 상정된다. 이 경우, 압연 후의 강재 (예를 들어 환봉강) 에 있어서의 개재물의 형상, 즉 개재물의 압연 방향 (연신 방향) 에 있어서의 길이 (장경) L 과, 당해 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 길이 (단경) d1 은, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 주조시에 있어서의 강편의 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S0, 압연 후에 있어서의 환봉강의 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S1, 주조시에 있어서의 개재물의 직경을 d0 으로 했을 때, 각각 하기 식 (4) 및 하기 식 (5) 에 나타내는 것이 된다. 또한, 상기한 「압연 방향」이란, 강편이 압연되는 방향으로, 강재의 길이 방향과 평행한 방향을 의미하고 있다.
[수학식 2]
Figure pct00002
여기서, 상기 식 (4) 및 상기 식 (5) 에 있어서, 개재물의 압연 방향에 있어서의 길이 L (이하, 개재물의 길이 L 이라고 한다) 은, 압연비 S0/S1 에 비례하여 연신하는 것으로 가정하고, 개재물의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 길이 d1 (이하, 개재물의 폭 d1 이라고 한다) 은, 폭 방향에 수직인 단면에 있어서 원 형인 것으로 가정하고 있다. 또 상기 식 (4) 및 상기 식 (5) 에 있어서, 개재물의 체적은 압연 전후에서 변하지 않는 것으로 가정하고 있다.
이와 같이 압연되어 제조된 강재에 대해 초음파 탐상을 실시하는 경우, 개재물의 검출능 및 탐상 효율을 고려하여, 예를 들어 상기한 특허문헌 1 에 기재된 것과 같은 초점형 탐촉자를 사용한 수침법에 의해 실시하는 것이 일반적이다. 도 2 에, 그 때에 사용되는 점 집속 초음파 탐촉자 (이하, 초음파 탐촉자라고 한다) (10) 와, 당해 초음파 탐촉자 (10) 에 의해 형성되는 점 집속 초음파 빔 (이하, 초음파 빔이라고 한다) 을 나타낸다.
도 2 에 나타낸 빔 집속부 (초점, 집속 영역) 에 있어서의 개재물로부터의 초음파 반사 신호 (이하, 반사 신호라고 한다) 는, 빔 집속부에 있어서의 빔 단면적 S2 와, 초음파 빔 내에 포함되어 있는 개재물의 단면적 S3 의 비 S3/S2 에 대략 비례하는 것으로 생각된다. 도 3A 및 도 3B 는, 초음파 빔의 빔 집속부에 개재물이 존재하는 경우를 상정한 단면도이고, 강재에 있어서의 개재물이 존재하는 영역을 압연 방향과 평행하게 절단하여, 그 절단면을 위로부터 관찰한 모습을 모식적으로 나타내는 도면이다. 또한, 여기서는, 강재의 압연 방향과 수직으로 초음파 빔을 입사시키는 것을 상정하고 있다. 이와 같이 초음파 빔을 압연 방향과 수직으로 입사시키면, 빔 집속부에 있어서의 개재물의 단면적이 커지기 때문에, 미소한 개재물의 검출에도 유리하다.
이 때, 도 3A 에 나타내는 바와 같이, 개재물의 길이 L 이 빔 직경 d2 를 상회하는 경우 (L ＞ d2), 초음파 빔을 어떻게 맞혀도 개재물의 일부가 초음파 빔으로부터 벗어나 버린다. 이 경우, 강재로부터의 반사 신호는 초음파 빔 내의 단면적에만 대응하므로, 개재물 전체의 단면적을 알 수 없다는 문제가 있다. 또한, 상기한 「빔 직경」이란, 초음파 빔의 빔 집속부에 있어서의 직경을 의미하고 있다.
한편, 도 3B 에 나타내는 바와 같이, 개재물의 길이 L 이 빔 직경 d2 이하 (L ≤ d2) 가 되는 것 같은 초음파 빔을 사용하면, 개재물 전체를 초음파 빔 내에 들어가게 할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 빔 단면적 S2 가 커져 버리기 때문에, 빔 단면적 S2 와 개재물의 단면적 S3 의 비 S3/S2 가 작아져, 강재로부터의 반사 신호의 강도가 약해지기 때문에, 개재물의 검출능이 저하되어 버린다는 문제가 있다.
