JP2002014081A - 焼入深度測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、鋼材の焼入硬化層の深さを短時間
で且つ非破壊で直接測定することが可能であり、また測
定精度、信頼性が高く、しかも安価に構成できる焼入深
度測定方法及びその装置を提供する。 【解決手段】 鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定
する焼入深度測定方法であって、励磁コイル１で発生さ
せた低周波交流磁場によって鋼材１０を表面に沿った方
向に磁化し、それによって発生する渦電流で誘起される
誘導磁場を検出コイル２で検出し、該検出コイルの出力
電圧を、同種鋼材の既知の焼入硬化層の深さと出力電圧
の相関データと比較することによって、対象鋼材の焼入
硬化層の深さを算出してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焼入深度測定方法
及びその装置に係わり、更に詳しくは鋼材の焼入硬化層
の深さを非破壊で測定する焼入深度測定方法及びその装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車部品を始めとして多くの装置部品
には、高周波焼入鋼材が多く使用されている。高周波焼
入鋼材は、強度保障のため硬化層の深さ評価が必要不可
欠である。この深さ測定には、従来から超音波法や渦電
流法等の非破壊計測法が検討されているが、測定精度や
信頼性が低いことから未だ普及には至っておらず、現状
では焼入鋼材を部分的に切断し、断面強度をビッカース
硬度計など各種硬度計で測定する方法が主流となってい
る。しかし、この手法は多くの測定時間を要し、さらに
サンプル材が必要であるとともに、原理的に全数検査が
不可能であるといった問題がある。

【０００３】前述の渦電流法による焼入れ硬化層の深さ
測定の原理は、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場
によって鋼材を磁化すると、硬化層の深さによって鋼材
の磁化遅れ特性が変化することを利用したものである。
つまり、励磁コイルで発生させた低周波交流磁場によっ
て鋼材を表面に沿った方向に磁化し、それによって発生
する渦電流で誘起される誘導磁場を検出コイルで検出
し、励磁電流波形のピーク値と検出コイルの出力電圧の
積分波形（磁束波形）のピーク値の間の位相角（磁化遅
れ）が硬化層の深さによって変化する現象を利用したも
のである。しかし、前記位相角はある硬化層の深さのと
ころで極大を示すので、位相角の値だけでは硬化層の深
さを一義的に決定できない。

【０００４】一方、鋼材焼入れ後のマルテンサイトと、
元組織の初磁化曲線と導電率は共に差が生じ、高周波焼
入れ材の場合、これらの差は低周波交流磁場下で、焼入
れ深さ変化に伴い、鋼材表面に配置した検出コイルの出
力電圧振幅値に変化を生じさせる。検出コイルの出力電
圧は、硬化層の深さの増加とともに単調に減少する特性
を有していることから、従来はこの検出コイルの出力電
圧を位相角の同定に利用して、位相角の値から硬化層の
深さを決定していたのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の渦電流法におい
て特に焼入れ深さが深い場合に測定精度が悪い原因を探
るため、本発明者らは実験と数値解析を繰り返した。そ
の結果、位相角はどの周波数においても励磁電流が大き
くなるほど変化が大きく現れ、また位相角はどの周波数
でもある焼入れ深さでピークが現れることを確認し、更
に励磁電流の周波数が高くなると、その位相角のピーク
値が現れる焼入れ深さは浅くなることを確認した。次
に、焼入れ深さに対する位相角変化は、元組織とマルテ
ンサイトの磁化曲線と導電率のどちらに大きく影響され
るかを確認するための解析を行った。その結果、導電率
に差を与えた場合、位相角変化は焼入れ深さの変化に対
して大きな差は見られないが、導電率を一定とし、磁化
曲線に差を与えると、大きな位相角変化が生じることが
確認できた。同時に、ある焼入れ深さで位相角のピーク
値が現れることも確認できた。以上より、高周波焼入れ
深さに対する位相角の変化は、元組織とマルテンサイト
部（硬化層）との磁化曲線の差に大きく影響されること
が確認できた。

