WO2017081879A1 - 鋼材の表面特性評価方法 - Google Patents

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impedance
coil
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良保 牧野
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新東工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method for evaluating the residual stress of a steel material subjected to surface modification treatment.
  • Patent Document 1 A method for measuring the fatigue strength of a steel material is disclosed in Patent Document 1.
  • Patent Document 1 the depth at which a predetermined compressive residual stress of a steel material subjected to shot peening exhibits a peak value is evaluated.
  • the evaluation method disclosed in Patent Document 1 it is necessary to set measurement conditions for each measurement object and surface modification treatment condition. Therefore, accurate evaluation cannot be performed due to variations such as individual differences in materials.
  • Patent Document 2 Another method for measuring the fatigue strength of steel is disclosed in Patent Document 2.
  • the output voltage value of the detection coil is changed while sequentially changing the penetration depth (permeability) of the magnetic flux on the steel material surface by sequentially changing the frequency of the excitation current flowing through the excitation coil brought into contact with the steel material.
  • the distribution of compressive residual stress of the steel material is calculated.
  • the output voltage value of the detection coil includes a voltage component due to a change in magnetic permeability and a voltage component due to the impedance of the detection coil itself. Therefore, when the impedance characteristics of the detection coil itself change due to changes in the surrounding environment (temperature, noise, etc.), the reliability of the measured value decreases.
  • the excitation coil in this measuring apparatus needs to be designed in consideration of a phenomenon (lift-off phenomenon) in which the detection signal changes depending on the distance from the steel material, but no disclosure is made from this viewpoint.
  • the measuring device of Patent Document 2 cannot accurately evaluate the compressive residual stress of the steel material.
  • an object is to provide a surface property evaluation method capable of accurately evaluating the residual stress of a steel material subjected to surface modification treatment in consideration of the distribution in the depth direction.
  • One aspect of the present invention is a surface property evaluation method for evaluating a residual stress of a steel material subjected to a surface modification treatment.
  • This surface property evaluation method includes the following steps (1) to (6). These steps may be performed separately or two or more may be performed simultaneously.
  • a surface characteristic evaluation apparatus including an oscillator including an AC power source and a frequency variable circuit, a detector connected to a transmitter and including a coil, and a measuring instrument connected to the frequency variable circuit and the detector. Preparation process to prepare.
  • a subject placement step in which the subject is placed so that the alternating current magnetism excited by the coil penetrates into the subject using the steel material subjected to the surface modification treatment as the subject.
  • the strain generated inside by the surface modification treatment is detected by allowing the AC material excited by the coil to permeate the steel material.
  • the distribution of the strain in the depth direction can be detected by continuously changing the frequency of the alternating current applied to the coil.
  • the impedance Z 1 the signal corresponding to the impedance of the coil and the S / N ratio (S: evaluation voltage, N: noise from other than the evaluation voltage) can be increased, thereby improving the evaluation accuracy. be able to.
  • the residual stress of the steel material subjected to the surface modification treatment can be accurately evaluated in consideration of the depth direction.
  • the method may further include a reference impedance measurement step of measuring the reference impedance Z 0 in advance for each frequency using the steel material before the surface modification treatment as an object.
  • the ratio between the reference impedance Z 0 and the impedance Z 1 may be calculated for each frequency, and the residual stress of the steel material subjected to the surface modification treatment may be evaluated based on the calculated value group.
  • the inductive reactance X 1 is calculated for each frequency using the impedance Z 1, and the residual stress of the steel material subjected to the surface modification treatment is evaluated based on the inductive reactance X 1. May be.
  • the inductive reactance that is the Y-axis component of the impedance (imaginary component of the complex impedance) and performing the evaluation based on this inductive reactance, only the magnetic permeability of the subject can be evaluated. As a result, the accuracy of evaluation is improved.
  • the penetration depth of the AC magnetism is converted from the frequency of the AC current by the following formula, and the residual stress in the depth direction of the steel material subjected to the surface modification treatment based on the converted penetration depth is calculated. Distribution may be evaluated. It is possible to accurately grasp and evaluate the distribution in the depth direction of strain.
  • the calculation value group may be plotted on a coordinate system having the following coordinate axes A and B. It is possible to visually grasp the distribution of strain inside the steel material caused by the surface modification treatment.
  • Coordinate axis A The ratio of the reference impedance Z 0 measured using the steel material before the surface modification treatment as the specimen and the impedance Z 1 measured using the steel material after the surface modification treatment as the specimen.
  • Coordinate axis B indicates a frequency.
  • the step of evaluating the residual stress based on one or a plurality of calculation values including a trajectory of a graph of the calculation value group plotted on the coordinate system having the coordinate axes A and B and an extreme value of the trajectory. Further, the residual stress of the steel material subjected to the surface treatment may be evaluated. The evaluation of the residual stress can be performed from both the aspect of the distribution of strain inside the steel material generated by the surface modification treatment and the value of the calculated value at the extreme depth.
