(57)【要約】【課題】ボールねじのねじ軸の製造方法として、耐久性の高いねじ軸が得られて従来の方法よりも生産性が高い方法を提供する。【解決手段】〔Ｃ〕＝０．５２〜１．２質量％、〔Ｓｉ〕＝０．１〜２．０質量％、〔Ｍｎ〕＝０．１〜２．０質量％、〔Ｃｒ〕＝０．１〜２．０質量％、〔Ｍｏ〕≦０．１０質量％、残部がＦｅおよび不可避不純物であり、ＤＩ値が３．２以上８．７以下である鋼からなるねじ軸用素材に対して、焼きならし処理を行うことで、前記素材の鋼の組織を、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした後、切削加工により螺旋溝を形成する溝形成工程を行い、次いで、高周波焼入れ法により螺旋溝に所定深さの硬化層を形成する。【選択図】図２
2015042897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成され、前記ナットに挿通されたねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝とで形成される軌道の間に配置された複数のボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路と、を備え、前記軌道内を負荷状態で転動する前記ボールを介して、前記ナットがねじ軸に対して相対移動するボールねじを構成する前記ねじ軸の製造方法であって、
炭素含有率〔Ｃ〕が０．５２質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以下かモリブデンを含まず、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の(1) 式で表されるＤＩ値が３．２以上８．７以下である鋼からなる所定形状の素材に対して、焼きならし処理を行うことで、前記素材の鋼の組織を、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした後、
切削加工により前記螺旋溝を形成する溝形成工程を行い、
次いで、高周波焼入れ法により前記螺旋溝に所定深さの硬化層を形成することを特徴とするねじ軸の製造方法。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１４）（１＋０．６４〔Ｓｉ〕）（１＋４．１〔Ｍｎ〕）（１＋０．５２〔Ｎｉ〕）（１＋２．３３〔Ｃｒ〕）（１＋３．１４〔Ｍｏ〕）‥(1) 
【請求項２】
前記溝形成工程を行う前の素材の硬さは、前記螺旋溝の深さの範囲での標準偏差がＨｖ２０以内である請求項１記載のねじ軸の製造方法。
【請求項３】
内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成され、前記ナットに挿通されたねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝とで形成される軌道の間に配置された複数のボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路と、を備え、前記軌道内を負荷状態で転動する前記ボールを介して、前記ナットがねじ軸に対して相対移動するボールねじであって、
前記ねじ軸は、
下記の(1) 式で表されるＤＩ値が３．２以上８．７以下であり、下記の(2) 式で算出されるＭｓ点が３２０℃以下の鋼からなる所定形状の素材に対して、焼きならし処理、調質処理、焼きなまし処理、および球状化焼鈍処理のいずれかを行うことで、前記素材の鋼の組織を、フェライト＋パーライト組織、パーライト組織、および球状化組織のいずれかの組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした後、
切削加工により前記螺旋溝を形成する溝形成工程を行い、
次いで、高周波焼入れ法により前記螺旋溝に所定深さの硬化層が形成されることで製造され、
前記螺旋溝の表層部の残留オーステナイト量が８体積％以上４０体積％以下であり、
前記ボールは、鋼からなる素材を所定形状に加工した後、ずぶ焼き処理がなされて、表面硬さがＨＲＣ６４以上とされたボールであることを特徴とするボールねじ。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１４）（１＋０．６４〔Ｓｉ〕）（１＋４．１〔Ｍｎ〕）（１＋０．５２〔Ｎｉ〕）（１＋２．３３〔Ｃｒ〕）（１＋３．１４〔Ｍｏ〕）‥(1) 
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１〔Ｃ〕−３９〔Ｍｎ〕−２０〔Ｃｒ〕−５〔Ｍｏ〕‥(2) 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ボールねじのねじ軸の製造方法と、この方法で得られたねじ軸を備えたボールねじに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじは、内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成され、前記ナットに挿通されたねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝とで形成される軌道の間に配置された複数のボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路と、を備え、前記軌道内を負荷状態で転動する前記ボールを介して、前記ナットがねじ軸に対して相対移動する装置である。
【０００３】
