(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の物体の表面に存在する表面層の厚さを非破壊で測定する表面層厚さ測定装置において、
測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第１の特徴量を演算する手段と、
予め算定しておいた、前記表面層の表面側に存在する第１の層の厚さと前記第１の特徴量との相関関係を表す第１のデータを保持する手段と、
前記物体の表面における表面弾性波の伝播速度から第２特徴量を演算する手段と、
予め算定しておいた、前記表面層の内側に存在する第２の層の厚さと前記第１の層の厚さ及び前記第２の特徴量の３種の量の相関関係を表す第２のデータを保持する手段とを設け、
前記第１の特徴量が、前記物体として複数の物体を用い、それらに予め前記コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線から、厚さ測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスまでの距離であり、
前記第２の特徴量が、前記物体のうち表面層がない物体での表面弾性波の伝播速度を基準としたときの特定周波数の表面弾性波の伝播速度の変化率であり、
前記第１のデータを参照して、前記第１の層の厚さを算出し、前記第２の特徴量により、前記第２のデータを参照して、前記第２の層の厚さを算出するように構成したことを特徴とする表面層厚さ測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面層厚さ測定装置において、
測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第３の特徴量を演算する手段と、
予め算定しておいた、前記第２の層の硬さと前記第３の特徴量との相関関係を表す第３のデータを保持する手段とを設け、
前記第３の特徴量が、前記表面側の層の厚さが異なる複数の物体に前記コイルを接触させたときの該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線に平行で、且つ、測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスを通過する第１の直線と、前記物体のうち表面層として表面硬さの異なる硬化層のみを有する複数の物体に該コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが分布する第２の直線との交点で、該第２の直線上の位置であり、
前記第３の特徴量により、前記第３のデータを参照して、前記第２の層の硬さを算出するように構成されていることを特徴とする表面層厚さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の表面に形成されている表面層の厚さを非破壊で測定する装置に係り、特に耐摩耗性とクリープ強度の向上などのために形成した硬化層の厚さ測定に好適な表面層厚さ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンなど高温、高圧のもとで動作する装置では、そこで使用される部材の耐摩耗性やクリープ強度を向上させるため、窒化処理を施して表面に硬化層を形成することが従来から知られている。
ところで、このように硬化層を形成させたとしても、その厚さが不足していると、高温環境下で使用中に変形等が生じ、運転上不具合を生じるので、処理を施した後、形成させた表面層の厚さを何らかの手段で評価する必要がある。
【０００３】
この場合、非破壊で測定できるのが望ましいので、表面波(表面弾性波)の伝播速度変化を利用する方法が知られている。
この表面波を利用する方法は、表面層の物理的性質、すなわち弾性係数や密度が母材部と異なることを利用するもので、具体的には、表面波の浸透深さ(約一波長)の中で、表面波の伝播経路に占める母材と表面層の割合によって、表面波の伝播速度(音速)が変化する性質を利用したものである。
【０００４】
この方法に関する従来技術としては、例えば特開昭６２−２７７５５４号公報に開示されているものがあり、ここでは、物体表面に表面波を伝播させ、伝播時間から音速を求め、母材の音速を基準とした音速変化率から表面層の厚さを測定するようになっているものであり、金属材料の表面に窒化、焼入れなどによる硬化層を形成したときの表面層の厚さ測定に有効である。
【０００５】
一方、水中や空気中で金属の表面に形成される酸化層の厚さを測定する方法としては、例えば特開平９−１１３４８８号公報に開示されているような、物体表面に発生する渦電流を用いる方法が知られている。
