JP2004018882A - Method for producing wear-resistant low carbon steel boss member - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つの部品を回動可能に連結するのに有用なボス部材の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ボス部材としては、例えば、油圧ショベルなどの建設機械においてアームとバケットとの接続に使用される概略円筒形状のボス部材が使用されている。このボス部材は、アームの先端側に溶接によって取付けられており、その両端はバケットから延出する一対のブラケット部によって挟まれている。そしてボス部材とブラケット部とを連結ピンで貫通することによって、バケットはアーム先端に軸着される。
【0003】
前記ボス部材は、前記ブラケットと接触する端面が隆起形成されており、ボス部乃至ブラケット部に作用するスラスト荷重を該端面で受けることによって、ボス部に対するブラケット部のスラスト方向(連結ピンの軸方向)へのガタツキを防止している。
【0004】
このような油圧ショベルでは、前記アームとして例えばSMC490(JISG3160)等の溶接構造用圧延鋼板を用いた製缶構造品が使用されている一方、このアーム先端に溶接にて固着される前記ボス部材は、アームへの溶接性の観点、即ち予熱なしで溶接できることを目的として一般的にはS30Cに代表される低炭素鋼材が用いられている。
【0005】
ところが、バケットが多量の土砂を扱うため、ボス部端面とブラケット部との間の僅かな隙間内に土砂等が頻繁に侵入してしまう。そして前記S30Cなどの低炭素鋼材からなるボス部材は焼入性が悪いため、すなわち空冷では熱処理を施してもさほど硬度を高くすることはできないため、ボス部の端面が著しく摩耗してしまう。またボス部端面に摩耗等が生じると、ボス部とブラケット部の間のスラスト方向の隙間が大きくなってガタツキを生じ、更にはボス部内周面の外端側がラッパ状に摩耗し、ガタツキを一層助長してしまう。
【0006】
端面ではないが、摺動材の耐摩耗性を高める方法として、例えば、特開平2−173212号公報では、軸状部材の摺動面(外周面)を、収束された高密度熱源(レーザービーム、電子ビーム、TIGアーク、プラズマアークなど)によって局部的に加熱して焼入硬化し、非硬化部を除去することで摺動面(外周面)に硬質凸部と非硬質凹部とを形成することが開示されている。収束された高密度熱源は、焼入性の低い低炭素鋼を焼き入れるのに有用な技術であるものの、反面ピンポイント的にしか加熱することができず、ある程度の面積を焼入するには加熱部をずらしながら長時間に亘って加熱を継続する必要があり、生産性が極めて低く、実用化が困難である。
【0007】
一方、ボス部材の端面の硬化方法は、例えば、特開平9−184518号公報や特開2001−329356号公報に開示されている。これら公報では、焼入性の低い低炭素鋼の摩耗性を現実的に高めるためか、焼入を離れることが提案されている。すなわちボス部端面に超硬合金材やセラミックス材料等の耐摩耗材料を溶射し、耐摩耗層を形成することが開示されている。しかしこの方法では、超硬合金材やセラミックス材料を溶射のために溶解するのに時間がかかるため、いまだ生産性が不十分である。更に耐摩耗層は耐衝撃性に劣るため、亀裂を生じたり、部分剥離したりすることがある。さらには均一な耐摩耗層を形成するには熟練を要し、材料費並びに溶射処理装置を含む付帯設備が高価となり、コストアップの大きな要因となる。
【0008】
従って耐摩耗性と溶接性に優れたボス部材を簡便に製造できる技術はいまだ確立されていない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、耐摩耗性と溶接性に優れたボス部材を簡便に製造できる方法を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、溶接性と耐摩耗性とを両立でき、耐摩耗層が剥離することがないボス部材を製造できる方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねる過程において、まず溶接性を確保するために低炭素鋼でボス部材を使用することとし、この低炭素鋼の耐摩耗性を高めるために高周波焼入に着目した。高周波焼入は、大型の焼入装置が不要でありしかも作業効率に優れるため、低炭素鋼ボス部材の耐摩耗性を簡便に高めるのに有用と思われるためである。特に高周波焼入の冷却条件を空冷にすると、水冷設備が不要となり、高周波電源容量も下げることができるため極めて有用であると思われる。ところが、高周波誘導加熱及び空冷の組み合わせでは、低炭素鋼を焼入することはできないと考えられていた。そして本発明者らも、確かに全面的に高周波焼入する場合には焼入ができず、しかも部分的に高周波焼入する場合であっても連続的に(例えば渦巻き状に)焼入する場合には高硬度には焼入ができないことを確認した。しかし、非連続的に(例えば、断続的に)焼入れすることとすると、高周波焼入であっても技術常識に反して高硬度に焼きが入ることを見出し、本発明を完成した。
【0012】
すなわち、本発明に係る耐摩耗性低炭素鋼ボス部材の製造方法は、低炭素鋼(例えば、炭素含有量が0.4質量%以下程度の低炭素鋼)からなるボス部材の端面を非連続的に複数箇所に亘って高周波誘導加熱し、該加熱部を空冷する点に要旨を有しており、部分焼入されたボス部材を製造するものである。非連続的に部分焼入するに際しては、例えば、下記1〜4のステップをこの順で複数回にわたって繰り返せばよい。
