(57)【要約】【課題】高荷重が瞬間的に加わり、且つ短ストロークの使用条件においても優れた耐摩耗性を有して好適に用いることができるボールねじ装置を提供する。【解決手段】ボールねじ装置の少なくともねじ軸１を、Ｃ：０．１５重量％以上０．　６重量％以下、Ｓｉ：０．１重量％以上０．９重量％以下、Ｍｎ：０．１重量％以上１．５重量％以下、Ｃｒ：０．５％以上４．０％以下を含有する合金鋼で形成し、浸炭又は浸炭窒化後のねじ軸１の完成品の少なくとも雄ねじ溝２において、　表面から５　０μｍまでの範囲における炭化物、窒化物および炭窒化物（以下、炭化物等という）の合計面積率を１０％以上３　０％以下とすると共に、粒径が１μｍ以下である炭化物等の面積率を前記合計面積の６０％以上とし、更に、表面から転動体径の２％の範囲におけるビッカース硬さをＨｖ７００以上とすると共に、　炭化物等の最大粒径を円相当径で５μｍ以下とする。【選択図】　　　図１
2004076823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた転動装置において、
前記内方部材、前記外方部材および前記転動体の内の少なくとも前記内方部材を、Ｃ：０．１５重量％以上０．　６重量％以下、Ｓｉ：０．１重量％以上０．９重量％以下、Ｍｎ：０．１重量％以上１．５重量％以下、Ｃｒ：０．５％以上４．０％以下を含有する合金鋼で形成し、浸炭又は浸炭窒化後の前記内方部材の完成品の少なくとも軌道面において、　表面から５　０μｍまでの範囲を最表面層として該最表面層における炭化物、窒化物および炭窒化物の合計面積率を１０％以上３　０％以下とすると共に、粒径が１μｍ以下である炭化物、窒化物および炭窒化物の面積率を前記合計面積の６０％以上とし、更に、表面から転動体径の２％の範囲を表面層として該表面層におけるビッカース硬さをＨｖ７００以上とすると共に、　炭化物、窒化物および炭窒化物の最大粒径を円相当径で５μｍ以下としたことを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記合金鋼がＶ：２．０重量％以下、Ｍｏ：３．０重量％以下、Ｎｉ：４．５重量％以下を含有することを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
少なくとも前記表面層のＣ＋Ｎの濃度を０．７重量％以上１．７重量％以下としたことを特徴とする請求項１又は２記載の転動装置。
【請求項４】
少なくとも前記表面層の残留オーステナイトを１０体積％以上４５体積％以下としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の転動装置。
【請求項５】
前記各転動体の間にセパレータを介装したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の転動装置。
【請求項６】
前記内方部材の表面の圧縮残留応力を１５０ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の転動装置。
【請求項７】
前記転動体の完成品は表面硬さがＨｖ９００以上とされ、且つ表面から１０μｍ以上転動体直径の２％以下の範囲に窒素濃度が０．５％以上６％以下の窒化層を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の転動装置。
【請求項８】
前記内方部材がボールねじ装置のねじ軸、前記外方部材がボールねじ装置のナットであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、瞬間的に高負荷が加わる転がり軸受やリニアガイド装置の他、特に電動射出成形機や電動プレス機等のように瞬間的に高負荷が加わり、且つ短いストロークで使用されるボールねじ装置等の転動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転動装置の一例であるボールねじ装置は、雄ねじ溝（軌道面）がその外周に形成されたねじ軸（内方部材）と、雄ねじ溝と対向する雌ねじ溝（軌道面）がその内周に形成されたナット（外方部材）と、雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に介装された多数のボール（転動体）と、ナットに設けられて雌ねじ溝の一端側から他端側にボールを循環させる循環通路を有するチューブやコマ等の循環部材とを備えている。
【０００３】
ねじ軸とナットとの相対回転時において、ボールは雄ねじ溝と雌ねじ溝との双方に対して転動すると共に、　循環通路を通って雌ねじ溝の一端側から他端側に循環する。
一般的なボールねじ装置は、上述したように雄ねじ溝と雌ねじ溝との間に多数のボールのみを装填したもの（　以下、総ボール仕様という）　が多い。しかし、総ボール仕様のボールねじ装置では、隣接するボール同士の接触点でお互いに逆回転するボールが接触することにより、ボール同士の接触点でのすべりが生じる。このようなすべりはボールの作動性を悪化させトルク変動の原因となるだけでなく、ボールが摩耗したり、摩擦熱によりボールや雄ねじ溝および雌ねじ溝が焼き付いたりする虞れもある。
【０００４】
また、ボール同士の接触や競り合いなどにより生じたボール傷や圧痕が、ねじ溝の転動面に傷や圧痕を形成させやすく、表面起点型の早期損傷による寿命低下が起こりやすい。
ボールの競り合い等に対しては、荷重を支承するボールの直径より数１　０μｍだけ小さいスペーサボールを併用する（　以下、スペーサボール仕様という）　ことが行われている。このスペーサボール仕様のボールねじ装置は、荷重を支承するボールとスペーサボールとが互いに逆方向に転がり接触するため、ボール同士が互いに押し合うことに起因するボールの転動を互いに阻止する方向のすべり接触が生じない。このため、ボールの転動を妨げる抵抗が非常に小さくなり、　動トルク変動の少ないボールねじ装置を得ることができ、かつボールの早期摩耗や焼き付きを抑制することができる。
【０００５】
しかしながら、スペーサボール仕様は総ボール仕様と比較して荷重を支承するボール数が少なく、剛性および負荷容量は約半分となるため、高負荷容量が要求されるボールねじ装置には不適である。
さらに、近年、射出成形機やプレス機等の省エネルギーやサイクル短縮のために、油圧シリンダーの代替部品としてボールねじ装置が使用されるようになってきているが、電動射出成形機や電動プレス機等に使用されるボールねじ装置には高負荷容量であることが求められているため、スペーサボ−ル仕様では要求される負荷容量を満たすことができないか、　もしくは装置の大型化が避けられないという問題がある。
【０００６】
また、上記の用途では最大荷重が加わった状態で一旦停止し逆回転するという負荷条件で使用されることが多く、停止前後にはボールと雄ねじ溝や雌ねじ溝の接触面に潤滑剤が引き込まれにくいため、油膜形成が困難となっている、更に、ストロークが短く、　ねじ溝上では同じ箇所で負荷されるだけでなく、雄ねじ溝の転動面は雌ねじ溝の転動面と比較して構造上高い面圧が発生することから、　特に雄ねじ溝が形成されたねじ軸には、　耐荷重性と耐摩耗性が必要とされる。
【０００７】
このような問題に対して、実開昭６３−１７８６５９号公報では、　軸方向両端面にボールの球面の一部を摺動可能に嵌め入れる球状凹面が形成された同じ厚みのセパレータを、隣り合うボール同士の間に配設したボールねじ装置が提案されている（　以下、セパレータ仕様と呼ぶ）　。