  • the quality of the surface modification process may be determined by comparing one or a plurality of calculated values including extreme values with a preset threshold value in the evaluation step. Whether or not the surface modification treatment is properly performed can be determined in consideration of the depth direction.
  • a surface property evaluation method capable of accurately evaluating the residual stress of the steel material subjected to the surface modification treatment in consideration of the depth direction.
  • the degree of the surface modification treatment applied to the steel material can be accurately evaluated in consideration of the distribution in the depth direction.
  • the surface property evaluation apparatus 1 includes an oscillator 10, a detector 20, and a measuring instrument 30.
  • the oscillator 10 includes an AC power supply 11 and a frequency variable circuit 12.
  • the frequency variable circuit 12 is connected to the AC power supply 11 and can change the frequency of the AC current output from the AC power supply 11.
  • the detector 20 includes a coil 21.
  • One end side (point A) of the coil 21 is connected to the AC power supply 11, and an AC current output from the AC power supply 11 is supplied.
  • a circuit symbol in a broken line indicating the coil 21 in FIG. 1 indicates an electric equivalent circuit of the coil 21.
  • the measuring instrument 30 includes an amplification circuit 31, an absolute value circuit 32, a low pass filter (LPF) 33, an I / V conversion circuit 34, an absolute value circuit 35, an LPF 36, a control means 37, and a display 38. Further, a storage means is provided in the control means 37 or in an area not shown. Specifically, the control means 37 can be constituted by a microprocessor, an interface circuit, a memory, and a program (not shown) for operating these.
  • the amplifier circuit 31 is connected to points A and B which are both ends of the coil 21.
  • the signal of the potential difference between the points A and B is input to the amplifier circuit 31 and amplified.
  • This amplified signal is full-wave rectified by the absolute value circuit 32 and then converted into direct current by the LPF 33. This converted signal is input to the control means 37.
  • the I / V conversion circuit 34 is connected to the other end side (point B) of the coil 21.
  • a signal indicating the current value of the current flowing through the coil 21 is input to the I / V conversion circuit 34 and converted into a signal indicating a potential difference. Then, after full-wave rectification by the absolute value circuit 35, it is converted into direct current by the LPF 36. This converted signal is input to the control means 37.
  • the control means 37 is connected to the frequency variable circuit 12, the LPF 33, and the LPF 36, and receives the frequency of the alternating current applied to the coil 21 and the signal that has passed through the LPFs 33 and 36 corresponding to this frequency. Calculations are performed based on these input signals, and the surface characteristics of the subject are evaluated based on the calculation results.
  • the frequency of the alternating current may be changed manually, or the frequency may be changed automatically by providing the control means 37 with a function for causing the frequency variable circuit 12 to output a signal for continuously changing the frequency. Good. In the present embodiment, the latter is used.
  • the display unit 38 displays or warns the evaluation result by the control means 37.
  • S01 Preparation step The above-described steel material (untreated product) before the surface property evaluation apparatus 1 and the SP treatment are prepared.
  • S02 First arrangement process (unprocessed product) An untreated product is set in the detector 20 as an object.
  • the method of setting the subject is not particularly limited as long as the alternating magnetism permeates into the subject when the magnet 21 is excited in the next step.
  • the untreated product is set so that the center of the circular cross section of the coil 21 and the entire untreated product are located inside the coil 21.
  • the magnitude of the magnetic flux that combines the demagnetizing field and the AC magnetism varies depending on the magnitude of the residual stress that indicates the degree of surface modification treatment. That is, depending on the magnitude of the residual stress, a signal indicating the electrical characteristics of the coil when an alternating current flows through the coil (a signal indicating the potential difference between the coils (between AB) and a signal indicating the current value after flowing through the coil) ) Will change.
  • a signal input to the control means 37 through the amplifier circuit 31-absolute value circuit 32-LPF33 and a signal input to the control means 37 through the I / V conversion circuit 34-absolute value circuit 35-LPF36 Then, the control unit 37 calculates the impedance Z 0 at that frequency.
  • the depth at which AC magnetism penetrates the subject depends on the frequency of the AC current. Therefore, as a first frequency changing step, the frequency of the alternating current output from the alternating current power supply 11 is changed by the control means 37. While changing the frequency of the alternating current, as a first detection step, a signal indicating the electrical characteristics of the alternating current is detected for each frequency, and the impedance Z 0 of the coil 21 is calculated from this signal and stored in the storage means.
  • S04 Surface modification treatment step After untreated products are taken out from the detector 20, compressive residual stress is applied by SP treatment to obtain the above-described steel material (surface modified products) subjected to the surface modification treatment.
