技術論文

軸受鋼の鋼中介在物の評価技術(極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発)
加藤

恵之*1・佐藤海広*1・平岡和彦*1・塗嘉夫*2

Recent Evaluation Procedures of Nonmetallic Inclusions in Bearing Steels(Statistics of extreme value method and development of higher frequency ultrasonic testing method )Yoshiyuki Kato, Kaiko Sato, Kazuhiko Hiraoka and Yoshio Nuri

Synopsis: Large microscopic inclusions from 20 to 100 (µm in diameter has recently been paid attention from the view pointof fatigue strength of steel products. As the inclusion detection capability, or probability, is practically limited in conventional optical microscopy, however, the evaluation of the distribution of these inclusions used to be feasible only
by extraction method such as acid-solution procedure. It has been found that ultrasonic testing with 50 to 125 MHz
frequency, focus-type transducers is suitable to evaluate the inclusions where echo intensity is proportional toinclusion diameter. This testing procedure was applied to evaluate large volume with 20 to a few 100 g with various
conditions to correct echo intensity. This ultrasonic system evaluates globular oxide inclusions of approximately 20µm or larger diameter, where the number, diameter distribution and three-dimensional locations of the inclusions
are examined by a plane scanning method. In addition, the system was automated to allow long-time operation for
the examination of large volume. This paper will describe recent inclusion evaluation procedures and, as a main
body, the results of the application of the new ultrasonic testing system. Included are:* Relationship between oxygen content in steel and maximum inclusion diameter in steel predicted by statistics of
extreme value with the aid of microscopic image analysis,* Inclusion diameter distribution that measured directly by the ultrasonic testing.
The inclusion evaluation of this ultrasonic method, however, is not perfect at present as long as the treatment of“Outlying observations”, which occur unexpectedly, is not established. For this reason, the development of moresensitive probes and detectors to examine larger volume efficiently and so on will be the next subject.
Key words: non-metallic inclusion, bearing steel, cleanliness, ultrasonic testing, micro inclusion, oxygen content, SAE 52100,
statistics of extreme values, outlying observation

1．緒言

価されない領域があり，信頼度の高い定量的な検出評価と迅速な評価技術が望まれている。

自動車技術における軽量化，低燃費化の問題は材料の高軸受鋼の介在物評価に関わる技術の最近の進展をみたと強度化，部品の長寿命化の技術改善の引き金となった。製き，発光分光分析法（Spark Emission Spectroscopy）による鋼工程の操業改善は清浄度水準の向上とともに高強度鋼の介在物粒径評価・組成分析，2段階酸素分析法による付着生産に著しく大きく寄与した。ところが回転曲げ疲労試験

酸素と内部酸素の分離評価，コンポジット探触子など超音片の破面に見られる，いわゆるFish eyeの中心の中大型の波検査機器の進歩が挙げられる。まず，発光分光分析法に介在物は（主として耐疲労性に）有害な影響があるとみなよる介在物評価法はAlやTiなどの酸化物系介在物に放電がされている（文献1，2）。従来の光学顕微鏡法，酸溶解法

起こると，これら介在物形成元素および酸素の非常に強い介在物などの評価法はとくに大型といわれる粒径サイズ

発光（異常発光）が生じる現象を利用するものである（文20−100 µ mのミクロ介在物について十分な情報を与える

献3-4）。この異常発光を生じる元素およびその強度を解析

ものとは言えない。Fig.1に示すように従来法では十分に評した結果，各々鋼中に存在する介在物の組成および粒径と*1 技術研究所*2 技術研究所，工博

59

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軸受鋼の鋼中介在物の評価技術（極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発）

100000.0

Inspected weight / g

10000.0

10.0
1.0

肌焼き，あるいはずぶ焼きベアリング鋼などの高清浄度を要求する鋼の非金属介在物を高周波超音波により探傷を行Slime method1000.0100.0

ASTM E588にかわる新しい規格が検討されている。これはUltrasonic method（Conventional）

うものである。DAC方式により補正された介在物の大きさ
Acid〈Higher frequency
Extraction
utrasonic method→LaserScattering / by this study〉
Diffractionと個数から定量的評価が期待できる。さらに，数年前から

Step-down
methodMagnetic
Particle

より高い周波数の，焦点距離の短い探触子を用いて介在物を評価する収束型高周波超音波法（Higher-frequency

0.1

Total［O］

Ultrasonc Testing Method）がヨーロッパ，アメリカ，日本

0.01

Microscopic
method（JK）

で積極的に取り組まれている。50-125MHz収束型高周波探

110

触子（PF＝6.5-12.5mm）による大型ミクロ介在物の評価
100

1000

の検討が行われ，10 µ mの介在物検出の報告もあり画期的

Size of Defects / µ m

な評価法として注目されている。（文献12，13）

Fig. 1. Size of defects and evaluation method.