セパレ―タ仕様のボールねじ装置は、　前述の総ボール仕様又はスペーサボ−ル仕様のボールねじ装置のようなボール同士の点接触を、ボールとセパレータの凹面との面接触に変えて単位面圧を減少させることができる。
【０００８】
さらに、　スペーサボ−ル仕様のボールねじ装置より荷重を支承するボールの間隔を狭められるため、　負荷容量がスペ―サボール仕様より大きくできる利点も有する。
また、　特開平１１−３１５８３５号公報や特開２　００１−２１０１８号公報および特開２０００−１９９５５６号公報などでは、　動作性や油膜保持性などの向上を目的として、セパレータ形状を改良する技術が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実開昭６３−１７８６５９号公報を始めとした上記従来のセパレータ仕様のボールねじ装置では、ねじ軸を始めとする各部材の材料に特別な配慮が不十分であり、瞬間的に高負荷が加わり、且つ短いストロークで使用される電動射出成形機や電動プレス等の用途としては考慮が不十分である。
【００１０】
また、特開２０００−２１２７２１号公報では、　Ｖを含む鋼に浸炭窒化を施して、完成品表面の窒素濃度や炭素濃度などを考慮した材料を、ボールねじ装置装置の各部材のいずれか一つに適用する技術が開示されているが、この技術では、ボール同士の競い合いを防ぐための考慮がなされていないため、電動射出成形機や電動プレス等の用途として使用するには、なお改良の余地がある。
【００１１】
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものでり、高荷重が瞬間的に加わる使用条件や、高荷重が瞬間的に加わり、且つ短ストロークの使用条件においても優れた耐摩耗性を有して好適に用いることができる転動装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた転動装置において、
前記内方部材、前記外方部材および前記転動体の内の少なくとも前記内方部材を、Ｃ：０．１５重量％以上０．　６重量％以下、Ｓｉ：０．１重量％以上０．９重量％以下、Ｍｎ：０．１重量％以上１．５重量％以下、Ｃｒ：０．５％以上４．０％以下を含有する合金鋼で形成し、浸炭又は浸炭窒化後の前記内方部材の完成品の少なくとも軌道面において、　表面から５　０μｍまでの範囲を最表面層として該最表面層における炭化物、窒化物および炭窒化物の合計面積率を１０％以上３　０％以下とすると共に、粒径が１μｍ以下である炭化物、窒化物および炭窒化物の面積率を前記合計面積の６０％以上とし、更に、表面から転動体径の２％の範囲を表面層として該表面層におけるビッカース硬さをＨｖ７００以上とすると共に、　炭化物、窒化物および炭窒化物の最大粒径を円相当径で５μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記合金鋼がＶ：２．０重量％以下、Ｍｏ：３．０重量％以下、Ｎｉ：４．５重量％以下を含有することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、少なくとも前記表面層のＣ＋Ｎの濃度を０．７重量％以上１．７重量％以下としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、少なくとも前記表面層の残留オーステナイトを１０体積％以上４５体積％以下としたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記各転動体の間にセパレータを介装したことを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記内方部材の表面の圧縮残留応力を１５０ＭＰａ以上としたことを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか一項において、前記転動体の完成品は表面硬さがＨｖ９００以上とされ、且つ表面から１０μｍ以上転動体直径の２％以下の範囲に窒素濃度が０．５％以上６％以下の窒化層を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項において、前記内方部材がボールねじ装置のねじ軸、前記外方部材がボールねじ装置のナットであることを特徴とする。
なお、本発明の転動装置としては、ボールねじ装置の他に、転がり軸受、リニアガイド装置、直動ベアリング等が挙げられる。
【００１７】
そして、前記内方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は内輪、同じくリニアガイド装置の場合は案内レール、同じく直動ベアリングの場合は軸を、それぞれ意味する。
また、前記外方部材とは、転動装置が転がり軸受の場合は外輪、同じくリニアガイド装置の場合はスライダ、同じく直動ベアリングの場合は外筒を、それぞれ意味する。
［各素材における数値限定について］
（Ｃ：０．１５重量％以上０．６重量％以下）
Ｃは、基地をマルテンサイト化することにより、焼入れ・　焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素である。転動装置の部材として必要な強度を確保するため、その含有量は０．１５重量％以上とする。また、０．　６重量％を超えて添加すると、素材の段階で多くの炭化物が生成するため、熱処理以前の製品形成のための塑性加工および旋削加工における加工性が悪くなるだけでなく、粗大な共晶炭化物が生成し、転動疲労寿命に悪影響を及ぼす。よって素材の炭素含有量は０．１５重量％以上０．６重量％以下とする。
（Ｓｉ：０．１重量％以上０．９重量％以下）
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、０．　１重量％以上必要である。また、焼戻し軟化抵抗性を高めるが、多量に添加すると靭性や加工性を低下させるだけでなく、脱炭を促進させるため、その上限は０、９重量％とする。
（Ｍｎ：０．１重量％以上１．５重量％以下）
Ｍｎは脱酸剤として０　．１　重量％以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性、被削性が低下するだけでなく、Ｓ，Ｐなどの不純物と共存して耐食性を低下させるので上限を１　．５　重量％とする。
（Ｃｒ：０．５重量％以上４．０重量％以下）
Ｃｒは、　焼入れ性を向上させ、　基地を固溶強化する他、浸炭や浸炭窒化により転動装置の部材表面層に炭化物や窒化物および炭窒化物を析出させ、耐摩耗性および転動疲労寿命を向上させる効果がある。しかし、含有量が０．　５重量％より少ないとその添加効果が少なく、一方で、多量に添加すると表面にＣｒ酸化物が形成され、浸炭や浸炭窒化時に炭素や窒素が表面から侵入するのを阻害し、熱処理生産性を低下させるため上限を４　．０　重量％とした。
（Ｖ：２．０重量％以下）
Ｖは非常に微細で高硬度な炭化物や窒化物および炭窒化物を形成するため、　耐摩耗性および転動寿命向上に有効な元素であり、焼戻し軟化抵抗性を増大させる効果もある。しかし、　多量に添加すると靭性や加工性が低下するため、　含有量は２．　０重量％以下とする。特に表面硬さや耐摩耗性を必要とする場合には０．６重量％以上添加することが好ましい。なお、この場合は、浸炭窒化によってＶの微細な窒化物や炭化物および炭窒化物を析出させるため、処理温度は９２０°Ｃ以上とすることがより好ましい。