【0013】
1:部分焼入予定部の面積と略同等の面積の加熱導体部を有する高周波コイルを前記ボス部材の端面に近接させる
2:該高周波コイルに通電することによってボス部材を部分的に誘導加熱する
3:該高周波コイルの通電を停止して空冷する
4:通電を停止したまま、該高周波コイルを他の部分焼入予定部の近傍に相対的に移動する
また複数の高周波コイルを組み合わせてコイル部が非連続的パターンを形成するようにし、この組み合わせコイルを前記端面に近接させることによって高周波部分焼入部を非連続的に形成する手法を採用してもよい。上記高周波部分焼入では、周波数10〜50kHz、電源出力16kW以上、加熱時間1秒以下の条件で加熱し、各部分焼入部の長さを5〜30mm、各部分焼入部の幅を3〜7mm、焼入部同士の再近接部位間の距離を1mm以上にするのが望ましい。
【0014】
なお本明細書において、用語「空冷」とは、室温下での自然放冷を含む意味で使用する。また本明細書において、焼入部の硬さ(HRC)は、小数点以下第1位を四捨五入することによって得られる値を意味する(実施例の欄を除く)。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して、適宜図面を参照しつつ具体的に説明するが、本発明はもとより図示例に限定される訳ではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお図示例では、同じ構成部分については同一の符号を付して重複説明を避ける。
【0016】
図1は本発明によって得られるボス部材をアーム先端部に備えた油圧ショベルの概略側面図であり、図2は前記アーム先端部の拡大断面図である。この油圧ショベル1では、車両本体部2から延出するブーム3、このブーム3の先端に回動自在に連結するアーム4、このアーム4の先端に回動自在に連結しかつ土砂等を処理するためのバケット5で作業部6が構成されており、これらブーム3,アーム4,バケット5を、それぞれに接続する伸縮自在の油圧シリンダ7a,7b,7cによって有機的に可動させることによってバケット5で土砂等を自在に処理することができる。
【0017】
このような油圧ショベル1において、前記バケット5とアーム4との連結は、アーム先端部に形成されたボス部10aと、バケット5の後端に形成された一対のブラケット8a,8bとを連結ピン20で貫通支持することによって行われている(図2参照)。より詳細には、前記ボス部10aは、アーム先端側の両側部に溶接された一対のボス側ブラケット部11a,11bと、このボス側ブラケット部11a,11bを連結する筒型部12とで構成されており、このボス部10aの両端面13a,13bは、前記一対のブラケット8a,8bに挟まれている。そして、これらボス部10a(ボス側ブラケット11a,11b)及びバケット側ブラケット8a,8bには略同径の貫通孔が形成されており、この貫通孔に連結ピン20を挿通することによって、バケット5をアーム4に対して回動自在に軸着することができる。
【0018】
なおこの例では、ブラケット8a,8bの内側面に支持板21a,21bが溶接によって固着されており、ブラケット8a,8bを補強している。更にこの例では、前記ボス部10aを構成する筒型部12に、グリース等の潤滑剤を供給するためのライン30が取付けられており、このライン30の他端には潤滑剤供給口31が接続している。この潤滑剤供給口31から潤滑剤を供給することによって、前記筒型部12の内部32を潤滑剤保留部として利用できる。そしてこの保留部32の潤滑剤は、ボス部材10aと連結ピン20との摺動性を高めるために利用される。さらには図示しない流路を通じてボス部10aの両端面13a,13bに潤滑剤が供給されるようになっており、ボス部10aとブラケット8a,8bの摺動性も高められている。
【0019】
このような油圧ショベル1では、上述したようにボス部10aをブラケット8a,8bで挟みつけているため、ボス部10aにスラスト荷重が作用している。従って、ボス部10aの両端面13a,13bに潤滑剤を供給する場合であっても、この両端面13a,13bは摩耗しやすい状況になっている。特にボス部10aとブラケット8a,8bとの間(この例では、正確には、ボス部10aとブラケット支持板21a,21bとの間)はオイルシール18で保護されているにも拘わらず、使用条件が過酷であるためにこの間に土砂等が入り込んでしまう場合がある。特にショベルでは、バケットなどの作業用アタッチメントを目的に応じて作業現場で取り替えることがあり、ボス部端面13a,13bは交換作業時に剥き出しになり、土砂等が極めて付着しやすくなる。しかも本発明の油圧ショベルでは、前記ボス部10aは溶接性を考慮して低炭素鋼から製造されている。これらのため、端面13a,13bは、一段と摩耗しやすい状況になっている。
【0020】
