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鋳物の製造における超音波検査


アプリケーション:

このアプリケーションノートでは、厚さ測定、探傷、黒鉛球状化検査など、鋳物製品での超音波非破壊試験アプリケーションの概要を示します。

背景:

金属を特定の形状に鋳造する技術は昔からありましたが、現在行われているような非破壊検査(NDT)の超音波機器を使用して製品の品質を保証できるようになったのは、ここ数十年のことです。 それ以前は、鋳物師がハンマーで鋳物を軽く叩いて、音の響き方から品質を判断していました。 現在では、超音波を利用するマイクロプロセッサーベースの測定器により、鉄鋳物と非鉄鋳物の両方の隠れた内部構造について多くの情報を得ることができます。

鋳物の製造における超音波検査

超音波厚さ計を使用すると、中空鋳物の壁の厚さを測定できます。 また、超音波探傷器を使用すると、隠れたポロシティー、内包物、巣、割れ(クラック)を特定できます。 さらに、厚さ計または探傷器を使用して音速に基づく超音波検査を行うことで、鋳鉄の黒鉛球状化率を判定できます。

超音波厚さ測定は、一般的に自動車のエンジンブロックのように形状の複雑な中空鋳物の測定などで使用されます。 鋳造時にコアがずれると、部品の一方の側が薄くなり、他方が厚くなることがあります。 超音波厚さ計では、部品を切断することなく片側から壁の厚さを測定できます。

鋳造プロセス時には、金属内にポロシティー、内包物、巣、割れ(クラック)が発生することがあります。 このような欠陥は、トレーニングを受けた作業員によって適切な探触子の付いた超音波探傷器を使用することで識別できます。

黒鉛含有物(球状化)のサイズと分布は、鋳鉄の機械的強度に大きく影響します。 球状化検査が特に重視されるのは、鋳鉄製構成部品が安全に作動することが重要である自動車産業やその他の分野です。 超音波探傷技法は、球状化が音速と相関があることを利用して球状度の判断を行う、顕微鏡での断面検査や引張強度検査に代わる非破壊検査法です。

超音波厚さ測定:

肉厚測定は、超音波厚さ計38DL PLUSまたは45MG(一振動子ソフトウェア付き)を使用して実施できます。 金属の厚さが約12.7 mm(0.5インチ)を超える場合、ハイペネトレーションソフトウェアを使用する必要があります。 探触子の選択は、測定対象の厚さ範囲と特定の鋳造金属の音響特性によって決まります。 最も一般的に使用される探触子は、M106、M1036(どちらも2.25 MHz)、M109、M110(どちらも5 MHz)です。 厚さが約50 mm(2インチ)を超える鋳物の場合、直径が大きいほど低い周波数の探触子(500 KHzのM101など)の使用が推奨されます。

手順:

厚さ計の設定や校正手順の詳細は、各装置の操作マニュアルに記載されています。 また、鋳物の正確な測定には、カプラント(接触媒質)の選択、表面状態、鋳物の形状、厚さ計の校正、散乱ノイズなどが、影響を及ぼす可能性があります。

カプラント(接触媒質):
砂型鋳物によく見られる粗い表面は探触子の結合を損なうため、ゲル(カプラントD)やグリセリン(カプラントB)などの高粘度カプラント(接触媒質)を必ず使用します。

表面状態:
接触面が非常に粗い場合、接触媒質層内での音の反響をブランキングする必要があるため、探触子で測定可能な最小厚さが大きくなります。 同様に、測定可能な最大厚さは、探触子と鋳物との間の音響接触の効率低下のために小さくなります。 ほとんどの場合、鋳物表面がそのままの状態で厚さ測定できますが、困難な場合には、表面が滑らかになるように加工することにより性能を向上させます。

形状:
超音波計測を行うには、鋳物の内面と外面がおおむね平行または同心円状でなければなりません。 そうでない場合、音波が探触子に対してずれて反射し、エコーを捉えられなくなります。

厚さ計の校正:
正確な超音波厚さ測定には、材料の音速が計器の校正時と一致していることが必要です。 鉄鋳物と非鉄鋳物では、硬さと粒状構造の変化により、また鋳鉄の場合は黒鉛球状化率の変化により、音速が変化することがあります。 冷える速さが部分ごとに異なる大型の鋳物では、不均一な粒状構造のために、一つの部品内で音速が変化する場合があります。 最高の測定精度を得るには、試験する部品と金属的に同様な既知の厚さの対比試験片を用いて常に機器の速度校正を行う必要があります。

散乱ノイズ:
一部の鋳造金属は粒状構造が粗いために底面エコーの前に内部の散乱ノイズが発生し、誤った読み取りによって厚さを正しく測定できないことがあります。 これは、カスタマイズしていないデフォルトのセットアップを使用している場合に顕著です。 この状態は、波形を観察することで容易に判別することができます。 ノイズを読み取ってしまうことによる測定値の誤りは、機器のゲインやブランキングを調整するだけで、またはより低い周波数の探触子に切り替えることによって通常排除することができます。例として、図1と図2における38DL PLUSの波形を見てください。