（Ｍｏ：３．０重量％以下）
Ｍｏは焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素であり、浸炭や浸炭窒化により転動装置の部材表面層に炭化物、　窒化物および炭窒化物を析出させ、耐摩耗性および転動疲労寿命を向上させるのに有効な元素である。しかし、過剰に添加すると靭性が低下するため上限を３．０重量％以下とする。
（Ｎｉ：４．５重量％以下）
Ｎｉはマトリクスに固溶して靭性を向上させるのに有効な元素である。しかしながら、　過剰に添加すると表面層の残留オーステナイト量が過剰となり、硬さが低下するため上限を４．５重量％とした。
（不可避不純物について）
上記に述べた合金元素の他に、不可避の不純物として、Ｐ≦０．　０２　重量％、Ｓ≦０．０５重量％、Ｃｕ≦０．　１０重量％、　Ｏ≦１５ｐｐｍ等を含むことができるが、転動疲労寿命特性に有害な非金属介在物を極力少なくするためには、Ｏ≦１０ｐｐｍとすることが好ましい。
［内方部材の完成品の軌道面表面から５　０μｍまでの範囲における数値限定］
耐摩耗性や耐焼付き性は、潤滑条件や表面粗さだだけでなく、表面のミクロ組織の状態によっても大きく左右される。特に射出成形機やプレス機等に使用されるボールねじ装置においては、潤滑条件が特に厳しいため、材料・　熱処理による何らかの対策が必要となる。
【００１８】
また、ボールねじ装置のねじ軸（内方部材）の場合、熱処理後の研磨取代が転動体などよりも大きく、完成品の最表面層の状態が全ての転動面で一致させることは困難である。そこで、任意の完成品軌道面表面から５０μｍまでを最表面層として該最表面層を以下に述べる数値限定の範囲にしておくと、全ての転動面において一定以上の耐摩耗性を得ることが可能となる。
（炭化物、窒化物および炭窒化物の合計面積率が１　０％以上３０％以下）
炭化物、窒化物および炭窒化物は耐摩耗性を向上させる効果があるが、　面積率が１　０％以上であることが好ましい。しかし、面積率が高すぎると転動疲労寿命が低下するため、その上限は面積率で２５％以下とし、より好ましくは２　０％以下とする。
（粒径が１　μｍ以下である炭化物、窒化物および炭窒化物の面積率が、　前記合計面積の６　０％以上とする）
また、　炭化物や窒化物および炭窒化物は微細で、粒同士の間隔が狭い方が耐摩耗性を向上させる効果が高い。粒径が１μｍ以下である炭化物、窒化物および炭窒化物が、それらの全合計面積の６　０％以上存在させれば、　耐摩耗性向上に効果的であり、　より好ましくは７０％以上存在させる。
［内方部材の完成品の軌道面表面から転動体径の２　％までの範囲における数値限定］
内方部材の完成品の軌道面表面から転動体径の２　％までの範囲（表面層）においては、　摩耗に対する配慮だけでなく、転動疲労寿命に対する配慮も必要となる。特に射出成形機やプレス機等に使用されるボールねじ装置においては、　負荷荷重が大きく、さらに負荷位置が常に一定であるので、このような厳しい使用条件でも十分に転動疲労寿命を確保できるような配慮が必要である。
（ビッカース硬さＨｖ７００以上）
負荷荷重が大きい射出成形機やプレス機等に使用されるボールねじ装置では、通常の使用より高いせん断応力が発生し、　その発生位置もより深くなる。よって十分な転動寿命を得るためには、　表面層におけるビッカース硬さＨｖ７００以上とし、　より好ましくはＨｖ７５０以上とする。
（炭化物、窒化物および炭窒化物粒径が円相当径で５μｍ以下）
炭化物、窒化物および炭窒化物は微細かつ多量に析出させることで硬度を上昇させ、　転動疲労寿命向上に効果もたらすが、　粗大な粒が存在した場合、応力集中源となるため転動疲労寿命を低下させるおそれがある。表面層に含まれる炭化物、窒化物および炭窒化物の最大粒径が円相当径で５μｍを超えると、転動疲労寿命が著しく低下するため、　その最大粒径は５μｍ以下とする。
［セパレータについて］
セパレータはボール同士の接触を妨げるため、ボールの早期摩耗や焼き付きを防止することができる。また、スペーサボールを用いた場合よりも荷重を支承するボール間隔を狭めることができ、負荷容量は総ボール仕様とほぼ同様となる。
【００１９】
一般的にセパレータはナイロン等の合成樹脂を素材としているが、樹脂製に限らずボールの転がり抵抗を減少させ、　ボール同士の競り合いを妨げることができるのであれば、　どのような材料を用いてもよい。ただし、ボールとセパレータに隙間ができるとセパレータが倒れ、ボールねじ装置の動作不良を引き起こすことがある。そのため、ボールに直動方向の与圧を常に与えることができるように、セパレータはある程度弾性変形するようにしなければならない。
【００２０】
さらに、セパレータの摩耗による隙間増大を抑制するために、セパレータもある程度の耐摩耗性を有する材料とすることが好ましい。例えば、二硫化モリブデンなどの固体潤滑材を主成分とした焼結体、多孔質焼結体、高力黄銅などが挙げられる。
［その他考慮すべき事項について］
（表面層の残留オーステナイトを１０体積％以上４５体積％以下）
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。その反面、残留オーステナイト量を増やすと寸法安定性は低下する。しかし、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。
【００２１】
一般的なボールねじ装置の場合、ボ−ルの競り合いや摩耗によりボールに生じた傷や圧痕が雄ねじ溝に圧痕や傷を生じさせ、剥離やき裂の発生に到る場合がある。さらには、電動射出成形機や電動プレス等に使用されるボールねじ装置においては高荷重が瞬間的に負荷されるため、機台の変形や取り付け時のミスアライメントなどと相まって、転動面に圧痕が形成される虞れがあるため、き裂の発生や進展を抑制することができる残留オーステナイトを含有させておくことが好ましく、その量は体積で１０％以上、より好ましくは１５％以上含有させる。
【００２２】
しかし、残留オーステナイトが４５体積％を超えると、硬度が低下することにより転動寿命が低下するだけでなく、芯部および表面を含めた部材全体としての残留オーステナイト量を低く抑えることができず、その結果寸法安定性が低下するため、残留オ―ステナイト量は４５体積％以下とする。特に耐摩耗性が要求され、　高い表面硬度が必要な場合は残留オーステナイトを３５体積％以下とすることが好ましい。
（表面層のＣ＋Ｎ濃度を０．７重量％以上１．７重量％以下）
転動装置の部材として必要な表面硬さを得るためには、表面層のＣ＋Ｎ濃度は０．７重量％以上必要である。しかしながら、その含有量が過剰になると、表面に残留オーステナイトが過剰に生成して硬さが低下したり、粗大な炭化物が析出し転動疲労寿命を低下させる虞れがあるため、上限を１．７重量％とした。特に、炭素濃度の上限は粗大炭化物析出防止のため、１．３重量％以下とすることが好ましい。
【００２３】
さらに、窒素Ｎは、耐摩耗性を向上させるのに非常に有効な元素であり、浸炭窒化処理により表面層に添加される。しかし、大型製品の製造において深くまで高い窒素濃度を得ようとすると、熱処理生産性が低下しコストアップにつながるため、その上限を０．４重量％とした。また、特に高い表面硬さや優れた耐摩耗性を得るためには、窒素含有量を０．１５重量％以上とするとより好ましい。