そこで本発明では、低炭素鋼からなるボス部材10aの端面13a,13bを部分的に、しかも非連続的に複数箇所に亘って高周波誘導加熱し、該加熱部を空冷することによって、ボス部材10aの耐摩耗性を高めている。高周波焼入によって耐摩耗性を高めるのは、耐摩耗層(焼入硬化層)の剥離の虞がないからである。焼入するに際して、高周波誘導加熱を利用するのは、大型の焼入装置が不要でありしかも作業効率に優れるためである。空冷をするのは、水冷によると水冷設備が余分に必要となり、しかも高周波電源容量を大きくする(例えば、200kW以上とする)必要があり、設備費用やランニングコストが高騰するためである。ところで、上述したように、高周波誘電加熱及び空冷では、低炭素鋼を焼入れするのが難しい。そこで本発明では、高周波焼入を部分的に非連続的に施すことによって、低炭素鋼でも焼入できるようにしている。高周波部分焼入を非連続的に施すと、次のような利点もある。すなわちボス部材10aは、内周部(ボス穴)が仕上切削加工されるので、端面全体が焼入されているとこの仕上切削加工が極めて困難となり、例えば、超硬バイトを使っても工具寿命が極めて短くなり、生産性に劣ることとなるのに対して、高周波焼入を部分的に非連続的に施すと、このような不具合がない。またボス部材の外周面を含めた全体に対して焼入を施しても、激しい摩耗が生じやすいのは端面のみであるため無駄が生じるのに対して、端面に焼入すると、このような不具合がない。なお本発明は、ボス部材全体を調質することを否定するものではない。
【0021】
以下、上記高周波焼入方法について、図3の概略斜視図に基づいてより詳細に説明する。高周波焼入では、部分焼入部16の面積(形状)に略等しい加熱導体部(加熱面)31を有する高周波コイル30をボス部材に近接させ、高周波コイル30に通電することによってボス部材を部分的に加熱した後、高周波コイル30の通電をストップして放冷(空冷)することによって焼入を行う。通電した高周波コイルを焼入すべき部位に近接させると、その部分のみが誘導加熱により急激に局所加熱され、通電を断つと加熱部周囲への熱伝導によって急速冷却が生じるため、加熱部分がマルテンサイト変態して焼入硬化する。この焼入の際の冷却速度が熱伝導に支配されるため、焼入部分は連続的ではなく適当な間隔を空けて非連続的(例えば断続的)に配置することが重要ある。
【0022】
ボス部材端面を部分的に非連続的に焼入することができる限り、高周波誘導加熱の方法は特に限定されないが、高周波コイル30を単独で使用する場合、複数の高周波コイルを組み合わせて使用する場合に応じて、下記のようにして加熱するのが便利である。
【0023】
(1)高周波コイルを単独で使用する場合
下記1〜4のステップをこの順で複数回にわたって繰り返す。
【0024】
1:部分焼入予定部の面積(形状)と略同等の面積(形状)の加熱導体部を有する高周波コイルを前記ボス部材の端面に近接させる
2:該高周波コイルに通電することによってボス部材を部分的に誘導加熱する
3:該高周波コイルの通電を停止して空冷する
4:通電を停止したまま、該高周波コイルを他の部分焼入予定部の近傍に相対的に移動する
なおステップ4の高周波コイルの相対的な移動に際しては、高周波コイルを移動させてもよく、ボス部材を移動(例えば、回転)させてもよい。
【0025】
(2)複数の高周波コイルを組み合わせて使用する場合
複数の高周波コイルを組み合わせてコイル部が非連続的パターンを形成するようにし、この組み合わせコイルを前記端面に近接させることによって高周波焼入部を非連続的に形成する。
【0026】
上記いずれの場合にしても、コイル部が大きすぎると、一度に加熱される面積が広くなり過ぎるため、焼きが入りにくくなる。従って本発明では、十分に小さなコイルを使用するのが望ましく、上記具体例においては部分焼入予定部と略同等の長さ及び幅(直径)の加熱導体部を有する高周波コイルを使用することとしている。
【0027】
上述のようにして焼入するとボス部材の端面が種々のパターンで部分焼入されることとなる。図4は前記高周波部分焼入が施されたボス部端面13の一例を示す概略正面図である。この図4では、高周波部分焼入された部分を黒く塗りつぶしている(なお塗りつぶしは、発明を説明するための便宜上のものであって、実際のボス部の端面13a,13bが黒く塗りつぶされているわけではない)。そしてこの図示例では、複数の高周波部分焼入部16aが略等間隔で形成されていると共に、全体として放射状となるように形成されている。このような場合も非連続的に高周波部分焼入されているため、低炭素鋼であっても十分に高硬度に焼入することができ、端面13a,13bの耐摩耗性を十分に高めることができる。なお本発明では部分的に高硬度部(焼入部)を形成しているため、軟質部15が残っている。この軟質部15は、焼入部(硬化部)16aに割れが発生した場合の割れの伝播を防止するのに有用であり、さらには油圧ショベル1の使用中に摩耗することによって、潤滑剤保持部として機能するため有益である。加えて本発明では、この摩耗部は、土砂等の退避場所としても機能するため、端面13a,13bの摺動性をより高めることができる。
【0028】
高周波部分焼入部16aを放射状に形成する場合、上記図4のように各部分焼入部16aを半径方向に沿って形成してもよいが、周方向に向けて傾斜するように形成してもよい。図5は周方向に傾斜する部分焼入部16bが形成されている端面13a,13bの概略正面図であり、この例では部分焼入部16bはいずれも略等しい角度で傾斜している。
【0029】
また部分焼入部を周方向に沿って形成するのも望ましい。図6,図7は、このような端面13a,13bの概略正面図である。図6の例では、周方向に沿って複数の部分焼入部16cが一列になって(全体として円を形成するように)形成されている。そしてこの部分焼入部16cの列の内側にも、第2の部分焼入部16dの列が形成されており、これら2つの列(円)は同心円状に形成されている。なお図6の例では、外側にある第1の列(円)を構成する部分焼入部16cと、内側にある第2の列(円)を構成する部分焼入部16dとは、半径方向に揃うように形成されている。一方図7の例は、外側の部分焼入部16eの列と内側の部分焼入部16fの列とが、同心円状に形成されている点では図6と同様であるが、外側の部分焼入部16eと内側の部分焼入部16fとが、周方向にみたときに交互になるように形成されている点で図6と異なる。外側の部分焼入部と内側の部分焼入部が交互に形成されている方が、焼入硬化が容易になり、さらには摩耗した軟質部15において潤滑剤を保持しやすくなる。なお前記列(円)の数は2つに限定されず、1つであっても3つ以上であってもよい。
