ブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置
【課題】結晶粒が微細化し、強度および靭性がさらに向上したブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持工程と、（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、を含むブッシュの製造方法に関する。
【解決手段】０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持工程と、（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、を含むブッシュの製造方法に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械に使用されるブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械のクローラ（履帯）に使用されるブッシュはトラックブッシュとも呼ばれ、その外径表面と内径表面の両方に高い耐摩耗性が要求されるとともに、ブッシュに加わる負荷に耐えるため、高い強度や靱性も要求される。このような要求を満足するため、従来から、浸炭焼入れによってブッシュ母材をオーステナイト化し、焼入冷却によってマルテンサイト化し、続く焼戻しによって表面が少し軟化し、表面層は耐摩耗性および靭性を有するトラックブッシュが製造されている。芯部は低Ｃ％マルテンサイトで靱性を有するため、建設機械の自重などの負荷に対する耐久性を有するものとなる。上記従来の製造方法では、焼入れから焼戻しまでのブッシュの製造工程を、多数のブッシュを１つのバッチとして取り扱い、バッチ単位で無酸化炉加熱や油焼入れなどを行う手法が採用されている。しかし、上記従来の製造方法は、バッチ単位での製造を基本とするためエネルギーロスが大きい、ブッシュの個別生産に不向きである、油などの消耗材を多用するなどの問題がある。
【０００３】
このような問題を解決する方法として、また、焼入れ硬さの改善やコストダウンを期待して、高周波焼入れを取り入れたブッシュの製造方法が、たとえば特許文献１や特許文献２に提案されている。特許文献１には、高炭素含有鋼材に調質を施し、その肉厚全体をソルバイト組織にし、高周波焼入れにより外径表面と内径表面を焼戻しマルテンサイト化し、硬化層を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、高周波誘導加熱と、その後の冷却により表面を焼入れ硬化（マルテンサイト化）し、芯部をソルバイト組織にするブッシュの熱処理方法が開示されている。
【０００４】
しかし、高周波焼入れ法では、炭素含有率が０．３２質量％以下では硬さが低く摩耗し易く、０．６質量％以上では衝撃値が低くなり割れやすいという理由から炭素含有率が０．３２〜０．６０質量％のブッシュ母材を用いるため、全硬化したときに靭性が失われ、割れが発生しやすいという問題がある。また、特許文献１や特許文献２に開示された方法では全肉厚をマルテンサイト化することができないため、その芯部中間層は、マルテンサイトになりきらない組織を内径からの高周波焼入時に焼戻しした層であり、全面ソルバイト組織とはならず、ソルバイト組織とフェライトや微細パーライト組織が混在するため、高い靭性を得ることできない。
【０００５】
本発明者は、上記のような問題を解決し、耐摩耗性に優れ、また、靱性に優れ、割れ破壊が起きにくく、実用性に優れたブッシュの製造方法として、特許文献３に示す製造方法を提案した。この製造方法は、ブッシュ母材を高周波加熱し、ブッシュ母材の外径表面から内径表面まで焼入変態点温度に加熱する工程と、加熱されたブッシュ母材を焼入冷却する工程と、ブッシュ母材の内径表面を高周波により焼入し、中間層を残存させる工程と、炉により低温焼戻しを行う工程とを含む方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−０７８７４６号公報
【特許文献２】特開平０９−１４３５６４号公報
【特許文献３】特開２００９−１７９８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した高周波焼入れによるブッシュの製造方法をさらに改良した発明である。すなわち、従来の高周波加熱は、ブッシュの外径表面を急速に高温にできるなどの表面加熱に優れた特性を有することから、表面温度をタイトに制御するという発想がなかった。実際、高周波加熱では加熱開始から８００℃以上の高温に達するまで数秒程度しか必要としない。一方、本発明者は、調査研究の結果、強度および靭性をさらに高めるためには結晶粒を微細化することが有効であること、および加熱温度が焼入変態点温度でＡＣ３に近いほど微細化した結晶粒が得られることを知得していた。そこで、鋭意検討した結果、従来とは逆に、加熱したブッシュ母材の外径表面温度を所定の温度範囲内に所定時間保持することによって、実用性に優れる製造方法において、ブッシュの結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、結晶粒が微細化し、強度および靭性がさらに向上したブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持工程と、（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、を含むブッシュの製造方法に関する。
【００１０】
また、保持工程（Ｂ）が、前記ブッシュ母材の外径表面温度を少なくとも１秒以上の間、８００〜８７０℃に保持する工程であることが好ましい。
【００１１】
また、加熱工程（Ａ）の周波数が０．５〜１０．０ｋＨｚであることが好ましい。
【００１２】
また、加熱工程（Ａ）の周波数が２．０〜３．０ｋＨｚであることが好ましい。
【００１３】
また、前記ブッシュ母材の厚さが１０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの熱処理装置であって、（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持手段と、（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、を備えたブッシュの熱処理装置に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ブッシュの結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のブッシュの製造方法の第１加熱工程（Ａ）と温度保持工程（Ｂ）の模式説明図である。
【図２】本発明のブッシュの製造方法の冷却工程（Ｃ）の模式説明図である。
【図３】本発明のブッシュの縦断面における部分拡大図である。
【図４】実施例１のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図５】実施例２のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図６】比較例１のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図７】実施例１のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【図８】実施例２のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【図９】比較例１のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明で用いるブッシュ母材は、特に図示しないが、円筒形状を有するものであり、ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械のクローラ（履帯）に用いられるものである。その大きさは特に限定されないが、より高い強度や靭性が求められる大型の自走式建設機械に用いるという理由から、ブッシュ母材の外径（直径）は、たとえば６０〜１２０ｍｍ、内径は３８〜８０ｍｍであることが好ましい。ブッシュ母材の厚さも特に限定されないが、上述した理由から好ましくは１０〜２５ｍｍである。なお、ブッシュ母材の厚さは、その外径表面と内径表面との間の厚さであり、（ブッシュ母材の外径−ブッシュ母材の内径）／２で表される。