（残留圧縮応力が１５０ＭＰａ以上）
浸炭処理や浸炭窒化処理を行うと表面に残留圧縮応力が生じる。残留圧縮応力は転動体が転動する事により生じるせん断応力を減ずる効果があるため、　一定以上の値としておくことが好ましい、好ましくは１５０ＭＰａ以上とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の転動装置の実施の形態の一例であるボールねじ装置の説明図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
図１及び図２に示すように、ボールねじ装置は、雄ねじ溝（軌道面）２がその外周に形成されたねじ軸（内方部材）１と、雄ねじ溝２と対向する雌ねじ溝（軌道面）４がその内周に形成された円筒形状のナット（外方部材）３と、雄ねじ溝２と雌ねじ溝４との間に介装された多数のボール（転動体）５とを備えており、各ボール５間にはボール５同士の接触を避けるためセパレータ１１が介装されている。
【００２５】
ナット３には、　一端に図示しないテーブル等に固定するためのフランジ７が形成されると共に、外周面の一部（図２の上方）　に平面（切欠面）８が切削加工されている。ナット３には、　循環通路を有する管製のチューブ（循環部材）６　が固着されており、両ねじ溝２　，４　間を転動したボール５がチューブ６を介して循環する構造となっている。なお、図中、符号９はナット３の平面８上にチューブ６を固定するチューブ押えを示し、符号１０はナット３の両端に取り付けられた防塵用のプラスチック製シールを示している。
【００２６】
ここで、この実施の形態では、少なくとも前記ねじ軸１　を、Ｃ：０．１５重量％以上０．　６重量％以下、Ｓｉ：０．１重量％以上０．９重量％以下、Ｍｎ：０．１重量％以上１．５重量％以下、Ｃｒ：０．５％以上４．０％以下、必要に応じて、Ｖ：２．０重量％以下、Ｍｏ：３．０重量％以下、Ｎｉ：４．５重量％以下を含有する合金鋼で形成し、浸炭又は浸炭窒化後の前記ねじ軸１の完成品の少なくとも雄ねじ溝２において、　表面から５　０μｍまでの範囲を最表面層として該最表面層における炭化物、窒化物および炭窒化物の合計面積率を１０％以上３　０％以下とすると共に、粒径が１μｍ以下である炭化物、窒化物および炭窒化物の面積率を前記合計面積の６０％以上とし、更に、表面からボール径の２％の範囲を表面層として該表面層におけるビッカース硬さをＨｖ７００以上とすると共に、　炭化物、窒化物および炭窒化物の最大粒径を円相当径で５μｍ以下とし、これにより、電動射出成形機や電動プレス機等のように高荷重が瞬間的に加わり、且つ短ストロークの使用条件においても優れた耐摩耗性を有して好適に用いることができるボールねじ装置としている。
【００２７】
また、この実施の形態では、ねじ軸１表面の圧縮残留応力を１５０ＭＰａ以上とし、更に、前記ボール５の完成品は、表面硬さがＨｖ９００以上とされ、且つ表面から１０μｍ以上ボール直径の２％以下の範囲に窒素濃度が０．５％以上６％以下の窒化層を有している。
次に、ねじ軸１の作製方法について説明する。
【００２８】
ねじ軸１は上記の各数値限定を満たす合金鋼で形成し、棒材又は管材に旋削や転造などを行いそれぞれ所望形状に加工する。次いで、ねじ軸１に浸炭または浸炭窒化を施し、その後引き続いて焼入れ・　焼戻しを行う。なお、浸炭または浸炭窒化後に徐冷もしくは急冷を行い、　再度加熱保持して焼入れ・　焼戻しを行ってもよい。
【００２９】
浸炭や浸炭窒化は例えば８２０〜９８０°Ｃで行うが、特に、非常に優れた耐摩耗性を得るためにＶを０．６重量％以上２．０重量％以下添加したものについては、Ｖの炭化物や窒化物および炭窒化物を多量かつ微細に分散させるために、浸炭窒化を９２０°Ｃ以上で行うことが好ましい。なお、ねじ重量の軸端など機械的強度を特に必要としない部分には防炭材を塗布する。
【００３０】
また、焼入れは例えば７８０〜８８０°Ｃで、焼戻しは例えば１６０〜２４０°Ｃで行う。ただし、上記のいずれの条件も例示であり、ねじ軸１の完成品の雄ねじ溝２の最表面層及び表面層が本発明の数値限定の範囲内となるように、熱処理後の仕上げ研削の取代も考慮して、浸炭や浸炭窒化および焼入れ・　焼戻し条件を決める。
【００３１】
また、前記表面層の残留オーステナイトを１０％体積以上４５体積％以下とし、前記表面層のＣ濃度を０．７重量％以上１．３重量％以下、Ｎ濃度を０．４重量％以下となるようにする。また、前記合金鋼の添加元素や浸炭及び浸炭窒化後の表面層のＣ濃度やＮ濃度が高く、焼戻しを高温で行っても表面層の残留オーステナイトが４５体積％を超えて含まれる場合は、サブゼロ処理などを行ってもよい。
【００３２】
熱処理を完了したねじ軸１は、軸端や外径および雄ねじ溝２　などを研削及び研磨等を行い所望形状に仕上げ加工する。また、ねじピッチが変化するなど熱処理変形が大きい場合は、必要な部位に切削加工を施してもよい。
ねじ軸１以外のナット３、ボール５、チューブ６等は従来の材料を使用すればよい。例えばナット３であればＳＣＭ４２０を浸炭したもの、或いはＳＣＭ４４５を高周波焼入したものなど、ボール５であればＳＵＪ２をずぶ焼したものなど、チューブ６であれば冷間圧延鋼ＳＰＣＣなどが挙げられる。勿論、本発明による合金鋼および熱処理を適用することも差し支えない。なお、本発明による合金鋼および熱処理を適用する場合の加工方法はそれぞれの従来法に準ずればよいが、例えば、熱処理前の加工性に問題がある場合は加工前に球状化焼鈍を施すなどの対策を行ってもよい。
【００３３】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、ねじ軸のみに本発明による合金鋼を使用したが、もちろんナットやボールに本発明の合金鋼を適用してもよい。この場合、ボールに窒化処理を施せば、なお寿命向上に効果的である。
【００３４】
また、上記実施の形態では、電動射出成形機や電動プレス機等のように高荷重が瞬間的に加わり、且つ短ストロークの使用条件に用いられるボールねじ装置について説明したが、一般的なボールねじ装置としても用いることができ、前述のようにボールやナットにも本発明による合金鋼を使用すれば、なお効果的であることは言うまでもない。
【００３５】
更に、上記実施の形態では、ボールねじ装置のねじ軸に本発明を適用した場合を例に採ったが、これに代えて、リニアガイド装置の少なくとも案内レールや、転がり軸受の内輪及び／又は外輪に上記ボールねじ装置と同様の材料や処理を用いたり、転動体やセパレータに同様な材料や処理を用いても寿命向上に効果的である。
【００３６】
【実施例】
（第１実施例）
本発明による実施例および比較例の合金鋼の耐摩耗性と、実施例および比較例の合金鋼をねじ軸１に使用し、ボール５間にセパレータを介装させたボールねじ装置の疲労寿命ついて評価を行った。表１　に、試験に用いた各種の合金鋼Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２４の主な化学成分を示す。
【００３７】
【表１】
2004076823.tif 000003
【００３８】
表２の実施例および比較例の合金鋼に以下に述べるような熱処理を施した。なお、焼入れ・　焼戻しの熱処理条件を下記の条件範囲内で変えることで、　析出炭化物の表面積率や表面硬さ等の調整を行った。なお、表２の鋼種の欄は表１の合金鋼Ｎｏに該当する。
