JP5371084B2 - 円柱状部品の熱処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、円柱状部品、とりわけ、大型（大径）の円柱状部品の熱処理方法に関する。ここで、「円柱状部品」には、例えば建設機械の無限軌道帯（履帯）の構成部品であるピンが含まれる。ただし、「円柱状部品」はピンに限るものではなく、また、大型の部品（ピンであれば大径のピン）に限定されるものでもない。
油圧ショベルやブルドーザー等の建設機械に用いられる履帯１０（図８参照）は、図９に示すように、リンク１、履板２、ピン３、ブッシュ４を有している。
図１０において、履帯用のピン３のような円柱状部品では、外周表面部（外周表面およびその近傍）３１には曲げ応力とねじれ応力に耐えるための強度および耐摩耗性が要求され、芯部３２にはせん断応力に耐えるための強度および靭性が要求される。
図１０において、履帯用のピン３のような円柱状部品では、外周表面部（外周表面およびその近傍）３１には曲げ応力とねじれ応力に耐えるための強度および耐摩耗性が要求され、芯部３２にはせん断応力に耐えるための強度および靭性が要求される。
これらの要求品質をすべて満足させるための履帯用ピンの熱処理方法として、従来から種々の方法が提案されている。
例えば、低炭素合金鋼を素材とし、「浸炭焼入れ」を行い、次に「低温焼もどし」を施す方法が存在する。係る方法（浸炭焼入れ方法）によれば、ＳＣＭ４１５またはＳＣＭ４２０等の低炭素合金鋼を素材とし、これに浸炭を施して外周表面部のみ高炭素合金鋼とし、その後、焼入れおよび低温焼もどしを施している。
しかし、浸炭焼入れ方法によれば、ピンの耐摩耗性および強度を向上するためには浸炭硬化層を深く、浸炭時間を長くする必要があり、コストが嵩むという問題がある。それと共に、浸炭ガスの大量使用等も、コスト高騰を惹起する。
例えば、低炭素合金鋼を素材とし、「浸炭焼入れ」を行い、次に「低温焼もどし」を施す方法が存在する。係る方法（浸炭焼入れ方法）によれば、ＳＣＭ４１５またはＳＣＭ４２０等の低炭素合金鋼を素材とし、これに浸炭を施して外周表面部のみ高炭素合金鋼とし、その後、焼入れおよび低温焼もどしを施している。
しかし、浸炭焼入れ方法によれば、ピンの耐摩耗性および強度を向上するためには浸炭硬化層を深く、浸炭時間を長くする必要があり、コストが嵩むという問題がある。それと共に、浸炭ガスの大量使用等も、コスト高騰を惹起する。
また、中炭素合金鋼を素材とし、「全体加熱焼入れ」を行い、次に「低温焼もどし」を施す方法が存在する。詳細には、炭素含有量が０．３〜０．５質量％の中炭素合金鋼を素材とし、ピンの外周表面から芯部までの全体をＡｃ３変態点以上の温度に加熱し、急冷して焼入れし、その後、低温焼もどしを施している。
しかし、係る従来技術では、ピンの硬化層深さは、素材の焼入れ性やピンの直径等によって決まってしまうので、焼入れ性の低い素材を使用すると、必要な耐摩耗性および強度が得られなくなる。一方、焼入れ性の高い素材を使用すると、硬化層深さが深くなりすぎ、外周表面の圧縮残留応力が低くなり、ピンの破壊靭性および疲労強度が低くなるという問題がある。
しかし、係る従来技術では、ピンの硬化層深さは、素材の焼入れ性やピンの直径等によって決まってしまうので、焼入れ性の低い素材を使用すると、必要な耐摩耗性および強度が得られなくなる。一方、焼入れ性の高い素材を使用すると、硬化層深さが深くなりすぎ、外周表面の圧縮残留応力が低くなり、ピンの破壊靭性および疲労強度が低くなるという問題がある。
履帯用ピンの熱処理方法の従来技術として、さらに、中炭素合金鋼を素材とし、「全体加熱焼入れ」を行い、「全体加熱高温焼もどし」を行い、「外周表面部の高周波焼入れ」を行い、最後に「低温焼もどし」を施す方法が存在する。詳細には、炭素含有量が０．３〜０．５質量％の中炭素合金鋼を素材とし、ピンの外周表面から芯部までの全体をＡｃ３変態点以上の温度に加熱し、急冷して焼入れした後、ピンの外周表面から芯部までの全体を高温焼もどしして、ピン全体のミクロ組織をソルバイト組織にする。その後、ピンの外周表面部に高周波焼入れを施し、そして、低温焼もどしを施す。
ここで、「全体加熱焼入れ」と「全体加熱高温焼もどし」の２工程を合わせて「素地調質（工程）」という。大型のピン（大径のピン：直径が概ね５０ｍｍ以上のピン）は、この方法によって熱処理が行われている。
ここで、「全体加熱焼入れ」と「全体加熱高温焼もどし」の２工程を合わせて「素地調質（工程）」という。大型のピン（大径のピン：直径が概ね５０ｍｍ以上のピン）は、この方法によって熱処理が行われている。
図１１は、中炭素合金鋼の一例であるＳＣＭ４４０の組成（質量％）を表として示している。
以下、ＳＣＭ４４０を素材とするピンを「ピンＡ」と表現する。なお、ピンＡの長さは３７０ｍｍ、直径は７０ｍｍである。
以下、ＳＣＭ４４０を素材とするピンを「ピンＡ」と表現する。なお、ピンＡの長さは３７０ｍｍ、直径は７０ｍｍである。
図１２〜図１５は、ピンＡに、前記従来技術（全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う従来技術）を施した場合において、各熱処理工程におけるピンの断面における硬さ分布（外周表面から中心部までの硬さ分布）を示している。
図１２〜図１５において、横軸はピンＡの外周表面からの距離を示し、縦軸はロックウェル硬さを示している。
図１２〜図１５において、横軸はピンＡの外周表面からの距離を示し、縦軸はロックウェル硬さを示している。
図１２は、全体加熱焼入れ工程の後における硬さ分布を示している。図１２で示すように、全体加熱焼入れ工程の後、ピンの外周表面部（外周表面近傍）の硬さはＨＲＣ５５程度で、芯部（ピンの中心近傍の領域：ピンの中心から半径方向所定距離の範囲）では、ＨＲＣ５０程度である。
図１３は、全体加熱高温焼もどし工程の後における硬さ分布を示している。図１３では、高温焼もどしによってピンの外周表面部の硬さはＨＲＣ４０程度まで低下する。また、中心を含む芯部では、ＨＲＣ３０程度となっている。
