(57)【要約】【課題】ボール表面の摩耗によって生じる予圧抜けを防止して長寿命化を図る。【解決手段】ボールねじ装置１のボール５が、Ｃ：０．４〜１．２重量％、Ｓｉ：０．５〜１．５重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物の鋼からなり、且つ表面層の残留オーステナイト量を２０％未満とすると共に、表面硬さをＨＲＣ６２以上、表面窒素濃度を０．３〜１．５重量％とした浸炭窒化層を設ける。【選択図】      図２
2004197806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ボールが、Ｃ：０．４〜１．２重量％、Ｓｉ：０．５〜１．５重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物の鋼からなり、且つ表面層の残留オーステナイト量を２０％未満とすると共に、表面硬さをＨＲＣ６２以上、表面窒素濃度を０．３〜１．５重量％とした浸炭窒化層を設けたことを特徴とするボールねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種機器の送り機構等に用いられるボールねじ装置に関し、特に、工作機械等の高速条件下での使用に好適なボールねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のボールねじ装置としては、例えば図２に示すものが知られている。このボールねじ装置１は、外周面に螺旋状のねじ溝２を有して軸方向に延びるねじ軸３に、内周面にねじ溝２に対応する螺旋状のねじ溝４を有するナット６が螺合されており、ナット６のねじ溝４とねじ軸３のねじ溝２とは互いに対向して両者の間に螺旋状の負荷軌道を形成している。該負荷軌道には転動体としての多数のボール５が転動可能に装填されており、ねじ軸３（又はナット６）を回転させることにより、ナット６（又はねじ軸３）がボール５の転動を介して軸方向に移動するようになっている。
【０００３】
また、図のようにボール循環式のボールねじ装置においては、例えばナット６の外周部に平坦面８ａを形成してこの平坦面８ａに前記両ねじ溝２，４間に連通する２個一組の孔７をねじ軸３を跨ぐように形成し、この一組の孔７に循環部品の一例としての略コ字状の循環チューブ８の両端を嵌め込んでいる。これにより、両ねじ溝２，４間の負荷軌道に沿って公転するボール５を該負荷軌道の途中から循環チューブ８で掬い上げて元の負荷軌道に戻し、ボール５を無限に循環させるようにしている。
【０００４】
ところで、ボールねじ装置に用いるボールとしては、通常、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２等）製の鋼球が使用されている。また、ボールねじ装置に対しては、高精度位置決めに対応すべく、軸方向すきまをゼロとし、更に、軸方向荷重に対する弾性変位量を小さくし、剛性を上げるために予圧を与えるのが一般的である。
【０００５】
しかしながら、このようなボールねじ装置では、高速回転下で使用されると、ボールの接触面に潤滑剤が引き込まれ難くなって油膜形成が不十分となり、ねじ軸、ナット、ボールの転動面においてすべり接触による表面摩耗により予圧抜けが発生し、その結果として、送りの位置決め精度が悪化し、工作機械の加工精度に悪影響を及ぼすという問題が生じていた。また、ボール表面の損傷が潤滑状態を著しく悪化させ、性能劣化を加速させる要因となっていた。
そこで、このような問題を解決するために、ボールの表面に浸炭窒化処理を施してボール寿命の改善を図ったボールねじ装置が開示されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１０３１１５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４６１６３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１では、ボール表面に浸炭窒化処理を施すことで、ボール表層にマルテンサイト組織が多く折出し、表面硬度が上昇すると記載されているが、「材料組織学」（Ｐ１４３、朝倉書店、高木節雄、津崎兼彰著、２０００年発行）に記載のように、浸炭や浸炭窒化処理を施すことでＣ濃度の増加とともにマルテンサイト変態開始点（Ｍｓ点）は低下するので、表面に浸炭窒化処理を施したボールの場合、軸受鋼（ＳＵＪ２）の通常の焼入れ焼戻し処理を施したボールに比べて、残留オーステナイトが増加し、マルテンサイト組織は少なくなるものと思われる。