【０００６】また、周波数と励磁電流を一定として鋼材
内部の比透磁率、磁束密度、渦電流密度分布を解析し
た。その結果、焼入れ領域では元組織部に比べ比透磁率
が低く現れるため、鋼材内部の磁束密度分布は透磁率の
高い元組織部に集中していることが確認できた。一方、
渦電流密度分布は、鋼材表層が最も高い値を示し、また
焼入れ領域内での渦電流密度分布の傾きは元組織領域に
比べ小さく、鋼材表層における渦電流のピーク値は焼入
れ深さが深くなるにつれて減少傾向を示すことも確認で
きた。

【０００７】励磁電流に対する出力電圧の位相角変化を
発生させる要因には、様々な物理現象が関与しているこ
とが考えられるが、最も大きな原因は鋼材内部に発生す
る渦電流であると思われる。周波数と励磁電流を一定と
して鋼材内部に生じる総渦電流量を各焼入れ深さについ
て解析した結果、ある焼入れ深さでピークが現れ、この
ピーク値に対応する焼入れ深さは位相角のピークが現れ
る焼入れ深さと略同じであり、総渦電流量の全体的な傾
向も位相角と同様であった。この結果から焼きいれ深さ
が変化するに伴い、鋼材内部に発生する渦電流量も変化
し、渦電流量が位相角に反映していることが理解でき
る。

【０００８】次に、焼入れ深さの変化に対する出力電圧
の積分波形（磁束密度）のピーク値の評価を行った。周
波数及び励磁電流をパラメータとし、焼入れ深さを変化
させたときの解析結果から、周波数が高くなるにつれ、
表皮効果が高まるため、焼入れ深さが深い領域では傾き
が小さくなるものの、深さに比例して振幅は減少傾向を
示していることが確認できた。これは、焼入れ深さが深
くなると、透磁率の低い領域が鋼材表層に広がり、鋼材
表層に集中する渦電流のピーク値が減るためであると考
えられる。

【０００９】従来の渦電流法は、位相角と出力電圧の振
幅の２要素からなるリサージュ表示を利用したものであ
るが、その特徴を解析的にも実験的にも検証した結果、
同周波数では励磁電流が高くなると全体的なリサージュ
曲線の振幅及び位相が増加するので、焼入れ深さを判別
し易くなるのに対し、周波数変化では渦電流の浸透深さ
が関係するため、周波数が高くなるにつれ焼入れ深さが
浅い領域の判別は容易になるが、深い領域の判別は困難
になることが分かった。つまり、位相角の変化を利用す
る以上、焼入れ深さが深い場合には、測定精度が極端に
落ちて、信頼性に乏しい結果を表示することは避けられ
ないのである。

【００１０】一方、磁性体は磁気特性の不均一性を持
ち、未飽和磁化領域では磁気ノイズの原因となるため、
検出コイルの出力電圧に大きなバラツキが発生すること
が予想されるので、常識的には検出コイルの出力電圧の
みを利用して焼入れ深さを測定することは考え難い。

【００１１】そこで本発明者らは、検出コイルの出力電
圧が焼入れ深さに略比例することに注目し、敢えて出力
電圧のみで焼入れ深さを測定する方法の開発に挑み、各
硬度別におけるマルテンサイトの磁気特性のバラツキを
実験により評価し、磁気特性の不均一性を考慮した数値
解析により、低周波交流磁場を使用した高周波焼入れ深
さ非破壊検査手法の検討を行い、本発明を完成させるに
至ったのである。しかるに本発明は、鋼材の焼入硬化層
の深さを短時間で且つ非破壊で直接測定することが可能
であり、また測定精度、信頼性が高く、しかも安価に構
成できる焼入深度測定方法及びその装置を提供すること
を目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題解
決のために、鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定す
る焼入深度測定方法であって、励磁コイルで発生させた
低周波交流磁場によって鋼材を表面に沿った方向に磁化
し、それによって発生する渦電流で誘起される誘導磁場
を検出コイルで検出し、該検出コイルの出力電圧を、同
種鋼材の既知の焼入硬化層の深さと出力電圧の相関デー
タと比較することによって、対象鋼材の焼入硬化層の深
さを算出してなる焼入深度測定方法を確立した。

【００１３】ここで、前記励磁コイルで発生される空間
磁場を外部磁場検出手段で検出し、空間磁場が一定にな
るように励磁電流を制御してなることが精度向上におい
て好ましい。

