技術論文

15MHz高周波超音波探傷による鋼中介在物評価法の開発
佐藤

海広＊1，高須一郎＊2，雲丹亀

泰和＊3

Development of Evaluation Method for Nonmetallic Inclusions in Steel through 15MHz Ultrasonic Test
Kaiko Sato, Ichiro Takasu and Yasukazu Unigame

Synopsis: Cleanliness improvement efforts for bearing steels have been continued, while it has been well-known that thefatigue properties of bearing products are extraordinary affected by nonmetallic inclusions.
In the bearing products used in a clean environment, it is known that an internal inclusion can be a starting point of
fatigue fracture. And the rolling contact fatigue life of bearings is described as two concepts. One is "L10 life",
which represents general bearing performance, and the other is "accidental short life". The "L10 life" is affected bysmall or middle size inclusions that are tens of microns or several microns in diameter. Such inclusions areevaluated by oxygen analysis, microscopy and ultrasonic detection with high frequency probes of 50-100MHz. On
the other hand, "accidental short life" is caused by macroscopic inclusions with 100-micron or larger diameter.
From the viewpoint of higher reliability of bearing steels, Sanyo has developed 15MHz ultrasonic testing method
for macroscopic inclusions in steel.
In this paper, outline of the equipment, detection performances for nonmetallic inclusions, and basic characteristics
related on the point-focus type ultrasonic probe, were explained on the 15MHzUT, and one of application
examples was also shown.
15MHzUT was useful for the evaluation of the macroscopic inclusions and this method was also effective for thedemonstration of the high reliability of clean steels.
key words: UST (Ultrasonic Testing); high frequency; reliability; cleanliness; steel; macroscopic inclusion; nonmetallic
inclusion; bearing steel; semifinished product
寿命とに相関があることも明らかにされてきている2）。そ１．緒言の一方で、50〜100MHzの高周波超音波探傷による介在物評価方法3-14）も開発されている。

軸受用鋼においては、鋼中に存在する非金属介在物が軸
受製品の機能や疲労強度に大きな影響を及ぼすため、従来２点目は、突発的な疲労寿命低下である。軸受製品におより清浄度の改善が行われてきた。その結果、軸受の寿命

いて、L10寿命などの計算寿命では予測できない早期の疲は飛躍的に向上している。

労破壊が起こることがあり、その破面には100μm級以上

ところで、クリーンな環境で使用される軸受製品においの大型介在物が見られることがある。軸受の信頼性向上にては、内部の介在物を起点として、疲労破壊が起こることは、この100μm級以上の大型介在物の低減が必要であるが知られている。その場合、軸受製品の転動疲労寿命は、が、出現頻度が極めて低いために、これまでの清浄度評価

次の２点で記述されると考えられる。

方法では、その評価が困難であった。そこで、軸受用鋼の１点目は軸受のパフォーマンスを示すL10寿命（10%更なる信頼性向上の観点から当社では15MHz探触子を用破損確率寿命）であって、軸受用鋼の清浄度と相関がある

いた水浸超音波探傷による介在物評価方法（以後ことが知られている。具体的には、数〜数十μmの小中型

15MHzUTと記す）15-17）を開発した。

介在物が関与するもので、それら介在物に関する清浄度評

Fig.1に各種の非金属介在物評価方法について、評価重価方法としては、トータル酸素およびASTM法等の顕微鏡

量と評価対象となる介在物の大きさから見た概略の位置づ法が実用化されている。検鏡介在物を極値統計処理する方けを示す。極めて出現頻度の小さい100μm級以上の大型法も積極的に活用されており 、世界的に普及しつつある。

介在物に対しては、kgオーダーの大体積検査が可能な

近年の研究では、検鏡極値による予測最大介在物径とL1015MHzUTは、非常に有効な方法である。スライム抽出法

1）

1
2
＊
3
＊
＊

研究･開発センター プロセス開発グループ
研究･開発センター プロセス開発グループ長、PhD
研究･開発センター長

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15MHz高周波超音波探傷による鋼中介在物評価法の開発のように鋼試料を溶解しないので、クラスタ状介在物にも700mm、Ｙ方向で最大600mm、Ｚ方向で最大300mm対応できるという利点もある。

であり、最小10μmピッチで移動が可能である。

検鏡介在物を極値統計処理する方法と15MHzUTとを組

当社の高周波超音波探傷装置は、厚さが同一の複数の測み合わせて使用することにより、概ね、全介在物寸法に関定試料の連続探傷と、測定試料すべての探傷結果の三次元するトータルの信頼性を評価することができる。

