JP5892341B2 - 焼入深さ測定方法及び焼入深さ測定装置 - Google Patents

Description

本件発明は、焼入加工を施したワークにおける焼入深さを非破壊で検査する方法及び焼入深さ測定装置に関する。

金属の強度を高めるために鋼材等のワークに対して高周波焼入を施して硬化させる場合がある。焼入硬化層の深さに応じて機械的特性が変化するため、予め設定した処理条件で焼入を行い、さらに、製造後の品質検査を行っている。従来、ワークに対し適正な焼入加工が施されたかを検査する方法として、任意に抽出したワークを切断して検査する方法がある。この方法の場合、検査に時間を要する上に検査対象のワークは製品として使用できなくなり、また全量検査ができないといった問題がある。そのため、ワークの焼入状態の検査を非破壊で行う方法が検討されてきた。

特許文献１は、軸対称形状を有する炭素鋼からなるワークを貫通コイルに通過させて透磁率を測定し、ワークの各断面における焼入深さを算出するとともに、表面硬度計を用いて表面硬度を測定し、表面硬度が極端に増加した位置を検出することにより焼入範囲の端点を特定し、ワークの焼入パターンを検査する方法を採用している。

特許文献２は、鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定する方法に関し、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場によって鋼材を表面に沿った方向に磁化して渦電流を発生させ、当該渦電流で誘起される誘導磁場を検出コイルで検出し、検出コイルの出力電圧を既知のデータと比較することによって、対称鋼材の焼入硬化層の深さを算出する方法を採用している。

特開２００９−１０９３５８号公報 特開２００２−１４０８１号公報

特許文献１に開示の焼入パターンの測定方法は、測定対象となるワークが軸対称形状のものに限られる。また、誘導コイルの内側にワークを通過させる構成であるため、測定可能なワークの大きさに制約がある。あるいは、誘導コイルの大きさとワークの大きさとの調整が必要となり非効率である。さらに、予め、複数の測定位置ごとに実験等により検量線を求めておく必要がある上に、表面硬度計を用いて焼入範囲を特定して、渦流測定を補完して実焼入パターンの全体像を測定する方法であり、非破壊検査のための工数が多い。

特許文献２に開示の測定方法は、プローブ内に円柱形高周波焼入材を挿入したときの検出コイルに得られる出力電圧の評価を等価正弦波交流非線形解析法を用いて行っている。そのため、解析により得られる焼入深さは軸対称の値となり、測定対象物が軸対称形状のものに限って適用可能な技術であるうえに測定精度が劣る。また、特許文献２に開示の解析手法では、透磁率と印加磁束密度との相関を適切に捉えられず、実測値との乖離が生じ、非破壊検査として適さない。さらに、特許文献２に開示の測定方法は、鋼材の表面から深さ順に４段階の硬度であると仮定して、各硬度の初磁化曲線及び導電率を既知データとして単純化した技術であり、高精度な測定には適さない。

そこで、本件発明は、焼入加工材の焼入深さを迅速且つ精度良く測定可能な非破壊検査方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の焼入深さ測定方法及び焼入深さ測定装置を採用することで上記目的を達成するに到った。

本件発明に係る焼入深さ測定方法は、ワークの焼入深さを測定する方法であって、励磁コイルを備える磁化器をワーク近傍に配置してワークを磁化し、磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルの出力電圧として測定し、ワーク構成材料と同等材料からなる焼入加工を施さない非焼入材及び焼入加工を施した完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルにより測定された出力電圧値に基づき、ワークの焼入硬化層の厚さを特定することを特徴とする。

本件発明に係る焼入深さ測定方法は、前記既知の電磁気特性情報は、前記ワーク構成材料と同等材料における非焼入材及び完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて、有限要素法による解析で得られる検出コイルの推定出力電圧値を含むものであることがより好ましい。

本件発明に係る焼入深さ測定装置は、ワークを磁化する磁化器と、磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルの出力電圧として測定する手段と、測定された検出コイルの出力電圧値と、ワークと同等材料に関する既知の磁気特性情報とからワークの焼入深さを導出する焼入深さ特定手段とを備え、当該焼入深さ特定手段は、焼入加工を施さない非焼入材と、焼入加工を施した完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて、有限要素法による解析で得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルの出力電圧値とからワークの焼入深さを特定することを特徴とする。