図１３は、全体加熱高温焼もどし工程の後における硬さ分布を示している。図１３では、高温焼もどしによってピンの外周表面部の硬さはＨＲＣ４０程度まで低下する。また、中心を含む芯部では、ＨＲＣ３０程度となっている。
図１４は、高周波焼入れ工程後の硬さ分布を示している。図１４において、ピンの外周表面部の硬さは、高周波焼入れのためＨＲＣ６０程度に上昇している。ピンの芯部ではＨＲＣ３０程度のままである。そして、ピンの外周表面部と芯部との間の領域で、急激に硬さが低下する領域Ｂ２が存在している。
図１５は、低温焼もどし工程の後における硬さ分布を示している。図１５で示すように、低温焼もどしのために外周表面部の硬さがやや下がり、ＨＲＣ５５程度となる。
図１５は、低温焼もどし工程の後における硬さ分布を示している。図１５で示すように、低温焼もどしのために外周表面部の硬さがやや下がり、ＨＲＣ５５程度となる。
全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う上述の従来技術は、４工程を行うため、リードタイムが長くなり、全体の処理時間が長くなるという問題がある。
また、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するためには焼入れ性の高い素材を使用する必要があり、そのような素材は価格が高いので、コストアップにつながってしまう。
さらに、必要な芯部硬さ（素地硬さ）が得られないと、過大なせん断応力が負荷された際に、折損する可能性がある。
また、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するためには焼入れ性の高い素材を使用する必要があり、そのような素材は価格が高いので、コストアップにつながってしまう。
さらに、必要な芯部硬さ（素地硬さ）が得られないと、過大なせん断応力が負荷された際に、折損する可能性がある。
その他の従来技術として、所定の配合の鋼材に高周波焼入れを２回施す熱処理方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、係る従来技術（特許文献１）では、二次焼入れ硬化層深さが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ程度であり、履帯用ピンに要求される耐摩耗性を充足させることができない、という問題が存在する。
特開平７−１１８７９１号公報
しかし、係る従来技術（特許文献１）では、二次焼入れ硬化層深さが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ程度であり、履帯用ピンに要求される耐摩耗性を充足させることができない、という問題が存在する。
本発明は上述したような従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、円柱状部品、とりわけ、大型（大径）の円柱状部品の熱処理方法であって、従来の方法に比較して、生産性が高く、コストを低減することができ、品質の向上を可能にする円柱状部品の熱処理方法の提供を目的としている。
本発明の無限軌道帯用ピンの熱処理方法は、中炭素合金鋼から成る無限軌道帯用ピン（３）の熱処理方法において、該熱処理方法は、焼入れ工程（Ｓ１）と、該焼入れ工程の後に施される焼もどし工程（Ｓ２）とを有し、前記焼入れ工程（Ｓ１）は、焼入れ第１工程（Ｓ１１）と、焼入れ第１工程の後に施される焼入れ第２工程（Ｓ１２）とを有し、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）は前記無限軌道帯用ピン（３）の外周表面（３１ｆ）から芯部（３２）までの前記無限軌道帯用ピン（３）の全体をＡｃ３変態点以上の温度に加熱して焼入れする工程であり、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）は前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）で焼入れされた前記無限軌道帯用ピン（３）の外周表面部（３１）のみをＡｃ３変態点以上の温度に誘導加熱して焼入れする工程であり、前記焼もどし工程（Ｓ２）は、前記焼入れ工程で（Ｓ１）焼入れされた前記無限軌道帯用ピン（３）を低温焼もどしする工程であり、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）における外周表面部（３１）の深さ（ｔ）が、無限軌道帯用ピンの半径（Ｒ）の１／１０以上で、無限軌道帯用ピンの半径（Ｒ）の１／２以下であり、外周表面部（３１）と芯部（３２）の境界部分（Ｂ１）よりも外周表面部（３１）側の領域の方が境界部分（Ｂ１）よりも芯部（３２）側の領域よりも硬く、当該境界部分（Ｂ１）近傍で硬さが急激に低下しており、外周表面部（３１）と芯部（３２）の境界部分（Ｂ１）と中心との間の領域における硬さがＨＲＣ３２〜４０程度であり、最大せん断力に対する強度を増加し、軸方向の圧縮残留応力を大きくして、曲げ強度を高くすることを特徴としている（請求項１）。
ここで、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）における「外周表面部（３１）」とは、円柱状部品（３）の外周表面（３１ｆ）のみならず、外周表面（３１ｆ）から半径方向内方（深さ方向）の一定の領域を含んでいる。換言すれば、外周表面（３１ｆ）から有効硬化層深さ（ｔ）だけ半径方向内方の領域が、「外周表面部」（３１）である。
「有効硬化層深さ（ｔ）」とは、有効硬化層の厚さ（深さ：半径方向寸法）であり、円柱状部品（３）の「外周表面」（３１ｆ）から「有効硬さ位置」（３１ｆｆ）までの距離である。
「有効硬化層」は、焼入れ第２工程後に有効硬さ以上になる領域（範囲）である。「有効硬さ」は、硬化した（焼入れされた）とみなされる硬さであり、本明細書では、「８０％マルテンサイト硬さ（ＨＲＣ４５）を以って硬化した（焼入れされた）とみなしている。
「有効硬さ位置」（３１ｆｆ）は、「有効硬さ（ＨＲＣ４５）」になる位置（外周表面３１ｆからの深さ）である。
有効硬化層深さ（ｔ）は、必要な耐摩耗性を確保するために、３ｍｍ以上であるのが望ましい。
