JP3324630B2 - 耐へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピストンおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、油圧ショベルの油圧ブ
レーカ内部に組み込まれるピストンなど、各種の土木建
設機械に使用される強靭ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧ショベルの油圧ブレーカ内部に組み
込まれる図２に示すようなピストンを始めとして、土木
建設機械に使用される各種のピストン類はチゼルなどと
激しく衝突するため、強度（硬度）と靭性が共に必要と
される。すなわちピストン１は、チゼルなどの極めて硬
い部品と衝突することにより先端である衝突部３に所謂
「へたり」を生じ、それによる「かえり」４のため滑ら
かな動きを妨げられることとなるので、上記の「へた
り」による「かえり」４を防止するための硬度を要求さ
れる。しかしながら硬いばかりであると靭性が低くなる
ため、衝突時の激しい衝撃に耐えきれず本体部２や衝突
部３に割れ５が起こるという問題が生じるので、靭性が
同時に要求されることとなる。

【０００３】そこで従来、前記ピストン類には強度（硬
度）と靭性の両方を具備させるために、この両者に優れ
るＳＮＣ６３１鋼（JIS G 4102(1979)）やＳＮＣＭ４２
０鋼（JIS G 4103(1979)）などをベースに成分改良を行
ったＮｉ添加系の鋼が用いられてきた。

【０００４】ところが、最近、土木建設機械の使用され
る環境がますます過酷なものとなってきたため前記した
Ｎｉ添加系の高価な従来鋼を用いても、靭性を持たせ
た場合には強度（硬度）不足でピストンの衝突部３に
「へたり」を生じ、それによる大きな「かえり」４のた
めピストンの滑らかな動きが妨げられる。「へたり」
を生じないように強度（硬度）を高くした場合には激し
い衝撃によってピストンの本体部２や衝突部３に微細な
亀裂が発生し、この微細亀裂を起点としてピストンに割
れ５が生じてしまう、という問題が起ってきた。

【０００５】そのため産業界からは、耐へたり性に優れ
た土木建設機械用の各種強靭ピストンの開発が待望され
ていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、油圧
ショベルの油圧ブレーカ内部に組み込まれるピストンな
ど、各種の耐へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピス
トンとその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の課題を
達成するため、落錘型試験機を用いた落下試験と実機に
組み込んだフィールドでの予備テストを行って検討を重
ねた結果、先ず、下記（ａ）〜（ｆ）の知見を得た。こ
こで、落錘型試験機を用いた落下試験は、治具に固定し
た状態の試験片（直径：１３０ｍｍφ、長さ：４００ｍ
ｍ、先端部Ｒ：３００ｍｍ）を高さ２ｍの位置からバウ
ンド防止装置を付けたＳＫＤ１１鋼（JIS G 4404(198
3)）製の定盤の上に連続して１０００回自然落下させ、
「へたり」と割れを調査した。なお１０００回の落下テ
スト後、試験片の先端部温度は約３００℃に上昇してい
た。

【０００８】（ａ）落錘型試験機を用いた落下試験で試
験片に割れを生じないためには試験片中心部の靭性とし
てＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値が１５Ｊ／
ｃｍ²以上あれば良いこと。

【０００９】（ｂ）窒化処理後、中心部から採取したＪ
ＩＳ３号試験片での常温における衝撃値を１５Ｊ／ｃｍ
² 以上となして通常の方法で作製したピストン１は、フ
ィールドテスト中の衝撃に充分耐えて本体部２で割れを
生じないこと。

【００１０】（ｃ）落下試験に用いた試験片の表面（先
端）から１０ｍｍの位置および中心部での硬度がそれぞ
れＨR Ｃで５５以上と５３以上であれば、試験片の先端
部における「へたり」の量は２ｍｍ未満と僅かでありま
た「かえり」も極めて小さいこと。

【００１１】（ｄ）窒化処理後、表面（先端）から１０
ｍｍの位置および中心部での硬度をそれぞれＨR Ｃで５
５以上と５３以上となして通常の方法で作製したピスト
ン１は、５０時間のフィールドテストを行ってチゼルな
どの極めて硬い部品と衝突させた場合でも、ピストンの
衝突部３における「へたり」の量は僅かであり、また
「かえり」４も極めて小さいため、滑らかなピストンの
動きが達成できること。

【００１２】（ｅ）上記（ａ）〜（ｄ）から、過酷な環
境で使用される土木建設機械用のピストンに強度（硬
度）と靭性の両方を具備させるためには、図１に示すよ
うにピストン１の構造を本体部２と先端の衝突部３とに
分け、本体部２と衝突部３にはそれぞれ高い靭性を有す
る鋼材と硬い鋼材とを使い分ければ良いこと。

【００１３】（ｆ）本体部２と衝突部３の組み合わせ方
法は冷し嵌めが最適で、この方法によれば実機で使用中
に先端部３が本体部２から抜け出ることはないこと。ま
た使用時の熱膨張差による本体部２と衝突部３の長さ変
化を吸収するために、本体部２と衝突部３との間には空
隙８を設けておけば良いこと。