【００１４】また、本発明は、鋼材の焼入硬化層の深さ
を非破壊で測定する焼入深度測定装置であって、鋼材の
表面に沿った方向に磁化するための低周波交流磁場を発
生させる励磁コイルと、鋼材に発生した渦電流で誘起さ
れる誘導磁場を検出する検出コイルと、同種鋼材の既知
の焼入硬化層の深さと出力電圧の相関データが予め記憶
され、前記検出コイルの出力電圧と相関データとから対
象鋼材の焼入硬化層の深さを算出する演算手段とを備え
た焼入深度測定装置を構成した。

【００１５】ここで、前記励磁コイルで発生される空間
磁場を検出するための外部磁場検出手段を、前記励磁コ
イルの近傍に配設するとともに、該外部磁場検出手段で
検出した空間磁場が一定になるように励磁電流を制御し
てなることが好ましい。

【００１６】また、鋼材表面に接触させる一対の平行な
接触芯を有する側面視コ字形のヨークの一方の接触芯に
前記励磁コイルを巻回するとともに、他方の接触芯に前
記検出コイルを巻回し、前記接触芯の先端部間に前記外
部磁場検出手段を配設した測定プローブを用いてなるこ
とも好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を添付図
面に基づき更に詳細に説明する。

【００１８】本発明の焼入深度測定装置は、鋼材の焼入
硬化層の深さを非破壊で測定する焼入深度測定装置であ
って、鋼材の表面に沿った方向に磁化するための低周波
交流磁場を発生させる励磁コイルと、鋼材に発生した渦
電流で誘起される誘導磁場を検出する検出コイルと、同
種鋼材の既知の焼入硬化層の深さと出力電圧の相関デー
タが予め記憶され、前記検出コイルの出力電圧と相関デ
ータとから対象鋼材の焼入硬化層の深さを算出する演算
手段とを備えたものである。更に、前記励磁コイルで発
生される空間磁場を検出するための外部磁場検出手段
を、前記励磁コイルの近傍に配設するとともに、該外部
磁場検出手段で検出した空間磁場が一定になるように励
磁電流を制御するのである。

【００１９】本実施形態では、Ｓ４５Ｃの鋼材を使用
し、この鋼材に高周波焼入れを施したものを用いた。先
ず、焼入れによる硬度変化に伴った導電率と初磁化特性
変化の評価、並びに焼入れ鋼材磁気特性の不均一性測定
を行った。

【００２０】（Ｓ４５Ｃ鋼材のマルテンサイト硬度評
価）図１に高周波焼入れにより深さ１、２、３ｍｍまで
焼入れを施した円柱形鋼材（φ８０ｍｍ×１５０ｍｍ）
のマルテンサイト硬度分布を示す。これは高周波焼入れ
鋼材を輪切りにし、表面より０．２５ｍｍピッチでビッ
カース硬度計により測定した硬度結果を示している。一
般的に焼入れ深さはＨｖ４５０を境界としている。この
結果からＳ４５Ｃの高周波焼入れの場合、マルテンサイ
ト部の硬度は、表面から約Ｈｖ７００を維持し、それ以
降急激に硬度が減衰し、元組織の硬度Ｈｖ２４５に到達
することが理解できる。例えば焼入れ深さ３ｍｍ時で
は、表面より深さ約２ｍｍまでＨｖ７００を維持し、そ
れ以降約１．５ｍｍ間で急激に硬度が減衰し、表面より
深さ３．５ｍｍからＨｖ２４５を維持していることが分
かる。

【００２１】（各硬度における導電率評価）以上の結果
より本実施形態では、焼入れ領域の硬度をＨｖ７００と
し、焼入れ領域から元組織領域への減衰領域をＨｖ５７
０及びＨｖ４３０と仮定して、鋼材全てに無心焼入れを
施した鋼材（０９×２１０ｍｍ）計３本を作成した。ま
た、元組織領域を模擬するため、同形状の鋼材に焼鈍し
処理を施した鋼材（Ｈｖ２４５）を作成した。次に、こ
れら４本の鋼材を、ダブルブリッジ低抵抗測定回路によ
り、それぞれの導電率の測定を行った。その測定結果、
Ｈｖ２４５の鋼材では導電率が４．９８×１０⁶Ｓ／
ｍ、Ｈｖ４３０では４．００×１０⁶Ｓ／ｍ、Ｈｖ５７
０では３．９７×１０⁶Ｓ／ｍ、Ｈｖ７００では３．７
４×１０⁶Ｓ／ｍとなった。硬度が増すに伴い、導電率
は減少傾向を示しており、例えば硬度Ｈｖ７００鋼材で
は、元組織鋼材に比べ約２５％導電率が減少している。