  • step S05 Measuring process of surface-modified product
  • the steel material (surface-modified product) that has been subjected to the surface modification process in step S04 is set in the detector 20 as a second specimen arrangement process.
  • the second eddy current generation step executes a second frequency changing step, and the second detection step, to calculate the impedance Z 1 of the coil 21 for each frequency.
  • the frequency in this step is the same as that in step S03. Since the above-mentioned demagnetizing field varies depending on the magnitude of the compressive residual stress indicating the degree of the surface modification treatment, the degree of the surface modification treatment of the subject is evaluated by evaluating the electrical characteristics of the alternating current flowing through the coil. be able to.
  • the depth from the steel surface is calculated from the frequency, and this may be used as the horizontal axis.
  • the relationship between the frequency and the depth from the steel surface can be calculated from the calibration curve by creating a calibration curve indicating the relationship between the frequency and the depth from the steel surface from (Equation 2).
  • the correction coefficient k in (Equation 2) indicates the shape (for example, the volume of the subject) and properties (for example, presence or absence of heat treatment as a previous stage) and SP processing conditions (for example, shot particle diameter, hardness, injection) This value fluctuates under the influence of time, injection pressure, etc., and is calculated in advance by experiments.
  • control means 37 determines the quality of the surface modification treatment. Although the determination method is illustrated below, it is not limited to this method.
  • a threshold group and an allowable range for determining whether or not the SP processing is properly performed A plurality of steel materials (non-defective products) that have been properly subjected to SP treatment and steel materials (defective products) that are unsatisfactory in SP treatment are measured by the operations of the above-described steps S01 to S04, and the impedance ratio is determined based on this measurement. And the threshold value group and the tolerance
  • ⁇ ⁇ Compare this threshold group with the value of the calculation value group. For example, several points are selected (for example, 6 points) at a frequency at which the locus of the graph of the calculation value group in which the impedance ratio is calculated is an extreme value and any frequency in the vicinity thereof, and the impedance ratio at the selected frequency is set as a threshold value. Compare each. At this time, if all the compared values are within the allowable range of the threshold, it is determined that “SP processing is properly performed”, and if even one point deviates from the threshold range, “SP processing is inappropriate. Is determined.
  • Another determination method is “determining whether a graph indicating a calculation value group (a graph indicating a relationship between a frequency or a depth from a steel surface and an impedance ratio) is within an allowable range of a similar graph indicated by a threshold group. And “determining whether or not the extreme value of the graph of the impedance ratio is within the allowable range of the extreme value in the threshold value group”. If both are within the allowable range of the threshold group, it is determined that “SP processing is properly performed”, and if both are outside the allowable range of the threshold group, it is determined that “SP processing is inappropriate”.
  • the determination result of the quality of the surface modification process is output to the display 38.
  • the display unit 38 may display only the pass / fail result, or may sound a warning sound when it is determined to be no. Or you may display the above-mentioned graph (The graph which shows the relationship between frequency (or the depth from the surface of steel materials) and the ratio of impedance).
  • Shot peening machine manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd. shots with an average particle diameter of 50 ⁇ m to 1000 ⁇ m (both made by Shinto Kogyo Co., Ltd.) toward the chrome molybdenum steel ( ⁇ 40 mm ⁇ 30 mm) that has been carburized and quenched. ), And shot peening treatment was performed by spraying at a spray pressure of 0.3 MPa so that the coverage was 300% (see Table 1). A chromium molybdenum steel subjected to the shot peening treatment was used as a specimen.
  • the frequency of AC current (frequency used) was set to 10 kHz to 20 MHz. Moreover, the penetration depth of AC magnetism was calculated from the operating frequency from the calibration curve described above.
  • the depth at which the locus of the impedance ratio (Z 1 / Z 0 ) shows the extreme value is about 10 ⁇ m for the subject A, about 25 ⁇ m for the subject B, and about 55 ⁇ m for the subject C.
  • FIG. 5 shows the results of measuring the compressive residual stresses of the specimens A to C using an X-ray stress measuring device. It can be seen from FIG. 5 that the depth at which the locus of compressive residual stress shows an extreme value is about 5 to 10 ⁇ m for the subject A, about 20 ⁇ m for the subject B, and about 50 ⁇ m for the subject C. 4 and FIG. 5 are almost correlated with the depth showing the extreme value. Therefore, the surface property evaluation apparatus and the surface property evaluation method of the present embodiment are used to evaluate the degree of the surface modification treatment in consideration of the depth direction. It was suggested that can be done.
  • FIG. 6 shows a surface property evaluation apparatus 2 according to another embodiment.
