(57)【要約】【課題】  異物混入潤滑下で使用されても長寿命なボールねじを提供する。【解決手段】  ボールねじ１は、ねじ溝３ａを有するねじ軸３と、ねじ溝５ａを有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成されるボール転動路に装填された複数のボール９と、を備えている。ボール９は、合金成分として、炭素を０．３質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．５質量％以上２質量％以下、マンガンを０．２質量％以上２質量％以下、クロムを０．５質量％以上２質量％以下含有する鋼材で構成されている。この鋼材は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低い。そして、このボール９は、浸炭窒化処理が施されていて、その表面に、窒素濃度が０．３質量％以上２質量％以下であり且つ残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である浸炭窒化層が形成されている。【選択図】  図２
2006002249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるボールねじにおいて、
前記転動体は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低い鋼材で構成され、残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である表面層を備えることを特徴とするボールねじ。
【請求項２】
螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるボールねじにおいて、
前記転動体は、合金成分として、炭素を０．３質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．５質量％以上２質量％以下、マンガンを０．２質量％以上２質量％以下、クロムを０．５質量％以上２質量％以下含有する鋼材で構成され、窒素濃度が０．３質量％以上２質量％以下であり且つ残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である浸炭窒化層を表面に備えることを特徴とするボールねじ。
【請求項３】
前記ねじ軸のねじ溝は、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面のうち少なくとも一方の曲率半径は、前記転動体の直径の５０％以上５２％以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のボールねじ。
【請求項４】
前記転動体の転動面の表面粗さＲ1 と前記両ねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 が１以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじのねじ軸，ナット，及び転動体は、高い面圧に耐え得るように、特殊材料で製作されることが一般的である。すなわち、ねじ軸及びナットは、ＳＣＭ４２０等の浸炭軸受用鋼やＳＡＥ４１５０等の高周波焼入れ用鋼で構成され、熱処理により表面硬度がＨＲＣ５６〜６３程度に調整されている。また、転動体（ボール）は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼で構成され、焼入れにより表面硬度がＨＲＣ６０以上に調整されている。
【０００３】
電動射出成形機や電動プレス機等で使用されるボールねじは、瞬間的に高負荷が作用する短いストロークで使用され、最大負荷が作用した状態で一旦停止した後に逆回転する（往復運動）という厳しい条件下で使用される。
このようなボールねじは、使用環境によっては、ねじ溝に異物が混入するおそれがある。ボールねじの作動時には転動体とねじ溝との接触部に転動負荷が作用するため、異物が混入した状態でボールねじが駆動されると、前記接触部に異物が噛み込んで圧痕が生成するおそれがある。そして、圧痕の周辺に応力集中が起こることから、圧痕を起点とした剥離が発生するおそれがある。異物を噛み込んだ上に高負荷が作用すると、上記のような現象がなおさら顕著となる。
【０００４】
このような問題を解決するため、例えば特許文献１に開示の高周波焼入れ鋼においては、Ｍｎ及びＳｉを添加し且つ残留オーステナイト量を２０〜４０体積％とすることにより、高硬度と高靱性とを付与している。このような高周波焼入れ鋼でボールねじを構成すれば、前述のような異物の噛み込みが生じても疲労寿命の低下が起きにくいので、ボールねじは長寿命である。