【００２２】（各硬度における磁化特性及び磁気ノイズ
評価）次に、各硬度における磁化特性及び磁気ノイズを
評価した。各硬度におけるＳ４５Ｃ鋼材の初磁化特性及
び磁気特性のバラツキを評価するため、磁極間隔可変型
電磁石を励磁装置として用いる磁化特性測定装置の開発
を行った。この装置は、試験鋼材をヨーク材で隙間無く
挟み、一様に磁化させる構造である。試験鋼材に直接巻
いたコイル（Ｂコイル：２００ターン）より磁束密度Ｂ
を測定し、また空間磁場Ｈは磁極間に垂直に配置させた
ホールプロープにより測定した。

【００２３】（各硬度における初磁化特性）前述の初磁
化特性測定装置を使用し、Ｓ４５Ｃ鋼材の各硬度におけ
る初磁化特性の測定を行った。測定した鋼材は、φ９ｍ
ｍ×５０ｍｍ円柱形状のＳ４５Ｃ鋼材全てに、硬度Ｈｖ
７００、Ｈｖ５７０、Ｈｖ４３０の無心焼入れを施した
鋼材と、焼鈍し処理を行ったＨｖ２４５の鋼材４本を使
用した。なお無心焼入れ材の作成は、電気炉で９００度
まで材料全体を加熱し、急冷温度を変化させることによ
り各硬度の値を得た。測定結果を図２（ａ）、（ｂ）に
それぞれ示す。図２（ａ）はＢ−Ｈ曲線を、図２（ｂ）
はＨ−μｒ曲線を示している。硬度が増すにつれ、透磁
率が減少することが分かる。例えば、硬度Ｈｖ７００で
は、焼鈍し材に比べ約６５％最大比透磁率が低くなって
いることが分かる。

【００２４】（各硬度における磁気ノイズ評価）前述の
初磁化特性測定装置を使用し、各硬度における磁気特性
の不均一性を評価した。測定試料はそれぞれ硬度Ｈｖ２
４５、Ｈｖ４３０、Ｈｖ５７０、Ｈｖ７００のφ９ｍｍ
円柱形鋼材で、長さを１８０ｍｍとした。測定はＢコイ
ル（幅４ｍｍ、５０ターン）とホールプロ−プの位置を
同じとし、また外部磁場Ｈの値は一定としたまま、試験
鋼材軸方向にＢコイル及びホールブローブを２ｍｍピッ
チで平行移動させ、各点における磁束密度を測定した。
測定範囲は、試験鋼材の長さ方向の中心点より±２０ｍ
ｍ（２ｍｍピッチ計２１点）の測定を行った。各硬度に
おける測定結果を図３〜図６にそれぞれ示す。図３の焼
鈍し材では、外部磁場Ｈが３００Ａ／ｍでは、最大約８
％のバラツキがあるが、５００Ａ／ｍまで磁場を増やす
と２％程度まで低減されることが分かった。次に図４の
硬度Ｈｖ４３０の焼入れ材では、外部磁場Ｈが５００Ａ
／ｍでは、最大１５％のバラツキがあるが、１０００Ａ
／ｍまで磁場を増やすと、約３％まで低減されることが
分かった。図５の硬度Ｈｖ５７０の焼入れ材では、外部
磁場Ｈが５００Ａ／ｍでは、最大２８％のバラツキが計
測されたが、２０００Ａ／ｍまで磁場を増やすと、略均
一になることが分かった。最後に図６の硬度Ｈｖ７００
の焼入れ材では、外部磁場Ｈが５００Ａ／ｍでは、最大
２８％のバラツキがあるが、２０００Ａ／ｍまで磁場を
増やすと、略均一になることが計測された。