ボールねじの転がり疲れに起因して軌道面（ねじ軸およびナットの螺旋溝面）に生じる剥離には、内部起点剥離と表面起点剥離がある。ボールねじの潤滑状態が良好で、ボールと軌道面との間に十分な油膜が保持されている場合は、両者間に生じる剪断応力が小さいため、両者間の荷重は部品直下に大きく作用する。よって、表面起点剥離は生じにくく、内部起点剥離が生じ易い。ボールねじの潤滑状態が不良で、ボールと軌道面との間に十分な油膜が保持されない場合は、両者間に生じる剪断応力が大きいため、表面起点剥離が生じ易い。
【０００４】
ボールねじの稼働時には、ボール同士の競り合いが生じたり、ボールがボール循環部品（ボール戻し経路を構成する部品）から軌道に入る際にこれらの境界に当接したりするため、ボールねじの稼働時間が長くなるにつれて、ボールの表面状態は次第に悪化する。よって、十分な量の潤滑油が供給されている場合でも、稼働時間が長くなるにつれてボールの表面状態が悪化することに伴って油膜が不十分となるため、ボールねじには表面起点剥離が生じ易い。
【０００５】
電動射出成形機やプレス機械用のボールねじは、比較的大型で高荷重を受ける。具体的には、瞬間的に高荷重が加わり、短いストロークで使用され、最大荷重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を繰り返す。このような厳しい条件下で使用される前記用途のボールねじにおいては、ボール同士の競り合いによるボール表面状態の悪化を防止する目的で、ボール間に合成樹脂製のスペーサを介装することが行われている。しかし、これだけでは、ボールねじの軌道面に表面起点剥離が生じることを回避することはできない。
【０００６】
特許文献１には、前記用途に好適なボールねじとして、少なくともねじ軸が、所定の合金鋼（Ｃ：０．１５〜０．６重量％、Ｓｉ：０．１〜０．９重量％、Ｍｎ：０．１〜１．５重量％、Ｃｒ：０．５〜４．０重量％）で形成された後、浸炭又は浸炭窒化を行うことで得られ、以下の構成を有するものが記載されている。表面から５０μｍまでの範囲における炭化物等（炭化物、窒化物および炭窒化物）の合計面積率が１０％以上３０％以下であり、粒径が１μｍ以下である炭化物等の面積率が前記合計面積の６０％以上であり、表面から転動体径の２％の範囲におけるビッカース硬さがＨｖ７００以上であり、炭化物等の最大粒径が円相当径で５μｍ以下である。
【０００７】
特許文献１には、また、ねじ軸の表面層の残留オーステナイトを１０体積％以上４５体積％以下にすることが記載されている。また、「残留オーステナイトは、マルテンサイトより軟らかく靭性に優れ、さらに高い加工硬化特性を持ち、き裂の発生や進展を抑えるため、表面疲労に対する寿命向上に効果的である」と記載されている。さらに、「浸炭や浸炭窒化などの表面処理によれば、部材全体としての残留オーステナイト量は―般的な軸受鋼であるＳＵＪ２と比較して少なく、表面のみ残留オーステナイト量を高めることができるため、寸法安定性にも有利である」と記載されている。
【０００８】
特許文献２には、高周波焼入れされたねじ軸と、浸炭焼入れされたナットと、浸炭窒化処理されたボールと、が組み合わされたボールねじが記載されている。特許文献２には、また、「一般に、ボールねじにおいては、ねじ軸をＡＩＳＩ４１５０で形成し、高周波焼入れするかＳＭＣ４１５等で形成して浸炭焼入れし、硬度をＨＲＣ５８〜６２程度としている。また、ナットをＳＣＭ４１５等で形成して浸炭焼入れし、硬度をＨＲＣ５８〜６２程度としている。さらに、ボールをＳＵＪ２で形成し、焼入れを施して、硬度をＨＲＣ６０以上としている。」と記載されている。
【０００９】
特許文献３には、高周波焼入れされたねじ軸と、浸炭焼入れされたナットと、浸炭窒化処理されて表面硬度がＨＲＣ６２とされたボールと、が組み合わされたボールねじが記載されている。
特許文献４には、自動車用アクチュエータに使用される自動車用ボールねじに関し、ねじ軸の限定された範囲のねじ溝表面に対して高周波焼入れを施し、ねじ軸の高周波焼入れされた部分の残留オーステナイト量を１〜１０％とし、未焼入れ部分の残留オーステナイト量を零にすることが記載されている。
【００１０】
特許文献２〜４に記載されたボールねじのように、ねじ軸に対する焼入れを高周波焼入れ法で行うと、炉内で所定温度に加熱保持する方法で行う場合と比較して生産性が向上する。ねじ軸に対する焼入れを高周波焼入れ法で行う場合、電動射出成形機やプレス機械用のボールねじでは、ボールの直径が大きく、必要な硬化層深さが深いため、棒状のねじ軸素材に対して螺旋溝を形成した後に、高周波焼入れ処理を行う方法が一般的である。
また、ねじ軸の素材をなす鋼として、現在、主に使用されている鋼は、ＳＡＥ４１５０である。ＳＡＥ４１５０は、焼入れ性を向上させる合金成分としてＣｒ、Ｍｎ、およびＭｏを含有する鋼である。具体的に、ＳＡＥ４１５０の炭素含有率〔Ｃ〕は０．４８〜０．５３質量％であり、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕は０．１５〜０．２５質量％である。
【００１１】
ねじ軸の素材として、ＳＡＥ４１５０からなる素材を用いた場合、モリブデンがクロム等の一般的な合金成分と比較して炭化物形成能が高いため、切削加工前の熱処理として焼きならし処理を行うと、焼きならし処理後のねじ軸にモリブデン炭化物が偏析し易い。そして、この偏析部が硬くなるため、焼きならし処理に切削加工でねじ軸に螺旋溝を形成しにくくなる。よって、現状では、切削加工前の熱処理として調質処理を行っているが、調質処理は焼きならし処理と比較してコストの高い方法である。
また、ＳＡＥ４１５０からなる素材を用いた場合、切削加工後に高周波焼入れ処理を施すと、炉加熱による焼入れ処理と比較して処理時間（加熱時間）が短時間であるため、焼きならし処理で生じたモリブデン炭化物の偏析による影響が現出し易い。よって、品質の安定性を保持するためには、高周波焼入れ処理の条件を厳格に管理する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−７６８２３号公報