本報では，まずこれまで行われてきた2次元極値統計法
における極値予測回帰式のパラメーター（傾きと切片）と対応したものであることが見出され，発光分光分析による予測最大介在物径の分布について述べ，極値統計法の問題

迅速な介在物の組成および粒径分布の分析法が開発されて点について触れる。次に，焦点型高周波超音波探傷法によきた（文献5）。Al，Ti以外の介在物についても定量分析がる反射強度から介在物径を評価する新しいシステムの概要

可能であり，精錬期および最終製品における複合介在物をを述べ，介在物評価におけるCスコープ画像表示による分含む介在物組成分析の迅速化が期待される（文献6-8）。

布の直接観察，検査面積増大による外来性大型介在物の検酸素分析法（文献9）は，筆者らのグループにより，酸出の可能性，及び距離振幅補正による粒径分布測定につい

素分析時に化学研磨や電解研磨などの前処理を施すことなて述べる。

く，試料の表面汚染酸素と母材中の酸化物系介在物の酸素

2．計算手順，および実験手順を分離する目的で，加熱パターンを低温域で行なう加熱段
階-1と高温域で試料を融解する加熱段階-2の二段階に分

2・1

ける加熱条件が検討された。標準試料SS-GS6a（［0］＝極値統計法のパラメーターと予測最大極値

3.4±0.6ppm）を用いて行われ，表面汚染酸素値は約1.28〜

実験供試材は φ 167鋼片から鍛造によって作られた φ 65

1.88ppm，鋼中内部酸素値は約1.52〜2.12ppmと見積もられの丸棒である。材料の中間部から長さ10mm×巾10mm×厚

た。荷電粒子放射化法による分析結果からの推定でみ10mm試料が30個切り出され，平面研磨と仕上げ研磨介［0］＝1.7ppmであり（文献10）妥当な値であると考えられ在物の後，顕微鏡により研磨面の測定が行われた。各々のた。

試料について3 µ m以上の介在物の総個数と，その最大介
在物の大きさが測定し，極値統計法により最大介在物の予さらに，この分析方法はISOの国際標準分析法を目指し測計算を行った。

て，表面汚染を除去した鋼中微量酸素分析法の比較分析法の一つとして，日本国内で共同実験が行われており，新し

極値分布は基本分布関数に従うデータの中から一定の数

い標準分析法の規格化の準備が行われている。高炭素軸受のデータの集合をとり出したとき各集合の最大値や最小値

鋼の酸素値は近年5ppm以下に達し，超高清浄鋼では分析が従う分布である。（基本分布が正規分布や指数分布であ下限値（＝3.4ppm）に近い3-4ppmに達している。この水ってもその極値分布は基本分布と異なった分布となる。）

準から表面汚染酸素約1-1.5ppmを差し引くことにより内部

この分布の解析を極値統計という。この極値分布関数への酸素の2ppm台のheatが溶製されていることが伺える。

近似的な適用についてはグンベル（文献14）によって（1）式が与えられている。累積分布関数は次式の二重指数関数

超音波探傷技術の最近の進歩について，新しいタイプので与えられる。

コンポジット探触子がある。この探触子は複数のセラミッ

G（z）＝exp（−exp（−（z− λ ）/ α ）），クス素子をポリマーで包み込んだ新しい複合振動子で，試（1）

ここで，G（z）は最大介在物がzに限りなく近い最大介

験体への音響エネルギーを伝導し易くし，高感度，高S/N比により欠陥の識別を大幅に改善した。コンポジット探触

在物の存在確率を示し，α と λ はそれぞれ「尺度パラメー

子とデジタル探傷器とを組合わせた方法でライン検査の中ター」と「位置のパラメーター」である。
村上らの方法（文献15）では，検査基準面積S 0（mm 2）でテストが行われ高S／N比が得られている。
（文献11）
また，収束型高周波探触子（10-15MHz，PF＝145mm）が定義される。そしてその検査基準面積S0の中における最による大型介在物の評価の規格化の動きがある。現在