【００１４】しかしながら、後の「実施例１」の項で詳
述するように、表１に示すＳＮＣ６３１鋼（JIS G 4102
(1979)）、ＳＣＭ４４０鋼（JIS G 4105(1979)）、ＳＫ
Ｄ１１鋼（JIS G 4404(1983)）およびＳＫＤ１２鋼（JI
S G 4404(1983)）を用いて、落錘型試験機用の前記した
落下試験片を、図３の従来タイプの一体物と図４の
ように本体部６と先端の衝突部７に異なった鋼種を使用
し、冷し嵌めして組み合わせた物、との２種類作製し落
錘型試験機を用いた落下試験を行ったところ、下記の事
実が判明した。

【００１５】すなわち、表２に示すように、ＳＮＣ６３
１鋼とＳＣＭ４４０鋼を素材とした一体物試験片には割
れの発生は認められなかったが大きな「へたり」が生じ
た。

【００１６】またＳＫＤ１１鋼とＳＫＤ１２鋼を素材と
した一体物試験片に生じた「へたり」はいずれも１．２
ｍｍと小さかったが本体部と先端の衝突部に割れ（クラ
ック）が発生した。一方、ＳＮＣ６３１鋼やＳＣＭ４４
０鋼を本体部６に使用しＳＫＤ１１鋼やＳＫＤ１２鋼を
先端の衝突部７に用いた組み合わせタイプの試験片にお
いては、「へたり」量は１．２〜１．３ｍｍと小さくま
た本体部６に割れは発生しなかった。しかしながら先端
の衝突部７には割れが認められた。

【００１７】従って、本体部に高い靭性を有する鋼材を
使用しても、先端の衝突部に硬い鋼素材を用いるだけで
は、ピストンとして実機に組み込んだ場合、短時間の使
用には充分耐えられるが、長時間の使用には耐えきれな
いことも考えられる。

【００１８】そこで次に本発明者は、本体部にＳＣＭ４
４０鋼を使用して先端の衝突部に適した鋼材について種
々検討を重ねた結果、下記（ｇ）〜（ｋ）の知見を得る
に至った。

【００１９】（ｇ）落錘型試験機を用いた落下試験で組
み合わせタイプの試験片の衝突部７に割れを生じないた
めには、衝突部７の表面（先端）から４０ｍｍの位置で
の靭性としてＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値
が１５Ｊ／ｃｍ²以上あれば良いこと。

【００２０】（ｈ）窒化処理後、衝突部３の表面（先
端）から４０ｍｍの位置から採取したＪＩＳ３号試験片
での常温における衝撃値を１５Ｊ／ｃｍ² 以上となして
作製した図１の組み合わせタイプのピストンは、フィー
ルドテスト中の衝撃に充分耐えて衝突部３に割れを生じ
ないこと。

【００２１】（ｉ）鋼材の化学成分のうちＣ量を０．９
０質量％以下に制御すれば衝撃特性が著しく向上するこ
と。

【００２２】（ｊ）適正量のＣｒ、ＭｏおよびＶを複合
添加することにより、高温での軟化抵抗が向上し、これ
によって耐へたり性が大きく向上すること。

【００２３】（ｋ）適正な成分系の場合には、耐へたり
性と耐衝撃特性に関して下記のｆｎ１式で整理でき、こ
の値が４．０％以上の場合には、先端に用いた衝突部３
の鋼材には割れが生じず、また「へたり」量も小さいこ
と。

【００２４】 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%Cr ］はＣｒ含有量の質量％を意味し、［%Mo
］および［%V］についても同様である。

【００２５】上記知見に基づく本発明は下記（１）〜
（４）に示す耐へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピ
ストンを要旨とする。

【００２６】（１）異なった鋼材質の高靭性本体部と高
硬度衝突部との鋼からなり、その衝突部が質量％で、
Ｃ：０．７０〜０．９０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０
％、Ｍｎ：０．３５〜２．００％、Ｃｒ：５．０〜１
０．０％、Ｍｏ：１．００〜３．００％、Ｖ：０．３０
〜０．７０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．０
１００％、Ｎ：０．０２％以下であり、残部はＦｅおよ
び不可避不純物からなり、かつ、下記ｆｎ１の値が４．
００〜７．００％であって、窒化処理が施されている耐
へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピストン。

【００２７】 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。

【００２８】（２）異なった鋼材質の高靭性本体部と高
硬度衝突部との鋼からなり、その衝突部が上記（１）に
記載の成分に加えて更に、質量％で、０．００５〜０．
０５０％のＮｂ、０．０１〜０．１０％のＴｉおよび
０．０１０〜０．１００％のＡｌのうちの１種以上を含
有し、かつ、下記ｆｎ１の値が４．００〜７．００％で
あって、窒化処理が施されている耐へたり性に優れた土
木建設機械用強靭ピストン。