本件発明に係る焼入深さ測定方法及び焼入深さ測定装置は、既知の電磁気特性情報と、検出コイルの出力電圧値に基づいて焼入硬化層の厚さを特定可能であり、従来の非破壊検査では必要とされた検量線ワークが不要となり、ワークの焼入厚さを非破壊で簡便且つ高精度に検査できる。

また、本件発明に係る焼入深さ測定方法及び焼入深さ測定装置を用いて得られる焼き入れ深さデータを用いて検量線（以下、「ＦＥＭ検量線」と称する。）を作成することができる。このＦＥＭ検量線は、その他の測定方法である自己誘導法、比較法を用いた焼き入れ深さ測定方法の検量線として使用可能なものになり、他の測定方法で必須の検量線作成作業の省略を可能とする。

本件発明に係る焼入深さ測定方法を説明するための模式図である。 本件発明に係る焼入深さ測定方法により得られた解析値と、検証のために試験材料を実測した実験値とを対比するグラフである。 本件発明の実施形態による焼入深さ測定手段を示すフローチャートである。 本件発明に係る焼入深さ測定方法を説明するための模式図である。

以下、本発明に係る焼入深さ測定方法の好ましい実施の形態を説明する。本件発明に係る焼入深さ測定方法は、磁性材料からなるワークの焼入深さを非破壊で測定する方法であり、ワークを磁化して渦電流を発生させ、ワークの磁場を検出コイルで測定し、測定結果に基づいてワークの焼入深さを算出する。そして、本件発明に係る焼入深さ測定方法は、励磁コイルを備える磁化器をワーク近傍に配置してワークを磁化し、磁化されたワークの出力電圧を検出コイルで測定し、ワーク構成材料と同等材料からなる焼入加工を施さない非焼入材及び焼入加工を施した完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルにより測定された出力電圧値に基づき、ワークの焼入硬化層の厚さを特定することを特徴とする。

図１は、本件発明に係る焼入深さ測定方法の一例を示す模式図である。ワーク１０は、焼入加工を施した鋼材である。磁化器４は、ワーク１０を磁化する励磁コイル３を備え、当該励磁コイル３に電流を流し、ワーク１０を磁化するものである。図１に示す例では、ヨーク２に巻回した励磁コイル３に電流を流してワーク１０を磁化する。ヨーク２は、フェライト材からなり、ワーク１０の表面と略平行となる励磁コイル巻回部２１と、この励磁コイル巻回部２１に対して直角に曲折した開口部２２とを有する。図１に示す例では、ヨーク２は、励磁コイル巻回部２１の両側が直角に曲折した側面視略コ字型である。この励磁コイル巻回部２１の厚さａ１と、開口部２２の厚さａ２とは等しく、両者の断面積も等しい。ヨーク２の励磁コイル巻回部２１には、励磁コイル３の巻線方向をワーク１０の表面に対して垂直に巻回する。

ヨーク２は、ワーク１０の表面近傍において所定の距離Ｌで離間させて配置する。この状態で励磁コイル３に一定量の電流を流すと、ワーク１０が磁化されて、その表面に渦電流が発生する。そして、磁化器４によりワーク１ ０が磁化されることにより発生させた誘導磁場を検出する手段として、検出コイル５を用いる。図１に示す例では、検出コイル５は、ヨーク２の開口部２２に巻回されている。検出コイル５は、磁化器４でワーク１０を磁化することにより生じる渦電流で誘起される誘導磁場を検出し、電圧計６で検出コイル４の出力電圧を測定する。

次に、電磁気特性情報について説明する。本件発明に係る焼入深さ測定方法では、測定対象であるワークを構成する材料と同等材料について、その焼入加工を施さない非焼入材及び焼入加工を施した完全焼入材の既知の電磁気特性値から、当該材料における焼入深さと電磁気特性値との相関を解析し、これを電磁気特性情報とする。ここでいう「既知の電磁気特性値」とは、ワークと同等の材料に固有の物性値として、例えば、日本金属学会編「金属便覧」等の文献に開示された値を用いることができる。すなわち、測定対象物であるワークを構成する材料と同等の材料における非焼入材（生材）及び完全焼入材の標準物性値（導電率σ、透磁率μ、初期磁化曲線等）に基づいて、後述する解析法により、焼入深さに応じて、検出コイルで検出されると予想される出力電圧の推定値を得る。なお、電磁気特性情報は、測定対象であるワークと同一材料であれば、形状の異なる別のワークにも用いることができる。

