(57)【要約】【課題】評価精度が高く、且つ測定が容易な渦電流による金属製品の評価方法の提供を目的とする。【解決手段】励磁コイルと検出コイルとからなる貫通型渦電流センサの内部に標準試料を配置し、励磁コイルに所定の励磁周波数を印加し、標準試料を前記貫通型渦電流センサの軸方向又は／及び軸廻り方向に変化させつつ、検出コイルにて検出した電磁気的信号の変化における実成分（ΔＸｎ）と虚成分（ΔＹｎ）とからΔＸｎ−ΔＹｎ線図を得るステップと、前記ΔＸｎ−ΔＹｎ線図において全体の平均から求めた直線に対する各測定点の残差の標準偏差σを得るステップと、前記標準偏差σに対する、評価試料から得られた実成分（ΔＸｍ）と虚成分（ΔＹｍ）とから求めたΔＸｍ−ΔＹｍ線図にて得られる対応測定値の比をＣＥＰとし、当該ＣＥＰの値に基づいて評価することを特徴とする。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁コイルと検出コイルとからなる貫通型渦電流センサの内部に標準試料を配置し、
励磁コイルに所定の励磁周波数を印加し、
標準試料を前記貫通型渦電流センサの軸方向又は／及び軸廻り方向に変化させつつ、検出コイルにて検出した電磁気的信号の変化における実成分（ΔＸｎ）と虚成分（ΔＹｎ）とからΔＸｎ−ΔＹｎ線図を得るステップと、
前記ΔＸｎ−ΔＹｎ線図において全体の平均から求めた直線に対する各測定点の残差の標準偏差σを得るステップと、
前記標準偏差σに対する、評価試料から得られた実成分（ΔＸｍ）と虚成分（ΔＹｍ）とから求めたΔＸｍ−ΔＹｍ線図にて得られる対応測定値の比をＣＥＰとし、
当該ＣＥＰの値に基づいて評価することを特徴とする金属製品の評価方法。
【請求項２】
評価する物性値が既知のサンプルを用いて前記ＣＥＰの検量線を作成し、前記検量線を用いて評価試料の前記物性値を推定することを特徴とする請求項１記載の金属製品の評価方法。
【請求項３】
励磁コイルに印加する励磁周波数は前記検量線が直線に近似されるように選定したことを特徴とする請求項２記載の金属製品の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品の内部品質を渦電流により非破壊的に評価する評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鍛造，鋳造品の内部品質、金属材の熱処理による内部品質変化、金属加工における内部品質の変化、金属疲労変化等の金属製品の内部品質を非破壊にて評価できることは、生産現場における作業効率に大きく寄与する。
その評価手段の１つに渦電流法がある。
渦電流法は、励磁コイルで発生させた交流磁場により導電性の試験体に渦電流を発生させ、試験体の組織が異なると渦電流が変化することを検知して内部品質を評価する方法である。
しかし、金属製品が例えばカムシャフトのように比較的に長い製品で、しかも外周形状が異形状のセンサプレート，カム，ジャーナル等を有する場合に渦電流センサプローブと製品との相対的位置が僅かにずれるだけで測定値が変化してしまう問題があった。
【０００３】
特許文献１には、標準試料と被測定試料を貫通型渦電流センサ内部で移動させて、標準試料データ動特性関数ｆ（Ｘｓ）と、被測定試料データ動特性関数ｆ（Ｘｍ）を求め、それらの関数の距離Ｌにて組織差を検出する技術を開示する。
しかし、同技術は距離Ｌと内部品質との関係が不明確である課題があった。
特許文献２には、渦電流を用いた信号実部と信号虚部とのＸ−Ｙ線図上に、鋳鉄のパーライト率をプロットしたものを開示する。
