(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ1 を計測し、予め求めた溶射皮膜内の音速ｖ1 と前記反射時間とから、溶射皮膜の厚さＴ1 を算出し、
前記基材および前記溶射皮膜と実質的に等しい基材および溶射皮膜からなる試験片を製作し、該試験片から前記音速ｖ1を求め、
前記試験片の前記基材と前記溶射皮膜の境界面の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理を施し又は離型剤を塗布し、
前記一部において前記溶射皮膜の厚さＴ0を計測し、
前記一部以外の前記試験片の部分において、入射した超音波が前記試験片の前記溶射皮膜と前記基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ0を計測し、
前記厚さＴ0と前記反射時間ｔ0とから前記音速ｖ1を算出する、ことを特徴とする溶射皮膜の膜厚計測方法。
【請求項２】
前記試験片の前記溶射皮膜は、前記反射時間ｔ1の計測対象である前記溶射皮膜と材質および密度が同じになるように、前記反射時間ｔ1の計測対象である前記溶射皮膜と同時に製作される、ことを特徴とする請求項１に記載の溶射皮膜の膜厚計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測する溶射皮膜の膜厚計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶射(thermal spraying)は、溶融状態に加熱した溶射材料の粉末または粒子を素材表面に高速度で吹き付けて層をつくり皮膜とする表面処理法である。かかる溶射に適用される溶射材料には、各種金属材料、合金、セラミック、プラスチック等が用いられ、素材表面に所望される性質により、耐候性、耐食性、耐高温酸化性、耐摩耗性、潤滑性、等を付与することができる。
【０００３】
溶射により形成された皮膜（溶射皮膜）の厚さは、その性能に大きく影響する。そのため、溶射皮膜の膜厚を計測する手段として、電磁式測定方法や渦電流式測定方法が従来から広く用いられている（例えば、ＪＩＳ−Ｈ８４０１には溶射製品の厚さ試験方法が規定されている。）
【０００４】
電磁式測定方法は、強磁性金属素地上の常磁性の溶射皮膜の厚さを、磁極、溶射皮膜及び素地金属を通る磁気回路の磁気抵抗、又は溶射皮膜を介して永久磁石と素地金属との間に働く磁気的引力を測定して求めるものである。
また、渦電流式測定方法は、常磁性金属素地上の溶射皮膜の厚さを検出機のコイルに高周波電流を流したとき、資料の素地金属の表層部又は溶射皮膜に生じる渦電流の振幅及び位相が溶射皮膜の厚さによってそれぞれ変わることを利用して求めるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した電磁式測定方法では、溶射皮膜が常磁性である必要があり、溶射皮膜が強磁性（鉄等の磁性材料）である場合には計測ができない問題点があった。また逆に、上述した渦電流式測定方法では、素地が常磁性金属である必要があり、素地が強磁性（鉄等の磁性材料）である場合には計測ができない問題点があった。
そのため、素地が鉄系材料であり、皮膜がセラミックやニッケル合金のような非磁性材料である場合には、従来の電磁式測定方法が適用できるが、素地と皮膜の両方が強磁性材料（例えば鉄系材料）である場合には、これらの方法が全く適用できなかった。
しかし、例えばボイラの炉壁管等の耐食性能の向上や圧延ロールの耐摩耗性能の向上のために鉄系材料に鉄系の金属溶射を行うことが多く、これらの溶射皮膜の膜厚を非破壊で計測する方法が強く要望されていた。
【０００６】
本発明は、かかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、溶射皮膜と基材材質に左右されることなく、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測することができる溶射皮膜の膜厚計測方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ1 を計測し、予め求めた溶射皮膜内の音速ｖ1 と前記反射時間とから、溶射皮膜の厚さＴ1 を算出し、前記基材および前記溶射皮膜と実質的に等しい基材および溶射皮膜からなる試験片を製作し、該試験片から前記音速ｖ1を求め、前記試験片の前記基材と前記溶射皮膜の境界面の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理を施し又は離型剤を塗布し、前記一部において前記溶射皮膜の厚さＴ0を計測し、前記一部以外の前記試験片の部分において、入射した超音波が前記試験片の前記溶射皮膜と前記基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ0を計測し、前記厚さＴ0と前記反射時間ｔ0とから前記音速ｖ1を算出する、ことを特徴とする溶射皮膜の膜厚計測方法が提供される。好ましくは、前記試験片の前記溶射皮膜は、前記反射時間ｔ1の計測対象である前記溶射皮膜と材質および密度が同じになるように、前記反射時間ｔ1の計測対象である前記溶射皮膜と同時に製作される。
