(57)【要約】【課題】中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ処理において稜角部と面部とで均等な厚さの焼入れ硬化層を形成する技術と使用中の折損や曲がりの発生が少なく、掘削寿命が長い中空鋼六角ロッドを提供する。【解決手段】円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ加熱焼き入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸が互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ加熱・焼入れする。ロッドの稜角部の有効硬化深さと面部のそれとの差異を小さくでき、耐摩耗性に優れ、疲労強度が高いロッドが得られる。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ加熱・焼入れすることを特徴とする中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ方法。
【請求項２】
円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ高周波焼入れしたことを特徴とする中空鋼六角ロッド。
【請求項３】
高周波焼入れした中空鋼六角ロッドであって、前記中空鋼六角ロッドの表面より深さ１．５ｍｍまでの表層部の硬さがＨｖ５５０〜６５０であり、深さ４．０ｍｍ以上の芯部の硬さがＨｖ３８０〜４６０であり、かつ、前記中空鋼六角ロッドの稜角部における有効硬化深さと面部における有効硬化深さとの差異が１．５ｍｍ以下であることを特徴とする中空鋼六角ロッド。
【請求項４】
円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ高周波焼入れしたものであって、前記中空鋼六角ロッドの表面より深さ１．５ｍｍまでの表層部の硬さがＨｖ５５０〜６５０であり、深さ４．０ｍｍ以上の芯部の硬さがＨｖ３８０〜４６０であり、かつ、前記中空鋼六角ロッドの稜角部における有効硬化深さと面部における有効硬化深さとの差異が１．５ｍｍ以下であることを特徴とする中空鋼六角ロッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波焼入れした削岩機用中空鋼六角ロッドおよびその高周波焼入れ方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩盤や地盤に穿孔する際に用いられる削岩機用中空鋼ロッドは、中心軸に沿って貫通する水孔を有し、円形または多角形の断面形状を有する棒鋼で、その一端は掘削用ビットを装着するためのビット取り付け部を有し、他端には該中空鋼ロッドを削岩機に装着するためのシャンク部を備える。また、長孔を掘削する場合に用いる中空鋼ロッドとしては、軸部の両端にねじ部を備え、該ねじ部に螺合するスリーブによって接続し延長するための中間ロッドもある。
【０００３】
ねじ部に掘削用ビットを装着し、シャンク部によって削岩機に取り付けられた中空鋼ロッドは、削岩機から繰り返し加えられる衝撃的推力（パーカッションと呼ぶ）を掘削用ビットに伝え、掘削用ビット刃に当接する岩盤、地盤等を掘削し、穿孔する。水孔を通って圧送された水はビット先端から噴出し、中空鋼ロッドの側面と穿孔された孔との隙間を通って、ビットによって破砕された破砕片を外部に押し出す。
【０００４】
中空鋼ロッドは、その使用時に、軸方向の大きな繰り返し衝撃力を受けるとともに、繰り返し曲げモーメントを受ける。また、中空鋼ロッドの外側面は、水によって押し出される破砕片によって削られる。そのため、中空鋼ロッド軸部、特に外側面は、曲げに耐える高い強度、繰り返し曲げ応力に耐える高い疲労強度および耐摩耗性が要求される。
【０００５】
中空鋼ロッドに対する上述のような要請に対処して、従来、中空鋼ロッドに浸炭焼入れ処理を施すとか（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）、高周波焼入処理を施すことによってロッドの表層部のみを硬化することが行われている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００６】
浸炭焼入れ処理は９００℃といった高温の雰囲気炉中で数時間に及ぶ長時間加熱する処理法であり、また、数ｍに及ぶ長尺ロッドを、曲がりを生じないように高温加熱する必要があるなど、設備面に要するコスト、能率、作業性に多くの課題を抱えている。
【０００７】