【００１８】
ブッシュ母材は０．３２〜０．６０質量％の炭素（Ｃ）を含有する中炭素鋼材である。走行性が高く土砂が噛みこみやすいブルドーザなどの自走式建設機械用としてブッシュを用いる場合、耐摩耗性を重視し、０．５０〜０．６０質量％の炭素を含有することが好ましく、走行の少ないパワーショベルなどの自走式建設機械用としてブッシュを用いる場合、靭性を重視し、０．４０％以上０．５０質量％未満の炭素を含有することが好ましい。
【００１９】
また、ブッシュ母材として、Ｍｎ、ＣｒのいずれかおよびＢが添加された中炭素低合金鋼を用いることが好ましい。Ｍｎの添加は、焼入れ性の確保のためであり、添加量は０．５５〜０．９０質量％とすることが好ましい。Ｃｒの添加は焼入れ性および耐摩耗性の確保のためであり、添加量は０．４５〜１．２０質量％とすることが好ましい。Ｂの添加は焼入性の向上のためであり、添加量は０．０００５〜０．００４０質量％とすることが好ましい。
【００２０】
以下、本発明のブッシュの製造方法について説明する。
【００２１】
（Ａ）加熱工程
ブッシュ母材は、高周波により、その外径表面が８００〜８７０℃に加熱される。具体的には、たとえば図１に示されるようにブッシュ母材１をセンター冶具２で固定し、ブッシュ母材１の外径より大きい内径を有する円筒形状の高周波加熱コイル５内にブッシュ母材１を挿通し、通電する。加熱は、ブッシュ母材１を高周波加熱コイル５に対して固定または移動させながら行うことができ、ブッシュ母材１を周方向に沿って回転させながら加熱することが好ましい。
【００２２】
なお、加熱工程における高周波の周波数は、加熱したいブッシュ母材の加熱深さに応じて最適な周波数を選定できるが、０．５０〜１０．０ｋＨｚの周波数が好適に採用され、効率よく加熱するために、２．０〜３．０ｋＨｚの周波数の高周波で加熱することが好ましい。
【００２３】
また、ブッシュ母材をオーステナイト化させるため、ブッシュ母材の外径表面が焼入変態点温度である８００℃以上となるよう加熱する必要がある。ブッシュ母材の外径表面温度が好ましくは８００〜８７０℃となるよう、より好ましくは８３０〜８７０℃となるよう、最も好ましくは８３０〜８６０℃となるよう加熱する。ブッシュ母材の外径表面温度が８７０℃を超えると徐々に、結晶粒が粗大傾向となり、９３０℃以上では結晶粒の粗大化が加速し、よってブッシュの強度が低下する傾向がある。
【００２４】
（Ｂ）温度保持工程
次に、加熱工程（Ａ）で加熱されたブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する。従来は、高周波加熱がブッシュの外径表面を急速に高温にできるなどの表面加熱に優れた特性を有することから、表面温度を制御するという思想がなく、温度を所定範囲に保持するという思想はなかった。そのため、従来の製造方法では、加熱によってブッシュの外径表面温度は９００℃前後まで上昇し、一旦加熱を停止し、ブッシュ母材の内部に熱拡散させ、表面温度が７００℃付近まで低下した後、再度８７０℃以上に加熱しており、実際のブッシュの内表面と外表面との温度差が大きかった。しかし、本発明では従来の思想とは逆に、ブッシュ母材の外径表面温度を８００℃以上に加熱した後、その温度を８００〜８７０℃の範囲内に所定時間保持するというものである。これによって、ブッシュ母材の外径温度と内径温度が接近し、ブッシュ母材の全肉厚をオーステナイト化でき、かつ結晶粒を微細化することができるので、強度および靭性をさらに高めることができる。特に、厚さが１０ｍｍ以上の大型のブッシュの熱処理において、その効果は顕著である。また、従来の高周波加熱と比べて、エネルギー効率に優れ、加熱時間も短縮することができる。
【００２５】
温度保持工程（Ｂ）では、たとえば図１に示されるように、８００℃以上に加熱されたブッシュ母材１の外径温度は、出力制御手段１０によって８００〜８７０℃の範囲内に保持される。出力制御手段１０は特に限定されないが、温度検知器１１と温度調節計１２と高周波発信機１３とからなることが好ましい。出力制御は、ブッシュ母材１の外径表面温度を温度検知器１１で測定し、所定の温度範囲（たとえば８００〜８５０℃）に保持するよう温度調節計１２によって高周波発信機１３の高周波出力を制御するというものである。この出力制御によって、ブッシュ母材１の厚さが１０ｍｍ以上の場合でも、熱伝導によりブッシュ母材１の内径温度が外径温度に接近し、ブッシュ母材１の全肉厚をオーステナイト化でき、また、ブッシュ母材１の外径温度の上限は制御されているので、結晶粒を微細化することができ、強度および靭性をさらに高めることができる。なお、温度検知器および温度調節計は特に限定されず、既知のものを用いることができるが、温度検知器として赤外線センサーを用いることが好ましい。
【００２６】
温度保持工程（Ｂ）において、ブッシュ母材の外径表面温度は８００〜８７０℃、好ましくは８３０〜８７０℃、より好ましくは８３０〜８６０℃に保持される。これによって、ブッシュ母材の内径表面温度も８００〜８５０℃に昇温され、ブッシュ母材のオーステナイト化率とその後のマルテンサイト化率を最大限まで高めることができ、強度および靭性をさらに高めることができる。ブッシュ母材の外径表面温度が８００℃未満ではブッシュ母材がオーステナイト化せず、８７０℃を超えると、結晶粒が粗大となり、強度が低下する傾向がある。すなわち、温度保持工程（Ｂ）では、ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保った状態の間に、ブッシュ母材の内径表面温度を８００〜８７０℃、または８００〜８５０℃にすることにより、ブッシュ母材の全肉厚をオーステナイト化させる（外径表面温度は、９００℃以上にせずに、結晶粒が粗大となることを防いだうえ、内径表面は８００℃未満にせずに全肉厚をオーステナイト化させる）ことにより、結晶粒を微細化して、強度および靭性を高めている。
【００２７】
温度保持工程（Ｂ）における保持時間は、ブッシュ母材の外径表面温度と内径表面温度を所定の範囲内に接近させることができるものであれば、特に限定されないが、ブッシュ母材の内径表面温度を８００〜８５０℃に昇温し、ブッシュ母材のオーステナイト化を高めるため、少なくとも１秒以上とすることが好ましく、より好ましくは５秒以上であり、最も好ましくは１５秒以上である。また、保持時間は、エネルギーロスを抑えるため、１分以内であることが好ましい。
【００２８】
（Ｃ）冷却工程
加熱工程（Ａ）および温度保持工程（Ｂ）によって、加熱され、温度が保持されたブッシュ母材は、その外径表面および内径表面の両方から焼入冷却される。具体的には、たとえば図２に示されるように、ブッシュ母材１は、ブッシュ母材１の外側に配置された外径冷却ジャケット１５から放出される冷却液と、ブッシュ母材１の中空部に挿入された内径冷却ジャケット１６から放出される冷却液の液流（図２中、矢印で示す流れ）によって焼入冷却される。外径冷却ジャケット１５の形状は特に限定されないが、ブッシュ母材１の外径表面を囲む円筒形状であることが好ましい。また、センター冶具２には特に図示しないが、冷却液を排出する水抜き穴が設けられていることが好ましい。冷却液も特に限定されず、既知のものを使用することができるが、冷却性に優れるという理由からソリブルクエンチを用いることが好ましい。
【００２９】
高周波焼入れでは、マルテンサイト化率が炉による焼入れと比較して増加し、焼入硬度は炉による焼入れと比較して高くなるが、上述した外径表面および内径表面の両方からのブッシュ母材の焼入冷却によって、加熱工程（Ａ）によってオーステナイト化されたブッシュ母材は、外径表面から内径表面までマルテンサイト化され、ブッシュ母材は一旦全硬化される。本発明において、全硬化とは、ブッシュ母材の全肉厚がマルテンサイト化された状態をいう。ブッシュ母材の肉厚全体を全硬化することにより、高温焼戻し後の引張強度および衝撃値を、全硬化していない不完全焼入れの場合と比較して１０〜３０％向上させることができる。
【００３０】
冷却工程（Ｃ）における焼入冷却温度は特に限定されないが、好ましくはブッシュ母材を１３０℃以下に、より好ましくは３０〜１３０℃になるよう冷却する温度である。また、焼入冷却は急速冷却であることが好ましく、冷却時間は３分以内であることがより好ましく、１分以内であることが最も好ましい。この急速冷却によって、ブッシュ母材の外径表面から内径表面までの全肉厚をマルテンサイト化することができる。
【００３１】
