(57)【要約】【課題】ボイラの火炉の表面に溶射された溶射膜などの非常に薄くまた現場から動かすことができない溶射膜であっても、簡単な計算で、しかも高精度で硬さを求めることができる溶射膜の硬さ測定方法を提供する。【解決手段】母材の表面に溶射された溶射膜の硬さ測定出方法であって、あらかじめ、前記母材及び溶射膜を模して、テストピース用母材の表面にテストピース用溶射膜が溶射されたテストピースを複数作成し、該テストピースを用いて、溶射膜の硬さを、溶射膜の表面から圧子を押し込んだときの押込力と押込深さとに基づいて得られる見かけの硬さと溶射膜の膜厚と母材の硬さを用いて表す関係式を作成しておき、前記溶射膜の表面から圧子を押し込み、該圧子の押込力と押込深さとに基づいて得られる溶射膜の見かけの硬さを測定するとともに、前記溶射膜の膜厚と母材の硬さを測定し、前記見かけの硬さの測定値と、前記溶射膜の膜厚の測定値と、前記母材の硬さの測定値を元に、前記関係式を用いて溶射膜の硬さを算出する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に溶射された溶射膜の硬さ測定方法であって、
あらかじめ、前記母材及び溶射膜を模して、テストピース用母材の表面にテストピース用溶射膜が溶射されたテストピースを複数作成し、該テストピースを用いて、溶射膜の硬さを、溶射膜の表面から圧子を押し込んだときの押込力と押込深さとに基づいて得られる見かけの硬さと溶射膜の膜厚と母材の硬さを用いて表す関係式を作成しておき、
前記溶射膜の表面から圧子を押し込み、該圧子の押込力と押込深さとに基づいて得られる溶射膜の見かけの硬さを測定するとともに、前記溶射膜の膜厚と母材の硬さを測定し、
前記見かけの硬さの測定値と、前記溶射膜の膜厚の測定値と、前記母材の硬さの測定値を元に、前記関係式を用いて溶射膜の硬さを算出することを特徴とする溶射膜の硬さ測定方法。
【請求項２】
前記溶射膜の見かけの硬さの測定は、超音波硬度計又はリバウンド式硬度計を用いて行うことを特徴とする請求項１記載の溶射膜の硬さ測定方法。
【請求項３】
硬度計と膜厚計を一体化した測定装置を用意し、
該測定装置を用いて溶射膜の見かけの硬さ、及び溶射膜の膜厚を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の溶射膜の硬さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶射膜の硬さ測定方法に関するものであり、特にボイラ火炉管の表面に溶射された溶射膜などの非常に薄くまた現場から動かすことができない溶射膜に適用して好適な溶射膜測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石炭焚きボイラの火炉管は、燃焼後の石炭灰が燃焼ガスに混ざって流れてボイラの火炉管表面減肉させるアッシュエロージョンや、火炉管表面の石炭灰付着防止用に吹き付ける高圧蒸気によって火炉管表面が減肉するスチームカットなどの要因により、その表面に摩耗が生じる。
【０００３】
そこで、前記火炉管の摩耗対策として、火炉管の表面に耐摩耗性に優れた材料を使用して溶射膜を溶射することが従来より採用されている。火炉管の材料として例えばボイラー用炭素鋼鋼管（ＳＴＢ）が採用される場合には、溶射膜に使用する材料としてタングステンカーバイトなどが採用されている。
また、石炭焚きボイラの火炉管に限らず、その他のボイラや大型機器の内部においても、摩耗対策として溶射膜を溶射することが採用される。
【０００４】
摩耗対策として溶射膜を溶射する場合、ボイラなどの実機の製作後や定期開放時などに、実機内で直接火炉管などに溶射することが一般的である。
一方で、摩耗対策として溶射膜を溶射する場合、耐摩耗性は硬さに依存するため、耐摩耗性の評価として形成された溶射膜の硬さを評価することが重要である。そのため、溶射膜の溶射後に溶射膜の硬さ測定を行う必要がある。
【０００５】
そこで、ポータブル硬さ計を用いて、溶射膜の硬さ測定を行うことが考えられる。
図５は、ポータブル硬さ計を用いた溶射膜の硬さ測定の説明図である。