  • the measuring instrument 30 in the surface property evaluation apparatus 2 of one embodiment includes an amplifier circuit 31, an A / D conversion circuit 39a, an I / V conversion circuit 34, and an A / D conversion circuit 39b.
  • Control means 37 and display 38 are provided.
  • the control means 37 includes a storage means 37a. Note that the storage unit 37 a may be provided outside the control unit 37.
  • the configurations of the oscillator 10 and the detector 20 are the same as those in the above-described embodiment, and thus the description thereof will be omitted. Here, differences from the embodiment will be mainly described.
  • the amplifier circuit 31 is connected to points A and B which are both ends of the coil 21.
  • the signal of the potential difference between the points A and B is input to the amplifier circuit 31 and amplified.
  • the amplified signal is converted from an analog voltage signal to a digital signal by the A / D conversion circuit 39a.
  • the converted digital signal is input to the control means 37.
  • the I / V conversion circuit 34 is connected to the other end side (point B) of the coil 21.
  • a signal indicating the current value of the current flowing through the coil 21 is input to the I / V conversion circuit 34 and converted into an analog voltage signal.
  • the analog voltage signal output from the I / V conversion circuit 34 is converted into a digital signal by the A / D conversion circuit 39 b and input to the control means 37.
  • each digital signal input from the amplifier circuit 31 and the I / V conversion circuit 34 is a time-series signal that fluctuates in an alternating manner, but the absolute value circuits 32 and 35 and the LPFs 33 and 36 (see FIG. It is converted into a DC digital signal by a digital operation equivalent to 1).
  • the analog voltage AC signal input to each of the A / D conversion circuits 39a and 39b is converted into a digital value proportional to the amplitude of the AC signal in the control means 37. Then, the impedance is calculated based on these digital values.
  • the surface property evaluation apparatus 2 is configured to be less susceptible to noise because signal calculation is performed by digital signal processing. Therefore, even when evaluating in an environment in which noise is likely to occur, more accurate evaluation can be performed.
  • FIG. 7 shows a surface property evaluation apparatus 3 according to another embodiment.
  • a phase detection circuit 301, an absolute value circuit 302, and an LPF 303 are newly added to the measuring instrument 30 of the surface property evaluation apparatus 1 (FIG. 1) of one embodiment. Yes.
  • the configurations of the oscillator 10 and the detector 20 are the same as those of the above-described embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the configuration newly added to the measuring instrument 30 will be mainly described.
  • the phase detection circuit 301 is connected to the other end side (point B) of the AC power supply 11 and the coil 21.
  • a signal indicating the phase difference of the current flowing through the coil 21 with respect to the voltage applied by the AC power supply 11 is output from the phase detection circuit 301, and full-wave rectified by the absolute value circuit 302, and then converted into DC by the LPF 303.
  • This converted signal is input to the control means 37. That is, a voltage signal proportional to the phase difference between the voltage applied to the coil 21 and the current flowing through the coil 21 is input to the control means 37.
  • an impedance Z 0 when an unprocessed product is used as a subject is calculated.
  • a phase difference ⁇ 0 when an unprocessed product is used as a subject is calculated from a signal input from the LPF 303.
  • the impedance Z 1 and the phase difference ⁇ 1 when the surface-modified product is used as a specimen are similarly calculated, and the inductive reactance X 1 is calculated for each frequency.
  • the ratio (X 1 / X 0 ) of the inductive reactance X 1 (surface modified product) to the inductive reactance X 0 (untreated product) described above is determined by the control means 37 for each frequency. Calculate.
  • the ratio of inductive reactance as the evaluation of the surface characteristics, only the magnetic permeability of the subject can be evaluated. Inductive reactance is small compared to impedance, but it has excellent sensitivity to changes in electrical characteristics. In particular, when a precise evaluation is necessary, a higher-accuracy evaluation can be performed by evaluating the induction reactance ratio.
  • the inductive reactance may be calculated by analog signal processing as in the present embodiment, or may be calculated by digital signal processing in the control means 37 using the circuit of FIG.
  • a digital operation equivalent to the phase detection circuit 301, the absolute value circuit 302, and the LPF 303 in the circuit of FIG. 7 is executed inside the control means 37 and guided based on the obtained phase difference ( ⁇ 0 , ⁇ 1 ).
  • Reactance (X 0 , X 1 ) is calculated. That is, the control unit 37 performs the following calculations a to c.
  • Phase difference between a digital signal obtained by A / D converting the voltage between both ends of the coil by the A / D conversion circuit 39a and a digital signal obtained by A / D converting the signal of the current flowing through the coil by the A / D conversion circuit 39b ( ⁇ 0 , ⁇ 1 ) are calculated by the control means 37.
  • Impedances (Z 0 , Z 1 ) are calculated from the digital signals input via the A / D conversion circuits 39a, 39b by the operation described with reference to FIG.
