(57)【要約】【課題】超音波探傷法を用いて鋼中、特に鋼の中心部に存在する非金属の介在物の正確かつ迅速な検出、検査を可能とする方法を提供する。【解決手段】評価対象鋼を圧延及び／又は鍛伸する第１のステップと、前記第１のステップで圧延及び／又は鍛伸された評価対象鋼から試験片を取り出す第２のステップと、前記試験片内に存在する介在物を水浸超音波探傷により検査する第３のステップとを有し、前記第１のステップにおいて評価対象鋼を圧鍛比４０以上で圧延及び／又は鍛伸することを特徴とする水浸超音波探傷による介在物の検査方法。【選択図】　　　図１
2004037242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
評価対象鋼を圧延及び／又は鍛伸する第１のステップと、
前記第１のステップで圧延及び／又は鍛伸された評価対象鋼から試験片を取
り出す第２のステップと、
前記試験片内に存在する介在物を水浸超音波探傷により検査する第３のステ
ップとを有し、
前記第１のステップにおいて評価対象鋼を圧鍛比４０以上で圧延及び／又は
鍛伸することを特徴とする水浸超音波探傷による鋼の介在物検査方法。
【請求項２】
前記第２のステップで取り出された試験片を焼き入れ、焼き戻しした後に、前記第３のステップを行なうことを特徴とした請求項１に記載
の水浸超音波探傷による鋼の介在物検査方法。
【請求項３】
前記水浸超音波探傷には、周波数２０ＭＨｚ以上の高周波焦点型探触子が使用されることを特徴とした請求項１又は２に記載の水浸超音波探傷
による鋼の介在物検査方法。
【請求項４】
前記第３のステップにおいて、試験片に入射された超音波のうちこの試験片内に存在する大型介在物、試験片の表面又は内部に存在する傷及び試験片内に残存する空孔から反射される反射波を、反射波強度と反射波形情報とに基づき選別し、波形処理によって検査対象から除外することを特徴とした請求項１から３のいずれかに記載の水浸超音波探傷による鋼の介在物検査
方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水浸超音波探傷法による鋼中介在物検査方法に関し、詳しくは、水浸超音波探傷法を用いて鋼中（特に中心部）に存在する非金属の介在物の検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼中に存在する介在物を検査するための方法として、研磨した試料を顕微鏡を用いて直接観察する顕微鏡法（ＪＩＳ　Ｇ０５５５、ＡＳＴＭ　Ｅ４５等）、希ＨＮＯ３等を用いて鉄マトリックスを分解し、鋼中の酸化物などを抽出する酸溶解法等が存在する。しかし、顕微鏡法によると被検面積は例えば、１００〜２００ｍｍ２／個と小さいために、大型介在物の検出精度が低いという問題点がある。
【０００３】
酸溶解法による場合は介在物が酸に溶解したり、溶損して小径化する場合があり、さらに酸溶解に時間がかかるなど、処理の迅速性に劣り、製品の量産工程に対応することも困難である。
【０００４】
また、探触子から出力した超音波ビームを検査対象となる鋼材（試験体）に伝達させその反射波（エコー）から試験体のきずを探す超音波探傷法などが知られている。
【０００５】
そして、超音波探傷法において、水浸超音波探傷法（試験体を全て水中に浸しておき、当該試験体と探触子との間に水を介在させて探傷する方法）は、直接接触法に比べて探触子の走査にかかわらず音響結合状態を一定に維持でき、試験体の表面の影響が少なく、安定した探傷ができる等のメリットがあることから、例えば鋼板の非金属介在物調査のためのＣスキャン探傷や、鋼管や棒鋼のオンライン探傷などに利用されている。
【０００６】
ここで、鋼材の内部欠陥を水浸超音波探傷法で検査するにあたり、当該欠陥がポロシティー（気泡，空孔）に基づくものであるか他の非金属介在物に基づくものなのかを判別することが、清浄度を正確に評価する観点からも、非常に重要となる。
