平成7年慶 研究報告 大分県産業科学技術センター

超音波探傷法による鋳鉄材料の評価技術に関する研究
吉浦洋之＊。高橋芳朗＊・下郡貴久＊＊・佐藤繁文＊＊＊・清水一道＊＊＊＊＊材料開発部。＊＊新日本非破壊検査（株）。＊＊＊（株）工藤製作所・＊＊＊＊国立大分工業高等専門学校

Va且ua血gSk組ioぎCastImnbyU旦亡rasonicTes血g
Himyli鮎YOS王重訂RA＊・Yo畠旭0毯でÅ鼠Å報AS‡Ⅱ＊T扇撼組S壬韮MOGO鼠Ⅰ＊＊・S誠辞免凰m呈SATO＊＊＊■鼠㍑l且王威c鮎SHIM泥む＊＊＊＊
寧随ぬ血旦D餅eiopmentDiv毎払凪・＊＊s鮎血N如nⅣ⑳追加軸眠恵如槽鮎蛤鮮血盈C￠．ふ富d8＊＊＊Ⅹu血はC￠．ふtd。・＊＊日銭臨Ⅳ感あ以濾鮎晦辞OfT∝出船払訂要旨
非破壊試験の中で鋳鉄製品に対してよく用いられている超音波探傷検査は機械的性質の判定，欠陥検査の両方を行うことができ，しかも迅速で安全性が高く，製品全体の評価を行うことができる．そこで本研究では，鋳鉄製品の超音波速度の測定により，鋳鉄の引張強度と基地組織の影響について調査し，実際の製品に適用可能かを検討した結果，片状黒鉛鋳鉄の引張強度と硬さには密接な相関関係がみられタ 引張強度と超音波速度についても同様の結果が得られた。また，球状黒鉛鋳鉄の引張強度と硬さには密接な相関関係が得られたが，引張強度と超音波速度の関係では高い超音波速度域で引張強度がばらついた．鋳鉄の引張強度と超音波速度との関係について考察した結果，次の結論を得た．1）鋳鉄の音速は黒鉛組織に敏感に反応した− 2）片状黒鉛鋳鉄では超音波速度測定で引張強度の推定が可能である．
1 緒言
地球環境保全，エネルギー問題等の観点から素形材の2 実験方法
2．1試験片軽量化が強く要求ざれる今日において，鋳造品特有の複片状黒鉛鋳鉄は直径約30mm，長さ約500mmの砂型で作雑形状付与性が見直されつつある．特に球状黒鉛鋳鉄はられた鋳放し材を用い抗折試験を行った9訝ig．且に抗折鋼材並の高強度特性を利用した薄肉軽量化指向が進み，試験片の略図を示す．

また，鍛造品等の軽量代替品としての利用が進んでいる．

球状黒鉛鋳鉄の場合は各社ごとに採取方法が異なり，更にき 鋳鉄の材質高級化あるいは品質安定化技術の向上

ノックオフ形供試材｝ Y型供試材の2通りで採取を行っによりき 鋳鉄材料への信頼性は最近高まりをみせている。

たd F畳ま。2に球状黒鉛鋳鉄の採取方法の略図を示す。

鋳鉄材料の品質を保証する手段として非破壊言式験を行

片状黒鉛鋳鉄，球状黒鉛鋳鉄をそれぞれ8号試験片，うケースが増えてきており，非破壊試験の中で鋳鉄製品4号試験片に機械加工し引張試験を行った．引張試験片に対してよく用いられているのは超音波探傷試験，放射の略図をざ瞳．3に示す．

線透過試験，浸透探傷試験であるがタ 超音波探傷試験のように機械的性質の判定，欠陥検査の両方を行えるもの引張試験終了後，硬さ試験，超音波試験，組織観察を行うための試験片を引張試験片より切り出した。

はない。また他方法に比べて迅速でしかも安全性が高く各種の試験片の採取方法の略図をぎ垣．塵に示す．

製品全体の評価を行うことができる．しかしながら，片化学分析は各鋳造企業より提供された全51試料のう状黒鉛鋳鉄では引張強さが弱くなると超音波減衰によりちi7試料について行い，機械加工を行う際に発生する機械的性質等の評価が困難になる性質をもっている，そ破片を採取し分析を行った9 化学分析の結果をT盈b凰e且