大介在物の面積が測定される，その最大介在物の面積の平ASTM小委員会において超音波探傷法（10MHz）に関して，

方根 area maxが計算される。この検査基準面積S0について

60

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測定がN回繰り返され，i番目の最も大きな最大介在物の大Ultrasonic

きさz（i）がそれぞれ次式によって計算される。

Search UnitPC

G（z（i））＝i/（N＋1）＝exp（−exp（−（z（i）− λ ）/ α ）），Scanning（2）
ここで，z （i）は area max，iの順番におけるi番目をあらわ

Imagingす。仮に式（1）の分布が正しいものとして，介在物の大

Unit

（−ln
（i/
（N＋1）））をプロットすれば
きさz（i）に対する−ln（WATER）

縦軸に対して傾き α ，切片 λ の近似直線が得られる。また，大きな測定評価面積Sの介在物の大きさ分布の評価を行う

Water Path

ために，（3）式に示されるような再帰期間Tが定義される。

Dead
Zone

ここでは再帰期間Tは測定評価面積Sと検査基準面積S0との比で示される。
T＝S/S0Material Path
（Detective Depth）

Detective
Zone

（3）

次に測定評価面積S中における予測最大介在物径Zsを求Focal point
Defect（↑STEEL）

める。（測定評価面積Sにおいて初めてその大きさの介在物
を超えることが期待される確率）

Focal Point in Water

ここで，Zsは，次の式を解くことによって定義される。
50G（zs）＝1−1/Tが与えられて式（4）を得る。
（zv− λ ）/ α ＝−ln（−ln（T−1）/T）），

Focal Point in Water（mm）（4）

予測 area max（S0，S，N）の計算条件表示：本報における予測 area maxの計算条件はS0＝100mm2，S＝30000mm2，
N＝30，とした。
2・2

80

100

125

12.5

Water Path（mm）

6.5

Dead Zone（mm）

0 to 0.5

Gate Range Below

1.0 to 2.0 or 1.0 to 1.5

Surface（mm）

収束型高周波超音波探傷法による酸化物系介在物のFocal point Below

評価

1.0 to 1.5

Surface（mm）

2・2・1 基本条件

〈Detectability〉*1）

鋼中の大型ミクロ介在物の超音波探傷による実測評価の1/2-Wavelength（ µ m）

59

37

30

可能性について検討した結果，100MHzの探触子で大きさ1/4-Wavelength（ µ m）

30

18

15

25 µ m以上，あるいは50MHzで大きさ30 µ m以上の酸化物

2412

系介在物の粒径評価が可能となった。装置の模式図をFig.2.

* Wavelength＝Sound velocity / Frequency（Hz）×10（Sound velocity＝5900m/sec in steel）に示す。以下にこれまで筆者らのグループが開発してきた

Fig. 2. Immersion transducer and condition of ultrasonic detection.

1）6高周波探傷法の手順と概要を述べる（文献16）。
2・2・2 高周波超音波探傷の条件
Focal Length

Axial PressureDistibution

・探触子と欠陥検出能
焦点型高周波探触子（PF＝12.5mm，周波数50，80，
100 and 125MHz）の検出能は，大よそ波長の1/4である。
・探傷の基本走査（2段階走査）
基本走査は平面走査である。走査ピッチは通常ビーム径より小さい30〜100 µ mにセットされる。まず粗探傷では介在物の座標（x，y）を求め，つぎの精密探傷では粗探傷で求めた介在物の真上で軸方向の反射波強度を求め

Peak Response-6dB

Depth of fieldる（二段階走査探傷）。通常粗探傷走査では介在物は探触子中心軸の真下にはこない。さらに探触子のビーム半

0

径は100-200 µ mと狭く，半径方向には減衰が大きいの

Fig. 3. On-axis profile parameters from focused search unit.