【０００７】
鋼材の内部欠陥につき、ポロシティーと非金属介在物（以下、単に介在物とも言う。）とを判別するための従来方法としては、ＭＵＲＡＩ値：Ｐ／Ａによる判別法（以下、第１の方法という。）が知られている。
【０００８】
また、ポロシティーと非金属介在物とを判別するための他の従来方法としては、特開平９−１７１００５号公報（超音波探傷法による欠陥種類判別方法）において、欠陥エコー波形より得られるパラメータ（欠陥エコーの位相、中心周波数、強度）と、欠陥近傍の底面反射エコーの波形より得られるパラメータ（底面エコー強度、欠陥面積）とに基づいて判別する方法（以下、第２の方法という。）が提案されている。
【０００９】
更に、ポロシティーと非金属介在物とを判別するための他の従来方法としては、特開２０００−２１４１４２号公開公報（超音波探傷による金属材料の清浄度評価方法）において、各検査部位に金属中非金属介在物を超音波探傷法により走査する前に、被検体を圧延、鍛伸することを特徴とする金属材料の清浄度評価方法（以下、第３の方法という。）が提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した各判別法には、以下のような問題点がある。
【００１１】
すなわち、第１の方法においては、ＭＵＲＡＩ値：Ｐ／Ａ単独では空孔と介在物との見分けが困難であるという問題がある。
【００１２】
一方、第２の方法については、▲１▼欠陥が塊状の介在物の場合には、欠陥エコーの中心周波数が「低」，欠陥エコー強度が「低」，欠陥エコー位相が「正」，底面エコー強度が「高」になり、▲２▼欠陥が球状の介在物の場合には、欠陥エコーの中心周波数が「低」，欠陥エコー強度が「低」，欠陥エコー位相が「反転」，底面エコー強度が「高」になり、▲３▼欠陥がポロシティーの場合には、欠陥エコーの中心周波数が「高」，欠陥エコー強度が「高」，欠陥エコー位相が「反転」，底面エコー強度が「低」になる、旨の知見が述べられているが、以下のような問題点があることが判明した。
【００１３】
すなわち、欠陥エコー強度の値については、大きい介在物と小さいポロシティーとでは同様の値を示し、両者の判別が困難となるため、信頼性が低い。また、欠陥エコーの位相については、縦波垂直探触子や横波垂直探触子を用いた場合には、球状介在物でも気泡でも反転する条件では、介在物と気泡の弁別手段としては不十分である。
【００１４】
焦点型探触子を用いた場合であっても、球状介在物では、正転条件を満たしても、塊状介在物である場合には、その形状により必ずしも位相が正転しない場合があるため、信頼性に欠ける。
【００１５】
さらに、底面エコー強度の値については、超音波ビームの出力面に対して欠陥（介在物又はポロシティー）が非常に小さい場合には、その値に有意差が生じないため、これも信頼性が低いものである。さらには、欠陥エコーの中心周波数の値は、欠陥がポロシティーの場合、介在物の場合よりもむしろ低下する場合が多いことが、実験により判明した。
【００１６】
この欠陥エコーの中心周波数を使用しようとすると、これを解析するために材料ノイズと欠陥エコーとの精密な弁別が必要となる。そのため、正確な波形をデジタルに収録する分、走査スピードが通常より遅くなり、また、データ解析工数が「欠陥エコーと材料ノイズの弁別」の分だけ増加することとなり、ランニング的な迅速さに欠けるという問題点がある。
【００１７】
また、第３の方法では、特開平２０００−２１４１４２号公開公報掲載の明細書の段落番号００４３に記載の通り、「金属材料においては、一般的に鋳造のままではミクロ的な空孔が無数にあり乱反射で検査できないといったことがあり、超音波探傷により走査する場合に、これによる無数の乱反射、ノイズが発生する不都合が生ずる。そこで、超音波探傷をする前に被検体を圧鍛する」旨示されており、より詳細には、段落番号００５１に記載の通り「圧鍛比９で圧鍛する」旨示されている。ところが、この第３の方法には以下のような問題がある。
