(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくもＣ：０．４〜０．６ｗｔ％，Ｃｒ：９．５〜１３．０ｗｔ％，Ｍｏ：０．３〜１．０ｗｔ％を含むマルテンサイト系クロムステンレス鋼の鋼管の鋼球転動路を加工後、転動面をプラズマ浸炭焼入れによりＨＲＣ５５以上の硬さに焼入れした後４３０℃〜５７０℃で焼戻しして２次硬化させ、該鋼管の外周をアルミニウム合金鋳造で鋳ぐるんで形成し、転動面の硬さをＨＲＣ５８以上にしたことを特徴とする軸受部品。
【請求項２】
少なくもＣ：０．４〜０．６ｗｔ％，Ｃｒ：９．５〜１３．０ｗｔ％，Ｍｏ：０．３〜１．０ｗｔ％を含むマルテンサイト系クロムステンレス鋼の鋼管の鋼球転動路を加工後、所定面をプラズマ浸炭焼入れによりＨＲＣ５５以上の硬さに焼入れした後４３０℃〜５７０℃で焼戻しして２次硬化させ、該鋼管の外周をアルミニウム合金鋳造で鋳ぐるんで形成し、転動面の硬さをＨＲＣ５８以上にしたことを特徴とする軸受部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールねじナットの鋼球転動路やスライドレールのスライダなどのように耐摩耗面を焼入硬化させた複雑な形状の軸受部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械部品としては、ベアリングの軌道面やスライドテーブルの摺動面などを焼入硬化して耐摩耗性を向上した部品が多く使用されている。その製造方法としては、鋼材から機械加工により削りだしたり、熱間、温間あるいは冷間加工した部材から機械加工する方法が多く採られている。このような耐摩耗部品の焼入面の硬さは高いほど望ましく、少なくもＨＲＣ５５以上の硬さが要求される。かかる用途には従来から軸受鋼が多く使用されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの部品が単純な形状の場合には、容易に一体の材料から切削加工などにより成形して製造されるが、複雑な形状、例えばボールねじナットのような部品は、内径の軌道面は耐摩耗性を要するために高い硬さを必要とする一方、外周部には鋼球の循環路を設けるため複雑な形状になる。これを製造するために丸棒の棒鋼から切削加工により成形し熱処理することは大変な工数がかかりコストが高くなる。また全体を鋼材で作ると重量も大きくなり、動体部品などの場合は慣性が大きくなって動きのレスポンスに欠けるという問題点もある。そこで本発明では、所定硬さに焼入れした部材の外周をアルミニュームダイカストで肉付けして複雑な形状を形成させることにより、機械加工を減じて軽量で安価な耐摩耗部品の製造を図った。
【０００４】
一方、前記従来から広く使用されている軸受鋼は、通常２００℃以下の温度で焼戻しして使用され、焼戻し温度が２００℃を超えると急激に硬さが下がる。従って、このような温度で焼入・焼戻した軸受鋼をアルミニュームダイカストで肉付けすると、もとの焼戻温度より高いダイカスト鋳造時の温度で焼戻しされて硬さが低下し所要硬さを得ることができなかった。これに対し、高合金鋼、例えばＪＩＳ．ＳＫＤ１１などの高炭素高クロム工具鋼などを使用すればダイカスト鋳造時の温度による硬さの低下は防止できるが、かかる鋼材は高価であるためコストが増し、また入手が容易でないという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明は、安価なマルテンサイト系クロムステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入れすると浸炭層に通常のガス浸炭などで得られない高い炭素量が得られて、プラズマ浸炭焼入れした後４３０℃〜５７０℃で焼戻しすると２次硬化することに着目し、安価な耐摩耗部品及びその製造法を提供することを目的としたものである。また、前記処理したステンレス鋼はアルミニュームダイカスト時の鋳造温度でも軟化しないことに着目し、これをアルミニュームダイカストで肉付けして複雑な形状を形成させ、焼入れ面にＨＲＣ５８以上の硬さを有する軽量で安価な耐摩耗部品及びその製造法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の軸受部品及びその製造方法は、少なくもＣ：０．４〜０．６ｗｔ％，Ｃｒ：９．５〜１３．０ｗｔ％，Ｍｏ：０．３〜１．０ｗｔ％を含むマルテンサイト系クロムステンレス鋼の鋼管の鋼球転動路を加工後、転動面をプラズマ浸炭焼入れによりＨＲＣ５５以上の硬さに焼入れした後４３０℃〜５７０℃で焼戻しして２次硬化させ、該鋼管の外周をアルミニウム合金鋳造で鋳ぐるんで形成し、転動面の硬さをＨＲＣ５８以上にしたことを特徴とするものである。