つまり、従来の非破壊検査では、測定対象物を予め破壊調査して、測定の基礎となる検量線を得る必要があった。これに対し、本件発明に係る焼入深さ測定方法では、既存の規格品の物性値から得られた電磁気特性情報を用いて焼入深さを非破壊検査により特定可能であり、非破壊検査の工数を減らすことができる。

焼入深さの導出には、以下に示す式（１）〜（３）を用いる。まず、磁束密度Ｂ（Ｔ）は以下の式１で表すことができる。焼入材と非焼入材（生材）とでは、透磁率μ及び導電率σの値が異なる。そのため、ワークに同じ印加磁界Ｈを加えた場合、完全焼入材及び非焼入材（生材）の違いにより、式（１）に示す磁束密度Ｂの大きさが異なる。
Ｂ＝μＨ ・・・（１）
式（１）において、μは透磁率、Ｈは印加磁界（Ａ／ｍ）である。

また、渦電流Ｊｅ（Ａ／ｍ^２）は、以下の式（２）で表すことができる。交流磁界では渦電流が発生するが、完全焼入材と非焼入材（生材）とで導電率σが異なるので、式（２）に示す渦電流Ｊｅの値が両者において異なる。そして、渦電流Ｊｅの値が異なると磁束密度Ｂも変化する。
Ｊｅ＝−ｊσωφ ・・・（２）
式（２）において、ｊは電流密度（Ａ／ｍ^２）、σは導電率（Ｓ／ｍ）、ωは角周波数（ω＝２πｆ）、φは磁束（Ｗｂ）である。

次に、出力電圧Ｖ（Ｖ）は以下の式（３）で表すことができる。
Ｖ＝−Ｎ・ｄφ／ｄｔ ・・・（３）
式（３）において、Ｎはコイル巻数、ｔは時間（ｓ）である。ワーク１０の磁束密度Ｂは、式（１）と式（２）とから求めることができる。式（１）及び式（２）から求めた磁束密度Ｂ、式（３）を用いて、出力電圧Ｖが求められる。

鋼材に焼入れ加工を施すと透磁率μが低下する。また、ワーク１０に対する焼入深さが深くなると、ワーク１０の全体の透磁率μが低下する。焼入れ深さの変化量に対する透磁率μの変化量が線形であれば等価磁化回路で計算することができるが、非線形的である。そこで、完全焼入材及び非焼入材（生材）の透磁率、導電率及び初期磁化曲線を用い、これをもとに、有限要素法を用いて、ワーク１０の焼入れ深さごとに算出された出力電圧Ｖを求め、これを検出コイルで検出されると予想される推定電圧値とした。本件発明に係る焼入れ深さ測定方法では、既知の電磁気特性情報として、この有限要素法により得られたワークの焼入れ深さに応じた推定電圧値を含むものとする。そして、実際に検出コイル５で測定されるワーク１０の出力電圧値と、既知の電磁気特性情報に含まれるワーク１０の焼入深さとを対比することにより、ワーク１０の焼入れ深さを特定可能とした。したがって、本件発明に係る焼入深さ測定方法によれば、有限要素法を用いることで、事前にコイルやヨークの形状や測定電気条件（周波数や電流値等）の最適化の検討が可能となり、可否判断を含めた当該条件を定めるまでの工数を減らすことができる。