「有効硬化層深さ（ｔ）」とは、有効硬化層の厚さ（深さ：半径方向寸法）であり、円柱状部品（３）の「外周表面」（３１ｆ）から「有効硬さ位置」（３１ｆｆ）までの距離である。
「有効硬化層」は、焼入れ第２工程後に有効硬さ以上になる領域（範囲）である。「有効硬さ」は、硬化した（焼入れされた）とみなされる硬さであり、本明細書では、「８０％マルテンサイト硬さ（ＨＲＣ４５）を以って硬化した（焼入れされた）とみなしている。
「有効硬さ位置」（３１ｆｆ）は、「有効硬さ（ＨＲＣ４５）」になる位置（外周表面３１ｆからの深さ）である。
有効硬化層深さ（ｔ）は、必要な耐摩耗性を確保するために、３ｍｍ以上であるのが望ましい。
ここで、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱は誘導加熱であるのが好ましい（請求項２）。
あるいは、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱は炉中加熱であるのが好ましい（請求項３）。
あるいは、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱は炉中加熱であるのが好ましい（請求項３）。
そして、前記円柱状部品（３）の直径は５０ｍｍ以上であるのが好ましい。
但し、前記円柱状部品（３）の直径が５０ｍｍ未満であっても、本発明を適用することが可能である。
但し、前記円柱状部品（３）の直径が５０ｍｍ未満であっても、本発明を適用することが可能である。
上述する構成を具備する本発明によれば、円柱状部品（３）の熱処理が４工程から３工程に削減されるので、生産性が向上し、製造コストが低減する。
また、第２工程（Ｓ１２）では外周表面部（３１）のみが焼入れ硬化するので、外周表面部（３１）に高い圧縮の残留応力が付与され、円柱状部品（３）の疲労強度が向上する。
さらに、従来の方法によるものと比べて、ピンの横断面における最大せん断応力となる位置近傍の硬さが高くなるので、過大なせん断応力が負荷されても折損を防止することができる。そのため、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するために焼入れ性の高い素材を使用する必要がなくなり、使用するべき素材として合金元素の添加（量）が少ない素材の使用が可能になり、素材調達のコストが低減する。
また、第２工程（Ｓ１２）では外周表面部（３１）のみが焼入れ硬化するので、外周表面部（３１）に高い圧縮の残留応力が付与され、円柱状部品（３）の疲労強度が向上する。
さらに、従来の方法によるものと比べて、ピンの横断面における最大せん断応力となる位置近傍の硬さが高くなるので、過大なせん断応力が負荷されても折損を防止することができる。そのため、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するために焼入れ性の高い素材を使用する必要がなくなり、使用するべき素材として合金元素の添加（量）が少ない素材の使用が可能になり、素材調達のコストが低減する。
本発明において、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱が誘導加熱であれば（請求項２）、焼入れ工程（Ｓ１）の連続化が可能になる。
一方、本発明において、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱が炉中加熱であれば（請求項３）、焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱に関するコストが低減する。
一方、本発明において、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱が炉中加熱であれば（請求項３）、焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱に関するコストが低減する。
また本発明において、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）における外周表面部（３１）の深さ（ｔ：有効硬化層深さ）が円柱状部品（３）の半径（Ｒ）の１／１０以上で、円柱状部品（３）の半径（Ｒ）の１／２以下に設定すれば（請求項４）、有効硬化層深さ（ｔ）が小さ過ぎてピン（３）が早期に摩耗することがなく、有効硬化層深さ（ｔ）が大き過ぎて、ピン（３）外周表面の圧縮残留応力が小さくなってしまうこともない。
なお本発明において、製造される円柱状部品（３）が、たとえば、無限軌道帯用ピンであってもよいし、無限軌道帯用ピン以外の部品にも適用できる。
加えて、本発明によれば、製造される無限軌道帯用ピン（３）の直径が５０ｍｍ以上への適用を推奨するが、無限軌道帯用ピン（３）の直径は５０ｍｍ未満のものにも適用可能である。
加えて、本発明によれば、製造される無限軌道帯用ピン（３）の直径が５０ｍｍ以上への適用を推奨するが、無限軌道帯用ピン（３）の直径は５０ｍｍ未満のものにも適用可能である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
本発明に係る円柱状部品の熱処理方法の実施形態を説明するため、円柱状部品として、例えば、油圧ショベルやブルドーザー等の建設機械の無限軌道帯（履帯）１０（図８参照）の構成部品である履帯用ピンを例示して、説明する。ただし、円柱状部品は、履帯用ピン（以下、「ピン」と記載する。）に限るものではない。
本発明に係る円柱状部品の熱処理方法の実施形態を説明するため、円柱状部品として、例えば、油圧ショベルやブルドーザー等の建設機械の無限軌道帯（履帯）１０（図８参照）の構成部品である履帯用ピンを例示して、説明する。ただし、円柱状部品は、履帯用ピン（以下、「ピン」と記載する。）に限るものではない。
また、本願発明の方法では直径が５０ｍｍ以上の大型ピンを例示しているが、本願発明の方法に係る円柱状部品の熱処理方法は、小型、中型のピンにも適用することが可能である。