  • Inductive reactance (X 0 , X 1 ) is calculated using the “phase difference” and “impedance” calculated in a and b above.
  • the evaluation of the degree of shot peening treatment when the steel material that has been carburized and quenched is subjected to shot peening treatment has been described.
  • the surface property evaluation apparatus and the surface property evaluation method of the present invention can also evaluate when various heat treatments are performed as the surface modification treatment.
  • evaluation of the steel material which performed only the shot peening process can also be performed.

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Abstract

表面改質処理を施した鋼材の残留応力を、深さ方向を考慮して評価する表面特性評価方法を提供する。　表面特性評価装置を準備する工程、表面改質処理を施した鋼材を表面特性評価装置に含まれるコイルに励起された交流磁気を鋼材内部に浸透するように配置する工程、被検体に渦電流を発生させる工程、コイルに印加する交流磁気を連続的に変更する工程、コイル間の電位差及びコイルに流れる電流値よりインピーダンスＺ1を周波数毎に算出する工程、インピーダンスＺ1に基づいて演算を行う工程、演算により得られた結果に基づいて鋼材の残留応力を評価する工程、を含む。

Description

鋼材の表面特性評価方法
　本発明は、表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価する方法に関する。
　鋼材の表面改質処理として、各種熱処理（浸炭焼き入れ、窒化熱処理、高周波焼き入れ、等）やショットピーニング処理が広く知られている。表面改質処理により、鋼材の表面近傍には残留応力が付与され、鋼材の疲労強度が向上する。表面改質処理は、鋼材の用途に応じて鋼材表面からの深さに対して所望の残留応力が付与されるよう、処理条件を考慮している。この表面改質処理が適正に行われたか否かを精度良く評価するには、深さ方向も考慮する必要がある。
　鋼材の疲労強度を測定する方法が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、ショットピーニングを行った鋼材の所定の圧縮残留応力がピーク値を示す深さを評価している。しかし、特許文献１に開示されている評価方法は、測定対象や表面改質処理の条件毎に測定条件を設定する必要がある。従って、材料の個体差等のバラツキにより精度よい評価を行うことができない。
　鋼材の疲労強度を測定する別の方法が、特許文献２に開示されている。特許文献２では、鋼材に当接させた励磁コイルに流す励磁電流の周波数を順次変更させることで鋼材表面における磁束の浸透深さ（透磁率）を順次変更させながら、検出コイルの出力電圧値を順次測定することで、鋼材の圧縮残留応力の分布を算出する。しかし、検出コイルの出力電圧値には、透磁率の変化による電圧成分及び検出コイル自体のインピーダンスによる電圧成分が含まれている。その為、周辺環境の変化（温度、ノイズ、等）により検出コイル自体のインピーダンスの特性が変化した場合、測定値の信頼性が低下する。また、この測定装置における励磁コイルは鋼材との距離による検出信号が変化する現象（リフトオフ現象）を考慮して設計する必要があるが、この視点での開示はされていない。このように、特許文献２の測定装置では鋼材の圧縮残留応力を正確に評価することができない。
特開平０７－０９２１４０号公報 特開平０５－２０３５０３号公報
　以上に鑑み、表面改質処理を施した鋼材の残留応力を、深さ方向の分布を考慮して精度良く評価できる表面特性評価方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面は、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る。この表面特性評価方法は、以下の（１）～（６）の工程を含む。これらの工程は、別々に行っても良いし、２以上を同時に行ってもよい。
　（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。
　本発明の一側面では、コイルに励起させた交流磁気を鋼材に浸透させることで表面改質処理により内部に生じた歪を検知する。その際、コイルに印加する交流電流の周波数を連続的に変化させることで、この歪の深さ方向の分布を検知することができる。また、インピーダンスＺ1を用いることで、コイルのインピーダンスに相当する信号及びＳ／Ｎ比（Ｓ：評価電圧、Ｎ：評価電圧以外からのノイズ）を大きくすることができるので、評価精度を向上させることができる。このように、表面改質処理を施した鋼材の残留応力を、深さ方向を考慮して精度よく評価することができる。