【０００７】
従来、耐摩耗部品に広く使用されている焼入・焼戻しされた軸受鋼（ＪＩＳ．ＳＵＪ）では２００℃以上に加熱されると硬さが低下するために高温での使用ができないという問題点がある。これに対して、上記マルテンサイト系クロムステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入れした浸炭焼入層は４３０〜５７０℃の焼戻しにより２次硬化して硬さが上昇する。従って本発明の処理を行った耐摩耗部品は高温で使用される耐摩耗部材にも硬さの低下がなく使用できる。この焼入層の焼戻硬化は焼入時に残留する残留オーステナイトの相変化と固溶合金の析出によるものである。また、プラズマ浸炭焼入れよれば、浸炭層にガス浸炭で得られない２％以上の高い炭素量が得られ、短時間で浸炭が終了するので熱処理変形が少なく研削などの取代が減じて加工工数を低減できるという利点がある。
【０００８】
従来、本発明のようにステンレス鋼をプラズマ浸炭して使用する例はない。ここで、前記マルテンサイト系クロムステンレス鋼の成分をＣ：０．４〜０．６ｗｔ％とするのは、Ｃがこれより低すぎるとプラズマ浸炭の時間がかかり過ぎることと、かつ母材の強度が低くなり浸炭層の亀裂や剥離が生じやすいからである。また、Ｃがこれより高すぎると浸炭層のみでなく内部まで硬さが増して全体の対衝撃性が低下することと、材料が高価になりコストがアップするからである。
【０００９】
前記成分をＣｒ：９．５〜１３．０ｗｔ％，Ｍｏ：０．３〜１．０ｗｔ％とするのは、焼戻しによる２次硬化のために必要な合金量として広く知られているところであり、２次硬化の焼戻し硬さを得易くするためである。上記の本発明のマルテンサイト系クロムステンレス鋼は、ＡＩＳＩ４４０Ｃなどのさらに高炭素・高合金のステンレス鋼に比し機械加工が容易で安価に入手できる。
【００１０】
プラズマ浸炭層の炭素濃度は２％前後の高い炭素量が得られるので、焼入れの際には残留オーステナイトにより硬さがあまり高くならない場合がある。ここで最初の焼入硬さをＨＲＣ５５以上とするのは、この化学成分でプラズマ浸炭したものは最初の焼入硬さがＨＲＣ５５以上あれば、４３０〜５７０℃の焼戻しにより残留オーステナイトが相変化してマルテンサイト化し、析出硬化とともに焼戻し後にＨＲＣ５８以上の所用硬さが確実に得られるからである。
【００１２】
上記、プラズマ浸炭焼入れする鋼管の所定面とは、例えばボールねじナットにおいて、鋼球循環路や転動面や鋼管内周の表面などをいう。即ち、本発明によれば耐摩耗を要する部分は焼入硬化させた単純な形状の鋼材を使用して形成させ、複雑な形状で耐摩耗性を要しない部分はアルミニューム合金鋳造により肉付けして形成することで、軽量で安価な軸受部材を提供しようとするものである。
【００１３】
この様に耐摩耗性を要しない部分をアルミニューム合金鋳造により肉付けして形成すれば、一体むくの鋼材から削り出して成型するのに比し容易に複雑な形状が得られて加工工数を大幅に低減できる。また、少量生産の場合にも近似の型を使用してアルミニューム合金によりニヤネットシェイプに成形してアルミニューム合金の部分を機械加工すれば鋼材の加工より容易で加工工数が少なくて済む。なお、アルミニューム合金鋳造としてはダイカスト鋳造やグラビティ鋳造など種々の鋳造方法が利用できる。
【００１４】
しかし、従来の焼入・焼戻しした軸受鋼では、アルミニューム合金鋳造により肉付けする際に鋳造時の温度で軸受鋼が軟化するために所定のＨＲＣ５８以上の硬さが得られなかった。そこで、本発明は前記ステンレス鋼のプラズマ浸炭した浸炭層が４３０〜５７０℃の加熱により２次硬化して硬さが上昇することに着目した。即ち、このような温度で焼戻ししておけば、鋳造時の温度では軟化することなく所定のＨＲＣ５８以上の硬さが得られるので、上記アルミニューム合金の肉付けによる軽量化とコスト低減が容易にできる。なお、アルミニューム合金の鋳造温度は通常５７０℃の焼戻温度よりも高いが、溶湯の凝固時間は短時間であるので４３０〜５７０℃で焼戻しした前記ステンレスが鋳造時に軟化することはない。また、この用途に焼戻し軟化の少ないダイス鋼の使用も可能であるが、高価で管材などの入手が困難である。これに対し、本ステンレス鋼は安価に入手できる利点がある。