【特許文献１】特開平１１−２０９８４４号公報
【特許文献２】特許第３５０６８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の高周波焼入れ鋼は、Ｍｎ及びＳｉが添加されているため、被削性や冷間加工性が乏しく、引き抜き加工性が低い。そのため、ねじ軸の加工が困難となり、ボールねじの製造コストが向上する。
一方、省エネルギーを目的とした輸送機器，構造物の軽量化や鉄鋼材料のさらなる高強度化が求められていることに加えて、ボールねじにおいては高性能化，低トルク化等を背景とした潤滑環境の過酷化が進んでいるため、さらなる長寿命化の要求が高まっている。また、より一層の低コスト化も求められている。
そこで、本発明は、上記のような従来のボールねじが有する問題点を解決し、異物が混入した状態で駆動されても剥離等の損傷が生じにくく長寿命であり、且つ、低コストなボールねじを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるボールねじにおいて、前記転動体は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低い鋼材で構成され、残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である表面層を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る請求項２のボールねじは、螺旋状のねじ溝を外周面に有するねじ軸と、前記ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝を内周面に有するナットと、前記両ねじ溝の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるボールねじにおいて、前記転動体は、合金成分として、炭素を０．３質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．５質量％以上２質量％以下、マンガンを０．２質量％以上２質量％以下、クロムを０．５質量％以上２質量％以下含有する鋼材で構成され、窒素濃度が０．３質量％以上２質量％以下であり且つ残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である浸炭窒化層を表面に備えることを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明に係る請求項３のボールねじは、請求項１又は請求項２に記載のボールねじにおいて、前記ねじ軸のねじ溝は、断面形状が曲率中心の異なる２つの円弧を組合せた略Ｖ字状をなすゴシックアーク形状溝であり、該ゴシックアーク形状溝の溝面を構成する２つの曲面のうち少なくとも一方の曲率半径は、前記転動体の直径の５０％以上５２％以下であることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係る請求項４のボールねじは、請求項１〜３のいずれか一項に記載のボールねじにおいて、前記転動体の転動面の表面粗さＲ1 と前記両ねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 が１以下であることを特徴とする。
潤滑剤中に異物（例えば、金属の切粉，削り屑，バリ，及び摩耗粉）が混入した劣悪な環境下（以降は「異物混入潤滑下」と記すこともある）におけるボールねじの寿命の低下は、これまでは、異物の噛み込みによって軌道面（ねじ溝の表面）又は転動体の転動面に形成された圧痕縁の盛り上がり部における応力集中が原因とされていた。よって、これまでは、軌道面又は転動体の転動面を硬くして圧痕そのものを形成させ難くするとともに、圧痕が形成された場合であっても、圧痕縁の盛り上がり部における残留オーステナイトの応力集中を軽減することにより、長寿命化を図っていた。
【００１０】
本発明者は、前記盛り上がり部における応力集中によって疲労は進行するが、圧痕縁からクラックを発生，伝播させる力は、転動体と盛り上がり部との間に生じる接線力であると考えた。そして、圧痕縁における接線力を低減できれば、クラックの発生，伝播を結果的に遅延させることができ、長寿命化が図れるとの仮説を立てて、鋭意検討を行なった。その結果、転動体を前述のような鋼材で構成し、さらに転動体に前述のような表面層を設けて、軌道面と転動体との間の摩擦を低減させることにより、クラックの発生，伝播が遅延し、ボールねじの長寿命化が図れることを見出して、本発明を完成するに至った。