熱処理条件Ａ
浸炭窒化：８６０〜９２０°Ｃ保持後常温まで空冷または徐冷
雰囲気：Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス
焼入れ：８２０〜８８０°Ｃ保持後油冷
焼戻し：　１６　０〜２４０°Ｃ２　〜３　時間保持
熱処理条件Ｂ
浸炭窒化：９２０〜９８０°Ｃ保持後常温まで空冷または徐冷
雰囲気：Ｒｘガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス
焼入れ：８２０〜８８０°Ｃ保持後油冷
焼戻し：　１６　０〜２４０°Ｃ２　〜３　時間保持
熱処理条件Ｃ
浸炭窒化：９２０〜９８０°Ｃ保持後常温まで放冷
雰囲気：Ｒｘガス＋エンリッチガス
焼入れ：８２０〜８８０°Ｃ保持後油冷
焼戻し：　１６　０〜２４０°Ｃ２　〜３　時間保持
（寿命試験）
高負荷・短ストロークの使用条件下での疲労寿命を評価するために、　ボールねじ装置を作製した。作製したボールねじ装置の仕様は次の通りである。
【００３９】
ねじ軸径：８０ｍｍ
リード：２０ｍｍ
ねじ軸材：表１に示す合金鋼を上記熱処理条件Ａ〜Ｃで熱処理
ナット材：ＳＣＭ４２０浸炭
ボール材：　ＳＵＪ２ずぶ焼き
セパレータ：合成樹脂製
熱処理が完了したねじ軸やナットおよびボールには研削仕上げを施し、さらにボ−ルにはラップ仕上げを行った。以上のようにして作製したボールねじ装置を供試体として、　射出成形機を想定した試験条件で試験を行った。試験条件の詳細を以下に示す。
【００４０】
荷重：最大２　００ｋＮ
ストローク：２０ｍｍ
サイクルタイム：３秒
潤滑材：鉱油系グリース
試験温度：８０°Ｃ（ナット外形をヒータで加熱）
表２に実施例Ａ−１〜Ａ−２８及び比較例Ｂ−１〜Ｂ−７の試験片の表面から５　０μｍの位置（最表面層）における炭化物、窒化物及び炭窒化物の合計面積率とこれらの粒のうち粒径が１μｍ以下となるものの面積率を、また、表面からボール径（Ｄａ）の２％の位置（表面層）におけるビッカース硬さ、　円相当径で５μｍを超える炭化物、窒化物及び炭窒化物の存在有無、Ｃ濃度、　Ｎ濃度、残留オーステナイト量を、さらに摩耗試験と寿命試験の結果について示した。
【００４１】
なお、表２中には炭化物、窒化物及び炭窒化物を炭化物等と表記した。
【００４２】
【表２】
2004076823.tif 000004
【００４３】
炭化物等の面積率測定は、表面から５０μｍまでの断面のうち任意の位置について、５０００倍の倍率でＳＥＭ観察し、２０視野分を画像解析して円相当径で０．１μｍ以上のものを抽出して算出した。
また、粗大炭化物の確認については、表面から２％Ｄａ位置までの断面のうち任意の位置について、１０００倍の倍率でＳＥＭ観察し、４０視野分について円相当径で５μｍを超える炭化物の有無について確認を行った。
【００４４】
Ｃ濃度及びＮ濃度の測定にはＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｅｒ）を、残留オーステナイト量はＸ線分析法を、また表面硬さの測定にはマイクロビッカース硬さ試験機を用い、それぞれ表面から２％Ｄａの位置における測定値を示した。
寿命試験は、ねじ軸の回転トルクもしくは振動が急激に増大するまでのショット数で評価し、比較例Ｂ−７のショット数を１とした比で示した。また、摩耗量に関しては１０万ショット時における軸の軌道溝の形状を測定し、最大摩耗深さを求め、　比較例Ｂ−７の摩耗深さを１として示した。なお、比較例Ｂ−７はＳＣＭ４４５に高周波焼入れを施し、ねじ軸の表面硬さをＨｖ６５１としたものである。
【００４５】
寿命試験の結果から、本発明による実施例Ａ−１〜Ａ−２８は各比較例と比較して優れた耐摩耗性と疲労寿命を有していることがわかる、また、　各実施例の中でも、　浸炭を行った実施例Ａ−１２〜Ａ−１４と、　それぞれ同じ鋼種を浸炭窒化した実施例Ａ−９、　Ａ−２３、　Ａ−２５では、浸炭窒化を行った方が耐摩耗性および疲労寿命が向上しており、　浸炭窒化を行う方がより好ましいといえる。
【００４６】
さらに、Ｖを０．６重量％以上２．０重量％以下含有し、９２０°Ｃ以上で浸炭窒化を行い、雄ねじ溝の完成品表面層のＮ濃度を０．１５重量％以上０．４重量％以下とした実施例Ａ−１７〜Ａ−２８では、　炭化物や窒化物および炭窒化物が微細に析出し、粒径１μｍ以下となる炭化物等の合計面積率が７０％を越えるため、特に優れた耐摩耗性が得られる。その中でも表面層におけるビッカース硬さがＨｖ７５０以上となる実施例Ａ−１７及びＡ−２０〜Ａ−２８においては、疲労寿命が比較例Ｂ−７の６倍以上と非常に優れていることがわかる。
【００４７】
比較例Ｂ−１およびＢ−２は、　最表面層において粒径１μｍ以下である炭化物等の面積率が６　０％を越え、　表面層のビッカース硬さがＨｖ７００以上となるため、摩耗量は比較的少ないが、　粒径５μｍを超える粗大な炭化物が存在したため、転動寿命は比較例Ｂ−７と比較して低下した。
比較例Ｂ−３〜５は表面層のビッカース硬さがＨｖ７００を下回ったため、　転動疲労寿命は向上せず、特に表面層において粒径が５μｍ以上の炭化物が見られた比較例Ｂ−５　は非常に短寿命となった。
【００４８】
また、比較例Ｂ−６は実施例Ａ−２１にセパレータを使用しなかった例であるが、　セパレータを使用しないとボール同士が競り合い、摩耗してしまうため、比較的早期に使用停止に至ることが確認された。
次に、ねじ軸の強化に加えてボールを強化したボールねじ装置を作製した。特に電動射出成形機や電動プレス機に使用されるボールねじ装置は負荷荷重が大きく、ボールと軌道溝との接触楕円が大きくなるため、　接触楕円がねじ溝端部からはみ出る、所謂ボールの乗り上げが問題となることがある。ボールの乗り上げが起こると、ねじ溝の端部によってボールが傷付いたり摩耗したりするため、　ボールを強化しておくことも必要である。
【００４９】
ボールには表１に示した材料に浸炭または浸炭窒化を行ったもの以外に、表３に示した材料に窒化処理を施したものも使用した。
【００５０】
【表３】
2004076823.tif 000005
【００５１】
窒化処理に用いる素材については、Ｃ＋Ｎ：　０．　４５重量％以上１．３重量％以下含有し、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌのうち少なくとも一種類以上添加し、必要に応じて添加する元素としてＮｉ，Ｃｏ，Ｎを含み、　その他Ｆｅ及び製鋼上必要な元素と不可避不純物を含む鋼を母材とするとよい、
以下に数値限定の臨界的意義と考慮すべき事項について述ぺる。
（Ｃ＋Ｎ：０．４５重量％以上１．３重量％以下）
ＣやＮは、基地をマルテンサイト化することにより、　焼入れ・　焼戻し後の硬さを向上させるために必要な元素である。また、　ＣｒやＶやＭｏ等の炭化物や窒化物を形成し、硬さや耐摩耗性の向上に寄与する。転動体として必要な芯部硬さを確保するためには、　Ｃ＋Ｎの合計含有量で０．４５重量％以上添加することが好ましい。特にＣの代わりにＮを添加するとＣ添加量を低く抑えられるため、共晶炭化物サイズを抑えることができるという効果がある。
【００５２】