【００１６】
例えばボールねじナットのような軸受部品は、内径に螺旋溝の転動面を有する円筒の外周部に鋼球循環路などの複雑な形状を備えている。本発明は、この鋼球転動面の耐摩耗性が要求される内径部を前記マルテンサイト系クロムステンレス鋼の鋼管で製作することにより丸棒鋼から削り出す従来方法に比して内径の孔明け加工が省略でき、その外周をアルミニューム合金鋳造で鋳ぐるんで形成することにより複雑な形状が安価容易に形成できる。また、このような構成にすることにより軽量化されるので、移動体などに使用する場合に慣性を小さくし動きのレスポンスが早くなる利点がある。従来の軸受鋼ではこのような鋳ぐるむことは硬さが低下してできなかった。
【００１７】
上記アルミニューム合金鋳造後の焼入れ面の硬さは、対摩耗性のためには高いほど望ましく、転がり軸受などに使用される場合少なくもＨＲＣ５８以上の硬さに保持されることが望ましいが、本発明の耐摩耗部品はこの要請に十分応えられるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施形態についてを具体的に説明する。図１は耐摩耗部材の一つとして軸受部材の本発明の製造工程と従来工程とを対比した図、図２は本発明の１実施形態の成品形状の概略を示す断面図である。
【００１９】
図２に示す成品のボールねじナットは、ねじ軸１の螺旋溝を転動する鋼球２が外筒３及び４の一端の鋼球循環孔６及び７を通って他端の鋼球循環孔６´から螺旋溝に帰るようになっている。鋼球循環孔７の外側ははカバー材５でカバーされている。
【００２０】
従来は、図２の内筒３及び外筒４は一体の鋼材から切削加工により成形された。即ち、図１の従来の製造工程に示すように、まず素材の棒鋼を所定長さに切断した後孔明けして管状に加工し外周部の形状を機械加工により成型した。その後、所要部をガス浸炭焼入れし内径研削して成品とされた。しかし、外周部は鋼球循環孔などがあり形状が複雑で機械加工が困難であった。かつ、全体を鋼材で製作することにより重量が増し、さらに軽量化の要請があった。
【００２１】
これに対し、本発明の方法は、図１の本発明の製造工程に示すように、図２の内筒３及び外筒４を分離し、鋼球２が転動する耐摩耗性を要する内筒３を鋼管で製作し、耐摩耗性を要しない複雑な形状の外筒４をアルミニュームダイカストにより肉付けして成形したものである。即ち、本実施形態ではアルミニューム合金鋳造の方法としてダイカストにより、図１の製造工程に示すように、素材の鋼管の外径を旋削加工した後、内筒３の内面溝や鋼球循環路６などを加工し、所要部をプラズマ浸炭焼入・焼戻しした後、その外周をアルミニュームダイカストにより鋳ぐるんで成形した。その後内径研削して軸受部品成品とされた。これにより、内筒は加工が簡単で高い耐摩耗性が得られ、外筒部は機械加工部分が大幅に減ると共に、アルミニューム合金は鋼より加工が容易で軽いため大幅に加工工数を減してコストを低減するとともに大幅な軽量化が達成できた。
【００２２】
本実施形態の内筒３の材料の１例として表１に示すマルテンサイト系ステンレス鋼のプラズマ浸炭焼入れした焼入層の熱処理特性を図３に示す。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
図に示すように、上記ステンレス鋼をプラズマ浸炭しないで真空焼入れした場合の焼入層の硬さは、焼入れのままでＨｖ７００〜７５０（ＨＲＣ６０〜６２）であるが、焼戻温度が増すと軟化して２５０℃を超えるとＨｖ６８０（ＨＲＣ５４）まで低下する。５００℃近傍でやや硬さが上昇してようやくＨｖ６００（ＨＲＣ５５）が得られるが、５００℃を超えると急激に硬さは低下して不安定であり所用硬さのＨＲＣ５８以上の硬さを得ることはできない。
【００２５】