【００１１】
以下に、本発明のボールねじについて、前述の各数値（鋼材中の合金元素の含有量，残留オーステナイト量等）の臨界的意義を中心に詳細に説明する。
〔転動体を構成する高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低い鋼材、及び、残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である表面層について〕
転動体表面の摩擦係数を低減すると、圧痕縁における接線力が低減され、クラックの発生，伝播が遅延される。よって、転動体の種類の変更によって、ねじ溝に発生するフレーキングを抑制することができる。高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低いものの代表例としてセラミックスがあるが、セラミックス球の場合はコストが大幅に高くなるだけでなく、そのヤング率が鋼球の場合に比較して著しく大きいため、圧痕縁での応力集中がかえって大きくなり、ボールねじの寿命を低下させる場合がある。特に、２ＧＰａを超える高面圧下で使用されるボールねじの場合は、寿命の低下が大きい。
【００１２】
また、摩擦係数だけ小さくても、表面層の残留オーステナイト量が十分に確保されていないと、転動体にフレーキングが発生しやすくなる。よって、摩擦係数に加えて、転動体の表面層には、少なくとも５体積％以上、好ましくは８体積％以上の残留オーステナイトの確保が必要である。残留オーステナイト量が多いほど、転動体に発生する圧痕縁を起点としたフレーキングは生じにくくなるが、多すぎるとかえって耐疲労性が低下したり摩擦特性が低下して、転動体の低摩擦係数化による寿命延長効果が得られなくなる場合がある。よって、転動体の表面層の残留オーステナイト量は、５体積％以上２０体積％以下である必要があり、８体積％以上２０体積％以下であることがより好ましい。
【００１３】
次に、転動体に用いられる鋼材中の合金成分の組成、浸炭窒化層、及び表面粗さ、並びにゴシックアーク形状溝の曲率半径について説明する。
一般に、転動体には、軸受鋼で構成され焼入れ，焼戻しが施された鋼球が使用されるが、異物混入潤滑下でボールねじが使用される場合には、ナット及びねじ軸を浸炭窒化処理により強化しても、転動体にフレーキングが発生し、結果としてボールねじの寿命が不十分となる場合もある。そこで、異物混入潤滑下での寿命対策として、ナット及びねじ軸だけでなく、軸受鋼製の転動体を浸炭窒化処理によって強化し、表面層の残留オーステナイト量を２０〜４０体積％程度としたボールねじがある。
【００１４】
しかしながら、このような転動体は、通常の軸受鋼製の転動体と比較して摩擦係数はほぼ同等であるので、軌道面（ねじ溝の表面）を浸炭処理，浸炭窒化処理等によって強化しなければ、ねじ溝のフレーキングを抑制する効果（フレーキング寿命を向上させる効果）は乏しい。
そこで、転動体自身の寿命を改善しつつ転動体によりねじ溝の寿命を向上させて、結果としてボールねじの寿命を向上させるためには、以下のような構成のボールねじとするとよい。すなわち、転動体に十分な疲れ寿命と高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも低い摩擦係数（低μ）とを付与するためには、後述する鋼材で転動体を構成し、浸炭窒化処理を施して、窒素濃度が０．３質量％以上２質量％以下であり且つ残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である浸炭窒化層を表面に設けるとよい。さらに、転動体の転動面の表面粗さＲ1 とボールねじの両ねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 を１以下とすれば、より好ましい。さらに、ゴシックアーク形状溝であるねじ軸のねじ溝の溝面を構成する２つの曲面のうち少なくとも一方の曲率半径を、転動体の直径の５０％以上５２％以下とすれば、より好ましい。
【００１５】
〔炭素の含有量について〕
炭素（Ｃ）は、鋼に必要な強度と寿命とを得るために必要な元素である。炭素が少なすぎると十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭窒化処理の際に必要な硬化層深さを得るための熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大につながる。そのため、炭素の含有量は０．３質量％以上とする必要があり、０．６質量％以上とすることがより好ましい。逆に炭素の含有量が多すぎると、製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与え、ヘッダー性が低下してコストの上昇を招くおそれがある。よって、上限は１．２質量％とする必要がある。