ここで、小型ピンとは直径が３０ｍｍ未満のものを意味しており、中型ピンとは直径が３０ｍｍ以上で５０ｍｍ未満のものを意味しており、大型ピンとは直径が５０ｍｍ以上のものを意味している。
ここで、小型ピンとは直径が３０ｍｍ未満のものを意味しており、中型ピンとは直径が３０ｍｍ以上で５０ｍｍ未満のものを意味しており、大型ピンとは直径が５０ｍｍ以上のものを意味している。
上述したように、建設機械の履帯１０（図８）は、図９に示すように、１対のリンク１、履板２、ピン３、ブッシュ４から成るユニットが、連続的に連結されて構成されている。
そして、履帯用のピン３（図１０参照）において、外周表面部（外周表面３１ｆから有効硬さ位置３１ｆｆまでの深さがｔの範囲）３１には、曲げ応力とねじれ応力に耐えるための強度および耐摩耗性、すなわち、硬さが要求される。一方、芯部（外周表面部３１を除く部分）３２には、せん断応力に耐えるための強度および靭性が要求される。
本願発明の方法では、外周表面部３１に要求される硬さと、芯部３２に要求されるせん断強度および靭性を熱処理によって獲得するために、中炭素合金鋼から成る素材に熱処理を施すのである。
そして、履帯用のピン３（図１０参照）において、外周表面部（外周表面３１ｆから有効硬さ位置３１ｆｆまでの深さがｔの範囲）３１には、曲げ応力とねじれ応力に耐えるための強度および耐摩耗性、すなわち、硬さが要求される。一方、芯部（外周表面部３１を除く部分）３２には、せん断応力に耐えるための強度および靭性が要求される。
本願発明の方法では、外周表面部３１に要求される硬さと、芯部３２に要求されるせん断強度および靭性を熱処理によって獲得するために、中炭素合金鋼から成る素材に熱処理を施すのである。
ここで、中炭素合金鋼とは、中炭素鋼にＭｎ、Ｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の合金元素を添加したものをいう。これらの合金元素の添加目的は、焼入れ性向上、耐摩耗性向上、靭性向上等である。
また、中炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．３０以上０．５０以下のものを言う。ちなみに、低炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．３０未満のものを言い、高炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．５０を超えるものを言う。
また、中炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．３０以上０．５０以下のものを言う。ちなみに、低炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．３０未満のものを言い、高炭素鋼とは、炭素含有量が質量％で０．５０を超えるものを言う。
本願発明の方法では、大型ピン３は、機械加工完了後、図１に示す工程に従って製造される。
図２は、本願発明の方法を、図１２〜図１５を参照して説明した従来技術（全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う従来技術）に対比させて示している。より詳細には、図２では、本願発明の方法における各工程（製造プロセス）における断面の金属組織を、図１２〜図１５の従来技術における断面の金属組織と比較して模式的に示している。
それと共に図２では、図３〜図５および図１２〜図１５を参照することにより、図示の実施形態における各工程（製造プロセス）における断面の硬さ分布と、図１２〜図１５の従来技術における断面の硬さ分布とを比較することを企図している。
図２は、本願発明の方法を、図１２〜図１５を参照して説明した従来技術（全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う従来技術）に対比させて示している。より詳細には、図２では、本願発明の方法における各工程（製造プロセス）における断面の金属組織を、図１２〜図１５の従来技術における断面の金属組織と比較して模式的に示している。
それと共に図２では、図３〜図５および図１２〜図１５を参照することにより、図示の実施形態における各工程（製造プロセス）における断面の硬さ分布と、図１２〜図１５の従来技術における断面の硬さ分布とを比較することを企図している。
図１において、「機械加工完了品」なる文言で示す工程では、中炭素合金鋼から成る素材（棒鋼）に機械加工等を施して、大型ピン３に成形する。ピン３の素材はＳＣＭ４４０であり、前記したように、その成分（質量％）は図１１で示されている。
次に、ピン３を全体焼入れ装置２０に搬入し、ピン３に対して焼入れ第１工程Ｓ１１を施す。明確には図示されていないが、全体焼入れ装置２０は、加熱手段（加熱炉あるいは誘導加熱装置）と冷却装置とを有している。先ず、全体焼入れ装置２０の加熱手段により、ピン３の全体（図１０における外周表面３１ｆから芯部３２に至る全ての領域）を、Ａｃ３変態点以上の温度に加熱する。
全体焼入れ装置２０による加熱は誘導加熱によって行なってもよいし、加熱炉内で行なってもよい。
加熱を加熱炉内で行う場合には、その加熱源（エネルギー）として、重油、軽油、灯油等の化石燃料または電気が用いられる。
全体焼入れ装置２０による加熱は誘導加熱によって行なってもよいし、加熱炉内で行なってもよい。
加熱を加熱炉内で行う場合には、その加熱源（エネルギー）として、重油、軽油、灯油等の化石燃料または電気が用いられる。
ワークのＡｃ３変態点（特定の温度）は、ワークの化学成分によって決まり、概略、次式で示される。
Ａｃ３（℃）＝９０８−２２４×Ｃ（％）＋３０×Ｓｉ（％）
−３４×Ｍｎ（％）＋４３９×Ｐ（％）−２３×Ｎｉ（％）
中炭素合金鋼では、Ａｃ３変態点は、加熱炉内での加熱の場合、概略８００℃程度（７８０〜８２０℃）である。図示しない誘導加熱（急速加熱）の場合には、Ａｃ３変態点は、加熱炉内での加熱の場合よりも１００℃程度高くなる。
Ａｃ３（℃）＝９０８−２２４×Ｃ（％）＋３０×Ｓｉ（％）
−３４×Ｍｎ（％）＋４３９×Ｐ（％）−２３×Ｎｉ（％）