【０００８】
一方、上記特許文献２では、特許文献１と同様にホール表面に浸炭窒化層を設けることにより、ＳＵＪ２製のボールを使用した場合に比べて、衝撃が加えられた際のボール表面の損傷が低減され、寿命が延長することを確認できるが、残留オーステナイト量が２０〜４０％と多く、ボール表面の摩耗に対しては十分な対策がとられているとは言い難い。
本発明はこのような技術的背景に鑑みてなされたものであり、ボール表面の摩耗によって生じる予圧抜けを防止して長寿命化を図ることができるボールねじ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
炭素鋼の摩耗において、「金属・ 合金の摩耗現象の基礎」（Ｐ１２９、丸善株式会社、葉山房夫著）によれば、摩耗による発熱によって生じたオーステナイトがマルテンサイトよりも摩耗しやすいとされている。残留オーステナイトについても同様で一方が特に軟質であると、その部分が集中的に摩耗することになる。
【００１０】
本発明者等は、ボールねじ装置の摩耗現象について、ボール表面の残留オーステナイト量から解析を行った結果、ボール表面の摩耗に対して残留オーステナイト量が大きく影響していることを確認した。即ち、高速回転で油膜の形成がされにくくなると、ボールと軌道面とで金属接触が生じ、軟質な残留オーステナイトが主に摩耗していることを見出した。
【００１１】
前述したように、ボール表面に浸炭窒化処理を施すだけでは、マルテンサイト量を増加させることはできず、また、このときのオーステナイト量は２０％を超えるほどに多く、オーステナイトはボールねじ装置におけるボールの摩耗に対しては抵抗性を示すことはできない。
つまり、Ｃ，Ｎ濃度を高くして、マルテンサイトの硬さを向上させるのではなく、最弱部分である残留オーステナイト量を少なくすることが、耐摩耗性向上に有効であるとの結論に至った。
【００１２】
但し、マルテンサイト量を増加させるために、焼戻し処理を高温で行って残留オーステナイト量を低くすると、ＨＲＣ６０を下回るまでに硬さが低下してしまうので、強加工（ピーニング加工）によって、基地の強度を落とさずに、残留オーステナイトをマルテンサイト変態させるとよい。
そこで、上記目的を達成すべく、本発明は、外周面に螺旋状のねじ溝を有するねじ軸と、該ねじ軸のねじ溝に対応する螺旋状のねじ溝を内周面に有して前記ねじ軸に螺合されるナットと、前記両ねじ溝間に転動可能に装填された多数のボールとを備えたボールねじ装置において、
前記ボールが、Ｃ：０．４〜１．２重量％、Ｓｉ：０．５〜１．５重量％、Ｍｎ：０．２〜０．８重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物の鋼からなり、且つ表面層の残留オーステナイト量を２０％未満とすると共に、表面硬さをＨＲＣ６２以上、表面窒素濃度を０．３〜１．５重量％とした浸炭窒化層を設けたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
ボールねじ装置は、ナット及びねじ軸の転動面（ねじ溝）がゴシックアーチ形状とされ、ボールは転動面に対して２点、又は条件によっては３点若しくは４点のアンギュラ接触となる。更に、転動面が螺旋状に連続していることや、循環部品により無負荷状態（循環部品内）から負荷状態（負荷軌道）への変動があることから、ボールの挙動は複雑になる。特に、負荷状態では理想的なボールの転がり状態ではなく、ボールにスピン現象が発生し、また、負荷軌道と循環部品との接続部分（タング部）でボールが衝突して摩耗疵が発生し、剥離片の噛み込みによる寿命低下を引き起こす虞れがある。
【００１４】
更に、ボールねじ装置が高速回転下で使用されると、油膜切れが起こりやすく、ボールと転動面とで金属接触がおこり、ボール摩耗を大きく加速する場合があり、このボール表面の摩耗によって予圧抜けが発生する問題がある。