【００１６】
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、製鋼時に脱酸剤として必要であるだけでなく、基地のマルテンサイトを強化するとともに、焼戻し軟化抵抗性を高め、疲労寿命を延長するために極めて有効な元素である。また、浸炭窒化層の諸特性を満足するための表面窒素濃度や残留オーステナイト量等をバランス良く確保するためには、なくてはならない必須元素である。その効果を十分に発揮させるためには、ケイ素の含有量は０．５質量％以上とする必要があり、０．８質量％以上とすることがより好ましい。
【００１７】
ただし、ケイ素の含有量が多すぎると、ヘッダー性，被削性等が低下するだけでなく、有効な浸炭窒化処理が施されず十分な硬化層深さや窒素拡散深さを確保できなくなる場合がある。そのため、転動体の表面の品質が、後述するような所定の品質とならないおそれがある。よって、ケイ素の含有量の上限は２質量％とする必要があり、１．５質量％とすることがより好ましい。
【００１８】
〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、Ｓｉと同様に脱酸剤としての働きがある他、焼入性を向上させたり、転がり寿命に有効な残留オーステナイトの生成を促進させる作用があるため、０．２質量％以上必要である。ただし、マンガンの含有量が多すぎると、被削性，ヘッダー性が低下するだけでなく、熱処理後においては、多量の残留オーステナイトが生成し、かえって耐疲労性が低下して、良好な寿命が得られなくなる場合もある。よって、マンガンの含有量の上限は２質量％とする必要があり、０．７質量％とすることがより好ましい。
【００１９】
〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、基地に固溶して焼入性，焼戻し軟化抵抗性等を高めるとともに、高硬度の微細な炭化物又は炭窒化物を形成して、軸受材料の硬さや熱処理時の結晶粒粗大化を防止しボールねじの寿命を高める効果を有する。このような効果を得るためには、クロムの含有量は、０．５質量％以上とする必要があり、１．３質量％以上とすることがより好ましい。一方、２質量％を超えると、製鋼過程で巨大炭化物が生成して、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えたり、ヘッダー性，被削性が低下するため、その上限は２質量％とする必要があり、１．６質量％とすることがより好ましい。
【００２０】
〔その他の炭化物形成元素について〕
モリブデン（Ｍｏ），バナジウム（Ｖ），タングステン（Ｗ）等の炭化物形成促進元素もクロムと同様の作用効果が得られるので、素材費や加工性低下によるコストアップが生じない範囲で（通常は、それぞれ２質量％以内である）、前記３種の元素のうち１種以上を添加してもよい。
【００２１】
〔残部及び不可避的な不純物について〕
前述の合金元素以外の残部は実質的に鉄（Ｆｅ）であるが、イオウ（Ｓ），リン（Ｐ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），酸素（Ｏ）等の不可避的な不純物を含有していてもよい。これらの元素は、表面起点型フレーキングには特に際立った影響はないとされているが、鋼材の品質が著しく悪い場合には内部起点型フレーキングが生じるおそれがある。よって、コストアップを招くような厳しい不純物規制は行なわなくてもよいが、通常はボールねじの材料として使用できる程度の清浄度を満足する品質レベルとすることが好ましい。
【００２２】
〔浸炭窒化層，窒素含有量，及び表面粗さについて〕
以下に転動体の製造方法を、転動体がボールである場合を例に説明する。まず、前述のような合金成分を含有する鋼材の線材から、へッダー加工及びフラッシング加工等によって素球を製作し、浸炭窒化処理を施して、窒素濃度が富化された浸炭窒化層を表面に設ける。
【００２３】
窒素は、炭素と同様に、マルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物又は炭窒化物を形成して、摩擦摩耗特性を著しく高める効果を有する。その効果を十分に発揮させるためには、浸炭窒化層の窒素濃度は０．３質量％以上とする必要があり、０．５質量％以上とすることがより好ましい。
ただし、窒素濃度が高すぎると、窒化物又は炭窒化物の析出量が増大して、十分な残留オーステナイト量が確保できなくなったり、焼入れ性が低下して十分な耐疲労性が得られない場合がある。よって、浸炭窒化層の窒素濃度の上限は、２．０質量％とする必要がある。浸炭窒化層の残留オーステナイトの作用効果については、前述と同様である。
