(57)【要約】【課題】結晶粒が大きい高マンガン鋳鋼等の材料に対して、その金属組織が微細化しているか否かを簡単な構成で素早く検査できる高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法を提供する。【解決手段】高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法は、超音波送信工程と、超音波受信工程と、微細化判定工程と、を含む。超音波送信工程では、検査対象となる前記高マンガン鋳鋼の表面である第１面から、当該高マンガン鋳鋼の金属組織を挟んで前記第１面と反対側に位置する表面である第２面に向かって、当該高マンガン鋳鋼の内部に超音波を送信する。超音波受信工程では、前記超音波送信工程で送信された前記超音波、又は当該超音波が反射した反射波を受信する。微細化判定工程では、前記超音波受信工程で受信した波のうち、直接受信した前記超音波の大きさ、又は、前記第２面で反射した反射波の大きさに基づいて、前記高マンガン鋳鋼の前記金属組織が微細化しているか否かを判定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法であって、
検査対象となる前記高マンガン鋳鋼の表面である第１面から、当該高マンガン鋳鋼の金属組織を挟んで前記第１面と反対側に位置する表面である第２面に向かって、当該高マンガン鋳鋼の内部に超音波を送信する超音波送信工程と、
前記超音波送信工程で送信された前記超音波、又は当該超音波が反射した反射波を受信する超音波受信工程と、
前記超音波受信工程で受信した波のうち、直接受信した前記超音波の大きさ、又は、前記第２面で反射した反射波の大きさに基づいて、前記高マンガン鋳鋼の前記金属組織が微細化しているか否かを判定する微細化判定工程と、
を含むことを特徴とする高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法であって、
前記微細化判定工程において、直接受信した前記超音波の大きさ、又は、前記第２面で反射した反射波の大きさを所定の閾値と比較し、前記閾値以上である場合に前記金属組織が微細化していると判定し、前記閾値を下回る場合に前記金属組織が微細化していないと判定することを特徴とする高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法であって、
前記閾値として、前記第１面と前記第２面との間の距離に応じて異なる値が用いられることを特徴とする高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法。
【請求項４】
請求項２に記載の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法であって、
前記閾値として、前記高マンガン鋳鋼の表面状態に応じて異なる値が用いられることを特徴とする高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか一項に記載の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法であって、
前記微細化判定工程において、超音波を送信してからのタイミングに基づいて、前記超音波受信工程で受信した波から、直接受信した前記超音波、又は前記第２面で反射した反射波を検出することを特徴とする高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳鋼品について、従来から、超音波を利用した非破壊の探傷方法が提案されている。特許文献１は、この種の超音波探傷方法を開示する。
【０００３】
特許文献１の自動超音波探傷方法は、結晶粒評価手段で結晶粒の大きさを推定した結果に基づいて、最適な探傷周波数を選択するように構成されている。結晶粒の大きさの推定は、前もって測定された、複数種類の結晶粒サイズ（製造時の結晶粒の値）に対する周波数と減衰率との関係や、背面散乱波の振幅と周波数特性との関係等に基づいて、探傷時に測定された超音波の周波数と減衰率との関係、或は背面散乱波の振幅と周波数特性との関係を利用して行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３００２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１の構成は、あくまで鋳鋼品等の内部に生じている傷やき裂を検出するためのものである。特許文献１も述べているように、オーステナイト系鋼の鋳造品はその結晶粒が大きいために、周波数の高い探傷用超音波に対して結晶粒間で散乱波を生じさせて信号を激しく減衰させる。このため、探傷用の信号のＳＮ比が低下し、上記の傷やき裂等の欠陥の検出性能が低下する。一方で、周波数の低い探傷用超音波を用いる場合、超音波ビームの指向性が低下するので、欠陥のサイジング精度が低下する。従って、オーステナイト組織である高マンガン鋳鋼に対しては、超音波を用いる探傷検査は不適であると考えられてきた。
【０００６】
一方で、高マンガン鋳鋼については、鋳込み温度等の原因で、金属組織が微細化し、かつ結晶粒界に析出物が多くなった場合があり、これは靭性を低下させる原因となる。品質の向上のために、内部でこのような現象が生じている製品を適切に検査できる方法が求められていた。