Distance from search unit（z）

で反射強度の補正式を与えることが困難であり，したがって介在物の真上に探触子を移動し測定評価することがることができるが，Fig.3に示すように軸方向の反射強度必要である。

は焦点位置で最大値を示し，焦点位置の前後の領域にお・軸方向の反射強度の補正と深さ方向の探傷巾（文献17）

いて反射波は減衰する。軸方向の減衰の補正はその焦点

探触子軸方向の介在物の位置（z）はビーム路程から求め位置をゼロ点とした二次式が適用される（距離振幅補61

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3．介在物評価結果

正／Distance Amplitude Correction）。検出確率の低い中大型の介在物を検出するためには大きな検査体積の測定が必要であり，検査面積を大きくとるか，測定深さ（z方3・1向）を大きくすることの二つの方法がある。収束型探触・鋼中酸素値と介在物個数の関係

光学顕微鏡法による介在物の評価子の場合，減衰の問題から深さ方向（z）の探傷範囲が介在物個数は酸素値の上昇とともに増加する。酸素値は狭いため，このため走査面積を大きくせざるを得ない。

従来より鋼の清浄度の管理指標として使われてきたが，顕微鏡で観察される介在物の総個数ともよい相関がある

・熱処理の影響とその補正（Fig.4）。

超音波の反射強度は鋼の組織に依存する。焼入材の反射強度が最も高く，焼入材に比べ焼なまし材，焼ならし材
は反射強度が低くなる（10-20％減）。圧延のままの状

120
Index of number of inclusions

態では反射強度は更に低下し（約50％減）介在物の反射強度の測定には適さない。ここでは焼入れ材の反射強度を基準とし，反射波強度の補正を行っている。
・表面粗さ及び試料面の傾斜
表面粗さは最大粗さ（Rmax）で5 µ m以下とした。さらに走査方向に対し試料面が並行であることが必要である。
なぜならば試料面の傾斜により鋼中の焦点位置が変動するため，ビーム路程が変動し距離補正に大きな誤差を与えるからである。このため走査面に対する上下面の平行

Correlation coefficient

80
60
40
20
0

度は十分チェックした。測定する試験片の始点から終点

r＝0.661100

2に至る全測定範囲について測定範囲（ゲート巾）の中心

3

4

5

6

7

8

Oxygen / ppm
Fig. 4. Relationship between oxygen content and the number ofinclusion detected by microscopy（Inclusion diameter≧3µ m，SAE52100）．

に正しく焦点位置を合わせることに注意した。
・欠陥径と反射強度の関係
超音波試験片について超音波探傷を行う。次に超音波探傷を実施した領域の部分（小平板片10×20×0.5）を切・極値統計法における予測最大介在物径 area max（100，30000）

出す。介在物からの欠陥信号に対して各々座標深さ位置（z）から軸方向反射波強度補正を行い，一方でこの小平分布と酸素値，パラメーター α ，λ の関係

板片を酸溶解により介在物を抽出してSEM観察により介以下，予測 area maxあるいは予測 area max（100，30000）と表在物径を求め，反射波強度と介在物径の関係の検量線をす。回帰線は次式：y＝（x− λ ）/ α で表される。これか求めた。また発生頻度の少ない50 µ mを超える中型−大ら予測 area maxは， area max＝ α y＋ λ（ α ：傾きの逆数，形の介在物は探傷後，顕微鏡法により追込み研磨を繰返

λ ：基準化変数y＝0のときのx切片）により求められる。

して最大径を求め，反射波強度との関係を調査した。

TP採取位置（中間部）で行われた。ここで軸受鋼について極値統計のデータを見ると，離散値（outlying observa-

・気泡と介在物の識別
超音波法でもっとも重大な問題は微小欠陥の形状の識別

tion：突発的に発生する異常観測値，離れ島）の影響がと気泡と介在物の区別が難しいことである。一つ目の問注目される。5 µ m以上離れた観測値（すなわち最大値m

題は最小探傷ピッチ（5 µ m）の格子単位の反射波強度

番目と同m-1番目の差，最大値m-1番目と同m-2番目のの映像データを介して介在物の大きさを判断するため，差が5 µ m以上有るもの）について注目すると，Fig.5にミクロ介在物の形態の正確な識別ができない。二つ目の示すように予測 area max（100，30000）の値は酸素値と相関問題は気泡と介在物の識別である。村井ら（文献18）にが見られるが，離れ島のあるチャージと離れ島の無いチより鉄−気泡界面からの反射波の位相が反転することがャージとは予測 area max値の分布は異なっている（層別報告され，指標P/A（＝反射波位相の正反射波強度/全反される）。
・パラメータ α（傾きの逆数）と λ（y＝0のx切片）の関係

