JP6827268B2 - 尖塔型金属製機械部品、尖塔型金属製機械部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軸方向に沿った一端部側に尖塔部を有する金属製の機械部品、及びその尖塔型金属製機械部品を製造する方法に関するものである。

従来から、軸方向の一端部側（作用部側）の径が他端部側（反作用部側）の径よりも細くなった尖塔型の構造を有する金属製機械部品が、薬等の錠剤を成形するために用いられる打錠機の杵や自動車のエンジンバルブ等として、産業界において多方面で使用されている。

このような尖塔型の構造を有する金属製機械部品は、当該尖塔型金属製機械部品より径の太い素材である棒鋼や線材から、相対的に太径の部分と相対的に細径の尖塔部を削り出して製造される。これら棒鋼や線材は、成分調整された溶鋼を連続鋳造等で固めた鋳片を、熱間圧延して、あるいは熱間圧延後に引抜加工等の冷間加工を施して、形成される材料である。

ところで、鋳造過程において、鋳込まれた材料は、外側から体積収縮を伴いながら凝固が始まり、横断面内の中心部は最後に凝固することが知られている。このように凝固は外側から内側に進展するが、その際に、不純物等も内側に向かって濃化していくため、横断面内部で最後に凝固する中心部近傍には、偏析や介在物と称される特定元素の濃化や、酸化物、炭化物あるいは硫化物などの異物の濃化が観察される。また、鋳片の中心部近傍が凝固する時点において、中心部の周囲は既に凝固が完了しているため、中心部が凝固と共に体積収縮をしようとしても、既に凝固が完了した周囲から変形拘束を受けて、冷却に伴う自由な体積収縮が妨げられ、中心部に大きな引張力が作用する。その結果、ポロシティと呼ばれる空孔が中心部近傍に形成される（例えば、下記非特許文献１参照）。

このような偏析等に起因する欠陥は、再溶融による凝固組織の調整処理を行うことで軽減させることは可能であるものの、完全に除去することは不可能であり、棒鋼や線材等の素材中に残存する（例えば、下記非特許文献２参照）。

また、凝固した鋳片の中心部近傍に発生するこのような異物の濃化や空孔は、熱間圧延やそれに続く冷間引抜加工等によって鋳片の断面積が減じられる過程で小さくなったり、軽減されるものの、やはり残存する。その結果、柱状の棒鋼や線材の軸芯近傍にも偏析や介在物あるいはポロシティの残存に起因する異常組織（欠陥）が認められる。

以下の説明では、尖塔型金属製機械部品を削り出す素材（母材）である棒鋼や線材等を総称して「棒鋼」とし、図１２に示すように、棒鋼３の中心軸Ｐ’を「棒鋼中心軸」とする。

同図では、鋳造処理中や鋳造処理後に棒鋼３に出現する偏析、介在物、析出物、ポロシティ等の欠陥総てを含んだ分布がどのようになるかを示す尺度を「偏析分布」として、当該偏析分布の有無及び強弱を棒鋼３の横断面に対応付けて模式的に示している。同図から把握できるように、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの小円内では、偏析等の欠陥に起因する異常組織が残存する確率が高い。つまり、偏析分布の強度が高い部分は、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの円内に収まっている。一方、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの外側では、上記異常組織の残存が殆ど観察されない（偏析分布の強度がゼロまたは略ゼロである）。以上より、上記異常組織が残存する部分は、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とする半径ｒの小さい円の範囲内に限定されることが理解できる。

