(57)【要約】【課題】高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの低減を達成でき、しかも、高周波焼入れ後の変形を減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命を延ばすことができる機械部品およびその製造方法を提供する。【解決手段】転動体６が転動する転動溝４を有し、少なくとも転動溝４の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械部品である。転動溝４の硬化層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転動体が転動する転動溝を有し、少なくとも転動溝の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械部品において、前記転動溝の硬化層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成したことを特徴とする機械部品。
【請求項２】
前記浸炭層の表面には残留オーステナイトが生成されていることを特徴とする請求項１の機械部品。
【請求項３】
素形材に冷間加工にて転動溝を成形した後、油中にて高周波焼入れを行って、前記転動溝の溝表層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成すること特徴とする機械部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車、産業用の転動体（例えば、ボール）が転動する溝を有する機械部品及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
転動体が転動する溝を有する機械部品として、ボールねじがある。ボールねじは、一般的には、図５に示すように、外周面に螺旋状の転動溝１０２を有する軸部材１０１と、内周面に前記軸部材１０１の転動溝１０２に対応した螺旋状の転動溝１０３を有するナット部材１０４と、前記両転動溝１０２、１０３の間に転動自在に介装されている複数の転動体１０５とを備える。そして、軸部材１０１（またはナット部材１０４）の回転動力を、転動体１０５を介してナット部材１０４（または軸部材１０１）の推力に変換するものである。
【０００３】
前記のようなボールねじには、転動溝の耐摩耗性を向上させるために、転動溝の溝表層に高周波焼入れしたものがある。
【０００４】
しかしながら、高周波焼入れを行えば、高周波焼入れされた面には、酸化によりスケールが生成する。これにより、面粗さが低下して、寿命が低下する問題があった。更に、このスケールは剥がれ落ちたり、肉厚が一定でなかったりするので、寸法精度の低下と寸法ばらつきが増加する問題もあった。球状の転動体が作動する場合、点状の接触状態（純転がりに近い状態）で作動するため、焼入れ時に生じたスケール等の異物が接触面に噛み込んだり存在したりしていると、転動体の動きが急変し異音が発生しやすくなる。このため、スケールの除去は必須工程となる。
【０００５】
そこで、従来には、熱処理にて発生したスケールを除去するためにバフ処理を施すものがある（特許文献１）。すなわち、中炭素鋼を用いて転造加工を行い、その後、転動溝の溝表層を高周波焼入れによりＨＲＣ５５〜６２の範囲の硬化処理を行った後、バフ処理を行っていた。また、プレス機等で転造加工及び高周波焼入れ工程で生じた変形を矯正するため高周波焼入れ後に曲がり矯正をする必要があり、コスト増加を招く場合がある。
【０００６】
また、高周波焼入後に電解研磨によりスケール除去と仕上げを実施するものもある（特許文献２）。さらに、高周波焼入時の冷却水の圧力を高めてスケールを除去するものもある（特許文献３）。
【０００７】
さらに、非特許文献１には、真空油焼入れにより表層に残留オーステナイトを生成し、耐摩耗性を向上させることができる真空油焼入れにより生成した白層（残留オーステナイト）を有する高速度鋼についての記載がある。
【特許文献１】特開２００３−１１９５１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２５１５２号公報
【特許文献３】特開２００２−１２９２３１号公報
【非特許文献１】論文「真空油焼入れにより生成した白層を有する高速度鋼の耐摩耗性について」金属学会誌４１巻（１９７７）第６３９頁〜第６４６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、引用文献１に記載されたバフ加工のみでは、完全にスケールを除去しきれない場合があり、しかも、加工時間が長いという問題があった。また、引用文献２に記載のものは、完全にスケールを除去できるものの、加工時間が大幅に長く、表面の面荒れ、化学反応熱による表層の軟化などの問題があった。さらに、引用文献３のものでは、スケールを均一に除去できず、微小な黒色のスケールが斑点状に残り、完全にスケール除去加工を廃止できないという問題があった。
【０００９】
また、この様な高周波焼入されるボールねじにおいて、熱処理後の変形やスケールの発生を抑制すれば、振動の問題は解決する。しかし、高周波焼入部品を、高温の雰囲気（エンジン内または周辺やブレーキ付近など）で使用すると、軟化し転動寿命が低下する問題がある。すなわち、高周波焼入の表面硬度は、マルテンサイトの生成による組織的な硬さ圧縮残留応力による硬さからなるので、このような高周波焼入部品を高温雰囲気で使用すると、圧縮残留応力による硬さが急激に変化し、表面硬度が低下する。このため、この硬度低下により転動寿命が低下することになる。
【００１０】