【００２４】
また、浸炭窒化処理は、鋼を一旦オーステナイト化させ、焼入れ後において表面層に十分な残留オーステナイト量を確保できるように、炭素及び窒素を基地組織に固溶させるとともに、表面層に摩擦，摩耗低減効果の高い窒化物又は炭窒化物を析出分散させることを目的として行なわれる。具体的には、ＲＸガス，エンリッチガス，及びアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で行なわれるが、アンモニアガスは浸炭窒化処理温度が高くなるほど分解しやすく、その結果、前記混合ガス中の残留アンモニアガスの濃度が低くなり、転動体表面の窒素量を十分に富化できない場合がある。また、温度が低いと、十分な炭素及び窒素を基地組織に固溶させることができず、所定量の残留オーステナイトの確保と耐疲労性の確保が困難となる。よって、浸炭窒化処理は、８２０〜８５０℃程度で実施することが好ましい。
【００２５】
また、浸炭窒化処理した後は、油焼入れし、組織の安定化のため２００〜２６０℃程度の焼戻しを施すとよい。その後、タンブリング加工又はボールピーニング加工等を行ない、残留する加工歪による経時的な表面のウェービネス変化を抑制するため、最終的に１４０〜１８０℃程度で焼戻しを行ない、ラップ加工に供する。なお、完成した鋼球の表面硬さは、異物の噛み込み時の圧痕形成を抑制し、より長寿命を得るために、Ｈｖ８００〜１０００程度とすることが好ましい。
【００２６】
さらに、転動体の表面粗さが大きく（粗く）なると、潤滑条件が厳しい場合は勿論であるが、圧痕の盛り上がり部において金属接触が生じ、接線力が大きくなることによって、十分な寿命延長効果が得られない場合がある。そのため、鋼球の表面粗さＲ1 とねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 を１以下とすることが好ましく、０．８以下とすることがより好ましい。
【００２７】
〔ねじ軸のねじ溝の曲率半径について〕
高荷重条件下で使用されるボールねじにおいては、ねじ軸のねじ溝をゴシックアーク形状溝とする場合が多い。ゴシックアーク形状溝とは、溝直角断面形状が曲率中心の異なる２つの同一円弧を組合せた略Ｖ字状である溝である。なお、以降の説明においては、ゴシックアーク形状溝の溝面の曲率半径と転動体の直径との比（［溝面の曲率半径］／［転動体の直径］×１００（％））を「溝Ｒ比」と記す。
【００２８】
高荷重条件下で使用されるボールねじにおいては、溝Ｒ比と面圧とに大きな関連性がある。すなわち、溝Ｒ比が大きいと、滑り成分は小さいが接触面圧が大きくなるため短寿命となり、逆に溝Ｒ比が小さいと、接触面圧は小さいが滑り成分は大きくなるため（転動体とねじ溝の溝面との接触楕円が大きくなり摩擦抵抗が大きくなる）、例えば異物混入潤滑下では圧痕縁における接線力が大きくなりねじ溝に早期損傷が生じるおそれがある。
近年、従来よりも高荷重条件で使用可能な（負荷容量の大きい）ボールねじが求められており、負荷容量を大きくするには溝Ｒ比を小さくすることが有効であるが、上記のような事情があるため、ゴシックアーク形状溝の溝面の曲率半径は、一般に転動体の直径の５２％以上５４％以下とされていた。
【００２９】
本発明のボールねじは、低い摩擦係数を有する転動体を備えているため、溝Ｒ比を小さくしても前述のような不都合が生じにくく、異物混入潤滑下においても長寿命である。溝Ｒ比が５２％超過であっても圧痕縁における接線力の低減効果が得られ、ボールねじは長寿命であるが、溝Ｒ比が５２％以下であると特に長寿命である。なお、溝Ｒ比が５０％未満であると、転動体がねじ溝の溝面に接触し得なくなるので、溝Ｒ比の下限値は５０％となる。
以上のように、本発明のボールねじは、低い摩擦係数を有する転動体を備えているため、圧痕縁の応力集中部におけるクラックの発生，伝播が抑制され、長寿命である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のボールねじは長寿命である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明に係るボールねじの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるボールねじの平面図であり、図２は図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。