또한, 도 3A 에 나타내는 바와 같이, 빔 직경 d2 를 작게 한 경우, 개재물 전체의 단면적은 알 수 없기는 하지만, 초음파 빔 내의 개재물의 단면적이 일정 이상 (빔 집속부의 단면적에 대한 개재물의 단면적이 일정 이상) 이면, 개재물을 검출하는 것은 가능하다. 그러나 이 경우도, 개재물을 평가하는 데에 있어서 이하와 같은 문제점이 있었다.
예를 들어, 강재인 환봉강이 절단·가공되어 기계 부품 등으로서 사용되는 경우, 기계 부품의 표면 또는 표면 근방에 개재물이 존재하면 파단의 원인이 되어, 수명 특성이 저하된다. 여기서, 도 4A 및 도 4B 에 나타내는 환봉강을 절단하는 것을 생각한 경우, 절단면의 위치를 랜덤으로 하면, 표면에 개재물이 존재할 확률 (혹은 절단시에 개재물이 노출될 확률) 은, 「환봉강에 포함되는 개재물의 길이의 합계 ÷ 환봉강의 길이」가 된다. 그 때문에, 도 4A 에 나타내는 바와 같이, 1 개의 개재물 (길이 L'1) 만이 포함되는 환봉강 (길이 l) 의 표면에 개재물이 존재할 확률은 「L'1/l」이 된다. 또, 도 4B 에 나타내는 바와 같이, 합계 2 개의 개재물 (길이 L'2, L'3) 이 포함되는 환봉강 (길이 l) 의 표면에 개재물이 존재할 확률은 「(L'2 ＋ L'3)/l」이 된다. 따라서, 개재물의 개수에 상관없이, 각각의 개재물의 길이를 총합한 길이 (이하, 총 길이라고 한다) 가 길수록, 상기 확률은 높아진다.
한편, 상기한 특허문헌 1 에서 제안된 종래의 평가 방법은, 검출된 개재물의 개수만을 평가하여, 개재물의 개수가 증가할수록 강재의 표면에 개재물이 존재할 확률이 높고, 피로 특성이 낮다고 되어 있었다. 그 때문에, 특허문헌 1 의 평가 방법은, 개재물 평가의 결과와 피로 특성의 평가가 적절히 대응하고 있지 않다는 문제가 있었다. 그래서, 본 발명자들은, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 강재의 청정도를 보다 정확하게 평가할 수 있는 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치를 고안하였다. 이하, 본 발명의 내용에 대해 설명한다.
본 발명의 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법을 실시하기 위한 장치의 기본적 구성은, 상기한 도 2 에 나타내는 것과 동일하다. 즉, 청정도 평가 장치 (1) 는, 초음파 탐촉자 (10) 와 제어부 (20) 를 구비하고 있다. 또한, 도 2 에서는 본 발명에 관계되는 구성만을 도시하고, 그 밖의 구성은 도시를 생략하고 있다.
초음파 탐촉자 (10) 는, 초음파 빔을 형성하고, 수침법에 의해 초음파 탐상을 실시하는 것이다. 또, 제어부 (20) 는, 초음파 탐촉자 (10) 를 제어함과 함께, 초음파 탐촉자 (10) 에 의해 취득된 반사 신호를 처리하는 것이다. 이 제어부 (20) 는, 구체적으로는 CPU, 디스크 장치, 메모리 장치, 입력 장치, 출력 장치, 통신 장치 등으로 구성되는 일반적인 컴퓨터를, 본 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법의 이후에 기재하는 각 스텝을 실시하는 수단으로서 기능시킨다.
본 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 평가 조건 설정 스텝 (스텝 S1) 과, 피검체 평가 스텝 (스텝 S2) 을 실시한다. 그 중에서 평가 조건 설정 스텝에서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 개재물 검출 사이즈 설정 스텝 (스텝 S11) 과, 초음파 탐촉자 설정 스텝 (스텝 S12) 과, 검출 임계치 설정 스텝 (스텝 S13) 과, 탐상 피치 설정 스텝 (스텝 S14) 을 이 순서로 실시한다.