中炭素合金鋼では、Ａｃ３変態点は、加熱炉内での加熱の場合、概略８００℃程度（７８０〜８２０℃）である。図示しない誘導加熱（急速加熱）の場合には、Ａｃ３変態点は、加熱炉内での加熱の場合よりも１００℃程度高くなる。
焼入れ第１工程Ｓ１１を誘導加熱装置によって加熱する場合、ワークの外周表面３１ｆから芯部３２に至るすべての領域がＡｃ３変態点以上の温度に加熱されるように、図示しない発振機の周波数を選定する必要がある。
ここで、周波数ｆ（ｋＨｚ）と加熱深さｄ（ｍｍ）との間には、
ｄ＝（２５０／ｆ）１／２
なる関係がある。係る関係に従って、周波数ｆを適宜設定することにより、ピン３の断面全領域をＡｃ３変態点以上の温度に加熱することができる。
ここで、周波数ｆ（ｋＨｚ）と加熱深さｄ（ｍｍ）との間には、
ｄ＝（２５０／ｆ）１／２
なる関係がある。係る関係に従って、周波数ｆを適宜設定することにより、ピン３の断面全領域をＡｃ３変態点以上の温度に加熱することができる。
全体加熱焼入れ装置２０によりピン３の全体がＡｃ３変態点以上の温度に加熱されたならば、加熱を停止し、ワークの外周表面３１ｆの温度がＡｒ３変態点まで下がる前に、全体焼入れ装置２０の図示しない冷却装置により冷却を開始して焼入れする。
Ａｒ３変態点は、中炭素合金鋼の場合、Ａｃ３変態点より１００℃程度低い温度になる。
焼入れの際に使用する冷却液（冷却手段）としては、水、水溶性焼入れ液、油等がある。コスト面、環境面を考慮すると、冷却液として水を使用することが望ましい。
Ａｒ３変態点は、中炭素合金鋼の場合、Ａｃ３変態点より１００℃程度低い温度になる。
焼入れの際に使用する冷却液（冷却手段）としては、水、水溶性焼入れ液、油等がある。コスト面、環境面を考慮すると、冷却液として水を使用することが望ましい。
全体加熱焼入れ装置２０によりピン３を焼入れし、焼入れ第１工程Ｓ１１が完了したならば、部分加熱焼入れ装置３０に搬入する。明確には図示されていないが、部分加熱焼入れ装置３０は、誘導加熱装置と冷却装置とを有している。そして、ピン３に高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２を施す。
この高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２では、焼入れ第１工程Ｓ１１で焼入れされたピン３の外周表面部３１のみを、Ａｃ３変態点以上の温度に誘導加熱する。換言すれば、焼入れ第１工程Ｓ１１ではピン３の断面全領域をＡｃ３変態点以上の温度に加熱したが、焼入れ第２工程Ｓ１２ではピン３の外周表面部３１のみをＡｃ３変態点以上の温度に加熱する。
焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱は全体加熱であるのに対し、焼入れ第２工程Ｓ１２の加熱は、外周表面部３１のみを加熱するので、いわゆる部分加熱である。外周表面部３１のみの加熱（いわゆる部分加熱）を行うために、焼入れ第２工程Ｓ１２における加熱は、誘導加熱（例えば高周波誘導電源による加熱）によらなければならない。
この高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２では、焼入れ第１工程Ｓ１１で焼入れされたピン３の外周表面部３１のみを、Ａｃ３変態点以上の温度に誘導加熱する。換言すれば、焼入れ第１工程Ｓ１１ではピン３の断面全領域をＡｃ３変態点以上の温度に加熱したが、焼入れ第２工程Ｓ１２ではピン３の外周表面部３１のみをＡｃ３変態点以上の温度に加熱する。
焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱は全体加熱であるのに対し、焼入れ第２工程Ｓ１２の加熱は、外周表面部３１のみを加熱するので、いわゆる部分加熱である。外周表面部３１のみの加熱（いわゆる部分加熱）を行うために、焼入れ第２工程Ｓ１２における加熱は、誘導加熱（例えば高周波誘導電源による加熱）によらなければならない。
ここで、外周表面部３１とは、図１０に示すように、ピン３の外周表面３１ｆのみならず、その近傍をも含む一定の深さｔ（有効硬化層深さ）を有する領域である。
「有効硬化層深さｔ」は「有効硬化層の厚さ（深さ：半径方向寸法）」であり、図１０における円柱状部品３の外周表面３１ｆから有効硬さ位置３１ｆｆまでの距離である。さらに、「有効硬化層」は、焼入れ第２工程後に有効硬さ以上になる領域（範囲）であり、「有効硬さ」は、硬化した（焼入れされた）とみなされる硬さであり、本願発明の方法では、「８０％マルテンサイト硬さ（ＨＲＣ４５）」を以って、「硬化した（焼入れされた）」とみなしている。そして、「有効硬さ位置３１ｆｆ」は、「有効硬さ（ＨＲＣ４５）」になる位置である。
「有効硬化層深さｔ」は「有効硬化層の厚さ（深さ：半径方向寸法）」であり、図１０における円柱状部品３の外周表面３１ｆから有効硬さ位置３１ｆｆまでの距離である。さらに、「有効硬化層」は、焼入れ第２工程後に有効硬さ以上になる領域（範囲）であり、「有効硬さ」は、硬化した（焼入れされた）とみなされる硬さであり、本願発明の方法では、「８０％マルテンサイト硬さ（ＨＲＣ４５）」を以って、「硬化した（焼入れされた）」とみなしている。そして、「有効硬さ位置３１ｆｆ」は、「有効硬さ（ＨＲＣ４５）」になる位置である。
有効硬化層深さｔは、ピン３の半径Ｒの１／１０以上で、ピン３の半径Ｒの１／２以下であることが好ましい。すなわち、外周表面３１ｆからの有効硬化層深さｔは、ピンの半径をＲとすれば、Ｒ／１０≦ｔ≦Ｒ／２であるのが望ましい。
有効硬化層深さｔがＲ／１０よりも小さいと、ピン３が早期に摩耗してしまう。一方、有効硬化層深さｔがＲ／２よりも大きいと、ピン３の外周表面の圧縮残留応力が小さくなり、後述する効果（ピンに作用する引張応力を下げる効果）が得られないからである。
有効硬化層深さｔがＲ／１０よりも小さいと、ピン３が早期に摩耗してしまう。一方、有効硬化層深さｔがＲ／２よりも大きいと、ピン３の外周表面の圧縮残留応力が小さくなり、後述する効果（ピンに作用する引張応力を下げる効果）が得られないからである。
これに加えて、必要な耐摩耗性を確保するために、有効硬化層深さｔは、３ｍｍ以上であることが望ましい。