以上の工程によって製造されたブッシュは、外径表面から内径表面までの全肉厚においてビッカース硬さＨｖ（以下、単にＨｖという）が６００以上、好ましくは６１０以上、より好ましくは６１５以上となり、ブッシュの肉厚の全域においてマルテンサイト化された全硬化ブッシュとなる。また、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に基づく結晶粒度が、平均粒度番号の平均値で９．０以上、好ましくは９．５以上、より好ましくは１０以上となり、ブッシュは非常に強度に優れたものとなる。
【００３２】
冷却工程（Ｃ）の後、既知の焼戻し工程等によってブッシュは製造されるが、本発明は冷却工程（Ｃ）より後の工程については特に限定されず、たとえば、低温焼戻し工程と内径高周波加熱工程と低温焼戻し工程とを含む製造方法（第１の態様）や、高周波焼戻し工程と内径高周波加熱工程と低温焼戻し工程とを含む製造方法（第２の態様）があげられる。以下、第１の態様と第２の態様について説明する。
【００３３】
第１の態様によるブッシュの製造方法は、冷却工程（Ｃ）の後、低温焼戻し工程（Ｄ）、内径高周波加熱工程（Ｅ）および低温焼戻し工程（Ｆ）を含む。
【００３４】
（Ｄ）低温焼戻し工程
冷却工程（Ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、炉で低温焼戻しに供される。耐摩耗性および靭性を兼ね備える観点から、焼戻し温度は１５０〜２００℃程度であり、好ましくは１５０〜１８０℃であり、４〜６時間加熱することにより、焼戻しが行われる。
【００３５】
（Ｅ）内径高周波加熱工程
低温焼戻し工程（Ｄ）の後、ブッシュ母材は、その内径が高周波加熱コイルで移動加熱される。高周波加熱コイルの周波数は特に限定されないが、３．０〜３０ｋＨｚ、特に１５〜３０ｋＨｚであることが好ましい。以下、図３を使って説明する。図３のブッシュ母材１の上端は外径表面であり、下端は内径表面であるが、内径表面側を高周波加熱コイルで移動焼入れすると、内径表面はマルテンサイト化され、硬化層（内径表面層２０）が形成される。また、この移動加熱により、ブッシュ母材の芯部は焼き戻されて、ソルバイト組織からなる中間層２１が形成される。ここでソルバイト組織とは、マルテンサイトを焼き戻した場合に得られる組織であり、マルテンサイトほど硬くも脆くもなく、パーライトより硬くて強靭で、衝撃抵抗が大きい組織をいう。このとき、ブッシュ母材の外径表面を冷却しながら、移動加熱することで、ブッシュ母材の外径表面に硬化層（外径表面層２２）が形成される。これによって、ブッシュ母材の外径表面および内径表面には硬化層が形成され、その芯部には硬度は低いが、高い靭性を有するソルバイト組織が形成され、強度および靭性に優れたブッシュが製造される。
【００３６】
（Ｆ）低温焼戻し工程
内径高周波加熱工程（Ｅ）の後、再び低温焼戻しが行われるが、この低温焼戻し工程（Ｆ）は低温焼戻し工程（Ｄ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００３７】
第２の態様によるブッシュの製造方法は、冷却工程（Ｃ）の後、高周波焼戻し工程（Ｇ）、外径高周波加熱、焼入れ工程（Ｈ）、内径高周波加熱工程（Ｉ）および低温焼戻し工程（Ｊ）を含む。
【００３８】
（Ｇ）高周波焼戻し工程
冷却工程（Ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、高周波により焼き戻される。具体的には、センター冶具などで固定したブッシュ母材を、ブッシュ母材の外径より大きい内径を有する円筒形状の高周波加熱コイル中に挿通し、通電する。加熱は、ブッシュ母材を高周波加熱コイルに対して固定または移動させながら行うことができ、ブッシュ母材の周方向に沿って回転させながら加熱することが好ましい。高周波焼戻し工程における高周波の周波数は、特に限定されないが、加熱工程（Ａ）と同様に０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることが好ましい。
【００３９】
高周波焼戻し工程（Ｇ）では、ブッシュ母材の外径表面が、焼戻し温度である５７０〜６５０℃に達するまで加熱することが好ましい。この高温焼戻しにより、全硬化し、マルテンサイト化されたブッシュ母材の全肉厚がソルバイト組織になる。高周波焼入れおよび高周波高温焼戻しを行うことにより、同じ硬度であれば、高温で焼戻しを行った方が靭性の高いブッシュを得ることができ、また、加熱工程（Ａ）から高周波焼戻し工程（Ｇ）までを個別処理することができ、バッチ処理に比べてエネルギーロスが少ないなどコスト面で優れる。
【００４０】
高周波焼戻し工程（Ｇ）の後、ブッシュ母材は、外径が高周波加熱コイルで移動加熱される外径高周波加熱、焼入れ工程（Ｈ）により焼入れされる。詳細については、内径高周波加熱工程（Ｅ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４１】
（Ｉ）内径高周波加熱工程
上述した内径高周波加熱工程（Ｅ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４２】
（Ｊ）低温焼戻し工程
上述した低温焼戻し工程（Ｄ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４３】
以上の工程を含む製造方法によって製造されたブッシュは、Ｈｖが６００以上の外径表面層の外径表面からの深さがブッシュ母材の厚さの２０〜４５％の範囲となる。また、Ｈｖ６００以上の内径表面層の内径表面からの深さがブッシュ母材の厚さの１０〜３５％の範囲となる。外径表面層と内径表面層との間の芯部の中間層の最低硬度は、Ｈｖ２７２〜３５４になる。また、中間層のシャルピー衝撃値は、９０〜１４０Ｊ／ｃｍ2になる。本発明の製造方法により製造されたブッシュは、耐摩耗性に優れ、本発明により製造されたブッシュの芯部中間層はソルバイト組織となっているため、優れた靭性を有する。
【００４４】
次に、本発明のブッシュの熱処理装置について説明する。
【００４５】
熱処理装置は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの熱処理装置であって、（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持手段と、（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、を備える。
【００４６】
加熱手段（ａ）は高周波加熱コイルであり、高周波を出力し、加熱対象物であるブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱することができるものであれば特に限定されない。高周波加熱コイルから出力される高周波の周波数は、上述のように特に限定されないが、０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることができる。その構造、作用および効果については、加熱工程（Ａ）において説明したとおりである。
【００４７】
温度保持手段（ｂ）は、加熱手段（ａ）によって加熱されたブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持するためのものであり、たとえば図１に示されるように、少なくとも温度検知器１１と温度調節計１２とを有する出力制御手段１０とを備える。その構造、作用および効果については、温度保持工程（Ｂ）において説明したとおりである。
【００４８】
冷却手段（ｃ）は、加熱手段（ａ）および温度保持手段（ｂ）によって、加熱され、温度が保持されたブッシュ母材を、その外径表面および内径表面の両方から焼入冷却するものであれば特に限定されず、ブッシュ母材の外径表面を冷却する外側冷却手段と、ブッシュ母材の内径表面を冷却する内側冷却手段とを備えるものが好ましい。たとえば図２に示されるように、ブッシュ母材１の外側に配置された外径冷却ジャケット１５と、ブッシュ母材１の中空部に挿入された内径冷却ジャケット１６とを備えるよう構成し、これらの冷却ジャケットから冷却液を放出するよう構成すれば、ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方を急速冷却できるため、より好ましい。その構造、作用および効果については、冷却工程（Ｃ）において説明したとおりである。
【００４９】