しかし、同技術は測定誤差が充分に考慮されていなく、検量線の精度も不充分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２７７０号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２６１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、評価精度が高く、且つ測定が容易な渦電流による金属製品の評価方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る金属製品の評価方法は、励磁コイルと検出コイルとからなる貫通型渦電流センサの内部に標準試料を配置し、励磁コイルに所定の励磁周波数を印加し、標準試料を前記貫通型渦電流センサの軸方向又は／及び軸廻り方向に変化させつつ、検出コイルにて検出した電磁気的信号の変化における実成分（ΔＸｎ）と虚成分（ΔＹｎ）とからΔＸｎ−ΔＹｎ線図を得るステップと、前記ΔＸｎ−ΔＹｎ線図において全体の平均から求めた直線に対する各測定点の残差の標準偏差σを得るステップと、前記標準偏差σに対する、評価試料から得られた実成分（ΔＸｍ）と虚成分（ΔＹｍ）とから求めたΔＸｍ−ΔＹｍ線図にて得られる対応測定値の比をＣＥＰとし、当該ＣＥＰの値に基づいて評価することを特徴とする。
【０００７】
ここで電磁気的信号とは、検出コイルにて検出する、励磁コイルと評価製品の渦電流による磁場との合成磁場により発生する電磁気的信号をいい、コイルのインピーダンス変化，誘導起電力変化，磁束密度変化等が例として挙げられる。
また、残差の標準偏差σは、ΔＸｎ−ΔＹｎ線図において全体の平均から求めた直線に対する各測定点の残差であれば、Ｙ軸方向の残差δＹｎｉ，Ｘ軸方向の残差δＸｎｉや距離の残差δＬｎｉのいずれでもよい。
よって、評価試料のΔＸｍ−ΔＹｍで求めた評価のための測定値は、前記残差に対応する測定値であり、これを対応測定値と表現した。
【０００８】
本発明においては、評価する物性値が既知のサンプルを用いて前記ＣＥＰの検量線を作成し、前記検量線を用いて評価試料の前記物性値を推定することができ、励磁コイルに印加する励磁周波数は前記検量線が直線に近似されるように選定するのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、新規なパラメータＣＥＰを用いて評価したので、従来に比較して評価精度が高い。
特に外周形状が異形状であって、渦電流センサとの位置決めにバラツキが生じるものに有効である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】カムシャフトの外観図を示す。
【図２】（ａ）はセンサプレート、（ｂ）はカムの形状を示す。
【図３】評価に用いた渦電流の計測システムを示す。
【図４】渦電流装置の構成図を示す。
【図５】ΔＸｎ−ΔＹｎプロット図を示す。
【図６】ΔＸｎ−ΔＹｎ線図を示す。
【図７】（ａ）は標準試料のΔＸｎ−ΔＹｎ線図を示し、（ｂ）は残差δＹｎの分布を示す。
【図８】評価サンプルのΔＸｎ−ΔＹｎプロットを示す。
【図９】周波数とＣＥＰの関係を示す。
【図１０】チル化率とＣＥＰとの関係式を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る評価方法について、以下実際の内燃機関用の鋳造カムシャフトを例にして説明するが、本発明は各種金属製品に適用できる。
図１に試験片の外観写真を示す。
この写真のようにカムシャフトの端部には、軸周りの回転角の検知用として用いるセンサプレート、また他端にはジャーナルがある。
カムシャフト試験片には、約４５ｍｍ間隔に８個のカムがあり、それらを繋ぐシャフト部の直径は２６ｍｍ，全長４４０ｍｍである。
カムシャフトの材質はＦＣ２５０であり、その化学成分は表１に示すとおりである。
また、機械的性質は引張強さが２５０Ｎ／ｍｍ２以上、硬さ（ブリネル）が２４１ＨＢ以下である。
試験片の表面における鋳造後のシェル砂を除去するため、製造ラインと同様にショットブラスト処理を施した。
図２は、カムとセンサプレートの形状及びカムにおけるチル組織の形成範囲（白い部分）を模式的に示した。
製造過程において問題となるのは、センサプレートに面積比（以下チル化率と称する）で５％を超えるようなチルが発生することである。