この方法は、コイルの交番磁界により物体(導電体)に渦電流が誘起されたことにより、コイルに現われるインピーダンスの変化と、物体に存在する表面層の厚さの関係に基づいて、表面層の厚さを評価するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、厚さを評価すべき表面層の内部構造について配慮がされておらず、表面層が複数層構成をなしていた場合には、所望する層の厚さの評価の点に問題があった。
上記したように、例えばタービン装置の部材に窒化処理を施し、表面に硬化層を形成するのは、その部材の耐摩耗性やクリープ強度を向上させるためであり、従って、評価の対象とすべきは、あくまでも硬化層自体の厚さである。
【０００７】
しかして、発電プラント用蒸気タービン装置などでは、高温蒸気の影響などにより、そこに使用されている部材に形成してある窒化層の表面が酸化され、この結果、使用時間の経過に伴い、表面側では酸化層で内面側は窒化層という、事実上、２層構造をなす表面層になってしまう。
【０００８】
このような場合、上記した表面波を利用する従来技術では、酸化層の影響により表面波の伝播速度が大きく変化してしまうので、内面側にある窒化層の厚さだけの測定が困難になってしまうという問題があった。
【０００９】
一方、渦電流を用いた従来技術では、表面側の酸化層の厚さは容易に測定できるが、内面側にある窒化層の厚さは測定できない。
この場合、表面側にある酸化層を除去してから検査するという手法が考えられるが、非破壊検査という前提が崩れてしまう外、多大の手間が掛る上、寸法精度が厳密な部品には適用できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、物体表面に形成された２層構造の表面層の厚さを、非破壊で、且つ個々独立に測定できるようにした装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、導電性の物体の表面に存在する表面層の厚さを非破壊で測定する表面層厚さ測定装置において、測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第１の特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記表面層の表面側に存在する第１の層の厚さと前記第１の特徴量との相関関係を表す第１のデータを保持する手段と、前記物体の表面における表面弾性波の伝播速度から第２特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記表面層の内側に存在する第２の層の厚さと前記第１の層の厚さ及び前記第２の特徴量の３種の量の相関関係を表す第２のデータを保持する手段とを設け、前記第１の特徴量が、前記物体として複数の物体を用い、それらに予め前記コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線から、厚さ測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスまでの距離であり、前記第２の特徴量が、前記物体のうち表面層がない物体での表面弾性波の伝播速度を基準としたときの特定周波数の表面弾性波の伝播速度の変化率であり、前記第１のデータを参照して、前記第１の層の厚さを算出し、前記第２の特徴量により、前記第２のデータを参照して、前記第２の層の厚さを算出するようにして達成される。
【００１２】
このとき、更に測定用のコイルを前記物体の表面に接触させたとき、該コイルの特性により定義されるインピーダンス平面に現われる該コイルのインピーダンスの変化量に基づいて、第３の特徴量を演算する手段と、予め算定しておいた、前記第２の層の硬さと前記第３の特徴量との相関関係を表す第３のデータを保持する手段とを設け、前記第３の特徴量が、前記表面側の層の厚さが異なる複数の物体に前記コイルを接触させたときの該コイルのインピーダンスが前記インピーダンス平面上で分布する直線に平行で、且つ、測定時、物体にコイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスを通過する第１の直線と、前記物体のうち表面層として表面硬さの異なる硬化層のみを有する複数の物体に該コイルを接触させて得た該コイルのインピーダンスが分布する第２の直線との交点で、該第２の直線上の位置であり、前記第３の特徴量により、前記第３のデータを参照して、前記第２の層の硬さを算出するようにしても、上記目的を達成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による表面層厚さ測定装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、合金鋼などの磁性材料からなる蒸気タービンの構成部材を測定対象物とした本発明の一実施形態による表面層厚さ測定装置の全体構成図で、図において、１はコイル、２は渦電流励振部、３は超音波送信器、４は超音波受信器、５は超音波送受信部、６は治具、７はデジタイザ、８はＡ／Ｄ変換器、そして９は層厚さ演算部である。