먼저, 개재물 검출 사이즈 설정 스텝에서는, 개재물 검출 사이즈를 설정한다. 여기서, 개재물 검출 사이즈란, 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 강재 중에 있어서의 최소 (하한) 의 개재물의 사이즈를 말한다. 보다 구체적으로는, 검출하고자 하는 최소의 개재물의, 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이를 의미하고 있다. 이하에서는, 이 개재물 검출 사이즈를 d3 으로 나타낸다.
본 스텝에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 강재 중의 개재물이 압연에 의해 연신된 것이라고 상정하고, 당해 연신 후의 개재물의 폭 d1 에 대응시킨 개재물 검출 사이즈 d3 을 설정한다. 그리고, 후단의 초음파 탐상 스텝 (도 9 참조) 에 있어서, d1 ＞ d3 이 되는 개재물을 검출한다. 또한, 개재물 검출 사이즈 d3 은, 값이 작을수록 작은 개재물을 검출할 수 있기 때문에, 가능한 한 작은 값으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 이하의 참고 문헌 2 에는, 20 ㎛ 이하의 결함이 피로 균열의 기점이 되는 것이 나타나 있기 때문에, 본 스텝에서는, 개재물 검출 사이즈 d3 을 20 ㎛ 이하로 설정하는 것이 바람직하다.
참고 문헌 2 : 후지마츠 타케시 외, 「고탄소 크롬 베어링 강의 구름 접촉 피로에 있어서의 내부 결함으로부터의 균열 발생 거동」, 철과 강, 일반 사단법인 일본 철강 협회, 2008년, Vol.94, No.1, p13-20
다음으로, 초음파 탐촉자 설정 스텝에서는, 초음파 탐상에 사용하는 초음파 탐촉자 (10) 를 설정한다. 본 스텝에서는, 초음파 빔에 의한 초음파 탐상의 조건을, 주조시에 혼입된 개재물의 압연에 의한 연신을 고려하여 결정한다. 이하, 초음파 탐상의 조건을 결정하기 위한 식에 대해 설명한다.
먼저, 초음파 탐촉자 (10) 의 빔 직경 d2 는, 초음파 탐촉자 (10) 의 진동자 직경을 D, 수중 초점 거리를 F, 수중 초음파 음속을 C, 초음파 주파수를 f 로 했을 때, 하기 식 (6) 과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pct00003
또한, 초음파 빔의 빔 직경 d2 는, 당해 초음파 빔이 강재 중에 입사된 경우라도, 기본적으로는 변화되지 않는다. 이 때, 빔 집속부에 있어서의 빔 단면적 S2 는, 하기 식 (7) 과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pct00004
한편, 개재물에 관해서, 개재물의 길이 L 은, 상기 식 (4) 및 상기 식 (5) 로부터, 개재물의 폭 d1 및 압연비 S0/S1 을 이용하여, 하기 식 (8) 과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pct00005
이 때, 개재물이 초음파 빔 단면의 중앙에 있는 경우 (도 3A 및 도 3B 참조)의 초음파 빔 내에 포함되는 개재물의 단면적 S3 은, 하기 식 (9) 및 하기 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 하기 식 (9) 및 하기 식 (10) 에서는, L ＞ d2인 경우에는 초음파 빔 내의 개재물의 단면을 장방형으로 하여 근사하고, L ≤ d2 인 경우에는 초음파 빔 내의 개재물의 단면을 타원으로 하여 근사하고 있다.
[수학식 6]
Figure pct00006
다음으로, 초음파 빔의 빔 단면적 S2 와, 당해 초음파 빔 내에 포함되어 있는 개재물의 단면적 S3 의 비인 S3/S2 에 대해 생각한다. 초음파 탐상시에 개재물로부터 얻어지는 반사 신호 A1 은, 초음파 빔 전체로부터 초음파가 반사되는 경우의 반사 신호 A0 를 이용하면, 하기 식 (11) 과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 하기 식 (11) 에서는, 반사 신호 A1, A0 에 있어서의 단위 면적당의 반사율은 동등한 것으로 가정하고 있다.
