(57)【要約】【課題】精度の高い金属材料の高温酸化モニタリング方法、これに用いるモニタリング装置、モニタリングプログラム、およびこれを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体を提供する。【解決手段】被酸化部材である２つの金属片１０ａ、１０ｂと絶縁体１１ａ、１１ｂと空間部１２とで構成される試験部２を高温環境下に置き、周波数を変化させつつ試験部２の交流インピーダンス測定するステップと、試験部２の交流インピーダンスの測定値から空気層１２の静電容量の値、抵抗の値および酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量の値、抵抗の値をのうち少なくともいずれか１つの値を算出するステップと、これら算出された値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出するステップとを含む。【選択図】  図３
2006071576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温環境下に置かれた金属材料の酸化のモニタリング方法において、
被酸化部材である２つの金属片と該２つの金属片に挟持された絶縁体とで空間部を形成し、該２つの金属片と該絶縁体と該空間部とで構成される試験部を高温環境下に置き、該２つの金属片に予め定める範囲内で周波数を変化させつつ交流電圧を印加し、該試験部の交流インピーダンスを測定するステップと、
該試験部の交流インピーダンスの測定値から空間部を形成する空気層の静電容量の値、抵抗の値および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つの値を算出するステップと、
算出した値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出するステップと、
を含むことを特徴とする金属材料の高温酸化モニタリング方法。
【請求項２】
前記酸化皮膜の挙動データは、酸化皮膜の厚さ、金属片からの酸化皮膜の剥離の有無、酸化皮膜の成分のうち少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の金属材料の高温酸化モニタリング方法。
【請求項３】
高温環境下に置かれた金属片の高温酸化モニタリング装置において、
被酸化部材である２つの金属片と、
該２つの金属片の間に空間部を形成するように該２つの金属片で挟持された絶縁体と、
該２つの金属片に交流電圧を印加する周波数可変可能な交流電圧印加手段と、
該２つの金属片間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
該インピーダンス測定手段が測定するインピーダンス測定データを記憶する記憶手段と、
該インピーダンス測定データを用いて、該空間部の空気層の静電容量の値、抵抗の値、および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つの値を算出し、この値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出する演算手段と、
該演算手段が算出する酸化皮膜の挙動データを出力する出力手段と、
を含むことを特徴とする金属材料の高温酸化モニタリング装置。
【請求項４】
金属材料の高温酸化をモニタリングするためにコンピュータを、インピーダンス測定データを記憶する記憶手段と、
該インピーダンス測定データを用いて、２つの金属片が形成する空間部の空気層の静電容量の値、抵抗の値、および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つ値を算出し、この値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出する演算手段と、
該演算手段が算出する酸化皮膜の挙動データを出力する出力手段と、
して機能させるための金属材料の高温酸化モニタリングプログラム。
【請求項５】