ここで、図１３に、直径３２ｍｍの棒鋼から削り出して、研磨処理、腐食処理を施した直径１５ｍｍの材料（尖塔部を形成する前の時点の金属製機械部品）を光学顕微鏡で観察した写真を示す。同図（ａ）において矢印の先端にある斑点が、残存した異常組織であり、この異常組織の存在が観察される領域（強い偏析分布を示す領域）は、同図（ｂ）に示すように、材料（尖塔部を形成する前の時点の金属製機械部品）の中心軸を中心とした直径約３ｍｍの領域内であった。すなわち、異常組織の存在が観察される領域（強い偏析分布を示す領域）は、棒鋼中心軸を中心とする「棒鋼の直径の１０分の１程度の直径」である。このことは、半径を基準として捉えた場合でも同様であり、図１２を参照すると、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とし且つ異常組織の存在が観察される領域の半径ｒは、棒鋼３の半径Ｒの１０分の１程度である。ここで、異常組織の存在が観察される半径ｒの円の中心を「偏析中心」とすると、偏析中心は、棒鋼３の幾何学的中心と一致している。また、各横断面の偏析中心を、棒鋼３の軸方向に繋いだものを「偏析中心軸」とすると、偏析中心軸は棒鋼３の幾何学的軸Ｐ’に一致する。

そして、異常組織が残存する部分（棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの円の内側部分）の機械的強度は、異常組織が残存しない部分（棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの円の外側部分）の機械的強度に比べて、遙かに劣っている。しかし、棒鋼３において異常組織が残存する部分の横断面の面積πｒ^２は、棒鋼３の横断面の面積πＲ^２と比べればさほど大きくない。上述の通り、通常の棒鋼３では、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒが、棒鋼３の半径Ｒの１０分の１以下であり、例えば、棒鋼３の半径Ｒが５ｍｍから３２ｍｍ程度の範囲で考えると、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒは棒鋼３の半径Ｒの範囲に対応して０．５ｍｍから３．２ｍｍ程度である。

すなわち、異常組織の残存が観察される棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒと棒鋼３の半径Ｒの比率である「ｒ／Ｒ」の値は最大で０．１であり、面積比（πｒ^２／πＲ^２）は０．０１以下である。したがって、切削処理を施す前の素材段階（棒鋼３の状態）であれば、異常組織の残存する部分の横断面積は素材（棒鋼３）の横断面積に比べてはるかに小さく、異常組織の残存は素材（棒鋼３）の平均的強度に殆ど影響を与えない。

つまり、「（πｒ^２）÷（πＲ^２）＝（ｒ／Ｒ）^２≦０．０１」の式で表すことができるように、棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの部分で表される異常組織の存在（中心偏析の痕跡）は、棒鋼３全体の平均強度に殆ど影響を及ぼさない。

社団法人 日本鉄鋼協会編：「鉄鋼製造法（第１分冊、製銑・製鋼）」、丸善、ｐ．６８２−６９５，ｐ．７２４−７２７、１９７２ 佐藤潤，岩永浩司，富岡篤，西口克茂，中嶋宏樹，石田斉：「新ＥＳＲによる高品位ロール製造技術」、神戸製鋼技報、Ｖｏｌ.６０、Ｎｏ.２、ｐ．１５−１９、２０１０．８

ところで、図１２に示すように、中心軸Ｐ’及びその近傍に異常組織の残存が確認される棒鋼３から、相対的に太径の部分と相対的に細径の尖塔部２０を削り出して尖塔型金属製機械部品１０を製造・加工する場合、通常は、棒鋼中心軸Ｐ’と、尖塔部２０の中心軸Ｓが同軸となるように加工される。その結果、尖塔型金属製機械部品１０のうち、同図中において半径αで示す径の細くなった部分、つまり尖塔部２０には、偏析等の欠陥に起因する異常組織の残存が認められる。すなわち、尖塔型金属製機械部品１０の軸芯（尖塔型金属製機械部品１０の中心軸Ｒ）は、同図中の棒鋼中心軸Ｐ’と一致しているため、尖塔部２０の半径αの内側は、その外側と比べて偏析分布が高強度である。上述したように、偏析分布の強度が高い部分（異常組織の残存する部分）における材料としての機械的強度は、棒鋼３の平均的な機械的強度よりも劣っている。