さらに、高温で長時間加熱し真空浸炭処理をすれば、高温での軟化抵抗を高めることができるが、長時間の処理でインライン化ができなく効率の悪い処理となっていた。また、もともと炭素を多く含む材料を使用し真空焼入れするとスケールが無く、軟化抵抗も増加するが、高炭素の材料となり、溝部の冷間加工性が著しく低下する問題がある。
【００１１】
なお、非特許文献１では、転動する溝を有する機械部品ではないが、真空油焼入れを行って、耐摩耗性の向上を図ることが記載されている。しかしながら、真空油焼入れでは、真空装置が必要であるが装置自体が高価で、インライン化に対応できない問題がある。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑みて、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの低減を達成でき、しかも、高周波焼入れ後の変形を減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命を延ばすことができる機械部品およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の機械部品は、転動体が転動する転動溝を有し、少なくとも転動溝の溝表層を高周波焼入れにより硬化層とした機械部品において、前記転動溝の溝表層を母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成したものである。
【００１４】
本発明の機械部品では、浸炭層は、その組織が母材（硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加している。これは、雰囲気の油から転動溝の表面に炭素が拡散（浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。炭素量の増加により、浸炭層（硬化層）は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。
【００１５】
浸炭層の表面には残留オーステナイトが生成されている。これにより、耐なじみ性向上と面圧の緩和硬化により寿命はさらに向上する。
【００１６】
本発明の機械部品の製造方法は、素形材に冷間加工にて転動溝を成形した後、油中にて高周波焼入れを行って、前記転動溝の溝表層に母材の炭素濃度よりも増加させて浸炭層を形成するものである。
【００１７】
本発明の機械部品の製造方法では、油中における高周波焼入れにて、形成される硬化層の浸炭層は、炭素が拡散（浸炭）して母材（硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加する。このため、硬化層では酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。また、この浸炭による炭素量の増加にて、硬化層は通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、スケールの発生が抑制され、しかも、浸炭層は炭素量の増加により、表面硬さが高くなり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。また、材料（素形材）を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、浸炭と同様に冷間加工も可能となる。すなわち、本発明では、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの大幅低減を達成できる。しかも、高周波焼入れ後の変形を大幅に減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命（転動寿命）を大幅に延ばすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る機械部品の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係る機械部品としてのボールねじを表示している。ボールねじは、外周面に螺旋状の転動溝５を有する軸部材１と、内周面に前記軸部材１の転動溝５に対応した螺旋状の転動溝４を有するナット部材３と、前記両転動溝４、５の間に転動自在に介装されている複数の転動体６と、前記ナット部材３に設けられた駒部材７とを備える。前記駒部材７は、ナット３に内外面に貫通して形成された嵌合用開口８に嵌合している。また、この駒部材７には連結溝９が設けられ、この連結溝９によって、ナット３に形成された螺旋状の転動溝５の隣合う部分同士を連結している。
【００２１】
前記連結溝９により、ねじ軸２とナット３の転動溝４、５間で形成される螺旋状のボール転送路が周回経路を構成することができ、ボール６がこの周回経路を循環移動する。なお、ボール６は、連結溝９を通過するときは、ねじ軸２の転動溝（ねじ溝）４のねじ山を乗り越えることになる。
【００２２】
この機械部品では、軸部材２の外周面及びナット部材３の内周面である転動体６の接触部位（転動溝４、５）の溝表層を硬化層としている。この硬化層は、油中で高周波焼入れを行うことになる。例えば、軸部材２やナット部材３を油中に浸漬した状態で高周波焼入れを行う。ここで、高周波焼入れとは、焼入れ用コイルに高周波電流を流すことによって、誘導体（被加工体）の表面部分に誘導電流を生じさせて発熱させ、この熱により被加工体の表面を急速に加熱して焼入れを行う方法である。この場合の高周波加熱の温度は、９００℃以上で１３５０℃以下が好ましい。
【００２３】
油中での高周波焼入れにより、形成された硬化層（浸炭層）は、その組織が母材（硬化層以外の部位）より炭素濃度が増加する。これは、雰囲気の油から転動体接触部位の表面に炭素が拡散（浸炭）したためである。この浸炭により酸化反応が抑制されてスケールの発生が抑制されている。
【００２４】