本発明のブッシュの熱処理装置は、さらに高周波焼戻し手段（ｇ）を備えることが好ましい。冷却手段（ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、高周波焼戻し手段（ｇ）から出力される高周波により、焼き戻される。高周波焼戻し手段（ｇ）は高周波加熱コイルであり、ブッシュ母材の外径表面を、焼戻し温度である５７０〜６５０℃に達するまで加熱することができるものであれば特に限定されない。なお、上述のように高周波焼戻し手段から出力される高周波の周波数は特に限定されないが、０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることができる。その構造、作用および効果については、高周波焼戻し工程（Ｇ）において説明したとおりである。
【実施例】
【００５０】
次に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５１】
実施例１
ブッシュ材質ＳＣｒＢ４４０Ｈ、長さ１５８．９ｍｍ、外径６７．０ｍｍ、内径４５．０ｍｍ、厚さ１１．０ｍｍ、炭素含有率が０．４１質量％のブッシュ母材を使用した。
【００５２】
熱処理装置において、ブッシュ母材の下端をセンター冶具で固定し、円筒形状を有する高周波加熱コイル内に挿通し、ブッシュ母材に周方向１００ｒｐｍの回転を与えながら、高周波発振機（電気興業（株）製ＰＴＧ−２００）により周波数２．０ｋＨｚおよび電力２００ｋＷでブッシュ母材の加熱を行った。ブッシュ母材は９秒の加熱によって、その外径表面温度が８７０℃に達した（なお、図４では、外径表面温度が４５０℃から時間の計測をしており、図４においては６秒後に８７０℃に達している）。また、熱処理装置には、ブッシュ母材の外径表面温度を検知するパイロスコープ（ジャパンセンサー（株）製ＦＴＫ９）を取り付け、パイロスコープからの検知温度が８３０〜８５０℃の範囲内となるように温度調節計によって高周波発信機の出力を制御できるよう構成しており、この出力制御によってブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に２１秒間保持した（図４における６〜２７秒）。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図４中、実線で示す）および内径表面温度（図４中、破線で示す）の推移を図４に示す。
【００５３】
加熱終了後、ブッシュ母材を移動し、円筒形状を有する外径冷却ジャケット内に挿通し、ブッシュ母材の内径の内側に棒状の内径冷却ジャケットを挿通した。そして、外径冷却ジャケットおよび内径冷却ジャケットの両方から冷却液（大同化学工業（株）製ＮＴ−３）を３００〜４５０Ｌ／分で１２秒間放出し、焼入冷却を行い、ブッシュ母材の外径表面温度および内径表面温度を３０℃まで低下させた。加熱終了から焼入冷却終了までの所要時間は１分以内であった。焼入冷却されたブッシュ母材は、炉にて１６０℃で５時間低温焼戻しに供し、熱処理されたブッシュを製造した。得られたブッシュについて、下記の測定を行った。結果を表１および図７に示す。
【００５４】
（結晶粒度）
得られたブッシュについて、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠して外径表面結晶粒度の測定を行った。粒度分布の測定は、ブッシュの中央および両端面から内側５ｃｍの合計３点（表１〜３において、一方の端面から内側５ｃｍの位置を位置Ａとし、ブッシュの中央を位置Ｂとし、他方の端面から内側５ｃｍの位置を位置Ｃとする。）で行い、各位置における全視野数の平均値を表記した。
【００５５】
（ブッシュの外径表面の拡大観察）
得られたブッシュの外径表面を光学顕微鏡により４００倍に拡大し、観察した。
【００５６】
実施例２
長さ２２５．６ｍｍ、外径９９．０ｍｍ、内径６１．０ｍｍ、厚さ１９．０ｍｍのブッシュ母材を用いたこと、加熱によって８５０℃に達するまでの時間が１８秒であったこと、ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に約４０秒間保持したこと（図５における１８〜６０秒）以外は、実施例１と同様の方法により、熱処理されたブッシュを製造した。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図５中、実線で示す）および内径表面温度（図５中、破線で示す）の推移を図５に示す。得られたブッシュについて、実施例１と同様の測定を行った。結果を表２および図８に示す。
【００５７】
比較例１
実施例１と同じブッシュ母材を、加熱工程において、周波数２．０ｋＨｚ、最大電力１９０．０ｋＷ、加熱時間１８秒の条件で加熱し、８００〜８７０℃の温度保持を行わず、冷却工程において、２０秒間冷却液を放出し、冷却液としてユーコンＡ（長瀬産業（株）輸入品）を用いたほかは実施例１と同様の方法によりブッシュを製造した。なお、加熱工程において、熱電対を貼り付けて表面温度を計測したところ、外径表面温度が９１５℃まで上昇し（図６における４５秒）、内径表面温度が８４０℃まで上昇（図６における４２秒）したことを確認した。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図６中、実線で示す）および内径表面温度（図６中、破線で示す）の推移を図６に示す。得られたブッシュについて、実施例１と同様の測定を行った。結果を表３および図９に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
表および図に示されるように、実施例１および２においては、平均結晶粒度が、１０．０前後であり、比較例１は、平均結晶粒度が、８．０を下回った。また、図７〜９の写真に示すように、実施例１および２のブッシュの外径表面は、結晶粒が微細化しているのに対し、比較例１のように加熱工程後に温度保持をしなかったものは、外径表面と内径表面とで温度差がでてしまい、内径側もオーステナイト化するためには、外径表面を必要以上に加熱する必要があり、結晶粒が大きくなってしまった。以上、表１〜３および図７〜９に示すように、加熱工程後に、温度保持工程を有する実施例１および２のブッシュ母材は、温度保持工程を有さない比較例と比べて、結晶粒が微細化していることがわかった。したがって、温度保持工程により、内径表面温度と外径表面温度との差を無くすことにより、結晶粒を微細化しすることができる。以上より、本発明の製造方法によれば、結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ ブッシュ母材
２ センター冶具
５ 高周波加熱コイル
１０ 出力制御手段
１１ 温度検知器
１２ 温度調節計
１３ 高周波発信機
１５ 外径冷却ジャケット
１６ 内径冷却ジャケット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械に使用されるブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械のクローラ（履帯）に使用されるブッシュはトラックブッシュとも呼ばれ、その外径表面と内径表面の両方に高い耐摩耗性が要求されるとともに、ブッシュに加わる負荷に耐えるため、高い強度や靱性も要求される。このような要求を満足するため、従来から、浸炭焼入れによってブッシュ母材をオーステナイト化し、焼入冷却によってマルテンサイト化し、続く焼戻しによって表面が少し軟化し、表面層は耐摩耗性および靭性を有するトラックブッシュが製造されている。芯部は低Ｃ％マルテンサイトで靱性を有するため、建設機械の自重などの負荷に対する耐久性を有するものとなる。上記従来の製造方法では、焼入れから焼戻しまでのブッシュの製造工程を、多数のブッシュを１つのバッチとして取り扱い、バッチ単位で無酸化炉加熱や油焼入れなどを行う手法が採用されている。しかし、上記従来の製造方法は、バッチ単位での製造を基本とするためエネルギーロスが大きい、ブッシュの個別生産に不向きである、油などの消耗材を多用するなどの問題がある。
【０００３】
このような問題を解決する方法として、また、焼入れ硬さの改善やコストダウンを期待して、高周波焼入れを取り入れたブッシュの製造方法が、たとえば特許文献１や特許文献２に提案されている。特許文献１には、高炭素含有鋼材に調質を施し、その肉厚全体をソルバイト組織にし、高周波焼入れにより外径表面と内径表面を焼戻しマルテンサイト化し、硬化層を形成する方法が開示されている。また、特許文献２には、高周波誘導加熱と、その後の冷却により表面を焼入れ硬化（マルテンサイト化）し、芯部をソルバイト組織にするブッシュの熱処理方法が開示されている。