【００２５】以上の結果から、焼鈍し材は外部磁場Ｈが
５００Ａ／ｍ程度で、Ｈｖ４３０の焼入れ材では１００
０Ａ／ｍ程度で磁気特性のバラツキが低減されるが、硬
度Ｈｖ５７０以上の焼入れ材では２０００Ａ／ｍ程度ま
で磁化させなければ磁気特性のバラツキは低減されず，
またそのバラツキ率は最大で約８０％程度生じることも
合わせて分かった。これらのバラツキは、磁気測定等で
の磁気ノイズの原因となりうることが予想される。

【００２６】（交流非線形解析）本発明は、低周波交流
磁場を使用し、非接触又は接触で高周波焼入れ深さを測
定できる方法を確立するものである。測定プローブは、
図７に示すように、へルムホルツ型励磁コイル１，１
と、２つの励磁コイル１，１の間に検出コイル２を配置
し、更に検出コイル２の内側に外部磁場検出手段３を配
した構造とした。このプローブ内に円柱形高周波焼入れ
材１０を挿入した時の検出コイル２に得られる出力電圧
の評価を、等価正弦波交流非線形解析を用いて行なっ
た。尚、図７において、符号１１は鋼材１０の元組織部
を示し、１２は焼入れ硬化層を示している。ここで、交
流励磁周波数は、渦電流の浸透深さを考慮に入れて２０
Ｈｚの低周波数を使用した。また非線形解析には前述の
測定した各硬度のＳ４５Ｃ鋼材の導電率と初磁化曲線を
使用し、焼入れ深さが出力電圧の振幅に及ぼす影響の検
討を行った。

【００２７】（等価正弦波交流非線形解析法）本解析で
は、磁気ベクトルポテンシャルによる軸対称有限要素法
を用いた。強磁性体を交流で磁化させると非線形性のた
め磁束波形は歪むため、これを解析で評価するには非線
形磁気特性を考慮してステップ・バイ・ステップ法で解
く必要がある。しかし、この解析手法は多くの計算時間
が必要となる。一方、交流励磁において、材料内部の透
磁率が最大透磁率までの未飽和磁化領域では磁束密度は
歪まず、正弦波として扱えることが確かめられている。

【００２８】ここでは、計算時間の短縮や解析の容易性
を考慮し、未飽和磁化領域での交流非線形解析手法とし
て、等価正弦波交流非線形数値解析法の適用を行った。
この解析手法は、複素数近似解析法（ｊω法）を使用
し、非線形交流磁界で歪波形として現れる材料内の磁束
波形を振幅の等しい正弦波に近似する、等価正弦波を使
用した近似的交流非線形解析法である。その支配方程式
を以下に示す。

【００２９】rot(νrotＡ)＝Ｊ_o−Ｊ_e （１）

【００３０】divＪ_e＝０ （２）

【００３１】ここで、Ａ、Ｊ_o、Ｊ_e、νは、それぞれ磁
気ベクトルポテンシャル、強制電流密度、禍電流密度、
磁気抵抗率である。渦電流密度Ｊ_eは、Ｊ_e＝ｊωσＡで
あり、ここでのω、σは、角周波数及び導電率である。
これは（１）式の磁気抵抗率νを非緑形とした解析手法
である。また解析では、鋼材を等方性磁性材料として取
り扱っている。

【００３２】（解析条件：焼入れ領域条件）図１の硬度
分布から、Ｓ４５Ｃ鋼材の高周波焼入れでは、材料表面
から硬度Ｈｖ７００を維持し、その後ある深さで急激に
硬度が低下し、元組織領域のＨｖ２４５となることが分
かる。しかし、焼入れ硬度はＨｖ７００からＨｖ２４５
まで急激に減衰するものの、その中間硬度領域が数ｍｍ
程度存在することも理解できる。一般的に高周波焼入れ
深さはＨｖ４５０の値を境として判断しているため、Ｈ
ｖ７００領域の深さが焼入れ深さとはならない。そこ
で、本解析では焼入れ領域から急激に硬度が減衰する中
間領域を、Ｈｖ４５０を境にそれより硬度が高く、Ｈｖ
７００未満の領域はＨｖ５７０とし、またＨｖ４５０よ
り硬度が低くＨｖ２４５以上の硬度をもつ中間領域はＨ
ｖ４３０と仮定し、硬度がＨｖ７００からＨｖ２４５ま
で減衰する中間領域を２層に分け、評価を試みた。具体
的には、焼入れ深さ３ｍｍ時の場合、解析条件として表
面より２ｍｍまでがＨｖ７００、２ｍｍから３ｍｍまで
の層はＨｖ５７０、３ｍｍから３．５ｍｍまでの層はＨ
ｖ４３０、そしてそれ以上深い層は全てＨｖ２４５の層
と仮定し、それぞれの硬度の初磁化曲線と導電率を初期
条件として与え非線形解析を行うこととした。