[수학식 7]
Figure pct00007
여기서, 초음파 탐상에서는, 상기한 개재물 검출 사이즈 설정 스텝에서 설정한 개재물 검출 사이즈 d3 이상의 개재물에 대응하는 반사 신호 A1 을 검출할 수 있도록 하면 되기 때문에, 초음파 탐상에 있어서의 노이즈 레벨을 An, 검출을 위한 여유치 (SN 비) 를 α 로 했을 때, 반사 신호 A1 은, 하기 식 (12) 에 나타내는 바와 같은 값으로 한다.
[수학식 8]
Figure pct00008
이상으로부터, d1 ≥ d3 이 되는 개재물을 검출하기 위해서 초음파 빔의 빔 직경 d2 에 요구되는 조건은, 상기 식 (8) ∼ 상기 식 (12) 로부터, 하기 식 (13) 및 하기 식 (14) 에 나타내는 것이 된다.
[수학식 9]
Figure pct00009
여기서 추가로, 상기 식 (13) 및 상기 식 (14) 에 있어서의 노이즈 레벨 An에 대해 생각한다. 발명자들은, 초음파 빔의 빔 직경 d2 의 상이한 4 종류의 초음파 탐촉자 (10) 에 대해, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 실제의 초음파 탐상과 동등한 조건에서 반사 신호 A0 과 노이즈 레벨 An 의 비교를 실시하였다. 동 도면에 나타내는 각각의 「SN 비의 역수」로부터, 빔 직경 d2 에 상관없이, An ≒ 0.01·A0 으로 하면 되는 것을 알 수 있다. 이것을 고려하면, 상기 식 (13) 및 상기 식 (14) 는, 하기 식 (15) 및 하기 식 (16) 이 된다.
[수학식 10]
Figure pct00010
그리고, 여유치 α 는, α ≥ 2 가 적어도 필요하게 된다. 이 경우, 상기 식 (15) 및 상기 식 (16) 은, 하기 식 (17) 및 하기 식 (18) 이 된다.
[수학식 11]
Figure pct00011
또, 여유치 α 는, α ≥ 5 로 하는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 상기 식 (17) 및 상기 식 (18) 은, 하기 식 (19) 및 하기 식 (20) 이 된다.
[수학식 12]
Figure pct00012
이상을 근거로 하여, 본 스텝에서는, 이후에 기재하는 초음파 탐상 스텝에서 사용하는 초음파 탐촉자 (10) 의 초음파 빔의 빔 직경 d2 를, 상기 식 (17) 또는 상기 식 (18) (바람직하게는 상기 식 (19) 또는 상기 식 (20)) 을 만족하도록 설정한다. 바꾸어 말하면, 빔 직경 d2 를, 하기 식 (1) 을 만족하는 경우에는 하기 식 (2) 를 만족하도록, 하기 식 (1) 을 만족하지 않는 경우에는 하기 식 (3) 을 만족하도록 설정한다.
[수학식 13]
Figure pct00013
다음으로, 검출 임계치 설정 스텝에서는, 개재물의 검출 임계치 Ath 를 설정한다. 여기서는, 개재물 검출 사이즈 d3 에 상당하는 개재물의 반사 신호 A1 을 검출할 수 있으면 되므로, 상기 식 (8) ∼ 상기 식 (11) 로부터, 검출 임계치 Ath 는, 하기 식 (21) 및 하기 식 (22) 를 만족하도록 설정한다.
[수학식 14]
Figure pct00014
다음으로, 탐상 피치 설정 스텝에서는, 탐상 피치 p 를 결정한다. 탐상 피치 p 는, 초음파 빔의 빔 직경 d2 를 기초로, 탐상 누락이 없도록 설정하면 된다. 탐상 피치 p 는, 예를 들어 도 8 과 같은 측정점을 고려한 경우, 하기 식 (23) 을 만족하도록 설정한다.
