JP2009052085A - 管状部材の製造方法及び管状部材 - Google Patents

Abstract

【課題】外周面の耐磨耗性及び疲労強度を有しており、かつ生産性が高い管状部材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る管状部材１０の製造方法は、管状部材１０の全体をＡｃ_３点以上に加熱する工程と、管状部材１０の端面側から該管状部材１０の中空部１０ａに送風して管状部材１０を内周面１２側から冷却し、その後、中空部１０ａへの送風を継続しつつ、管状部材１０の外周面１１を冷却液により冷却することにより、管状部材１０を外周面１１側から焼入れする工程とを具備することを特徴とする。管状部材１０が履帯ピンである場合、中空部１０ａは油孔であり、貫通孔１０ｂは枝孔である。
【選択図】図２

Description

本発明は、疲労強度及び外周面の耐磨耗性を有しており、かつ生産性が高い管状部材の製造方法及び管状部材に関する。

装軌車両などに用いられる履帯ピンは、円筒状の部材であり、外周面から内周面に貫通する油孔が設けられている。履帯ピンに求められる特性には、外周面に耐磨耗性があること、及び疲労強度が高いことがある。従来は、履帯ピンを加熱炉によって加熱してその後冷却することにより、履帯ピンの全体を調質して一定の硬度以上にして疲労強度を高くして、その後履帯ピンの外周面を高周波焼入れすることにより、外周面に耐磨耗性を持たせていた。
なお、履帯ピンではなくブッシュであるが、上記した方法により部材を処理する方法が、特許文献１に開示されている。

特開平５−７８７４６号公報（図）

上記した従来方法では、履帯ピン等の管状部材の全体を調質する工程が必要であり、生産性を更に高くすることは難しかった。これに対して、従来方法から調質工程を省略することも考えられるが、この場合は芯部の硬度が高くならず、疲労強度が低くなってしまう。また部材の全体をＡｃ_３点以上に加熱してから全体を水冷する方法も考えられるが、履帯ピンのように外周面から内周面に貫通する孔が設けられている場合、この孔に水が浸入するため、孔の内周面側の端部で焼割れが生じやすくなる。

また上記した従来方法では、履帯ピン等の管状部材の全体を調質した後に、外周面側から焼入れを行っているが、焼き境となる部分は焼入れに必要な冷却速度が得られず、その結果、逆に硬度が低下してしまう。すなわち従来方法では、管状部材の内周面より硬度が低い部分が芯部にできてしまう（例えば図３の比較例１参照）。一方、管状部材に加わる曲げ応力は外周面が最も大きく、内周面に近づくにつれて低下していくため、焼境部分に加わる応力は、内周面に加わる応力より高い。このため、焼き境部分の強度が、当該部分に加わる応力に耐えるために必要な強度より低くなる可能性があり、その結果、管状部材が十分な疲労強度を得られない可能性があった。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、外周面の耐磨耗性及び疲労強度を有しており、かつ生産性が高い管状部材の製造方法及び管状部材を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る管状部材の製造方法は、管状部材の全体をＡｃ_３点以上に加熱する工程と、
前記管状部材の端面側から該管状部材の中空部に送風して前記管状部材を内周面側から冷却し、その後、前記中空部への送風を継続しつつ、前記管状部材の外周面を冷却液により冷却することにより、前記管状部材を前記外周面側から焼入れする工程と、
を具備することを特徴とする。

前記管状部材は、前記外周面から前記内周面に貫通する貫通孔を具備している場合、前記管状部材を焼入れする工程において、前記中空部内に送風された空気が前記貫通孔から該中空部の外部に排出されるようにするのが好ましい。

前記管状部材は例えば履帯ピンである。この場合、前記中空部は油孔であり、前記貫通孔は枝孔である。また、前記管状部材を加熱する工程は、例えば前記管状部材を外周面側から高周波加熱する工程である。

前記管状部材を前記外周面側から焼入れする工程の後に、前記管状部材を焼戻しする工程を更に具備してもよい。この場合、焼戻し温度は１４０℃以上２５０℃未満であるのが好ましい。

本発明に係る管状部材は、外周面側に焼入れ硬化層を有し、内周面側に不完全焼入れ層を具備し、かつ径方向の硬度分布において内周面の表層が最も低硬度である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の１実施形態に用いられる熱処理装置の構成を説明するための図である。本図に示す熱処理装置は、円筒状の履帯ピン１０を熱処理する装置であり、履帯ピン１０を搬送する搬送機構２０、履帯ピン１０を外周面１１側から加熱する高周波コイル３０、及び履帯ピン１０の外周面１１に冷却液（例えば冷却水）をかける冷却部４０を具備する。履帯ピン１０は、中空部である油孔１０ａ、及び油孔１０ａと外周面１１を繋ぐ枝孔１０ｂを有する。