Ｃを、１．３重量％を超えて添加すると、鋼中に巨大な共晶炭化物が生成しやすくなり、　転動疲労寿命を低下させる不具合がある。さらにはＭｓ点の低下により熱処理後の残留オーステナイトが過剰に生成し、転動体の芯部硬さが十分に得られない場合がある。また、Ｎを製鋼時の段階で０．２重量％を超えて添加すると、凝固の際に気泡が発生して鋼塊に多数の気孔が導入されることがあるため、母材のＮ添加量を好ましくは０．２重量％以下、さらに好ましくは０．１５重量％以下とする。以上の理由から、　Ｃ＋Ｎは０．４５重量％以上１．３重量％以下とすることが好ましく、さらには０．６重量％以上０．９重量％以下とすることが好ましい。
（Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌのうち、少なくとも一種類以上添加する）
Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌはいずれも窒化処理によって硬度が高い窒化物や炭窒化物を形成し、耐摩耗性を向上させるために有用な元素であるため、少なくとも一種類以上添加されることが好ましい。また、窒化処理は例えば５００°Ｃ以上で行われることが多く、窒化処理が行われた部材の芯部硬さは低下する。転動体は高い面圧を支承するために、　高い表面硬度を有することが必要であると同時に、芯部の硬度が低いと、高い接触圧力を受けた場合に窒化層の破損を招くことがあるため、芯部硬さも一定以上とすることが必要である。芯部硬さは少なくともＨｖ５５０以上、好ましくはＨｖ６５０以上とすることが好ましい。
【００５３】
鋼中に添加されるＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ等は窒化処理前の熱処理で炭化物を形成し、　硬さの向上に寄与するだけでなく、窒化処理中に二次硬化を起こして、芯部硬さの低下を妨げる効果もある。
以上のように、窒化後の表面硬度を高めて耐摩耗性を与えると共に、窒化処理後の転動体の芯部硬さを一定以上に保つために、これらの元素を一定量以上添加する必要がある。本発明者らは、以下に示すＣｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの含有量の関係式Ｅｑ１が、２．０≦Ｅｑ１を満たせば、　十分な添加効果が得られることを見出した（表３参照）。また、下記のＥｑ１値が４．０重量％以上であれば転動体表面にさらに安定な窒化層が得られ、良好な耐摩耗性が得られる。
【００５４】
Ｅｑ１＝Ｃｒ重量％＋０．８５Ｍｏ重量％＋０．４８Ｗ重量％＋Ｖ重量％＋０．４５Ｎｂ重量％＋０．８９Ｔｉ重量％＋１．２Ａｌ重量％
さらに、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ａｌの添加量は以下の条件を満たすことが好ましい。
Ｃｒは焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに炭化物を形成して熱処理時の結晶粒粗大化を抑制し、耐摩耗性を付与する等の作用がある。また、窒化処理を行うとＣｒの窒化物や炭窒化物が析出し、耐摩耗性が向上する。しかし、１８．０重量％を超えて添加すると、母材の熱伝導度の低下による耐焼付き性の悪化や、δフェライト生成による靭性の低下が引き起こされる懸念がある。以上のことからＣｒ含有量は１８．０重量％以下、さらには１６．０重量％以下とすることが好ましい。また、転動体の安定した表面硬さを得るために、好ましくは２．０重量％以上、さらに好ましくは４．０重量％以上添加することが望ましい。
【００５５】
Ｍｏは焼入れ性及び焼戻し軟化抵抗性を著しく増大させる元素であり、耐摩耗性向上に寄与する炭化物を析出する。また、窒化処理により窒化物や炭窒化物を形成して硬度や耐摩耗性を高める作用がある。必要に応じて添加してよいが、過剰に添加してもその効果が飽和するだけでなく、靭性や加工性が低下するため、Ｍｏの添加量は７．０重量％以下、　より好ましくは５．０重量％以下とする。
【００５６】
ＷはＭｏと同様に焼入れ性を向上させ、さらに、　硬度の高い炭化物を形成することにより耐摩耗性を向上させる。また、窒化処理により、上記元素と同様に窒化物や炭窒化物を形成するため、必要に応じて添加してもよいが、加工性や靭性が低下するため、Ｗの添加量は１　０．　０重量％以下、さらに好ましくは５．　０重量％以下とする。
【００５７】
Ｖは強力な窒化物生成元素であり、硬度と耐摩耗性を高める作用がある。また、二次硬化に対する効果が大きく、窒化処理後の芯部硬さを一定以上に保つために非常に効果的な元素である。そのため、必要に応じて添加してよいが、多量に添加すると靭性や加工性が低下するため、添加量の上限を５．０重量％以下、　さらに好ましくは３．０重量％以下とする。
【００５８】
Ｎｂも強力な窒化物生成元素であり、窒化処理を行って耐摩耗性を向上させるのに有用な元素である。しかしながら、多量に添加すると靭性や加工性が低下するだけでなく、転動寿命を低下させる粗大なＮｂ介在物が生成するため、その上限は１．０重量％以下とする。
Ｔｉも上記添加元素と同様に、　窒化処理によって窒化物や炭窒化物を形成する元素であり、　必要に応じて添加してもよいが、添加量が０．５重量％を超えると転動寿命低下を引き起こす粗大なＴｉ介在物が生成しやすくなるため、　その含有量は０．５重量％以下とする。
【００５９】
ＡｌはＶ同様、強力な窒化物生成元素であり、　非常に硬度が高く摺動性に優れるＡｌ窒化物を析出する。しかし、その添加量が２．０重量％を超えると添加効果は飽和するだけでなく、Ａｌは製鋼時の脱酸剤として使用される元素でもあり、　鋼中に多量に含有させると粗大なＡｌ酸化物が多数残留し、転動寿命を低下させる虞れがある。以上のことから、　Ａｌ添加量は２．０重量％以下とする。
［必要に応じて添加する元素について］
Ｎｉは強力なオーステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成を抑制し、さらに基地に固溶して靭性を向上させ高温特性を高める作用がある。しかし、必要以上に添加すると多量の残留オーステナイトが生成して十分な焼入れ硬さが得られなくなることがあるので、上限を４．５重量％以下とする。
【００６０】
ＣｏもＮｉと同様にオ―ステナイト安定化元素であり、δフェライトの生成を抑え、さらに基地中に固溶して炭化物の凝集を抑制し、高温硬さを向上させる作用がある。しかし、多量に添加すると加工性が低下するだけでなく、　添加コストが高くなるので上限を１　０．　０重量％以下とする。
［製鋼上必要な元素］
Ｓｉは、製鋼時の脱酸剤として必要な元素であり、０．１重量％以上添加されることが好ましい。また、焼戻し軟化抵抗性を高め、さらに表面に窒化処理を施すと窒化物を形成し、耐摩耗性向上に寄与する。しかし、多量に添加すると靭性や加工性を低下させるため上限を１．５重量％とする。
【００６１】
Ｍｎは脱酸剤として０．１重量％以上必要であるが、多量に添加すると鍛造性、被削性が低下するだけでなく、Ｓ，Ｐなどの不純物と共存して耐食性を低下させるので上限を１．５重量％とする。
［不可避不純物について］
上記に述べた合金元素の他に、不可避の不純物として、Ｐ≦０．　０２　重量％、Ｓ≦０．　０５重量％、　Ｃｕ≦０．　１０重量％、Ｏ≦１５ｐｐｍ等を含むことができるが、転動疲労寿命特性に有害な非金属介在物を極力少なくするためには、Ｏ≦１０ｐｐｍとすることが好ましい。
（共晶炭化物について）
鋼中に粗大な共晶炭化物が含まれると靭性が低下するだけでなく、窒化層中に粗大な共晶炭化物が存在した場合は、仕上げ加工中に窒化層が剥離することがある。そのため、鋼材の最大共晶炭化物径は円相当径で５μｍ以下、さらに３μｍ以下とすることが好ましい。