【特許文献２】特許第３５０６８５３号公報
【特許文献３】特許第３４９２５１８号公報
【特許文献４】特許第４４６７３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述のように、従来のボールねじのねじ軸の製造方法、つまり、ＳＡＥ４１５０からなる素材を用い、調質処理、切削加工による螺旋溝の形成、および高周波焼入れによる螺旋溝への硬化層の形成をこの順に行う方法は、コストが高く、生産性が低い方法である。また、特許文献１〜４に記載されているボールねじには、電動射出成形機やプレス機械用のボールねじとしての寿命に改善の余地がある。
この発明の課題は、ボールねじのねじ軸の製造方法として、耐久性の高いねじ軸が得られ、従来の方法よりも生産性が高い方法を提供するとともに、電動射出成形機やプレス機械に使用された場合でも寿命の長いボールねじを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、この発明の第一態様は、下記の構成(a) を満たすボールねじを構成するねじ軸の製造方法であって、下記の構成(b) および(c) を有することを特徴とする。
(a):内周面に螺旋溝が形成されたナットと、外周面に螺旋溝が形成され、前記ナットに挿通されたねじ軸と、前記ナットの螺旋溝と前記ねじ軸の螺旋溝とで形成される軌道の間に配置された複数のボールと、前記ボールを前記軌道の終点から始点に戻すボール戻し経路と、を備え、前記軌道内を負荷状態で転動する前記ボールを介して、前記ナットがねじ軸に対して相対移動する。
【００１５】
(b):炭素含有率〔Ｃ〕が０．５２質量％以上１．２質量％以下、珪素含有率〔Ｓｉ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、マンガン含有率〔Ｍｎ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、クロム含有率〔Ｃｒ〕が０．１質量％以上２．０質量％以下、モリブデン含有率〔Ｍｏ〕が０．１０質量％以下かモリブデンを含まず、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物であり、下記の(1) 式で表されるＤＩ値が３．２以上８．７以下である鋼からなる所定形状の素材を使用する。
ＤＩ＝（０．２〔Ｃ〕＋０．１４）（１＋０．６４〔Ｓｉ〕）（１＋４．１〔Ｍｎ〕）（１＋０．５２〔Ｎｉ〕）（１＋２．３３〔Ｃｒ〕）（１＋３．１４〔Ｍｏ〕）‥(1) 
【００１６】
(c): (b)の素材に対して、焼きならし処理を行うことで、前記素材の鋼の組織を、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした後、切削加工により前記螺旋溝を形成する溝形成工程を行い、次いで、高周波焼入れ法により前記螺旋溝に所定深さ（例えば、０．１〜４ｍｍ）の硬化層を形成する。なお、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織は、焼きならし処理の冷却速度を調整することで得られる。
【００１７】
第一態様の方法は、下記の構成(d) および(e) の少なくともいずれかを有することが好ましい。
(d):前記溝形成工程を行う前の素材の硬さは、前記螺旋溝の深さの範囲での標準偏差がＨｖ２０以内である。
(e):前記素材として、下記の(2) 式で算出されるＭｓ点が２９１℃以下の鋼からなる素材を使用する。
Ｍｓ（℃）＝５５０−３６１〔Ｃ〕−３９〔Ｍｎ〕−２０〔Ｃｒ〕−５〔Ｍｏ〕‥(2) 
【００１８】
この発明の第二態様は、前記構成(a) を満たすボールねじであって、ねじ軸は、前記構成(j) を有する方法で製造されるとともに、下記の構成(f) を有し、ボールは下記の構成(g) を有することを特徴とする。
(j):前記(1) 式で表されるＤＩ値が３．２以上８．７以下であり、前記(2) 式で算出されるＭｓ点が３２０℃以下の鋼からなる所定形状の素材に対して、焼きならし処理、調質処理、焼きなまし処理、および球状化焼鈍処理のいずれかを行うことで、前記素材の鋼の組織を、フェライト＋パーライト組織、パーライト組織、および球状化組織のいずれかの組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした後、切削加工により前記螺旋溝を形成する溝形成工程を行い、次いで、高周波焼入れ法により前記螺旋溝に所定深さの硬化層を形成する。
(f):前記螺旋溝の表層部（表面から深さ５００μｍまでの範囲）の残留オーステナイト量が８体積％以上４０体積％以下である。
(g):鋼からなる素材を所定形状に加工した後、ずぶ焼き処理がなされて、表面硬さがＨＲＣ６４以上とされたボールである。前記鋼としては、ずぶ焼き鋼である高炭素鋼、例えば高炭素クロム軸受鋼を用いることが好ましい。
【００１９】
第二態様のボールねじは下記の構成(h) を有することが好ましい。
(h):ねじ軸の前記螺旋溝の表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上４０体積％以下である。
また、第一態様の方法で使用する鋼および第二態様のボールねじを構成するねじ軸をなす鋼としては、高炭素クロム軸受鋼のＳＵＪ３が好ましい。
【００２０】
［作用］
第一態様の方法によれば、前記構成(b) において、前記組成の鋼からなる素材を使用することにより、表層部の残留オーステナイト量が８体積％以上のねじ軸を得ることができる。また、前記構成(e) を満たす鋼を使用することで、表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上のねじ軸を得ることができる。
【００２１】