【００１８】
即ち、圧鍛比９で被検体を圧鍛した場合、圧鍛比が低いためこの被検体の中心に存在する空孔を十分に除去することができない。そのため、超音波探傷により、被検体の中心部を走査した場合に、空孔により無数の乱反射、ノイズが発生し、介在物の正確な評価が困難となる。
【００１９】
本発明は、これらの問題点に鑑み、鋭意研究の末、超音波探傷により鋼の中心付近に存在する介在物を正確かつ容易に検出可能な介在物の検出方法を案出するに至った。
【００２０】
本発明の目的は、超音波探傷法を用いて鋼中、特に鋼の中心部に存在する非金属の介在物の正確かつ迅速な検出を可能とする方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の問題点を解消する手段を提供するものであり、その要旨は以下の通りである。
【００２２】
即ち、本発明は、評価対象鋼を圧延及び／又は鍛伸する第１のステップと、第１のステップで圧延及び／又は鍛伸された評価対象鋼から試験片を取り出す第２のステップと、この試験片内に存在する介在物を水浸超音波探傷により検査する第３のステップとを有し、第１のステップにおいて評価対象鋼を圧鍛比４０以上で圧延及び／又は鍛伸することを特徴とする水浸超音波探傷による鋼の介在物検査方法である。
【００２３】
このように本発明では、評価対象鋼が圧鍛比４０以上で圧延及び／又は鍛伸されるため、この評価対象鋼の中心付近に存在する空孔を概ねつぶすことができる。従って、試験片内の中心部分に超音波を入射させた場合であっても、空孔による乱反射、ノイズ等の発生を概ね防止できるため、介在物の正確な検出、検査が可能となる。
【００２４】
また、本発明は、第２のステップで取り出された試験片を焼き入れ、焼き戻しした後に、第３のステップを行なうことを特徴とした水浸超音波探傷による鋼の介在物検査方法である。
【００２５】
このように本発明では、水浸超音波探傷を行う前に、鋼を構成する組織をマルテンサイト組織にするために試験片の焼入れ・焼き戻しが行われる。従って、介在物の検出、検査をよりいっそう正確に行なうことができる。
【００２６】
また、本発明は、周波数２０ＭＨｚ以上の高周波焦点型探触子を使用して水浸超音波探傷による鋼の介在物検査を行なう方法である。
【００２７】
また、本発明は、第３のステップにおいて、試験片に入射された超音波のうちこの試験片内に存在する大型介在物、試験片の表面又は内部に存在する傷及び試験片内に残存する空孔から反射される反射波を、反射波強度と反射波形情報とに基づき選別し、波形処理により検査対象から除外することを特徴とした水浸超音波探傷による鋼の介在物検査方法である。
【００２８】
このように本発明では、中小径介在物以外の大型介在物などから反射される波形情報が検査対象から除外される。従って、中小径介在物に関連した鋼の清浄度評価が容易になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の鋼中介在物検査方法は、図３に示すように基準感度校正（ステップ１）、検査試料作成（ステップ２）、超音波探傷開始（ステップ３）、鋼中介在物の検出（ステップ４）という手順に従い、鋼中に含まれる中小径介在物を検査するものであり、超音波探傷により得られたデータに基づいて中小径介在物の存在を確かめるものである。ここで中小径介在物とは、非金属系の介在物から大型介在物（√ＡＲＥＡ１００μｍ以上）と空孔とを除外したものをいう。
【００３０】
本発明の介在物検査方法では、超音波探傷により被検体となる鋼の試験片中の中小径介在物を検出する。超音波探傷は、探触子から発せられる超音波（以下「ビーム」ということもある）を対象物に入射させ、その反射波を検出して、反射波強度および反射波形情報（グラフとして出力された波形、正半波強度、負半波強度など）に基づいて所望の情報を得るものである。