（表面硬さについて）
転動体完成品の表面硬さについては、表面硬さがＨｖ９　００に到達しない場合は、窒化処理による十分な効果は得られないため、表面の硬さは少なくともＨｖ９　００以上とする。また、　好ましくはＨｖ１０００以上とする。なお、本発明でいう表面硬さとは、完成品ボール表面をマイクロビッカース硬さ試験機を用い２００ｇの荷重で測定した値を指す。
（芯部硬さについて）
転動体完成品の芯部硬さはボール全体の剛性のため、一定以上の値としておくことが必要である。少なくともＨｖ５５０以上であることが好ましく、　より好ましくはＨｖ６００以上とする。
（窒化層について）
窒化処理を行うと、ボ−ル表面には二層構造を有する窒化層が形成される。最表面にはζ相−Ｆｅ２　Ｎ、　ε相−Ｆｅ２−３　、γ′相−Ｆｅ４　Ｎ、ＣｒＮ、Ｃｒ２　Ｎ等の化合物からなる化合物層が形成され、それよりも深い部分には、　窒素が固溶したマルテンサイト相に上記の化合物層を形成する窒化物が分散した、拡散層が形成されるようになる。しかし、最表面に形成される化合物層は摺動性に優れる反面、ポーラスで脆い層が形成されることがあり、　特に高荷重が負荷される電動射出成形機や電動プレス機等に使用されるボールねじ装置の場合では、　このポーラスな化合物層の剥離が懸念される。よって、このようなポーラスな化合物層が形成された場合は窒化処理後の仕上げ加工で除去することが望ましい。窒化処理による確実な効果を得るためには、　完成品表面の窒素濃度を０．５重量％以上とすることが好ましい。また、窒素濃度が６重量％を超えた場合は窒化物のみの化合物層となることから、好ましくは表面窒素濃度を０．５重量％以上６重量％以下とする。
【００６２】
また、高荷重を受けるような場合では、　応力体積に占める窒化層の割合が大きいほどボール表面の剛性が増し、結果として耐荷重性が向上する。そのため、できるだけ窒化層の厚さを大きくとることが好ましいが、必要以上の厚い窒化層を設けることは窒化処理時間の延長につながり、処理コストおよび窒化処理後の真球度低下による加工コストが増大する。さらには表面組織が粗くなって要求精度を満足できない場合もあるため、必要以上に窒化層を厚くすることは好ましくない。よって完成品の窒化層厚さはボール直径Ｄａの２　％以下とすることが好ましい。
【００６３】
また、窒化層厚さが少ないと耐摩耗性や耐焼付き性が向上しない。窒化処理前の真円度や粗さ、そして窒化層の付き回り性を考慮すると、少なくとも窒化層厚さは１０μｍ以上とすることが好ましく、さらに好ましくは２０μｍ以上とする。なお、ここでいう窒化層厚さとは窒素濃度が０．２重量％を超える部分の表面からの厚さを指す。
（ボールの作製方法について）
以下に窒化処理を施したボールの作製方法について述べる。
【００６４】
ボ−ル５の母材には本発明の合金鋼を使用する。合金鋼に冷間引き抜きなど施した線材に、　ヘッダー等で冷間加工を施し、球体成形を行う（　以下素球という）　。また、線材を転造などの方法で素球を形成してもよい、上記の方法で作製された素球にバリ等が見られる場合は、フラッシング等でバリ取りを行う。
次いで、焼入れ・　焼戻し等の熱処理を行う。なお、焼戻しの前に、　サブゼロやクライオ処理を行うようにしてもよい。また、　取り扱い上の表面キズ発生を防止するため、熱処理後にバレル、　ショットピーニング或いはボールピーニング等の機械的硬化加工によって、更に硬度を高めても良い。
【００６５】
一般に、熱処理後の真球度あるいは直径相互差等は非常に大きい。この焼入れされたままの状態のものを使用して窒化処理を行うと、窒化層は被処理物の形状に倣った形で生成するため、仕上げ加工後の窒化層厚さが不均一となる。また、窒化処理によって生じた応力バランスが崩れて目標精度が達成できないという不具合が発生する場合もある。そのため、焼入れ硬化後には研削加工（粗研削加工）などを行うことが好ましい（以下、半加工球と呼ぶ）　。半加工球の真球度は３．０μｍ以下、好ましくは１．０μｍ以下とすることが望ましい。なお、半加工球は完成品寸法に設定取り代を加算した目標寸法まで加工を行う。設定取り代は、目標とする精度まで仕上げ加工を行う際の必要な取り代を示すが、勿論窒化処理による膨縮量も含めたものを示している。
【００６６】
次いで、　半加工球に窒化処理を施す。この窒化処理は、例えば、ガス窒化、　塩浴窒化、イオン窒化等のいずれの方法を用いてもよい。
なお、　好ましい窒化処理の一形態として、　比較的低温で処理が可能なＮｖ窒化プロセス（エア・ウォータ株式会社の商標）　がある。このＮｖ窒化プロセスは、まず、例えばＮＦ３　などのフッ素系ガスを用いて、２００〜４００°Ｃでフッ化処理を施した後、５　０％Ｎ２　−５　０％ＮＨ３　の混合ガス雰囲気中で、４００〜４８０°Ｃに加熱することで、窒化層を形成する。
【００６７】
ここでフッ化処理を行うことで、窒化処理を阻害する被処理材表面のＣｒ酸化物等を除去し、　被処理材表面を活性化するフッ化層を形成するため、その後の窒化処理が４　００°Ｃの低温で行われても、　比較的均一な窒化層を形成することが可能となる。また、このフッ化処理が比較的低温で行われるため、窒化処理による精度劣化が抑制され、仕上げ加工を容易に行うことが可能となる。また、窒化処理による芯部硬さの低下が極力抑えられるという効果もある。
【００６８】
その結果、表面には窒化層が形成され、この窒化層にはζ相−Ｆｅ２　、ε相−Ｆｅ２−３　、γ′相−Ｆｅ４　Ｎ、ＣｒＮ、Ｃｒ２　Ｎ等の微細な析出物からなる化合物層が形成されて、耐摩耗性が飛躍的に向上する。
引き続いて、窒化処理が施されたのちに仕上げ加工を行い、ボールの表面粗さを０．１μｍＲａ以下、具体的にはＪＩＳＢ１５０１記載の等級６０以上の精度とすることが好ましい。転動部材の転動面に形成される油膜厚さは、接触面の２乗平均粗さをσ１　およびσ２　とすると、（σ１２＋σ２　２　）１／２　に反比例する。つまり、表面粗さが小さいほど良好に油膜形成が行われることになり、特に、電動射出成形機や電動プレス機などの用途で使用されるボールねじ装置では油膜形成が非常に困難なため、　表面粗さを高精度に仕上げておくことは非常に重要となる。よって、ボールの表面粗さを０．１μｍＲａ以下、更に好ましくは０．０３μｍＲａ以下とする。
【００６９】
なお、ボール完成品の窒化層厚さを１０μｍ以上２％Ｄａ以下とするために、　窒化処理後の窒化層厚さは仕上げ加工の取り代分を加味した厚さとすることが望ましい。
以上のようにして加工されたボールは表面硬さがＨｖ９００以上とされ、　窒素濃度は０．　５重量％以上６重量％以下とされる。そのため、耐焼付き性と耐摩耗性に優れ、ボールねじ装置の長寿命化に貢献する。
（その他の構成部材について）
ボール５以外のナット３、チューブ６等は従来の材料を使用してもよい。例えばナット３であればＳＣＭ４２０を浸炭または浸炭窒化したものや、ＳＣＭ４４５を高周波焼入したものなどがあけられる。ただし、少なくとも雌ねじ溝の転動面の表面硬さがＨｖ６５０以上であり、さらにその母材の鋼中酸素濃度は１５ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｐｐｍ以下とし、共晶炭化物径は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下とする。
【００７０】