また、前記構成(b) において、使用する素材の鋼が、焼入れ性を得るための主要成分としてマンガンとクロムと珪素を含有し、モリブデンを含まないかモリブデン含有率を０．１０質量％以下とすることで、焼きならし後のねじ軸に、モリブデン炭化物の偏析が発生しないかその発生を抑制できる。これにより、切削加工前の熱処理としてコストの高い調質処理でなく、コストの低い焼きならし処理を採用できる。
また、前記構成(b) において、前記鋼の各合金成分を前記各範囲に限定した理由は以下の通りである。
【００２２】
〔Ｃ〕が０．５２質量％未満であると、表層部の残留オーステナイト量が８体積％以上のねじ軸を得ることができない。〔Ｃ〕が１．２質量％を超えると、巨大な炭化物の発生が抑制できない。〔Ｃ〕は１．１質量％以下であることが好ましく、１．０質量％以下であることがより好ましい。
〔Ｓｉ〕が０．１質量％未満であると、珪素による焼入れ性の作用が実質的に得られない。〔Ｓｉ〕が２．０質量％を超えると、切削加工性の低下が無視できない。切削加工性の点からは、〔Ｓｉ〕が１．０質量％以下であることが好ましく、０．７質量％以下であることがより好ましい。〔Ｓｉ〕の更に好ましい範囲は０．１５質量％以上０．５１質量％以下である。
【００２３】
〔Ｍｎ〕が０．１質量％未満であると、マンガンによる焼入れ性の作用が実質的に得られない。〔Ｍｎ〕が２．０質量％を超えると、切削加工性の低下が無視できない。〔Ｍｎ〕の好ましい範囲は０．７２質量％以上１．１質量％以下である。
〔Ｃｒ〕が０．１質量％未満であると、クロムによる焼入れ性の作用が実質的に得られない。〔Ｃｒ〕が２．０質量％を超えると、切削加工性の低下が無視できない。〔Ｃｒ〕の好ましい範囲は０．６０質量％以上１．２質量％以下であり、より好ましい範囲は０．６０質量％以上１．０質量％以下である。
【００２４】
なお、モリブデンは、マンガンとクロムと珪素だけでは焼入れ性の確保が不十分な場合に、第一態様の方法で使用する鋼に選択的に添加するが、価格および加工性の観点から添加しないことが好ましいく、添加する場合でも上述の理由で０．１０質量％以下、好ましくは０．０３質量％以下とする。また、ニッケルは、価格および加工性の観点から、第一態様の方法で使用する鋼に意図的に添加することはないが、鋼中に不可避的不純物として存在する。
【００２５】
また、前記構成(b) において、使用する素材の鋼のＤＩ値が３．２以上であるため、高周波焼入れ法により、標準的な処理条件（周波数１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ、コイル移動速度２ｍｍ／秒〜１０ｍｍ／秒）で、ねじ軸の螺旋溝に所定深さ（０．１〜４ｍｍ）の硬化層を形成できる。
また、前記構成(c) において、前記素材の鋼の焼きならし後の組織を、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とすることにより、使用する鋼の炭素含有率が高いことで素材が硬くても、硬さのバラツキが少ないため、溝形成工程で切削加工を採用できる。硬さのバラツキに関しては、前記構成(d) を満たすことが好ましい。
【００２６】
第二態様のボールねじは、前記構成(f) を満たすねじ軸と、前記構成(g) を満たすボールを有する。また、前記構成(g) を満たすボールは、浸炭窒化処理されたボールと比較して、残留オーステナイト量が少ないことで耐圧痕性が高いとともに、表面硬さがＨＲＣ６４以上であるため表面性状の劣化が生じにくい。また、前記構成(g) を満たすボールは、浸炭窒化処理されたボールと比較して製造コストが低い。
【００２７】
ここで、ボールねじの転がり疲労は、ボールからねじ軸およびナットの螺旋溝に作用する接線力に起因して進行し、接線力はボールの表面性状の劣化（異物の噛み込みや循環部品との衝突に起因して傷が生じること）に伴って増大する。つまり、ボールねじは、表面性状が劣化しにくいボールを有することで転がり疲労の進行が抑制される。
よって、第二態様のボールねじは、転がり疲労寿命が長く、製造コストが低いものである。前記構成(h) を有することで、第二態様のボールねじの転がり疲労寿命をより長くすることができる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明のボールねじのねじ軸の製造方法によれば、素材をなす鋼を特定することにより、残留オーステナイト量が確保できるとともに、切削加工で螺旋溝を形成する前の熱処理として焼きならし処理が採用できる。つまり、この発明の方法は、耐久性の高いねじ軸が得られ、従来の方法よりも生産性が高い方法である。
また、この発明のボールねじは、電動射出成形機やプレス機械に使用された場合でも寿命の長いボールねじである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態のボールねじを示す平面図である。
【図２】実施形態のボールねじの部分断面図であって、ナットを図１のＡ−Ａ断面で示す図である。
【図３】実施例の結果から得られた、試験片の素材をなす鋼のＭｓ点と、スラスト軸受の転がり疲労寿命との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、この発明の実施形態について説明するが、この発明はこの実施形態に限定されない。
この実施形態のボールねじは、図１および２に示すように、ねじ軸１、ナット２、ボール３、スペーサ４、チューブ（ボール戻し経路を構成する部品）５、チューブ押え６、およびシール７で構成されている。
【００３１】
ねじ軸１の外周面とナット２の内周面には螺旋溝１１，２１が形成されており、これらの螺旋溝１１，２１でボール３の軌道が形成される。ナット２の軸方向一端にはフランジ２２が形成されている。そして、ボール３がこの軌道内を負荷状態で転動し、ナット２はねじ軸１に対して相対的に直線移動する。隣り合うボール３間に合成樹脂製のスペーサ４が配置されている。