　一実施形態では、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更に備えてもよい。そして、評価工程においては、基準インピーダンスＺ0とインピーダンスＺ1との比を周波数毎に演算し、この演算値群に基づいて表面改質処理を施した鋼材の残留応力を評価してもよい。表面改質処理前後の鋼材をそれぞれ被検体として測定したインピーダンスの比を用いて評価することで、周辺の温度及び湿度の変化による電圧のドリフトを軽減することができる。更に、表面改質処理による電磁気特性の変化のみを抽出することができる。以上により、表面改質処理を施した鋼材の残留応力の評価を、深さ方向の分布を考慮して精度よく行うことができる。
　一実施形態では、評価工程においては、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してもよい。インピーダンスのＹ軸成分（複素インピーダンスの虚数成分）である誘導リアクタンスを算出し、この誘導リアクタンスに基づいて評価を行うことで、被検体の透磁率のみを評価することができる。その結果、評価の精度が向上する。
　一実施形態では、交流磁気の浸透深さは、交流電流の周波数より次式により換算し、換算された浸透深さに基づいて前記表面改質処理を施した鋼材の残留応力の深さ方向の分布を評価してもよい。歪の深さ方向の分布を精度よく把握し、評価することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　一実施形態では、以下の座標軸Ａ、Ｂを持つ座標系上に演算値群をプロットしてもよい。表面改質処理によって生じた鋼材内部の歪の分布を視覚的に把握することができる。
　　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。
　一実施形態では、残留応力を評価する工程において、座標軸Ａ、Ｂを持つ座標系上にプロットされた演算値群のグラフの軌跡及びこの軌跡の極値を含む１又は複数の演算値に基づいて、表面処理を施した鋼材の残留応力を評価してもよい。残留応力の評価を、表面改質処理によって生じた鋼材内部の歪の分布の態様と極値となる深さにおける演算値の値との両面から行うことができる。
　一実施形態では、評価工程において、極値を含む１又は複数の演算値を予め設定された閾値と比較することにより、表面改質処理の良否を判定してもよい。表面改質処理が適正に施されているか否か、深さ方向を考慮して判定することができる。
　一側面及び実施形態により、表面改質処理を行った鋼材の残留応力を、深さ方向を考慮して精度よく評価できる表面特性評価方法を提供することができる。これにより、鋼材に施した表面改質処理の程度を深さ方向の分布を考慮して精度よく評価することができる。
本発明の一実施形態を説明するための回路図である。 本発明の一実施形態におけるコイルに発生する渦電流を説明する模式図である。 本発明の一実施形態における表面特性評価方法を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態における実施例を説明するためのグラフである。 本発明の一実施形態における実施例で用いた鋼材の残留応力を示すグラフである。 本発明の別の実施形態（変更例１）を説明するための回路図である。 本発明の別の実施形態（変更例２）を説明するための回路図である。
　本発明の一実施形態を、図を参照して説明する。なお、以下の説明における上下左右方向とは、特に断りのない限り図中の方向を示す。
（表面特性評価装置）
　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。
　発振器１０は交流電源１１と周波数可変回路１２とを備えている。周波数可変回路１２は、交流電源１１に接続されており、交流電源１１から出力される交流電流の周波数を変更することができる。
　検出器２０は、コイル２１を含む。コイル２１の一端側（点Ａ）は交流電源１１と接続されており、交流電源１１から出力された交流電流が供給される。なお、図１のコイル２１を示す破線内の回路記号はコイル２１の電気等価回路を示すものである。
　計測器３０は、増幅回路３１、絶対値回路３２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３３、Ｉ／Ｖ変換回路３４、絶対値回路３５、ＬＰＦ３６、制御手段３７、表示器３８、を備えている。また、記憶手段を、制御手段３７の内部または図示しない領域に備えている。具体的には、制御手段３７は、マイクロプロセッサ、インターフェイス回路、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）等により構成することができる。
　増幅回路３１は、コイル２１の両端である点Ａと点Ｂに接続されている。点Ａと点Ｂとの間の電位差の信号は増幅回路３１に入力され、増幅される。この増幅された信号は、絶対値回路３２により全波整流された後、ＬＰＦ３３により直流に変換される。この変換された信号は制御手段３７に入力される。
　Ｉ／Ｖ変換回路３４は、コイル２１の他端側（点Ｂ）に接続されている。コイル２１に流れた電流の電流値を示す信号はＩ／Ｖ変換回路３４に入力され、電位差を示す信号に変換される。そして、絶対値回路３５により全波整流された後、ＬＰＦ３６により直流に変換される。この変換された信号は制御手段３７に入力される。