したがって、尖塔部２０の半径αよりも棒鋼中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒが大きければ、つまり「α＜ｒ」の関係を満たす場合には、尖塔部２０の全領域が、棒鋼３のうち高強度の偏析分布が存在する部分から削り出されたものになり、尖塔部２０の機械的強度は、高強度の偏析分布が存在する材料の機械的強度に強く影響を受け、著しく低下することになる。その結果、尖塔型金属製機械部品１０の使用中に、尖塔部２０が欠けたり、折損する可能性が高くなり、欠けや折損が起これば、尖塔型金属製機械部品１０の交換頻度を高めるばかりでなく、尖塔型金属製機械部品１０を搭載した機械（装置）は故障し、大きな事故に繋がる危険性が高まる。この傾向は、尖塔部２０の横断面積πｒ^２が小さくなればなるほど顕著になる。

本発明は、このような点に着目してなされたものであって、主たる目的は、尖塔部の強度劣化の原因となる偏析分布の影響を受ける事態を防止・抑制可能な尖塔型金属製機械部品、及びそのような尖塔型金属製機械部品の製造方法を提供することにある。

すなわち、本発明は、熱間加工を経て提供される棒鋼を切削加工により形成される尖塔型金属製機械部品に関するものである。ここで、本発明における「棒鋼」は、鋳造された素材から圧延や鍛造などの熱間加工を経て提供される棒状や線状等、尖塔型金属製機械部品を削り出す素材（母材）全てを包含するもの（概念）である。なお、本発明における「棒鋼」は、熱間加工を経て提供されるものは勿論のこと、熱間加工の後に冷間引き抜きのような冷間加工を経て提供されるもの、あるいは、熱間や冷間加工の後に熱処理を施して提供されるものも含む概念である。

そして、本発明に係る尖塔型金属製機械部品は、当該尖塔型金属製機械部品の中心軸に沿った一端部側に、他端部側よりも細径であって使用時に軸方向に圧縮される力を受ける尖塔部を有し、尖塔部の中心軸を、棒鋼の各断面における中心偏析の中心を当該棒鋼の軸方向に繋いだ軸である偏析中心軸から偏位させていることを特徴としている。ここで、本発明において「中心偏析」とは、熱間加工を、あるいは熱間加工後に冷間加工を経た棒鋼の横断面における一定範囲の半径の円内において分布している偏析等の欠陥に起因する異常組織であり、「偏析中心軸」は、中心偏析の中心を通る軸である。つまり、偏析等の欠陥に起因する異常組織の存在が観察される半径の円（偏析分布の強度が高い半径の円）の中心を「偏析中心」とすると、棒鋼における各横断面の偏析中心を、棒鋼の軸方向に繋いだ軸が「偏析中心軸」である。

本発明者は、従来の尖塔型金属製機械部品であれば生じる問題の原因が、素材である棒鋼を切削加工して尖塔型金属製機械部品を製造する際に、尖塔部の幾何学的中心軸と一致する尖塔型金属製機械の中心軸を、棒鋼の中心軸に一致させているため、結果として、棒鋼における偏析中心の偏析中心軸と、尖塔型金属製機械部品の中心軸が、相互に一致している点にあることを見出した。すなわち、本発明者は、尖塔型金属製機械部品における尖塔部に、棒鋼中心及びその近傍の異常組織が残存する部分（偏析分布の強度が高い部分）が含まれる従来の構成が、尖塔部の強度劣化の原因であることを究明した。

そこで、本発明では、尖塔部の中心軸を棒鋼における中心偏析の偏析中心軸から偏位させる構成を採用した。このような本発明に係る尖塔型金属製機械部品であれば、尖塔部に異常組織が残存する事態を完全に回避できるか、あるいは尖塔部に存在する異常組織の残存部分の比率を格段に低減させることができ、尖塔部の強度劣化の原因となる偏析分布の影響を受ける事態を防止・抑制可能な尖塔型金属製機械部品を実現することができる。