ここで、本発明者等はボールに浸炭窒化処理を施すことによって、ボールねじ装置のボールの耐摩耗性が改善されることを確認したが、特に、残留オーステナイト量を適正化することにより、なお改良の余地があるとの結論に至った。
【００１５】
そこで、ボールには、表面層を浸炭窒化処理により表面窒素濃度を０．３〜１．５重量％とした後、ピーニング加工によって表面層の残留オーステナイト量を減少させるとともに表面を硬化させることにより、ＨＲＣ６２以上で且つ残留オーステナイト量を２０％未満としたものを使用する。
一般に、ボールねじ装置のボールにおいては、軸受鋼ＳＵＪ２を焼入れ焼戻しすることにより、硬さをＨＲＣ６３〜６７（Ｈｖ７７２〜９００）としたＪＩＳＢ  １５０１規定の玉軸受用鋼球が使用されているが、ボールを浸炭窒化、焼入れ、焼戻し後、ピーニング加工を施すことによって、表面層の残留オーステナイト量を２０％未満且つＨＲＣ６２以上とすることで、ボールの強度および耐衝撃性を向上させ、前記接続部分（タング部）でボールが衝突する際に発生する摩耗疵を防止できる。したがって、剥離片の噛み込みによる寿命低下を抑えることができる。
【００１６】
また、ボールの表面層の残留オーステナイト量を２０％未満とすることで、耐衝撃性の向上によって、オーステナイトの損傷に起因した摩耗を防止することができ、これにより、ボール表面の摩耗によって生じる予圧抜けを防止して長寿命化を図ることができる。但し、焼戻しによる硬さの低下を防止するために二次硬化性が必要となる。また、Ｎ（窒素）はオーステナイトから析出し、オーステナイトの硬さを向上させ、耐摩耗性を向上させる効果がある。そのため、ボールの表面窒素濃度を０．３〜１．５重量％とする。
【００１７】
次に、各合金成分の臨界的意義について説明する。
（Ｃ含有量：０．４〜１．２重量％）
Ｃは芯部の硬さを保持するために０．４重量％以上は必要である。０．４重量％未満であると浸炭窒化時間が必要以上に長くなり、生産性を著しく低下させる。一方、１．２重量％を超えると、巨大な炭化物を生成させるだけでなく、残留オーステナイト量が多くなり、上述の残留オーステナイト量の適正範囲を超えてしまい耐摩耗性が悪化する。従って、Ｃの含有量は０．４重量％以上１．２重量％以下とする。
（Ｓｉ含有量：０．５〜１．５重量％）
Ｓｉが０．５重量％未満だとボールの表面に十分な窒素が侵入することができない。一方、Ｓｉが１．５重量％を超えると浸炭窒化性を阻害し、炭素及び窒素の浸透深さが得られ難く、熱処理時間が必要以上に長くなったり、熱処理後に研磨仕上げされる際に十分な処理層厚さが得られ難くなる。また、Ｓｉ量が多くなると、残留オーステナイトが必要以上に多くなる。その結果、上述の残留オーステナイト量の適正範囲を超えてしまい耐摩耗性が悪化する。従って、Ｓｉの含有量は０．５重量％以上１．５重量％以下とする。
（Ｍｎ含有量：０．２〜０．８重量％）
Ｍｎは脱酸材として作用するため０．２重量％以上は必要で、０．８重量％を超えると焼入後の残留オーステナイトを著しく増加させる働きがある。その結果上述の残留オーステナイト量の適正範囲を超えてしまい耐摩耗性が悪化する。従って、Ｍｎの含有量は０．２重量％以上０．８重量％以下とする。
（Ｃｒ含有量：０．５〜２．０重量％）
Ｃｒは窒化時にＣｒ窒化物を形成し、窒化特性を向上させる元素で０．５重量％以上は必要であるが、２．０重量％を超えると、Ｎの内部への拡散を阻害し、十分な厚さの窒化層を得ることができなくなる。従って、Ｃｒの含有量は０．５重量％以上２．０重量％以下とする。
【００１８】
ボールねじ装置のねじ軸は、例えば、ＡＩＳＩ５１４０等を高周波焼入れするか、或いはＳＣＭ４２０等の肌焼鋼を浸炭又は浸炭窒化処理することで表面硬さをＨＲＣ５６〜６３程度に調整されている。また、ナットはＳＣＭ４２０等の肌焼鋼を浸炭焼入れするか、或いはＳＵＪ２やＳＵＪ３等の軸受鋼を焼入れ、焼戻しすることにより、表面硬さをＨＲＣ５６〜６３程度に調整されている。なお、耐食性が求められる場合には、マルテンサイト系ステンレス鋼を使用することも可能である。
【００１９】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認するための寿命試験について述べる。
