(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼材に交流磁化を印加し、渦電流によって鋼材表面近傍に発生する誘導磁界を、前記交流磁界の周波数を変化させて測定し、得られた前記誘導磁界の前記周波数を関数とする曲線が大きく屈曲するときの周波数ｆｃと、変態層の透磁率μと、変態層の厚さdtとの下記の関係式（１）と、
dt=a/(fc×μ)1/2 …（１）（ここで、aは定数）
鋼材を磁化し、前記鋼材表面から漏洩する漏洩磁界φと、変態層の透磁率μと、変態層の厚さdtとの下記の関係式（２）とから、
dt=F1(μ、φ) …（２）（ここで、F1は鋼材の強磁性体層と磁化装置の間に形成される磁気回路に依存する関数）
変態層の透磁率μを消去して求めた下記の関係式（３）を用い、
dt=F2(fc、φ) …（３）（ここで、F2は式（１）と式（２）とから変態層のμを消去して求めた周波数ｆｃと漏洩磁界φの新たな関数）
変態層の厚さdtを求める鋼材の変態層厚さ計測方法。
【請求項２】
交流磁界に直流磁界を重畳する請求項１に記載の鋼材の変態層厚さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼材を加熱・冷却したときに表層部に生じる変態層の厚さを計測する方法、特に、磁気的性質を利用した計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鋼材の加熱・冷却したときに起るオーステナイト(γ)相ォフェライト(α)相の変態の様子を監視することは、鋼材の機械的特性や物理的特性を管理する上で極め重要である。
【０００３】
そのため、従来より、鋼材の磁気的性質を利用してオンラインで変態率を計測する方法が種々提案されている。例えば、特公平2-42402号公報、特開平3-123853号公報、特開平8-62181号公報などには、励磁コイルと検出コイルを用い、鋼材の変態に伴なう磁気特性の変化によって生じる磁束の変化から変態率を測定する方法が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載された方法には、鋼材の板厚方向の平均的な変態率しか測定できず、加熱・冷却時における表面から内部へ向う変態層の厚さの変化を追跡することができない、また、板厚が厚い場合は磁束が表皮効果で表層部にしか侵入できないため正確な変態率の測定ができないといった問題がある。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、鋼材の板厚が厚くても、表面から内部へ向かう変態層の厚さの変化を追跡できる鋼材の変態層厚さ計測方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、鋼材に交流磁化を印加し、渦電流によって鋼材表面近傍に発生する誘導磁界を、前記交流磁界の周波数を変化させて測定し、得られた前記誘導磁界の前記周波数を関数とする曲線が大きく屈曲するときの周波数を求め、前記曲線が大きく屈曲するときの周波数が渦電流の表皮効果現象により変態層の厚さにより変化することを利用して計測する鋼材の変態層厚さ計測方法により解決される。
【０００７】
鋼材に交流磁界を印加したとき表層部に発生する渦電流の浸透深さは、交流磁界の周波数f、鋼材の透磁率μ、鋼材の導電率sに依存し、f1/2、μ1/2、s1/2に反比例する。ここで、導電率sは変態の影響を受け難いため、変態挙動を追跡するには周波数fと透磁率μを考えればよい。すなわち、渦電流の浸透深さは交流磁界の周波数が高くなり、鋼材の透磁率μが大きくなると浅くなる。また、渦電流による誘導磁界は周波数が高いほど強くなるという特性がある。
【０００８】
いま、有限の厚さの変態層が存在したときの渦電流による誘導磁界を考えると、渦電流の浸透深さが変態層の厚さに比べて十分に深い場合、すなわち、周波数が低い場合は、誘導磁界そのものが弱いが、渦電流の浸透深さに対する変態層の厚さの比も小さいため、変態層に依存した誘導磁界も弱くなり、その周波数による変化も小さい。一方、渦電流の浸透深さが変態層の厚さに比べて浅くなる高い周波数の場合は、誘導磁界そのものが強くなるが、変態層に依存した誘導磁界も強くなり、その周波数による変化が大きくなる。
【０００９】