高周波焼入れ処理は、短時間で処理できる生産性の高い処理方法であるが、六角ロッドのように稜角部を有するロッドを、従来行われている高周波焼入れ方法で処理すると、稜角部は強く加熱されるが面部（横断面では辺）は十分に加熱されないため、面部にはほとんど焼入れ硬化層を形成できないか、あるいは面部に焼入れ硬化層を形成しようとすると稜角部に過大に深い焼入れ硬化層を生じてしまい、ロッドの靭性を損なうという問題があった。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭６１−１４９４６２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２５６７４６号公報
【特許文献３】
特開平８−１３４５４７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ処理において、該ロッドの稜角部と面部とに形成される硬化層深さの差を軽減することのできる高周波焼入れ方法を提供し、使用中の折損や曲がりの発生が少なく、掘削寿命が長い中空鋼六角ロッドを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の中空鋼六角ロッドの製造方法は、円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ加熱・焼入れすることを特徴とする。
【００１１】
本発明の中空鋼六角ロッドは、円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ高周波焼入れしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の中空鋼六角ロッドは、高周波焼入れした中空鋼六角ロッドであって、前記中空鋼六角ロッドの表面より深さ１．５ｍｍまでの表層部の硬さがＨｖ５５０〜６５０であり、深さ４．０ｍｍ以上の芯部の硬さがＨｖ３８０〜４６０であり、かつ、前記中空鋼六角ロッドの稜角部における有効硬化深さと面部における有効硬化深さとの差異が１．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の中空鋼六角ロッドは、円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて焼入れする高周波焼入れ処理において、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にして、かつ、乖離して配設するとともに、前記ロッドを該ロッドの中心軸回りに回転しつつ高周波焼入れしたものであって、前記中空鋼六角ロッドの表面より深さ１．５ｍｍまでの表層部の硬さがＨｖ５５０〜６５０であり、深さ４．０ｍｍ以上の芯部の硬さがＨｖ３８０〜４６０であり、かつ、前記中空鋼六角ロッドの稜角部における有効硬化深さと面部における有効硬化深さとの差異が１．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ方法においては、円環状高周波コイルの中に中空鋼六角ロッドを配設し、前記コイルと前記ロッドとを互いの中心軸方向に相対的に移動しつつ、前記コイルに高周波電流を流して前記ロッドを加熱し、該ロッドの被加熱部に冷却剤を吹き付けて前記ロッドを焼入れする。
高周波加熱によって急速に加熱し、中空鋼六角ロッドの表層部のみを焼入れ温度に加熱し焼入れすることによって、中空鋼六角ロッドの表層部のみを硬化する。このようにケースハードニングすることにより中空鋼六角ロッドの表面硬さを上昇して耐摩耗性を向上するとともに、優れた疲労強度を有する中空鋼六角ロッドを得ることができる。
冷却剤は当該中空鋼六角ロッドの焼入れに適した流体を用いればよい。例えば、水、冷却緩和剤を添加した水などは冷却剤として好ましい。
【００１５】
本発明の中空鋼六角ロッドの高周波焼入れにおいては、高周波コイルは円環状のものを用いる。前記コイルの中に処理すべき中空鋼六角ロッドを配設する。前記コイルの内径（Ｄ）と中空鋼六角ロッド横断面の外接円直径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）は１．４程度とするのが好ましい。本発明において、高周波焼入れに供される前記ロッドサイズは、最大でもｄにして５０ｍｍ程度である。よって、これよりも（Ｄ／ｄ）の値が小さくなった場合には、前記コイルと前記ロッドとを、各中心軸を互いに平行にしてかつ乖離させて配設する場合の、両中心軸間の距離（偏心量Ｒ）すなわち後述するＲ／Ｈの大きさをある程度確保することは長尺ロッドにおいては、クリアランスの問題から実質上困難となる。また、逆に（Ｄ／ｄ）の値が大きすぎても高周波加熱の加熱効率が過大となって焼入れ有効硬化深さが深くなり、面部と稜角部とで焼入れ硬化層深さの差が大きくなる傾向がある。
【００１６】