チューブ５は略門形に形成され、その両端部が、ナット２をなす円筒に設けた貫通穴内に挿入され、軌道の始点と終点を連結するように、ねじ軸１を挟んで斜向かいに配置されている。したがって、軌道の終点に達したボール３はこのチューブ５を通って軌道の始点に戻される。
【００３２】
この例ではボール循環経路（軌道＋戻し経路路）を２つ有するため、チューブ５を２本備えている。また、チューブ５は、チューブ押え６でナット２の平坦部２３に固定されている。
この実施形態のボールねじ（図１および２に示す構造のボールねじ）として、下記の仕様を有する日本精工（株）のＢＳ６３１６−１０．５（呼び：ＪＩＳ  Ｂ１１９２  ６３×１６×３００−Ｃｔ７）を以下の方法で製造した。
【００３３】
＜ボールねじの仕様＞
ねじ軸の外径：６３ｍｍ
ねじ長（ねじ軸の有効長さ）：３００ｍｍ
ナットの外径：フランジ部１２５ｍｍ、円筒部１０５ｍｍ
リード：１６ｍｍ
リード角：４．５°
ボールの直径：１２．７ｍｍ
セパレータの材質：６６ナイロン
潤滑剤：リューベ（株）製のグリース「ＹＳ２」
【００３４】
［ねじ軸１の製造方法］
《第一の方法》
第一の方法において、ねじ軸１は以下の方法で製造した。先ず、下記の組成１の鋼（前記構成(b) を満たす鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、焼きならし処理を以下の条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織を、均一なフェライト＋パーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした。
【００３５】
＜使用した鋼の組成１：鋼種Ｂ＞
〔Ｃ〕＝０．５２質量％、〔Ｓｉ〕＝０．１５質量％、〔Ｍｎ〕＝０．７２質量％、〔Ｃｒ〕＝０．７２質量％、〔Ｍｏ〕＝０．０３質量％、〔Ｎｉ〕＝０．０６質量％、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である。ＤＩ値が３．２、Ｍｓ点が３２０である。
【００３６】
＜焼きならし処理の条件＞  
熱間鍛造後の鋼材（丸棒材）に対して、網目状炭化物が消失し、基地がγになる条件（例えば、８２０℃で１時間）で加熱保持した後、空冷。
次に、一般的な機械を使用した切削加工により、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行た。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、下記の条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は８体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００３７】
＜高周波焼入れ、焼戻し処理の条件＞  
高周波焼入れ条件：「周波数１〜５０ｋＨｚ、コイル移動速度２〜１０ｍｍ／秒」の範囲で、残留オーステナイト量が最大限多くなる周波数および移動速度。
焼戻し条件：１７０℃に保持された炉内に２時間保持
ナット２は、ＳＣＭ４２０からなる円筒形の素材に対して、切削加工により、螺旋溝２１、フランジ２２、平坦部２３を形成した後、以下の条件で浸炭、焼入れ、焼戻し処理を行った後、研磨加工を行うことで製造した。
＜浸炭、焼入れ、焼戻し処理の条件＞  
９５０℃で浸炭処理後、室温まで空冷、次いで８５０℃で焼入れ処理、次いで２００℃で焼戻し処理。
【００３８】
《第二の方法》
第二の方法において、ねじ軸１は以下の方法で製造した。先ず、下記の組成２の鋼（前記構成(b) を満たす鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、調質処理を以下の条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織を、フェライト＋パーライト組織でマルテンサイト組織を含まない組織とした。
【００３９】
＜使用した鋼の組成２：鋼種Ｆ、高炭素クロム軸受鋼のＳＵＪ３＞
〔Ｃ〕＝１．００質量％、〔Ｓｉ〕＝０．５１質量％、〔Ｍｎ〕＝１．０２質量％、〔Ｃｒ〕＝１．００質量％、〔Ｍｏ〕＝０．０３質量％、〔Ｎｉ〕＝０．０５質量％、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である。ＤＩ値が８．７、Ｍｓ点が１２９である。
＜調質処理の条件＞
７５０℃で１０時間保持した後に空冷し（焼入れ）、次いで６４０℃に２時間保持した後に空冷（焼戻し）。
【００４０】
次に、第一の方法と同じ方法で、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行った。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、第一の方法と同じ条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は２２体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００４１】
《第三の方法》
第三の方法において、ねじ軸１は以下の方法で製造した。先ず、上記組成２の鋼（前記構成(b) を満たす鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、焼きならし処理を上記と同じ条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織を、パーライト組織（No.2-7より）でマルテンサイト組織を含まない組織とした。