したがって、図2に模式的に示すように、誘導磁界による起電力を周波数に対してプロットして得られる曲線には屈曲点が存在し、その周波数fcにおいて渦電流の浸透深さが変態層の厚さに対応することになる。なお、図2の縦軸は印加磁界と誘導磁界の複合磁界により検出コイルに発生する起電力を示しているが、起電力が周波数とともに減少しているのは、周波数とともに渦電流による誘導磁界が増大し印加磁界による起電力を減少させているためである。
【００１０】
具体的には、周波数fcにおいては下記式(1)が成り立つので、表層に生じる変態層の透磁率μが既知の場合は、fcの値から変態層の厚さdtが求まることになる。
【００１１】
dt=α/(fc×μ)1/2 …(1)
ここで、αは定数である。
【００１２】
また、鋼材を磁化し、鋼材表面から漏洩する漏洩磁界φを測定し、下記の式(2)から変態層の厚さdtを求めることもできる。
【００１３】
dt=F1(μ、φ) …(2)
ここで、F1は鋼材の強磁性体層と磁化装置の間に形成される磁気回路に依存する関数、μは変態層の透磁率である。
【００１４】
例えば、表層に変態層を有する鋼材をU字形の磁化器により交流磁化する磁気回路を考えた場合、U字形のヨーク間で磁化側に変態層と平行に漏洩する磁界は変態層の磁気抵抗の増加に応じて増加する。すなわち、変態層の磁気抵抗が増すと磁束は変態層内を流れ難くなり漏洩磁界は増加する。一方、変態層の磁気抵抗が減ると磁束は変態層内を流れ易くなり漏洩磁界は減少する。この磁気回路においては、磁気抵抗は変態層の透磁率μと厚さdtの積に反比例するので、漏洩磁界φは下記の式(4)で表せる。
【００１５】
φ=φ0/(1+β・μ・dt）…(4)
ここで、φ0は変態層がないときの磁界、βは定数
【００１６】
したがって、変態層の厚さdtは上記式(2)のように漏洩磁界φと透磁率μの関数で表せるので、表層に生じる変態層の透磁率μが既知の場合は、漏洩磁界φを測定することにより変態層の厚さdtを求めることができる。
【００１７】
なお、式(2)の関数形は、式(4)で一義的に表せなく、装置構成により変わるのでその都度決定する必要がある。
【００１８】
一般に、鋼材の透磁率は成分や温度により大きく変化するので、上述したような変態層の透磁率が既知の場合はむしろ希である。しかし、変態層の透磁率が未知の場合でも、上記した周波数fcと漏洩磁界φを求め、上記式(1)と式(2)から透磁率μを消去した下記の式(3)から変態層の厚さdtを求めることができる。
【００１９】
dt=F2(fc、φ) …(3)
式(2)の関数形として式(4)を用いる場合は、下記の式(5)から変態層の厚さdtを求めることができる。
【００２０】
dt=γ/fc/(φ0/φ-1) …(5)
ここで、γは定数である。
【００２１】
ところで、式(1)から周波数fcの変態層の厚さdtに対する変化はdtの3乗のオーダーで小さくなり、また、式(4)から漏洩磁界φの変態層の厚さdtに対する変化はdtの2乗のオーダーで小さくなることがわかる。これは、計測の観点からは、変態層の厚さdtが厚くなるにしたがい周波数fcや漏洩磁界φの測定精度が低下することを意味する。そこで、変態層の厚さdtが厚い場合でも周波数fcや漏洩磁界φの変態層の厚さdtに対する変化を大きして測定精度を上げるための検討を行ったところ、変態層の透磁率μ自体を小さくすればよく、そのためには、上記の方法で印加する交流磁界に直流磁界を重畳すればよいことを見出した。特に、式(3)を用いて変態層の厚さdtを測定する場合は、透磁率μによらず測定できるので非常に有効である。なお、変態層の厚さdtが薄い場合には透磁率μが大きい方が測定精度が上がるので、変態層の厚さdtに応じて直流磁界の強さを適宜選択することが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明法の1実施の形態を示す。
【００２３】
発信器(図示されてない)から送られてくる交流信号を電力増幅器9で増幅し、感度向上のためにフェライトヨーク5を有する励磁コイル3を励磁すると、この励磁コイル3に近接し、コイル軸芯に垂直に配置され、表層に変態層2を有する鋼材1の表層には渦電流が発生する。この渦電流により誘導磁界が発生するが、その磁界はフェライトヨーク5を有し、励磁コイル3と同一の軸上にある検出コイル4に発生する起電力として検出される。この起電力はロックインアンプ11へ送られ、発信器から送られてくる交流信号に基づき同期検波され直流信号に変換されて、上記式(1)の組み込まれた演算処理装置13に送られる。交流信号の周波数を変えて同様な操作を繰り返し、周波数と起電力のデータを演算処理装置13に送ればfcが求まり、変態層2の透磁率μが既知の場合は、μを演算処理装置13に入力することにより変態層2の厚さdtが求まる。