図５に示すように、火炉管の母材１０２の表面に溶射膜１０４が形成されている。ポータブル硬さ計を用いて溶射膜１０４の硬さ測定を行う場合、ポータブル硬さ計の先端部に取り付けられた測定圧子１０６を溶射膜１０４の表面に押し当てて圧痕をつける。該圧痕は、同一材質、同一荷重で、被測定面に測定圧子を押し当てると、軟らかい被測定物では圧痕が深くなり、硬い被測定物は圧痕が浅くなることから、圧痕の大きさを顕微鏡で観察して測定し硬さに換算することができる。
なお、圧痕の大きさを直接測定する代わりに、ＵＣＩ法（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ：超音波接触インピーダンス）に従って電子的に圧痕を評価する超音波式のポータブル硬度計や、ばねの力でインパクトボディを被検材表面にあて、インパクトの位相速度とリバウンドの位相速度とを被接触で測定し、その測定値から硬さを算出するリバウンド式のポータブル硬度計などを使用することも考えられる。
【０００６】
しかしながら、何れのポータブル硬さ計であっても、硬さ測定をする部分では充分な肉厚を必要とする。そのため、数百μｍと薄い溶射膜の硬さをポータブル硬さ計で測定すると、図５に位置１４２で示したように、測定圧子を押し当てた影響が母材１０２にまでおよび、圧痕の大きさが母材１０２の影響を強く受けてしまい、溶射膜の硬さを正確に測定することができない。
【０００７】
そのため、火炉管への溶射膜の溶射と同時に、母材と同材料のテストピースに火炉管と同様に溶射膜を溶射し、テストピースに形成された溶射膜の硬さを測定することが実施されている。図６はテストピースに形成された溶射膜の硬さ測定の説明図である。
テストピースの母材１１２の表面に形成された溶射膜１１４に対して側面側から圧痕１１８をつけることで、圧痕１１８の大きさから母材１１２の影響を受けることなく硬さを測定することができる。
【０００８】
しかしながら、テストピースを使用する硬さ測定においては、例えば実機における角部などの溶射の作業がしにくい場所などでは、テストピースと現場における溶射膜の厚さが全く同じになるとは限らず、実機における溶射膜がテストピースで測定した溶射膜の硬さと一致しない可能性がある。
【０００９】
そこで、母材の硬さの影響を受けず、しかもテストピースを使用することなく実機で溶射膜の硬さを測定するために、特許文献１に開示された技術を適用することが考えられる。
特許文献１に開示された技術は、表面波を用いた超音波非破壊計測方法であって、超音波振動子から複数周波数の成分を含むパルスを被計測物に照射して表面反射波及び表面伝播波を受信して、周波数バンドフィルタを用いて該複数周波数における波形を分離し、次いで分離した各波形から伝播時間差及び表面波音速を求め、その後、これらから周波数毎の位相速度を算出して、該位相速度から被計測物の複数の深さにおける硬度等の弾性的性質を求めるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−８４４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、被計測物に照射した超音波パルス表面反射波と表面伝播波をバンドパスフィルタで分離し、深さと硬度を求めている。即ち１の入力に対して２の変数を求めているため、測定精度に課題が残る。特許文献１には、測定精度を向上させるために被計測物を水槽内に入れて測定することが記載されているが、ボイラ火炉管の溶射膜の硬さ測定をする際には、非計測物を水槽内に入れて測定することは不可能である。
また、測定に際して超音波を使用し、煩雑な計算を要する必要があり、既存のポータブル硬度計を使用することができない。
【００１２】
従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、ボイラの火炉の表面に溶射された溶射膜などの非常に薄くまた現場から動かすことができない溶射膜であっても、簡単な計算で、しかも高精度で硬さを求めることができる溶射膜の硬さ測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明者は、母材に溶射した溶射膜の硬さ測定に影響を与える要素として、溶射膜の厚さと母材の硬さに注目し、溶射膜の実際の硬さは、溶射膜の硬さを実際に測定したときに得られる見かけの硬さを溶射膜の厚さと母材の硬さを使用して換算することで算出できることを見出した。