【００１４】
ここで、Ｗが測定対象物で、例えば表面処理により形成させた窒化層ＷN を備えているが、さらに、この窒化層ＷN には、それが酸化された結果として形成されてしまった酸化層ＷO が表面側にある。
この結果、この測定対象物Ｗは、事実上、２層構成の表面層を有することになっており、従って、ここでは、内面側にある窒化層ＷN の厚さＴ2 と、表面側にある酸化層ＷO の厚さＴ1 が測定対象量となる。
【００１５】
コイル１と渦電流励振部２は渦電流計測部を構成し、渦電流励振部２から周波数ｆの交流電流をコイル１に供給し、この状態でコイル１のインピーダンス(抵抗分Ｒとインダクタンス分Ｌ)を測定する働きをする。そして、測定された抵抗分Ｒとインダクタンス分ＬはＡ／Ｄ変換器８でディジタル信号化され、コンピュータで構成されている層厚さ演算部９に入力されるようになっている。
【００１６】
超音波送信器３と超音波受信器４及び超音波送受信部５は表面弾性波計測部を構成し、所定のタイミングで超音波送信器３を励振し、測定対象物Ｗの表面に表面弾性波Ｓを伝播させ、これを超音波受信器４で受信し、伝播速度の測定に必要な信号を出力する働きをする。そして、この信号はデジタイザ７に供給され、このデジタイザ７から層厚さ演算部９に入力されるようになっている。
【００１７】
治具６はコイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を保持し、超音波送信器３と超音波受信器４の間の距離を一定に保つと共に、測定時、コイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を、測定対象物Ｗの所定の部分の表面に接触した状態に保持する働きをする。
【００１８】
層厚さ演算部９は、上記したように、例えば市販のパーソナルコンピュータなどを備え、そこに搭載した所定のプログラムにより図２に示す処理を実行し、酸化層ＷO の厚さＴ1 と、窒化層ＷN の厚さＴ2 とを算出する働きをする。
【００１９】
そこで、次に、この図２のフローチャートにより、この実施形態による表面層厚さ測定装置の動作について説明する。
最初、この図２の処理の開始に先立って、図１に示すように、治具６によりコイル１と超音波送信器３及び超音波受信器４を測定対象物Ｗの所定の部分の表面に設置させ、次いで図２の処理を開始する。
【００２０】
まず、ステップ１０１では、渦電流励振部２を動作させ、コイル１に周波数ｆの交流電流を供給させ、この状態でコイル１のインピーダンスを測定する。
このとき、測定対象物Ｗは導電材料で作られているので、交流磁界のもとでは渦電流損を発生し、また、測定対象物Ｗは強磁性体であるので、交流磁場の影響で磁化される。
【００２１】
この結果、図１の状態のとき、つまりコイル１が測定対象物Ｗの表面に接触させられているときのインピーダンスは、コイル１の近傍に何も物体が存在していないときのインピーダンス(抵抗Ｒ0、インダクタンスＬ0)から、それとは異なったインピーダンスに変化する。
ここで、このときの抵抗Ｒ0 とインダクタンスＬ0 からなるインピーダンスをフリーインピーダンスと呼ぶ。
【００２２】
そこで、渦電流励振部２では、コイル１を一辺とするブリッジ回路を用い、励振交流電圧と同相の電圧成分からなる出力Ｈと、励振交流電圧と位相が直交する電圧成分からなる出力Ｖを検出する。そして、層厚さ演算部９は、これらの出力を、Ａ／Ｄ変換器８を介して取り込み、コイル１の抵抗Ｒと、リアクタンスωＬ(ω＝２πｆ)を算出する処理を行なう。
【００２３】
次に、ステップ１０２では、これら抵抗ＲとリアクタンスωＬをフリー状態でのリアクタンスωＬ0 で除算し、基準化抵抗((Ｒ−Ｒ0)／ωＬ)と、基準化リアクタンス(ωＬ／ωＬ0)からなる基準化インピーダンスを算出し、予め所定の基準線(詳細は後述)が設定してあるインピーダンス平面上で、この基準化インピーダンスから基準線までの距離ｄを算出し、次いで、ステップ１０３で、予め求めてある酸化層厚さＴ1 と距離ｄの相関関係(詳細は後述)を参照し、距離ｄを酸化層厚さＴ1 に変換する。
【００２４】
こうして、酸化層ＷO の厚さＴ1 を求める処理を終えたら、続いてステップ１０４以降の窒化層ＷN の厚さＴ2 を算出する処理に進む。
このため、まずステップ１０４では、超音波送受信部５により超音波送信器３を駆動し、測定対象物Ｗの表面に表面波Ｓを発生させ、一定距離伝播した表面波が超音波受信器２で受信されるようにし、受信信号を検出する。
【００２５】
次に、ステップ１０５では、受信信号を超音波送受信部５で増幅した上でデジタイザ７に供給し、ここでデジタル信号に変換してから層厚さ演算部９に取り込み、ここで音速変化率(ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ0)を算出する。