【０００４】
しかし、高周波焼入れ法では、炭素含有率が０．３２質量％以下では硬さが低く摩耗し易く、０．６質量％以上では衝撃値が低くなり割れやすいという理由から炭素含有率が０．３２〜０．６０質量％のブッシュ母材を用いるため、全硬化したときに靭性が失われ、割れが発生しやすいという問題がある。また、特許文献１や特許文献２に開示された方法では全肉厚をマルテンサイト化することができないため、その芯部中間層は、マルテンサイトになりきらない組織を内径からの高周波焼入時に焼戻しした層であり、全面ソルバイト組織とはならず、ソルバイト組織とフェライトや微細パーライト組織が混在するため、高い靭性を得ることできない。
【０００５】
本発明者は、上記のような問題を解決し、耐摩耗性に優れ、また、靱性に優れ、割れ破壊が起きにくく、実用性に優れたブッシュの製造方法として、特許文献３に示す製造方法を提案した。この製造方法は、ブッシュ母材を高周波加熱し、ブッシュ母材の外径表面から内径表面まで焼入変態点温度に加熱する工程と、加熱されたブッシュ母材を焼入冷却する工程と、ブッシュ母材の内径表面を高周波により焼入し、中間層を残存させる工程と、炉により低温焼戻しを行う工程とを含む方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−０７８７４６号公報
【特許文献２】特開平０９−１４３５６４号公報
【特許文献３】特開２００９−１７９８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した高周波焼入れによるブッシュの製造方法をさらに改良した発明である。すなわち、従来の高周波加熱は、ブッシュの外径表面を急速に高温にできるなどの表面加熱に優れた特性を有することから、表面温度をタイトに制御するという発想がなかった。実際、高周波加熱では加熱開始から８００℃以上の高温に達するまで数秒程度しか必要としない。一方、本発明者は、調査研究の結果、強度および靭性をさらに高めるためには結晶粒を微細化することが有効であること、および加熱温度が焼入変態点温度でＡＣ３に近いほど微細化した結晶粒が得られることを知得していた。そこで、鋭意検討した結果、従来とは逆に、加熱したブッシュ母材の外径表面温度を所定の温度範囲内に所定時間保持することによって、実用性に優れる製造方法において、ブッシュの結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、結晶粒が微細化し、強度および靭性がさらに向上したブッシュの製造方法およびブッシュの熱処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持工程と、（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、を含むブッシュの製造方法に関する。
【００１０】
また、保持工程（Ｂ）が、前記ブッシュ母材の外径表面温度を少なくとも１秒以上の間、８００〜８７０℃に保持する工程であることが好ましい。
【００１１】
また、加熱工程（Ａ）の周波数が０．５〜１０．０ｋＨｚであることが好ましい。
【００１２】
また、加熱工程（Ａ）の周波数が２．０〜３．０ｋＨｚであることが好ましい。
【００１３】
また、前記ブッシュ母材の厚さが１０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１４】
本発明は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの熱処理装置であって、（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持手段と、（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、を備えたブッシュの熱処理装置に関する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ブッシュの結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のブッシュの製造方法の第１加熱工程（Ａ）と温度保持工程（Ｂ）の模式説明図である。
【図２】本発明のブッシュの製造方法の冷却工程（Ｃ）の模式説明図である。
【図３】本発明のブッシュの縦断面における部分拡大図である。
【図４】実施例１のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図５】実施例２のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図６】比較例１のブッシュの外径表面温度および内径表面温度を示すグラフである。
【図７】実施例１のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【図８】実施例２のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【図９】比較例１のブッシュの外径表面を４００倍に拡大した結晶粒度画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明で用いるブッシュ母材は、特に図示しないが、円筒形状を有するものであり、ブルドーザやパワーショベルなどの自走式建設機械のクローラ（履帯）に用いられるものである。その大きさは特に限定されないが、より高い強度や靭性が求められる大型の自走式建設機械に用いるという理由から、ブッシュ母材の外径（直径）は、たとえば６０〜１２０ｍｍ、内径は３８〜８０ｍｍであることが好ましい。ブッシュ母材の厚さも特に限定されないが、上述した理由から好ましくは１０〜２５ｍｍである。なお、ブッシュ母材の厚さは、その外径表面と内径表面との間の厚さであり、（ブッシュ母材の外径−ブッシュ母材の内径）／２で表される。
【００１８】
ブッシュ母材は０．３２〜０．６０質量％の炭素（Ｃ）を含有する中炭素鋼材である。走行性が高く土砂が噛みこみやすいブルドーザなどの自走式建設機械用としてブッシュを用いる場合、耐摩耗性を重視し、０．５０〜０．６０質量％の炭素を含有することが好ましく、走行の少ないパワーショベルなどの自走式建設機械用としてブッシュを用いる場合、靭性を重視し、０．４０％以上０．５０質量％未満の炭素を含有することが好ましい。
【００１９】
また、ブッシュ母材として、Ｍｎ、ＣｒのいずれかおよびＢが添加された中炭素低合金鋼を用いることが好ましい。Ｍｎの添加は、焼入れ性の確保のためであり、添加量は０．５５〜０．９０質量％とすることが好ましい。Ｃｒの添加は焼入れ性および耐摩耗性の確保のためであり、添加量は０．４５〜１．２０質量％とすることが好ましい。Ｂの添加は焼入性の向上のためであり、添加量は０．０００５〜０．００４０質量％とすることが好ましい。
【００２０】
以下、本発明のブッシュの製造方法について説明する。
【００２１】
（Ａ）加熱工程
ブッシュ母材は、高周波により、その外径表面が８００〜８７０℃に加熱される。具体的には、たとえば図１に示されるようにブッシュ母材１をセンター冶具２で固定し、ブッシュ母材１の外径より大きい内径を有する円筒形状の高周波加熱コイル５内にブッシュ母材１を挿通し、通電する。加熱は、ブッシュ母材１を高周波加熱コイル５に対して固定または移動させながら行うことができ、ブッシュ母材１を周方向に沿って回転させながら加熱することが好ましい。
【００２２】
なお、加熱工程における高周波の周波数は、加熱したいブッシュ母材の加熱深さに応じて最適な周波数を選定できるが、０．５０〜１０．０ｋＨｚの周波数が好適に採用され、効率よく加熱するために、２．０〜３．０ｋＨｚの周波数の高周波で加熱することが好ましい。
【００２３】
また、ブッシュ母材をオーステナイト化させるため、ブッシュ母材の外径表面が焼入変態点温度である８００℃以上となるよう加熱する必要がある。ブッシュ母材の外径表面温度が好ましくは８００〜８７０℃となるよう、より好ましくは８３０〜８７０℃となるよう、最も好ましくは８３０〜８６０℃となるよう加熱する。ブッシュ母材の外径表面温度が８７０℃を超えると徐々に、結晶粒が粗大傾向となり、９３０℃以上では結晶粒の粗大化が加速し、よってブッシュの強度が低下する傾向がある。