さらに、稜角部と面部との硬化層深さの差を小さくするには、用いる前記コイルと処理する前記ロッド径との関係において、両中心軸間の距離（偏心量Ｒ）は、できる限り大きくとることが好ましい。偏心量Ｒが大きいほど、面部と稜角部との焼入れ硬化層深さの差が小さくなる傾向がある。
【００１７】
以上のように高周波コイル中に中空鋼六角ロッドを配設した状態で、該ロッドをその中心軸の周りに回転するとともに、該ロッドの中心軸方向に移動しつつ高周波コイルに高周波電流を流して中空鋼六角ロッドを加熱する。所定の焼入れ温度に加熱されたロッドの被加熱部分に冷却剤を吹付けて焼入れを行うことにより、中空鋼六角ロッドの稜角部と面部とで、硬化層深さの差が少ない表面硬化層を得ることができる。
【００１８】
なお、中空鋼六角ロッドの高周波加熱に当たって、前記ロッドをその中心軸の周りに回転しつつ加熱するが、このとき、前記ロッドの回転速度が遅すぎると片焼きとなり、ロッドの片面が十分に硬化しなかったり、ロッドに大きな曲がりを生じたりする。また、ロッドの回転速度が速すぎるとロッドの面部の加熱冷却が不均一となって、面部と稜角部との焼入れ硬化層深さの差が大となる。それゆえロッドの回転速度を適宜に選択する必要がある。
【００１９】
高周波コイルとロッドとの軸方向の相対的な移動については、移動速度が早すぎれば被加熱物の昇温が十分でなく、焼きが入らないし、移動速度が遅すぎれば稜角部と面部の硬化層深さの差が大きくなるので、処理する中空鋼六角ロッドの寸法、高周波電力による入熱量などに応じて適宜な移動速度を選択するべきである。
本発明の中空鋼六角ロッドは、本発明の中空鋼六角ロッドの製造方法に規定する製造方法によって高周波焼入れして製造する。
【００２０】
次に、本発明の中空鋼六角ロッドにおいて、中空鋼六角ロッドの各部位における硬さを特定した理由について説明する。
中空鋼ロッドは、掘削時に高い中心軸方向の繰返し圧縮力や中心軸の曲げ応力を蒙るので、これに耐えるために、本発明の中空鋼六角ロッドにおいては、中空鋼の芯部の硬さをＨｖ３８０〜４６０とするのが好ましい。前記芯部硬さを得るために、予め中空鋼素材を適宜熱処理（例えば焼入れ焼きもどし）しておくことができる。ここに芯部とは、後述の高周波焼入れによって焼入れ硬化しない内部のことをいう。
【００２１】
中空鋼ロッドの軸部表面は、掘削時に排出されるスライムによって摩耗作用を蒙るうえ、掘削孔の表面である岩石等と接触して摩耗する。かかる摩耗作用に耐えるために、中空鋼ロッドの軸部表面は高い硬さを保持することが望まれる。しかし過剰に高い硬さとすると、材料の靭性を損ない、掘削時に中空鋼ロッドに加わる曲げ応力によって折損する危険性を生じる。
中空鋼の使用時において、優れた耐摩耗性と靭性とを発揮するために、本発明の中空鋼六角ロッドの表層部硬さは、Ｈｖ５５０〜６５０とする。
【００２２】
本発明の中空鋼六角ロッドは、高周波焼入れを施すことによって、上記のごとき表層部の硬さを得るとともに、表層部のみを硬化する、いわゆるケースハードニングすることによって、ロッドの耐疲労性と靭性の向上を実現している。そのためには、Ｈｖ５５０〜６５０の硬さを有する表層部は表面から深さ１．５ｍｍ以上とし、深さ４．０ｍｍ以上の部位（芯部）ではＨｖ３８０〜４６０の硬さとするのが好ましい。本発明の中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ方法によれば、中空鋼六角ロッドの稜角部における有効硬化深さと面部における有効硬化深さとの差異を１．５ｍｍ以下とすることができる。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
化学組成が質量％でＣ：０．２６％、Ｍｎ：０．５５％、Ｃｒ：３．２％、Ｍｏ：０．５％、残部主としてＦｅよりなる中空鋼六角ロッド（以下ワークと呼ぶ）を内径Ｄ：５３ｍｍの円環状高周波コイルの中に、ワークの中心軸と高周波コイルの中心軸とが平行となるように配設した。
【００２４】
高周波コイルに出力１５０ｋＷ、周波数２０ｋＨｚで通電するとともに、ワークを、その中心軸の周りに回転しつつ中心軸方向に移動させて逐次加熱し、高周波コイルの出口に配置した冷却ノズルから焼入れ冷却剤（水）を噴出して焼入れを行って焼入れロッドを得た。
【００２５】
前記焼入れロッドの横断面について、微小硬度計を用いて荷重５００ｇｒでビッカース硬さを測定し、ワークの稜角部および面部の有効硬化深さ（Ｈｖ５１３）を求めた。ここに、ワークの稜角部における有効硬化深さは、六角形状断面の角の先端から中心軸方向に測定した硬さ分布より求めた。また、面部の有効硬化深さは、六角形状断面の一辺の中央から中心軸方向に測定した硬さ分布より求めた。
【００２６】