有効硬化層深さｔが Ｒ／１０≦ｔ≦Ｒ／２（Ｒはピン３の半径）であり、かつ、有効硬化層深さｔが３ｍｍ以上となるように、ピン３の外周表面部３１がＡｃ３変態点以上の温度に加熱されるように、誘導加熱による加熱深さｄを決定し、周波数ｆ（ｋＨｚ）と加熱深さｄ（ｍｍ）との関係式 ｄ＝（２５０／ｆ）１／２ に従って、周波数を決定するのである。
ここで、焼入れ第１工程Ｓ１１が誘導加熱装置によって加熱される場合、焼入れ第２工程Ｓ１２の誘導加熱装置の周波数は、焼入れ第１工程Ｓ１１の誘導加熱装置と同一の周波数を使用してもよい。この際、加熱時間や電流密度などの調整によって、必要な加熱深さを得る。
有効硬化層深さｔが Ｒ／１０≦ｔ≦Ｒ／２（Ｒはピン３の半径）であり、かつ、有効硬化層深さｔが３ｍｍ以上となるように、ピン３の外周表面部３１がＡｃ３変態点以上の温度に加熱されるように、誘導加熱による加熱深さｄを決定し、周波数ｆ（ｋＨｚ）と加熱深さｄ（ｍｍ）との関係式 ｄ＝（２５０／ｆ）１／２ に従って、周波数を決定するのである。
ここで、焼入れ第１工程Ｓ１１が誘導加熱装置によって加熱される場合、焼入れ第２工程Ｓ１２の誘導加熱装置の周波数は、焼入れ第１工程Ｓ１１の誘導加熱装置と同一の周波数を使用してもよい。この際、加熱時間や電流密度などの調整によって、必要な加熱深さを得る。
ピン３の外周表面部３１のみを誘導加熱することにより、ピン３の外周表面３１ｆから芯部３２にかけて温度勾配が生じる。外周表面部ではＡｃ３変態点以上であるが、芯部側すなわち半径方向内方に向かって温度は低下する。
外周表面部３１の芯部側近傍では４００〜７００℃（高温焼もどし温度に相当）となり、さらに芯部側（半径方向内方）の領域では１５０〜２５０℃（低温焼もどし温度に相当）となる。
外周表面部３１の芯部側近傍では４００〜７００℃（高温焼もどし温度に相当）となり、さらに芯部側（半径方向内方）の領域では１５０〜２５０℃（低温焼もどし温度に相当）となる。
ピン３の外周表面部３１がＡｃ３変態点以上の温度に加熱されたならば、加熱を停止し、ピン３を図示しない誘導加熱装置から取り出し、ピン３の外周表面３１ｆの温度がＡｒ３変態点まで下がる以前の段階で、部分加熱焼入れ装置３０の図示しない冷却装置により冷却を開始して焼入れする。
上述した通り、Ａｒ３変態点は、中炭素合金鋼の場合、Ａｃ３変態点より約１００℃低い温度になる。
高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２においても、焼入れ第１工程Ｓ１１と同様に、焼入れの際に用いられる冷却液（冷却手段）としては、コスト面、環境面からは水を使用することが望ましい。但し、水溶性焼入れ液、油等を用いてもよい。
上述した通り、Ａｒ３変態点は、中炭素合金鋼の場合、Ａｃ３変態点より約１００℃低い温度になる。
高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２においても、焼入れ第１工程Ｓ１１と同様に、焼入れの際に用いられる冷却液（冷却手段）としては、コスト面、環境面からは水を使用することが望ましい。但し、水溶性焼入れ液、油等を用いてもよい。
高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２において、ピン３の外周表面部３１は、再度、焼入れされる。
また、ピン３の芯部３２における外周表面部３１近傍の領域では、高周波焼入れの際に４００〜７００℃に加熱されるため、高温焼もどしが施される。
さらに、芯部３２側の中心側（半径方向内方）領域では、高周波焼入れの際に１５０〜２５０℃に加熱されるので、低温焼もどしが施される。
また、ピン３の芯部３２における外周表面部３１近傍の領域では、高周波焼入れの際に４００〜７００℃に加熱されるため、高温焼もどしが施される。
さらに、芯部３２側の中心側（半径方向内方）領域では、高周波焼入れの際に１５０〜２５０℃に加熱されるので、低温焼もどしが施される。
これに対して、図１２〜図１５で説明した従来技術（全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う従来技術）では、本願発明の方法における焼入れ第１工程Ｓ１１と高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２との間に、すでに、素地高温焼もどし（図１３参照）が施されている。そのため、図１２〜図１５の従来技術における図１４の高周波焼入れ工程（本願発明の方法における焼入れ第２工程：Ｓ１２に相当する工程）では、芯部３２に対する焼もどしは行われない。
換言すれば、図１２〜図１５で説明した従来技術（全体加熱焼入れ、全体加熱高温焼もどし、高周波焼入れ、低温焼もどしを行う従来技術）では、単に外周表面部のみの高周波焼入れを行っているのに対して、図示の実施形態における高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２では、３種類の熱処理、具体的には外周表面部３１における高周波焼入れと、芯部３２の外周表面部３１側（半径方向外方）領域における高温焼もどしと、芯部３２の中心側（半径方向内方）領域における低温焼もどしを、同時に行っている。
高周波焼入れ工程（焼入れ第２工程）Ｓ１２の後、ピン３を低温焼もどし装置４０に搬入して、ピン３に低温焼もどし（Ｓ２）を施す。
この低温焼もどし工程（Ｓ２）においても、加熱は加熱炉（低温焼もどし炉）内で行ってもよく、図示しない誘導加熱装置によってもよい。
加熱炉内で低温焼もどしを行う場合は、１５０〜２５０℃にて加熱される。加熱源（エネルギー）としては、電気または重油、軽油、灯油等の化石燃料が用いられる。
この低温焼もどし工程（Ｓ２）においても、加熱は加熱炉（低温焼もどし炉）内で行ってもよく、図示しない誘導加熱装置によってもよい。
加熱炉内で低温焼もどしを行う場合は、１５０〜２５０℃にて加熱される。加熱源（エネルギー）としては、電気または重油、軽油、灯油等の化石燃料が用いられる。