射波強度）から識別が可能となった。P/A≦0.45のとき介在物を示し，P/A≧0.55は気泡を示す。しかし，中間について

領域P/Aが0.45-0.55の間において気泡，介在物の正確な

切片 λ は回帰線のy＝0における交点を示し，縦軸との離区分けは難しい。ボイドと介在物の共存などの場合探傷れ度合を示す。 area maxは α に比例する。Fig.6に示すよ

範囲を狭め探傷ピッチを小さくして（すなわち欠陥を拡うに，α と λ の関係においても離散値の影響は大きい。

大した映像にして）評価することが必要である。本報告

極値Zが与えられたとき一次不等式で表されるy T・ α ≦ではP/A＞0.45は気泡とみなした。

z− λ の 領 域 に す る 必 要 が あ る 。 た と え ば 極 値

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軸受鋼の鋼中介在物の評価技術（極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発）

20，15，12及び10のグループに分け基準検査面積としWithout outlying
observation

た（それぞれS 0 ＝100，200，300，400，500，600，
800，1000及び1200mm2である）場合，S0が400mm2を超える時点から予測 area maxが飽和し始め，S0＝500mm2以

35

上で一定値に近づくことがわかった。この基準検査面積30でも依然として離散値の影響を受け，極値がばらつくこ25とが確認された。検査面積が足りないと考えられた。試20

料数についても検討が行われ，S0＝500mm2，N＝5以上

15で評価を行ったがバラつきの大きい結果となった。安定
した極値を得るためには，試料数は少なくともN＝20〜

1030個必要である。

5
0

2

3

4
5
Oxygen / ppm

Fig. 5. Relationship between oxygen content andof SAE52100.

6

7

70

area max（ µ m）

yT＝−ln（−ln（T−1）/T））＝5.705
yWithout outlying
observation

λ0

Slope＝1/ αZα （1/slope）√area max（100，30000）
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

With outlying
observation√area max（So，30000）/ µ m√area max（100，30000）/ µ m

With outlying
Observation

60
50
40
30
20
10
0

200

400

600
800
S0 / mm2

1000

1200

Fig. 7. Relationship between S0（mm2）and area max（ µ m）

3・2
yT･ α ≦Z− λ（光学顕微鏡法と超音波法の介在物検出個数比較）
Fig.8に光学顕微鏡法及び超音波法による介在物粒径分布√area max（100，30000）≦15 µ m
0

1

2 3

4

焦点型高周波超音波による介在物粒径分布の評価の関係を示す。前者の被検面積は200mm 2，後者の走査に

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Intercept（ λ ）よる体積は200mm2×0.5mm＝100mm3である。二次元平面

Fig. 6. Relationship between α（reciprocal of slope）and λ（intercept at y＝0）in the estimation of statistics of
extreme values of SAE52100.

1a）Inclusions in 1mm2

Number of inclusionsb）Inclusions in 1mm2 ×0.5mm

area max（100，30000）≦15 µ m（目標）とすれば，回帰線実
績から α ≦2.0，λ ≦5.0が望ましい領域と考えられた。
・極値統計法の評価条件
回転曲げ疲労試験などで大きさ50 µ m以上の大型介在物が見られることがある。このクラスの鋼中最大介在物径

0.1

0.01
b）Ultrasonic method0.001を推定するために必要な基本条件（S0，S，N）は求めらa）Microscopic method

れていない。基準検査面積S0と予測 area max（So，30000）の0.0001関係の一例をFig.7示す。S0＝100mm における最大介在物
2

測定を120回繰り返し（合計総検査面積12,000mm 2 ），

0

20
40
Diameter of inclusion ( µ m)

60

Fig. 8. Comparison of number of inclusions by between image
analysis（2D）and UST method（2D）.