ここで、本件発明に係る焼入深さの測定方法における解析法を検証するため、試験材料を用いて、焼入深さに応じた電磁気特性値を測定し、解析値と対比した。まず、試験材料の電磁気特性値の測定方法を説明する。同じ材質の非焼入材（生材）及び完全焼入材について電磁気特性を予め調査し、完全焼入材及び非焼入材（生材）の磁化曲線を得て、電磁気特性値の差を評価する。既知の電磁気特性情報の取得方法の具体例を挙げる。まず、検査対象であるワークと同じ素材からなる長尺な試験材を２つ用意し、一方は焼入加工を行わない非焼入材（生材）とし、他方は焼入処理して完全焼入材とする。これらの試験材の電磁気特性を測定する。例えば、導電率σは、各試験材をそれぞれケルビンブリッジ回路と接続し、磁化した試験材の導電率σを測定する。透磁率μは、長尺な試験材の両端部に電磁石を配置し、この電磁石により磁化された試験材の磁束密度Ｂと印加磁界Ｈを測定する。磁束密度Ｂの測定は、試験材の中間部に巻回したコイルで測定する。また、印加磁界Ｈは、磁束密度測定用のコイルの近傍に印加磁界測定用のホール素子を配置して測定した。透磁率μの測定結果から完全焼入れ材及び非焼入材（生材）の初期磁化曲線を得た。また、焼入れ深さの異なる鋼材を複数用意し、上記と同様の方法により、電磁気特性値としての出力電圧の減衰率及び初期磁化曲線を得た。

上記方法により得られた試験材料の出力電圧の減衰率と焼入れ深さとの関係を図２のグラフに示す。また、図２には、本件発明に係る焼入深さ測定方法で採用した有限要素法により得られた解析上の電磁気特性値としての出力電圧の減衰率と焼入れ深さとの関係を併せて示す。図２のグラフに示すように、試験材料を実測して得られた実験値と、本件発明に係る焼入深さ測定方法で得られた解析値とは近似した結果となった。したがって、本件発明に係る焼入深さ測定方法で用いる解析手法は、信頼性の高い結果が得られると言える。なお、測定対象物であるワークが特殊材料からなる場合等、既知の電磁気特性情報が既存の情報として取得できない場合は、上記方法により、予め電磁気特性情報を取得すれば良い。出力電圧の減衰率は、検出コイルの出力電圧の変化量を、非焼入材（生材）を基準として求めた。

次に、本件発明に係る焼入深さ測定装置１を用いて、ワーク１０の焼入深さを測定する方法を説明する。磁化器４は、例えば、図１に示すように、ヨーク２を備え、当該ヨーク２に励磁コイル３が巻回されたものが考えられる。このような、磁化器４をワーク１０の表面近傍に配置する。図１に示す例では、ヨーク２の開口部２２が、ワーク１０の焼入加工を施した表面から所定の距離Ｌで離間させた位置となるように磁化器４を配置した。ここで、ヨーク２とワーク１０の表面との離間距離Ｌは、磁化器４によりワーク１０を十分に磁化可能な程度の距離であって、一定の距離を保つことが可能であればよい。励磁コイル３に一定の電流を流して磁界を発生させ、ワーク１０を磁化する。ワーク１０の表面には、磁化器４からの磁化により渦電流Ｊｅが発生して、この渦電流Ｊｅにより誘導起電力が生じる。この誘導起電力が検出コイル５に作用する。

本件発明に係る焼入深さ測定装置は、磁化器４によりワーク１０が磁化されることにより発生させた誘導磁場を検出コイル５で検出し、当該検出コイル５の出力電圧として測定する手段を有する。図１に示す例では、ヨーク２に巻回された検出コイル５に電圧計６を接続し、検出コイル５の出力電圧を測定する。

図３は、本件発明の実施形態による焼入深さ測定手段を示すフローチャートである。以下に、図３を用いて本件発明の焼入深さ特定手段について説明する。本件発明の焼入深さ特定手段は、熱処理を行うワークを準備し（ステップＳ１）、当該ワークを焼入れ機を用いて焼入れし（ステップＳ２）、測定装置を用いて当該ワークの焼入硬化層の深さを測定し（ステップＳ３）、当該測定により得られた数値より合否の判定を行う（ステップＳ４）。このときに、当該ワークの材料情報（電磁気特性情報）を取得し（ステップＳ１１）、また、当該ワークの形状情報を取得し（ステップＳ１２）、これら取得された情報を基にコンピュータ（ＰＣ）を用いて有限要素法（ＦＥＭ：Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）による数値解析が行われる（ステップＳ１３）。そして、コンピュータ（ＰＣ）から測定条件（電流値等）、コイル形状、検量線に関するデータが導出され（ステップＳ１４）、測定装置本体に読み込まれる。すなわち、焼入深さ特定手段において、検出コイル５における出力電圧の測定結果及び既知の電磁気特性情報に含まれる推定出力電圧値に基づき、焼入硬化層１０ａの厚さを特定する。焼入深さ特定手段は、コンピュータを用いた演算処理装置等が考えられ、既述の方法により、焼入加工を施さない非焼入材と、焼入加工を施した完全焼入材の初期磁化曲線を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルの出力電圧値とからワークの焼入深さ（焼入硬化層の厚さ）を特定する。