一方、誘導加熱装置で低温焼もどし工程Ｓ２を行う場合には、誘導加熱が急速加熱であるため、加熱温度は加熱炉内で行う場合よりも若干高くなる。ピン３の少なくとも外周表面部３１が低温焼もどし温度に加熱されるように、上述した周波数ｆ（ｋＨｚ）と加熱深さｄ（ｍｍ）との関係式 ｄ＝（２５０／ｆ）１／２ に基いて、図示しない発振機の周波数を選定する必要がある。
加熱後の冷却は、自然放冷でもよい。あるいは、低温焼もどし装置４０に冷却装置を設けて、強制冷却を行ってもよい。
以上により、ピン３の熱処理が完了する。
加熱後の冷却は、自然放冷でもよい。あるいは、低温焼もどし装置４０に冷却装置を設けて、強制冷却を行ってもよい。
以上により、ピン３の熱処理が完了する。
次に、図２〜図７を参照して、図示の実施形態の作用効果を説明する。
図示の実施形態の熱処理方法は、図２でも明らかなように、従来技術に対して、円柱状部品の素地高温焼もどしの工程を省略（廃止）している。すなわち、従来の４工程からなる熱処理工程を、３工程に削減している。
この工程削減は、円柱状部品の製造時間の短縮のみならず、従来あった素地高温焼もどし工程に費やされていた熱エネルギーを不要とし、製造コストの大幅な削減につながる。
図示の実施形態の熱処理方法は、図２でも明らかなように、従来技術に対して、円柱状部品の素地高温焼もどしの工程を省略（廃止）している。すなわち、従来の４工程からなる熱処理工程を、３工程に削減している。
この工程削減は、円柱状部品の製造時間の短縮のみならず、従来あった素地高温焼もどし工程に費やされていた熱エネルギーを不要とし、製造コストの大幅な削減につながる。
図３〜図５において、横軸にピンの外周表面から中心位置までの距離をとり、縦軸に硬さをとって、ピンの断面における硬さ分布を示している。図３〜図５の左端がピンの外周表面で、右端がピンの中心を示している。
図３〜図５は、それぞれ、本願発明の方法における素地焼入れ（焼入れ第１工程）後のピンの断面における硬さ分布（図３）、表面部焼入れ（焼入れ第２工程、すなわち図２における「高周波焼入れ＋焼もどし」）後のピンの断面における硬さ分布（図４）、低温焼もどし後のピンの断面における硬さ分布（図５）を示している。
図３〜図５は、それぞれ、本願発明の方法における素地焼入れ（焼入れ第１工程）後のピンの断面における硬さ分布（図３）、表面部焼入れ（焼入れ第２工程、すなわち図２における「高周波焼入れ＋焼もどし」）後のピンの断面における硬さ分布（図４）、低温焼もどし後のピンの断面における硬さ分布（図５）を示している。
低温焼もどし工程後のピンの断面における硬さ分布については、従来技術（図２の下欄に示す従来技術：図１２〜図１５で説明した従来技術）では、境界部分Ｂ２（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さが、ＨＲＣ３０程度である（図１５参照）。これに対して、本願発明の方法では（図５参照）、芯部３２（図２のＴ：低温焼もどし層）において、外周表面部３１との境界部分Ｂ１（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さが、ＨＲＣ３２〜４０程度であり、明らかに硬さが高くなっている。
同様に、従来技術における表面部焼入れ（図２の「高周波焼入れ」）後のピンの断面における硬さ分布は（図１４、図１５参照）、境界部分Ｂ２（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さがＨＲＣ３０程度であるのに対して、本願発明の方法における表面部焼入れ（図２における「高周波焼入れ＋焼もどし」）後のピンの断面における硬さ分布では（図４、図５参照）、境界部分Ｂ１（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さが、ＨＲＣ３２〜４０程度であり、従来技術に比較して硬くなっている。
同様に、従来技術における表面部焼入れ（図２の「高周波焼入れ」）後のピンの断面における硬さ分布は（図１４、図１５参照）、境界部分Ｂ２（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さがＨＲＣ３０程度であるのに対して、本願発明の方法における表面部焼入れ（図２における「高周波焼入れ＋焼もどし」）後のピンの断面における硬さ分布では（図４、図５参照）、境界部分Ｂ１（硬さが急激に低下している部分）と中心との間の領域における硬さが、ＨＲＣ３２〜４０程度であり、従来技術に比較して硬くなっている。
ここで、外周表面部３１との境界部分（硬さが急激に低下している部分：図４、図５におけるＢ１：図１４、図１５におけるＢ２）と中心との間の領域は、ピン３への負荷による最大せん断応力が作用する領域でもある。係る領域における硬さが増加することは、最大せん断応力に対する強度が増加したことを意味している。すなわち、従来の方法によるものと比べて、図示の実施形態により製造されたピン３は、過大な負荷が作用しても折損し難いのである。
また、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するために焼入れ性の高い素材を使用する必要がなくなり、高価な素材を必要としなくなるため、素材調達に係るコストが低減する。
なお、図２の高周波焼入れにおける符号Ｑは、高周波焼入れによって形成された（外周）表面硬化層を示している。
また、必要な芯部硬さ（素地硬さ）を確保するために焼入れ性の高い素材を使用する必要がなくなり、高価な素材を必要としなくなるため、素材調達に係るコストが低減する。
なお、図２の高周波焼入れにおける符号Ｑは、高周波焼入れによって形成された（外周）表面硬化層を示している。
図６は、本願発明の方法により製造されたピン３の表面残留応力の測定結果を、従来技術で製造されたピンと比較して示している。図６の横軸は、円周方向の残留応力の測定値を示し、縦軸は軸方向の残留応力の測定値を示している。ここで、負の値は圧縮応力を意味している。したがって、絶対値が大きいほど圧縮残留応力が大きいということになる。
図６から明らかなように、本願発明の方法で製造されたピンの表面圧縮残留応力は、従来技術で製造されたピンに比べて、円周方向においては同程度であるが、軸方向においては大きくなった。すなわち、本発明の方法で製造されたピンにおいては、軸方向の圧縮残留応力が大きくなるという作用効果を奏する。