そして、ステップ１０６において、予め求めてある酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 に対する音速変化率の相関関係(詳細は後述)を参照して、窒化層厚さＴ2 に変換する。
【００２６】
従って、この実施形態によれば、以上の手順により窒化層と酸化層を各々独立に測定することができ、この結果、窒化層の厚さの減少などの経年的な変化を、表面に存在するであろう酸化層を除去することなく、定量的に把握することができる。
そしてまた、この結果、酸化層の除去に伴う機械部品など測定対象物Ｗの寸法変化を受けることなく、窒化層を有する部品の健全性を的確に評価することができる。
【００２７】
次に、前述したステップ１０２での基準線の詳細について説明する。
この基準線は、上記したように、インピーダンス平面上に設定されるが、このインピーダンス平面とは、図３に示すように、基準化抵抗((Ｒ−Ｒ0)／ωＬ)を横軸にし、基準化リアクタンス(ωＬ／ωＬ0)を縦軸にして表わされる平面のことである。
【００２８】
そして、このインピーダンス平面上での基準線の設定は、図４に示すフローチャートによる処理を実行することにより得られる。
まず、この図４の処理を開始する前に、窒化層厚さＴ2 が異なる複数個の測定対象物Ｗを用意する。
【００２９】
このときの測定対象物Ｗとしては、新たに部品を製作し、それに窒化処理をするとき、窒化処理時間や温度を変えることにより、異なった厚さの窒化層を形成させるようにしてもよいし、窒化処理後に電解研磨加工などにより窒化層厚さを変えて得るようにしてもよい。さらに、実機で長時間使用した部品の表面の酸化層を完全に除去したものを用いるようにしてもよい。
【００３０】
次いで、図４の処理に入り、まず、ステップ２０１で、複数個の各測定対象物Ｗを対象にして、コイル１のインピーダンスを個々に測定する。
このときは、図２の装置などを用い、前述の手順と同様にしてインピーダンスを測定すればよく、このとき、コイル１に印加すべき交流電圧の周波数は、測定時と同じ周波数ｆになるようにする。
【００３１】
次に、ステップ２０２では、前述の手順と同様にして、基準化抵抗と基準化リアクタンスを算出し、それぞれの測定対象物Ｗ毎に、図３に示したインピーダンス平面上に、白丸点で示してあるようにプロット(配置)し、測定点とする。
そうすると、夫々の基準化インピーダンスは、窒化条件などの違いにより生じている窒化層のごく表層部の透磁率の差などにより異なるので、これらの測定点は、図３に示すように、インピーダンス平面上で直線的に分布する。
そこで、これらの測定点の連なりを最小二乗法などにより直線に近似し、基準線１８とするのである。
【００３２】
次に、前述したステップ１０３における変換処理に必要な酸化層厚さＴ1 と距離ｄの相関関係を求める処理について説明すると、この距離ｄと酸化層厚さＴ1 の関係は、図５に示すような特性を示すが、この特性を表す相関関係は、図６に示すフローチャートによる処理を実行することにより得られる。
【００３３】
この図６の処理が開始されると、まず、ステップ３０１では、酸化層厚さＴ1 の値を異にする２層構造の測定対象物Ｗを複数個用意し、前述した手順と同様にして基準化インピーダンスを算出し、算出した結果を図３に示されているインピーダンス平面に配置して測定値１９とする。
次に、ステップ３０２では、この測定値１９から基準線１８方向に延び、基準線１８に直交する直線に沿って基準線１８に至る距離ｄ、すなわち測定値１９から基準線１８までの最短の距離ｄを算出し、第１の特徴量とする。
【００３４】
続いて、ステップ３０３では、各測定対象物Ｗを測定位置で切断し、断面の組織観察やマイクロビッカース硬さ測定器による計測結果などにより、酸化層厚さＴ1 の実測値を求め、これらの実測値からなる酸化層厚さＴ1 を横軸に、そして距離ｄを縦軸にして整理し、その後、ステップ３０４において、両者の関係を、例えば一次関数で近似して、図５に示すような特性として表される相関関係を決定し、第１のデータとするのである。
【００３５】
ここで、距離ｄ、すなわち測定値１９から基準線１８までの最短距離を利用することの利点は、酸化層の下にある窒化層の影響成分、例えば窒化層表面の透磁率を除去して、酸化層厚さに依存する成分だけが抽出できる点にあり、従って、この実施形態によれば、極めて高い精度で酸化層厚さＴ1 を測定することができる。
【００３６】
次に、上記ステップ１０６における酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 に対する音速変化率の相関関係を求める処理について説明する。