【0030】
なお高周波部分焼入部16は、端面13a,13bに非連続的(例えば、断続的)に形成する限り、その数や形成箇所は特に限定されないものの、略等間隔に複数個形成するのが望ましい。略等間隔に形成することによって、端面13a,13bの耐摩耗性を略均等に高めることができ、さらには軟質部15をも略均等に残すことができるため、端面13a,13bの摺動性も略均等に高めることができる。また高周波部分焼入部16a〜16fは、両端面13a,13bに同じパターンで形成してもよく、異なるパターンで形成してもよい。
【0031】
本発明では高周波誘導加熱後の冷却を空冷(熱伝導)によって行っているため、上述したように、連続的ではなく適当な間隔を空けて非連続的(例えば断続的)に焼入するのが重要であり、各部分焼入部が略等間隔になるようにすることが多い。部分焼入部間の間隔は、その最近接部分の距離が例えば、1mm以上となるようにするのが望ましい。なお前記距離の上限は、非焼入部が摩耗したときにガタツキが生じない限り特に限定されないが、通常、端面全体の半分(面積基準)程度は部分焼入を施すため、前記距離の上限は部分焼入部の幅と同程度とすることが多い。
【0032】
前記部分焼入部は、略長方形状、略楕円形状などの異方的形状であることが多く、長さ(長軸の長さ)は、例えば、5〜30mm程度であり、幅(短軸の長さ)は、例えば、3〜7mm程度である。
【0033】
なお本発明では、高周波誘導加熱の条件を以下のように設定するのが望ましい。
【0034】
(1)周波数
周波数が高すぎると焼入深さが浅くなり過ぎるため、十分な耐摩耗性が得られない。従って周波数は、10kHz以上、好ましくは20kHz以上とする。一方、周波数が低すぎると深部まで加熱され過ぎるために、空冷時の冷却速度が遅くなりすぎ、十分な焼入硬化を得ることができない。従って周波数は、50kHz以下、好ましくは30kHz以下とする。特に好ましい周波数は、焼入深さを約1〜2mmとするのに必要な程度であり、後述の鋼を焼き入れる場合には約23〜27kHz程度(特に25kHz程度)である。
【0035】
(2)焼入時間(加熱時間)
焼入時間の下限は、鋼をマルテンサイト化及び/又はベイナイト化できる限り特に限定されないものの、焼入時間が短すぎると、高周波コイルに通電のON−OFF制御が困難となるため、焼入時間は、例えば、0.2秒以上にするのが望ましい。一方、焼入時間が長すぎると、高温になりすぎ、空冷時の冷却速度が遅くなりすぎるため、十分な焼入硬化を得ることができない。さらには作業効率も低下する。従って焼入時間は1秒以下、好ましくは0.5秒以下とする。
【0036】
(3)電源出力
電源出力は、鋼の焼入性、焼入面積などに応じて適宜設定できるが、例えば、16kW以上(好ましくは20kW以上、さらに好ましくは24kW以上)とする。焼入面積を広くするほど、大きな電源出力を必要とする。なお焼入面積が広くなり過ぎると、十分な焼入硬化を得ることができなくなるため、電源出力の上限は焼入硬化可能な範囲から選択する。電源出力は、通常、100kW以下程度である。
【0037】
なお焼入部への入熱量は、上記焼入時間及び電源出力によって決定されるが、所定の焼入硬さが達成できる限り、入熱量は少ないほど望ましい。入熱量を少なくすると、ボス部材の熱変形や熱歪の発生を少なくでき、寸法精度を維持することができる。
【0038】
高周波コイルを単独で使用する場合の高周波コイルの相対的移動速度は、例えば、5〜13mm/秒程度である。
【0039】
本発明では、低炭素鋼でボス部材10aを製造する。低炭素鋼を使用するのは、ボス部材10aをアーム4に溶接する際に予熱する必要がなく、溶接性に優れるためである。また低炭素鋼を使用すれば、中〜高炭素鋼を使用する場合に比べて、製造コストを低減することもできる。前記低炭素鋼の炭素含有量は、例えば、0.4質量%以下、好ましくは0.35質量%以下である。なお炭素含有量が少なすぎると、高周波部分焼入を行っても所定の硬さを達成するのが困難であるため前記炭素量は、例えば、0.25質量%以上、好ましくは0.30質量%以上とする。なお前記低炭素鋼にはBを添加していてもよい。Bを添加すると、焼入性を高めることができ、さらには溶接熱影響部(HAZ部)の靭性も高めることができる。Bの含有量は、例えば、0.0005質量%以上であり、0.003質量%以下(好ましくは0.002質量%以下)である。
【0040】
端面の部分焼入部の硬さ(HRC)は、45以上、好ましくは48以上、さらに好ましくは50以上である。本発明では、焼入性の低い低炭素鋼を使用していても、非連続的に高周波部分焼入しているため、空冷であっても所定以上の硬さを達成することができる。一方、前記焼入部の硬さは、通常、65以下であり、60以下であることが多い。なお非焼入部の硬さ(ブリネル硬さHB)は、通常、130〜200程度である。
【0041】
本発明のボス部材は、ショベルの他、土砂等を取り扱う作業アタッチメント(法面作業用バケット、掘削用バケット、除雪用バケットなどのバケット類など)と、この作業アタッチメントを軸支するためのアーム部材とを有する作業機械であれば、種々の作業機械(土木作業用又は建設作業用機械など)に適用することができ、例えば、ホイールローダ、除雪機などの種々の作業機械に適用することもできる。