【００３３】（解析条件：各硬度における初磁化）鋼材
等の強磁性体は材料内の透磁率の不均一性を持ち、各種
磁気計測において磁気ノイズを発生する。本発明ではこ
の磁気ノイズの原因となる磁気特性のバラツキを図３〜
図６において、各硬度ごとに評価した。この結果を元
に、各硬度における磁気特性のバラツキを与え解析を行
った。Ｈｖ２４５領域では、５００Ａ／ｍまでの初期磁
化曲線に最大８％、Ｈｖ４３０領域では，１０００Ａ／
ｍまでの初期磁化曲線に最大１５％、Ｈｖ５７０及びＨ
ｖ７００領域では、２０００Ａ／ｍまでの初期磁化曲線
に最大２８％の範囲内で有限要素法の各分割領域内にラ
ンダムに磁気特性分布を与え、初期透磁率のバラツキを
与えた。以上の解析条件下で、励磁周波数を２０Ｈｚ一
定としたとき、焼入れ深さが出力電圧の振幅値に及ぼす
影響の評価を行った。

【００３４】（解析結果）図１の硬度分布を元に、鋼材
内を４層に分け、焼入れ深さを３ｍｍとし、交流非線形
解析を行った。材料内部の比透磁率及び磁束密度分布の
解析結果を図８（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。これ
は、焼入れ鋼材とプローブの間の空間磁場Ｈが２０００
Ａ／ｍ時の、ｚ＝０ライン上の比透磁率及び磁束密度分
布を示している。図８（ａ）の比透磁率解析結果から、
Ｈｖ２４５層の値は他の３層に比べ高く、またこの層の
表面は表皮効果の影響から最大比透磁率に近づいてお
り、透磁率のバラツキも低減していることがわかる。そ
れに対し、それ以外の３層ではＨｖ２４５層に対し比透
磁率は極端に低いことが分かる。そのため、図８（ｂ）
の磁束密度分布では透磁率の高いＨｖ２４５層に値が集
中している様子が合わせて理解できる。Ｈｖ４８０、Ｈ
ｖ５７０、Ｈｖ７００の各層では、透磁率のバラツキは
あるものの、Ｈｖ２４５層内に比べ絶対的な透磁率の値
が小さいため、全体としては大きなバラツキにはならな
い。次に、図８（ｂ）の磁束密度結果では、透磁率の高
い領域に最も高い値が得られていることが理解できる。
磁束密度は透磁率の値に比例するが、表皮効果の影響か
ら、鋼材内部まで磁束が侵入しないため、鋼材表層より
鋼材中心部の方が透磁率は高いが、磁束密度は表層の方
が中心部より高い値を示し、また、中心部の透磁率のバ
ラツキにはほとんど影響されていないことが理解でき
る。

【００３５】これらの結果から、焼入れ領域の方が元組
織領域に比べ磁気特性のバラツキは大きいが（図３〜図
６参照）、透磁率が低いため、材料内部に侵入する磁束
は元組織領域に集中し、焼入れ領域の透磁率のバラツキ
にはほとんど影響されないことが予想できる。この現象
を明らかにするため本解析では、励磁‐検出コイル間隔
を一定に保ったまま、プロープ全体を円柱形鋼材軸方向
（ｚ軸方向）に５ｍｍピッチで平行移動した際の、各位
置における出力電圧を求め、磁気特性の不均一性に伴う
出力電圧のバラツキ率を求めた。結果を図９に示す。空
間磁場Ｈが１００Ａ／ｍ時では、各位置における出力電
圧のバラツキ率は約７％ほどあるが、Ｈの値を上げるに
伴い磁気ノイズは減少する様子が理解できる。この結果
から、磁気特性の不均一により出力電圧の磁気ノイズは
計測されるものの、そのバラツキ率は元組織領域の透磁
率のバラツキが支配的となるため数％程度と小さく、実
際の焼入れ深さの測定では大きな障害にはならないこと
が示された。