【００２９】 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。

【００３０】（３）異なった鋼材質の高靭性本体部と高
硬度衝突部との鋼からなり、その衝突部が上記（１）に
記載の成分に加えて更に、質量％で、０．００５〜０．
１００％のＳ、０．０１〜０．３０％のＰｂ、０．００
５〜０．１００％のＴｅ、０．０１〜０．３０％のＢｉ
および０．０００５〜０．０１００％のＣａのうちの１
種以上を含有し、かつ、下記ｆｎ１の値が４．００〜
７．００％であって、窒化処理が施されている耐へたり
性に優れた土木建設機械用強靭ピストン。

【００３１】 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。

【００３２】（４）異なった鋼材質の高靭性本体部と高
硬度衝突部との鋼からなり、その衝突部が上記（１）に
記載の成分に加えて更に、質量％で、０．００５〜０．
０５０％のＮｂ、０．０１〜０．１０％のＴｉおよび
０．０１０〜０．１００％のＡｌのうちの１種以上、並
びに０．００５〜０．１００％のＳ、０．０１〜０．３
０％のＰｂ、０．００５〜０．１００％のＴｅ、０．０
１〜０．３０％のＢｉおよび０．０００５〜０．０１０
０％のＣａのうちの１種以上を含有し、かつ、下記ｆｎ
１の値が４．００〜７．００％であって、窒化処理が施
されている耐へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピス
トン。

【００３３】 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。

【００３４】上記の本体部とは、図１に例示するような
ピストン１にあっては、符号２で示す部分、衝突部とは
同じく符号３で示す部分である。

【００３５】上記の本体部と衝突部は、冷し嵌めによっ
て組み立てるのが望ましい。

【００３６】

【作用】以下、本発明についてその作用効果とともに詳
細に説明する。

【００３７】［ピストンの構成］ ピストンが過酷な環境での使用に耐えて本体部２に割れ
を生じず、また先端の衝突部３に「へたり」を生じない
ためには、本体部２には高い靭性を持たせ、先端の衝突
部３には高い硬度を持たせることが必要である。これを
達成するには本体部２と衝突部３に異なった鋼材質を用
いたピストンの構成とすれば良い。

【００３８】ところで、一般にピストンは所望の形状に
機械加工され調質処理された後、耐摩耗性付与のために
通常の方法で窒化処理される。従って、本体部２として
は窒化処理後の中心部から採取したＪＩＳ３号試験片で
の常温における衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ² 以上ある鋼材を
使用し、また、衝突部３としては窒化処理後の表面（先
端）から１０ｍｍの位置および中心部での硬度がそれぞ
れＨR Ｃで５５以上と５３以上の鋼材を用いれば良い。
なお本体部２の靭性としては高ければ高いほど良いが、
一般に焼入れ・焼戻しした調質処理材では靭性が高くな
ると強度が低くなる。過酷環境での実機使用時に本体部
２に損傷を生じないためには、本体部２の中心部の硬度
（強度）はＨR Ｃで５３以上であれば良い。また長時間
の使用に耐えるためには衝突部３の靭性は前記したよう
に窒化処理後の表面（先端）から４０ｍｍの位置から採
取したＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値が１５
Ｊ／ｃｍ² 以上であれば良い。ところで、使用時の熱膨
張差による本体部２と衝突部３の長さ変化を吸収するた
めには、本体部２と衝突部３との間には空隙８を設けて
おけば良い。

【００３９】［衝突部素材鋼の化学組成］ 衝突部３に窒化処理後の表面（先端）から１０ｍｍの位
置および中心部での硬度がそれぞれＨR Ｃで５５以上と
５３以上の鋼材を用いれば、ピストンの使用時における
「へたり」の量は僅かでありまた「かえり」も極めて小
さいため、滑らかなピストンの動きを達成することがで
きる。しかし、前記したように衝突部３に硬い鋼素材を
用いるだけでは割れが生じてしまう。従って、実機に組
み込んで長時間使用することは難しいと推測される。そ
のため、長時間使用に対しては衝突部３の素材鋼に耐へ
たり性と耐衝撃性（耐割れ性）とを、換言すれば硬度と
靭性とを兼備させるように化学組成を限定することが好
ましい。

【００４０】以下に、ピストンの衝突部３に用いる鋼の
望ましい化学組成の限定理由を説明する。なお、「％」
は「質量％」を意味する。

【００４１】Ｃ： Ｃは所望の強度（硬度）を確保するのに有効な元素であ
るが、反面靭性を低下させる元素でもある。ピストン衝
突部おける硬度を確保して「へたり」による「かえり」
を抑制することでピストンの滑らかな動きを達成し、か
つ靭性の確保により激しい衝撃を吸収して耐割れ性を向
上させるためには、硬度と靭性のバランスが必要で、通
常の窒化処理後に最低限の硬度（表面（先端）から１０
ｍｍの位置および中心部での硬度がそれぞれＨR Ｃで５
５以上と５３以上）を得るためには、Ｃを０．７０％以
上含有させることが必要である。一方、０．９０％を超
えて含有させると靭性が著しく低下し、衝突部靭性とし
て窒化処理後の表面（先端）から４０ｍｍの位置から採
取したＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値が１５
Ｊ／ｃｍ² 以上を得ることができない。従って、長時間
使用の場合には、Ｃの含有量は０．７０〜０．９０％と
する。