【０００８】
本発明の方法によれば、例えば超音波プローブを溶射皮膜の表面に当てて超音波を発信することにより、溶射皮膜の表面から溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射波を超音波プローブを介して例えばオシロスコープ等を用いて記録し、記録された反射波から超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ1 を計測することができる。従って、予め溶射皮膜内の音速ｖ1 を計測しておき、パソコン等で音速ｖ1 と反射時間ｔ1 を乗算し、これを２で割れば、溶射皮膜の厚さＴ1 を算出することができる。
【０００９】
また、本発明の好ましい実施形態によれば、溶射皮膜の形成時に同一の皮膜を有する試験片を制作し、該試験片の皮膜厚さＴ0 を予め測定し、該皮膜厚さＴ0 と該試験片を用いて計測して前記反射時間ｔ0 から溶射皮膜内の音速ｖ1 を算出する。
一般に溶射皮膜中を進む超音波の音速ｖ1 は、溶射皮膜の材質や密度で変動するため、実際の音速ｖ1 を精度よく計測する必要がある。本発明のこの実施形態によれば、予め溶射皮膜の形成時に材質，密度等が同一の皮膜を有する試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さＴ0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておく。また、この試験片を用いて前述の反射時間ｔ0 を求めることにより、皮膜厚さＴ0 と反射時間ｔ0 とから、溶射皮膜内の音速ｖ1 を精度よく算出することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施態様を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明の膜厚計測方法を実施する計測装置の構成図である。この図において、１は溶射する基材、２は溶射皮膜、３は超音波４を発信及び受信する超音波プローブ、５は超音波の反射波４ｂを記録するオシロスコープ、６は記録されたデータを基に溶射皮膜２の膜厚Ｔを算出するためのコンピュータ（パソコン等）である。本発明の方法を適用する基材１及び溶射皮膜２は、鉄系材料、例えば炭素鋼であり、強磁性材料である。この場合、基材１と溶射皮膜２との境界面７では、超音波４の入射波４ａの一部が反射波４ｂとして反射される。本発明はこの反射波４ｂから溶射皮膜の膜厚を計測するものである。
【００１１】
また、本発明の方法を実施するための試験片を制作する。試験片は、非破壊で計測する実際の基材１及び溶射皮膜２と実質的に等しい基材と溶射皮膜からなる。ただし、試験片の基材と溶射皮膜の境界面７の一部に皮膜が剥離しやすいように表面処理又は離型剤を塗布し、その部分の皮膜２をマイクロスコープ等を用いて精密測定できるようになっている。
【００１２】
図２は、本発明で計測される反射超音波の模式図である。この図において、横軸は時間、縦軸は超音波の強度であり、図中のＡ，Ｂ，Ｃの波形は、それぞれ皮膜表面、境界面、基材端面からの反射波を示している。
【００１３】
図１及び図２に示す計測装置を用い、本発明の溶射皮膜の膜厚計測方法は、（ａ）超音波入射、（ｂ）反射波計測、（ｃ）演算処理、の３つのステップからなる。
（ａ）の超音波入射ステップでは、超音波プローブ３を用いて溶射皮膜２の表面から溶射基材１に向けて超音波４ａを入射する。
（ｂ）並行して、入射した超音波４ａが溶射皮膜２と基材１の境界面７から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ1 を計測する。この計測は、オシロスコープ５を用いて超音波の反射波４ｂを記録し、図２に示すような反射波を記録することにより容易に行うことができる。また、反射時間ｔ1 の実際の計測は、オシロスコープの反射波を解析して、溶射膜境界面からの反射波（エコー）を識別し、超音波４ａを入射からの時間を計測する。この解析は、溶射膜境界面エコーから直接行ってもよく、或いはフーリエ変換等を用いて入射波と反射波を識別してもよい。
（ｃ）次いで、予め求めた溶射皮膜内の音速ｖ1 と計測された反射時間ｔ1 とから、溶射皮膜の厚さＴ1 を算出する。この算出は、パソコン等で音速ｖ1 と反射時間ｔ1 を乗算し、これを２で割ることにより、短時間に容易に溶射皮膜の厚さＴ1 を算出することができる。
【００１４】