表示（C-スコープおよびＢ-スコープの表示）と、検出欠

本報では15MHzUT設備の概要、非金属介在物検出能、陥の数値データ（Ｘ,Ｙ,Ｚ座標値および欠陥波強度）の出

測定試料調製法の影響、基本探傷特性、評価手順および軸力とを可能としている。

受用鋼における適用事例について述べる。

連続探傷の設定画面は、Fig.3に示すものであり、個々の試験片のＸ，Ｙ平面で見たときの探傷エリア（中心点座標と探傷距離）および探傷ピッチ、Ｚ方向のゲート範囲（深さ方向の探傷範囲）、測定感度（アッテネータ方式で表示のゲイン）を一括入力し、探傷作業を開始する。これにより良好な作業性を得ている。
15MHz超音波探触子の外観をFig.4に、仕様をTable1.
に示す。ポイントフォーカス型の探触子であって、探傷周
波数は15MHz、振動子径は0.5インチ、水中焦点距離は6インチ（公称）である。
Fig.5に探傷模式図を示す。当社では垂直探傷法を採用している。深さ方向に関しては、不感帯を除く、鋼中焦点の前後に検出領域（ゲート）を設定して探傷を行っている。

Fig.1

Comparison of cleanliness evaluation methods.

２．15MHzUT設備の概要
高周波超音波探傷設備の外観をFig.2に示す。全没水浸式の超音波探傷装置であり、パルス反射法による高周波超音波探傷を可能としている。

Fig.3

Fig.2

Screen to input ultrasonic testing conditions.

Appearance of ultrasonic testing equipment.

装置の構成は、高性能パルサー／レシーバーを有する超音波探傷器、オシロスコープ、操作画面、水槽（脱気装置を含む）と走査機構部を有する多軸制御型高性能スキャナーによっている。水槽内の座標系は、15MHzUTではXYZ系を使用する。Fig.2では横方向がＸ軸、奥行き方向がＹ

Fig.4 Appearance of 15MHz-probe.

軸、縦方向がＺ軸である。探触子の移動は、Ｘ方向で最大

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15MHz高周波超音波探傷による鋼中介在物評価法の開発

Table1. Specifications of the 15MHz-probe.

Fig.5 Schematic diagram of ultrasonic testing.

３．非金属介在物検出能

Fig.8 Determination of inclusion size with microscopy.

15MHzUTでは種々の形態の酸化物系介在物が検出可能である。検出介在物の事例をFig.6、Fig.7に示す。

Fig.7は球状の大型介在物の例である。主体組成は
MgO･CaO･Al2O3で、大きさはφ80μmである。

Fig.6はストリンガー状の大型介在物の例である。主体
組成はAl2O3で、大きさは幅が50μm、長さが470μm、介在物の大きさ（幅、長さ、√AREA）は、Fig.8に示√AREAが150μmである。

す要領で追込研磨を行って大型介在物の最大径を求めたものである。追込ピッチは10μm程度である。
以上のような大型介在物について、15MHzUTの反射波
強度と検鏡√AREAとの関係をFig.9に示す。

Fig.6 Stringer inclusion detected by 15MHzUT.

Fig.7

Fig.9 Relation between echo amplitude of 15MHzUT
and inclusion size (√AREA) by microscopy.

Globular inclusion detected by 15MHzUT.

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Fig.9に示すように、15MHzUTでは、材料ノイズレベ
ルに対しS/N比が約２以上の条件で100μm級の大型介在物が検出可能であった。さらに100μm級の大型介在物の15MHzUT反射波強度と検鏡√AREAとにはおおよその相関関係があることが分かった。介在物組成の観点からは主体組成でCaO･Al2O3（■）、MgO･CaO･Al2O3（●）、Al2O3（◆）があるが、いずれの組成の大型介在物も特に層別されることなく、同様のレベル観での検出が可能とわかる。
100μm級大型介在物の15MHzUT反射波強度と介在物の幅との関係をFig.10に示す。15MHzUT反射波強度と介在物の幅には相関関係は認められないが、一方で、本テス
トでの大型介在物の幅の検出下限値は30μmであり、幅30μm以上の100μm級大型介在物を検出していることがわかる。

Fig.11

Procedure to investigate the influence ofrolling and/or forging ratio of steel on thedetectability of macroscopic inclusions by
15MHzUT.

Fig.12

Influence of rolling and / or forging ratioo f s t e e l to detectability of macroscopic
inclusions by 15MHzUT.

４･２

ポロシティの取り扱い

Fig.10 Relation between echo amplitude of 15MHzUT
and inclusion width by microscopy.