特に、本発明において、尖塔部に異常組織が存在する構成を確実に回避できるようにするには、棒鋼の偏析中心軸に対する尖塔部の中心軸の偏位量を、棒鋼の半径の１０分の１以上に設定していることが好ましい。これは、図１２に示すように、棒鋼の横断面内で、偏析等の欠陥に起因する異常組織が残存する部分が、棒鋼の偏析中心軸Ｐを中心とした半径ｒの小さい円の範囲内に限定される点、及び、棒鋼の偏析中心軸Ｐを中心とした半径ｒの値は棒鋼半径Ｒの１０分の１程度である点、以上の点に着目したものである。なお、尖塔部の中心軸の偏位量の最大値は、母材となる棒鋼から目的の尖塔型金属製機械部品を切削により確実に得ることができる程度であることは当然である。

さらにまた、本発明において、図３に示すように、棒鋼の偏析中心軸に対する尖塔部の中心軸の偏位量δが、尖塔部の半径αに、棒鋼の半径Ｒの１０分の１を加算した値以上の値である構成、すなわち、「δ≧α＋（Ｒ／１０）」の式を満たす構成を採用すれば、棒鋼の偏析中心軸に対する尖塔部の中心軸の偏位量δを、尖塔部内から偏析の多い領域を排除する形で設定することになり、偏析等の欠陥に起因する異常組織が尖塔部に存在する構成を高い確率で回避することができる。そして、棒鋼の偏析中心軸を中心とした所定の半径の内側に限定される偏析分布の強度が高い部分を除いた部分、すなわち、棒鋼の偏析中心軸を中心とした所定の半径の外側の部分で尖塔部を形成し、偏析中心軸と尖塔部の中心軸とが偏位している構成を採用したことによって、尖塔部から偏析分布の影響を排除することが可能である。

また、本発明は、使用時に尖塔部が軸方向に圧縮される力を受ける尖塔型金属製機械部品を棒鋼から切削工程を経て製造する方法に関して、切削工程において、棒鋼の各断面における中心偏析の中心を当該棒鋼の軸方向に繋いだ軸である偏析中心軸から尖塔型金属製機械部品の中心軸を偏位させて切削することにより当該尖塔型金属製機械部品を削り出して製造することを特徴としている。

このような尖塔型金属製機械部品の製造方法であれば、強度劣化の原因である異常組織が尖塔部に全く存在しないか、殆ど存在しない尖塔型金属製機械部品を製造することができ、棒鋼の横断面内の平均的な機械的強度と同等の強度を有する尖塔部を備えた尖塔型金属製機械部品を製造することが可能になる。

以上に述べたように、本発明によれば、尖塔部を有する金属製機械部品において、棒鋼における中心偏析の偏析中心軸から尖塔型金属製機械部品の中心軸を偏位させた構成を採用したことによって、尖塔部の機械的強度劣化を防ぐことができ、尖塔部の強度を母材である棒鋼の平均強度と同程度にすることが可能であり、尖塔型金属製機械部品の安定した強度保証を実現することができる。したがって、多発するおそれがある尖塔部の欠けや折損を未然に防止することができることから、尖塔型金属製機械部品の交換頻度を低減することができるようになり、また尖塔型金属製機械部品を用いた機械（装置）の安定稼働を保証することが可能になる。

また、尖塔部を削り出す加工工程に於いて、尖塔部が細くなればなるほど、すなわち尖塔部の半径が小さくなればなるほど、尖塔部の強度が劣化し、削り出し時の折損事故が発生する確率が高くなるが、本発明によれば、そのような折損事故を未然に防止することができ、尖塔型金属製機械部品を製造する際の材料ロスや製造に要するエネルギーロス等、種々のロスの発生を抑止することができる。