図１，２に示すように、ボールねじ１は、螺旋状のねじ溝３ａを外周面に有するねじ軸３と、ねじ軸３のねじ溝３ａに対向するねじ溝５ａを内周面に有するナット５と、両ねじ溝３ａ，５ａにより形成される螺旋状のボール転動路に転動自在に装填された複数のボール９と、を備えている。
【００３２】
ねじ軸３は、ナット５をねじ軸３の軸線方向に沿って案内するためのものであって、外周面の全長にわたって、ボール９の半径と略同じ曲率半径を有する断面半円形のねじ溝３ａ、又は、ボール９の半径よりも僅かに大きい曲率半径を有する円弧同士を中間部で交差させた、所謂ゴシックアーチ形状のねじ溝３ａが形成されている。ねじ溝３ａのピッチは、ボールねじ１が組み込まれる装置（図示せず）の仕様にしたがって任意に設定することができる。
【００３３】
ナット５は、ねじ軸３の軸線方向に沿って直線移動する部材であって、その内周面にはねじ溝３ａと同一形状，同一ピッチのねじ溝５ａが形成されている。また、ナット５の一端には、前記装置のテーブル（図示せず）等に固定するためのフランジ１１が形成され、外周面の一部は切り欠かれて平面部１３が形成されている。そして、ねじ溝５ａの一端側と他端側とを連通させて循環経路を形成するチューブ１５が、チューブ押え１７によって平面部１３に固定されている。このようなチューブ１５内を通ってボール９が移送され、ねじ溝５ａの一端側から他端側へボール９が循環されるようになっている。
【００３４】
また、ナット５の両端には、プラスチック製のダストシール１９が配され、異物が外部からナット５内部に侵入することが防止されるようになっている。
ボール９は、転動することによって摩擦損失なく滑らかにナット５を直線移動させるためのものであって、ねじ溝３ａ，５ａで構成されたボール転動路内に転動自在に配されている。
【００３５】
なお、図２に示すように、隣接するボール９の間にリテーニングピース２１を介在させてもよい。このリテーニングピース２１は、ボール９の転動面に対面する２つの凹面を有し、ボール９同士の直接接触を防止するためのものであって、夫々のボール９間に介装されている。リテーニングピース２１は、例えば、それ自体に潤滑作用を有するポリアミドやフッ素樹脂、あるいは潤滑油を含浸させたポリエチレン等からなり、両端にボール９の半径よりも大きい曲率半径の凹球面が形成された円盤状である。
【００３６】
凹球面の形状は、球面形状に限定されるものではなく、２個の円弧を中間部で交差させて形成される、所謂ゴシックアーチ形の凹面でもよいし、円錐形状の凹面であってもよい。また、凹面に貫通穴を設けたり、該貫通穴内に潤滑剤を保持させてボール９との接触抵抗を低減させるようにしてもよい。
次に、ボールねじ１の動作を説明する。モータ（図示せず）によってねじ軸３を回転させると、複数個のボール９を介して螺合したナット５は、ねじ軸３の軸線方向に直線移動する。このとき、ねじ溝３ａ，５ａは相対的に逆方向に回転するので、ボール９はねじ溝３ａ，５ａに対して転動してねじ溝５ａ内を前進し、ねじ溝５ａの一端側に達したボール９は、チューブ１５内を転動してねじ溝５ａの他端側に供給され、再び循環する。
【００３７】
このようなボールねじ１のボール９は、合金成分として、炭素を０．３質量％以上１．２質量％以下、ケイ素を０．５質量％以上２質量％以下、マンガンを０．２質量％以上２質量％以下、クロムを０．５質量％以上２質量％以下含有する鋼材で構成されている。この鋼材は、高炭素クロム軸受鋼ＳＵＪ２よりも摩擦係数が低い。そして、このボール９は、浸炭窒化処理が施されていて、その表面に、窒素濃度が０．３質量％以上２質量％以下であり且つ残留オーステナイト量が５体積％以上２０体積％以下である浸炭窒化層（表面層）が形成されている。
【００３８】
なお、ボール９の表面（転動面）の表面粗さＲ1 と両ねじ溝３ａ，５ａの表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 は、１以下とすることが好ましい。また、ねじ溝３ａ，５ａがゴシックアーチ形状である場合は、その溝Ｒ比を５０％以上５２％以下とすることが好ましい。
このようなボールねじ１は、高荷重条件下且つ異物混入潤滑下で使用されても、ボール９の表面や両ねじ溝３ａ，５ａに剥離等の損傷が生じにくく、長寿命である。また、製造コストが安価である。
【００３９】
〔実施例〕
以下に、さらに具体的な実施例を示して、本発明を説明する。前述したボールねじ１とほぼ同様の構成を有する日本精工株式会社製のボールねじＢＳ６３１６−１０．５を、日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機に装着して、耐久試験を行った。また、ボールのみを用いたボールオンディスク試験により、摩擦抵抗を測定した。