120個のデータをそれぞれN＝120，60，40，30，24，

63

Sanyo Technical Report Vol.8 (2001) No.1

軸受鋼の鋼中介在物の評価技術（極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発）

観察の介在物個数と3次元超音波探傷法の個数の比は平面

ついて，現在の光学顕微鏡法による基準検査面積100mm 2の観察個数と深さ方向の探傷幅（深さd＝0.5mm）内の超の最大介在物径分布（N＝30）と超音波法により大幅に検音波による検出個数の比に対応する。したがって同じ走査

査体積（検査基準体積を65×65×0.5＝2113mm3（設備能面積とした時，超音波法は顕微鏡法の数百倍の検出能に相力上限），N＝30）を増加させて介在物の最大径を調査し当するものと考えられる。

た。Fig.11に極値統計法を利用した介在物の粒径分布を示（酸素値と介在物個数の関係）

す。この二つ測定によるデータは離散値を含まず，とくに次に，酸素値と介在物個数（25 µ m以上）の関係をFig.9

超音波探傷の結果は一定の大きさに収斂する傾向をも示しに示す。二次元顕微鏡の画像処理〈Microscopic image analy-

た。顕微鏡法の基準検査面積S 0＝100mm 2は体積換算のたsis〉のデータ（Fig.4）と同様，3次元超音波測定においてめ検鏡1層あたり＝10 µ mと仮定すると100×0.01＝1mm3にも鋼中の酸素値の増加に伴って介在物の個数は増加してい相当ある。また2113mm 3×30個（面積換算6339000mm 2）る。またFig.10に示すとおり超清浄鋼と通常鋼の介在物粒における検鏡法による予測 area max（100，6339000）は30.8 µ m

径分布に明らかな分布の差が認められた。

が得られており超音波法による実測最大径29.0 µ mに近い3・3値を得た。双方の検査基準体積比は約2100倍に対し，極値

検査体積と最大介在物径の関係

統計法による各試験片30個の実測最大介在物径は従来の光極値統計法の手法を利用してある超清浄鋼のチャージにIndex of number of inclusions（≧25 µ m）

学顕微鏡法で5〜15 µ m，新しいUST法では実測最大介在物
径25〜30 µ mと約2倍の値の分布を示した。

60

また軸受鋼の超清浄鋼と通常鋼について超音波法の検査

Correlation coefficient50

基準体積の最大介在物径のデータを測定範囲内で上昇順に

r＝0.592

並べてみると，Fig.12に示すように超高清浄鋼については
40

大きな介在物が見られないチャージも多くあり，従来鋼では測定体積を2113mm3×30個＝63390mm3（＝507g）と大30

きくして評価しているにもかかわらず，さらに大きな離散値（離れ島）が見られたことは注目される。したがって，

20

検査体積をさらに大きくすることが必要である

10
0

4．考察
3

4

5
6
7
Oxygen / ppm
Fig. 9. Relationship between oxygen content and number of inclusions detected by UST.（Inclusion size ≧25 µ m，50MHz）．

4・1

極値統計法の問題点

極値統計法による最大介在物の予測について①離散値の有無の影響，Inclusion size（ µ m）
Heat

25-

30-

35-

40-

45-

50-

55-

60-

65-

Sum

A

5

1

-

-

-

-

-

-

-

6

Supreme

B

7

2

-

-

-

-

-

-

-

9

Cleanliness

C

12

2

1

-

-

-

-

-

-

15

-

-

-

-

-

-

11

1

-

-

-

-

-

12

SAE52100

D

8

3

-

E

10

1

-

（mean）

Conventional
SAE52100（8.4） （1.8） （0.2） （0.2）

-

-

-

-

-

（10.6）

F

21

4

2

-

1

-

-

-

-

28

G

31

10

2

1

2

-

-

-

-

46

H

16

2

3

1

-

-

-

-

-

22

I

29
50

8
15

2

2

1

-

-

-

-

4

2

2

1

-

-

-

42
74

-

-

-

（42.4）

J（mean）（29.4） （7.8） （2.6） （1.2） （1.2） （0.2）

Specimen size： φ 65，Scanning path interval：30 µ m
Probe：100MHz，PF＝12.5mm，Normal beam
Fig. 10. Distribution of inclusions detected by focusing-ultrasonic transducer（100MHz）．

64

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軸受鋼の鋼中介在物の評価技術（極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発）