また、溶射皮膜内の音速ｖ1 を予め求めるために、本発明では、図１（Ｂ）に示した試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さＴ0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておく。この試験片は、予め計測対象となる溶射皮膜の形成時に厚さ，材質，密度等が同一の皮膜を有するように、好ましくは同一条件で同時に制作する。更に、この試験片を用いて上述した方法で超音波の反射時間ｔ0 を計測する。なお、この場合、境界面が実質的に実際の境界面７と同一の部分、すなわち皮膜が剥離しやすいように表面処理又は離型剤を塗布していない部分を用いて反射時間ｔ0 を計測する。
このようにして得られた反射時間ｔ0 と皮膜厚さＴ0 から、例えば、ｖ1 ＝２×Ｔ0 ／ｔ0 の式により、溶射皮膜内の音速ｖ1 を精度よく算出することができる。
【００１５】
図３は、本発明の実施例を示す図である。この図は、図２に示した反射超音波の実測値であり、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ皮膜厚さが１．５ｍｍ，１．２ｍｍ，１ｍｍの場合を示している。また、各図における白抜きの矢印は溶射膜境界面エコーを示し、黒の矢印は反射波の最初の到達時間（すなわち計測された反射時間ｔ1 ）を示している。なお、この反射波の最初の到達時間は、この波形から目視等で判断してもよいが、この実施例では、パソコン内で反射波を解析して、求めている。
図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）において、実際の境界面７における反射時間ｔ1 は、それぞれ５．２６１μｓ，５．１８６μｓ，５．１２５μｓであり、皮膜厚さに比例しており、本発明の方法が鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測するのに適用できることがわかった。
【００１６】
図４は、本発明の実施例を示す別の図である。この図は、図３と同様に、図２に示した反射超音波の実測値であり、（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）はそれぞれ皮膜厚さが０．８ｍｍ，０．５ｍｍ，０．３ｍｍの場合を示している。また、図４（Ａ）（Ｂ）において、実際の境界面７における反射時間ｔ1 は、それぞれ５．０５６μｓ，４．９８５μｓであり、（Ｃ）では測定不可能であった。従って、少なくとも０．５ｍｍ以上の厚さの溶射皮膜に対して、本発明の方法が適用できることがわかった。
【００１７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００１８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法によれば、例えば超音波プローブを溶射皮膜の表面に当てて溶射基材に向けて超音波を入射し、入射した超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射波を超音波プローブを介して例えばオシロスコープ等を用いて記録し、記録された反射波から超音波が溶射皮膜と基材の境界面から反射して表面に戻ってくるまでの反射時間ｔ1 を計測することにより、予め計測した溶射皮膜内の音速ｖ1 と反射時間ｔ1 を乗算し、これを２で割れば、溶射皮膜の厚さＴ1 を算出することができる。
【００１９】
また、予め溶射皮膜の形成時に材質，密度等が同一の皮膜を有する試験片を制作し、この試験片の皮膜厚さＴ0 を予めマイクロスコープ等を用いて測定しておくことにより、この試験片を用いて前述の反射時間ｔ0 を求め、皮膜厚さＴ0 と反射時間ｔ0 とから、溶射皮膜内の音速ｖ1 を精度よく算出することができる。
【００２０】
従って、本発明の溶射皮膜の膜厚計測方法は、溶射皮膜と基材材質に左右されることなく、鉄系の素地に溶射された鉄系の金属皮膜の厚さを非破壊で計測することができる、優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜厚計測方法を実施する計測装置の構成図である。
【図２】本発明で計測される反射超音波の模式図である。
【図３】本発明の実施例を示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す別の図である。
【符号の説明】
１  溶射基材
２  溶射皮膜
３  超音波プローブ
４  超音波
４ａ  入射波
４ｂ  反射波
５  オシロスコープ
６  コンピュータ（パソコン）
７  境界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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