４．測定試料調製法の影響
15MHzUTによる大型介在物の評価では、鋼材の圧鍛比やポロシティの取り扱いに注意が必要である。以下に詳細を説明する。
４･1

圧鍛比

特に鋼片など圧鍛比の小さな中間製品では、15MHzUT

15MHzUTによる大型介在物検出への鋼材圧鍛比の影響で検出されるレベルの欠陥として、大型介在物だけでなくを、Fig.11に示す要領で調査した。肌焼合金鋼の丸鋼片

ミクロポロシティが存在している場合がある。その場合にを用い同一部位の同一試料で調査比較した。各圧鍛比の条は、大型介在物のみを評価するための対策が必要である。

件の試料で検出された15MHzUT欠陥の個数は評価重量

超音波探傷において、介在物と空孔を識別するための欠10kgあたりに換算して比較した。

陥波のパラメータとしては一般に、位相（簡易位相情報
P/A18））、中心周波数、反射波強度が知られている。

結果をFig.12に示す。圧鍛比≒9のときの検出欠陥個数

50MHzUTにおいては、欠陥波の位相などの情報をベーを100として指数化した値で表示している。
Fig.12からわかるように鋼材圧鍛比が大きくなるにつスに、介在物と空孔を識別する方法のトライアルも知られれ15MHzUT欠陥個数が減少した。これは介在物延伸によている19）。しかしながら、15MHzUTでは、振動子径0.5るものと考えられる。このことから、15MHzUTを用いた

インチに対して、水中焦点距離が６インチと大きい、長焦

大型介在物評価結果を比較するには、圧鍛比を考慮する必点の探触子を使用しているため、位相情報による介在物と要があることがわかる。

ミクロポロシティとの識別は困難である。中心周波数、反28

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射波強度についても、介在物とミクロポロシティとの識別

Fig.14は15MHzUTで使用している探触子の距離振幅特のための有力な知見は得られていない。

性を各深さに同一形状の人工欠陥を有する試験片を用いてしたがって、15MHzUTの測定試料で、その測定評価領

求めたものである。この距離振幅特性において、半値幅を域のミクロポロシティは圧着されている必要があるが、高求めると25mm程度であることがわかる。この範囲をちょい圧鍛比を与えれば、前述のように検出介在物が減少する

うど包含できるゲート設定が好ましいと考えられる。当社ことになる。実用上は探傷範囲から中心部ポロシティの存

15MHzUTではゲートを25mm幅としている。

在範囲を除外して評価範囲を設定し、評価範囲内にあるミクロポロシティは圧着させる必要がある。

５．基本探傷特性
15MHzUT探傷条件の影響について述べる。焦点深さ、
距離振幅特性、超音波ビーム径や残響エコーの基本探傷特性を明らかにし、ゲート幅および探傷ピッチの適正値を検討した。以下に詳細を説明する。
５･１

焦点深さ

同一形状の欠陥の検出が、常に、超音波探触子から発せられるビームの焦点で行われたとしても、その焦点（欠陥）の深さが異なれば欠陥波強度は変化する。これは水距離がFig.14長いと水中での超音波の減衰が大きくなるためである。そこで15MHzUTでの鋼中焦点に関して、欠陥からの反射波

Relation between flaw depth and 15MHzUT
echo amplitude of flaw (Depth of focal point
was fixed).

強度が最大となる焦点深さを検討した。Fig.13に幾何焦点深さとその焦点位置にある欠陥からの反射波強度との関５･３係を示した。

超音波ビーム径および残響エコー

超音波探触子からのビームの径方向に関して、欠陥が超音波ビームの中心軸上にあるとき、欠陥波強度は最大とな
り、欠陥が超音波ビームの中心軸からずれた位置にあるとき、欠陥波強度はより小さくなる。この特性を知っておくことで適正な探傷ピッチの設定が可能となる。探傷ピッチ
は探傷作業の迅速性と欠陥波強度の測定精度の確保が可能な条件とする必要がある。
少なくとも欠陥の検出漏れをほぼ防止するとの観点からは、探傷ピッチは超音波のビーム径以下とする必要がある。
15MHzUTで使用の探触子の超音波ビーム径を測定した
結果をFig.15に示す。

Fig.13

Relation between 15MHzUT echo amplitudeof flaw and depth of geometrical focal point insteel (Depth of geometrical focal point was
equal to depth of flaw).

Fig.13から、焦点深さ17.5mm程度以上で欠陥波強度が飽和することがわかる。
５･２

距離振幅特性

超音波探触子からのビームの進行方向（試料の深さ方向）に関して、欠陥が焦点深さにあるとき、欠陥波強度は最大となり、欠陥が焦点に対して手前や奥にずれた深さにあると、欠陥波強度は、より小さくなる。このような距離振幅

Fig.15

特性を知っておくことで、適正なゲート設定が可能となる。

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Diameter of ultrasonic beam at focal pointwith 15MHz probe.