図６から明らかなように、本願発明の方法で製造されたピンの表面圧縮残留応力は、従来技術で製造されたピンに比べて、円周方向においては同程度であるが、軸方向においては大きくなった。すなわち、本発明の方法で製造されたピンにおいては、軸方向の圧縮残留応力が大きくなるという作用効果を奏する。
外周表面の圧縮残留応力の増加は、ピン３の外周表面３１ｆに、例えば、ショットピーニングや、ショットブラスト等を施したのと同等の効果が得られる。
そのため、ピン３に過大な負荷が作用して、その表面に引張応力が生じても、従来技術で製造されたピンに比較して、増加した圧縮残留応力の分だけ当該引張応力は減少する。
そのため、ピン３に過大な負荷が作用して、その表面に引張応力が生じても、従来技術で製造されたピンに比較して、増加した圧縮残留応力の分だけ当該引張応力は減少する。
図７は、本願発明の方法により製造されたピン３の曲げ試験結果を、従来の方法で製造されたピンと比較して示している。図７の横軸はたわみの最大値を示し、縦軸は曲げ荷重の最大値を示している。
図７から明らかなように、本願発明の方法で製造されたピンの曲げ強度（図７では曲げ荷重）は、従来の方法で製造されたピンに比べて高くなっている。
図７から明らかなように、本願発明の方法で製造されたピンの曲げ強度（図７では曲げ荷重）は、従来の方法で製造されたピンに比べて高くなっている。
図６および図７から明らかなように、本願発明の方法によれば、素材をより安価なものに変更することが可能であり、あるいは、従来と同等の強度を有する素材であれば、ピンの小型化が可能となる。
明確には図示されていないが、図示の実施形態において、焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱を誘導加熱とすれば、焼入れ第２工程Ｓ１２も誘導加熱であるので、いわゆる「焼入れ工程のインライン化」が可能になる。
あるいは、焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱を炉中加熱とすれば、誘導加熱炉に比べ、投入するエネルギーが削減でき、焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱のコストが低減する。
あるいは、焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱を炉中加熱とすれば、誘導加熱炉に比べ、投入するエネルギーが削減でき、焼入れ第１工程Ｓ１１の加熱のコストが低減する。
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
例えば、図示の実施形態では、建設機械の無限軌道帯用１０の大型ピン３を例にとって図示の実施形態を説明したが、小型、中型のピンにも適用することが可能である。さらには、無限軌道帯用ピン以外の円柱状部品の熱処理にも適用することが可能である。
例えば、図示の実施形態では、建設機械の無限軌道帯用１０の大型ピン３を例にとって図示の実施形態を説明したが、小型、中型のピンにも適用することが可能である。さらには、無限軌道帯用ピン以外の円柱状部品の熱処理にも適用することが可能である。
１・・・リンク
２・・・履板
３・・・円柱状部材（履帯用ピン）
４・・・ブッシュ
２０・・・全体加熱焼入れ装置
３０・・・部分加熱焼入れ装置
３１・・・外周表面部
３１ｆ・・・外周表面
３２・・・芯部
４０・・・低温焼もどし装置
２・・・履板
３・・・円柱状部材（履帯用ピン）
４・・・ブッシュ
２０・・・全体加熱焼入れ装置
３０・・・部分加熱焼入れ装置
３１・・・外周表面部
３１ｆ・・・外周表面
３２・・・芯部
４０・・・低温焼もどし装置
Claims (3)
- 中炭素合金鋼から成る無限軌道帯用ピン（３）の熱処理方法において、該熱処理方法は焼入れ工程（Ｓ１）と、該焼入れ工程の後に施される焼もどし工程（Ｓ２）とを有し、前記焼入れ工程（Ｓ１）は、焼入れ第１工程（Ｓ１１）と、焼入れ第１工程の後に施される焼入れ第２工程（Ｓ１２）とを有し、前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）は前記無限軌道帯用ピン（３）の外周表面（３１ｆ）から芯部（３２）までの前記無限軌道帯用ピン（３）の全体をＡｃ３変態点以上の温度に加熱して焼入れする工程であり、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）は前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）で焼入れされた前記無限軌道帯用ピン（３）の外周表面部（３１）のみをＡｃ３変態点以上の温度に誘導加熱して焼入れする工程であり、前記焼もどし工程（Ｓ２）は、前記焼入れ工程で（Ｓ１）焼入れされた前記無限軌道帯用ピン（３）を低温焼もどしする工程であり、前記焼入れ第２工程（Ｓ１２）における外周表面部（３１）の深さ（ｔ）が、無限軌道帯用ピンの半径（Ｒ）の１／１０以上で、無限軌道帯用ピンの半径（Ｒ）の１／２以下であり、外周表面部（３１）と芯部（３２）の境界部分（Ｂ１）よりも外周表面部（３１）側の領域の方が境界部分（Ｂ１）よりも芯部（３２）側の領域よりも硬く、当該境界部分（Ｂ１）近傍で硬さが急激に低下しており、外周表面部（３１）と芯部（３２）の境界部分（Ｂ１）と中心との間の領域における硬さがＨＲＣ３２〜４０程度であり、最大せん断力に対する強度を増加し、軸方向の圧縮残留応力を大きくして、曲げ強度を高くすることを特徴とする無限軌道帯用ピンの熱処理方法。
- 前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱が誘導加熱である請求項１の無限軌道帯用ピンの熱処理方法。
- 前記焼入れ第１工程（Ｓ１１）の加熱が炉中加熱である請求項１の無限軌道帯用ピンの熱処理方法。
Priority Applications (7)
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