【００１４】
上記課題を解決するため本発明においては、母材の表面に溶射された溶射膜の硬さ測定方法であって、あらかじめ、前記母材及び溶射膜を模して、テストピース用母材の表面にテストピース用溶射膜が溶射されたテストピースを複数作成し、該テストピースを用いて、溶射膜の硬さを、溶射膜の表面から圧子を押し込んだときの押込力と押込深さとに基づいて得られる見かけの硬さと溶射膜の膜厚と母材の硬さを用いて表す関係式を作成しておき、前記溶射膜の表面から圧子を押し込み、該圧子の押込力と押込深さとに基づいて得られる溶射膜の見かけの硬さを測定するとともに、前記溶射膜の膜厚と母材の硬さを測定し、前記見かけの硬さの測定値と、前記溶射膜の膜厚の測定値と、前記母材の硬さの測定値を元に、前記関係式を用いて溶射膜の硬さを算出することを特徴とする。
【００１５】
これにより、溶射膜の硬さを実際に測定したときに得られる見かけの硬さを、溶射膜の実際の硬さに換算することができる。従って、硬さ測定時に母材の影響を大きく受けるほど溶射膜の膜厚が薄いものであっても、正確に溶射膜の硬さを得ることができる。
また、前記関係式を作成しておけば、見かけの硬さを測定することで溶射膜の実際の硬さを算出することができるので、ボイラ火炉管の表面に溶射された溶射膜などの現場から動かすことができない溶射膜であっても見かけの硬さ測定さえできれば正確に溶射膜の硬さを得ることができる。
【００１６】
また、前記溶射膜の見かけの硬さの測定は、超音波硬度計又はリバウンド式硬度計を用いて行うことを特徴とする。
超音波硬度計、リバウンド式硬度計はコンパクトで持ち運びが容易である。そのため、ボイラ火炉管の表面に溶射された溶射膜などの現場から動かすことができない溶射膜の測定を行う場合などにおいても、現場に硬度計を持ち運んで測定することが容易である。
【００１７】
また、硬度計と膜厚計を一体化した測定装置を用意し、該測定装置を用いて溶射膜の見かけの硬さ、及び溶射膜の膜厚を測定することを特徴とする。
前記測定装置を使用することで、溶射膜の見かけの硬さと、膜厚を同時に測定することができ、測定にかかる作業員の工数が少なくなる。また、前記測定装置を使用することで、硬さ計と膜厚計の両方を測定現地まで持ち運ぶ必要がないため、持ち運びに関する利便性もいい。
【発明の効果】
【００１８】
以上記載のごとく本発明によれば、ボイラの火炉の表面に溶射された溶射膜などの非常に薄くまた現場から動かすことができない溶射膜であっても、簡単な計算で、しかも高精度で硬さを求めることができる溶射膜の硬さ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】標準データを取得するためのテストピースの概略図である。
【図２】変換式作成に係るグラフである。
【図３】ボイラ火炉管の設置されている現地にて用いる測定装置の一例を示す概略図である。
【図４】溶射膜厚の実際の硬さを求める例を示したグラフである。
【図５】ポータブル硬さ計を用いた溶射膜の硬さ測定の説明図である。
【図６】テストピースに形成された溶射膜の硬さ測定の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【実施例】
【００２１】
本発明は、母材に溶射した溶射膜の表面から測定圧子を押し当てて見かけの硬さを測定し、該見かけの硬さを溶射膜の厚さと母材の硬さを使用して溶射膜の実際の硬さに換算するものである。なお、前記硬さ測定値は背景技術において説明した通り、溶射膜の厚みが充分でない場合には母材の硬さの影響を強く受けるため、溶射膜の実際の硬さとは異なる値となる。
【００２２】
なお、本実施例においては、ボイラ火炉管の表面に溶射した溶射膜の硬さを測定する例について説明するが、本発明はボイラ火炉管の表面に溶射した溶射膜の硬さ測定に限定されるものではない。
【００２３】