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このデータは樹脂中に埋め込んだφ50μmのステンレ

６．評価手順スワイヤーによる人工欠陥を用いて求めた超音波ビームのプロフィールであり、超音波ビーム径は、その半値幅から15MHzUTは、肌焼鋼、中炭素鋼、軸受鋼などの清浄度評

約1mmと読める。したがって、探傷ピッチ1mm以下は絶価に活用できる。ここでは15MHzUT探傷評価手順を述べる。

対条件となる。

６･１

試験片の作製手順

1mm以下の探傷ピッチに関して、欠陥波強度の測定値

代表的な15MHzUT試験片と試験片作製工程をFig.18にのばらつきに及ぼす探傷ピッチの影響を、詳細に調査した示す。試験片は、鋼片の中心軸を試験片の中央付近とした結果をFig.16に示す。

厚さ45mmのブロックである。
試験片作製工程としては、まず、鋼片試料から、一定の長さの短円柱を切り出し、粗加工でおおよその成形を行い、その後、熱処理を行う。そして、最後に仕上加工として平面研磨を施す。

Fig.16 Influence of scanning pitch to echo amplitudewith 15MHzUT.
Fig.18 Test piece preparation processes.
15MHzUTにおいては、探傷ピッチ0.2mm以下とする
ことで欠陥波の測定値のばらつきを約10%以内とするこ

６･２とができるとわかる。

探傷範囲の設定

Fig.18で試験片の上面が超音波入射面である。探傷範さらなる欠陥波の測定値の精度の向上のためには、できる

囲は表面エコーのゲート内への侵入を防止するため不感帯だけ探傷ピッチが小さいことが好ましいが、探傷ピッチが小を外し、またエッジノイズを防止できるように外周部や端さすぎると、探傷スピードや繰り返し周波数とのかねあいか部を外して設定する。

ら、Fig.17に示すような残響エコーが発生することがある。

６･３

探傷条件

15MHzUTの超音波探傷条件をTable2.に示す。水槽内で探触子を水平面で走査し、探傷する。鋼中幾何焦点は試
験片中心位置の22.5mm深さに、深さ方向の探傷範囲であるゲートは、その前後の±12.5mmの範囲に設定している。
Table2. Ultrasonic testing conditions.

Fig.17 15MHzUT chart (C-scope) that reverberationecho appears.
この残響エコーを回避し、かつ迅速に探傷を行うとの観点から、当社15MHzUTにおいては、探傷ピッチ0.2mmを標準としている。

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６･４

評価条件

鋼片などの半製品には、中心部にミクロポロシティが存在していることがあり、あらかじめ調査して決めた所定の範囲（たとえば中心から直径の20%分の範囲）を除外し評価する。Fig.19の青色表示の探傷範囲から白色網掛け
表示の範囲を除外した範囲が評価範囲となる。

Fig.20 15MHzUT chart (C-scope and B-scope) thatan inclusion detection is observed.
Fig.19 Evaluation volume.

７．軸受用鋼における適用事例
６･５

試験重量
15MHzUTを軸受用鋼の大型介在物評価に適用した事例

試験重量は対象材や目的に応じて決定する必要がある。

を紹介する。

例えば非常に清浄度の高い鋼においては、大型介在物の出連続鋳造で製造された高清浄鋼と一般鋼とを15MHzUT

現頻度は10kgあるいは数10kgに1個のオーダーであるので、この点を考慮して試験重量を決める必要がある。

により比較した事例をFig.21に示す。対象は肌焼合金鋼

６･６で、定常部鋼片より試料採取した。清浄鋼の3チャージ

測定チャートとデータ処理

15MHzUTの測定チャートの例をFig.20に示す。X-Y平（B,C,D）と一般鋼の1チャージ（A）は、いずれも酸素値

面を上から見た図（Ｃスコープ）と深さ方向の図（Ｂスコが5〜6ppmと同レベルの酸素値を有した鋼である。

ープ）を表示している。評価範囲における反射波強度

15MHzUT欠陥個数（所定の評価重量あたりに換算）で評30%以上の15MHzUT欠陥のデータを大型介在物のデー

価すると、Fig.21に示したとおり、両者には差が認めらタとして取得し、その合計をカウントし、所定の評価重量

れ、一般鋼よりも清浄鋼の方が大型介在物個数が少なく、（例えば10kg）あたりに換算する。

大型介在物に対する信頼性がより高いことがわかる。

15MHzUT欠陥は反射波強度の情報を有している。
Fig.20では、水色→白色→緑色→黄色→桃色→赤色の順
で反射波強度が大きい。15MHzUT欠陥のうち小さい欠陥と大きい欠陥の有害度の違いを考慮する場合には、反射波強度をもとに、個々の15MHzUT欠陥に対して重みづけをして指数化することもできる。

Fig.2131

Comparison of conventional steel and clean
steel on the macroscopic inclusion number.