【００４２】Ｓｉ： Ｓｉは鋼の脱酸に必要であるとともに、所定の強度（硬
度）を付与するのに必要な元素である。しかし、その含
有量が０．０５％未満では所望の効果が得られず、１．
５０％を超えると靭性が著しく劣化するようになり所定
の靭性を確保できない。従って、長時間使用のために
は、Ｓｉの含有量を０．０５〜１．５０％とする。

【００４３】Ｍｎ： Ｍｎは脱酸に必要であるとともに、焼入れ性を高めて硬
さと靭性を向上させる作用がある。しかし、その含有量
が０．３５％未満では所望の効果が得られず、２．００
％を超えるとかえって靭性が劣化し、所望の靭性が得ら
れない。このため、長時間使用の場合には、Ｍｎの含有
量は０．３５〜２．００％とする。

【００４４】Ｃｒ： Ｃｒは焼入れ性を高めて硬さと靭性を向上させる作用を
有している。また窒化特性を向上させ、更に、高温での
軟化抵抗を著しく向上させる作用をも有する。

【００４５】これらの作用は特に、ＭｏおよびＶとの複
合添加で大きく発揮される。しかし、その含有量が５．
０％未満では所望の効果が得られず、１０．０％を超え
て含有してもその効果は飽和し経済性を損なうことにな
る。従って、長時間使用のためには、Ｃｒの含有量を
５．０〜１０．０％とする。

【００４６】Ｍｏ： Ｍｏは焼入れ性を高めて硬さと靭性を向上させる。更
に、窒化特性の向上や高温での軟化抵抗を著しく向上さ
せるのに有効な元素である。特に、ＣｒおよびＶとの複
合添加でその効果が著しく大きくなる。しかし、その含
有量が１．００％未満では所望の効果が得られず、一
方、３．００％を超えて含有してもその効果は飽和し、
コストのみが上昇することになる。このため長時間使用
の場合には、Ｍｏの含有量は１．００〜３．００％とす
る。

【００４７】Ｖ： Ｖは強度と窒化特性を向上させる作用に加えて、特に、
ＣｒおよびＭｏとの複合添加で高温での軟化抵抗と靭性
を著しく向上させ、鋼に強靭性を付与する作用を有す
る。しかし、その含有量が０．３０％未満では所望の効
果が得られず、一方０．７０％を超えて含有してもその
効果は飽和し経済性を損なうことになる。

【００４８】従って、長時間使用のためには、Ｖの含有
量を０．３０〜０．７０％とする。

【００４９】Ｎｉ： 長時間使用に際して、Ｎｉは添加しなくても良い。添加
すれば強度と靭性を向上させる効果がある。この効果を
確実に得るには、Ｎｉは０．１％以上の含有量とするこ
とが好ましい。しかし、その含有量が１．００％を超え
ると被削性が劣化することとなる。従って、Ｎｉの含有
量は１．００％以下とする必要がある。

【００５０】Ｂ： 長時間使用に際して、Ｂも添加しなくても良い。添加す
れば焼入れ性が向上する効果がある。この効果を確実に
得るには、Ｂは０．０００５％以上の含有量とすること
が望ましい。しかし、その含有量が０．０１００％を超
えると、熱間加工性が低下する。従って、Ｂ含有量の上
限を０．０１００％とする。

【００５１】Ｎ： 長時間使用の場合でも、Ｎは含有させなくとも良い。し
かし、製鋼段階で完全に脱Ｎ処理を行うことは不可能で
あるし、また逆に、含有させれば窒化物を形成して結晶
粒を微細にし靭性を向上させる効果を有する。この靭性
向上に対する効果を確実に得るには、Ｎは０．００３０
％以上の含有量とすることが望ましい。

【００５２】しかし、その含有量が０．０２％を超える
と窒化物が凝集し、結晶粒が逆に粗大化して靭性を劣化
させることとなるので、Ｎ含有量の上限を０．０２％と
する。

【００５３】ｆｎ１： 適正量のＣｒ、ＭｏおよびＶを複合添加することによ
り、強度（硬度）と靭性および高温での軟化抵抗が著し
く向上する。既に述べたように［%X］を元素Ｘの含有量
とした時、耐へたり性と耐衝撃特性は、ｆｎ１＝(1/3)
［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］の値で整理でき、前記
ｆｎ１の値が４．０％未満の場合には良好な耐へたり性
と耐衝撃特性（強度と靭性）とを兼備することができな
い。すなわち、ピストン衝突部の表面（先端）から１０
ｍｍの位置および中心部での硬度がそれぞれＨR Ｃで５
５以上と５３以上、かつ表面（先端）から４０ｍｍの位
置から採取したＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃
値が１５Ｊ／ｃｍ² 以上という所望の硬度と靭性を兼備
できない。一方、この値が７．０％を超えると強靭性兼
備の効果は飽和し、経済性が損なわれるようになる。従
って、長時間使用の場合には、ｆｎ１の値は４．０〜
７．０％とする。