[수학식 15]
Figure pct00015
본 실시형태에 관련된 강재의 청정도 평가 방법은, 이상과 같이 평가 조건 설정 스텝 (도 5 의 스텝 S1, 도 6 의 스텝 S11 ∼ S14) 을 실시한 후, 피검체 평가 스텝 (도 5 의 스텝 S2) 을 실시한다. 피검체 평가 스텝에서는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 피검체 준비 스텝 (스텝 S21) 과, 초음파 탐상 스텝 (스텝 S22) 과, 1 차원화 처리 스텝 (스텝 S23) 과, 평가 스텝 (스텝 S24) 을 이 순서로 실시한다.
먼저, 피검체 준비 스텝에서는, 초음파 탐상의 피검체의 준비를 실시한다. 본 스텝에서는, 구체적으로는, 예를 들어 강재 (환봉강) 의 잘라냄, 표면 평활화 가공, 결정립 미세화를 위한 열 처리 등을 실시한다. 또, 강재의 잘라내는 데에 있어서는, 도 10 에 나타내는 바와 같이, 탐상면이 압연 방향과 평행이 되도록 한다. 또, 이후에 수침 2 차원 탐상을 효율적으로 실시하는 데에 있어서는, 동 도면에 나타내는 바와 같이, 탐상면이 평면이 되도록 피검체를 잘라내는 것이 바람직하다.
다음으로, 초음파 탐상 스텝에서는, 초음파 탐상을 실시한다. 본 스텝에서는, 점 집속의 초음파 탐촉자 (10) 에 의한 탐상을 양호한 정밀도로, 또한 효율적으로 실시하기 위해서 수침법을 사용한다. 그리고, 본 스텝에서는, 초음파 탐촉자 설정 스텝에서 설정된 초음파 탐촉자 (10) 를 사용하여, 탐상 피치 설정 스텝에서 설정된 탐상 피치 p 마다 초음파 빔을 송수신하면서, 각각의 위치마다 반사 신호 A1 을 검출해 감으로써, 반사 신호 레벨 (반사 신호 강도) 의 2 차원 맵 (2 차원 분포) 을 생성한다.
또한, 상기한 2 차원 맵은, 강재의 압연 방향을 알 수 있도록 생성한다. 또, 본 스텝에 있어서의 초음파 탐상의 구체적 방법으로는, 탐상면이 평면인 경우에는, 도 11 에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 참고 문헌 3 에 기재되어 있는 것과 같은 C 스캔 탐상법을 이용하는 것이 바람직하다.
참고 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2008-261889호
또, 탐상면이 곡면인 경우에는, 예를 들어 도 12 에 나타내는 바와 같이, 축 방향의 회전과 축 방향으로 평행한 방향의 이동을 조합하여 2 차원 주사를 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 스텝에서는, 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자 (10) 를 사용하여 수침법에 의해 피검체인 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사면이 압연 방향과 평행이 되도록 강재 상을 2 차원 주사한다.
다음으로, 1 차원화 처리 스텝에서는, 반사 신호 레벨의 2 차원 맵의 압연 방향 1 차원화 처리를 실시한다. 본 스텝에서는, 상기한 초음파 탐상 스텝에 있어서 2 차원 주사한 면에 대응하는 반사 신호 레벨의 2 차원 맵을 취득하고, 이 2 차원 맵을 1 차원화 처리한다. 본 스텝에서는, 구체적으로는 도 13 에 나타내는 바와 같이, 2 차원 맵 상의 지정한 영역 내에 있어서, 피검체인 강재의 압연 방향에 수직인 방향에 대해 최대치 추출 등의 집약을 실시함으로써, 데이터를 1 차원화한다.
마지막으로, 평가 스텝에서는, 피검체로부터 검출된 개재물의 총 길이 평가를 실시한다. 본 스텝에서는, 상기한 1 차원화 처리 스텝에 있어서 1 차원화된 반사 신호 레벨에 있어서, 개재물 검출 사이즈 d3 에 상당하는 신호 레벨 (검출 임계치 Ath) 이상이 되는 영역의 압연 방향의 총 길이를 구하여 평가한다. 즉 본 스텝에서는, 구체적으로는 도 14 에 나타내는 바와 같이, 1 차원화된 반사 신호 레벨에 대해, 상기한 검출 임계치 설정 스텝에서 설정된 개재물의 검출 임계치 Ath 이상이 되는 점수를 카운트하고, 압연 방향의 데이터 피치를 곱함으로써, 개재물의 총 길이를 산출한다. 그리고, 본 스텝에서는, 개재물의 총 길이가 길수록, 강재의 표면에 개재물이 존재할 확률이 높은 것으로 평가한다.