（標準データの取得と換算式の作成）
前述の通り、見かけの硬さを溶射膜と厚さと母材の硬さを用いて溶射膜の実際の硬さの換算する必要がある。そのため、前記換算に使用する標準データの取得と換算式の作成について説明する。
【００２４】
図１は標準データを取得するためのテストピースの概略図である。
まず、テストピース１０を作成する。
テストピース１０は、母材１２と該母材１２の表面に溶射した溶射膜１４から構成される。母材１２は、ボイラ火炉管と同じ材料で作成する。溶射膜１４は、母材１２の表面に溶射して形成する。ここで、母材１２の硬さは既知であるものとし記号ＨＶｍで表す。未知である場合にはＨＶｍ測定を実施しておく。
【００２５】
テストピース１０が作成されると、以下の３種類の測定を行う。
（１）テストピース１０の母材１２に溶射した溶射膜１４の表面から測定圧子６を押し当てて圧痕をつけ、見かけの硬さを測定する（以下、測定値を硬さ測定値と称し、記号ＨＶ１で表す）。硬さ測定値の測定は、実際にボイラ火炉に溶射された溶射膜の硬さ測定を行う際に使用する測定器を使用することが好ましく、超音波式のポータブル硬度計、リバウンド式のポータブル硬度計などを使用することができる。なお、硬さ測定値は、母材１２の硬さの影響を受けるものであり、溶射膜１４の実際の硬さとは異なる。
（２）テストピース１０の溶射膜１４に対して側面側から測定圧子を押し当てて圧痕１８をつけて、硬さ測定をする。該測定によって得られる測定値は、母材の影響を受けるものではなく、溶射膜の実際の硬さである。従って、以下において、実際の硬さ値と称し、記号ＨＶで表す。
（３）溶射膜１４の溶射膜厚を測定する。溶射膜の膜厚を測定できれば、測定方法は特に限定されるものではない。以下において、溶射膜厚を記号ｔで表す。
【００２６】
さらに、溶射膜の厚さ、硬さなどを変えたテストピースを複数作成して、それぞれのテストピースについて上記のように、硬さ測定値ＨＶ１、実際の硬さ値ＨＶ、溶射膜厚ｔの測定を行うことを繰り返す。
【００２７】
次に、前述のテストピースを使用した測定によって得られた標準データを元に、硬さ測定値ＨＶ１から実際の硬さ値ＨＶに変換する変換式を作成する。変換式の作成の一例について説明する。
図２は、変換式作成に係るグラフである。縦軸は実際の硬さ値ＨＶ、横軸は硬さ測定値ＨＶ１を示している。
まず、前述のテストピースを使用した測定によって得られた標準データを、縦軸に実際の硬さ値ＨＶ、横軸に硬さ測定値ＨＶ１としてプロットする。次いで、プロットしたデータに対して、同一の膜厚のデータごとに近似曲線を引く。図２において、ａ１は膜厚１００μｍ、ａ２は膜厚２００μｍ、ａ３は膜厚３００μｍのデータのプロットに対して引いた近似曲線を表している。なお、図２において近似曲線ａ１、ａ２、ａ３を作成する際のプロットに使用したデータは全て、母材の硬さが１２０ＨＶであるデータを使用している。
【００２８】
図２に示すように、実際の硬さ値ＨＶは、硬さ測定値ＨＶ１の一次関数で表すことができ、例えば近似曲線ａ１、ａ２、ａ３はそれぞれ
ａ１：ＨＶ＝α１×ＨＶ１  ・・・（１）
ａ２：ＨＶ＝α２×ＨＶ１  ・・・（２）
ａ３：ＨＶ＝α３×ＨＶ１  ・・・（３）
（α１、α２、α３は傾き）
と表すことができ、α１、α２、α３は図２に示したグラフから求めることができる。同様にして他の膜厚においても近似曲線ａｎを作成することができる。まとめて表すと、（４）式で表すことができる。
ａｎ：ＨＶ＝αｎ×ＨＶ１  ・・・（４）
（但しαｎは傾きであり、（４）式は膜厚が一定のときのみ成り立ち、αｎ大きさは膜厚に依存する）
従って、図２に示したようなグラフを作成し、傾きαｎを求めておけば、硬さ測定値ＨＶ１から実際の硬さ値ＨＶに換算することができる。
【００２９】
また、傾きαｎは膜厚ｔに依存する値であることから、（４）式は、
ＨＶ＝α´×ｔ×ＨＶ１  ・・・（５）
（α´は係数）
と表すことができる。
【００３０】
さらに、図２は、母材の硬さ１２０ＨＶの場合のグラフを示しているが、母材の硬さが異なるテストピースを使用することで、母材の硬さ１２０ＨＶ以外でも、母材の硬さごとに図２と同様のグラフを作成することができ、（５）式と同様の式を作成することができる。