こで本研究では大分県内の鋳造企業の実態調査を兼ね〜に示す．なおA〜Hは片状黒鉛鋳鉄，Ⅰ〜Qは球状黒鉛

各社より成分の異なる実験材料を提供してもらい，超音鋳鉄を表し，D〜Fはキュポラ溶製材であり，他の試料波探傷法を利用して鋳鉄製品の超音波速度を測定し，鋳は電気炉溶製材である．また，球状黒鉛鋳鉄のうち0は鉄の弓F張強度と基地組織の影響について調査し，実瞭のノックオフ型供試材より，他のものはY型供試材より採製品に適用可能かを検討した．

取を行った．

−139−

平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター

TabIelChem血1composition
CA

3．75
3．83
4．10
3．77
3．41
4．15
3．35
3，37B
CD
EFGH
Ⅰ3。61

3．51
3．99
3．95
3．71
3．88
4．02
3−63
3．66

JK
L

M
N0P

Q

maBS％

P
Mg
CrS
Si
Mn0。506
0．0411 0。0683
2．18
2．38 0。474
0．0389 0．0625
1．57 0．535
0．0245 0．0256
1．97
0．580
0．107
0．0996
1．99
0．624
0．104
0．0766
0−678
1．54
0．525
0．140
0．208
1．98
0．5650．1380．163
2．14 0．833
0．0216 0．0556
08207
0。00906 0．0694 0。0382
1．94
2．020．387
0．00643 0．0521 0．0369
1．99 0．389
0．0146 0．0675 0．0428
2．40 0．776
0．0149 0．0674 0．0432
3．00 0．590
0．0169 0．0320 0。0293
1．99 0．530
0．0347 0．0548 0．0286
2．69
0．420
0．0170 0．0176 0．0483
3，21 0．314
0．0231 0。0185 0．0442
3．01 0。485
0．0221 0．0211 0．0485

A〜H：FC，Ⅰ〜Q：FCD，D〜F：キュポラ溶製材，0：ノックオフ型供試材

F短．1抗折試験片a 4号試験片b 8号試験片a ノックオフ形供試材

ぎ短．3 引張試験片
亡†︻

2．2 超音波法
2．2．1超音波の発生と受信の方法
ぎ皇g．5に超音波発生の原理の略図を示す．図に示すよト」

b Y型供試材

うに超音波は圧電効果を示す振動子にパルス電圧を加えF短．2球状黒鉛鋳鉄採取方法

ることにより発生させる1）．この振動子に数回の繰り返
しのパルス電圧を加えると振動子に数回の繰り返し数のパルス振動が発生する。振動子を試験体にあてると試験体表面にこの振動が伝わりタ 超音波となって試験体中に伝わる。試験体中を伝わる超音波が欠陥又は試験体の裏面で反射してきて，再び，試験体表面に戻って来ると，試験体表面が振動する．この振動により振動子が伸縮振動し，電圧を発生させる− 発生した電圧をブラウン管上一140−Å：硬さ試験用で，縦振れの信号として表示させ，エコーと呼んで観察

B：超音波試験用，金属線織観察用に利用している。今回の実験で使用した振動子は

Fig．4各種試験片採取方法

5MHzのジルコンチタン酸鉛である．

平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター（1）の組織は一部バラ状のB型黒鉛であり，黒鉛形状も直線的に長く伸びており，弓ほ最強度も200N／mm2以下と弱く，硬度も低く，フェライトも20％程度表れていることから，超音波の音速も低い結果となっている2）．
（2）の組織写真では，一部A型黒鉛又はC型黒鉛が析出し，基地もフェライトが少ないため引張強度が200N／皿2以上，プリネル硬さも200近い値を示していることから音速も（1）と比較すると高い値を示している℡F短5 超音波発生の原理（3）の組織写真は，黒鉛形状も細かく，Å型黒鉛又は，C型黒鉛が析出し，強度，硬さとも（2）と比較し2．2．2 超音波採傷法て高い値を示し，同時に音速も高い値を示している，片超音波探傷試験に用いられる超音波にはパルス波が広状黒鉛鋳鉄の組織は暗黒色の層状パーライト基地に黒色く利用されておりタ 数〟秒程度の短い時間内の振動を試の片状黒鉛が散在し，黒鉛の形状が細かくなるにつれ引験体に送り込んでいる．超音波は空気のような気体中だ