【００２４】
（Ｂ）温度保持工程
次に、加熱工程（Ａ）で加熱されたブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する。従来は、高周波加熱がブッシュの外径表面を急速に高温にできるなどの表面加熱に優れた特性を有することから、表面温度を制御するという思想がなく、温度を所定範囲に保持するという思想はなかった。そのため、従来の製造方法では、加熱によってブッシュの外径表面温度は９００℃前後まで上昇し、一旦加熱を停止し、ブッシュ母材の内部に熱拡散させ、表面温度が７００℃付近まで低下した後、再度８７０℃以上に加熱しており、実際のブッシュの内表面と外表面との温度差が大きかった。しかし、本発明では従来の思想とは逆に、ブッシュ母材の外径表面温度を８００℃以上に加熱した後、その温度を８００〜８７０℃の範囲内に所定時間保持するというものである。これによって、ブッシュ母材の外径温度と内径温度が接近し、ブッシュ母材の全肉厚をオーステナイト化でき、かつ結晶粒を微細化することができるので、強度および靭性をさらに高めることができる。特に、厚さが１０ｍｍ以上の大型のブッシュの熱処理において、その効果は顕著である。また、従来の高周波加熱と比べて、エネルギー効率に優れ、加熱時間も短縮することができる。
【００２５】
温度保持工程（Ｂ）では、たとえば図１に示されるように、８００℃以上に加熱されたブッシュ母材１の外径温度は、出力制御手段１０によって８００〜８７０℃の範囲内に保持される。出力制御手段１０は特に限定されないが、温度検知器１１と温度調節計１２と高周波発信機１３とからなることが好ましい。出力制御は、ブッシュ母材１の外径表面温度を温度検知器１１で測定し、所定の温度範囲（たとえば８００〜８５０℃）に保持するよう温度調節計１２によって高周波発信機１３の高周波出力を制御するというものである。この出力制御によって、ブッシュ母材１の厚さが１０ｍｍ以上の場合でも、熱伝導によりブッシュ母材１の内径温度が外径温度に接近し、ブッシュ母材１の全肉厚をオーステナイト化でき、また、ブッシュ母材１の外径温度の上限は制御されているので、結晶粒を微細化することができ、強度および靭性をさらに高めることができる。なお、温度検知器および温度調節計は特に限定されず、既知のものを用いることができるが、温度検知器として赤外線センサーを用いることが好ましい。
【００２６】
温度保持工程（Ｂ）において、ブッシュ母材の外径表面温度は８００〜８７０℃、好ましくは８３０〜８７０℃、より好ましくは８３０〜８６０℃に保持される。これによって、ブッシュ母材の内径表面温度も８００〜８５０℃に昇温され、ブッシュ母材のオーステナイト化率とその後のマルテンサイト化率を最大限まで高めることができ、強度および靭性をさらに高めることができる。ブッシュ母材の外径表面温度が８００℃未満ではブッシュ母材がオーステナイト化せず、８７０℃を超えると、結晶粒が粗大となり、強度が低下する傾向がある。すなわち、温度保持工程（Ｂ）では、ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保った状態の間に、ブッシュ母材の内径表面温度を８００〜８７０℃、または８００〜８５０℃にすることにより、ブッシュ母材の全肉厚をオーステナイト化させる（外径表面温度は、９００℃以上にせずに、結晶粒が粗大となることを防いだうえ、内径表面は８００℃未満にせずに全肉厚をオーステナイト化させる）ことにより、結晶粒を微細化して、強度および靭性を高めている。
【００２７】
温度保持工程（Ｂ）における保持時間は、ブッシュ母材の外径表面温度と内径表面温度を所定の範囲内に接近させることができるものであれば、特に限定されないが、ブッシュ母材の内径表面温度を８００〜８５０℃に昇温し、ブッシュ母材のオーステナイト化を高めるため、少なくとも１秒以上とすることが好ましく、より好ましくは５秒以上であり、最も好ましくは１５秒以上である。また、保持時間は、エネルギーロスを抑えるため、１分以内であることが好ましい。
【００２８】
（Ｃ）冷却工程
加熱工程（Ａ）および温度保持工程（Ｂ）によって、加熱され、温度が保持されたブッシュ母材は、その外径表面および内径表面の両方から焼入冷却される。具体的には、たとえば図２に示されるように、ブッシュ母材１は、ブッシュ母材１の外側に配置された外径冷却ジャケット１５から放出される冷却液と、ブッシュ母材１の中空部に挿入された内径冷却ジャケット１６から放出される冷却液の液流（図２中、矢印で示す流れ）によって焼入冷却される。外径冷却ジャケット１５の形状は特に限定されないが、ブッシュ母材１の外径表面を囲む円筒形状であることが好ましい。また、センター冶具２には特に図示しないが、冷却液を排出する水抜き穴が設けられていることが好ましい。冷却液も特に限定されず、既知のものを使用することができるが、冷却性に優れるという理由からソリブルクエンチを用いることが好ましい。
【００２９】
高周波焼入れでは、マルテンサイト化率が炉による焼入れと比較して増加し、焼入硬度は炉による焼入れと比較して高くなるが、上述した外径表面および内径表面の両方からのブッシュ母材の焼入冷却によって、加熱工程（Ａ）によってオーステナイト化されたブッシュ母材は、外径表面から内径表面までマルテンサイト化され、ブッシュ母材は一旦全硬化される。本発明において、全硬化とは、ブッシュ母材の全肉厚がマルテンサイト化された状態をいう。ブッシュ母材の肉厚全体を全硬化することにより、高温焼戻し後の引張強度および衝撃値を、全硬化していない不完全焼入れの場合と比較して１０〜３０％向上させることができる。
【００３０】
冷却工程（Ｃ）における焼入冷却温度は特に限定されないが、好ましくはブッシュ母材を１３０℃以下に、より好ましくは３０〜１３０℃になるよう冷却する温度である。また、焼入冷却は急速冷却であることが好ましく、冷却時間は３分以内であることがより好ましく、１分以内であることが最も好ましい。この急速冷却によって、ブッシュ母材の外径表面から内径表面までの全肉厚をマルテンサイト化することができる。
【００３１】
以上の工程によって製造されたブッシュは、外径表面から内径表面までの全肉厚においてビッカース硬さＨｖ（以下、単にＨｖという）が６００以上、好ましくは６１０以上、より好ましくは６１５以上となり、ブッシュの肉厚の全域においてマルテンサイト化された全硬化ブッシュとなる。また、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に基づく結晶粒度が、平均粒度番号の平均値で９．０以上、好ましくは９．５以上、より好ましくは１０以上となり、ブッシュは非常に強度に優れたものとなる。
【００３２】
冷却工程（Ｃ）の後、既知の焼戻し工程等によってブッシュは製造されるが、本発明は冷却工程（Ｃ）より後の工程については特に限定されず、たとえば、低温焼戻し工程と内径高周波加熱工程と低温焼戻し工程とを含む製造方法（第１の態様）や、高周波焼戻し工程と内径高周波加熱工程と低温焼戻し工程とを含む製造方法（第２の態様）があげられる。以下、第１の態様と第２の態様について説明する。
【００３３】
第１の態様によるブッシュの製造方法は、冷却工程（Ｃ）の後、低温焼戻し工程（Ｄ）、内径高周波加熱工程（Ｅ）および低温焼戻し工程（Ｆ）を含む。
【００３４】
（Ｄ）低温焼戻し工程
冷却工程（Ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、炉で低温焼戻しに供される。耐摩耗性および靭性を兼ね備える観点から、焼戻し温度は１５０〜２００℃程度であり、好ましくは１５０〜１８０℃であり、４〜６時間加熱することにより、焼戻しが行われる。
【００３５】
（Ｅ）内径高周波加熱工程
低温焼戻し工程（Ｄ）の後、ブッシュ母材は、その内径が高周波加熱コイルで移動加熱される。高周波加熱コイルの周波数は特に限定されないが、３．０〜３０ｋＨｚ、特に１５〜３０ｋＨｚであることが好ましい。以下、図３を使って説明する。図３のブッシュ母材１の上端は外径表面であり、下端は内径表面であるが、内径表面側を高周波加熱コイルで移動焼入れすると、内径表面はマルテンサイト化され、硬化層（内径表面層２０）が形成される。また、この移動加熱により、ブッシュ母材の芯部は焼き戻されて、ソルバイト組織からなる中間層２１が形成される。ここでソルバイト組織とは、マルテンサイトを焼き戻した場合に得られる組織であり、マルテンサイトほど硬くも脆くもなく、パーライトより硬くて強靭で、衝撃抵抗が大きい組織をいう。このとき、ブッシュ母材の外径表面を冷却しながら、移動加熱することで、ブッシュ母材の外径表面に硬化層（外径表面層２２）が形成される。これによって、ブッシュ母材の外径表面および内径表面には硬化層が形成され、その芯部には硬度は低いが、高い靭性を有するソルバイト組織が形成され、強度および靭性に優れたブッシュが製造される。