38DL PLUSの波形
図1 - 誤った読み取りを引き起こす散乱ノイズ。画面右側にあるのが底面エコー
38DL PLUSの波形
図2 - 初期ゲインとTDGスロープを調整した後の正確な厚さの読み取り

超音波探傷:

鋳物検査には、超音波探傷器EPOCHシリーズ(EPOCH 650EPOCH 6LTEPOCH 1000)のいずれも使用できます。 通常、鋳物検査には周波数1 MHz~5 MHzの二振動子型探触子(DHCシリーズなど)を使用して、鋳物の粗い表面に入り込んだカプラントからの反射を低減し、不規則な形状の不連続部からの反射を最適化します。 場合によっては、割れの検出に斜角探触子を使用します。 自動スキャンを実行する特殊な検査システムでは、同じ周波数範囲の水浸型探触子を使用します。

手順:

鋳鉄および非鋳鉄のどちらの粒状性質も、粒界からの反射があり、粒径が大きくなるほど散乱ノイズ量が大きくなるため、超音波探傷は困難です。 また、厚さ測定のアプリケーションの場合と同様に、砂型鋳物で一般的に見られる粗い表面は音響接触を損ない、エコーの振幅を低下させます。 試験で検出可能な欠陥の大きさは、これらの要因によって決まります。 そのため、探触子の選択と測定器のセットアップは慎重に行うことが重要です。 探触子の選択と設定を最適化することが推奨されます。 このためには、既知の欠陥を含む検査対象部品のサンプルとしての対比用試験片を利用します。 こうした既知の欠陥の指示を保存し、試験体の指示と比較することができます。 EPOCH 650、EPOCH 6LT、EPOCH 1000のバンドパスフィルタリングは、粒子散乱ノイズの低減に非常に役立ちます。

図3と4は、 探傷器とDHC709-RM(5MHZ、0.5インチ径)二振動子型探触子を使用した、 40mm(1.6インチ)の鋳鉄品のポロシティーについての典型的な試験を示します。 図3では、画面右側に鋳物からの底面エコーが示され、通常の低レベルの表面ノイズと粒子ノイズが基準線に沿って示されています。 図4は巣の欠陥があることを示しており、背景ノイズと比較してすぐに見分けることができます。

鋳物の良好な部分
図3 - 鋳物の良好な部分
ポロシティーの表示
図4 - ポロシティーの表示

鋳物の最も一般的な探傷アプリケーションは巣、ポロシティー、および内包物を主な対象としていますが、割れや破断の検査が必要なアプリケーションもあります。 割れ試験は、既知の欠陥または人為的に生じさせた欠陥を含む適切な対比用試験片を利用して、 必ず、鋳物の特定の形状と、割れが疑われる場所、サイズ、および向きに対して検査手順を開発する必要があります。 垂直ビーム探触子は、割れ面が探触子の接触表面に対して平行な場合に使用し、 斜角探触子は、割れが接触表面に対して直角または傾斜している場合に使用します。 鋳鉄品と非鋳鉄物では音速が遅くなるので、鉄に使用するウエッジの実際の屈折角度はより小さくなることに注意してください。 通常の鉄用のウエッジを他の素材に対して使用する場合は、スネルの法則を使用してこれらの屈折角度を再計算する必要があります。

黒鉛球状化率の評価:

黒鉛球状化率の評価に推奨される機器は、超音波厚さ計38DL PLUS、45MG(一振動子オプション付き)です。どちらも音速を直接表示できます。 また、厚さが約12.5mmを超える金属の測定には、ハイペネトレーション・ソフトウェアオプション付きの38DL PLUSと45MGが推奨されます。 超音波探傷器EPOCHシリーズを使用し、音速校正手順を実行することで音速情報を取得することもできます。 このテーマについては、アプリケーションノート「鋳鉄の黒鉛球状化率測定」で詳しく説明しています。

Olympus IMS
この用途に使用される製品

ハンドヘルド超音波探傷器EPOCH 6LTは、890gの小型・軽量ボディー、高い探傷性能、直感的で快適な操作性といった特徴を持つ、携帯型の超音波探傷器です。高所や狭所などの厳しい作業環境においても、質の高い探傷試験を実現します。
EPOCH 650は、高性能な探傷機能を備え、幅広い用途に対応可能な従来型の超音波探傷器です。ポータブル性・使いやすさと高性能を両立させており、耐久性にも優れています。
45MGは腐食厚さ測定機能に加え、多彩なソフトウェアオプションで精密厚さ測定にも対応する高性能な超音波厚さ計です。幅広い用途で使用できるオールイワン・ソリューションです。
38DL PLUSは、二振動子型探触子による内部腐食したパイプの減肉測定から、一振動子型探触子による薄い材料や多層材料の正確な厚さ測定まで、一台で幅広い用途に対応する高性能な超音波厚さ計です。
EPOCH 1000シリーズでは、優れたパルサー・レシーバー機能を装備した高性能な従来型の超音波探傷器(UT)および超音波フェーズドアレイ機能(PA)を搭載したモデルを用意しています。必要に応じてUTからPAへのアップグレードも可能です。
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