【００５４】本発明の耐へたり性に優れた土木建設機械
用強靭ピストンの衝突部に用いる鋼には、長時間使用の
場合には、上記の成分に加えて、更にＮｂ、Ｔｉ、Ａｌ
のうちの１種以上および／またはＳ、Ｐｂ、Ｔｅ、Ｂ
ｉ、Ｃａのうちの１種以上を含んでいても良い。これら
の合金元素の作用効果と望ましい含有量は下記の通りで
ある。

【００５５】Ｎｂ、ＴｉおよびＡｌ： Ｎｂ、ＴｉおよびＡｌは結晶粒を微細化し、靭性を向上
させる効果を有する。

【００５６】従って、Ｎｂ、ＴｉおよびＡｌは必要に応
じて添加しても良い。しかし、Ｎｂの場合には、０．０
０５％未満の含有量では所望の効果が得られず、０．０
５０％を超えて含有すると靭性の低下をきたして耐割れ
性の劣化を招く。一方、Ｔｉの場合には、０．０１％未
満の含有量では所望の効果が得られず、０．１０％を超
えて含有するとかえって結晶粒が粗大化し靭性の低下を
きたして耐割れ性の劣化を招く。更に、Ａｌの場合に
も、０．０１０％未満の含有量では所望の効果が得られ
ず、０．１００％を超えて含有するとかえって結晶粒が
粗大化し靭性の低下をきたして耐割れ性の劣化を招く。
従って、長時間使用に際して、上記の合金元素を１種以
上添加する場合には、Ｎｂ：０．００５〜０．０５０
％、Ｔｉ：０．０１〜０．１０％、Ａｌ：０．０１０〜
０．１００％の含有量とするのが良い。

【００５７】Ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、ＢｉおよびＣａ： Ｓ、Ｐｂ、Ｔｅ、ＢｉおよびＣａには被削性を向上する
作用がある。従って、特に接合部の機械加工を容易にす
る目的でＳ、Ｐｂ、Ｔｅ、ＢｉおよびＣａは必要に応じ
て添加しても良い。但し、Ｓの場合には０．００５％未
満の含有量では所望の効果が得られず、０．１００％を
超えて含有すると靭性の著しい低下をきたす。また、Ｐ
ｂの場合には、０．０１％未満の含有量では所望の効果
が得られず、０．３０％を超えて含有すると靭性の低下
をきたす。Ｔｅの場合には０．００５％未満の含有量で
は所望の効果が得られず、０．１００％を超えて含有す
ると熱間加工性が劣化する。一方、Ｂｉの場合は、０．
０１％未満の含有量では所望の効果が得られず、０．３
０％を超えて含有すると靭性が劣化する。更に、Ｃａの
場合にも、０．０００５％未満の含有量では所望の効果
が得られず、０．０１００％を超えて含有すると靭性の
低下をきたす。従って、長時間使用の場合に、これらの
合金元素を１種以上添加する場合は、Ｓ：０．００５〜
０．１００％、Ｐｂ：０．０１〜０．３０％、Ｔｅ：
０．００５〜０．１００％、Ｂｉ：０．０１〜０．３０
％およびＣａ：０．０００５〜０．０１００％の含有量
とするのが良い。

【００５８】［本体部と衝突部の組み合わせ方法］ 本体部と衝突部の組み合わせ（接合）には、冷し嵌めや
焼き嵌めを行ったり、接着剤を用いたりして適当な方法
を採用することができる。これらの方法のうち冷し嵌め
が最適で、この方法によれば実機で使用中に先端部が本
体部から抜け出ることはない。従って、より完全な組み
合わせを達成するためには前記の冷し嵌めを採用するこ
とが好ましい。この冷し嵌めは、例えば衝突部を０〜−
５０℃に冷却して収縮させた状態で本体部に設けた穴に
挿入すれば良い。なお本体部および／または衝突部には
挿入時の空気抜きのために、溝などを切り込んでおけば
良い。

【００５９】［ピストンの製造方法］ Ａ：本体部 JIS G 4102(1979)やJIS G 4105(1979)に規定されるよう
な通常の機械構造用合金鋼を通常の方法で溶製した後、
例えば、熱間で圧延または鍛造し、その後必要に応じて
焼準し、しかる後に通常の方法で所望の形状に機械加工
し、調質処理を行う。この後、一般には、耐摩耗性付与
のために通常の方法で窒化処理を施す。

【００６０】なお、調質処理において焼入れは８５０〜
９４０℃程度の温度に加熱後水や油で冷却すれば良く、
焼戻しはＡc1変態点以下の温度で、窒化処理などの最終
の熱処理を受けた後で所望のピストン本体部の靭性と硬
度の得られるような温度範囲、例えば５３０〜６００℃
程度の温度で行えば良い。焼戻し後の冷却は加速冷却や
放冷など適当な方法を選択すれば良い。更に、窒化処理
は５２５〜５３５℃程度の温度で行えば良い。