請求項４に記載のプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温環境下に置かれた金属材料の高温酸化のモニタリング方法、モニタリング装置、モニタリングプログラムおよびモニタリングプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のようにごみ焼却発電プラントのボイラ過熱器管など、発電の高効率化に伴って高温環境に曝される金属材料の酸化は年々深刻になっており、これら装置の寿命を著しく短くさせる場合がある。装置保全あるいはリスク予知の面から腐食による材料劣化のモニタリングは非常に重要であり、例えば特許文献１にはボイラ伝熱管やガスタービンの構成部材の腐食速度を継続的にモニタリングする技術が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の技術は、高温溶融塩付着条件下における金属材料の腐食速度を測定する方法として、ボイラ伝熱管材料やガスタービン構成部材と、付着した焼却灰中の溶融塩または結露水との界面の電気化学インピーダンスを計測する方法を用いている。このほか湿食環境下の腐食のモニタリングには、交流インピーダンス法なども使用されている。
【０００４】
一方、乾食とも呼ばれ高温の空気あるいはガスによる酸化反応によって形成される金属材料の酸化皮膜をモニタリングする技術としては、Ｌ．Ｈｅｉｋｉｎｈｅｉｍｏらがインピーダンス法を用いる方法を発表している（例えば非特許文献１参照）。この方法は、高温環境下で形成される酸化皮膜は誘電体あるいは半導体と考えられるので、酸化皮膜をコンデンサーとして静電容量の変化から酸化皮膜の厚さを求めようとするものである。
【特許文献１】特開２００３−１４６８２号公報
【非特許文献１】Ｌ．Ｈｅｉｋｉｎｈｅｉｍｏ，Ｋ．Ｌａｈｄｅｎｐｅｒａ，Ｓ．Ｓａｎｄｌｉｎ，Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，４５，２１４３（２００３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術は、高温溶融塩付着条件下における金属材料の腐食速度を測定する方法としては有用な方法ではあるが、高温環境下の金属材料の酸化のモニタリングには適用することができない。
【０００６】
またＬ．Ｈｅｉｋｉｎｈｅｉｍｏらが発表しているインピーダンス法を用いて、高温環境下の金属材料の酸化をモニタリングする方法は、優れた方法であるが次のような課題を有する。この方法はインピーダンスを測定する際、周波数を変化させていないので、回路を構成する空気層と酸化皮膜など構成要素毎の静電容量を独立して求めることが出来ない。このため酸化皮膜の成分が変化し誘電率が変化する場合には、実際の酸化皮膜の厚さと、酸化皮膜の静電容量の値から算出した酸化皮膜の厚さとが異なり、実際の現象を精度よく把握できない場合もある。さらに高温環境下の金属の酸化にあっては、酸化皮膜の剥離の有無を把握できれば、装置のメンテナンスなどにおいて大いに役立ち、酸化皮膜の剥離の有無の検知方法も開発が待たれている。
【０００７】
本発明の目的は、精度の高い金属材料の高温酸化モニタリング方法、これに用いるモニタリング装置、モニタリングプログラム、およびこれを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高温環境下に置かれた金属材料の酸化のモニタリング方法において、
被酸化部材である２つの金属片と該２つの金属片に挟持された絶縁体とで空間部を形成し、該２つの金属片と該絶縁体と該空間部とで構成される試験部を高温環境下に置き、該２つの金属片に予め定める範囲内で周波数を変化させつつ交流電圧を印加し、該試験部の交流インピーダンスを測定するステップと、
該試験部の交流インピーダンスの測定値から空間部を形成する空気層の静電容量の値、抵抗の値および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つの値を算出するステップと、
算出した値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出するステップと、
を含むことを特徴とする金属材料の高温酸化モニタリング方法である。
【０００９】
本発明で、前記酸化皮膜の挙動データは、酸化皮膜の厚さ、金属片からの酸化皮膜の剥離の有無、酸化皮膜の成分のうち少なくともいずれか１つであることを特徴とする請求項１に記載の金属材料の高温酸化モニタリング方法である。
【００１０】
また本発明は、高温環境下に置かれた金属片の高温酸化モニタリング装置において、
被酸化部材である２つの金属片と、
該２つの金属片の間に空間部を形成するように該２つの金属片で挟持された絶縁体と、
該２つの金属片に交流電圧を印加する周波数可変可能な交流電圧印加手段と、
該２つの金属片間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
該インピーダンス測定手段が測定するインピーダンス測定データを記憶する記憶手段と、