【００３１】
探触子による走査は、試験片の所定の間隔を置いた複数箇所で超音波の発射、反射波の受信を行う（この間隔のことを「探傷走査ピッチ」または、単に「走査ピッチ」という）。
【００３２】
超音波探傷における探傷走査ピッチは、試験片の大きさ、予想される介在物の大きさなどから任意に設定することができるが、好ましくは焦点位置における探触子からのビーム束の直径１／２以下とする。ビーム束の直径の１／２以下とすれば、反射波強度の損失が約３０％以内の領域で介在物の検出を行うことができる。
【００３３】
このように探傷を行って、試験片中に存在する中小径介在物の数、分布などが特定される。
【００３４】
超音波ビームを当てて得られる介在物からの反射波強度は、その介在物から受信し得る最大の反射波強度であることが精度向上の点で望ましい。しかし、探傷走査ピッチが大きすぎると、介在物にビームが当たっても、本来その介在物から得られるべき最大の反射波強度よりも小さな値しか得られない場合がある。
【００３５】
探触子から発せられる超音波ビームはビームの束であるので幅を持っているが、ビームの中心部と外周部とでは強度に差がある。また、ビーム束が介在物の中心部に当たった場合と、周辺部に当たった場合とでは、反射波強度に差が生じる。そこで、走査ピッチを適正なものとする必要がある。
【００３６】
このような観点から、本発明においては、種々の実験を行った結果、好適な探傷走査ピッチとしては、０．０３ｍｍ×０．０３ｍｍ（平面走査）であることを見出し、かかる条件により超音波探傷を行うものである。
【００３７】
本発明の鋼中介在物検査方法は、超音波探傷により、試験片内に存在する中小径介在物の分布などを特定し、鋼の清浄度を評価するものである。
【００３８】
ところが試験片中には、空孔が残存している場合があり、この空孔から反射波が生じる。
【００３９】
そこで、検出目的としている中小径介在物以外のものから生じる反射波信号を除外することにより、検出操作を迅速に行うことができる。
【００４０】
上記のような異常信号が生じる原因のひとつである、鋼中に存在する空孔などは、超音波探傷により走査すると無数の乱反射、ノイズを発生させるものであり、鋼中の中小径介在物の正確な検出を妨げるものである。そこで、検査対象にかかる鋼を事前に圧延、鍛伸しておくことにより空孔が除去され、乱反射などの弊害を除去することができる。
【００４１】
しかし、かかる圧延、鍛伸を行っても、圧鍛比が低い場合には中心部に存在する空孔を十分に除去することはできない。そこで、本発明では圧鍛比４０以上で圧延、鍛伸することにより中心部に存在する空孔を概ね除去することとしている。尚、圧鍛比４０以上には、圧延又は鍛伸のいずれか一方を行うことにより、鋼の横断面積を４０倍以上とすることも含まれる。
【００４２】
図１には、横軸に鋼材の圧鍛比を縦軸に水浸超音波探傷により得られる約２０μｍ以上の空孔の数をとり、両者の関係をグラフ化したデータが示されている。この図１からわかるように、圧鍛比を０から４０に向かって増加させると、圧鍛比４０で空孔の数は急激に減少し、その後大きな増加・減少は見られず、一定値を保つ。
【００４３】
本発明の介在物検出では、超音波探傷を行うが、超音波探傷を行う装置、探触子は様々な種類が既に市販されており、本発明ではこれらの物を用いることができる。好ましい探触子としては、焦点型高周波探触子などが挙げられる。探触子の周波数は、２０ＭＨｚ以上とする。さらに好適には、３０〜１３０ＭＨｚとする。
【００４４】
図２には、焦点型探触子による超音波探傷の概略図を示す。図２に示される超音波探傷装置には、マイクロプロセッサを備えたＰＣ４が備えられており、このマイクロプロセッサには、図５に示すフローチャートに沿った演算処理を行うプログラムが組み込まれる。このプログラムが実行されると、試験片の中心から約９０％の範囲に存在する介在物の評価が行われる。
【００４５】