【0042】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【0043】
実験例1
端面の隆起部の直径が170mm、ボス穴の直径が109mmであるボス部材(S30C製)の端面に、図4のパターンとなるように高周波部分焼入を施した。より詳細には、高周波コイル[加熱導体部の面積=6mm×19mm(略矩形)]をボス部材に近接させて0.5秒間通電(周波数25kHz)して誘導加熱した後、通電を停止し、約0.5秒かけて高周波コイルをスライドさせ、再び0.5秒間通電して誘導加熱する操作を繰り返すことによって、図4のパターンとなるように片面当たり均等に48カ所を部分焼入した。各焼入部の大きさは、約4mm×約17mmであった。
【0044】
電源出力を16〜25kWの範囲から7水準で選択し、いずれの場合においても前記繰り返し操作によってボス部材の端面を48カ所焼入した後、均等に6カ所の部分焼入部を選択し、各部分焼入部のロックウェル硬さを測定し、所定硬さ以上の高周波焼入が施されているか否かを確認した。結果を表1に示す。
【0045】
【表1】
【0046】
表1より明らかなように、本発明によれば、断続的に高周波焼入を行っているため、低炭素鋼であっても所定の硬さに焼入することができる。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、焼入性に劣る低炭素鋼からなるボス部材を焼入するに際して高周波誘導加熱及び空冷という焼入しにくい条件を採用しても、非連続的に焼入しているため、焼入硬化することができる。そのため耐摩耗性と溶接性に優れたボス部材を簡便に製造できる。また耐摩耗層が剥離する虞も少ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は作業機械の一例を示す概略側面図である。
【図2】図2はボス部材の一例を示す概略断面図である。
【図3】図3はボス部材端面の焼入方法を説明するための概略斜視図である。
【図4】図4はボス部材端面の焼入パターンの一例を示す概略正面図である。
【図5】図5はボス部材端面の焼入パターンの他の例を示す概略正面図である。
【図6】図6はボス部材端面の焼入パターンのさらに他の例を示す概略正面図である。
【図7】図7はボス部材端面の焼入パターンの別の例を示す概略正面図である。
【符号の説明】
10a ボス部材
13a,13b 端面
16a〜16f 部分焼入部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a boss member useful for rotatably connecting two parts.
[0002]
[Prior art]
As the boss member, for example, a substantially cylindrical boss member used for connection between an arm and a bucket in a construction machine such as a hydraulic shovel is used. The boss member is attached to the distal end side of the arm by welding, and both ends thereof are sandwiched by a pair of bracket portions extending from the bucket. Then, the bucket is pivotally attached to the tip of the arm by penetrating the boss member and the bracket portion with the connecting pin.
[0003]
The boss member has an end surface which is in contact with the bracket and is formed to be protruded. When a thrust load acting on the boss portion or the bracket portion is received by the end surface, the thrust direction of the bracket portion with respect to the boss portion (axial direction of the connection pin) ) To prevent rattling.
[0004]
In such a hydraulic excavator, a can-made structure using a rolled steel plate for a welding structure such as SMC490 (JIS G3160) is used as the arm, while the boss member fixed to the end of the arm by welding is used. In general, a low-carbon steel material represented by S30C is used for the purpose of welding to the arm, that is, for the purpose of welding without preheating.