【００３６】
（Ｆ）低温焼戻し工程
内径高周波加熱工程（Ｅ）の後、再び低温焼戻しが行われるが、この低温焼戻し工程（Ｆ）は低温焼戻し工程（Ｄ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００３７】
第２の態様によるブッシュの製造方法は、冷却工程（Ｃ）の後、高周波焼戻し工程（Ｇ）、外径高周波加熱、焼入れ工程（Ｈ）、内径高周波加熱工程（Ｉ）および低温焼戻し工程（Ｊ）を含む。
【００３８】
（Ｇ）高周波焼戻し工程
冷却工程（Ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、高周波により焼き戻される。具体的には、センター冶具などで固定したブッシュ母材を、ブッシュ母材の外径より大きい内径を有する円筒形状の高周波加熱コイル中に挿通し、通電する。加熱は、ブッシュ母材を高周波加熱コイルに対して固定または移動させながら行うことができ、ブッシュ母材の周方向に沿って回転させながら加熱することが好ましい。高周波焼戻し工程における高周波の周波数は、特に限定されないが、加熱工程（Ａ）と同様に０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることが好ましい。
【００３９】
高周波焼戻し工程（Ｇ）では、ブッシュ母材の外径表面が、焼戻し温度である５７０〜６５０℃に達するまで加熱することが好ましい。この高温焼戻しにより、全硬化し、マルテンサイト化されたブッシュ母材の全肉厚がソルバイト組織になる。高周波焼入れおよび高周波高温焼戻しを行うことにより、同じ硬度であれば、高温で焼戻しを行った方が靭性の高いブッシュを得ることができ、また、加熱工程（Ａ）から高周波焼戻し工程（Ｇ）までを個別処理することができ、バッチ処理に比べてエネルギーロスが少ないなどコスト面で優れる。
【００４０】
高周波焼戻し工程（Ｇ）の後、ブッシュ母材は、外径が高周波加熱コイルで移動加熱される外径高周波加熱、焼入れ工程（Ｈ）により焼入れされる。詳細については、内径高周波加熱工程（Ｅ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４１】
（Ｉ）内径高周波加熱工程
上述した内径高周波加熱工程（Ｅ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４２】
（Ｊ）低温焼戻し工程
上述した低温焼戻し工程（Ｄ）と基本的に同じであるため、説明は繰り返さない。
【００４３】
以上の工程を含む製造方法によって製造されたブッシュは、Ｈｖが６００以上の外径表面層の外径表面からの深さがブッシュ母材の厚さの２０〜４５％の範囲となる。また、Ｈｖ６００以上の内径表面層の内径表面からの深さがブッシュ母材の厚さの１０〜３５％の範囲となる。外径表面層と内径表面層との間の芯部の中間層の最低硬度は、Ｈｖ２７２〜３５４になる。また、中間層のシャルピー衝撃値は、９０〜１４０Ｊ／ｃｍ2になる。本発明の製造方法により製造されたブッシュは、耐摩耗性に優れ、本発明により製造されたブッシュの芯部中間層はソルバイト組織となっているため、優れた靭性を有する。
【００４４】
次に、本発明のブッシュの熱処理装置について説明する。
【００４５】
熱処理装置は、０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの熱処理装置であって、（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する温度保持手段と、（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、を備える。
【００４６】
加熱手段（ａ）は高周波加熱コイルであり、高周波を出力し、加熱対象物であるブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱することができるものであれば特に限定されない。高周波加熱コイルから出力される高周波の周波数は、上述のように特に限定されないが、０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることができる。その構造、作用および効果については、加熱工程（Ａ）において説明したとおりである。
【００４７】
温度保持手段（ｂ）は、加熱手段（ａ）によって加熱されたブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持するためのものであり、たとえば図１に示されるように、少なくとも温度検知器１１と温度調節計１２とを有する出力制御手段１０とを備える。その構造、作用および効果については、温度保持工程（Ｂ）において説明したとおりである。
【００４８】
冷却手段（ｃ）は、加熱手段（ａ）および温度保持手段（ｂ）によって、加熱され、温度が保持されたブッシュ母材を、その外径表面および内径表面の両方から焼入冷却するものであれば特に限定されず、ブッシュ母材の外径表面を冷却する外側冷却手段と、ブッシュ母材の内径表面を冷却する内側冷却手段とを備えるものが好ましい。たとえば図２に示されるように、ブッシュ母材１の外側に配置された外径冷却ジャケット１５と、ブッシュ母材１の中空部に挿入された内径冷却ジャケット１６とを備えるよう構成し、これらの冷却ジャケットから冷却液を放出するよう構成すれば、ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方を急速冷却できるため、より好ましい。その構造、作用および効果については、冷却工程（Ｃ）において説明したとおりである。
【００４９】
本発明のブッシュの熱処理装置は、さらに高周波焼戻し手段（ｇ）を備えることが好ましい。冷却手段（ｃ）によって焼入冷却されたブッシュ母材は、高周波焼戻し手段（ｇ）から出力される高周波により、焼き戻される。高周波焼戻し手段（ｇ）は高周波加熱コイルであり、ブッシュ母材の外径表面を、焼戻し温度である５７０〜６５０℃に達するまで加熱することができるものであれば特に限定されない。なお、上述のように高周波焼戻し手段から出力される高周波の周波数は特に限定されないが、０．５０〜１０．０ｋＨｚとすることができる。その構造、作用および効果については、高周波焼戻し工程（Ｇ）において説明したとおりである。
【実施例】
【００５０】
次に本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００５１】
実施例１
ブッシュ材質ＳＣｒＢ４４０Ｈ、長さ１５８．９ｍｍ、外径６７．０ｍｍ、内径４５．０ｍｍ、厚さ１１．０ｍｍ、炭素含有率が０．４１質量％のブッシュ母材を使用した。
【００５２】
熱処理装置において、ブッシュ母材の下端をセンター冶具で固定し、円筒形状を有する高周波加熱コイル内に挿通し、ブッシュ母材に周方向１００ｒｐｍの回転を与えながら、高周波発振機（電気興業（株）製ＰＴＧ−２００）により周波数２．０ｋＨｚおよび電力２００ｋＷでブッシュ母材の加熱を行った。ブッシュ母材は９秒の加熱によって、その外径表面温度が８７０℃に達した（なお、図４では、外径表面温度が４５０℃から時間の計測をしており、図４においては６秒後に８７０℃に達している）。また、熱処理装置には、ブッシュ母材の外径表面温度を検知するパイロスコープ（ジャパンセンサー（株）製ＦＴＫ９）を取り付け、パイロスコープからの検知温度が８３０〜８５０℃の範囲内となるように温度調節計によって高周波発信機の出力を制御できるよう構成しており、この出力制御によってブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に２１秒間保持した（図４における６〜２７秒）。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図４中、実線で示す）および内径表面温度（図４中、破線で示す）の推移を図４に示す。
【００５３】