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また、一般鋼、清浄鋼の15MHzUT欠陥個数の反射波強８．結言

度別内訳をFig.22およびFig.23に示した。前章で15MHzUTでの反射波強度と大型介在物の大きさに相関が100μm級またはそれ以上の大きさの大型介在物の評価あることを述べたが、一般鋼では、反射波強度80%以上

方法として、15MHzUTを開発した。本方法によると酸素の大きな欠陥が検出されているのに対し、清浄鋼では反射値が同等であっても鋼材の信頼性の差異を明確化できると波強度80%以上の欠陥は検出されていない。反射波強度わかった。また、大型介在物の観点からの品質評価や操業分布から見ても、一般鋼より清浄鋼の方が大型介在物に対技術の評価が可能である。今後15MHzUTを軸受用鋼の製する信頼性が高いことがわかる。

鋼操業評価に適用することにより、高信頼性鋼のさらなるレベルアップを図りたい。

９．参考文献01）Y.Kato and I.Takasu: CAMP-ISIJ, 16 (2003), 836.
02）M.Nagao, K.Hiraoka and Y.Unigame: Sanyo Technical Report,
12 (2005), 38
03）S.Takemoto and Y.Nuri: Sanyo Technical Report, 4 (1997), 8804）加藤恵之,竹本省一,佐藤海広,塗嘉夫 : 超清浄鋼研究の最近の展開 超清浄鋼研究会最終報告書, 日本鉄鋼協会, (1999), 403
05）Y.Kato, K.Sato, Y.Nuri and S.Takemoto: CAMP-ISIJ, 12 (1999),47306）K.Sato, Y.Kato and Y.Nuri: CAMP-ISIJ, 12 (1999), 68907）K.Sato, Y.Kato and Y.Nuri: CAMP-ISIJ, 13 (2000), 667

Fig.22

Echo amplitude distribution of inclusions
detected by 15MHzUT in conventional steel.

08）Y.Kato, S.Takemoto, K.Sato and Y.Nuri: Sanyo Technical Report,
7 (2000), 35
09）Y.Kato, K.Sato, K.Hiraoka and Y.Nuri: SanyoTechnical Report, 8(2001), 59
10）Y.Kato, K.Sato, K.Hiraoka and Y.Nuri: ASTM Spec. Tech. Publ.
(Am Soc Test Mater), No.1419 (2002), 176
11）H.Nagayama, H.Nasu, T.Noguchi, T.Sugimoto, T.Nisikawa andN.Asai: CAMP-ISIJ, 11 (1998), 1323
12）T.Nisikawa, N.Iwama, H.Nagayama and N.Asai: CAMP-ISIJ, 12(1999), 1388
13）H.Nagayama, H.Nasu, I.Fujii, T.Sugimoto, T.Nisikawa and N.Asai: CAMP-ISIJ, 12 (1999), 1389
14）永山宏智, 木下信一郎, 藤井伊佐夫, 浅井鉅和, 西川友章 : 愛知製鋼技報, 20 (2002), 915）I.Takasu, Y.Unigame and K.Sato: CAMP-ISIJ, 17 (2004), 1494
16）K.Sato, I.Takasu and K.Kawakami: CAMP-ISIJ, 18 (2005), 1011

Fig.23

Echo amplitude distribution of inclusions
detected by 15MHzUT in clean steel.

17）Y.Unigame, K.Hiraoka, I.Takasu and Y.Kato: paper for the ASTM
7th International Symposium on Bearing Steels to be published18）村井純一,井田隆志,白岩俊男 : 非破壊検査, 47 (1998), 498

以上の通り、15MHzUTを用いることにより、軸受用鋼

19）N.Kasai, H.Okubo and T.Nishi: Tetsu-to-Hagane, 91 (2005),（炭素鋼・合金鋼）の大型介在物についての鋼の信頼性の537

高さを明確に評価することができる。

20）[JIS Z 2345] : JISハンドブック 鉄鋼Ⅰ, 日本規格協会, (2004),
443

32

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■著者

佐藤

海広

高須

一郎

雲丹亀

泰和

33

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