[0005]
However, since the bucket handles a large amount of earth and sand, earth and sand or the like frequently intrudes into a small gap between the end surface of the boss and the bracket. Since the boss member made of a low carbon steel material such as S30C has poor hardenability, that is, it is not possible to increase the hardness so much even when heat treatment is performed by air cooling, so that the end face of the boss portion is significantly worn. If the end face of the boss part is worn, the gap in the thrust direction between the boss part and the bracket part becomes large, causing rattling. Will encourage.
[0006]
As a method for enhancing the wear resistance of the sliding material, not the end face, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-173212, a sliding surface (outer peripheral surface) of a shaft-like member is conveyed by a converged high-density heat source (laser beam , An electron beam, a TIG arc, a plasma arc, etc.) to locally heat and quench and harden, and remove the uncured portion to form a hard convex portion and a non-hard concave portion on the sliding surface (outer peripheral surface). It is disclosed. Although the concentrated high-density heat source is a useful technique for quenching low-hardenability low-carbon steel, it can only be heated in a pinpoint manner. It is necessary to continue heating for a long time while shifting the heating unit, and the productivity is extremely low, and practical application is difficult.
[0007]
On the other hand, a method of curing the end face of the boss member is disclosed in, for example, JP-A-9-184518 and JP-A-2001-329356. In these publications, it is proposed to leave quenching in order to actually increase the wear properties of low carbon steel with low hardenability. That is, it discloses that a wear-resistant material such as a cemented carbide material or a ceramic material is sprayed on the end surface of the boss portion to form a wear-resistant layer. However, in this method, since it takes time to melt the cemented carbide material or the ceramic material for thermal spraying, the productivity is still insufficient. Further, since the wear-resistant layer has poor impact resistance, it may be cracked or partially peeled off. Furthermore, skill is required to form a uniform wear-resistant layer, and the cost of materials and incidental equipment including thermal spraying equipment becomes expensive, which is a major factor in cost increase.
[0008]
Therefore, a technique for easily producing a boss member having excellent wear resistance and weldability has not yet been established.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for easily manufacturing a boss member having excellent wear resistance and weldability.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a boss member that can achieve both weldability and wear resistance and that does not peel off the wear-resistant layer.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention, in the course of intensive research, first use a boss member of low carbon steel to secure weldability, and improve the wear resistance of this low carbon steel. For this reason, we focused on induction hardening. This is because induction hardening does not require a large-scale quenching device and is excellent in work efficiency, and is considered to be useful for easily increasing the wear resistance of the low carbon steel boss member. In particular, if the cooling condition of the induction hardening is air-cooled, it is considered to be extremely useful because water cooling equipment is not required and the high-frequency power supply capacity can be reduced. However, it has been considered that low-carbon steel cannot be quenched by a combination of high-frequency induction heating and air cooling. The inventors of the present invention also cannot quench hardening when induction hardening is performed entirely, and harden continuously (for example, in a spiral shape) even when partially induction hardening. In this case, it was confirmed that quenching could not be performed to a high hardness. However, it has been found that when quenching is discontinuous (for example, intermittently), even in induction quenching, quenching with high hardness is found contrary to the common technical knowledge, and the present invention has been completed.
[0012]
That is, the method for manufacturing a wear-resistant low-carbon steel boss member according to the present invention includes the steps of discontinuing the end face of a boss member made of low-carbon steel (for example, low-carbon steel having a carbon content of about 0.4% by mass or less). The present invention has a gist in that high-frequency induction heating is performed over a plurality of locations and the heating part is air-cooled, and a partially quenched boss member is manufactured. When performing partial quenching discontinuously, for example, the following steps 1 to 4 may be repeated a plurality of times in this order.
[0013]
1: A high-frequency coil having a heating conductor portion having an area substantially equal to the area of the part to be partially quenched is brought close to the end surface of the boss member. 2: The boss member is partially induction-heated by energizing the high-frequency coil. 3: Stop the energization of the high-frequency coil to cool down the air 4: Allow the high-frequency coil to move relatively to the vicinity of another part to be partially quenched while stopping the energization May form a discontinuous pattern, and a method of discontinuously forming a high-frequency partial quenched portion by bringing the combination coil close to the end face may be adopted. In the high frequency partial quenching, heating is performed under the conditions of a frequency of 10 to 50 kHz, a power output of 16 kW or more, and a heating time of 1 second or less, the length of each partial quenched portion is 5 to 30 mm, and the width of each partial quenched portion is 3 to 7 mm. It is desirable to make the distance between the re-adjacent portions of the quenched portions 1 mm or more.
[0014]
In addition, in this specification, the term "air cooling" is used to include natural cooling at room temperature. In the present specification, the hardness (HRC) of the quenched portion means a value obtained by rounding off the first decimal place (excluding the column of Examples).
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings as appropriate. However, the present invention is not necessarily limited to the illustrated examples, and may be appropriately modified within a range that can conform to the purpose of the preceding and following descriptions. The present invention can be implemented, and all of them are included in the technical scope of the present invention. In the illustrated example, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be avoided.