本発明の一実施形態に係る尖塔型金属製機械部品の全体模式図。 同実施形態における棒鋼の全体模式図。 同実施形態における尖塔型金属製機械部品と棒鋼の相対位置関係（尖塔型金属製機械部品の棒鋼からの削り出し方）を図１及び図２に対応して示す図。 本実施例及び比較例の試験片（尖塔型金属製機械部品）の強度試験方法を示す図。 同試験において試験片の尖塔部が根元で折損した時点を図４に対応して示す図。 同試験の各ケースにおける軸方向から見た試験片及び棒鋼の相対位置関係を示す図。 同試験で用いた棒鋼（ＳＮＣＭ４７７）の成分を示す図。 同試験におけるケース１及びケース２の試験結果を示す図。 同試験におけるケース１及びケース２の試験結果をグラフで示す図。 同試験におけるケース３及びケース４の試験結果を示す図。 同試験におけるケース３及びケース４の試験結果をグラフで示す図。 従来の尖塔型金属製機械部品と棒鋼の相対位置関係（尖塔型金属製機械部品の棒鋼からの削り出し方）を模式的に示す図。 従来の尖塔型金属製機械部品であって軸芯近傍の偏析が確認される写真。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、図１に示すように、尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑに沿った一端部側に、他端部側よりも細い径に設定した尖塔部２を有するものである。このような尖塔型金属製機械部品１は、例えば打錠機の杵として用いられ、実際の使用時には尖塔部２で粉末を圧縮して錠剤を成型することが可能なものである。したがって、尖塔部２は作用部として機能する。すなわち、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑに沿った作用部側に尖塔部２を有するものである。

尖塔型金属製機械部品１は、熱間加工を経て提供される例えば図２に示す棒鋼３から削り出して形成される被切削加工部品であり、図１及び図３に示すように、尖塔部２の中心軸Ｓは、尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑと一致する。そして、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、尖塔部２の中心軸Ｓを棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐから偏位させている。

ここで、鋳造処理中や鋳造処理後に棒鋼３に出現する偏析、介在物、析出物、ポロシティ等の欠陥に起因する異常組織が残存する部分（偏析分布の強度が高い部分）は、棒鋼３のうち図２及び図３における棒鋼３の中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの範囲内に限定される。図２及び図３では、前述の図１２と同様に、偏析分布の有無及び強弱を棒鋼３の横断面に対応付けて模式的に示している。このように、熱間加工を経た棒鋼３の横断面における一定範囲の半径ｒの円内において分布している偏析等の欠陥に起因する異常組織が中心偏析であり、偏析分布の強度が高い上記半径ｒの中心を通る軸が、「中心偏析の偏析中心軸」である。本実施形態において、この偏析中心軸Ｐは、棒鋼３の中心軸Ｐ’に一致する。

そして、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、尖塔部２に、棒鋼３のうち上記半径ｒの範囲が含まれないように構成している点に特徴を有する。棒鋼３の中心軸Ｐ’と偏析中心軸Ｐが一致している棒鋼３を用いて、尖塔部２の中心軸Ｓを棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐから偏位させた尖塔型金属製機械部品１を作るための一つの手段として、本実施形態では、尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑと、偏析中心軸Ｐの間の距離δが以下の式１の関係を満たすように設定している。
δ≧(α＋ｒ) ・・・（式１） ここで、αは尖塔部２の半径である（図１及び図３参照）。

このように、棒鋼３の中心軸Ｐ’と偏析中心軸Ｐが一致している棒鋼３であれば、尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑと、偏析中心軸の間の距離δが式１の関係を満たすことで、尖塔部２には偏析等の欠陥に起因する異常組織が残存する部分が存在しなくなり、尖塔部２の強度低下を防止することが可能となる。

すなわち、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、強度劣化の原因である異常組織が尖塔部２に存在しない構成を採用しているため、尖塔部２の機械的強度の劣化は発生せず、棒鋼３の横断面内の平均的な機械的強度と同等の強度を有する尖塔部２を得ることができる。そのため、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１は、尖塔部２の欠けや折損が減少するという作用効果を奏する。

以下に、本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１の強度を検証すべく実施した試験内容、及び試験結果を図４乃至図１１を参照して説明する。