　制御手段３７は、周波数可変回路１２、ＬＰＦ３３、及びＬＰＦ３６に接続されており、コイル２１に印加した交流電流の周波数と、この周波数に対するＬＰＦ３３、３６を通過した信号がそれぞれ入力される。入力されたこれらの信号に基づいて演算を行い、演算結果により被検体の表面特性の評価を行う。なお、交流電流の周波数の変更は手動で行ってもよく、制御手段３７に周波数を連続的に変更する信号を周波数可変回路１２に出力させる機能を持たせて自動で周波数の変更を行ってもよい。本実施形態では、後者とした。
　表示器３８は、制御手段３７による評価結果の表示または警告を行う。
（評価方法）
　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。
Ｓ０１：準備工程
　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。
Ｓ０２：第１の配置工程（未処理品）
　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。
Ｓ０３：未処理品の測定工程（基準インピーダンス測定工程）
　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。
Ｓ０４：表面改質処理工程
　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。
Ｓ０５：表面改質処理品の測定工程
　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。
Ｓ０６：判断工程（評価工程）
　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。
　インピーダンスの比（Ｚ1／Ｚ0）を縦軸、周波数を横軸とするグラフ（座標系）を準備し、各周波数に対して算出されたインピーダンスの比（Ｚ1／Ｚ0）である演算値群に対応する点をグラフ上にプロットする。周波数は被検体の表面からの深さに相当するので、グラフ上の軌跡により、表面改質処理の程度を示す圧縮残留応力の深さ方向の分布を視覚的に把握することができる。
　周波数より鋼材表面からの深さを算出し、これを横軸としてもよい。周波数と鋼材表面からの深さとの関係は、（数２）より周波数と鋼材表面からの深さとの関係を示す検量線を作成し、この検量線から算出することができる。（数２）における補正係数ｋは、被検体の形状（例えば被検体の体積）や性状（例えば、前段階としての熱処理の有無）やＳＰ処理の条件（例えば、ショットの粒子径、硬度、噴射時間、噴射圧力）等の影響を受けて変動する値であり、実験により予め算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　得られた分布より、制御手段３７で表面改質処理の良否を判定する。判定方法を以下に例示するが、この方法に限定されない。
　ＳＰ処理が適正に施されているか否かを判定するための閾値群及び許容範囲を予め算出する。ＳＰ処理が適正に施された鋼材（良品）及びＳＰ処理が不満足な鋼材（不良品）を、先述の工程Ｓ０１～工程Ｓ０４の操作にてそれぞれ複数個測定し、この測定に基づいてインピーダンスの比及びこれに対応する周波数又は鋼材表面からの深さを示す閾値群及び許容範囲を決定する。
　この閾値群を演算値群の値と比較する。例えば、インピーダンスの比を算出した演算値群のグラフの軌跡が極値となる周波数及びその近傍の任意の周波数を数点選択し（例えば６点）、選択された周波数におけるインピーダンスの比を閾値とそれぞれ比較する。この時、比較したすべての値が閾値の許容範囲内であれば「ＳＰ処理が適正に施されている」と判定し、１点でも閾値の範囲を逸脱していれば「ＳＰ処理が不適正」と判定する。
　他の判定方法は、「演算値群を示すグラフ（周波数又は鋼材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）が、閾値群が示す同様のグラフの許容範囲内か否かの判定」と、「インピーダンスの比のグラフの極値が、閾値群における極値の許容範囲内か否かの判定」と、を行う。双方が閾値群の許容範囲内であれば「ＳＰ処理が適正に施されている」と判定し、一方でも閾値群の許容範囲を逸脱していれば「ＳＰ処理が不適正」と判定する。
Ｓ０７：出力工程
　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。
　以上の工程により、被検体の表面からの深さ方向を考慮した表面改質処理の程度の評価を行うことができる。
　次に、本実施形態の表面特性評価装置１を用いて、鋼材の表面特性を評価した結果を示す。
　前述の、浸炭焼き入れを行ったクロムモリブデン鋼（φ４０ｍｍ×３０ｍｍ）に向かって、平均粒子径５０μｍ～１０００μｍのショット（いずれも新東工業株式会社製）をショットピーニング機（新東工業株式会社製）にて、０．３ＭＰａの噴射圧力でカバレージが３００％となるように噴射してショットピーニング処理を行った（表１参照）。このショットピーニング処理を施したクロムモリブデン鋼を被検体とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　交流電流の周波数（使用周波数）は、１０ｋＨｚ～２０ＭＨｚに設定した。また、前述の検量線より使用周波数から交流磁気の浸透深さを算出した。
　結果を図４に示す。インピーダンスの比（Ｚ1／Ｚ0）の軌跡が極値を示す深さは、被検体Ａは１０μｍ近傍、被検体Ｂは２５μｍ近傍、被検体Ｃは５５μｍ近傍であることが図４より分かる。
　次に、被検体Ａ～Ｃの圧縮残留応力をＸ線応力測定装置にてそれぞれ測定した結果を図５に示す。圧縮残留応力の軌跡が極値を示す深さは、被検体Ａは５～１０μｍ近傍、被検体Ｂは２０μｍ近傍、被検体Ｃは５０μｍ近傍であることが図５より分かる。図４及び図５において極値を示す深さについて、ほぼ相関性があるので、本実施形態の表面特性評価装置及び表面特性評価方法により、深さ方向を考慮した表面改質処理の程度の評価を行うことができることが示唆された。