[0016]
FIG. 1 is a schematic side view of a hydraulic excavator having a boss member obtained by the present invention at an arm tip, and FIG. 2 is an enlarged sectional view of the arm tip. In this excavator 1, a
[0017]
In such a hydraulic excavator 1, the connection between the
[0018]
In this example, the
[0019]
In such a hydraulic excavator 1, since the
[0020]
Therefore, in the present invention, the end faces 13a and 13b of the
[0021]
Hereinafter, the induction hardening method will be described in more detail with reference to the schematic perspective view of FIG. In the induction hardening, the high-
[0022]
The method of high-frequency induction heating is not particularly limited as long as the end surface of the boss member can be partially and continuously quenched. When the high-
[0023]
(1) When using the high-frequency coil alone The following steps 1 to 4 are repeated a plurality of times in this order.
[0024]
1: A high-frequency coil having a heating conductor portion having an area (shape) substantially equal to the area (shape) of the part to be partially quenched is brought close to the end face of the boss member. 2: The boss member is energized by energizing the high-frequency coil. Partial induction heating 3: Stop the energization of the high-frequency coil and air-cool it. 4: Move the high-frequency coil relatively to the vicinity of the part to be partially quenched while stopping the energization. For relative movement of the high-frequency coil, the high-frequency coil may be moved, or the boss member may be moved (for example, rotated).
[0025]
(2) When a plurality of high-frequency coils are used in combination, a plurality of high-frequency coils are combined to form a discontinuous pattern in the coil portion, and the high-frequency quenched portion is discontinuous by bringing the combination coil close to the end face. It is formed.
[0026]
In any of the above cases, if the coil portion is too large, the area to be heated at one time becomes too large, so that it becomes difficult to burn. Therefore, in the present invention, it is desirable to use a sufficiently small coil. In the above example, it is assumed that a high-frequency coil having a heating conductor portion having a length and a width (diameter) substantially equal to the portion to be partially quenched is used. I have.
[0027]
When quenching is performed as described above, the end surface of the boss member is partially quenched in various patterns. FIG. 4 is a schematic front view showing an example of the boss end face 13 subjected to the high frequency partial quenching. In FIG. 4, the high-frequency partially quenched portion is painted black (note that the painting is for convenience of explanation of the invention, and the actual end faces 13a and 13b of the boss portion are painted black. Do not mean). In the illustrated example, a plurality of high-frequency
[0028]
When forming the high-frequency
[0029]
It is also desirable to form the partially quenched portion along the circumferential direction. 6 and 7 are schematic front views of such end faces 13a and 13b. In the example of FIG. 6, a plurality of partial quenched
[0030]
As long as the high-frequency
[0031]
In the present invention, since cooling after high-frequency induction heating is performed by air cooling (heat conduction), as described above, quenching is not continuous but quenched discontinuously (for example, intermittently) at appropriate intervals. It is important that the partial quenched portions are often arranged at substantially equal intervals. It is desirable that the interval between the partially quenched portions is such that the distance between the nearest quenched portions is 1 mm or more, for example. The upper limit of the distance is not particularly limited as long as no rattling occurs when the non-quenched portion is worn, but usually, about half (based on area) of the entire end face is partially quenched. Often the same as the width of the quenched part.
[0032]
The partially quenched portion is often an anisotropic shape such as a substantially rectangular shape or a substantially elliptical shape, the length (the length of the long axis) is, for example, about 5 to 30 mm, and the width (the length of the short axis). Length) is, for example, about 3 to 7 mm.
[0033]
In the present invention, it is desirable to set the conditions for high-frequency induction heating as follows.
[0034]
(1) Frequency If the frequency is too high, the quenching depth becomes too shallow, so that sufficient wear resistance cannot be obtained. Therefore, the frequency is set to 10 kHz or more, preferably 20 kHz or more. On the other hand, if the frequency is too low, the material is heated to a deep part too much, so that the cooling rate during air cooling becomes too slow, and sufficient quench hardening cannot be obtained. Therefore, the frequency is set to 50 kHz or less, preferably 30 kHz or less. A particularly preferable frequency is a level necessary to make the quenching depth about 1 to 2 mm, and is about 23 to 27 kHz (particularly about 25 kHz) when quenching steel described later.
[0035]
(2) Quenching time (heating time)
The lower limit of the quenching time is not particularly limited as long as the steel can be made martensite and / or bainite. However, if the quenching time is too short, it becomes difficult to perform ON-OFF control of energizing the high-frequency coil. Is desirably, for example, 0.2 seconds or more. On the other hand, if the quenching time is too long, the temperature will be too high, and the cooling rate during air cooling will be too slow, so that sufficient quench hardening cannot be obtained. Further, the working efficiency is reduced. Therefore, the quenching time is set to 1 second or less, preferably 0.5 second or less.