【００３６】（検証実験及び解析との比較）本発明で
は、図７のプローブ構造に対し検証実験及び解析値との
比較を行った。図７のプローブ構造に対し、予め励磁電
流を調節し、試験鋼材１０とプローブの検出コイル２と
の間に設置した外部磁場検出コイル３により、空間磁場
Ｈの値が５０００Ａ／ｍまで増加させても、プロープ検
出コイル２に得られる出力電圧波形に歪みが発生しな
い、未飽和磁化領域であることを確認した上で、焼入れ
深さ変化が出力電圧波形の振幅値に及ぼす影響を評価し
た。実験にはφ３０ｍｍ×１５０ｍｍの円柱形Ｓ４５Ｃ
鋼材で、鋼材表面より、深さ１、２、３、４、５ｍｍで
高周波焼入れをした試験片５本、さらに焼き戻し処理を
施した試験片（深さ０ｍｍ）の合計６本を作成し評価を
行った。Ｈ＝５００及び２０００Ａ／ｍ時の実験及び解
析結果を図１０（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。

【００３７】どの条件下でも焼入れ深さが深くなるにつ
れて出力電圧は減少傾向を示していることが理解でき
る。図８からも分かるが、材料内部に侵入する磁束密度
は透磁率の高い元組織領域に集中する。そのため、焼入
れ深さが深くなるにつれ、材料表面から透磁率の低い領
域が増し、透磁率の高い元組織領域が減少するため、出
力電圧は低下すると考えられる。次に解析値との比較で
あるが、Ｈ＝２０００Ａ／ｍ時で解析値の方が最大約８
％低く評価されているものの、Ｈ＝５００Ａ／ｍでは全
体としてよく一致する結果を得ることができ、本解析手
法の有用性を示すと同時に、本発明の測定原理の有効性
が立証された。

【００３８】最後に、図１１に基づいて、鋼材の表面に
沿えるだけで焼入れ深さを測定できる実用的なプローブ
Ｐの構造を簡単に説明する。図１１（ａ）はプローブＰ
の簡略正面図、（ｂ）は簡略側面図、（ｃ）は簡略底面
図を示している。このプローブＰは、鋼材表面に接触さ
せる一対の平行な接触芯４Ａ，４Ｂを有する側面視コ字
形のヨーク４の一方の接触芯４Ａに前記励磁コイル１を
巻回するとともに、他方の接触芯４Ｂに前記検出コイル
２を巻回し、前記接触芯４Ａ，４Ｂの先端部間に前記外
部磁場検出手段３を配設した構造のものである。ここ
で、前記外部磁場検出手段３としては、コイルやホール
素子、その他の公知の磁気センサーを用いることがで
き、その設置位置も図示した位置に限定されず、前記励
磁コイル１で発生される低周波交流磁場（励磁電流）を
一定に制御するためのフィードバック信号が得られれば
良いのである。

【００３９】

【発明の効果】以上にしてなる発明の焼入深度測定方法
及びその装置は、鋼材の焼入硬化層の深さを短時間で且
つ非破壊で直接測定することが可能であり、また測定精
度、信頼性が高く、しかも安価に構成できるのである。
また、高周波焼入れ鋼材の各硬度別における磁気特性を
求め、磁気ノイズを解析的に評価し、磁気ノイズの影響
が無視できるので、高精度の測定ができる。そして、焼
入れ深さが増加するに伴い、出力電圧の振幅は深さに比
例して減少傾向を示すことが数値解析及び検証実験によ
り確かめたので、低周波交流磁場による高周波焼入れ深
さを、検出コイルの出力電圧のみを用いて測定すること
ができ、しかも焼入れ深さが深い鋼材をも精度良く測定
できることが立証できた。また、プローブを鋼材の方面
に沿って走査して測定することにより、焼入れ深さ分布
を出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高周波焼入れにより深さ１、２、３ｍｍまで焼
入れを施した円柱形鋼材のマルテンサイト硬度分布を示
すグラフである。