該インピーダンス測定データを用いて、該空間部の空気層の静電容量の値、抵抗の値、および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つの値を算出し、この値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出する演算手段と、
該演算手段が算出する酸化皮膜の挙動データを出力する出力手段と、
を含むことを特徴とする金属材料の高温酸化モニタリング装置である。
【００１１】
また本発明は、金属材料の高温酸化をモニタリングするためにコンピュータを、インピーダンス測定データを記憶する記憶手段と、
該インピーダンス測定データを用いて、２つの金属片が形成する空間部の空気層の静電容量の値、抵抗の値、および該金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗の値のうち少なくともいずれか１つ値を算出し、この値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出する演算手段と、
該演算手段が算出する酸化皮膜の挙動データを出力する出力手段と、
して機能させるための金属材料の高温酸化モニタリングプログラムである。
【００１２】
また本発明は、請求項４に記載のプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高温環境下に置かれた金属材料の酸化のモニタリング方法において、被酸化部材である２つの金属片と２つの金属片に挟持された絶縁体とで空間部を形成し、２つの金属片と絶縁体と空間部とで構成される試験部を高温環境下に置き、２つの金属片に予め定める範囲内で周波数を変化させつつ交流電圧を印加し、試験部の交流インピーダンスを測定するので、空気層の静電容量の値のみならず空気層の抵抗値、金属片に形成される酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値も求めることができる。これにより、少なくともこれらのいずれか１つの値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出することが可能となり、従来の酸化モニタニング方法に比較して精度の高いモニタリングが可能となる。
【００１４】
また本発明に従えば、金属片の酸化皮膜の挙動データは、酸化皮膜の厚さ、金属片からの酸化皮膜の剥離の有無、酸化皮膜の成分のうち少なくともいずれか１つであることから、酸化皮膜の厚さのみならず、酸化皮膜の剥離の有無、または酸化皮膜の成分をモニタリングすることが可能となり、従来技術に比較して精度の高いモニタリングが可能である。
【００１５】
また本発明に従えば、高温環境下に置かれた金属片の高温酸化モニタリング装置において、被酸化部材である２つの金属片と、２つの金属片の間に空間部を形成するように２つの金属片で挟持された絶縁体と、２つの金属片に交流電圧を印加する周波数可変可能な交流電圧印加手段と、２つの金属片間のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段とを備えるので、各周波数に応じた交流インピーダンスを測定することができる。
【００１６】
また、金属材料の高温酸化モニタリング装置は、インピーダンス測定手段が測定するインピーダンス測定データを記憶する記憶手段と、インピーダンス測定データを用いて、空間部の空気層の静電容量の値、抵抗値、および酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値のうち少なくともいずれか１つ値を算出し、この値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出する演算手段と、演算手段が算出する酸化皮膜の挙動データを出力する出力手段とを備えるので、測定データを記憶させたり、酸化皮膜の挙動データを算出し出力手段に出力させることが可能となり、コンパクトな装置で容易にモニタリングを行うことができる。またオンラインでモニタリングすることができる。
【００１７】
また本発明に従えば、記録したプログラムをコンピュータに読取らせて、金属片の高温酸化のモニタリングを行うことができるので、モニタリングをコンピュータに実行させることができる。また本発明は、プログラムを記録した記録媒体であるので、記録媒体を介することによって、容易にプログラムをコンピュータに供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施の一形態としての金属材料の高温酸化モニタリング装置１の概略的な構成を表すブロック図である。本発明の金属材料の高温酸化モニタリング装置１は、大略的には、試験片を備える試験部２、交流電圧印加手段３、交流インピーダンス測定手段４、および交流インピーダンス測定データを用いて金属片の酸化皮膜の厚さ等を算出、出力するデータ処理装置５とを含み構成される。