それ以下のチル化率やカム部におけるチル化に関しては、通常殆ど問題とならない。
【表１】
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チル化部分では、凝固時の急冷処理によってセメンタイトが形成されており、酸による腐食によって白色の外観を呈するようになる。
チル化以外の部分は、パーライトである。
【００１２】
渦電流装置、その構成図及び渦電流センサ（貫通プローブ）を図３，４にそれぞれ示す。
いずれもibg Prufcomputer GmbH製である。
測定に用いたシステムでは、貫通プローブの励磁コイルによって試料に渦電流を発生させ、同じ貫通プローブ内の検出コイルによって励磁コイルと試験体の渦電流による磁場との合成磁場を検出する。
このような測定を測定試料と共にチル化率が０％の基準試料と同時に行った。
磁場により検出コイルに生じる誘導電圧の励磁コイルへの印加電流と同相成分である実成分をＸｎ，またそれと９０°位相がずれた成分である虚成分をＹｎとすると、本装置の出力データは測定試料と基準試料との測定データの差ΔＸｎ，ΔＹｎとなる。
以下、これらの値を用いてチル化率の評価方法を検討した。
図４は、試料及び貫通プローブの配置関係について示している。
図中のホルダＡは、サーボモータにより試料を軸方向に移動可能であり、後述する検証実験においてその影響の検討に用いた。
ホルダＢでは、エアシリンダによって試料を押し付けて固定した。
両ホルダのセンタ部は、アルミナ製（Ａｌ２Ｏ３，９９．５％）とした。
貫通プローブの貫通部（内径φ６３ｍｍ）の外周には、励磁用と検出用の２種類のコイルが巻かれてある。
本貫通プローブの駆動可能な周波数は、最小２５Ｈｚ，最大２５ｋＨｚであり、本実験では２５，８０，２５０，６３０，１．６ｋ，４ｋ，１０ｋ，２５ｋＨｚの８種類を採用した。
励磁用コイルの抵抗，インダクタンスはそれぞれ２．１Ω，１．８ｍＨ、検出コイルはそれぞれ２１．８Ω，１０．５ｍＨである。
また、励磁コイルは１２Ｖｒｍｓで電圧駆動した。
【００１３】
図５は、センサプレート部にそれぞれ異なるチル化率を有する各１６本のカムシャフト試験片に対して、渦電流装置の出力信号（ΔＸｎ，ΔＹｎ）を横軸にΔＸｎ，縦軸にΔＹｎをとってプロットした結果を示す（励磁周波数ｆ＝６３０Ｈｚの場合）。
図より、各試験片の測定結果はそれぞれ異なる右上がりの帯状の分布を示す傾向があることが分かる。
図６は、センサプレート部を励磁コイルの中心から軸方向（図４のＲＲ方向）に０．２５ｍｍずつ最大１ｍｍまで変化させたときのΔＸｎ−ΔＹｎ線図である（励磁周波数２５０Ｈｚの場合）。
図より、右上がりの直線関係となることが分かる。
他の全ての周波数範囲においても同様な傾向が確認された。
通常の製造ラインでは、試料取り付け時における長軸方向への取り付け誤差がある程度は不可避であり、図６のようなデータ変動が付随せざるを得ない。
また、こうした出力信号の変動はチル化率とは無関係であるため、両者を区別する必要がある。
図５よりチル化率が異なると、ΔＸｎ−ΔＹｎ線図において異なるバンド領域に測定データがシフトする。
即ち、チル化率が同じ試料では取り付け位置の影響を受けると同じバンド上を変化し、一方チル化率が異なると別のバンド上に移るようになる。
このとき、各チル化率に対するバンドはほぼ平行で、チル化率の差が大きいほど各バンド間の間隔が増加する。
よって、こうしたバンド間の間隔を利用すると、長軸方向の取り付け誤差の影響を受けずにチル組織の状態が判別できる可能性がある。
軸方向に関する保持位置の変動に関して、以下のような評価法を導入した。
図７に示したように複数（１０本）のチル化率が０％の標準試料に対して、センサプレートが励磁コイルの中心に位置している時のΔＸｎ，ΔＹｎ値（図の○印）とＲＲ方向に１ｍｍ移動させた時のΔＸｎ，ΔＹｎ値を直線近似した。