12とでも離散値の有無によって極値は影響を受ける。最も大11Reduced variate，y＝−ln［−ln｛（T−1）/T｝］

きい area m（m番目が最大とする）が仮に＋5 µ m大きく

T＝63390なった場合，予測 area maxはおおよそ＋10 µ m大きくなる◆Microscopic
method10ことが計算から知られる。回帰線から大きく外れて偏るデ

9（1）
S0＝100mm2，N＝30
8 S＝30000mm2
Predicted diameter7＝18.1 µ m
6ータにより，回帰線の傾き，及び予測 area maxは大きく影（2）
S0＝100，N＝30
S＝2113×100×30＝6339000mm2

響を受ける。すなわち離散値が大きすぎる場合には特別にPredicted
diameter＝30.8 µ m

λ はそれぞれ酸素値と関係があることから清浄度の指標と

T＝300

5
4
3

管理されるべきである。
また，回帰線の特性値をあらわす二つのパラメータ α ，して小さい値が望ましい。とくに λ は回帰線の縦軸への接近の度合いを示し，「内生介在物」の分布の程度を表すと考えられる。離散値のない場合，λ は酸素値と共に清浄度2の管理指標として十分利用できる。離散値のある場合，□Ultrasonicmethod10「外来性の介在物の混入」，「工程内の異常」の危険があり，さらにN数増しして全体の状況を判断する必要がある。

−1

つぎに，顕微鏡法によるS 0 ＝100，N＝30の条件では

−2
0

10

20

30

40

（ 離 れ 島 ） が し ば し ば 現 れ ， と く に 基 準 検 査 面 積 S 0＝50100mm2では少ないと考えられる。Fig.11の超音波法による√area max / µ m

データは明らかに顕微鏡とは別の分布を示し，かつある大Fig. 11. Comparison of maximum area （ µ m）of each inspection area（or volume）by image analysis（2D）and by
ultra sonic method（3D）．

きさに収斂する傾向が見られた。このことは評価面積Sの値をどこに取るかが問題であるが同じ検査面積で顕微鏡法の離散値のない観測値による予測 area max（So，S）値と超音波法による実測値の対比ができることを示唆している。一方Fig.12は超清浄鋼と通常鋼の超音波探傷法の各試験片の70
60
Maximum inclusion diameter / µ m

最大介在物径を上昇順にならべた。検査体積が60000mm31）Conventional
2）Supremecleanliness（SAE52100）

50以下では area max，iが漸増しているが体積61000mm 3（＝480g）を超えて介在物の多い通常鋼で突然離れ島が表れたことから，大型の介在物の実績評価において大検査体積が1）

重要であることが認識され，最大介在物径を直接評価する
ため焦点位置からの距離振幅補正を取り入れた超音波評価

40法が重要な方策となりうることが知れる。
30

4・2

収束型高周波超音波法のシステムの特徴をTable1に示し，

2）20

超音波法による介在物評価

補足説明を以下に述べる

Detection limit : 22 µ m

・反射波強度の補正と検出限界

10

探傷軸方向では焦点から離れるにしたがって反射強度は減衰して検出感度が下がる。ところが同じ大きさの介在物でも探触子近くの介在物に比べ，探触子から離れた介

0
0

20000

40000

60000

80000

在物の反射波強度は低く，補正前の反射強度が低いため

Cumulative inspection volume / mm3

検出限界外れとなり探触子から遠い位置の介在物は評価

Fig. 12. Relationship between maximun size of inclusion andinspection volume.

されないものがある。探傷領域内を同じ存在確率で介在物を評価するため補正範囲を考慮し，結果として検出限界を5 µ m程度（たとえば20 µ m→25 µ m）上げざるを得②計算基本条件としてS0，S，Nの設定，ない。

について述べる。

・走査時間（離散値の有無の影響）

走査面積に比例して走査時間は長くなる。長時間走査のまず，顕微鏡法による極値 area max（100，30000）の分布に場合は夜間無人運転を実施する。

ついて，同じ計算条件，S0＝100，S＝30000，N＝30のも・気泡と介在物の識別65

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軸受鋼の鋼中介在物の評価技術（極値統計法の評価の問題点と高周波超音波法による大型ミクロ介在物の評価技術開発）

その識別はそれぞれの欠陥からの反射波形の位相反転有

このことから，離れ島をどう取り扱うかの研究が今後の重無によっている。とくに気泡からの反射波形の位相反転要な課題である。超音波法の利点は欠陥の直接観察，粒径有無が指標P/Aにおける中間領域（P/A＝0.45−0.55）の分布測定，検査体積を大きくとることができることである。