本発明の鋼中介在物の検出方法は、Ｍｇ合金、Ａｌ合金、Ｔｉ合金、Ｃｒ合金、Ｆｅ合金（鋼を含む）、Ｃｏ合金、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｚｎ合金、Ａｇ合金、Ａｕ合金等の各種金属材料に広く適用することができ、好適にされるものとして、介在物のもととなる酸素の含有量を下げるため脱酸することを意図してアルミキルド鋼などの鋼種、合金が挙げられる。
【００４６】
【実施例】
次に、本発明の介在物検出方法について、図２から図６を用いて本発明をより詳細に説明する。ただし、本発明の介在物検出方法は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
図３は、介在物の検出方法の手順を示すフローチャートである。
【００４８】
≪ステップ１≫
まず、基準感度校正を行い、機械的な誤差を修正する。かかる基準感度校正は、ＳＴＢ−Ｂ０２０試験片のφ０．４ｍｍ、深さ０．７５ｍｍの平底穴（φ０．４ＦＢＨ）について超音波探傷を行ない位置を特定し、そのφ０．４ＦＢＨに超音波の焦点を合わせたときに得られる最大反射波強度を８０％となるように超音波探傷装置を設定した。このとき感度設定値を基準感度とし、これより１８ｄｂ分増加した感度設定値を探傷感度とした。
【００４９】
≪ステップ２≫
次に、試験片を作製する。本実施例においては、ＳＣＭ４３５を用いるものである。
【００５０】
まず、鋳片を圧鍛比４０で圧延、鍛伸する。具体的には、図４に示すように、この鋳片を横断面の直径が１６７ｍｍになるように圧延した後、この圧延された鋼を横断面の直径が６５ｍｍになるように鍛伸する。これにより、中心付近（主として中心部より０〜３０％の範囲）に存在する空孔を概ね除去することができる。なお、本実施例では、圧延と鍛伸の双方を行なったが、圧延又は鍛伸のいずれかを行うことにより空孔を除去するようにしてもよい。
【００５１】
次に、図４に斜線で示すように圧延、鍛伸された鋼から試験片を切り出す。この試験片は、圧延、鍛伸された鋼の軸心を含むように切り出された全体形状略直方体のものである。
【００５２】
より詳細には、横断面の形状が一辺６５ｍｍ、他辺１０ｍｍの略矩形で、この横断面に直交する方向の長さが１５０ｍｍの全体形状を略直方体とする試験片であり、フライス加工により鋼から切り出される。なお、軸心を通りかつ横断面の他辺に直交する平面を考えたとき、この平面から試験片の上面までの距離は１ｍｍで下面までの距離は９ｍｍである。
【００５３】
次に、フライス加工により切り出された試験片に対して焼入・焼戻を行い、これによりこの試験片を構成する組織の機械的性質を改善させる。そして、最後に、平面研磨を行うことにより、試験片の表面を平滑なものとし、超音波の伝達損失をより少ないものとする。
【００５４】
≪ステップ３≫
次に、上述したように作製した試験片を全没式の水浸超音波探傷法により、鋼中介在物の検出を行う。具体的には、接触媒質として水を用いるものであり、試験片全体をこの水の中に沈めて行うものである。
【００５５】
本発明の鋼中介在物では超音波探傷を行うが、超音波探傷を行う装置には様々な種類の物が市販されており、本発明ではこれらのものを用いることができる。好ましい探触子としては、焦点型高周波探触子などが挙げられる。探触子の周波数は、５０ＭＨｚとする。
【００５６】
図２には、焦点型探触子による超音波探傷の概略を例示する。図２に示される超音波探傷装置は、焦点型探触子１、超音波探傷ユニット２、走査ユニット３、マイクロプロセッサを備えたＰＣ４、映像化ユニット５、水槽（不図示）からなるものである。
【００５７】
ＰＣ４のマイクロプロセッサには、図５に示すフローチャートに沿った演算処理プログラムが組み込まれる。このようなＰＣ４を超音波探傷装置に組み込むことにより、大量のデータ処理を迅速に行うことができる。
【００５８】