この相関関係は、図９に示すようになるが、この実施形態では、これを図７のフローチャートに示す処理によって求めるようになっており、このときの音速変化率の算出についての処理の内容は、図８に示すようになっている。
【００３７】
図７において、まず、ステップ４０１では、図８の左上に示すように、酸化層と窒化層のいずれも存在しない測定対象物Ｗを用意し、その表面に超音波送信器３と超音波受信器４を距離Ｄだけ離して配置し、この状態で、超音波受信器４により受信した表面波Ｓをデジタイザ７に入力し、遅延時間ｔ１の時間窓のもとでデジタル信号波形Ｘ(t)に変換し、これを層厚さ演算部９のメモリ９ａに格納する。
【００３８】
次に、ステップ４０２では、図８の右下に示すように、窒化層ＷN の表面に酸化層ＷO を有し、酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 が種々異なる複数の測定対象物Ｗを用意し、これらを対象として、同じく距離Ｄを隔てて配置した超音波送信器３と超音波受信器４により、遅延時間ｔ２の時間窓のもとで、表面波Ｓのディジタル信号波形Ｙ(t) を層厚さ演算部９に取り込む。
【００３９】
そして、ステップ４０３では、高速フーリエ変換を使って、波形Ｘ(t)と波形Ｙ(t)のクロススペクトルの位相特性θ(ω)を算出し、次の(1)式により音速変化率(ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ0 )を算出し、第２の特徴量とする。
ΔＵｒ(ｆ)／Ｕｒ0 ＝(Ｄ／Ｕｒ0−τ(f))／τ(f)……        ……(1)
ここで、Ｕｒ0 は測定対象物Ｗの母材の中での音速、τ(f)は群遅延時間で、
τ(f)＝ｄθ(ω)／(ｄω)＋ｔ２−ｔ１
である。
【００４０】
さらにステップ４０３では、測定対象物Ｗの測定部を切断し、断面の組織観察やマイクロビッカース硬さ測定器による計測結果などにより、酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 を求め、これら３種の値について、図９に示すような相関関係を得、これを第２のデータとするのである。
実際には、測定点の個数が限られているので、各測定点の間のデータについては、直線補完などにより得た内挿値や外挿値で補うことになり、これにより、連続した特性の相関関係を得ることができる。
【００４１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本発明が測定対象としている酸化層は、母材の表面に形成した窒化層が酸化され、その表面から内部に向かって順次、酸化層に変化してゆくことにより形成されるものであり、従って、酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 の和は、最初に形成した窒化層の厚さからは変わらず、ほぼ一定値を保つ筈である。
【００４２】
すなわち、いま、窒化層の厚さの初期値をＴ20 とすれば、
Ｔ20＝Ｔ1＋Ｔ2
となり、従って、Ｔ20＝Ｃ(定数)とすれは、
Ｔ2＝Ｃ−Ｔ1
となり、酸化層厚さＴ1 が測定されれば、これから図１０に示すように、窒化層厚さＴ2 を求めることができる筈である。
【００４３】
そこで、この第２の実施形態では、上記した第１の実施形態におけるコイル１と渦電流励振部２からなる渦電流計測部を用い、図１０に示す関係を利用し、酸化層厚さＴ1 の測定だけで、窒化層厚さＴ2 を求めるようにしたものである。
【００４４】
従って、渦電流励振部２から周波数ｆの交流電流をコイル１に供給し、この状態でコイル１のインピーダンス(抵抗分Ｒとインダクタンス分Ｌ)を測定し、測定された抵抗分Ｒとインダクタンス分ＬをＡ／Ｄ変換器８でディジタル信号化し、層厚さ演算部９で処理して酸化層厚さＴ1 を測定し、窒化層厚さＴ2 を求めるようにした点は、図１で説明した第１の実施形態と同じである。
【００４５】
次に、この第２の実施形態による表面層厚さ測定処理について、図１１に示すフローチャートにより説明する。
この図１１の処理は、層厚さ演算部９のコンピュータにより実行されるものであるが、ここでステップ５０１〜ステップ５０３での処理は、上記した第１の実施形態の処理を示す図２のフローチャートにおけるステップ１０１〜ステップ１０３と同じなので、説明は省略する。
【００４６】
この後、ステップ５０４では、図１０の相関関係を参照し、酸化層厚さＴ1 を窒化層厚さＴ2 に変換する。
この図１０に示す相関関係の設定については、蒸気タービン装置などで実際に使用された部品を破壊検査して求め、予めデータベース化しておいたものを使用すればよい。
【００４７】
従って、この第２の実施形態によれば、構成の大幅な簡略化を得ることができる。
なお、この第２の実施形態の場合、酸化層が剥離したり、周囲部品との摺動により削取られたりする虞れの無い部品の測定に適用するのが望ましい。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