また、硬化層（浸炭層）の硬さは、図２に示すようになり、通常の高周波焼入れされた表面硬さより高くなっている。これは前記のように浸炭処理されたからであり、この硬さは、図４に示すように、炭素量の増加によるものである。このため、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。
【００２５】
しかも、図３に示すように、硬化層（図３における浸炭層）の表面部には、残留オーステナイト（γ）が形成されている。ここで、残留オーステナイトとは、鋼を焼入れた場合、その鋼のマルテンサイト変態終了温度（Ｍｆ点）が室温以下になると、まだ変態を完了していないオーステナイトは、そのまま焼入れ後も残ることになり、この残ったものである。この残留オーステナイトは、じん性、転がり疲れ強さを向上させる。このため、硬化層は、耐なじみ性向上と面圧の緩和硬化により寿命はさらに向上することになる。
【００２６】
このように、本発明では、スケールの発生が抑制され、しかも、浸炭層は炭素量の増加により、表面硬さが高くなり、高温雰囲気での軟化抵抗が増加し、初期の硬さが維持され、耐摩耗性や耐剥離性が向上し、寿命（転動寿命）が増加する。また、材料（素形材）を低炭素鋼にしても、必要な表面硬度が得られる。このため、素材を低炭素化でき、変形能が向上し、浸炭と同様に冷間加工も可能となる。すなわち、本発明では、高周波焼入れ後のスケール除去加工が不要でインライン化対応が可能となり、コストの大幅低減を達成できる。しかも、高周波焼入れ後の変形を大幅に減少させることができ、高温雰囲気中での耐久寿命（転動寿命）を大幅に延ばすことができる。特に、高周波加熱の温度を９００℃以上で１３５０℃以下とすることよって、浸炭による酸化反応を安定して抑制できてスケールの発生を確実に抑制できる。なお、高周波加熱の温度が９００℃未満では、十分な硬さが得られず、酸化反応が促進されスケールの発生が増加し、浸炭量も少なくなり、高周波加熱の温度が１３５０℃を越えれば、浸炭層は増加するが結晶粒が粗大化し脆化する。
【００２７】
ところで、前記実施形態では、軸部材２の外周面及びナット部材３の内周面である転動体６の接触部位（転動溝４、５）の溝表層を硬化層としていたが、このどちらか一方であってもよい。すなわち、ナット部材３の内周面である転動溝４の溝表層のみを硬化層としたり、軸部材２の外周面である転動溝５の溝表層のみを硬化層としたりすることができる。また、機械部品として、ボールねじに限るものではなく、転動体が転動する転動溝を有するものであればよく、ボールねじとしては、図１に示すものに限るものではない。さらに、転動体としてボールではなく、ころやローラ等であってもよく、転動体が転動する転動溝としても螺旋状でなくてもよい。
【実施例】
【００２８】
図１に示す構造のボールねじについて、大気中で高周波焼入れを行った従来品Ａと、大気中で高周波焼入れを行った後バフ加工を施した従来品Ｂと、油中で高周波焼入れを行った発明品Ａ、Ｂとを製造して、これらの特性を比較し、その結果を次の表１に示した。いずれも、こま２列のボールねじを使用し、ねじ軸は、材質がＡＩＳＩ１０５０であり、軸径１６ｍｍで、リード３ｍｍのものを使用した。また、転動体の径（ボール径）３／３２”とした。耐久条件として、回転数を１５００ｒ／ｍとし、荷重を７００Ｎとして、試験雰囲気温度が８０℃として試験を行った。なお、焼入れ後の冷却は、従来品Ａ、Ｂでは水溶性の焼入液でスプレイ冷却を行い、発明品Ａ、Ｂでは、焼入れ油の油中冷却を行った。また、発明品Ａ、Ｂにおける油中高周波焼入れは、焼入れ油の雰囲気中で高周波加熱後加熱電源を切ると同時に冷却を開始し焼入れした。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
表１から分かるように、従来品Ａには黒色状でポーラスなスケールが大量に発生し、従来品Ｂには、濃灰色なスケールが大量に発生した。これに対して、発明品Ａ及び発明品Ｂは灰色のスケールが少し発生したが、黒色状のスケールはほとんど発生しなかった。
【００３１】
また、従来品Ａでは回転時において、異音が発生した。従来品Ｂでは、バフ加工前では回転時に異音があったが、バフ加工後回転時には異音は発生しなかった。これに対して、発明品Ａ、Ｂは、回転時の異音は発生しなかった。すなわち、発明品Ａ、Ｂは、バフ加工を施さなくても回転時の異音は発生しない。
【００３２】
また、高周波焼入れ後の曲がり（振れ量）においては、従来品Ａは０．６８ｍｍであり、従来品Ｂが０．６５ｍｍであるのに対して、発明品Ａ、Ｂが０．１３０ｍｍである。また、耐久寿命は、従来品Ａは４００ｈｒであり、従来品Ｂは４６０ｈｒであるのに対して、発明品Ａは７５８ｈｒであり、発明品Ｂは９５０ｈｒである。このように、発明品Ａ、Ｂの曲がり（振れ量）が少なく、耐久寿命が長い。これは、従来品Ａ、Ｂでは残留オーステナイトが２％であったのに対し、発明品Ａは残留オーステナイトが１０％であり、発明品Ｂは残留オーステナイトが４５％生成したからである。
【００３３】
このように、本発明では、黒色状のスケールの発生が抑制され、高周波焼入れ後の変形も大幅に減少でき、さらに耐久寿命が著しく増加している。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態を示す機械部品の要部断面図である。
【図２】前記機械部品の硬化層の硬さを示すグラフ図である。
【図３】前記機械部品の浸炭層の範囲を示す簡略図である。
【図４】前記機械部品の硬化層の炭素量を示すグラフである。
【図５】従来の機械部品の要部断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
４、５ 転動溝
６     転動体
【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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