ところで、本件発明に係る焼入深さ測定装置１において、ワーク１０の所望の位置において磁化させるためには、磁化器４を図１のＸ軸方向（または図示しないワーク１０のＹ軸方向）に走査させる構成としても良いし、磁化器４の位置は固定しながら、ワーク１０を移動させる構成としても良い。

焼入深さを測定した箇所は、図１に示すように、ワーク１０を側方から視た場合に、ヨーク２を線対称に分割する位置をＺ軸とし、ワーク１０の表面の位置をＸ軸として、特定することができる。通常、硬化層深さ測定は、指示された測定点で測定されるものであるが、磁気特性を利用する場合には目視での確認が困難なため、測定箇所が不正確になっていた。しかし、本件発明に係る焼き入れ深さ測定方法では、有限要素法を用いることで電流の発生分布から測定位置をユーザが正確に把握することが可能となる。よって、複数箇所において焼入硬化層１０ａの厚さを特定した場合、図４に示すワーク１０の焼入深さを正確にグラフ化することができる。

本件発明に係る焼入れ深さ測定方法及び焼入れ深さ測定装置における磁化器及び検出コイルは、図１に示す構成に限定されるものではなく、励磁コイルを備えてワーク１０を磁化可能な構成であれば良い。図１に例示した磁化器４の構成とすれば、磁化器４を焼入処理したワーク１０の表面近傍に配置すれば焼入れ深さを測定可能な構成であるので、ワーク１０の大きさや形状にかかわらずワークの焼入硬化深さを測定可能である。

本件発明に係る焼入深さ測定方法は、非破壊検査でありながら検量線ワークが不要であるため、簡便な装置を用いて、ワークの焼入深さを高精度に捉えることができ、焼入深さを高精度に特定することが望まれる部品の品質向上に寄与できる。

また、本件発明に係る焼入深さ測定方法は、例えば、丸棒形状、パイプ形状、平面形状等のワークにも好適に用いることができるものであり、測定対象物の形状には限定されず使用可能であるため、広範な用途が考えられる。加えて、本件発明に係る焼入深さ測定装置は、ワークの製造ライン上に配置して、焼入深さについて全数調査を行うのに好適である。

更に、本件発明に係る焼き入れ深さ測定方法の技術概念は、材料の種類に応じた電磁気データを拡充し、本件発明に係る焼入深さ測定方法の測定原理に応用することで、種々の硬化層の深さ測定への応用が可能と考えられる。

１・・・焼入深さ測定装置
３・・・励磁コイル
４・・・磁化器
５・・・検出コイル
１０・・ワーク

Claims (3)

1. ワークの焼入深さを測定する方法であって、
   励磁コイルを備える磁化器をワーク近傍に配置してワークを磁化し、
   磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルの出力電圧として測定し、
   ワーク構成材料と同等材料からなる焼入加工を施さない非焼入材及び焼入加工を施した完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルにより測定された出力電圧値に基づき、ワークの焼入硬化層の厚さを特定することを特徴とする焼入深さ測定方法。
2. 前記既知の電磁気特性情報は、前記ワーク構成材料と同等材料における非焼入材及び完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて、有限要素法による解析で得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む請求項１に記載の焼入れ硬化深さ測定方法。
3. ワークを磁化する磁化器と、
   磁化により発生させた誘導磁場を検出コイルで検出し、当該検出コイルの出力電圧として測定する手段と、
   測定された検出コイルの出力電圧値と、ワークと同等材料に関する既知の磁気特性情報とからワークの焼入深さを導出する焼入深さ特定手段とを備え、
   当該焼入深さ特定手段は、焼入加工を施さない非焼入材と、焼入加工を施した完全焼入材に固有の標準物性値である初期磁化曲線及び導電率を用いて、有限要素法による解析で得られる検出コイルの推定出力電圧値を含む既知の電磁気特性情報と、検出コイルの出力電圧値とからワークの焼入深さを特定することを特徴とする焼入深さ測定装置。

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