この第３の実施形態は、表面層の厚さ測定に際して、窒化層の表面の硬さも測定できるようにしたもので、図１２は、その測定処理を示すフローチャートであり、この処理も、層厚さ演算部９のコンピュータにより実行されるようになっている。
なお、ハード的な構成については、第１の実施形態、又は第２の実施形態による表面層厚さ測定装置と同じであるので、詳しい説明は省略する。
【００４９】
初めに、この第３の実施形態による窒化層の硬さ測定の原理について説明すると、まず、窒化層１２ｂや酸化層１２ａのいずれも存在しない試験体を用意し、この上にコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定する。
次に、同一温度条件ではあるが、異なった窒化処理時間で形成した窒化層ＷN を有する試験体を用意し、その上にコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定する。
【００５０】
これらの各試験体毎のインピーダンス測定値を、図１３に示すように、インピーダンス平面上に白丸印としてプロットすると、図示のように、これらは、ある線分２０上に分布する。
なお、このことは、上記した第１の実施形態においても、図３により説明した通りである。
【００５１】
次に、実際のプラントなどの高温環境下で使用した部品の表面の酸化層を削り落し、表面を窒化層だけにした試験体を複数個用意し、これらにコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスを測定し、同じく図１３に示すように、測定値を黒丸印として、インピーダンス平面上にプロットする。
【００５２】
そうすると、これらのプロット点は、図示のように、ほぼ線分２０の延長線上に沿って分布するが、分布する位置は線分２０から離れており、軟化が進んだ窒化層を有する試験体によるものほど、その離れた距離が大きくなる。
これは、窒化層が経年変化し、これにより硬化に寄与する元素成分が減少し、この結果、軟化が進むと共に、それに相関して透磁率が変化するためである。
【００５３】
そこで、この性質から、線分２０を延長した直線２１上の基準化抵抗方向での位置を原点位置ｘとすると、この原点位置ｘと窒化層表面の硬さの間に、図１４に示すような相関関係を見い出すことができる。
ここで、この原点位置ｘの設定点は直線２１上の何処に定めても良いが、ここでは、例えば表面硬さが窒化処理時の硬さとなる点２３にしてある。
【００５４】
一方、実際のプラントなどの高温環境下で使用した或る部品の１個を試験体とし、その表面の酸化層を少しずつ削っていき、その都度、コイル１を近接させてインピーダンスを測定し、インピーダンス平面上にプロットするということを繰り返すと、図１３の三角印で示すように、その測定値は、さらに直線２０、２１とは異なる直線２２上に分布し、酸化層をすべて落としたときの試験体ＷO0 による測定値は、図示のように、直線２１との交点にくる。
【００５５】
これは、窒化層と酸化層では透磁率等の性質が異なることによるもので、三角印が直線２１から離れるほど、酸化層が厚いことを表わしていることは、上記した第１の実施形態で、図３により説明した通りである。
従って、このことから、被測定対象物に酸化層が存在していても、図１３において、コイル１により測定したインピーダンス値を通り、直線２２と平行な直線を求め、この直線が直線２１と交わる点の位置を第３の特徴量とすると、これから、酸化層の内側にある窒化層の表面の硬さの測定が可能なことが判る。
【００５６】
従って、この第３の実施形態による窒化層の表面の硬さを求める手順は、図１２に示すようになる。
まず、ステップ７０１では、測定対象物Ｗにコイル１を近接させ、コイル１のインピーダンスＬ’を測定する。
次に、ステップ７０２では、図１３のインピーダンス平面上において、この測定したインピーダンス値Ｌ’を通る直線の中で、直線２２に平行な直線を求め、この直線と直線２１との交点を求め、交点の直線２１上の位置ｘを求める。このとき、位置ｘを決める原点は、図１４の相関関係を測定したときと同一の点とする。
【００５７】
ステップ７０３において、求めた位置ｘと図１４の相関関係を第３のデータとして参照し、表面硬さに変換するのである。
ここで、この第３の実施形態におけるステップ７０１の処理は、第１の実施形態の処理を示す図２のフローチャートにおけるステップ１０１及び第２の実施形態の処理を示す図１１のフローチャートにおけるステップ５０１と同じである。
【００５８】
そこで、この第３の実施形態におけるステップ７０２とステップ７０３を、図２のフローチャート、又は図１１のフローチャートに付加してやれば、酸化層厚さＴ1 と窒化層厚さＴ2 の測定に加えて、窒化層の表面の硬さも求めることができる。