搬送機構２０は、履帯ピン１０を両端面側から挟むように保持しており、かつ送風口２１を有する。送風口２１は、履帯ピン１０の一方の端面から油孔１０ａに冷却用の空気を送風する。油孔１０ａに送風された空気は、枝孔１０ｂから外部に噴射する。搬送機構２０は、駆動手段２２によって履帯ピン１０が延伸する方向（図１の上下方向）に移動する。これにより搬送機構２０は、履帯ピン１０を冷却部４０の上方から冷却部４０の中空部４２の内部まで移動させることができる。

高周波コイル３０は、履帯ピン１０と同心となるように配置されており、その内径は履帯ピン１０の外径より大きい。高周波コイル３０は、駆動手段３１によって履帯ピン１０が延伸する方向に沿って移動することができる。

冷却部４０は略筒状であり、円柱形の中空部４２を有している。冷却部４０は、履帯ピン１０と同心となるように配置されており、中空部４２の内部に搬入された履帯ピン１０の外周面１１に、冷却液をかける。冷却液は、配管４１によって冷却部４０に供給される。

次に図２を用いて、履帯ピン１０の熱処理方法について説明する。まず図２（Ａ）に示すように、履帯ピン１０を高周波コイル３０の内側に位置させる。そして、履帯ピン１０を回転させながら、高周波コイル３０を用いて履帯ピン１０を外周面１１側から加熱し、履帯ピン１０の全体をＡｃ_３点以上にする。このとき、履帯ピン１０の外周側は内周側より先に温度が上昇してＡｃ_３点以上になる。そこで、履帯ピン１０の外周面の温度が上がりすぎて結晶粒が粗大化することを防止する為に、履帯ピン１０の外周面の温度がＡｃ_３点以上の所定温度になった後は、外周面の温度がこの所定温度を維持するように、高周波コイル３０への入力を制御するのが好ましい。

次いで、図２（Ｂ）に示すように、履帯ピン１０を冷却部４０の中空部４２内に移動させ、かつ高周波コイル３０を冷却部４０の上方に位置させる。この状態で、送風口２１から履帯ピン１０の油孔１０ａに空気を送風する。これにより、履帯ピン１０の内周面側は外周面側より先行して冷却が開始する。このときの冷却速度は遅く、焼入れにはならない。

次いで、図２（Ｃ）に示すように、送風口２１から履帯ピン１０の油孔１０ａに空気を送風しつつ、 冷却部４０から履帯ピン１０の外周面１１に冷却液をかける。これにより、履帯ピン１０は外周面１１側から冷却されて焼入れされ、外周面１１側に硬化層が形成される。

上記したように、履帯ピン１０の内周面１２側は外周面１１側より先行して空冷されているために、外周面１１側から冷却されても冷却速度が十分速くならず、その結果、内周面１２側には不完全焼入れ層が形成される。このため、硬化層は、内周面１２には達しない。ただし、履帯ピン１０のうち焼入れされない部分の疲労強度はある程度高くなる。また履帯ピン１０には、調質のための熱処理が行われていない為、焼き境が形成されず、その結果、芯部における強度低下が生じない。このため、履帯ピン１０の径方向で見た場合、履帯ピン１０の強度は、いずれの部分においても内周面１２より高くなる。このため、従来と比較して、履帯ピン１０の強度を、いずれの部分においても曲げ応力に耐えるために必要な値以上にしやすくなる。

また、冷却部４０から履帯ピン１０の外周面１１に冷却液をかけるときには、送風口２１から履帯ピン１０の油孔１０ａに空気が送風されている。送風された空気は枝孔１０ｂから外部に噴射する為、枝孔１０ｂの内部には冷却液が入らない。このため、履帯ピン１０の径方向の硬度分布を見た場合、枝孔１０ｂの周囲も履帯ピン１０の他の部分と同様の硬度分布を有する。また、枝孔１０ｂと内周面１２の交差部分で焼割れが生じることを防止できる。

このように本実施形態では、一回の熱処理で履帯ピン１０に必要な特性を与えることができる。従って、履帯ピン１０の生産性が高くなる。

表１に示す成分を有する鋼を用いて複数の履帯ピン１０を製造し、これら履帯ピン１０を実施形態で説明した方法で処理した（実施例）。製造した履帯ピン１０の外径、全長、油孔１０ａの直径、及び枝孔１０ｂの直径は、それぞれ６０ｍｍ、３２１ｍｍ、１７．５ｍｍ及び５ｍｍであり、高周波コイル３０の内径及び長さは、それぞれ７５ｍｍ及び４１５ｍｍである。高周波コイル３０に印加する高周波の周波数を６ｋＨｚとして、履帯ピン１０の回転数を１００ｒｐｍとした。また冷却液としては冷却水を使用し、その流量を１０００ｌ／分とした。また履帯ピン１０の内周面１２の空冷を開始するタイミングを、外周面１１の水冷を開始するタイミングより５秒早くした。

また比較例１として、実施例と同様の鋼からなる履帯ピン１０を加熱炉によって全体加熱してその後冷却することにより調質し、さらに外周面１１を高周波焼入れしたものを作製した。さらに比較例２として、表１に示す成分を有する鋼からなる履帯ピン１０に、比較例１と同様の処理を行ったものを作製した。表１における単位は、重量％である。なお、実施例及び比較例１，２において、表１に示す成分の残部はＦｅ及び不可避的不純物から構成される。