【００４２】
次に、第一の方法と同じ方法で、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行った。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、第一の方法と同じ条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は２２体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００４３】
《第四の方法》
第四の方法において、ねじ軸１は以下の方法で製造した。先ず、上記組成２の鋼（前記構成(b) を満たす鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、低温焼きなまし処理を以下の条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織を、パーライト組織（No.2-11 より）でマルテンサイト組織を含まない組織とした。
【００４４】
＜低温焼きなまし処理の条件＞
７１０℃で１０時間保持した後に、徐冷。
次に、第一の方法と同じ方法で、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行った。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、第一の方法と同じ条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は２２体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００４５】
《第五の方法》
第五の方法において、ねじ軸１は、以下の方法で製造した。先ず、上記組成２の鋼（前記構成(b) を満たす鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、球状化焼鈍処理を以下の条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織を、フェライト＋球状化セメンタイトからなり（No.2-15 より）でマルテンサイト組織を含まない組織とした。
【００４６】
＜球状化焼鈍処理の条件＞
７５０℃で５時間保持した後に、徐冷。
次に、第一の方法と同じ方法で、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行った。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、第一の方法と同じ条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は２２体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００４７】
［ボール３の製造方法］
ボール３は、ＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼第二種）製からなる球状の素材を所定寸法に加工した後、下記の条件でずぶ焼き処理を行い、次いで、所定条件で研磨後にボールピーニングを行うことで製造した。これにより、ボール３の表面硬さはＨＲＣ６４となっている。
【００４８】
＜ずぶ焼き処理の条件＞
８４０℃の炉内に１時間保持した後、１６０℃で２時間の焼戻し。
つまり、このボール３は、浸炭窒化処理されたボールと比較して、残留オーステナイト量が少ないことで耐圧痕性が高く、製造コストが低い。また、ボール３の表面硬さがＨＲＣ６４であるため表面性状の劣化が生じにくい。よって、表面硬さがＨＲＣ６４未満であるボールを使用した場合と比較して、転がり疲労の進行が抑制される。
【００４９】
つまり、この実施形態で得られた各ボールねじは、表面性状が劣化しにくいボールを有するとともに、表層部の残留オーステナイト量が８〜２２体積％であるねじ軸を有するため、転がり疲労寿命が長い。
また、第一の方法を採用した場合、ねじ軸の製造コストが従来の方法（切削加工で螺旋溝を形成する前の熱処理として調質処理を行う方法）よりも低いため、この実施形態のねじ軸の製造方法で第一の方法を採用した方法は、従来の方法よりも生産性が高い方法である。
【００５０】
［剥離寿命試験］
この実施形態のボールねじを日本精工（株）製のボールねじ耐久試験装置に装着し、試験荷重３００ｋＮで、ナット回転による直動をストローク８０ｍｍ／回、回転速度１０００ｍｉｎ-1で行い、ねじ軸に剥離が生じるまでの時間（剥離寿命）を測定した。
【００５１】
［従来例のボールねじ］
比較のために、従来例のボールねじとして、以下の方法で製造したねじ軸およびボールと、上記と同じ方法で製造したナットを使用して、同じ仕様のボールねじを作製し、上記と同じ方法で試験を行うことにより剥離寿命を測定した。
先ず、下記の組成の鋼（前記構成(b) を満たさない鋼）からなる丸棒材（直径８０ｍｍ）に対して、調質処理を以下の条件で行った。これにより、丸棒材の鋼の組織は、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織ではなく、焼戻しマルテンサイト組織を含む組織となった。
【００５２】
＜使用した鋼の組成＞
〔Ｃ〕＝０．４８質量％、〔Ｓｉ〕＝０．２８質量％、〔Ｍｎ〕＝０．９０質量％、〔Ｃｒ〕＝０．９５質量％、〔Ｍｏ〕＝０．１４質量％、〔Ｎｉ〕＝０．０５質量％、残部が鉄（Ｆｅ）および不可避不純物である。ＤＩ値が６．２、Ｍｓ点が３２２である。
【００５３】
＜調質処理の条件＞
炉内で丸棒材の温度が均一に９００℃となるまで加熱保持した後、油冷し、次いで６００℃で焼戻し。