【０００７】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、結晶粒が大きい高マンガン鋳鋼等の材料に対して、その金属組織が微細化しているか否かを簡単な構成で素早く検査できる高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００９】
本発明の観点によれば、以下の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法が提供される。即ち、この高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法は、超音波送信工程と、超音波受信工程と、微細化判定工程と、を含む。前記超音波送信工程においては、検査対象となる前記高マンガン鋳鋼の表面である第１面から、当該高マンガン鋳鋼の金属組織を挟んで前記第１面と反対側に位置する表面である第２面に向かって、当該高マンガン鋳鋼の内部に超音波を送信する。前記超音波受信工程においては、前記超音波送信工程で送信された前記超音波、又は当該超音波が反射した反射波を受信する。前記微細化判定工程においては、前記超音波受信工程で受信した波のうち、直接受信した前記超音波の大きさ、又は、前記第２面で反射した反射波の大きさに基づいて、前記高マンガン鋳鋼の前記金属組織が微細化しているか否かを判定する。
【００１０】
これにより、靭性が低い製品を、非破壊で且つ素早く見つけることができ、出荷製品の品質の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、通常の結晶粒が大きい高マンガン鋳鋼等の材料に対して、その金属組織が微細化しているか否かを簡単な構成で素早く検査できる高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）金属組織の結晶が微細化した高マンガン鋳鋼を示す断面写真。（ｂ）通常の高マンガン鋳鋼を示す断面写真。
【図２】本発明の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法を用いる非破壊検査装置の概略を示す斜視図。
【図３】第１実施形態の検査方法を説明する概念図。
【図４】（ａ）微小結晶粒の高マンガン鋳鋼に関して超音波の検出結果を示すグラフ。（ｂ）通常の高マンガン鋳鋼に関して超音波の検出結果を示すグラフ。
【図５】微小結晶粒及び通常の高マンガン鋳鋼に関する超音波の検出結果を比較して示すグラフ。
【図６】第２実施形態の検査方法を説明する概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
先ず、本発明の非破壊検査方法の検査対象である高マンガン鋳鋼の内部金属結晶が微細化する場合に関して、簡単に説明する。図１（ａ）は、金属組織の結晶が微細化した高マンガン鋳鋼を示す断面写真である。図１（ｂ）は、通常の高マンガン鋳鋼を示す断面写真である。
【００１４】
高マンガン鋳鋼の製品において通常より靭性が低下したものが発生し、本願発明者は、これを切断して調べた。すると、図１（ａ）に示すように、その切断面には微小な結晶粒が一様に現れており、図１（ｂ）のように粗い結晶粒が切断面に現れる通常品とは大きく異なっていた。
【００１５】
一般に、金属組織が微細化すると、鋳物の靭性等を含む機械的性質が向上すると考えられている。高マンガン鋳鋼においても、結晶境界に析出物がなければ、金属組織の微細化によって靭性等が良好になる可能性もある。しかし、大型で厚い形状の鋳物を鋳造するとき、熱処理後でも結晶境界に析出物が残存し易く、これによって、機械的性質が低下することがある。この場合、金属組織が微細化しているのにかかわらず、析出物の介在によって靭性が低下すると考えられる。
【００１６】
本発明の検査方法は、高マンガン鋳鋼において、上記金属組織が微細化しており、図１（ａ）に示すように結晶粒径が微小となっているもの（即ち、靭性が相対的に低いもの）を、非破壊で素早く検出することができる。
【００１７】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２は、本発明の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法を用いる非破壊検査装置１の構成を示す概略側面図である。なお、以下の説明においては、検査対象の高マンガン鋳鋼を鋳物３と称する。
【００１８】
図２に示す非破壊検査装置１は、例えば、市販の超音波探傷器から構成され、超音波探触子１０と、探傷器本体２と、を備えている。非破壊検査装置１は、ケーブル１１を介して制御部５に電気的に接続されている。
【００１９】
超音波探触子１０は、超音波の送信及び受信に用いられ、ケーブル１１を介して探傷器本体２に電気的に接続される。超音波探触子１０は、例えば圧電素子からなる１つ又は複数の振動子（図略）から構成することができる。超音波探触子１０は、鋳物３の厚み方向一側の面に配置される。超音波探触子１０が受信する波は、送信した超音波が鋳物３の反対側の面で反射した反射波や、送信した超音波が結晶境界等に当たって反射（散乱）することによって発生する反射波（散乱波）等を含む。
【００２０】
探傷器本体２は、制御部５からの制御信号に応じて、超音波探触子１０に印加する電圧を調整し、超音波探触子１０で発生する超音波の周波数を制御することができる。探傷器本体２は、波形表示部２０を備える。波形表示部２０は公知のディスプレイとして構成されており、超音波探触子１０で受信する波に基づく信号（以下、音波信号という。）の波形と、当該音波信号に関する情報（例えば、大きさ、受信タイミング、超音波の送信位置と音波信号の発生位置との間の距離等）と、を波形表示部２０で表示することができる。