円環状高周波コイル：Ｄ＝５３ｍｍ、ワークの回転速度：５０ｒｐｍ、ワークの移動速度：１２ｍｍ／ｓｅｃとしたときの偏心量（高周波コイルの中心軸とワークの中心軸との距離Ｒ）と有効硬化深さとの関係を、ワークサイズが異なる、Ｄ／ｄ＝１．４、１．５、２．１のそれぞれの場合について図１に示す。横軸に偏心量（Ｒ）と中空鋼六角ロッド面部の面間距離（Ｈ）との比Ｒ／Ｈ（％）をとり、縦軸に各場合の面部と稜角部との有効硬化深さの差を示した。高周波コイルの中心軸とワークの中心軸とを一致（偏心量Ｒ＝０）せしめて高周波焼入れした比較例の場合、面部と稜角部との有効硬化深さの差は大きい。これに対して偏心させた場合は、面部と稜角部とで有効硬化深さの差が小さい均一な深さの焼入れ硬化層が得られている。偏心量を大きくするほど、両者の有効硬化深さの差は小さくなる傾向があるとともに、３種類の異なるＤ／ｄの内ではＤ／ｄ＝１．４の場合が、偏心量ＲがＨの７％の時、有効硬化深さの差は１．０５ｍｍ、１４％の時のそれは、０．８５ｍｍと、Ｒ／Ｈが小さくても均一な硬化層深さを得やすいことがわかる。ただし、他の場合においても、Ｒ／Ｈを大きくすれば、Ｄ／ｄ＝１．４の時と同等の均一さを達成できる。
【００２７】
偏心量ＲをＨの１４％、ワークの移動速度：１２ｍｍ／ｓｅｃとしたときの、ワーク回転速度と有効硬化深さとの関係を表１に示す。比較例は、ワークを回転しないで高周波焼入れ処理をした場合を示すが、面部と稜角部とで有効硬化深さの差が大きい。実施例では面部と稜角部とで有効硬化深さの差が小さく、均一な深さの焼入れ硬化層が得られている。
【００２８】
【表１】
2004002968.tif 000002
【００２９】
（実施例２）
化学組成が質量％でＣ：０．２８％、Ｓｉ：０．３５％、Ｍｎ：０．５％、Ｎｉ：０．２％、Ｃｒ：３．２％、残部主としてＦｅよりなり、呼び寸法３５Ｈｅｘ（面部面間距離Ｈ＝３５ｍｍ、外接円直径ｄ＝３９ｍｍ）の中空鋼六角ロッドより長さ３．６ｍで両端ねじ付きのトンネルロッド（以下ワークと呼ぶ）を製作した。
【００３０】
内径Ｄ：５３ｍｍの２ターン円環状高周波コイル（Ｄ／ｄ＝１．４）の中に、偏心量５ｍｍ（Ｒ／Ｈ＝０．１４）で前記ワークの中心軸と高周波コイルの中心軸とが平行となるように配設し、高周波コイルに出力１５０ｋＷ、周波数２０ｋＨｚで通電するとともに、ワークを、その中心軸の周りに回転速度５０ｒｐｍで回転しつつ中心軸方向に１２ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動させて逐次加熱し、高周波コイルの出口端付近に配設した冷却ノズルから水を噴出し、前記高周波コイル出口端から約３０ｍｍの位置よりワークを冷却して焼入れを行った。焼入れしたワークを２００℃で４時間焼もどしして供試材を得た。
【００３１】
前記供試材の軸部横断面について、微小硬度計を用いて荷重５００ｇｒでビッカース硬さを測定し、ワークの稜角部および面部における硬さ分布を測定し、有効硬化深さ（Ｈｖ５１３）を求めた。ここに、ワークの稜角部における有効硬化深さは、六角形状断面の角の先端から中心軸方向に測定した硬さ分布より求めた。また、面部の有効硬化深さは、六角形状断面の一辺の中央から中心軸方向に測定した硬さ分布より求めた。硬さ分布の測定結果は図２に示すとおりで、面部と稜角部とにおける有効硬化深さの差異は、１ｍｍ未満で、十分に小さいことが判る。
【００３２】
また、前記供試材３０本（実施例群）について穿孔寿命２０００ｍとして岩盤掘削試験を行った。比較例として、浸炭法によって製造した３５Ｈｅｘ両端ねじ付きトンネルロッド３０本（比較例群）についても同様に試験した。その結果は表２に示す通りで、本発明の実施例群は比較例群に比べて折損発生率が小さく、優れた寿命特性を示すことが判る。
【００３３】
【表２】
2004002968.tif 000003
【００３４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の中空鋼六角ロッドの高周波焼入れ方法によれば、中空鋼六角ロッドの稜角部と面部とにおける高周波焼入れ硬化層深さの差が少なく、ロッドの表面全周にわたって比較的均等な有効焼入れ深さを有する中空鋼六角ロッドを製造することができる。また、本発明の中空鋼六角ロッドは、耐摩耗性に優れ、疲労強度が高いので、その経済効果は極めて大きいといえる。
【００３５】
なお、以上の説明では、中空鋼六角ロッドについて述べたが、本発明の方法は、中空鋼六角ロッドに限らず、角部を有する長尺棒鋼の表層部に均等な焼入れ硬化層を形成する方法として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波焼き入れ方法によって得た中空鋼六角ロッドのＲ／Ｈと有効硬化深さの差との関係を示す特性図である。
【図２】本発明の高周波焼き入れ方法によって得た中空鋼六角ロッドの面部および稜角部における横断面硬さ分布を示す特性図である。
【図１】
2004002968.tif 000004
【図２】
2004002968.tif 000005