実施例、比較例１、及び比較例２に係る履帯ピン１０のロックウェル硬度の径方向分布を調べた。結果を図３に示す。なお、図３には、履帯ピン１０に加わる曲げ応力の径方向分布の一例も示している。

実施例に係る履帯ピン１０の硬度は、外周面１１の硬度がＨＲＣ５７になった。また外周面１１から１１ｍｍまでの部分でＨＲＣ４５以上となった。そしてそれより内周面に近い領域では、内周面に近づくにつれて硬度が低下する。ただし硬度の低下割合は、内周面に近づくにつれて緩やかになる。そして、全領域で硬度が曲げ応力より高くなった。また、素地硬さすなわち径方向の硬度分布における最小値はＨＲＣ３１となった。

これに対して比較例１に係る履帯ピン１０は、外周面１１の硬度がＨＲＣ５７になり、実施例と同等の値になった。またＨＲＣ４５以上の領域が外周面から１０．５ｍｍまでとなり、実施例に近い値を示した。しかし外周面から１２ｍｍの部分の強度が内周面より低く、その結果、この部分の強度が曲げ応力より低くなった。なお、外周面から１４ｍｍ以上離れた領域では、強度が曲げ応力より高くなった。そして素地硬さはＨＲＣ３１と、実施例と同等の値になった。

また比較例２に係る履帯ピン１０は、外周面１１の硬度がＨＲＣ５６．５になり、実施例と同等の値になった。しかしＨＲＣ４５以上の領域が外周面から９ｍｍまでとなり、実施例より浅くなった。また、外周面１１から１１ミリメートル以上離れた領域では、強度が曲げ応力より低くなった。そして素地硬さはＨＲＣ２１となり、実施例より低くなった。

次に、実施例に係る６本の履帯ピン１０の表面硬さ、硬化層の深さ、及び素地硬さすなわち径方向の硬度分布における最小値を、各ピンにつき３箇所で調べた。結果を表２に示す。なお、ＨＲＣ４５以上の部分を硬化層として定義した。

表２に示すように、表面硬さの平均値はＨＲＣ５７．３であり、硬化層の深さの平均値は１２．２、また素地硬さの平均値はＨＲＣ３１．０であった。また、表面硬さ、硬化層の深さ、及び素地硬さのいずれもばらつきが非常に小さかった。

また、実施例に係る複数の履帯ピン１０において焼割れが生じているか否かを調べたが、いずれの実施例においても、いずれの部分にも焼割れが生じていなかった。また、硬化層の結晶粒度の平均値は８．５となった。

以上のことから、本発明に係る製造方法により履帯ピン１０を製造すると、外周面の耐磨耗性が十分に高くなり、かつ疲労強度も十分に高くなることが示された。また、希少金属であるＭｏを用いなくても、Ｍｏを用いた比較例２に係る履帯ピン１０より高い特性が得られることが示された。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

本発明の１実施形態に用いられる熱処理装置の構成を説明するための図。 各図は、履帯ピン１０の熱処理方法を説明するための図。 実施例及び比較例に係る履帯ピン１０のロックウェル硬度の径方向分布を示す図。

符号の説明

１０…履帯ピン、１０ａ…油孔、１０ｂ…枝孔、１１…外周面、１２…内周面、２０…搬送機構、２１…送風口、３０…高周波コイル、３１…駆動手段、４０…冷却部、４１…配管、４２…中空部

Claims (7)

1. 管状部材の全体をＡｃ_３点以上に加熱する工程と、
   前記管状部材の端面側から該管状部材の中空部に送風して前記管状部材を内周面側から冷却し、その後、前記中空部への送風を継続しつつ、前記管状部材の外周面を冷却液により冷却することにより、前記管状部材を前記外周面側から焼入れする工程と、
   を具備することを特徴とする管状部材の製造方法。
2. 前記管状部材は、前記外周面から前記内周面に貫通する貫通孔を具備し、
   前記管状部材を焼入れする工程において、前記中空部内に送風された空気が前記貫通孔から該中空部の外部に排出されることを特徴とする請求項１に記載の管状部材の製造方法。
3. 前記管状部材は履帯ピンであり、前記中空部は油孔であり、前記貫通孔は枝孔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の管状部材の製造方法。
4. 前記管状部材を加熱する工程は、前記管状部材を外周面側から高周波加熱する工程であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の管状部材の製造方法。
5. 前記管状部材を前記外周面側から焼入れする工程の後に、前記管状部材を焼戻しする工程を更に具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の管状部材の製造方法。
6. 焼戻し温度が１４０℃以上２５０℃未満である請求項５に記載の管状部材の製造方法。
7. 外周面側に焼入れ硬化層を有し、内周面側に不完全焼入れ層を具備し、かつ径方向の硬度分布において内周面の表層が最も低硬度である管状部材。

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