또한, 상기한 도 13 및 도 14 에 나타내는 1 차원화 처리 스텝 및 평가 스텝에서는, 강재 전체에서 얻은 반사 신호 레벨의 2 차원 맵으로부터, 특히 반사 신호 레벨이 큰 영역을 지정하여 (발출 (拔出) 하여) 1 차원화 처리 및 총 길이 평가를 실시하고 있다. 그러나, 이와 같은 영역 지정을 실시하지 않고, 넓은 범위를 한 번에 1 차원화 처리 및 총 길이 평가해도 된다. 전자의 경우에는 각 영역의 총 길이값이 얻어진다는 이점이 있고, 후자의 경우에는 영역 지정의 수고를 줄일 수 있다는 이점이 있다.
이상 설명한 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치 (1) 에 의하면, 개재물의 연신 방향의 총 길이를 기준으로 하여 청정도를 평가하기 때문에, 강재의 표면에 개재물이 실제로 존재할 확률과의 대응이 양호해져, 강재의 청정도를 정확하게 평가할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는, 본 발명에 관련된 방법 및 종래 기술 (특허문헌 1) 에 관련된 방법을 이용하여, 압연비 S0/S1 = 10 으로 압연된 환봉강의 청정도를 평가하고, 그 결과를 비교하였다.
본 발명에 관련된 방법에서는, 개재물 검출 사이즈 d3 = 10 ㎛ 로 하고, 초음파 탐촉자로는, 상기한 도 7 의 No.2 에 기재된 빔 직경 d2 = 0.20 ㎜ 인 것을 사용하였다. 또, 여유치 α = 5 로 하고, 탐상 피치 p = 0.1 ㎜ 로 설정하였다. 이로써, 이하에 나타내는 바와 같이, 초음파 탐촉자 설정 스텝에 있어서의 상기 식 (19) 의 조건을 만족하게 된다.
[수학식 16]
Figure pct00016
본 실시예에 있어서의 초음파 탐상 스텝에서는, 20 ㎜ × 10 ㎜ 의 영역을 탐상한 경우에 있어서, 도 15A 및 도 15B 에 나타내는 바와 같이 개재물이 분포하고 있는 2 종류의 평가재 탐상의 수치 실험을 실시하였다. 또한, 여기서는 압연에 의해 개재물이 상기 식 (4) 및 상기 식 (5) 에 나타내는 바와 같은 형상으로 형성된 것으로 가정하고 있다.
상기와 같이 초음파 탐상 스텝을 실시하고, 그 후에 1 차원화 처리 스텝 및 평가 스텝을 거쳐, 개재물의 총 길이를 평가한 결과를 도 16A 및 도 16B 에 나타낸다. 여기서, 반사 신호 레벨의 2 차원 맵에서는, 반사 신호가, 상기 식 (11) 에 나타낸 레벨이 된다. 또, 노이즈 레벨 An ≒ 0.01·A0 으로 하고, 검출 임계치 Ath 는 이하와 같게 하였다.
[수학식 17]
Figure pct00017
다음으로, 본 발명에 관련된 방법에 의한 평가 결과와, 종래 기술에 관련된 방법에 의한 평가 결과를 도 17 에 나타낸다. 평가재 1 과 평가재 2 에서는, 상기한 도 4A 및 도 4B 에 나타내는 바와 같이, 강재의 표면에 개재물이 존재할 확률은 평가재 1 쪽이 크다. 본 발명에 관련된 방법에서는, 개재물의 총 길이가 긴 평가재 1 의 표면에 개재물이 존재할 확률이 평가재 2 보다 높은 것으로 평가하기 때문에, 실제의 확률과의 대응이 양호하다. 한편, 종래 기술에 관련된 방법은, 개재물의 개수가 많은 평가재 2 의 표면에 개재물이 존재할 확률이 평가재 1 보다 높은 것으로 평가하기 때문에, 실제의 노출 확률과는 대응하지 않는 결과가 된다.