【００６１】Ｂ：衝突部 JIS G 4404(1983)に規定されるような通常の合金工具鋼
鋼材を通常の方法で溶製した後、例えば、熱間で圧延ま
たは鍛造し、その後焼鈍し、しかる後に通常の方法で所
望の形状に機械加工し、調質処理を行う。この後、耐摩
耗性付与のために通常の方法で窒化処理を施す。

【００６２】ところで上記した通常の合金工具鋼鋼材を
ピストン衝突部の素材とした場合には、既に述べたよう
に、実機に組み込んで長時間使用することは難しいと考
えられる。そのため、長時間使用に対しては前記の［衝
突部素材鋼の化学組成］の項で述べたところの、化学組
成を限定した鋼を用いることが好ましい。これらの鋼は
通常の方法で溶製された後、例えば、熱間で圧延または
鍛造され、その後必要に応じて焼鈍され、しかる後に通
常の方法で所望の形状に機械加工され、調質処理され
る。この後、耐摩耗性付与のために通常の方法で窒化処
理を施される。なお、調質処理において焼入れは１００
０〜１０５０℃程度の温度に加熱後油や空気で冷却すれ
ば良く、焼戻しはＡc1変態点以下の温度で、窒化処理な
どの最終の熱処理を受けた後で所望のピストン衝突部の
硬さと靭性が得られるような温度範囲、例えば、５３０
〜６００℃程度の温度で行えば良い。焼戻し後の冷却は
加速冷却や放冷など適当な方法を選択すれば良い。な
お、組織の安定化や残留応力除去の目的で、焼戻し処理
は２回以上実施することが好ましい。更に、窒化処理は
５２５〜５３５℃程度の温度で行えば良い。

【００６３】

【実施例】「実施例１」 表１に示すＳＮＣ６３１鋼、ＳＣＭ４４０鋼、ＳＫＤ１
１鋼およびＳＫＤ１２鋼を通常の方法により５００ｋｇ
試験炉を用いて溶製した。次いで、これらの鋼を通常の
方法によって１５０ｍｍφに鍛造した後、ＳＮＣ６３１
鋼とＳＣＭ４４０鋼は８５０℃で焼準し、またＳＫＤ１
１鋼とＳＫＤ１２鋼は８５０℃で焼鈍して、その後通常
の機械加工によって図３あるいは図５に示す形状に加工
した。

【００６４】ＳＮＣ６３１鋼とＳＣＭ４４０鋼は、図３
の一体物または図５の本体部６の寸法形状に機械加工し
た後、９３０℃で２時間加熱して水焼入れを行い、次い
で５３０℃で５時間の焼戻しを行って空冷する調質処理
を施した。この後、通常の方法により５３０℃で６０時
間の窒化処理を行って空冷処理し、更に、表面部の化合
物層を研削加工して除去した。

【００６５】ＳＫＤ１１鋼とＳＫＤ１２鋼は、図３の一
体物または図５の衝突部７の寸法形状に機械加工した後
１０３０℃で３０分加熱して空冷し、次いで５３０℃で
５時間の焼戻しを２回行った。なお焼戻し後の冷却は２
回とも空冷とした。この後、通常の方法によって５３０
℃で６０時間の窒化処理を行い、その後空冷処理し、更
に、表面部の化合物層を研削加工して除去した。

【００６６】図４の組み合わせタイプの試験片について
は、ＳＫＤ１１鋼とＳＫＤ１２鋼の先端の衝突部７を−
５０℃に冷却し収縮させた状態で、上記のＳＮＣ６３１
鋼とＳＣＭ４４０鋼の本体部６の穴に挿入して冷し嵌め
し、図４のように組み合わせた。

【００６７】このようにして作製した試験片を治具に固
定し、落錘型試験機を用いて高さ２ｍの位置からバウン
ド防止装置を付けたＳＫＤ１１鋼製の定盤の上に連続し
て１０００回自然落下させ、「へたり」量と割れを調査
した。「へたり」量は試験片長さの減少量を測定し、ま
た、割れについては目視で観察した後、割れ部を切断し
て割れ（クラック）の長さを測定した。その結果を表２
に示す。なお、表２には窒化処理後の本体部の中心部か
ら採取したＪＩＳ３号試験片での常温における衝撃値お
よび窒化処理後の衝突部の表面（先端）から１０ｍｍの
位置および中心部での硬度も併せて示した。