本試験では、熱間圧延仕上げの黒皮丸棒素材である棒鋼３から尖塔型金属製機械部品に相当する細長い試験片Ｘを削り出し、図４に示すように、試験片Ｘのうち尖塔部２が形成されていない側の部分を、周方向において等ピッチ間隔で適宜の把持具Ｙによって把持した状態で、尖塔部２の先端を軸方向に対して直交する方向から適宜の押圧具Ｚによって押し込み、図５に示す時点、すなわち、尖塔部２の根元で折損が起こった時点を「破断に至った時点」として、この「破断に至った時点」の押込量Ｗを比較・検討した。なお、図４の紙面向かって左側の図は、同図におけるＡ方向から見た模式図であり、周方向において等ピッチ間隔で把持具Ｙによって、試験片Ｘのうち尖塔部２が形成されていない側の部分を把持している状態を示す図である。本試験で用いる棒鋼３は、その中心軸と偏析中心軸とが一致するものである。本試験片Ｘは、尖塔部２が形成されていない側の部分の直径を１５ｍｍ、軸方向に沿った同部分の長さを２９ｍｍに設定し、尖塔部２の直径を３ｍｍまたは５ｍｍ、軸方向に沿った尖塔部２の長さを３０ｍｍに設定したものである。また、本試験では、図４に示すｙの値（尖塔部２の根元から把持具Ｙによる把持先端位置までの距離）を１０ｍｍに設定し、ｚの値（尖塔部２の先端から押圧具ｚが当接する距離）を５ｍｍに設定している。

本試験における試験片Ｘの削り出し方は、図６に示す４パターンである。ケース１は、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心（尖塔型金属製機械部品１の中心）とを一致させ、尖塔部２の直径ｄ３を３ｍｍに設定したものであり、ケース２は、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心を８ｍｍ偏位させ（偏位量δ：８ｍｍ）、尖塔部２の直径ｄ３を３ｍｍに設定したものである。

また、ケース３は、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心とを一致させ、尖塔部２の直径ｄ３を５ｍｍに設定したものであり、ケース４は、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心を６ｍｍ偏位させ（偏位量δ：６ｍｍ）、尖塔部２の直径ｄ３を５ｍｍに設定したものである。

ここで、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐは棒鋼３の中心を通る軸と一致している本試験において、棒鋼３の中心と試験片Ｘの中心を偏位させたケース２及びケース４が本実施例に係る試験片Ｘ（本発明に係る尖塔型金属製機械部品１）であり、棒鋼３の中心と試験片Ｘの中心を一致させたケース１及びケース３はそれぞれケース２及びケース４の比較例に係る試験片Ｘである。

なお、本試験で適用した各試験片Ｘは、棒鋼３である直径３２ｍｍの熱間圧延仕上ＳＮＣＭ４４７材（クロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４４７）から旋削して製作されたものである。クロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４４７に関するＪＩＳ規格での成分範囲は図７に示す通りである。

試験の結果は、図８〜図１１に示す通りである。すなわち、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心（尖塔型金属製機械部品１の中心）とを一致させ、尖塔部２の直径ｄ３を３ｍｍに設定したケース１に関する試験を計６回行った結果、破断に至った時点（尖塔部２の根元で折損が起こった時点）の押し込み量Ｗの平均値は６．７３ｍｍであった（図８及び図９参照）。一方、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心を８ｍｍ偏位させ、尖塔部２の直径ｄ３を３ｍｍに設定したケース２に関する試験を計６回行った結果、破断に至った時点の押し込み量Ｗの平均値は１１．６８ｍｍであった（図８及び図９参照）。

また、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心とを一致させ、尖塔部２の直径ｄ３を５ｍｍに設定したケース３に関する試験を計３回行った結果、破断に至った時点の押し込み量Ｗの平均値は３．７ｍｍであった（図１０及び図１１参照）。一方、直径ｄ１が３２ｍｍである棒鋼３の中心と、直径ｄ２が１５ｍｍである試験片Ｘの中心を６ｍｍ偏位させ、尖塔部２の直径ｄ３を５ｍｍに設定したケース４に関する試験を計３回行った結果、破断に至った時点の押し込み量Ｗの平均値は４．０ｍｍであった（図１０及び図１１参照）。

以上の試験結果より、棒鋼３の中心と試験片Ｘの中心を偏芯させた本実施例のケース２、ケース４における破断に至った時点の押し込み量Ｗの値が、棒鋼３の中心と試験片Ｘの中心を一致させたケース１、ケース３と比較して大きいことが判明した。つまり、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐが棒鋼３の中心を通る軸と一致している本試験において、試験片Ｘの軸を、棒鋼３の偏析中心軸Ｐに対して偏位させることで、破断に至るまでの押し込み量Ｗの値は大きくなり、強度が増大することが判明した。