【００１９】
試験部２は、金属片１０ａ、１０ｂからなる試験片と雲母板１１ａ、１１ｂとを含み構成される。試験部２は次の要領で作成することができる。２つの金属片１０ａ、１０ｂを用意し、この２つの金属片１０ａ、１０ｂで２枚の雲母板１１ａ、１１ｂをスペーサとして挟み込む。雲母板１１ａ、１１ｂは２つの金属片１０ａ、１０ｂの間の電気的絶縁を保持する機能を果たす。この時２枚の雲母板１１ａ、１１ｂは、金属片１０ａ、１０ｂの両端に配置する。これにより２枚の金属片１０ａ、１０ｂと２枚の雲母板１１ａ、１１ｂとで、金属片１０ａ、１０ｂの間に空間部１２を形成することができる。この試験部２をさらに耐火レンガ１３ａ、１３ｂおよび図示を省略した金属治具で挟み込み、試験部２を固定する。試験部２は他の部材と接触したとき、電気的に絶縁されている必要があるので、耐火レンガ１３ａ、１３ｂを介して金属治具で試験部２を固定する。
【００２０】
ここで、金属片１０ａ、１０ｂはモニタリング対象となる金属材の材質と同一の材料を用いる。金属片１０ａ、１０ｂの大きさ、形状および厚さは特に限定されるものではない。スペーサとして機能する雲母板１１ａ、１１ｂの大きさおよび厚さは、試験部２に形成する空間部１２の大きさから決定される。空間部１２の大きさは特に限定されないけれども、縦１０〜３０ｍｍ、横１０〜３０ｍｍ、厚さ０．２〜１ｍｍ程度の大きさが望ましい。
【００２１】
予め金属板１０ａ、１０ｂには、各々の側面に金属製の棒１４ａ、１４ｂを溶接などにより固着させておく。この金属製の棒１４ａ、４ｂを電線として２つの金属片１０ａ、１０ｂとを交流電圧印加手段３と接続し、交流電圧印加手段３はインピーダンス測定手段４と接続する。交流電圧印加手段３は、周波数を数十ヘルツ〜１メガヘルツ程度の範囲で可変可能であり、印加電圧として５Ｖ程度の電圧を印加させる機能を備える。またインピーダンス測定手段４は、交流電圧印加手段３が金属片１０ａ、１０ｂに交流電圧を印加したときの各周波数毎の交流インピーダンスを測定する。この交流電圧印加手段３としては、インピーダンス測定機能も備えたＬＣＲテスタ１６がある。
【００２２】
データ処理装置５は、記憶手段１７、演算手段１８および出力手段１９を含み構成され、測定したインピーダンスデータを用いて金属片１０ａ、１０ｂの酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さ等を算出する。記憶手段１７は測定したインピーダンスデータなどを記憶する。演算手段１８は、記憶手段１７に記憶したインピーダンスデータを用いて、２つの金属片１０ａ、１０ｂが形成する空間部１２の空気層の静電容量の値、抵抗の値、および酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量の値、抵抗値のうち少なくともいずれか１つの値を算出する。これらの算出要領の詳細については後述する。演算手段１８は算出した空気層１２の静電容量の値などを用いて、予め定めた空気層１２の静電容量の値と酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さとの関係から、金属片１０ａ、１０ｂの酸化皮膜の厚さなどを算出する。これは空気層１２の静電容量の値と酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さとの関係を、予めプログラムしておくことにより実現することができる。
【００２３】
演算手段１８が算出した酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さなどの値は、ＣＲＴに表示させたり、あるいはプリンタを通じてプリントするなどデータ出力手段１９を通じて出力させることができる。記憶手段１７は、測定したインピーダンス測定データのみならず、インピーダンス測定データを用いて算出した空気層１２の静電容量の値、または酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さなどのデータを記憶することが可能なので、これらを出力手段１９に出力させることで容易に経時変化を把握することができる。
【００２４】