【００６８】ＳＮＣ６３１鋼とＳＣＭ４４０鋼を素材と
した一体物試験片（試験符号Ａ、Ｄ）には割れの発生は
認められなかったが大きな「へたり」が生じた。またＳ
ＫＤ１１鋼とＳＫＤ１２鋼を素材とした一体物試験片
（試験番号Ｇ、Ｈ）に生じた「へたり」はいずれも１．
２ｍｍと小さかったが本体部と先端の衝突部に割れ（ク
ラック）が発生した。一方、ＳＮＣ６３１鋼やＳＣＭ４
４０鋼を本体部６に使用しＳＫＤ１１鋼やＳＫＤ１２鋼
を先端の衝突部７に用いた組み合わせタイプの試験片
（試験番号Ｂ、Ｃ、ＥおよびＦ）においては、「へた
り」量は１．２〜１．３ｍｍと小さくまた本体部６に割
れは発生しなかった。しかしながら先端の衝突部７には
割れが認められた。

【００６９】この結果から、図２に示すようにピストン
１の構造を本体部２と先端の衝突部３とに分け、本体部
２と衝突部３にはそれぞれ高い靭性を有する鋼材と硬い
鋼材とを使い分ければ良いことが示唆される。

【００７０】「実施例２」 表３、４に示す化学組成を有する鋼を通常の方法により
３トン試験炉を用いて溶製した。表３における鋼１〜１
３は本発明の第２発明から第５発明の耐へたり性に優れ
た土木建設機械用強靭ピストンに関する鋼（以下、本発
明鋼という）であり、表４における鋼１４〜２６は成分
のいずれかが本発明の第２発明から第５発明で規定する
含有量の範囲から外れた鋼（以下、比較鋼という）であ
る。

【００７１】次いで、これらの本発明鋼および比較鋼を
通常の方法によって１５０ｍｍφに鍛造した後、８５０
℃で焼鈍して、その後通常の機械加工によって図５の衝
突部７の形状に加工した。その後これらの供試鋼材を、
１０３０℃で３０分加熱して空冷し、次いで５３０℃で
５時間の焼戻しを２回行った。なお焼戻し後の冷却は２
回とも空冷とした。この後、５３０℃で６０時間の窒化
処理を行って空冷処理し、更に、表面部の化合物層を研
削加工して除去した。

【００７２】一方、表５に示す化学組成を有するＳＣＭ
４４０鋼を転炉溶製した後、「実施例１」で述べたのと
全く同じ方法で図５の本体部６を作製した。

【００７３】上記のようにして得られた窒化処理後の衝
突部７を−５０℃に冷却し収縮させた状態で、ＳＣＭ４
４０鋼の本体部６の穴に挿入して冷し嵌めし、図４のよ
うに組み合わせた。

【００７４】このようにして作製した試験片を治具に固
定し、落錘型試験機を用いて高さ２ｍの位置からバウン
ド防止装置を付けたＳＫＤ１１鋼製の定盤の上に連続し
て１０００回自然落下させ、「へたり」量と割れを調査
した。「へたり」量は試験片長さの減少量を測定し、ま
た、割れについては目視で観察した後、割れ部を切断し
割れ（クラック）の長さを測定した。その結果を表６、
７に示す。なお、表６、７には窒化処理後の衝突部の表
面（先端）から１０ｍｍの位置および中心部での硬度と
表面（先端）から４０ｍｍの位置から採取したＪＩＳ３
号試験片での常温における衝撃値も併せて示した。

【００７５】本発明鋼である鋼１〜１３の衝突部におい
ては「へたり」量はいずれも１．２〜１．６ｍｍと小さ
く、また割れや「欠け」は生じておらず良好な状態にあ
った（表６参照）。

【００７６】これに対して、比較鋼である鋼１４〜２６
では、「へたり」量が２ｍｍを超えるか、割れまたは割
れと「欠け」が生じていた（表７参照）。

【００７７】「実施例３」 前記の表３および表４に記載した鋼１（本発明鋼）、鋼
１５および２６（比較鋼）を衝突部の素材として、また
表５に記載したＳＣＭ４４０鋼を本体部の素材として、
「実施例２」に記載したのと同様の方法で、油圧ショベ
ルの油圧ブレーカ用の図１のタイプのピストンを各々５
個ずつ製作し、実機に組み込んで１００時間のフィール
ドテストを行った。

【００７８】実機によるフィールドテストの結果、本発
明鋼である鋼１を衝突部に用いたピストンはいずれも耐
へたり性、耐割れ性とも問題はなく、１００時間の実機
使用後も健全な状態であった。他方、比較鋼である鋼１
５および２６を衝突部に用いたピストンは耐へたり性と
耐割れ性のいずれかまたは両方に問題があり、全て１０
０時間に達する前に「へたり」による「かえり」や割れ
が生じ、製品寿命は短いものであった。

【００７９】

【表１】

【００８０】

【表２】

【００８１】

【表３】

【００８２】

【表４】

【００８３】

【表５】

【００８４】

【表６】

【００８５】

【表７】

【００８６】

【発明の効果】本発明によれば、油圧ショベルの油圧ブ
レーカ内部に組み込まれるピストンなど、耐へたり性に
優れた土木建設機械用強靭ピストンを容易に得ることが
可能で、産業上の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の組み合わせタイプのピストンを説明す
る断面図である。