従って、この第３の実施形態によれば、部品の耐摩耗性やクリープ強度を、より一層、的確に評価することができ、装置の信頼性を大きく向上させることができる。
【００５９】
次に、本発明の第４の実施形態について、図１５により説明する。
図１５において、１５は治具、１６は走査駆動部、そして１７は走査制御部であり、その他の構成は、図１に示した第１の実施形態の場合と同じである。
治具１５はコイル１と超音波受信器４を保持する働きをする。従って、この第４の実施形態の場合、超音波送信器３は、図示してない別の治具などにより、直接、測定対象物Ｗの表面に固定して保持されるようになっている。
【００６０】
走査駆動部１６は電磁リニアアクチュエータなどの直線駆動機構を備え、治具１５を動かし、コイル１と超音波受信器４を接測定対象物Ｗの表面に沿って、第１の位置から、所定のピッチで第２の位置まで移動させてゆく処理、すなわち走査する働きをする。
【００６１】
走査制御部１７は層厚さ演算部９により制御され、走査駆動部１６によるコイル１と超音波受信器４の走査を制御する働きをする。
なお、このとき、治具１５に保持させるのは超音波送信器３にし、超音波受信器４が直接、測定対象物Ｗの表面に固定されるようにしてもよい。
次に、この第４の実施形態の動作について、図１６に示すフローチャートにより説明する。
この図１６のフローチャートによる処理も、同じく層厚さ演算部９を構成しているコンピュータにより、図２の第１の実施形態におけるステップ１０４の代りに実行されるもので、その他の処理は、図２のフローチャートと同じである。
【００６２】
図２のステップ１０３までの処理を終わったら、ステップ６０１の処理に移行し、まず、ここでは走査制御部１７を介して走査駆動部１６を制御し、治具１５に保持されているコイル１と超音波受信器４を第１の位置、つまり初期位置に移す。
次に、ステップ６０２では、この初期位置で超音波送信器３を動作させ、超音波受信器４で受信された表面波Ｓの波形Ｘ0(t)をデジタル信号として層厚さ演算部９に取り込み、所定のメモリに記録する。
次に、ステップ６０３では、コイル１と超音波受信器４を初期位置から所定のピッチで走査してゆく。
この場合の走査ピッチは、表面波Ｓの半波長λ／２の長さに選べばよい。
【００６３】
そして、各ピッチ移動する毎に、同じく受信された表面波Ｓの波形をデジタル信号Ｘi(t)として取り込み、記録する。
【００６４】
そして、ステップ６０４では、これらの波形Ｘ0(t)と波形Ｘi(t)を比較し、波形の相関により、位相差Δθi を算出する。
ついで、ステップ６０５で、走査完了位置に達しているか否かを調べ、完了してなければステップ６０３に戻り、(ｉ←ｉ＋１)としてから再びステップ６０３に進み、完了してたらステップ６０６に移行し、各走査ピッチ毎に順次求めた複数の位相差Δθi の統計的な処理により音速を算出するのである。
【００６５】
音速算出後の処理は、第１の実施形態の表面層厚さ測定方法と同じなので、説明は省略する。
この第４の実施形態によれば、上記した複数の位相差Δθi を用いて統計的な処理により音速を算出するようにしたので、超音波送信器３と超音波受信器４間の距離が短くても高精度で音速が検出でき、この結果、走査移動距離として、高々表面波Ｓの波長(超音波の周波数が５ＭＨｚなら、波長は約６００μｍ)の１０倍程度でよいので、測定対象物Ｗの表面の狭い部分での測定が可能になる。
【００６６】
例えば、上記した第１の実施形態では、超音波送信器３と超音波受信器４の間の距離Ｄを比較的長くとる必要があり、このため、コイル１による渦電流計測部で必要とする最小測定範囲に比して、超音波送信器３と超音波受信器４による表面弾性波計測部で必要とする最小計測範囲がかなり大きくなってしまい、このため、微小部分の計測には適応が困難があった。
【００６７】
しかして、この第４の実施形態によれば、渦電流計測部で必要とする最小測定範囲と同等の範囲での計測も容易になり、この結果、例えば、図１７に示すように、酸化層ＷO の厚さが微小範囲で異なっている場合にも充分に対応することができ、表面層の状態を細かく評価することができ、また、測定対象物が小さい場合にも容易に対応することができる。
【００６８】
ところで、以上の実施形態では、渦電流計測部で使用するインピーダンス平面として、図３、又は図１３に示すように、横軸が基準化抵抗で、縦軸が基準化リアクタンスになっている平面として定義しているが、本発明の実施形態におけるインピーダンス平面としては、他の定義によるものでも実施可能であり、以下、この点について説明する。
【００６９】
まず、図１８は、コイル１と渦電流励振部２の一部の他の実施形態による回路構成図で、この図において、渦電流計測部のコイル１は抵抗値がＲａで、インダクタンス値がＬａであり、これが渦電流励振部２のブリッジ回路の一素子として組み込まれている。
