(57)【要約】【課題】疲労強度の向上に最も有効である表面層における炭素濃度、窒素濃度を見出すと共に、浸炭窒化後のショットピーニングによる残留オーステナイトの誘起変態によって圧縮残留応力の付与及び硬さ向上のための最適な残留オーステナイトの量を見出すこと。【解決手段】外周にねじ溝が形成されたねじ軸１１０と、内周にねじ溝が形成されたナット１２０と、ねじ軸１１０とナット１２０のねじ溝に組み込まれた鋼球からなるボールねじ１００において、前記鋼球は、その表面層における炭素濃度が１．１〜１．３重量％であり、窒素濃度が０．１〜０．３５重量％であり、残留オーステナイト量が１０〜３０容積％であることにより、上記の課題を達成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周にねじ溝が形成されたねじ軸と、内周にねじ溝が形成されたナットと、ねじ軸とナットのねじ溝に組み込まれた鋼球からなるボールねじにおいて、
前記鋼球が、浸炭窒化処理及びショットピーニング処理を施すことにより、その表面層における炭素濃度を１．１〜１．３重量％、窒素濃度を０．１〜０．３５重量％、残留オーステナイト量を１０〜３０容積％としたことを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
モータとボールねじと前記モータと前記ボールねじを連結する歯車を有する電動シリンダにおいて、前記ボールねじが請求項１に記載されたボールねじであることを特徴とする電動シリンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボールねじ及びボールねじを用いた電動シリンダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より外周にねじ溝が形成されたねじ軸と、内周にねじ溝が形成されたナットと、ねじ軸とナットのねじ溝に組み込まれた鋼球からなるボールねじが知られている。このようなボールねじにおいては、ねじ軸と鋼球の接触及び鋼球とナットの接触により、接触応力が発生する。特に加圧用途のボールねじでは、短ストロークのため、より大きなねじ軸側の接触応力が繰り返し作用する。そして、この接触応力により鋼球に亀裂や剥離が早期に発生し、疲労強度の点において満足できなかった。
【０００３】
このようなボールねじの欠点に対応するため、ボールねじの鋼球に対して浸炭窒化処理を施して疲労強度を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特許第３５０６８５３号公報
【特許文献２】特許平１１−３００８０３号公報
【特許文献３】特許２００３−３０１９１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、本発明者らが鋭意研究を重ねたところ、浸炭窒化処理が疲労強度の向上に寄与するためには、単に浸炭窒化処理を施せば良いわけではなく、表面層における炭素濃度と窒素濃度と残留オーステナイトの量の調整が重要であるという新たな知見を得た。更に、浸炭窒化処理を施した後にショットピーニング処理を施すことにより、硬さの向上と圧縮残留応力の付与が図られることが確認された。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記の新規な知見に基づき、疲労強度の向上に最も有効である表面層における炭素濃度、窒素濃度、残留オーステナイトの量を見出し、加圧用途の下でも長寿命が得られるボールねじを提供することにある。
また、別の目的としては、加圧用途においても適応可能である電動シリンダを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、外周にねじ溝が形成されたねじ軸と、内周にねじ溝が形成されたナットと、ねじ軸とナットのねじ溝に組み込まれた鋼球からなるボールねじにおいて、前記鋼球が、浸炭窒化処理及びショットピーニング処理を施すことにより、その表面層における炭素濃度を１．１〜１．３重量％、窒素濃度を０．１〜０．３５重量％、残留オーステナイト量を１０〜３０容積％としたことを特徴としている。
【０００７】
請求項２に係る発明は、モータとボールねじと前記モータと前記ボールねじを連結する歯車を有する電動シリンダにおいて、前記ボールねじが請求項１に記載されたボールねじであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に係るボールねじは、浸炭窒化処理及びショットピーニング処理を施すことにより、鋼球の表面層における炭素濃度を１．１〜１．３重量％、窒素濃度を０．１〜０．３５重量％、残留オーステナイト量を１０〜３０容積％としたことによって、過大なねじ軸側の接触応力によっても鋼球の亀裂や剥離の発生が抑制されると共に、仮に亀裂や剥離が発生した場合であっても、その進行を遅延させ、装置の長寿命化を図ることが可能になる。
【０００９】
請求項２に係る電動シリンダは、直線作動軸に請求項１に係るボールねじを採用した結果、従来は適用不可能であった加圧用途での使用が可能になる。
【００１０】