次に、一般的な機械を使用した切削加工により、丸棒材に螺旋溝１１を形成する溝形成工程を行た。次に、螺旋溝１１が形成された丸棒材（ねじ軸１）に、下記の条件で高周波焼入れおよび焼戻しを行うことにより、ねじ軸１の外周面の螺旋溝１１が形成されている範囲の表面全体に、所定深さ（０．１〜４ｍｍ）で硬化層を形成した。硬化層の残留オーステナイト量は６体積％であった。最後に、研磨加工を行った。
【００５４】
＜従来例のねじ軸での高周波焼入れ、焼戻し処理の条件＞  
高周波焼入れ条件：「周波数１〜５０ｋＨｚ、コイル移動速度２〜１０ｍｍ／秒」の範囲で、残留オーステナイト量が最大限多くなる周波数および移動速度。
焼戻し条件：１７０℃に保持された炉内に２時間保持。
ボールは、研磨およびボールピーニングの条件が異なる以外は、実施形態のボールねじのボール３と同様の方法で製造し、ボールの表面硬さをＨＲＣ６２．８とした。
【００５５】
その結果、実施形態の各ボールねじの剥離寿命は、第一の方法で得られたねじ軸を用いた場合、従来例のボールねじの剥離寿命の２．３倍であった。第二の方法で得られたねじ軸を用いた場合、従来例のボールねじの剥離寿命の３．５倍であった。第三の方法で得られたねじ軸を用いた場合、従来例のボールねじの剥離寿命の３．６倍であった。第四の方法で得られたねじ軸を用いた場合、従来例のボールねじの剥離寿命の３．２倍であった。第五の方法で得られたねじ軸を用いた場合、従来例のボールねじの剥離寿命の３．５倍であった。
【００５６】
つまり、Ｍｓ点が１２９である鋼を使用して第二、第三、第四、第五の方法で得られたねじ軸を用いたボールねじの転がり疲労寿命は、従来例のボールねじの剥離寿命の３倍以上であり、Ｍｓ点が３２０である鋼を使用して第一の方法で得られたねじ軸を用いたボールねじよりも転がり疲労寿命が長くなっている。
【実施例】
【００５７】
以下、具体的な試験データを使用して、この発明を説明する。
［試験片を用いたスラスト軸受による転がり寿命試験］
先ず、試験片を用いて、ねじ軸を構成する鋼の違いと、切削加工前の熱処理の違いと、使用するボールの硬さの違いによる転がり寿命の違いを調べた。
試験片としては、合金成分が表１に示す組成の鋼種Ａ〜Ｆからなる素材を、呼び番号５１３０５のスラスト軸受を構成するレース対に対応させた穴開き円板（内径２５ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ６ｍｍのものと、内径２７ｍｍ、外径５２ｍｍ、厚さ６ｍｍのもの）の形状に切り出したものを使用した。鋼種Ｆは高炭素クロム軸受鋼のＳＵＪ３である。
【００５８】
【表１】
2015042897.tif 000003
【００５９】
各対の試験片に、それぞれ下記の条件で熱処理（調質、焼きならし、低温焼きなまし、球状化焼鈍のいずれか）を行った後、対向する面にボールの転動溝を切削加工で形成し、さらに研磨工程を行った。
＜試験片の溝加工前の熱処理条件＞
調質条件：７５０℃で１０時間保持した後に空冷し、次いで６４０℃で２時間保持後に空冷。
焼きならし：７５０℃で１０時間保持した後、空冷。
低温焼きなまし：７１０℃で１０時間保持した後、徐冷。
球状化焼鈍：７５０℃で５時間保持した後に、徐冷。
次に、転動溝が形成された各試験片に対して、下記の条件で、高周波焼入れ、焼戻しを行った。これにより、各対のレースを得た。
【００６０】
＜試験片の溝加工後の熱処理条件＞
高周波焼入れ条件：周波数は１００ｋＨｚ、移動速度は各鋼で残留オーステナイト量が最大限多くなる速度。
焼戻し条件：１３０〜２００℃で２時間
また、直径９．５２５ｍｍのボールとして、ＳＵＪ２からなり、下記の条件で熱処理した後に、研磨およびボールピーニングを行い、研磨およびボールピーニングの条件を制御することで硬さをＨＲＣ６４としたボールＡと、硬さをＨＲＣ６２．８としたボールＢを用意した。  
【００６１】
＜ボールの熱処理条件＞
８４０℃の炉内に１時間保持する「ずぶ焼き」を行った後、１３０〜２００℃で２時間保持する焼戻しを行った。
これらのボールＡおよびボールＢを呼び番号６２０６の深溝玉軸受に組み込んで、異物混入潤滑下で深溝玉軸受を稼働し、ボールの表面に異物を噛み込ませることにより圧痕を付与した。この圧痕付与はボールＡおよびボールＢで同じ条件で行った。
圧痕が付与されたボールＡまたはボールＢと各対のレースを用いてスラスト軸受を組み立て、下記の条件で寿命試験を行った。No.1-1ではボールＡを用い、No.1-2〜No.1-10 ではボールＢを用いた。
【００６２】
＜スラスト軸受の寿命試験条件＞
面圧：２．８ＧＰａ
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
潤滑：ＶＧ６８を用いた油浴潤滑
寿命の判断：振動の検出
各サンプルの構成と、得られた結果を表２に示す。表２の「寿命」は、各サンプルの寿命をサンプルNo.1-1の寿命で除算した相対値である。
【００６３】
【表２】
2015042897.tif 000004
【００６４】
また、この結果から得られた、試験片の素材をなす鋼のＭｓ点と、スラスト軸受の転がり疲労寿命との関係を図３にグラフで示す。
この結果から以下のことが分かる。
試験片の鋼種が同じで異なるボールを用いたNo.1-1とNo.1-2では、ボールの硬さが大きいNo.1-2の転がり寿命がNo.1-1の１．５倍と長くなった。
【００６５】
同じボールを用いたNo.1-2〜No.1-10 の比較から、この発明の実施例に相当する鋼種Ｂ〜Ｆ（Ｍｓ点が３２０以下である鋼）からなる素材を使用したNo.1-3〜No.1-10 では、試験片の表層部の残留オーステナイト量が８体積％以上となり、No.1-1の２．０倍以上の転がり疲労寿命が得られたのに対して、比較例に相当する鋼種Ａからなる素材を使用したNo.2では、試験片の表層部の残留オーステナイト量が６体積％となり、No.1-1の１．５倍程度の転がり疲労寿命であった。