【図２】油圧ショベルの油圧ブレーカ内部に組み込まれ
たピストンに生じる「へたり」による「かえり」および
割れの状態を示す説明図である。

【図３】落錘型試験機を用いた落下試験に供した一体物
試験片の説明図である。

【図４】落錘型試験機を用いた落下試験に供した組み合
わせタイプ試験片を説明する断面図である。

【図５】落錘型試験機を用いた落下試験に供した組み合
わせタイプ試験片の、本体部と衝突部の説明図である。

【符号の説明】

１：ピストン、２：（ピストンの）本体部、３：（ピス
トン先端の）衝突部、４：「へたり」による「かえ
り」、５：割れ、８：空隙、６：（組み合わせタイプ試
験片の）本体部、７：（組み合わせタイプ試験片の）衝
突部、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中里 福和 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住 友金属工業株式会社小倉製鉄所内 (72)発明者 坂本 雅紀 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住 友金属工業株式会社小倉製鉄所内 (72)発明者 鎌田 芳彦 福岡県北九州市小倉北区許斐町１番地住 友金属工業株式会社小倉製鉄所内 (56)参考文献 特開 昭59−179762（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−115545（ＪＰ，Ａ) 実開 昭64−49653（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭39−6975（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】異なった鋼材質の高靭性本体部と高硬度衝
   突部との鋼からなり、その衝突部が質量％で、Ｃ：０．
   ７０〜０．９０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍ
   ｎ：０．３５〜２．００％、Ｃｒ：５．０〜１０．０
   ％、Ｍｏ：１．００〜３．００％、Ｖ：０．３０〜０．
   ７０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．０１００
   ％、Ｎ：０．０２％以下であり、残部はＦｅおよび不可
   避不純物からなり、かつ、下記ｆｎ１の値が４．００〜
   ７．００％であって、窒化処理が施されている耐へたり
   性に優れた土木建設機械用強靭ピストン。 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。
2. 【請求項２】異なった鋼材質の高靭性本体部と高硬度衝
   突部との鋼からなり、その衝突部が質量％で、Ｃ：０．
   ７０〜０．９０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍ
   ｎ：０．３５〜２．００％、Ｃｒ：５．０〜１０．０
   ％、Ｍｏ：１．００〜３．００％、Ｖ：０．３０〜０．
   ７０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．０１００
   ％、Ｎ：０．０２％以下であり、ならびに０．００５〜
   ０．０５０％のＮｂ、０．０１〜０．１０％のＴｉおよ
   び０．０１０〜０．１００％のＡｌのうちの１種以上を
   含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、か
   つ、下記ｆｎ１の値が４．００〜７．００％であって、
   窒化処理が施されている耐へたり性に優れた土木建設機
   械用強靭ピストン。 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。
3. 【請求項３】異なった鋼材質の高靭性本体部と高硬度衝
   突部との鋼からなり、その衝突部が質量％で、Ｃ：０．
   ７０〜０．９０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍ
   ｎ：０．３５〜２．００％、Ｃｒ：５．０〜１０．０
   ％、Ｍｏ：１．００〜３．００％、Ｖ：０．３０〜０．
   ７０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．０１００
   ％、Ｎ：０．０２％以下であり、ならびに０．００５〜
   ０．１００％のＳ、０．０１〜０．３０％のＰｂ、０．
   ００５〜０．１００％のＴｅ、０．０１〜０．３０％の
   Ｂｉおよび０．０００５〜０．０１００％のＣａのうち
   の１種以上を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物か
   らなり、かつ、下記ｆｎ１の値が４．００〜７．００％
   であって、窒化処理が施されている耐へたり性に優れた
   土木建設機械用強靭ピストン。 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。
4. 【請求項４】異なった鋼材質の高靭性本体部と高硬度衝
   突部との鋼からなり、その衝突部が質量％で、Ｃ：０．
   ７０〜０．９０％、Ｓｉ：０．０５〜１．５０％、Ｍ
   ｎ：０．３５〜２．００％、Ｃｒ：５．０〜１０．０
   ％、Ｍｏ：１．００〜３．００％、Ｖ：０．３０〜０．
   ７０％、Ｎｉ：０〜１．００％、Ｂ：０〜０．０１００
   ％、Ｎ：０．０２％以下であり、ならびに０．００５〜
   ０．０５０％のＮｂ、０．０１〜０．１０％のＴｉおよ
   び０．０１０〜０．１００％のＡｌのうちの１種以上、
   さらに０．００５〜０．１００％のＳ、０．０１〜０．
   ３０％のＰｂ、０．００５〜０．１００％のＴｅ、０．
   ０１〜０．３０％のＢｉおよび０．０００５〜０．０１
   ００％のＣａのうちの１種以上を含有し、残部はＦｅお
   よび不可避不純物からなり、かつ、下記ｆｎ１の値が
   ４．００〜７．００％であって、窒化処理が施されてい
   る耐へたり性に優れた土木建設機械用強靭ピストン。 ｆｎ１＝(1/3) ［%Cr ］+(2/3)［%Mo ］+2［%V］ 但し、［%X］は元素Ｘの質量％である。