このボールねじの仕様は、以下の通りである。
・ねじ軸の直径：６５ｍｍ
・リード      ：１６ｍｍ
・ボールセンターダイアメータ（ＢＣＤ）：６５ｍｍ
・ボールの直径：１２．７ｍｍ
・回路数      ：３．５巻×３列
・軸方向の荷重：負荷容量の４０％
【００４０】
耐久試験に供した実施例１〜１１及び比較例１〜６のボールねじは、ねじ軸及びナットが浸炭軸受用鋼ＳＣＭ４２０で構成されており、浸炭焼入れ及び焼戻しが施されている。また、ボールは、表１，２に示すような組成の鋼材で構成されており、以下のようにして製造されたものである。表１，２に示すような組成の鋼材の線材からへッダー加工，フラッシング加工，及び粗旋削加工により素球を製作し、その素球に下記の条件Ａ〜Ｃのうちいずれかの熱処理を施した。そして、さらにタンブラー加工（バレル加工）を施し、再度１５０〜１７０℃で焼戻しを行なった後、ボールの表面（転動面）の表面粗さＲ1 とねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 が０．８以下となるように仕上げ加工を施した。
・条件Ａ：ＲＸガスとエンリッチガスとアンモニアガスとを含む雰囲気下、８３０℃で３時間浸炭窒化焼入れを施した後、２００〜２７０℃で焼戻しを行う。
・条件Ｂ：ＲＸガスとエンリッチガスとを含む雰囲気下、８４０℃で３時間浸炭焼入れを施した後、２００℃で焼戻しを行う。
・条件Ｃ：ＲＸガス雰囲気下、８４０℃で０．５時間焼入れを施した後、２００℃で焼戻しを行う。
【００４１】
【表１】
2006002249.tif 000003
【００４２】
【表２】
2006002249.tif 000004
【００４３】
なお、表１，２に示した表面窒素量は、完成したボールの表面層の窒素量を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により定量分析した値である。また、残留オーステナイト量は、その表面層の残留オーステナイト量をＸ線回折法により測定した値である。いずれも、ボールの表面を直接分析した。
【００４４】
まず、完成したボールを用いて、ボールオンディスク試験を行った。相手部材である平板試験片には、焼入れ，焼戻しを施した硬さＨＲＣ６２のＳＵＪ２製平板を用いた。そして、回転速度２００ｍｉｎ-1，荷重９．８Ｎの条件でボールオンディスク試験を行い、ボールと平板試験片との間の摩擦抵抗を測定した。測定結果を表１，２に示す。また、ボールの表面窒素濃度と摩擦抵抗との相関を示すグラフを、図３に示す。なお、表１，２及び図３のグラフにおける摩擦抵抗の値は、従来の軸受鋼で構成されたボールである比較例１の摩擦抵抗を１とした場合の相対値で示してある。
【００４５】
各実施例のボールにおいて用いられた鋼材はＳｉの含有量が高いため、浸炭窒化処理によって窒素が高濃度に富化される。図３のグラフから、ボールの表面窒素濃度が高いほど摩擦抵抗が小さく、特に表面窒素濃度が０．５質量％以上であると、大きな摩擦低減効果があることが分かる。また、表１，２から、残留オーステナイトは転がり寿命には有益な作用効果を発揮するが、摩擦抵抗に対してはマイナスに作用し、特に２０体積％を超えると摩擦抵抗が大きくなることが分かる。
【００４６】
次に、ボールねじの耐久試験について説明する。ボールねじを、日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機に装着して回転させ、一定時間毎に試験を中断し、ねじ軸のねじ溝の剥離の有無を確認した。そして、剥離が発生するまでの試験時間を、ボールねじの寿命とした。試験条件は以下の通りである。
荷重      ：５８００Ｎ（Ｐ／Ｃ＝０．５）
回転速度  ：５００ｍｉｎ-1
ストローク：４０ｍｍ
潤滑剤    ：鉱油系グリース
潤滑剤中の混入異物：Ｆｅ3 Ｃ系粉（硬さ：ＨＲＣ５２，粒径：７４〜１４７μｍ，混入量：３００ｐｐｍ）
試験結果を表１，２に示す。なお、表１，２における寿命の値は、比較例１のボールねじの寿命を１とした場合の相対値で示してある。表１，２から分かるように、実施例のボールねじは、いずれも比較例１のボールねじの２倍以上の寿命を有していた。
【００４７】
図４は、ボールの表面窒素濃度とボールねじの寿命との相関を示すグラフである。図４のグラフから分かるように、ボールの表面窒素濃度が０．３質量％以上、特に０．５質量％以上であるボールねじは、優れた寿命を有しており、比較例１の場合の３．５〜４．５倍程度の寿命を示すものもあった。この結果は、図３のボールの表面窒素濃度と摩擦抵抗との関係と非常に一致していることから、転動体による摩擦低減がボールねじの寿命向上につながったと考えられる。
【００４８】