（変更例１）
　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。
　増幅回路３１は、コイル２１の両端である点Ａと点Ｂに接続されている。点Ａと点Ｂとの間の電位差の信号は増幅回路３１に入力され、増幅される。この増幅された信号は、Ａ／Ｄ変換回路３９ａによりアナログ電圧の信号からデジタル信号に変換される。この変換されたデジタル信号は制御手段３７に入力される。
　Ｉ／Ｖ変換回路３４は、コイル２１の他端側（点Ｂ）に接続されている。コイル２１を流れた電流の電流値を示す信号はＩ／Ｖ変換回路３４に入力され、アナログ電圧の信号に変換される。Ｉ／Ｖ変換回路３４より出力されたアナログ電圧の信号は、Ａ／Ｄ変換回路３９ｂによりデジタル信号に変換され、制御手段３７に入力される。
　制御手段３７では、Ａ／Ｄ変換回路３９ａ、３９ｂから夫々入力されたデジタル信号がデジタル信号処理により加工される。即ち、増幅回路３１及びＩ／Ｖ変換回路３４から入力された各デジタル信号は交流的に変動する時系列信号であるが、上述した一実施形態における絶対値回路３２、３５及びＬＰＦ３３、３６（図１）と等価なデジタル演算により、直流的なデジタル信号に変換される。これにより、各Ａ／Ｄ変換回路３９ａ、３９ｂに入力されたアナログ電圧の交流信号は、制御手段３７の中で、交流信号の振幅に比例したデジタル値に変換される。そして、これらのデジタル値に基づいてインピーダンスが算出される。
　本実施形態の表面特性評価装置２は、信号の演算がデジタル信号処理により行われるので、よりノイズの影響を受けにくい構成となる。従って、ノイズが発生しやすい環境で評価する場合であっても、より精度の高い評価を行うことができる。
（変更例２）
　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。
　位相検波回路３０１は、交流電源１１及びコイル２１の他端側（点Ｂ）に接続されている。交流電源１１により印加された電圧に対するコイル２１を流れる電流の位相差を示す信号が位相検波回路３０１より出力され、絶対値回路３０２により全波整流された後、ＬＰＦ３０３により直流に変換される。この変換された信号は制御手段３７に入力される。即ち、コイル２１に印加された電圧と、コイル２１を流れた電流の位相差に比例した電圧信号が制御手段３７に入力される。
　制御手段３７では、測定工程Ｓ０３（図３）において、未処理品を被検体とした場合のインピーダンスＺ0が算出される。また、ＬＰＦ３０３より入力された信号により、未処理品を被検体とした場合の位相差α0が算出される。算出されたインピーダンスＺ0及び位相差α0より、誘導リアクタンスＸ0をＸ0＝Ｚ0×ｓｉｎα0の式により周波数毎に算出する。また、測定工程Ｓ０５（図３）において、表面改質処理品を被検体とした場合のインピーダンスＺ1及び位相差α1を同様に算出し、誘導リアクタンスＸ1を周波数毎に算出する。
　判断工程Ｓ０６（図３）では、先述の誘導リアクタンスＸ0（未処理品）に対する誘導リアクタンスＸ1（表面改質処理品）の比（Ｘ1／Ｘ0）を、制御手段３７によって周波数毎に演算する。表面特性の評価として誘導リアクタンスの比を用いることで、被検体の透磁率のみを評価することができる。インピータンスに比べ誘導リアクタンスは値が小さいが、電気特性の変化に対する感度が優れている。特に精密な評価が必要な場合、誘導リアクタンスの比で評価を行うことで、より精度の高い評価を行うことができる。
　なお、誘導リアクタンスは本実施形態のようなアナログ信号処理によって算出してもよいし、図６の回路を用い制御手段３７におけるデジタル信号処理にて算出してもよい。この場合、図７の回路における位相検波回路３０１、絶対値回路３０２、ＬＰＦ３０３と等価なデジタル演算を制御手段３７の内部で実行し、求められた位相差（α0、α1）に基づいて誘導リアクタンス（Ｘ0、Ｘ1）を演算する。即ち、制御手段３７においては、下記ａ～ｃの演算が行われる。
　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。
　一実施形態では、浸炭焼き入れを行った鋼材にショットピーニング処理を施した場合の、ショットピーニング処理の程度の評価について説明した。しかし、本発明の表面特性評価装置及び表面特性評価方法は、表面改質処理として各種熱処理を行った場合の評価も行うことができる。また、ショットピーニング処理のみを行った鋼材の評価も行うことができる。
１　　　　表面特性評価装置
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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　前記評価工程において、更に、前記交流電流の周波数を次式により前記交流磁気の浸透深さに換算し、換算された浸透深さに基づいて前記表面改質処理を施した鋼材の残留応力の深さ方向の分布を評価することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面特性評価方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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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