そして、このブリッジ回路は、抵抗値がＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各抵抗素子と、抵抗値がＲｂ、インダクタンス値Ｌｂのリアクタンス素子で構成され、一方の端子間に交流電圧Ｖin が印加されおり、他方の端子間から交流電圧Ｖo が取り出されるように構成されている。
【００７０】
コイル１は測定対象物Ｗから離れているときと、測定対象物Ｗに近接したときでは、インピーダンス値を異にするので、この場合には、ブリッジ回路に入力される交流電圧Ｖin と出力される交流電圧Ｖo の関係が変化する。
そして、このとき、この実施形態では、図１９に示すように、出力される交流電圧Ｖo と入力された交流電圧Ｖin との位相関係によりインピーダンス平面を定義したものであり、横軸には出力される交流電圧Ｖo の内、入力された交流電圧Ｖin と同相の成分をとり、縦軸には、入力された交流電圧Ｖin と直交する成分をとったものである。
【００７１】
そこで、この実施形態の場合には、複数個の各測定対象物Ｗを対象にして、出力される交流電圧Ｖo を個々に測定し、図１９に、白丸点で示してあるようにプロット(配置)し、測定点とする。
そして、これらの測定点の連なりを最小二乗法などにより直線に近似し、基準線１８’とする。
【００７２】
次に、この場合でも、酸化層厚さＴ1 と距離ｄ’の相関関係は、図５に示すようになるので、図３の場合と同様にして、酸化層厚さＴ1 を算出し、測定することができる。
なお、その他の構成や処理については、第１の実施形態乃至第４の実施形態と同じなので説明は省略する。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、物体の表面に形成された表面層が２層構成をなしていたとしても、それらの層の厚さを各々独立に非破壊で測定できるので、所望の層の厚さを常に正確に、且つ容易に評価することができる。
そして、この結果、蒸気タービンなど、高温高圧のもとで動作している機器の信頼性の向上に大いに寄与することができ、高い安全性の確保を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表面層厚さ測定装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態におけるインピーダンス平面の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態における基準線の決定方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態における酸化層の厚さと距離の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態における酸化層厚さと距離の関係を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態における音速変化率と酸化層厚さ及び窒化層厚さの関係を求める処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態における音速変化率の算出方法の説明図である。
【図９】本発明の一実施形態における酸化層厚さ及び窒化層厚さと音速変化率との相関関係の一例を示す特性図である。
【図１０】本発明の一実施形態における窒化層厚さと酸化層厚さの関係を示す特性図である。
【図１１】本発明の一実施形態における酸化層厚さと窒化層厚さの測定処理を示すフローチャートである。
【図１２】本発明の一実施形態における表面硬さ測定処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施形態による表面硬さの測定処理に使用するインピーダンス平面の説明図である。
【図１４】本発明の一実施形態における表面硬さを表す特性図である。
【図１５】本発明による表面層厚さ測定装置の他の一実施形態を示すブロック図である。
【図１６】本発明の他の一実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の他の一実施形態による測定状態の一例を示す説明図である。
【図１８】本発明における渦電流励振部の他の実施形態を示す回路図である。
【図１９】本発明の一実施形態におけるインピーダンス平面の他の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  コイル
２  渦電流励振部
３  超音波送信器
４  超音波受信器
５  超音波送受信部
６  治具
７  デジタイザ
８  Ａ／Ｄ変換器
９  層厚さ演算部
Ｗ  測定対象物
ＷO 酸化層
ＷN 窒化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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