場合，及び介在物−ボイド共存の場合の判定は困難な場

これに対してはより大きな体積を効率よく探傷できる検出合がある。P/Aの値に応じた検量線の設定が必要と考え能のよい探触子や探傷器などの開発が望まれ，次ステップられる。

の課題となると思われる。また反射波強度から直径サイズ・圧鍛比へ変換する方式で介在物の個々の大きさ，形状を正確に評同じチャージであっても圧延寸法により介在物の大きさ価するためには細かいピッチの高速走査，高速データ処理

分布，形態が異なる。これら試験片の圧延条件を揃えるが可能な探傷装置の開発を期待したい。

ことが必要である。またミクロポロシティは擬似的な介5．まとめ

在物波形を示すため，この影響を消すには十分な圧鍛比が必要である。ミクロポロシティの影響が有るときは欠

1．直接観察により20-100 µ mの介在物の粒径分布と3次元陥個数が異常に多くなり，また圧延方向の欠陥長さが極位置を評価するため，焦点型超音波探触子により，大めて大きな値で示されることがある。
4・3

きな検査体積中の介在物を評価と長時間走査ができる

鋼中大型介在物粒径分布の評価

酸素値とUTによる25 µ m以上の介在物個数には相関があ

自動化されたシステムを開発した。

る（Fig.9）。介在物分布はFig.10に示すように超清浄鋼と通2．従来の顕微鏡観察による極値統計法は小試験片のため常鋼では差が認められた。顕微鏡による予測

チャージの最大介在物の予測に対して精度的に問題がarea max（100，30000）と高周波UTによる実測最大介在物径のあった。この超音波法の適用により試験体積が100倍〜

比較では有意な相関は認められなかった。UT検査体積を数千倍に増加したことから大型ミクロ介在物の粒径分

最大63390mm （507g）として大体積評価を行ったが，依布の評価が可能となり，評価の精度は大幅に改善され然として離れ島の大きな介在物を認めた（Fig.12）。従ってた。外来性の大型介在物の検出の可能性がある。

3

Table1. Operating condition and specimen preparation of ultrasonic testing.
Item

Measurement condition

Item

Measurement condition

Total detection limit

100MHz：25 µ m

Diameter＞100 µ m：d＝（Size of image（PF＝12.5mm）

of inclusions

50MHz：30 µ m（PF＝12.5mm）
Heat treatment

Quenched or（Recommended）

Quenched & tempered

Surface roughness

Rmax.≦5.0 µ mdia.）−（Beam dia.）≦100 µ m：Regression
d＝ax＋bFrequency

50 to 125MHz

Scanning time

100×100mm2：
40〜60minutes/piece

Scanning area
×depthRough scanning：

Discrimination between

P/A：P（Positive echoamplitude），

voids and inclusions

A（Total echo amplitude）

Max：100mm×100mm×（0.5
to1.0）mm＝5000 to 10000mm

P/A≦0.45：Inclusion，（40 g to 80 g/piece）

P/A≧0.55：Void

3

Precise scanning：
1.0×1.0×（0.5 to 1.0）mm3
Focal position

Center of thegate

Calibration

Reference block（ φ 0.40mm FBH）

InclineLess than 0.1mm/100mm

Evaluation

A type：impossible（ASTM E45 chart）

B type（cluster）：
possible，imperfect．
D type（globular oxide）：
possible

Distance amplitude

Quadratic equation

correction

66

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3．しかしながら，まだ突発的に発生する離散値の取り扱

8） Reinholdsson, R.Jonsson, A. Lind, M. Goransson, B.M. Johansson and R.

いの問題があり，より大きな体積を効率よく探傷でき

Nilsson, On-line determination of Inclusion Characteristics in bearing Steels,

る検出能のよい探触子や探傷器などの技術開発が次のSteel Time International, March（I 998），22，2，27-28．

課題となるであろう。

9） T.Ise, Y. Nuri, Y.Kato, T.Oishi and H. Matsunaga, The effect of heating conditions on removal of oxide film on steel surface by inert gas fusion method, ISIJ,

文

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10） 高張友夫，安彦兼次，子鹿原猪一，今北

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473．

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