上記の条件を満たすことができるなら、その母材の成分や熱処理方法は問わない。例えば、ＳＣＭ４２０等の従来から使用されている合金鋼に、ＭｏやＶなどを添加し浸炭窒化処理を行って耐摩耗性を向上させてもよい。もちろん、本発明による合金鋼および熱処理を適用することも差し支えない。また、ねじ溝転動面の表面粗さは上記した理由により、好ましくは０．　５μｍＲａ以下、　更に好ましくは０．１μｍＲａ以下とする。チューブ６は冷間圧延鋼ＳＰＣＣなどを使用すればよい。
（第２実施例）
本発明の合金鋼でボール５を形成し、ボール５間にセパレ−タ　を介装させたボールねじ装置の寿命ついて評価を行った。表３　に、　試験に用いた各種の合金鋼の主な化学成分を示す。
【００７１】
摩耗試験には、図３に示すボールオンディスク式の摩耗試験機を用いた。このボールオンディスク式の摩耗試験機は、円盤状の試験片にボ―ルを載せ、上から荷重Ｐを負荷しながら互いに接触状態で回転させるものである。試験条件の詳細を以下に示す。
面圧：３ＧＰａ
回転数：５０ｍｉｎ−１
潤滑油：鉱油（粘度はＶＧ１０程度の低粘度油）
給油量：１ｃｃ／ｍｉｎ　軌道面上に給油
試験温度：室温
ボール材：表３に示す材料に下記の窒化処理条件Ａ〜Ｄで窒化したもの
ディスク材：ＳＵＪ２ずぷ焼入れ（表面粗さ０．１μｍ以下）
ボールには表３に示す材料を使用し、先に示したボールの作製方法に従って作製した。窒化処理は次の何れかの方法を用いた。
【００７２】
窒化処理Ａ
５００〜５７０°Ｃで１〜１０時間のガス窒化処理（５０％Ｎ２　−５０％ＮＨ３　混合ガス雰囲気中）
窒化処理Ｂ
５　００〜５７０°Ｃで１〜１０時間の塩浴軟窒化処理（ＫＣＮＯまたはＮａＣＮＯなどのシアン酸塩を主成分とする塩浴窒化）
窒化処理Ｃ
５００〜５７０°Ｃで１〜１０時間のガス軟窒化処理（５０％ＮＨ３　−５０％吸熱型変成ガス（ＣＯ、Ｎ２　、Ｈ２　を主成分とする））
窒化処理Ｄ　　　　　　・
３　００〜４００°Ｃでフッ化処理後（９０％Ｎ２　−１０％ＮＦ３　混合ガス雰囲気中）　、４　００〜５　００°Ｃで５〜５０時間窒化処理（５０％Ｎ２　−５　０％ＮＨ３　混合ガス雰囲気中）
（寿命試験）
高負荷・　短ストロークの使用条件下での疲労寿命を評価するために、本発明によるボールねじ装置を作製した。作製したボールねじ装置の仕様は以下に示す通りである。
ねじ軸径：８０ｍｍ
リード：２０ｍｍ
ねじ軸材：表１に示す合金鋼を上記熱処理条件Ａ〜Ｃで熱処理したもの
ナット材：ＳＣＭ４２０浸炭
ボール材：　表３に示す材料に上に示す窒化処理条件Ａ〜Ｄで窒化したもの
セパレータ：　合成樹脂製
熱処理が完了したねじ軸やナットおよびボールには研削仕上げを施し、さらにボールにはラップ仕上げを行った。以上のようにして作製したボールねじ装置を供試体として、射出成形機を想定した試験条件で試験を行った。試験条件の詳細を以下に示す、また、この条件は接触楕円が溝肩に乗り上げやすいように、表２で行った寿命試験よりも負荷荷重を大きく設定した
荷重：最大３００ｋＮ
ストローク：２０ｍｍ
サイクルタイム：２秒
潤滑材：鉱油系グリース
試験温度：８０°Ｃ（ナット外形をヒータで加熱）
試験結果を表４に示す。
【００７３】
【表４】
2004076823.tif 000006
【００７４】
表面硬さおよび芯部硬さの測定にはボールオンディスク摩耗試験に使用したボールを使用した。測定にはマイクロビッカ―ス硬さ試験機を用い、測定荷重を２００ｇとした。表面硬さはボ−ル表面を、　芯部硬さはボールの中心部をそれぞれ測定した。
試験片の摩耗試験の結果は従来例Ｅ−１の摩耗量を１として比で示した。ボールねじ耐久試験は、　ねじ軸，ナツト，ボールのいずれかが表面損傷を起こすか、ねじ軸の回転トルクが急激に増大するまでのショット数で評価し、従来例Ｅ−１のショット数を１とした比で示した。なお、従来例Ｅ−１はボールをＳＵＪ２ずぶ焼とし、ねじ軸には表２に示すＡ−１２と同様なものを使用し、ナットにＳＣＭ４２０に浸炭処理したものを使用した。
【００７５】
なお、比較例のＤ−１〜Ｄ−４はいずれも、Ｅｑ１値が２．０を下回ったものである。比較例Ｄ−５およびＤ−６はＣ含有量が１．３重量％を超えるもので、粗大な共晶炭化物が見られ、窒化処理後の仕上げ加工時に窒化層の剥離が発生したため、摩耗試験およびボールねじ耐久試験は行わなかった。比較例Ｄ−７およびＤ−８は実施例Ｃ−９およびＣ−１０にセパレータを介装しなかったものである。
【００７６】
摩耗試験の結果からは、Ｅｑ１値が２．０以上である実施例Ｃ−１〜Ｃ−３０では表面硬さがＨｖ９００以上となるため、従来例Ｅ−１であるＳＵＪ２　ずぶ焼と比較して良好な耐摩耗性が得られることがわかる。特にＥｑ値が４．０以上であるものでは表面硬さがＨｖ１０００以上となり、さらに良好な耐摩耗性が得られる。Ｅｑ１値が２．０を下回る比較例Ｄ−１〜Ｄ−４では、窒化処理に伴って窒化物が析出するための合金元素が十分でないため、表面硬さが十分に向上せず、耐摩耗性も各実施例ほどには及ばない。
【００７７】
次にボールねじ耐久試験の結果からは、　ボールに本発明の合金鋼に窒化処理を施し、セパレータを介装させた各実施例は、ボールにＳＵＪ２ずぷ焼を使用し、同じくセパレータを介装させた従来例と比較して転動疲労寿命が２倍以上と向上していることがわかる。また、ねじ軸にＶを添加した浸炭窒化材を使用した実施例Ｃ−９は、ねじ軸にＳＣＭ４２０に浸炭を行った実施例Ｃ−１０と比較して、転動疲労寿命が向上する。これはＶを添加した浸炭窒化材はＳＣＭ４２０の浸炭材よりも耐摩耗性に優れるためである。
【００７８】
また、セパレータを介装しない比較例Ｄ−７およびＤ−８は、セパレータを介装した実施例Ｃ−９およびＣ−１０をはじめとする各実施例と比較して、十分な疲労寿命が得られていないことがわかる。このことから、ボールに耐摩耗性に優れる材料を使用するだけでは、転疲労寿命向上には不十分であり、セパレータと組み合わせることで、より好ましい転動疲労寿命が得られることがわかる。
【００７９】
【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、高荷重が瞬間的に加わる使用条件や、高荷重が瞬間的に加わり、且つ短ストロークの使用条件においても優れた耐摩耗性を有して好適に用いることができる転動装置を提供することができる。この場合、転動体に窒化処理を施せば、寿命向上により効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の転動装置の実施の形態の一例であるボールねじ装置の説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】ボールオンディスク摩耗試験機の説明図である。
【符号の説明】
１…ねじ軸（内方部材）
２…雄ねじ溝（軌道面）
３…ナット（外方部材）
４…雌ねじ溝（軌道面）
５…ボール（転動体）
６…チューブ
７…フランジ
８…平面（　切欠面）
９…チューブ押え
１０…シール
１１…セパレータ
１２…供試体
Ｐ…荷重
【図１】
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【図２】
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【図３】
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