なお、ミクロ組織観察の結果、棒鋼３の偏析中心軸Ｐを中心とした半径ｒの領域の外にも、棒鋼３の中心軸Ｐ’近傍ほどではないものの、僅かに異常組織の存在が確認された。この影響により、本試験の各ケースにおいて、図８〜図１１に示すように、同じケース番号であっても試験番号毎に「破断に至った時点の押し込み量Ｗの値」にばらつきが生じたと推察できる。

しかし、各ケースに関する試験結果において、破断に至るまでの押し込み量Ｗの平均値を見ると、尖塔部２の直径ｄ３が３ｍｍ、または５ｍｍであっても、試験片Ｘの軸芯を棒鋼３の軸芯Ｐ’（つまり偏析中心軸Ｐ）からずらすことで、試験片Ｘ（尖塔型金属製機械部品）の破断強度は向上することが把握できる。

また、ケース１乃至ケース４に関する試験結果より、尖塔部２の直径ｄ３を３ｍｍに設定したケース２の方が、尖塔部２の直径ｄ３を５ｍｍに設定したケース４と比較して強度アップの程度が大きいことが判明した。これは、棒鋼３の偏析中心軸Ｐと尖塔部２の中心軸Ｓが一致している場合（ケース１、ケース３）、尖塔部２の直径ｄ３が３ｍｍであれば、偏析分布の強度が高い棒鋼３の中心軸Ｐ’回りの直径５ｍｍの範囲内においても特に強い分布を示す領域に尖塔部２の全部が含まれるためであると考えられる。

以上に述べたように、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐが棒鋼３の中心を通る軸と一致している場合において、尖塔部２の中心軸Ｓを棒鋼３の中心軸Ｐ’から偏位させることで、棒鋼３の偏析中心軸Ｐから尖塔部２の中心軸Ｓを偏位させるように構成した本実施形態に係る尖塔型金属製機械部品１によれば、尖塔部２に偏析等の欠陥に起因する異常組織が残存する事態を完全に回避できるか、あるいは尖塔部２に存在する異常組織（欠陥部分）の比率を格段に低くすることができ、尖塔部２の強度劣化の原因となる偏析分布の影響を受ける事態を防止・抑制することが可能である。

特に、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐが棒鋼３の中心を通る軸と一致している場合において、図３に示すように、棒鋼３の横断面内で、異常組織が残存する部分が、棒鋼３の中心軸Ｐ’を中心とした半径ｒの小さい円の範囲内に限定される点、及び、異常組織が残存する半径ｒの値は、棒鋼３の半径Ｒの１０分の１程度である点、以上の点に着目し、棒鋼３の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量δを、棒鋼３の半径Ｒの１０分の１以上に設定することで、尖塔部２に異常組織が存在する構成を確実に回避できる。上述のケース２及びケース４の何れも、棒鋼３の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量δ（８ｍｍ、６ｍｍ）を、棒鋼３の半径Ｒ（１６ｍｍ）の１０分の１（１．６ｍｍ）以上に設定している。

さらにまた、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量δを、尖塔部２の半径αに、棒鋼３の半径Ｒの１０分の１を加算した値以上に設定した構成、すなわち、以下の式２を満たす構成を採用することで、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量を大きく設定することになり、尖塔部２に異常組織が存在してしまう構成をより一層高い確率で回避することができる。
δ≧α＋（Ｒ／１０） ・・・（式２）

上述のケース２では、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量δ（８ｍｍ）が、尖塔部２の半径α（１．５ｍｍ）に、棒鋼３の半径Ｒ（１６ｍｍ）の１０分の１（１．６ｍｍ）を加算した値（３．１ｍｍ）以上である。また、上述のケース４では、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐに対する尖塔部２の中心軸Ｓの偏位量δ（８ｍｍ）が、尖塔部２の半径α（２．５ｍｍ）に、棒鋼３の半径Ｒ（１６ｍｍ）の１０分の１（１．６ｍｍ）を加算した値（４．１ｍｍ）以上である。したがって、これらケース２及びケース４は上述の式２を満たす構成である。