これらをまとめると、
ＨＶ＝α×ＨＶｍ×ｔ×ＨＶ１  ・・・（６）
と表すことができる。
【００３１】
以上に示した（１）〜（６）式のような換算式を用いることで、硬さ測定値ＨＶ１を実際の硬さ値ＨＶに変換することができる。
なお、（４）式のように母材の硬さ一定の元で膜厚毎に換算式を作成するか、（５）式のように母材の硬さ一定の元で膜厚もパラメータとした換算式を作成するか、（６）式のように母材の硬さと膜厚もパラメータとした換算式を作成するかは、テストピース作成と標準データ取得にかかる手間と実機における溶射膜の硬さ測定頻度などを勘案し自由に決めることができる。現実には、ボイラ火炉管などにおいては、母材の硬さは既知で一定であることが多いため、（４）式又は（５）式を使用することが多い。
【００３２】
（測定）
溶射膜が溶射されたボイラ火炉管の設置されている現地にて、ポータブル硬さ計を用いて溶射膜の表面から硬さ測定を行う。測定に用いるポータブル硬さ計は、表面から硬さ測定をすることができれば特に限定されるものではなく、持ち運びの利便性から超音波式やリバウンド式のものを使用することが好ましい。
【００３３】
ポータブル硬さ計を用いた硬さ測定とともに、溶射膜の溶射膜厚を測定する。溶射膜の膜厚を測定できれば、測定方法は特に限定されるものではない。
【００３４】
以上のようにして現地にて測定した硬さ測定値と溶射膜厚を用いて、事前に作成した（４）式又は（５）式に代入することにより、溶射膜厚の実際の硬さを求めることができる。
なお、母材の硬さが未知である場合には、現地にて母材の硬さ測定を実施し、（６）式を使用する。
【００３５】
（測定機器）
図３は、ボイラ火炉管の設置されている現地にて用いる測定装置の一例を示す概略図である。測定装置６は、溶射膜４の硬さを測定する硬さ計８と、溶射膜４の膜厚を測定する膜厚計７を一体化したものである。硬さ計８は、表面から硬さ測定をすることができれば特に限定されるものではないが、持ち運びの利便性から超音波式やリバウンド式のものを採用する。
測定装置６をボイラ火炉管の母材２の表面に溶射された溶射膜の表面にあてることで、硬さ測定値ＨＶ１と、膜厚ｔを同時に測定することができ、測定にかかる作業員の工数が少なくなる。また、測定装置６を使用することで、硬さ計と膜厚計の両方を測定現地まで持ち運ぶ必要がないため、持ち運びに関する利便性もいい。
【００３６】
（測定結果例）
図３に示した測定機器を用い、ボイラ火炉管に溶射された溶射膜の硬さ測定値と溶射膜厚とを５ヶ所で測定した。なお、母材の硬さは一定であるものとする。
その結果、５ヶ所全てで溶射膜厚が同じであったので溶射膜厚一定として、（４）式を採用した。このとき、αｎ＝１．７５であった。このとき、以下の（７）式で溶射膜厚の硬さ測定値から、溶射膜厚の実際の硬さを求めることができる。
ＨＶ＝１．７５×ＨＶ１  ・・・（７）
【００３７】
図４は、本測定結果例に関する溶射膜厚の実際の硬さを求める例を示したグラフである。縦軸は実際の溶射膜厚の硬さ（ビッカース硬さ）、横軸は硬さ計測値（ビッカース硬さ）を表している。
本測定結果例においては、図４に示すように、硬さ計測値を１．７５倍することで、溶射膜厚の実際の硬さを求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
ボイラの火炉の表面に溶射された溶射膜などの非常に薄くまた現場から動かすことができない溶射膜であっても、簡単な計算で、しかも高精度で硬さを求めることができる溶射膜の硬さ測定方法として使用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
２  母材
４  溶射膜
６  測定装置
７  膜厚計
８  硬さ計
１０  テストピース
１２  テストピースの母材
１４  テストピースの溶射膜
【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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