이상, 본 발명에 관련된 강재의 청정도 평가 방법 및 청정도 평가 장치에 대해, 발명을 실시하기 위한 형태 및 실시예에 의해 구체적으로 설명했지만, 본 발명의 취지는 이들 기재에 한정되는 것이 아니고, 청구의 범위의 기재에 기초하여 넓게 해석되어야 한다. 또, 이들 기재에 기초하여 여러 가지 변경, 개변하거나 한 것도 본 발명의 취지에 포함되는 것은 말할 필요도 없다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 강재의 청정도를 정확하게 평가할 수 있기 때문에 고세정도 강재의 제조 공정을 중심으로 광범위한 분야에 적용할 수 있다.
1 : 청정도 평가 장치
10 : 점 집속 초음파 탐촉자
20 : 제어부

Claims (4)

  1. 주조된 강편을 압연하여 형성되는 강재의 청정도를 초음파 탐상에 의해 평가하는 강재의 청정도 평가 방법으로서,
    상기 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 상기 강재 중에 있어서의 개재물의, 상기 강재의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이 d3 을 설정하는 개재물 검출 사이즈 설정 스텝과,
    점 집속 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자를 사용하여, 수침 탐상법에 의해 상기 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사면이 압연 방향과 평행이 되도록 상기 강재 상을 2 차원 주사하는 초음파 탐상 스텝과,
    상기 2 차원 주사한 면에 대응하는 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 분포를 취득하고, 상기 2 차원 분포를 1 차원화 처리하는 1 차원화 처리 스텝과,
    상기 1 차원화된 초음파 반사 신호 레벨에 있어서, 상기 길이 d3 에 상당하는 신호 레벨 이상이 되는 영역의 상기 압연 방향의 길이의 총합을 구하여 평가하는 평가 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 청정도 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 탐상 스텝 전에,
    상기 강편의 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S0, 상기 강재의 상기 압연 방향과 수직인 방향에 있어서의 단면적을 S1 로 했을 때, 상기 초음파 탐상 스텝에서 사용하는 상기 초음파 탐촉자의 초음파 빔의 빔 직경 d2 를, 하기 식 (1) 을 만족하는 경우에는 하기 식 (2) 를 만족하도록, 하기 식 (1) 을 만족하지 않는 경우에는 하기 식 (3) 을 만족하도록 설정하는 초음파 탐촉자 설정 스텝을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 청정도 평가 방법.
    [수학식 1]
    Figure pct00018
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개재물 검출 사이즈 설정 스텝은, 상기 길이 d3 을 20 ㎛ 이하로 설정하는 것을 특징으로 하는 강재의 청정도 평가 방법.
  4. 주조된 강편을 압연하여 형성되는 강재의 청정도를 초음파 탐상에 의해 평가하는 강재의 청정도 평가 장치로서,
    점 집속 초음파 빔을 형성하는 초음파 탐촉자를 사용하여, 수침 탐상법에 의해 상기 강재에 초음파 빔을 송수신하면서, 주사면이 압연 방향과 평행이 되도록 상기 강재 상을 2 차원 주사하고,
    상기 2 차원 주사한 면에 대응하는 초음파 반사 신호 레벨의 2 차원 분포를 취득하고, 당해 2 차원 분포를 1 차원화 처리하고,
    상기 1 차원화된 초음파 반사 신호 레벨에 있어서, 상기 초음파 탐상에 의해 검출하고자 하는 상기 강재 중에 있어서의 개재물의, 상기 강재의 압연 방향과 수직인 폭 방향에 있어서의 최소의 길이 d3 에 상당하는 신호 레벨 이상이 되는 영역의 상기 압연 방향의 길이의 총합을 구하여 평가하는 것을 특징으로 하는 강재의 청정도 평가 장치.
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