【００２１】
制御部５は、例えば、コンピュータから構成することができる。制御部５は、非破壊検査装置１によって得られた音波信号の情報に基づいて、鋳物３の金属組織が微細化しているか否かを判定する。制御部５は、図２に示すように、鋳物３に対する判定結果を表示する結果表示部５０を備えることができる。これにより、作業者は結果表示部５０を簡単に確認することができる。
【００２２】
続いて、金属組織の微細化が発生しているか否かの検査について、図３から図５までを参照して説明する。図３は、第１実施形態の検査方法を説明する概念図である。図４（ａ）は、微小結晶粒の高マンガン鋳鋼に関して超音波の検出結果を示すグラフである。図４（ｂ）は、通常の高マンガン鋳鋼に関して超音波の検出結果を示すグラフである。図５は、微小結晶粒及び通常の高マンガン鋳鋼に関する超音波の検出結果を比較して示すグラフである。
【００２３】
検査者は、先ず、図３に示すように、鋳物３の厚み方向の一側に位置する面である表面（第１面）３１に超音波探触子１０を設置する。次に、検査者は非破壊検査装置１を適宜操作して、超音波探触子１０により、表面３１から、鋳物３の厚み方向の他側に位置する面である底面（第２面）３２に向かって超音波を送信する（超音波送信工程）。これにより、超音波探触子１０は、鋳物３の内部の金属組織に向かって超音波を送信する。
【００２４】
非破壊検査装置１は、送信した超音波が底面３２で反射してくる反射波を超音波探触子１０により受信する（超音波受信工程）。図３（ａ）に示すように、超音波送信工程で送信した超音波が鋳物３の内部で散乱していない場合、底面３２で反射する反射波の強度は強くなる。一方、図３（ｂ）に示すように、超音波送信工程で送信した超音波が大きい結晶粒３０に当たって散乱された場合、底面３２で反射する反射波の強度は弱くなる。
【００２５】
図４及び図５には、結晶が微細化した鋳物３と、通常の鋳物３と、について測定した実験データが具体的に示されている。図４の２つのグラフは、波形表示部２０に表示される波形をそのまま描いたものである。探傷器本体２が有する表示調整機能により、図４（ｂ）のグラフにおける縦軸（超音波強度）のスケーリングは、図４（ａ）のグラフの概ね６０倍に引き伸ばされている。具体的には、図４（ａ）の場合、入射している超音波の強度は２３．６ｄＢであり、図４（ｂ）の場合、入射している超音波の強度は５９．６ｄＢである。また、図４の２つのグラフの横軸は、波の受信タイミングを、音速に基づいて距離に換算したものである。
【００２６】
２つのグラフの縦軸のスケーリングを統一したグラフが図５である。ただし、図５のグラフにおける通常の鋳物の結果については、測定レンジの上限の影響で、距離がゼロに近いところでの超音波強度は現実の強度を反映していない。この図５に示すように、鋳物３の結晶粒が微小な場合は、当該鋳物３の底面３２から強い反射波が検出される一方、鋳物３の結晶粒が大きい場合は、鋳物３の底面３２から僅かな反射波しか検出できないことがわかる。なお、２つのグラフの波形のピークが少しズレているのは、実験に用いた２つの鋳物３の形状が完全に同一ではないことによる。これにより、制御部５は、底面３２で反射してくる底面反射波の大きさに基づいて、鋳物３内部の金属組織が微細化しているか否かを判定することができる。
【００２７】
制御部５は、先ず、超音波受信工程で受信された様々な波の音波信号から、底面３２で反射してくる底面反射波に基づく音波信号を検出する。底面反射波を受信するタイミングは、鋳物３の厚み（表面３１と底面３２との距離）と、音速と、を用いた計算により予測することができる。制御部５は、予測されたタイミングを中心とする所定の時間区間の音波信号を、底面反射波の音波信号として取り出す。
【００２８】
その後、制御部５は、取得した底面反射波の大きさに基づいて、鋳物３の内部の金属組織が微細化しているか否かを判定する（微細化判定工程）。具体的には、制御部５は、底面反射波の大きさ（具体的には、波形の最大値）が所定の閾値以上である場合に、鋳物３の内部の金属組織が微細化していると判定し、一方、当該底面反射波の大きさが上記の閾値より小さい場合に、鋳物３の内部の金属組織が微細化していないと判定する。
【００２９】
なお、上記の閾値は、例えば、表面３１と底面３２との間の距離（図２においては、鋳物３の厚み）に応じて設定されている。このように、距離による超音波の減衰を考慮しているため、異なる製品の形状に柔軟に対応しつつ、高精度で検査を行うことができる。なお、これに加えて、当該所定の閾値を、例えば鋳物３の表面状態や、表面形状や、使用用途等を更に考慮して定めることもできる。この場合、検査精度をより高めることができる。
【００３０】
以上に説明したように、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法は、超音波送信工程と、超音波受信工程と、微細化判定工程と、を含む。超音波送信工程においては、検査対象となる鋳物３の表面３１から、当該鋳物３の金属組織を挟んで表面３１と反対側に位置する底面３２に向かって、当該鋳物３の内部に超音波を送信する。超音波受信工程においては、超音波送信工程で送信された超音波が反射した反射波を受信する。微細化判定工程においては、超音波受信工程で受信した波のうち、底面３２で反射した反射波の大きさに基づいて、鋳物３の金属組織が微細化しているか否かを判定する。