【００６６】
また、No.1-3〜No.1-10 のうち、Ｍｓ点が２９１以下である鋼種Ｃ〜Ｆからなる素材を使用したNo.1-4〜No.1-10 では、試験片の表層部の残留オーステナイト量が１５体積％以上となり、No.1-1の３．１倍以上の転がり疲労寿命が得られた。
つまり、Ｍｓ点が３２０以下の鋼からなる素材を使用することで、試験片の表層部の残留オーステナイト量を８体積％以上とすることができ、この試験片とボールＡとからなるスラスト軸受の寿命を、Ｍｓ点が３２２である鋼からなる素材を使用した試験片（表層部の残留オーステナイト量が６体積％）とボールＢとからなるスラスト軸受の寿命の２倍以上にできる。また、Ｍｓ点が２９１以下の鋼からなる素材を使用することで、試験片の表層部の残留オーステナイト量を１５体積％以上とすることができ、この試験片とボールＡとからなるスラスト軸受の寿命を、Ｍｓ点が３２２である鋼からなる素材を使用した試験片（表層部の残留オーステナイト量が６体積％）とボールＢとからなるスラスト軸受の寿命の３倍以上にできる。
【００６７】
［切削加工性試験］
次に、ねじ軸の素材を構成する鋼の違いと、熱処理方法の違いによる切削加工性の違いを調べた。
ねじ軸の素材として、鋼種Ａ〜Ｆからなる直径７０ｍｍ×長さ１０００ｍｍの丸棒材を用意した。No.2-1では、鋼種Ａからなる丸棒材に対して、前述と同じ条件で調質処理を行った後に、工具を用いた切削加工を行うことで、螺旋溝を形成した。
【００６８】
No.2-2〜2-７では、鋼種Ａ〜Ｆからなる丸棒材に対して、前述の試験片に対する焼きならし条件と同じ条件で焼きならし処理を行った後に、No.2-1と同じ工具を用いた切削加工を行うことで、No.2-1と同じ螺旋溝を形成した。
No.2-8〜2-11では、鋼種Ｃ〜Ｆからなる丸棒材に対して、前述の試験片に対する低温焼きなまし条件と同じ条件で低温焼きなまし処理を行った後に、No.2-1と同じ工具を用いた切削加工を行うことで、No.2-1と同じ螺旋溝を形成した。
No.2-12 〜2-15では、鋼種Ｃ〜Ｆからなる丸棒材に対して、前述の試験片に対する球状化焼鈍条件と同じ条件で球状化焼鈍処理を行った後に、No.2-1と同じ工具を用いた切削加工を行うことで、No.2-1と同じ螺旋溝を形成した。
【００６９】
調質処理、焼きならし処理、低温焼きなまし処理、および球状化焼鈍処理後の各棒材の硬さ分布を測定するとともに、電子顕微鏡を用いて組織観察を行った。硬さ分布の測定はビッカース硬度計を用いて棒材の各所で行い、その平均値と標準偏差を算出した。また、切削加工後に工具の摩耗量を調べた。得られた結果を表３に示す。表３の「工具摩耗量」は、各サンプルの工具摩耗量をサンプルNo.2-1の工具摩耗量で除算した相対値である。
【００７０】
【表３】
2015042897.tif 000005
【００７１】
表３の結果から以下のことが分かる。
No.2-1は、前記構成(b) を満たさない鋼を用い、従来の方法で熱処理を行ったねじ軸の例であり、熱処理後の硬さＨｖの標準偏差が２０であるが、切削加工前の熱処理が調質処理であるため、生産性が低い。また、No.2-1では、熱処理後の鋼の組織が、均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織ではなく、焼戻しマルテンサイト組織を含む組織となった。
【００７２】
No.2-2はNo.2-1と同じ鋼を用い、切削加工前の熱処理として焼きならしを行っているため、熱処理後の鋼の組織が均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織ではなくマルテンサイト組織を含む組織となった。これに伴って、熱処理後の硬さＨｖの標準偏差が３１となり、ねじ軸に硬い部分が部分的に存在するため、工具摩耗量がNo.2-1の１．５倍になった。
【００７３】
No.2-3〜No.2-7は、前記構成(b) を満たす鋼を用い、この発明の方法で熱処理を行ったねじ軸の例であり、切削加工前の熱処理として焼きならしを行っているため、熱処理後の鋼の組織が均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織となった。これに伴って、熱処理後の硬さＨｖの標準偏差が２０以下となり、工具摩耗量がNo.2-1の１倍以下になった。
鋼の種類のみが異なるNo.2-2とNo.2-7を比較すると、平均硬度はほぼ同じであるが、標準偏差が大きく異なり、標準偏差がＨｖ８であるNo.2-7の工具摩耗量はNo.2-1と同じであったのに対して、標準偏差がＨｖ３１であるNo.2-2の工具摩耗量はNo.2-1の１．５倍であった。
【００７４】
No.2-8〜2-11は、前記構成(b) を満たす鋼を用い、切削加工前の熱処理として低温焼きなましを行っているため、熱処理後の鋼の組織が均一なフェライト＋パーライト組織またはパーライト組織となった。これに伴って、熱処理後の硬さＨｖの標準偏差が２０以下となり、工具摩耗量がNo.2-1の１倍以下になった。
No.2-12 〜2-15は、前記構成(b) を満たす鋼を用い、切削加工前の熱処理として球状化焼鈍を行っているため、熱処理後の鋼の組織がフェライト＋球状化セメンタイト組織となった。これに伴って、熱処理後の硬さＨｖの標準偏差が２０以下となり、工具摩耗量がNo.2-1の１倍以下になった。
【符号の説明】
【００７５】
１  ねじ軸
１１  ねじ軸の螺旋溝
２  ナット
２１  ナットの螺旋溝
２２  フランジ
２３  平坦部
３  ボール
４  スペーサ
５  チューブ（ボール戻し経路を構成する部品）
６  チューブ押え
７  シール
【図１】
2015042897.tif 000006
【図２】
2015042897.tif 000007
【図３】
2015042897.tif 000008