寿命試験には、ＪＩＳ１１９２に示されるボールねじで、呼び番２５×１０×５００−Ｃ５を用いた。試験機は日本精工株式会社製のボールねじ耐久寿命試験機を用い、摩耗や剥離等の破損が出るまでの試験時間を記録した。そして、ワイブル関数分布により、１０個のＴＰ（テストピース）のうち、短寿命側から１０％のボールねじが寿命に達する時間を求め、これを試験寿命とし計算寿命との比で表した。
【００２０】
試験は、以下に示す重荷重条件とし、加速要因としてモーメント荷重が加わっている。なお、試験結果は試験条件による計算寿命を算出し、計算寿命時間に対する試験時間の比で示している。ただし、計算寿命の３倍で試験打ち切りとした。摩耗量は、計算寿命の時間経過後のボールの重量変化値から求め、計算寿命に達しなかったものは試験終了時の摩耗量を求めた。実施例１８の摩耗量を１としたときの比で示した。
【００２１】
なお、ねじ軸には、ＳＡＥ５１４０を高周波焼入れしたものを使用し、ナットには、ＳＣＭ４２０を浸炭したものを使用した。また、ボールは表１の材料をヘッダー加工及び粗加工により素球を製作し、８２０〜８４０°Ｃで１〜３時間、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス（１．５〜５％）の種々の条件で浸炭窒化処理した後、油冷して焼入れ硬化させた。
【００２２】
また、焼入れ後は１６０〜１８０°Ｃで１．５〜２時間焼戻しを行ない、粗加工を施した後、ピーニング加工後仕上げ加工、又は焼入硬化後、２７０°Ｃで焼戻し後仕上げ加工を行い残留オーステナイト減少させた。ボールはいずれもＧ２０相当まで仕上げ加工を施した。
【００２３】
【表１】
2004197806.tif 000003
【００２４】
2004197806.tif 000004
表１に、完成ボールの材料成分、品質を試験結果と共に示す。また、図１に、表１の残留オーステナイト量（γＲ）と摩耗量比との関係を示す。
【００２５】
表１及び図１から明らかなように、本発明のボールねじ装置である実施例１〜１８は、ボールの素材および表面の硬さ、残留オーステナイト量（γＲ）、表面窒素濃度を本発明の適正範囲に制御して表面を改質したことによって、比較例１〜１０に比べて摩耗量が大幅に少なくなり、これにより、ボール表面の摩耗によって発生する予圧抜けの問題を解決し、耐久寿命を向上させることができた。
【００２６】
以下、比較例１〜１０の摩耗量が本発明に比べて多く、寿命が短くなる理由を述べる。
比較例１は、Ｓｉ濃度が本発明の適正範囲より低いため、適正な表面窒素濃度を得られない。比較例２は、Ｓｉ濃度が本発明の適正範囲より高いため、表面窒素濃度が高くなりすぎて、適正な残留オーステナイト量（γＲ）を得られない。比較例３は残留オーステナイト量（γＲ）が本発明の適正範囲より多い。比較例４はＣｒ濃度が本発明の適正範囲より低いため、適正な濃度の窒化層が形成されない。比較例５は、Ｃｒ濃度が本発明の適正範囲より高く、窒化層が薄くなるので完成品表面で適正な窒素濃度が得られなかった。比較例６はＣ濃度が本発明の適正範囲より低いため、浸炭時間が短いと芯部硬さが低い。比較例７は、残留オーステナイト量（γＲ）が本発明の適正範囲より多い。比較例８は、ボール表面の残留オーステナイト量を低下させるために焼戻温度を高くし、ピーニング加工を行わなかった場合であるが、表面硬さが著しく低い。比較例９は、表面窒素濃度が本発明の適正範囲より低い。比較例１０はＳＵＪ２製のボールで表面に浸炭窒化層を有していない。
【００２７】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、ボールの素材および表面の硬さ、残留オーステナイト量、表面窒素濃度を適正範囲に制御して表面を改質したことによって、ボールの摩耗量を大幅に減少できるので、特に高速条件下でボール表面の摩耗によって生じる予圧抜けを防止してボールねじ装置の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】残留オーステナイト量（γＲ）とボールの摩耗量比との関係を示すグラフ図である。
【図２】ボールねじ装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…ボールねじ装置
２…ねじ溝（ねじ軸側）
３…ねじ軸
４…ねじ溝（ナット側）
５…ボール
６…ナット
【図１】
2004197806.tif 000005
【図２】
2004197806.tif 000006