これに対し、本発明のプラズマ浸炭焼入れを行った焼入層の硬さは、焼入れのままでＨｖ７６０（ＨＲＣ６２．５）程度になる。焼戻温度が増すとＨｖ６２０（ＨＲＣ５６）に軟化するが、４３０℃を超えると析出硬化してＨｖ７３０〜７４０（ＨＲＣ６１．５程度）の高い硬さが得られる。焼戻温度が５７０℃を超えると再び硬さが低下するので、４３０℃〜５７０℃の焼戻しが望ましい。即ち、プラズマ浸炭焼入後にこの温度で焼戻しすれば、４３０℃以上の高い温度でも長時間使用に耐える耐摩耗部品が得られる。また、ダイカスト用アルミニューム合金のダイカスト鋳造温度は通常５７０℃より高いが、凝固時間が短時間であるので上記温度で焼戻ししたステンレス部材はアルミニュームダイカストの鋳ぐるみの際に軟化することがない。したがって、本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入れしてアルミニュームダイカストにより肉付けすれば、内筒には転がり軸受として使用される所要硬さのＨｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上の硬さが得られることが分かった。
【００２６】
なお、図４には省略したが、プラズマ浸炭焼入時の硬さが残留オーステナイトのために低くてなってもＨｖ６００（ＨＲＣ５５）以上あれば焼戻しにより残留オーステナイトが相変化してＨＲＣ５８以上の２次硬化硬さが得られることが判った。
【００２７】
【実施例】
実際の部品について下記の試験条件で試験した結果を以下に示す。
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【００２８】
上記条件で試験した結果ダイカスト後に下記のように非常に高い硬さの結果が得られた。
試験結果：
表面硬さ：  Ｈｖ７３０（約ＨＲＣ６１．５）
Ｈｖ６５０（ＨＲＣ５８）以上の焼入層深さ：  ０．７ｍｍ
【００２９】
以上説明したように本発明の耐摩耗部品の製造方法によれば、少なくもＣ：０．４〜０．６ｗｔ％，Ｃｒ：９．５〜１３．０ｗｔ％，Ｍｏ：０．３〜１．０ｗｔ％を含むマルテンサイト系クロムステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入れした後４３０℃〜５７０℃で焼戻しすると２次硬化して所要のＨＲＣ５８以上の硬さが得られるので、かかる熱処理をすることにより従来の軸受鋼では使用できなかった高温で使用できる耐摩耗部材が安価に得られる。また、熱処理変形が少なく研削などの取代が減じて加工工数を低減できる。
【００３０】
また、上記組成のマルテンサイト系クロムステンレス鋼を使用してプラズマ浸炭焼入・焼戻を行い、その部材をアルミニュームダイカストなどのアルミニューム合金鋳造で肉付け成形することにより、部材の硬さがＨＲＣ５８以上を満足しながら複雑な形状で容積の大きい部分がアルミニューム合金で成品近似形状に成型されて機械加工工数が減じコストが低減されて軽量化できる。
【００３１】
上記本実施例ではボールねじナットについて試験したが、本発明の製造方法はローラが転動したり平面で摺動する耐摩耗部材にも適用でき、円筒形状の場合はステンレス鋼管を使用することにより一層コスト低減できるが、棒鋼材、平鋼材から削り出すことを排除するものではない。また、軸受部品としたが軸受部品に限るものではなく、広く対摩耗部品に使用される。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸受部品及びその製造方法によれば、所定成分のマルテンサイ系ステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入・焼戻してアルミニューム合金鋳造で肉付けすることにより、所要部に高い硬さが得られて軽量化でき、かつボールねじナットのような複雑な形状の部品でも機械工数が低減できてコストの削減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の軸受部品の製造工程と従来の製造工程を比較した図である。
【図２】  本発明実施形態の軸受部品の形状を示す断面図である。
【図３】  本発明の軸受部品のプラズマ浸炭焼入・焼戻し条件を示す図である。
【図４】  本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼をプラズマ浸炭焼入れした焼入層の熱処理特性を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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