上記の記憶手段１７、演算手段１８および出力手段１９は、パーソナルコンピュータ５などを用いて実現することができる。以上のように非常にコンパクトな装置で金属片の酸化挙動等をモニタリングすることができる。また金属片の酸化皮膜の厚さなどを算出するプログラムを記録媒体に記録させることで、容易にプログラムをコンピュータに供給することができる。
【００２５】
次に空気層１２の静電容量、酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量等の算出方法について説明する。試験部２は２つの金属片１０ａ、１０ｂからなる試験片、および試験片の両端に挟まれた２枚の雲母板１１ａ、１１ｂから構成されている。対面する試験片の間には、雲母板１１ａ、１１ｂの厚さに相当する空間部１２を有する。試験片１０ａ、１０ｂの表面が酸化されることにより、試験片１０ａ、１０ｂの表面に形成された酸化皮膜１５ａ、１５ｂが成長すると同時に、試験片間の空間部１２を形成する空気層の厚さは逆に狭くなる。この空気層、酸化皮膜の厚さの変化を交流インピーダンスの測定により抵抗および静電容量の変化として捉えることができる。
【００２６】
試験部２の構成から、試験部２の等価回路は図２（ａ）で表される。ここで試験片１０ａ、１０ｂに挟まれた２枚の雲母板１１ａ、１１ｂ、および２つの試験片１０ａ、１０ｂ表面に形成される酸化皮膜１５ａ、１５ｂはそれぞれ同一とみなされるので、図２（ａ）の等価回路は図２（ｂ）のように簡略される。図２（ｂ）において、Ｃ１、Ｒ１は２つの試験片１０ａ、１０ｂ間の空気層１２の静電容量、抵抗を表す。同様にＣ２、Ｒ２は２つの試験片１０ａ、１０ｂ表面に形成される酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量および抵抗を表す。またＣ３、Ｒ３は雲母板１１ａ、１１ｂの静電容量と抵抗を表す。
【００２７】
この時のインピーダンスＺは、式（１）〜式（３）で表される。ここでωは角周波数、ｊは虚数単位である。
【００２８】
【数１】
2006071576.tif 000003
ここで雲母板１１ａ、１１ｂの静電容量Ｃ３および抵抗Ｒ３は、試験片１０ａ、１０ｂと同一の面積の雲母板を試験片で挟み、試験片間１０ａ、１０ｂに空気層１２のない状態でインピーダンスを測定することで求めることができる。雲母板１１ａ、１１ｂの静電容量Ｃ３および抵抗Ｒ３は、酸化試験中は変化せず一定値であるので、未知数はＣ１、Ｒ１、Ｃ２、Ｒ２となる。インピーダンス挙動から試行錯誤法（カーブフィッティング法）を用いることによって、高温空気層１２および酸化皮膜層の成分を決定できる。
【００２９】
次に空気層および酸化皮膜の誘電率の算出方法について説明する。
誘電率ε（ｐＦ・ｍ−１）は式（４）、式（５）で求めることができる。
【００３０】
【数２】
2006071576.tif 000004
ここで、比誘電率ε´は真空の誘電率εｖに対する物質の誘電率の比であり、Ｃは静電容量（ｐＦ）、ｌは誘電体の厚さ（ｍ）、Ａは投影面積（ｍ２）である。誘導体の厚さｌは、酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さｘ１と酸化皮膜１５ａ、１５ｂの成分とから試験片の減肉ｘ２を算出し求めることができる。これにより空気層の誘電率εａおよび酸化皮膜の誘電率εｆは各々式（６）、式（７）で求めることができる。また、空気層および酸化皮膜の比誘電率を式（４）、式（５）で求めることができる。
【００３１】
【数３】
2006071576.tif 000005
次に金属材料の高温酸化モニタンリング方法について説明する。
図３は、本発明の実施の一形態としての金属材料の高温酸化モニタリング方法の手順を示すフローチャートである。本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することができるものである。まずステップＳ１で、金属片１０ａ、１０ｂからなる試験片と雲母１１ａ、１１ｂとで試験部２を作成する。作成要領は上記に示した通りである。この試験部２を加熱炉などの高温環境下に置く（ステップＳ２）。試験部２はモニタリング対象となる金属材の近傍に設置することが、環境上の差をなくす点から望ましい。
【００３２】
モニタリングする時間は特に限定されるものではないが、２つの金属片１０ａ、１０ｂの表面が酸化され、２つの酸化皮膜１５ａ、１５ｂとが接触すると、これ以上の酸化皮膜の成長はなくなるので、実質上の終点となる。試験部２を加熱炉に設置した後、金属片１０ａ、１０ｂに固着された電線１４ａ、１４ｂと交流電圧印加手段であるＬＣＲテスタ１６と接続する。さらにＬＣＲテスタ１６とパーソナルコンピュータ５とを接続し、各機器を起動させる。
【００３３】