さらに、それらの直線の傾きの平均ａ，ΔＹｎ軸上の切片の平均ｂを求め、全体の平均の直線ΔＹｎ＝ａΔＸｎ＋ｂ（図の実線）に対する各測定点の残差δＹｎｉを以下式（１）より求め、次に式（２）から標準偏差σを求める。
【数１】
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【数２】
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このようなσの有効性を検証するため、チル化率の異なる試料の各プロットに対する回帰直線及び±２．５σの境界線を求めた結果を図８に示す。
図より、チル化率０．５％は同０％の結果と広い範囲でほぼ重なっているが、５％及び１２％の試料のプロットは全て±２．５σの外に分布していることが分かる。
従って、渦電流出力からの（ΔＸｎ，ΔＹｎ）データをΔＸｎ−ΔＹｎ線図に表し、図８のように決定した±２．５σのゾーンに入るかどうか確認することで、チル化率が０．５％未満であるか判断可能になる。
次に、コイルの励磁周波数の影響を調べるため、他の周波数条件についても同様な測定を行った。
その結果、高周波数側の場合ｆ＝１．６ｋＨｚの場合と類似した傾向を示し、図８のｆ＝６３０Ｈｚの場合と同様なチル化率の評価が可能であることが確認された。
一方、励磁周波数が低周波側（ｆ＝２５Ｈｚ）では、チル化率１２％のプロットが同０％と区別できず、チル化率の区別が困難であった。
以上より、低周波数側の励磁周波数条件を除けば、カムシャフトの製造ラインにおいて問題であったチル化率５％以上の製品を発見して、これを除くことが可能となる見通しが得られた。
一方、個々のカムシャフトのチル化率の定量的な評価はこのままでは困難である。
そこで、標準偏差σの活用を発展させた第２の評価法について検討した。
まず、チル化率評価パラメータ（以下ＣＥＰと称する。）を式（３）に定義する。
【数３】
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パラメータＣＥＰは、標準となるチル化率０％の試料に対するΔＸｎ−ΔＹｎ線図からの標準偏差σと、未知の試料から得られる（ΔＸｎ，ΔＹｎ）データからの差との比の絶対値を表している。
３種類のチル化率を有する前記の各１６本の試料について、８種類の励磁周波数に対する平均ＣＥＰを求め、チル化率が０．５％のＣＥＰは励磁周波数に関して概ね一定値を示すのに対し、同５％の場合には、ほぼその２倍程度の値を持ち、僅かにうねり及び右下がりの分布を呈している。
一方、チル化率１２％では、比較的大きな勾配を有する右上がりの直線的関係を示し、また、低い励磁周波数範囲ではＣＥＰが小さく、ｆ＝２５Ｈｚでは他より小さい値となった。
図１０は、平均ＣＥＰとチル化率の関係を励磁周波数ｆが６３０Ｈｚと１．６ｋＨｚの場合ついて図示した結果である。
図より、どちらの周波数でも概ね直線的な相関が見られていることが分かる。
図１０の関係を用いると、渦電流法によってチル化率を定量的に評価できる可能性がある。
即ち、測定システムの出力データからＣＥＰを求め、図１０の直線関係を介して外挿によってチル化率を推定することができる。
ＣＥＰとチル化率の関係について、他の励磁周波数の場合についても調べてみたところ、高周波数（＞４ｋＨｚ）ではチル化率とＣＥＰには相関性が見られたが直線的ではなくなり、また８０Ｈｚ以下の低周波側では相関関係が見られなかった。
なお、励磁周波数は渦電流による評価深さに影響し、低周波の場合ほど試料の表面から深い領域の状態が反映される。
従って、直線性を示す励磁周波数は、評価の対象となる製品の評価部位を考慮して設定するのがよい。
【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１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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