加熱終了後、ブッシュ母材を移動し、円筒形状を有する外径冷却ジャケット内に挿通し、ブッシュ母材の内径の内側に棒状の内径冷却ジャケットを挿通した。そして、外径冷却ジャケットおよび内径冷却ジャケットの両方から冷却液（大同化学工業（株）製ＮＴ−３）を３００〜４５０Ｌ／分で１２秒間放出し、焼入冷却を行い、ブッシュ母材の外径表面温度および内径表面温度を３０℃まで低下させた。加熱終了から焼入冷却終了までの所要時間は１分以内であった。焼入冷却されたブッシュ母材は、炉にて１６０℃で５時間低温焼戻しに供し、熱処理されたブッシュを製造した。得られたブッシュについて、下記の測定を行った。結果を表１および図７に示す。
【００５４】
（結晶粒度）
得られたブッシュについて、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠して外径表面結晶粒度の測定を行った。粒度分布の測定は、ブッシュの中央および両端面から内側５ｃｍの合計３点（表１〜３において、一方の端面から内側５ｃｍの位置を位置Ａとし、ブッシュの中央を位置Ｂとし、他方の端面から内側５ｃｍの位置を位置Ｃとする。）で行い、各位置における全視野数の平均値を表記した。
【００５５】
（ブッシュの外径表面の拡大観察）
得られたブッシュの外径表面を光学顕微鏡により４００倍に拡大し、観察した。
【００５６】
実施例２
長さ２２５．６ｍｍ、外径９９．０ｍｍ、内径６１．０ｍｍ、厚さ１９．０ｍｍのブッシュ母材を用いたこと、加熱によって８５０℃に達するまでの時間が１８秒であったこと、ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に約４０秒間保持したこと（図５における１８〜６０秒）以外は、実施例１と同様の方法により、熱処理されたブッシュを製造した。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図５中、実線で示す）および内径表面温度（図５中、破線で示す）の推移を図５に示す。得られたブッシュについて、実施例１と同様の測定を行った。結果を表２および図８に示す。
【００５７】
比較例１
実施例１と同じブッシュ母材を、加熱工程において、周波数２．０ｋＨｚ、最大電力１９０．０ｋＷ、加熱時間１８秒の条件で加熱し、８００〜８７０℃の温度保持を行わず、冷却工程において、２０秒間冷却液を放出し、冷却液としてユーコンＡ（長瀬産業（株）輸入品）を用いたほかは実施例１と同様の方法によりブッシュを製造した。なお、加熱工程において、熱電対を貼り付けて表面温度を計測したところ、外径表面温度が９１５℃まで上昇し（図６における４５秒）、内径表面温度が８４０℃まで上昇（図６における４２秒）したことを確認した。このときのブッシュ母材の外径表面温度（図６中、実線で示す）および内径表面温度（図６中、破線で示す）の推移を図６に示す。得られたブッシュについて、実施例１と同様の測定を行った。結果を表３および図９に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
【表３】
【００６１】
表および図に示されるように、実施例１および２においては、平均結晶粒度が、１０．０前後であり、比較例１は、平均結晶粒度が、８．０を下回った。また、図７〜９の写真に示すように、実施例１および２のブッシュの外径表面は、結晶粒が微細化しているのに対し、比較例１のように加熱工程後に温度保持をしなかったものは、外径表面と内径表面とで温度差がでてしまい、内径側もオーステナイト化するためには、外径表面を必要以上に加熱する必要があり、結晶粒が大きくなってしまった。以上、表１〜３および図７〜９に示すように、加熱工程後に、温度保持工程を有する実施例１および２のブッシュ母材は、温度保持工程を有さない比較例と比べて、結晶粒が微細化していることがわかった。したがって、温度保持工程により、内径表面温度と外径表面温度との差を無くすことにより、結晶粒を微細化しすることができる。以上より、本発明の製造方法によれば、結晶粒を微細化し、強度および靭性をさらに向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ ブッシュ母材
２ センター冶具
５ 高周波加熱コイル
１０ 出力制御手段
１１ 温度検知器
１２ 温度調節計
１３ 高周波発信機
１５ 外径冷却ジャケット
１６ 内径冷却ジャケット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、
（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、
（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する保持工程と、
（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、
を含むブッシュの製造方法。
【請求項２】
保持工程（Ｂ）が、前記ブッシュ母材の外径表面温度を少なくとも１秒以上の間、８００〜８７０℃に保持する工程である請求項１記載のブッシュの製造方法。
【請求項３】
加熱工程（Ａ）の周波数が０．５〜１０．０ｋＨｚである請求項１または２記載のブッシュの製造方法。
【請求項４】
加熱工程（Ａ）の周波数が２．０〜３．０ｋＨｚである請求項１〜３のいずれかに記載のブッシュの製造方法。
【請求項５】
前記ブッシュ母材の厚さが１０ｍｍ以上である請求項１〜４のいずれかに記載のブッシュの製造方法。
【請求項６】
０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造装置であって、
（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、
（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する保持手段と、
（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、
を備えたブッシュの製造装置。
【請求項１】
０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造方法であって、
（Ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱工程と、
（Ｂ）加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する保持工程と、
（Ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却工程と、
を含むブッシュの製造方法。
【請求項２】
保持工程（Ｂ）が、前記ブッシュ母材の外径表面温度を少なくとも１秒以上の間、８００〜８７０℃に保持する工程である請求項１記載のブッシュの製造方法。
【請求項３】
加熱工程（Ａ）の周波数が０．５〜１０．０ｋＨｚである請求項１または２記載のブッシュの製造方法。
【請求項４】
加熱工程（Ａ）の周波数が２．０〜３．０ｋＨｚである請求項１〜３のいずれかに記載のブッシュの製造方法。
【請求項５】
前記ブッシュ母材の厚さが１０ｍｍ以上である請求項１〜４のいずれかに記載のブッシュの製造方法。
【請求項６】
０．３２〜０．６０質量％の炭素を含有する鋼材からなるブッシュ母材を熱処理するブッシュの製造装置であって、
（ａ）高周波によりブッシュ母材の外径表面を８００〜８７０℃に加熱する加熱手段と、
（ｂ）加熱手段（ａ）によって加熱された前記ブッシュ母材の外径表面温度を８００〜８７０℃に保持する保持手段と、
（ｃ）加熱され、温度が保持された前記ブッシュ母材の外径表面および内径表面の両方から前記ブッシュ母材を焼入冷却する冷却手段と、
を備えたブッシュの製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５７０９２（Ｐ２０１３−５７０９２Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５０３９（Ｐ２０１１−１９５０３９）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（３０８００１３７４）津田金属熱煉工業株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（３０８００１３７４）津田金属熱煉工業株式会社 (2)
【Ｆターム（参考）】
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