次にステップＳ３において、試験片１０ａ、１０ｂに所定の時間毎に交流電圧を印加し、試験部２の交流インピーダンスを測定する。交流インピーダンスは、周波数を変化させながら行う。印加する電圧は５Ｖ程度、周波数は数十ヘルツ〜１メガヘルツ程度の範囲で行なうことが望ましい。ステップＳ４において、測定した交流インピーダンスデータから上述の式（１）〜式（３）を用いて、試験部２の空気層１２の静電容量、抵抗、金属片１０ａ、１０ｂに形成される酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量、抵抗の各値を算出する。なお、雲母片１１ａ、１１ｂの静電容量の値、抵抗値については、事前に同一の環境下での値を求めておくことが望ましい。
【００３４】
ステップＳ４で試験部２の空気層１２の静電容量、抵抗、酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量、抵抗の各値を算出した後、ステップＳ５において予め定めたこれらの値と金属片１０ａ、１０ｂの酸化皮膜データとの関係から金属片１０ａ、１０ｂの酸化皮膜の挙動データを算出する。空気層１２の静電容量のみならず空気層の抵抗値、酸化皮膜１５ａ、１５ｂの静電容量の値、抵抗値を求めることができるので、少なくともこれらのいずれか１つの値と酸化皮膜データとの関係から酸化皮膜の挙動データを算出することが可能となり、従来の酸化モニタニング方法に比較して精度の高いモニタリングが可能となる。
【００３５】
酸化皮膜の挙動データは、酸化皮膜の厚さ、金属片からの酸化皮膜の剥離の有無、酸化皮膜の成分などである。空気層１２の静電容量と酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さとの関係の一例を図４に示す。図４は雲母板１１ａ、１１ｂの厚さをパラメータとして、酸化皮膜の厚さと空気層の基準化静電容量の値の関係を示した図である。図４に示すように酸化皮膜１５ａ、１５ｂの厚さと空気層１２の静電容量（基準化静電容量）には明確な相関関係がある。基準化静電容量とはある基準時間における静電容量に対する各静電容量の割合を言う。
【００３６】
次に金属片１０ａ、１０ｂの表面の酸化皮膜１５ａ、１５ｂの剥離の有無と空気層１２の静電容量との関係の一例を図５に示す。図５に示すように、酸化皮膜１５ａ、１５ｂが剥離する前までは空気層１２の静電容量は、時間とともに減少するが、酸化皮膜１５ａ、１５ｂが剥離すると空気層１２の静電容量が急減に上昇する。静電容量が上昇した後は、空気層１２の静電容量は剥離前と同様、時間経過とともに減少する。
【００３７】
以上のように空気層の静電容量は、試験片の酸化皮膜の厚さに対して増加する関係を有することから、空気層の静電容量を算出することで試験片の酸化皮膜の厚さを求めることができる。また酸化皮膜が剥離することによって、空気層の静電容量は大幅に上昇することから、空気層の静電容量を算出することで酸化皮膜の剥離の有無を検知することができる。
【００３８】
また後述の実施例１および実施例２の実証データ（図１０）に示すように、酸化皮膜の誘電率εｆは、時間経過とともに増加しており、酸化皮膜の成分が変化していることが分かる。よって交流インピーダンスの測定データを用いて、酸化皮膜を厚さのみならず酸化皮膜の成分までも求めることができる。
【００３９】
このように本発明によれば酸化皮膜の厚さのみならず、酸化皮膜の剥離の有無も検知するができる。さらに酸化皮膜の成分の変化状況もモニタリングが可能となり、従来に比較して精度の高いモニタリングをすることができる。また連続してモニタリングすることも可能である。
【００４０】
以上の例では空気層の静電容量と試験片の酸化皮膜との関係を示したけれども、後述の実施例１および実施例２の実証データ（図７参照）に示すように、空気層の抵抗値Ｒ１または酸化皮膜の静電容量Ｃ２および抵抗値Ｒ２も時間経過ともに変化しており、これらの値から酸化皮膜の厚さを求めることも可能である。よって従来法に比較して金属片の高温酸化を精度よくモニタリングすることができる。
【００４１】
（実施例１）次に、本発明の実施例を示す。
試験片には、大きさは長さ２０ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ５ｍｍの炭素鋼ＳＳ４００を使用した。この試験片を２枚用いて雲母板（１５×２．５ｍｍ）を挟み込み、試験片間の間隔を０．２ｍｍに保った。この試験片を耐火煉瓦および金属製の治具で固定し、８７３Ｋに保たれた加熱炉に入れ加熱した。加熱炉内で１４．４〜８６．４ｋｓ間保持し、約３．６ｋｓ毎に交流インピーダンスを測定した。また成長した酸化皮膜を剥離させるために、試験の途中で加熱炉の温度を５０〜１００Ｋ低下させた。