【図２】各硬度における初磁化特性を示し、（ａ）はＢ
−Ｈ曲線のグラフ、（ｂ）はＨ−μｒ曲線のグラフであ
る。

【図３】Ｈｖ２４５の試験鋼材軸方向の各点における磁
束密度のバラツキを示すグラフである。

【図４】Ｈｖ４３０の試験鋼材軸方向の各点における磁
束密度のバラツキを示すグラフである。

【図５】Ｈｖ５７０の試験鋼材軸方向の各点における磁
束密度のバラツキを示すグラフである。

【図６】Ｈｖ７００の試験鋼材軸方向の各点における磁
束密度のバラツキを示すグラフである。

【図７】へルムホルツ型励磁コイルと検出コイルからな
る測定プローブを一部破断して示した斜視図である。

【図８】材料内部のｚ＝０における比透磁率及び磁束密
度分布の解析結果を示し、（ａ）は鋼材半径に対する比
透磁率のグラフ、（ｂ）は鋼材半径に対する磁束密度の
グラフである。

【図９】円柱形鋼材軸方向の各位置における出力電圧の
バラツキ率を示すグラフである。

【図１０】高周波焼入れをした焼入れ深さの異なる試験
鋼材の実測結果と理論結果を示し、（ａ）は空間磁場Ｈ
が５００Ａ／ｍの場合のグラフ、（ｂ）は空間磁場Ｈが
２０００Ａ／ｍの場合のグラフである。

【図１１】実用的なプローブの構造を示し、（ａ）はプ
ローブの簡略正面図、（ｂ）は簡略側面図、（ｃ）は簡
略底面図を示している。

【符号の説明】 １ 励磁コイル ２ 検出コイル ３ 外部磁場検出手段（コイル） ４ ヨーク ４Ａ，４Ｂ 接触芯 １０ 鋼材 １１ 元組織部 １２ 焼入れ硬化層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定
   する焼入深度測定方法であって、励磁コイルで発生させ
   た低周波交流磁場によって鋼材を表面に沿った方向に磁
   化し、それによって発生する渦電流で誘起される誘導磁
   場を検出コイルで検出し、該検出コイルの出力電圧を、
   同種鋼材の既知の焼入硬化層の深さと出力電圧の相関デ
   ータと比較することによって、対象鋼材の焼入硬化層の
   深さを算出してなることを特徴とする焼入深度測定方
   法。
2. 【請求項２】 前記励磁コイルで発生される空間磁場を
   外部磁場検出手段で検出し、空間磁場が一定になるよう
   に励磁電流を制御してなる請求項１記載の焼入深度測定
   方法。
3. 【請求項３】 鋼材の焼入硬化層の深さを非破壊で測定
   する焼入深度測定装置であって、鋼材の表面に沿った方
   向に磁化するための低周波交流磁場を発生させる励磁コ
   イルと、鋼材に発生した渦電流で誘起される誘導磁場を
   検出する検出コイルと、同種鋼材の既知の焼入硬化層の
   深さと出力電圧の相関データが予め記憶され、前記検出
   コイルの出力電圧と相関データとから対象鋼材の焼入硬
   化層の深さを算出する演算手段とを備えたことを特徴と
   する焼入深度測定装置。
4. 【請求項４】 前記励磁コイルで発生される空間磁場を
   検出するための外部磁場検出手段を、前記励磁コイルの
   近傍に配設するとともに、該外部磁場検出手段で検出し
   た空間磁場が一定になるように励磁電流を制御してなる
   請求項３記載の焼入深度測定装置。
5. 【請求項５】 鋼材表面に接触させる一対の平行な接触
   芯を有する側面視コ字形のヨークの一方の接触芯に前記
   励磁コイルを巻回するとともに、他方の接触芯に前記検
   出コイルを巻回し、前記接触芯の先端部間に前記外部磁
   場検出手段を配設した測定プローブを用いてなる請求項
   ４記載の焼入深度測定装置。