なお、実施例２のボールねじは、摩擦抵抗が最も低かったにもかかわらず、他の実施例と比較して寿命がやや劣る結果となっている。これは、他の実施例のほとんどすべてはナット又はねじ軸に剥離が発生したのに対し、実施例２の場合はボールの残留オーステナイト量が５体積％と低いため、ボールに形成される圧痕縁での残留オーステナイトによる応力集中軽減効果が十分に得られず、ボールの剥離が多発したためであると考えられる。また、比較例６は、ボールの表面窒素濃度が約１質量％程度と高いにもかかわらず、寿命向上効果が小さかった。これは、表２及び図４から分かるように、表面層の残留オーステナイト量が２８体積％と非常に多いため、窒素富化による摩擦低減が十分に図れなかったためと考えられる。
以上のように、転動体表面の窒素濃度向上による転がり摩擦低減と残留オーステナイト量の適正化とによって、異物混入潤滑下におけるボールねじの長寿命化が達成可能であった。
【００４９】
次に、転動体の転動面の表面粗さがボールねじの寿命に及ぼす影響を評価する試験を行った。すなわち、実施例５のボールねじにおいてボールの表面粗さを種々変更したものを用意して、前述と同様の耐久試験を行い、ボールの転動面の表面粗さとボールねじの寿命との相関を調査した。なお、ボールの表面粗さは、ボールの表面粗さＲ1 とねじ軸のねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 が０．１、０．６、０．８、１．０、及び１．２となるように調整した。
【００５０】
試験結果を図５のグラフに示す。なお、図５のグラフにおけるボールねじの寿命の値は、比較例１のボールねじの寿命を１とした場合の相対値で示してある。図５のグラフから、前述の表面粗さの比Ｒ1 ／Ｒ2 が１以下であると、比較例１よりも寿命が優れていることが分かる。このことから、十分な寿命改善効果を得るためには、ボールの表面粗さＲ1 とねじ軸のねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 を１以下とすることが好ましいことが分かる。
【００５１】
次に、ねじ溝の溝Ｒ比がボールねじの寿命に及ぼす影響を評価する試験を行った。すなわち、実施例６及び比較例１のボールねじにおいてねじ溝の溝Ｒ比を種々変更したものを用意して、前述と同様の耐久試験を行い、ねじ溝の溝Ｒ比とボールねじの寿命との相関を調査した。
試験結果を表３及び図６のグラフに示す。なお、表３及び図６のグラフにおけるボールねじの寿命の値は、比較例１Ｄのボールねじの寿命を１とした場合の相対値で示してある。また、溝Ｒ比が５２％である実施例６Ｄ及び比較例１Ｄが、表１，２に示した実施例６及び比較例１である。
【００５２】
【表３】
2006002249.tif 000005
【００５３】
実施例６Ａ〜６Ｆのボールねじは全て長寿命であり、特に溝Ｒ比が５２％以下の実施例６Ａ〜６Ｄのボールねじはより長寿命であった。一方、比較例１Ａ〜１Ｆのボールねじについては、溝Ｒ比が変わってもほぼ同等の寿命であった。これらの結果から、溝Ｒ比が５２％以下のボールねじに対して本発明が特に有効であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のボールねじは、例えば、マシニングセンタ等の工作機械におけるテーブルの送り機構に適用可能である。また、電動射出成形機やプレス機械等のような、比較的大型で且つ高荷重が負荷される用途に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係るボールねじの一実施形態の平面図である。
【図２】図１のボールねじのＡ−Ａ断面図である。
【図３】ボールの浸炭窒化層の窒素濃度と摩擦抵抗との相関を示すグラフである。
【図４】ボールの浸炭窒化層の窒素濃度とボールねじの寿命との相関を示すグラフである。
【図５】ボールの表面粗さＲ1 とねじ溝の表面粗さＲ2 との比Ｒ1 ／Ｒ2 と、ボールねじの寿命との相関を示すグラフである。
【図６】ねじ溝の溝Ｒ比とボールねじの寿命との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１      ボールねじ
３      ねじ軸
３ａ    ねじ溝
５      ナット
５ａ    ねじ溝
９      ボール
【図１】
2006002249.tif 000006
【図２】
2006002249.tif 000007
【図３】
2006002249.tif 000008
【図４】
2006002249.tif 000009
【図５】
2006002249.tif 000010
【図６】
2006002249.tif 000011