張強度，硬さとも増大する傾向にある3）

けでなく，水のような液体中でも伝搬する．また，金属刑＆郎こ片状黒鉛鋳鉄の引張強度と硬さの関係を示す．などの固体中では粒子の振動は弾性波として伝搬し，周引張強度が100N／m皿2から350N／m皿2までの強度に対する硬波数が1〜10MHz程度になると，超音波はあまり広さの関係では若干ばらつきはあるものの，ほぼ直線的ながらずに特定の方向に細いビームとなって伝搬し，小さ相関関係にある。Fig．9に引張強度と超音波速度の関係なきずでも反射しやすくなる。このような超音波の性質を示す．この図からも強度と音速とは直線的な相関関係を利用て金属などの試験体中のきずを検出する．にあることから，硬度と音速も直線的な相関関係にある

2。2，3 超音波速度測定装置

ことが言える．

超音波速度測定装置は，超音波探傷器，球状化率測定

片状黒鉛鋳鉄には引張強度と硬さには密接な相関関係装置，測長台から構成されている．球状化率測定装置はがみられ，また，引張強度と超音波速度についても同様

超音波を利用してj 球状黒鉛鋳鉄の黒鉛球状化率を測定の結果を得ることができた．

する装置であり，超音波探傷器と組み合わせて使用した．
測長台の略図をF短．6に示す．
試験片を測長台にセットすることにより試験片の長さ3．2 球状黒鉛鋳鉄
F短．ま0は球状黒鉛鋳鉄の顕微鏡組織写真の代表例について示す．

が測定され，同時に超音波探触子内にある振動子より超（1）はフェライト型でき 黒鉛の形状も大小とばらつ音波パルスが送信される。超音波パルスを送り込んだ瞬いており，一部，球状化不良及び片状黒鉛も析出してい間から超音波パルスを受信した瞬間までの経過時間と，る，この組織的強度も370N／皿2と低く，音速も5300m／s台

試験片の長さより超音波速度が求められる匂と低い．
（2）はフェライト及び一部ブルースアイ型で黒鉛粒径もばらつきが少なく安定しているため，引張強度も500N／mm2とやや高く硬度き 音速とも高い値を示している．
（3）はブルースアイとパーライトの混合組織であり，粒径は不揃いであるが，黒鉛形状はばらつきが少なくむ
基地がほとんどパーライトであるため強度も高く硬度，音速共に高い値を示す．このことから基地によって機械的強度は向上し〉 同時に硬さ，音速共に向上する4）。上記の球状黒鉛鋳鉄の組織は球状黒鉛がパーライトとフェF短．6 測長台略図ライトからなる基地に散在する組織である，フェライトの面積率が小さくなる程強度が増大するが伸びは低くな

3 実験結果及び考察

る．Fig。且1は，球状黒鉛鋳鉄の引張強度と硬さとの関3．1片状黒鉛鋳鉄係を示したものである．この図からタ 強度と硬さとの問F短。7は片状黒鉛鋳鉄の顕微鏡組織写真の代表例につには密接な相関が認められる．ぎi宮島且2は球状黒鉛鋳鉄のいて示す．

引張強度と音速との関係を示したものである．この図か−141−平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター′・き ギ′
率ン・ 二∵予 ぎ蓼；チ ニ紅訂／烏▼ニt