【００４２】
試験終了後に試験片を取り出し、冷却後に酸化皮膜断面をＳＥＭで観察し皮膜厚さを求めた。交流インピーダンスにおける周波数を６０ヘルツ〜１メガヘルツ、印可電圧を５Ｖとした。
【００４３】
（実施例２）試験片間の間隔を０．６ｍｍとした以外、条件は実施例１と全て同一である。
【００４４】
（実施例１および実施例２の結果）
試験片の間隔を０．６ｍｍとし、試験温度８７３Ｋ、試験時間１４．４ＫｓにおけるＢｏｄｅプロットを図６に示す。Ｂｏｄｅプロットはインピーダンスの表示法の一つで、インピーダンスの絶対値Ｚと位相差θを周波数の関数として表示するものである。図６中実プロット点は実測値を、実線は計算値を示す。実測値と計算値はよく一致しており、インピーダンスの測定結果から、空気層の静電容量の値、抵抗値、酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値を算出可能なことが分かる。
【００４５】
図７および図８は、空気層の静電容量の値、抵抗値および酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値の経時変化を示す図である。また図９は酸化皮膜の厚さの経時変化を示す図である。図７または図８に示すように空気層の静電容量の値Ｃ１は加熱直後に大きく増加し、その後も徐々に大きくなった。これに対して酸化皮膜の静電容量Ｃ２の値は、加熱直後に大きく減少し、その後も徐々に小さくなった。空気層の抵抗値Ｒ１、酸化皮膜の抵抗値Ｒ２も加熱時間に対して変化が見られた。酸化皮膜の厚さは図９に示すように時間経過とともに増加した。以上のように空気層の静電容量の値、空気層の抵抗の値、酸化皮膜の静電容量の値、酸化皮膜の抵抗値各々と酸化皮膜の厚さとの間には相関関係があるので、これによりインピーダンスを測定することで酸化皮膜の厚さを求めることができる。図１０は、酸化皮膜の誘電率の経時変化を示す図である。空気層の厚さによらず時間経過ともに酸化皮膜の誘電率が増加していることが分かる。これにより酸化皮膜の成分の変化をモニタリングすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の一形態としての金属材料の高温酸化モニタリング装置１の概略的な構成を表すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の試験部の等価回路を示す図であり、図２（ｂ）は本発明の試験部の簡略化した等価回路を示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態としての金属材料の高温酸化モニタリング方法の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の金属片の酸化皮膜の厚さと空気層の静電容量（基準化静電容量）との関係を示す図である。
【図５】本発明の金属片表面の酸化皮膜の剥離の有無と空気層の静電容量との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施例１のＢｏｄｅプロットを表した図である。
【図７】本発明の実施例１の空気層の静電容量の値、抵抗値および酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値の経時変化を示す図である。
【図８】本発明の実施例２の空気層の静電容量の値、抵抗値および酸化皮膜の静電容量の値、抵抗値の経時変化を示す図である。
【図９】本発明の実施例１および実施例２の酸化皮膜の厚さの経時変化を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１および実施例２の酸化皮膜の誘電率の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１              高温酸化モニタリング装置
２              試験部
３              交流電圧印加手段
４              インピーダンス測定手段
１０ａ、１０ｂ  金属片
１１ａ、１１ｂ  雲母板
１２            空気層
１５ａ、１５ｂ  酸化皮膜
１７            記憶手段
１８            演算手段
１９            出力手段
【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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