【００３１】
これにより、靭性が低い製品を、非破壊で且つ素早く見つけることができ、出荷製品の品質の向上を図ることができる。
【００３２】
また、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法は、微細化判定工程において、底面３２で反射した反射波の大きさを所定の閾値と比較し、閾値以上である場合に金属組織が微細化していると判定し、閾値を下回る場合に金属組織が微細化していないと判定する。
【００３３】
これにより、簡素な手法により、鋳物３の靭性が低いか否かを適切に判定することができる。
【００３４】
また、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法における閾値として、表面３１と底面３２との間の距離に応じて異なる値が用いられる。
【００３５】
これにより、底面３２で反射する反射波の強度が鋳物３の形状に応じて異なるのに対応することができる。
【００３６】
また、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法における閾値として、鋳物３の表面状態に応じて異なる値が用いられる。
【００３７】
これにより、底面３２で反射する反射波の強度が鋳物３の表面状態に応じて異なるのに対応することができる。
【００３８】
また、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法の微細化判定工程においては、超音波を送信してからのタイミングに基づいて、超音波受信工程で受信した波から、送信した超音波が底面３２で反射した反射波を検出する。
【００３９】
これにより、鋳物３の表面３１から送信された超音波が底面３２で反射して戻ってくる時間を考慮して、底面３２で反射した反射波を適切に検出することができる。
【００４０】
次に、第２実施形態を説明する。図６は、第２実施形態の検査方法を説明する概念図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
【００４１】
本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法においては、図６に示すように、送信探触子１２と、受信探触子１３と、を用いて、超音波送信工程及び超音波受信工程を行う。具体的には、検査対象の鋳物３を厚み方向で挟んで向かい合うように、送信探触子１２と受信探触子１３とを互いに対応する位置に設置する。この構成で、送信探触子１２から送信する超音波は、鋳物３の金属組織を挟んで送信探触子１２に対向する位置に設置された受信探触子１３により受信される。
【００４２】
微細化判定工程においては、超音波受信工程で受信した様々な波の音波信号から、直接受信した超音波によるものを検出する。「直接受信した超音波」とは、受信探触子１３で受信した超音波のうち、結晶境界等での反射又は散乱を経て受信探触子１３に到達したものを除く趣旨である。直接受信した超音波の音波信号は、上記の第１実施形態と同様に、受信のタイミングに基づいて取り出すことができる。制御部５は、直接受信した超音波に基づく音波信号の大きさに基づいて、鋳物３の内部の金属組織が微細化しているか否かを判定する。
【００４３】
以上に説明したように、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法は、超音波送信工程と、超音波受信工程と、微細化判定工程と、を含む。超音波送信工程においては、検査対象となる鋳物３の表面３１から、当該鋳物３の金属組織を挟んで表面３１と反対側に位置する底面３２に向かって、当該鋳物３の内部に超音波を送信する。超音波受信工程においては、超音波送信工程で送信された超音波を底面３２から受信する。微細化判定工程においては、超音波受信工程で受信した波のうち、直接受信した前記超音波の大きさに基づいて、鋳物３の金属組織が微細化しているか否かを判定する。
【００４４】
これにより、靭性が低い製品を、非破壊で且つ素早く見つけることができ、出荷製品の品質の向上を図ることができる。
【００４５】
また、本実施形態の高マンガン鋳鋼の非破壊検査方法の微細化判定工程においては、超音波を送信してからのタイミングに基づいて、超音波受信工程で受信した波から、直接受信した超音波を検出する。
【００４６】
これにより、鋳物３の表面３１から送信された超音波が底面３２まで伝搬される時間を考慮して、直接受信した当該超音波を適切に検出することができる。
【００４７】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００４８】
第１実施形態において、超音波の送信及び反射波の受信にそれぞれの探触子を用いることもできる。
【００４９】
超音波探傷器に代えて、超音波又は反射波を表示（記録）できる機能を有する他の測定器を用いることもできる。
【００５０】
制御部５を探傷器本体２の内部に組み込んでも良い。
【００５１】
制御部５を用いなくても良い。この場合、作業者が探傷器本体２で表示する反射波の大きさに基づいて判定することになる。
【符号の説明】
【００５２】
３  鋳物（高マンガン鋳鋼）
３１  表面（第１面）
３２  底面（第２面）
【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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