[0036]
(3) Power supply output The power supply output can be appropriately set according to the hardenability, quenching area, etc. of the steel, and is, for example, 16 kW or more (preferably 20 kW or more, more preferably 24 kW or more). The larger the quenching area, the greater the power output required. If the quenching area is too large, sufficient quenching and hardening cannot be obtained. Therefore, the upper limit of the power output is selected from the range in which quench hardening is possible. The power output is usually about 100 kW or less.
[0037]
The amount of heat input to the quenching part is determined by the quenching time and the power output. However, as long as a predetermined quench hardness can be achieved, the smaller the amount of heat input, the better. When the amount of heat input is reduced, the occurrence of thermal deformation and thermal distortion of the boss member can be reduced, and dimensional accuracy can be maintained.
[0038]
When the high-frequency coil is used alone, the relative moving speed of the high-frequency coil is, for example, about 5 to 13 mm / sec.
[0039]
In the present invention, the
[0040]
The hardness (HRC) of the partially quenched portion of the end face is 45 or more, preferably 48 or more, and more preferably 50 or more. In the present invention, even when low-hardness steel having low hardenability is used, high-frequency partial quenching is performed discontinuously, so that a predetermined hardness or more can be achieved even with air cooling. On the other hand, the hardness of the quenched portion is usually 65 or less, often 60 or less. The hardness of the non-quenched portion (Brinell hardness HB) is usually about 130 to 200.
[0041]
The boss member according to the present invention includes, in addition to a shovel, a work attachment for handling earth and sand (buckets such as a slope work bucket, an excavation bucket, and a snow removal bucket), and an arm member for pivotally supporting the work attachment. Can be applied to various work machines (such as a machine for civil engineering work or construction work), and can be applied to various work machines such as a wheel loader and a snow blower. .
[0042]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples. However, the present invention is not limited to the following Examples, and may be appropriately modified within a range that can be adapted to the purpose of the preceding and the following. It is of course possible to carry out them, and all of them are included in the technical scope of the present invention.
[0043]
Experimental example 1
The end face of a boss member (manufactured by S30C) having a boss having a diameter of 170 mm and a boss hole having a diameter of 109 mm was subjected to high-frequency partial quenching so as to have a pattern shown in FIG. More specifically, after the high-frequency coil [area of the heating conductor portion = 6 mm × 19 mm (substantially rectangular)] is brought into proximity with the boss member and energized for 0.5 seconds (frequency 25 kHz) for induction heating, the energization is stopped. By repeating the operation of sliding the high-frequency coil for about 0.5 seconds, conducting electricity again for 0.5 seconds and inducing induction heating, 48 parts were hardened uniformly on one side so that the pattern shown in FIG. 4 was obtained. The size of each quenched part was about 4 mm × about 17 mm.
[0044]
The power output is selected at seven levels from the range of 16 to 25 kW. In each case, after the end face of the boss member is quenched at 48 places by the above-mentioned repetitive operation, six partial hardened parts are evenly selected. The Rockwell hardness of the quenched part was measured, and it was confirmed whether or not induction hardening of a predetermined hardness or more was performed. Table 1 shows the results.
[0045]
[Table 1]
[0046]
As is clear from Table 1, according to the present invention, since induction hardening is performed intermittently, even a low-carbon steel can be hardened to a predetermined hardness.
[0047]
【The invention's effect】
According to the present invention, when quenching a boss member made of low carbon steel having poor hardenability, even if the hard-hardening conditions of high-frequency induction heating and air cooling are adopted, the quenching is discontinuous. Can be quenched and hardened. Therefore, a boss member excellent in wear resistance and weldability can be easily manufactured. Moreover, there is little possibility that the wear-resistant layer is peeled off.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view showing an example of a work machine.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example of a boss member.
FIG. 3 is a schematic perspective view for explaining a method of quenching the end surface of the boss member.
FIG. 4 is a schematic front view showing an example of a quenching pattern on the end face of the boss member.
FIG. 5 is a schematic front view showing another example of the quenching pattern on the end face of the boss member.
FIG. 6 is a schematic front view showing still another example of the quenching pattern on the end face of the boss member.
FIG. 7 is a schematic front view showing another example of the quenching pattern on the end face of the boss member.
[Explanation of symbols]
Claims (5)
1:部分焼入予定部の面積と略同等の面積の加熱導体部を有する高周波コイルを前記ボス部材の端面に近接させる
2:該高周波コイルに通電することによってボス部材を部分的に誘導加熱する
3:該高周波コイルの通電を停止して空冷する
4:通電を停止したまま、該高周波コイルを他の部分焼入予定部の近傍に相対的に移動するThe method for manufacturing a wear-resistant low-carbon steel boss member according to claim 1, wherein the high-frequency partial quenching portion is formed discontinuously at a plurality of positions by repeating the following steps 1 to 4 a plurality of times in this order.
1: A high-frequency coil having a heating conductor portion having an area substantially equal to the area of the part to be partially quenched is brought close to the end surface of the boss member. 2: The boss member is partially induction-heated by energizing the high-frequency coil. 3: Stop the energization of the high-frequency coil and cool down by air. 4: With the energization stopped, relatively move the high-frequency coil to the vicinity of another part to be hardened.
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