【００２４】
また、発信器から送られてくる交流信号を電力増幅器10で増幅し、鋼材1に近接させたU字形ヨーク７を有する励磁コイル６を励磁すると、鋼材1の表面に平行に磁界が漏洩するが、この漏洩磁界φをたとえばホール素子のような磁気センサー8で起電力として検出しロックインアンプ12へ送り、変態層2の透磁率μが既知の場合は、μを例えば上記式(4)の組み込まれた演算処理装置13に入力することにより変態層2の厚さdtを求めることもできる。
【００２５】
変態層2の透磁率μが未知の場合は、上記両方の測定を行い、周波数と起電力のデータと漏洩磁界のデータを例えば上記式(5)の組み込まれた演算処理装置13に入力することにより変態層2の厚さdtを求めることができる。
【００２６】
発信器から送られてくる交流信号に直流成分を重畳すると変態層の透磁率μ自体を小さくできるので、変態層の厚さdtが厚い場合でも、周波数fcや漏洩磁界φを精度よく測定できる。
【００２７】
【実施例】
鋼とほぼ同じ導電率を有する非磁性体である青銅の上に、厚さが2.0〜8.0mm、透磁率μが25〜150の強磁性体である鋼板を重ね、鋼材がオーステナイト相→フェライト相に変態しているときの表層における変態層厚さの推移をシミュレートした試料を作製した。そして、図1に示した構成の装置を用い、周波数fc、漏洩磁界φ(起電力)、鋼板厚さ(変態層厚さ)を測定した。なお、漏洩磁界φの測定には0.2A、10Hzの交流信号を用い、また、いずれの測定においても、交流信号に2.08Aの直流成分を重畳した。
【００２８】
図3に、鋼板厚さを変えた場合の誘導起電力比と周波数との関係を示す。ここで、誘導起電力比とは、起電力を鋼板のないときの起電力に対する比で表したものである。また、透磁率μが一定の鋼板を用いたときの結果である。
【００２９】
各鋼板厚さにおいても、誘導起電力と周波数の関係には屈曲点が存在しており、鋼板厚さが厚くなるにしたがい屈曲点の周波数が低下する、すなわち、変態層の厚さが厚くなるにしたがいfcが小さくなることがわかる。周波数fcと鋼板厚さの関係をプロットすると、図4に示すように、鋼板の厚さ、すなわち、変態層の厚さとfc-1/2とには直線関係があり、上記式(1)により変態層の厚さが計算できることがわかる。
【００３０】
図5に、漏洩磁界φと鋼板厚さとの関係を示す。ここで、漏洩磁界は起電力として測定されている。また、透磁率μが一定の鋼板を用いたときの結果である。
【００３１】
漏洩磁界φは鋼板厚さが厚くなるにしたがい直線的に低下しており、図1の装置構成の場合の上記式(4)により変態層の厚さが計算できることがわかる。
【００３２】
鋼板の透磁率μを種々変化させて測定した周波数fcと漏洩磁界φから、上記式(5)を用いて鋼板厚さを計算した結果を表1に示す。
【００３３】
このように、式(5)を用いて計算した厚さは実際の厚さと0.3mm以内で一致しており、透磁率μが未知の場合でも本発明法により変態層の厚さを精度よく求めることができる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、鋼材の板厚が厚くても、表面から内部へ向かう変態層の厚さの変化を追跡できる鋼材の変態層厚さ計測方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明法の1実施の形態を示す図である。
【図２】誘導起電力と周波数との関係を模式的に示す図である。
【図３】鋼板厚さを変えた場合の誘導起電力比と周波数との関係を示す図である。
【図４】周波数fcと鋼板厚さとの関係を示す図である。
【図５】漏洩磁界φと鋼板厚さとの関係を示す図である。
【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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