ここで、鋼球の表面層における炭素濃度を１．１〜１．３重量％とし、窒素濃度を０．１〜０．３５重量％とし、残留オーステナイト量を１０〜３０容積％とする理由を説明する。炭素濃度が１．１重量％以下の場合、硬さが低下し、加圧用途の鋼球に必要とされる耐摩耗性が得られない。一方、１．３重量％以上の場合、炭化物が粗大化してしまい疲労強度や衝撃性の低下を招くため不適当である。また、窒素濃度が０．１重量％以下の場合、焼戻軟化抵抗性が得られないし、所望の残留オーステナイトも得られない。一方、０．３５重量％以上の場合、残留オーステナイトが多すぎて硬さが低下するため不適当である。
さらに、浸炭窒化処理後のショットピーニングによる加工誘起変態で残留オーステナイトをマルテンサイト変態させて圧縮残留応力を付与するためには、ショットピーニング前の残留オーステナイト量としては、３０〜５５容積％が最適量である。すなわちショットピーニングにより、残留オーステナイトのマルテンサイト化で残留オーステナイト量を１０〜３０容積％とすることによって、圧縮残留応力として、ー６０〜ー１３０ｋｇｆ／ｍｍ２を付与させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明によるボールねじの外観を示した図である。ボールねじ１００は、外周にねじ溝が形成されたねじ軸１１０と、内周にねじ溝が形成されたナット１２０と、図示はされていないが、ねじ軸１１０とナット１２０のねじ溝に組み込まれた鋼球からなっている。図１において符号１３０で示したものは、リターンチューブであって、ねじ軸のねじ溝とナットのねじ溝に組み込まれた鋼球を一端側から他端側へと循環させるように構成されている。
【００１３】
前記鋼球は、浸炭窒化処理及びショットピーニング処理を施し、その表面層における炭素濃度が１．１〜１．３重量％であり、窒素濃度が０．１〜０．３５重量％でありショットピーニングによって、残留オーステナイト量が１０〜３０容積％となるように調整されている。前記表面層の組成をこのように調整するためには、図３に示したようなヒートパターンで浸炭窒化処理を行うことにより達成することができる。この時の雰囲気ガスとしては、ＮＨ３が５％、エンリッチガスが０．５％、残部ＲＸガスを用いている。ここで、ＲＸガスとは、炭化水素と空気を混合してＮｉ触媒で熱分解させたガスであり、その組成は、ＣＯ：２０％、Ｈ２：４０％、Ｎ２：４０％である。また、エンリッチガスとは、浸炭性雰囲気のカーボンポテンシャルを増加させるために添加する炭化水素などのガスのことである。
【００１４】
このような浸炭窒化処理を施した後に更に、ショットピーニングを付加することにより、硬さを向上させると共に、圧縮残留応力を付与することが可能になる。ここで、ショットピーニングとは、鋼球同士を互いにドラムの中で攪拌することによって衝突させる冷間加工法であって、ショットピーニングされた被加工部品は、表面には、ある粗さが形成される。一方、ショットピーニング後、表面の凹凸部（薄層部）は研磨加工することによって除去されて新表層となり油膜形成を容易にさせると共に、高硬度と圧縮残留応力は表面層に保持されて、有効に機能する。
【００１５】
図４に示したような本実施例のボールねじ（Ｎｏ．５及びＮｏ．６）と参考例であるボールねじ（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）に対して寿命評価試験を行った結果を図５に示す。試験条件は、最大軸方向荷重：１６．６ｋＮ、平均軸方向荷重：９．７ｋＮ、最大回転数：６６６ｒ／ｍ、最大ヘルツ応力：２４５０ＭＰａ、潤滑剤：リチウム系グリース、ストローク：２１ｍｍ、運転サイクル：１往復／秒である。図５から明らかなように、本発明によるボールねじは、走行寿命が計算寿命の１．５倍以上である。浸炭窒化のみを施したＮｏ．３、Ｎｏ．４のものと比較すると、鋼球に亀裂や剥離が発生した場合であっても、その進行を遅延させ、装置の長寿命化を図る作用があることが確認できる。
【００１６】
次に、上述したボールねじを用いて、電動シリンダを構成した例について、図面に基づいて説明する。
【実施例２】
【００１７】
図２は、上述したボールねじを用いた電動シリンダ２００の構成を示した図である。電動シリンダ２００は、モータ２１０とボールねじ１００と前記モータと前記ボールねじを連結する歯車２２０を有している。ボールねじ１００には、上述したような浸炭窒化処理及びショットピーニング処理を施した鋼球を組み込んだものを使用しているため、加圧用途での使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のボールねじを示した図。
【図２】本発明のボールねじを用いた電動シリンダを示した図。
【図３】本発明に用いた鋼球の浸炭窒化処理におけるヒートパターンを示した図。
【図４】本発明の寿命評価試験に用いたボールねじの材質を示す表。
【図５】本発明品及び参考品の寿命評価試験の結果を示す表。
【符号の説明】
【００１９】
１００  ・・・  ボールねじ
１１０  ・・・  ねじ軸
１２０  ・・・  ナット
１３０  ・・・  リターンチューブ
２００  ・・・  電動シリンダ
２１０  ・・・  モータ
２２０  ・・・  歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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