また、切削工程において、棒鋼３における中心偏析の偏析中心軸Ｐから尖塔型金属製機械部品１の中心軸Ｑを偏位させて切削することにより当該尖塔型金属製機械部品１を削り出して製造する方法であれば、強度劣化の原因である異常組織が尖塔部２に全く存在しないか、殆ど存在しない尖塔型金属製機械部品１を製造することができ、棒鋼３の横断面内の平均的な機械的強度と同等の強度を有する尖塔部２を備えた尖塔型金属製機械部品１を製造することが可能になる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の式１や式２の条件を満たさない構成であっても、尖塔部の中心軸を棒鋼における中心偏析の偏析中心軸から偏位させたものであれば、本発明に係る尖塔型金属製機械部品に該当する。

また、尖塔型金属製機械部品全体の高さ寸法に占める尖塔部の高さ寸法の比率に対する尖塔部の直径の比率は適宜変更することができる。

また、本発明に係る尖塔型金属製機械部品は、尖塔部の中心軸と、尖塔型金属製機械部品の中心軸が一致し、尖塔部の中心軸を棒鋼における中心偏析の偏析中心軸から偏位させたものであればよく、完全な円柱状の尖塔部に代えて、例えば、軸方向に沿った所定箇所において径方向内側に凹んだ括れ部を有する尖塔部や、或いは軸方向に沿った所定箇所において径方向外側に出っ張った突部を有する尖塔部、さらには、先端部を円錐状または球面状に設定した尖塔部を適用することも可能である。

棒鋼の具体的な素材として、上述のクロムモリブデン鋼ＳＮＣＭ４４７以外の素材を適用することも可能である。

また、本発明に係る尖塔型金属製機械部品は、薬等の錠剤を成形する打錠機の杵としての用途以外に、例えば自動車のエンジンバルブ等、産業界における多方面において利用・活用することが可能なものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…尖塔型金属製機械部品
２…尖塔部
３…棒鋼
Ｐ…棒鋼における中心偏析の偏析中心軸
Ｐ’…棒鋼の中心軸
Ｑ…尖塔型金属製機械部品の中心軸
Ｒ…棒鋼の半径
Ｓ…尖塔部の中心軸
α…尖塔部の半径
δ…棒鋼の中心軸に対する尖塔部の中心軸の偏位量

Claims (4)

1. 熱間加工を経て提供される棒鋼を切削加工により形成される尖塔型金属製機械部品であって、
   当該尖塔型金属製機械部品の中心軸に沿った一端部側に、他端部側よりも細径であって使用時に軸方向に圧縮される力を受ける尖塔部を有し、前記尖塔部の中心軸を、前記棒鋼の各断面における中心偏析の中心を当該棒鋼の軸方向に繋いだ軸である偏析中心軸から偏位させていることを特徴とする尖塔型金属製機械部品。
2. 前記偏析中心軸に対する前記尖塔部の中心軸の偏位量を、前記棒鋼の半径の１０分の１以上に設定している請求項１に記載の尖塔型金属製機械部品。
3. 前記偏析中心軸に対する前記尖塔部の中心軸の偏位量を、前記尖塔部の半径に、前記棒鋼の半径の１０分の１を加算した値以上に設定している請求項１又は２に記載の尖塔型金属製機械部品。
4. 使用時に尖塔部が軸方向に圧縮される力を受ける尖塔型金属製機械部品を棒鋼から切削工程を経て製造する方法であって、
   前記切削工程において、前記棒鋼の各断面における中心偏析の中心を当該棒鋼の軸方向に繋いだ軸である偏析中心軸から当該尖塔型金属製機械部品の中心軸を偏位させて切削することにより当該尖塔型金属製機械部品を削り出して製造することを特徴とする尖塔型金属製機械部品の製造方法。

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