焦点型探触子１より、送信された超音波は、水槽に全没している試験片に入射し、試験片の表面、内部及び底面で反射した超音波は、焦点型探触子１に受信される。
【００５９】
まず、試験片を水槽にセットした後、ＰＣ４に試験片のデータ及び以下に示す１の測定条件を入力する。
【００６０】
【表１】
2004037242.tif 000003
【００６１】
≪ステップ４≫
次に、焦点型探触子１を作動させ、超音波探傷を開始させる。
【００６２】
上記のように入力されたデータは、超音波探傷ユニット２及び走査ユニット３に伝達され、かかる条件の下において超音波探傷が開始される。
【００６３】
すなわち、焦点型探触子１から超音波が発信され、対象物にあたり、その反射波を検出して、その反射波強度及び反射波形情報（グラフとして出力された波形、正半波強度、負半波強度など）に基づいて所望の情報を得るものである。焦点型探触子１による走査は、試験片の所定の間隔をおいた複数箇所の超音波の発射、反射の受信を行う。（この間隔のことを「探傷走査ピッチ」または、単に「走査ピッチ」という）
本発明における、探傷走査は、平面走査を行い、探傷走査ピッチは、０．０３ｍｍ×０．０３ｍｍとする。また、本発明は、特に試験片の中心部付近に存在する介在物も検出するのに好適な発明であるため、走査範囲を中心部から０％〜９０％の範囲に設定しておく。
【００６４】
試験片に入射され、被試験片表面、内部及び底面で反射された超音波は、焦点型探触子１に反射波形情報として受信され、ＰＣ４に保存される。反射波形情報とは、反射波を受信して得られる情報のことであり、具体的には反射波強度、反射波形強度（グラフとして出力された波形、正半波強度、負半波強度など）などの情報である。
【００６５】
正半波強度とは、基準線より下に出ている反射波形の強度であり、負半波強度とは、基準線より下に出ている反射波形の強度である。
【００６６】
図６には反射波形情報を処理したグラフが示されている。このグラフは、横軸にＭＵＲＡＩ値、縦軸に反射波強度をとり、グラフ中にプロットされた点は中小径介在物の存在を示すものである。
【００６７】
また、ＭＵＲＡＩ値が０．５以上、反射波強度が１５０％以上の領域にプロットされるデータは中小径介在物以外の物、つまり空孔、大型介在物、傷の恐れが高いと考えられるため、ＰＣ４はこの領域にプロットされるデータを波形処理によって除外するプログラムを備えている。このプログラムが実行されると、画面上には中小径介在物を示すデータのみがプロットされるため、検査を行なう者は、不必要なデータに惑わされることなく迅速かつ正確に介在物の検査を行なうことができる。
【００６８】
なお、ＭＵＲＡＩ値とは、正半波強度を正半波強度と負半波強度を足した値で割ることにより得られる値をいう。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、迅速かつ正確に鋼中、特に中心部の介在物検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋼材圧鍛比と約２０μｍ以上の空孔の発生頻度との関係を示したグラフ。
【図２】焦点型探触子による超音波探傷の概略図。
【図３】介在物検出法の手順を示すフローチャート。
【図４】圧延及び鍛伸された評価対象鋼とこの評価対象鋼からきりだされる試験片とを示した図。
【図５】ＰＣが行う演算処理を示したフローチャート。
【図６】介在物の数を表したグラフ。
【符号の説明】
１　焦点型探触子
２　超音波探傷ユニット
３　走査ユニット
４　ＰＣ
５　映像化ユニット
【図１】
2004037242.tif 000004
【図２】
2004037242.tif 000005
【図３】
2004037242.tif 000006
【図４】
2004037242.tif 000007
【図５】
2004037242.tif 000008
【図６】
2004037242.tif 000009