観㌫＼留針も穫 感｝遠（1〉 ♂迅芝3稚点馳皿2（1）す迅巴1鮨．珊血m2

Ⅱ丑巴且亜

ⅡB＝1飴

Ⅴ＝皿山

Ⅴ芝劇胤如

（2）♂迅巴527．￠馳皿2鰐）（Ⅷ匝慮沌．釧血m2

EB＝1蛎

EB＝100Ⅴ＝4430山

Ⅴ巴弧nゐ碍〉 ￠牒桓功鎚．馳2
Ⅱ8＝20T

Y＝畑山
F短．冒 片状黒鉛鋳鉄の顕微鏡写真−142一珊・二迅二ごF錮．もゝ如「し＿ ．＿…．」
1し）0〃nl

正方軍配娘
Ⅴ＝5名三治n舟F短tl￠ 球状黒鉛鋳鉄の顕微鏡写真

L．川．．！
100J∠m平成ブ年度 研究増告 大分県産業科学技術センター

00305250050001U0 153 01．

2︻∪11．■−■一√∈∈＼ Z ︶ 壬 ぎ 2 芯 空 S U 心 ト00√∈∈＼ Z ︶ 島 じ 巴 ︸ S 些 S U β

260 120 180 240 300

03200 3600 4000 4400 4800

Hardness（HB）∪酔asonicve！oc盲吋（m／S）

ぎ短t9 引張強度と超音波速度の関係（FC）

ぎ短．さ 引張強度と硬さの関係（FC）
FCD

FCD

007006∩︑O O
65005
⊂）

004O

O 0．q0002︹J︵U OO O

巧○∴

0 0003︵〜∈∈＼N︶急こ選S選SこだnU70√∈長邑亀ugs空曹揮

80280 160 240 320

05000 5200 5・100 5600 5800 6000

400Hardness（HB）

Uitrasonicve10City（m／s）

ぎ恕．且2 引張強度と超音波速度の関係（FCD）

ぎ短．且且 引張強度と硬きの関係（FCD）

︵ ︶

00

﹁＝2F短．ま3 引張強度と硬さの関係（FC。FCD）0︵U2O

0Hardness（HB）

04ハU

4︵U0 50100150 200 250 300

0︹E∈＼Z︶亀u苫S空SuむトハU︵b0㌃∈長Z︶エ︸ぎ苫S空SUむ↑

800

3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000
Ult「asonjc ve【ocity（m／′s）

ぎ短．五4 引張強度と超音波速度の関係（FC。FCD）ー143…

平成7年虔 研究報告 大分県産業科学技術センター

らは，ぱらつきが大きくはっきりとした相関は認められに関する調査研究平成3年度 調査報告書（1992）

ないが，引張強度が500N／皿2以下とそれ以上とに分類す5）（有）日下レアメタル研究所：ⅩUS膿A TECKN王C瓜NEWることができる．弓ほ長強度が高い超音波速度域でばらついた理由として，球状黒鉛鋳鉄の場合は試験片の採取方法が各社ごとに異なっており，Tabklで示したとおり化学成分も一様でないことから，基地組織や球状黒鉛の球状化率5大きさのばらつきにより生じたものと考えられる．また，各社ごとにばらつきの範囲が異なっており，例を挙げると，ざまg．12で示した引張強度と超音波速度の関係で．引張強度が700N／皿m2以上の3つの試験材は同じ会社のものである．先に挙げた高い超音波速度域というのは約5600m／s以上の領域でこれは黒鉛の球状化率が80％以上の合格範囲にあたる5）・片状黒鉛鋳鉄，球状黒鉛鋳鉄双方の引張強度と硬さの関係をFig．13に，引張強度と超音波速度の関係をFig。14に示す．ぎig．13では片状黒鉛鋳鉄，球状黒鉛鋳鉄双方に引張強度と硬さの関係に相関性があることが確認でき，ざまg．鼠4では超音波速度が約5600m／s以上で引張強度がばらついていることが認められ，それ以下の超音波速度では相関性のあることが確認できる．
4 緒言
超音波探傷法を利用して鋳鉄の弓ほ長強度と超音波速度との関係について考察した結果，次の結論を得た．
1）片状黒鉛鋳鉄．球状黒鉛鋳鉄双方の超音波速度は，黒鉛組織に敏感に反応した。特に，片状黒鉛鋳鉄は黒鉛形状に，球状黒鉛鋳鉄は基地組織により超音波速度が影響を受けている．
2）片状黒鉛鋳鉄では，超音波速度の測定により引張強度の推定が可能であるe しかし，球状黒鉛鋳鉄では超音波速度と引張強度の関係（Fig．風神こ示すとおり，ばらつきが大きくタ超音波速度が約5600m／s以上では引張強度を推定することができなかった．
今回の研究にあたり，試験片の提供をして頂いた，
木本機器工業（株），（株）八幡ハイキヤスト，（有）豊国鋳造工業所，オダ工業（株），（有）竹下鋳造所の皆様に深く感謝の意を表します。
参考文献
1）（社）日本非破壊検査協会：超音波探傷試験（1990）
2）吉浦洋之：昭和57年慶大分県工業試験場業矛男年報
球状黒鉛鋳鉄の高延性に関する研究（1972）
3）（社）日本非破壊検査協会：非破壊検査技術者のための金属材料概論（1986）

4）（社）日本非破壊検査協会：非破壊検査技術の標準化−144−

S（1995）