CN117813404A - 机械结构部件及其制造方法 - Google Patents

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CN117813404A
CN117813404A CN202380013100.5A CN202380013100A CN117813404A CN 117813404 A CN117813404 A CN 117813404A CN 202380013100 A CN202380013100 A CN 202380013100A CN 117813404 A CN117813404 A CN 117813404A
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斋藤猛志
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Abstract

本发明提供一种能够抑制变形并且高精度且具有优异的品质的机械结构部件。机械结构部件通过塑性加工而形成有槽(32)及齿(33)，机械结构部件具有：硬化层(31a)，其通过高频淬火而形成于表面，且具有均匀的马氏体单相组织；芯部区域(31b)，其具有索氏体组织；以及边界层(31c)，其形成于芯部区域(31b)与硬化层(31a)之间，且索氏体组织与马氏体组织混合存在。另外，芯部区域中的洛氏硬度为13～28(HRC)，洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内。

Description

机械结构部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及需要高精度的机械结构部件及其制造方法。
背景技术
通常，在对钢材进行加工来制造产品的情况下，为了提高切削性、磨削性、韧性、耐磨损性等，利用热处理(淬火、回火)对钢材实施调质。另外，根据需要实施退火等热处理，提高切削性、加工性。
已知其理由是因为，在将具有较均匀形状的圆棒材料作为材料进行加工的情况下，在一般的热处理条件下即使实施淬火和回火(调质)，也难以使硬度和组织均匀。
最近，对于对精密机械等的更高性能化的要求，在滚珠丝杠轴、丝杠轴、齿轮等钢制品的领域中，也进行了用于提高精度及性能的研究。特别是，通过滚轧来加工螺纹槽的方法的生产率优异，能够降低制造成本，因此对于使用滚轧加工能够得到具有优异尺寸精度的丝杠轴的制造方法的要求越来越高。
例如，在专利文献1中提出了通过滚轧加工形成螺纹槽的滚珠丝杠轴的制造方法。上述专利文献1所记载的制造方法是对圆棒材料进行调质而使硬度为HRC25～HRC35后，使其外周面退火而成为HRC23以下，通过滚轧加工来加工螺纹槽，并通过高频淬火对该槽的表面进行硬化处理的方法。由此，记载了能够在不降低加工性的情况下制造热处理后的弯曲、螺纹槽的导程误差、以及螺距误差小的滚珠丝杠轴。
另外，在专利文献2中，公开了在实施了正火的材料钢的外周面滚轧螺纹槽，进而在表面实施氮化处理或渗硫氮化处理的丝杠轴的制造方法。在上述专利文献2中记载了：能够在不实施高温加热、骤冷、伴随相变的淬火处理的情况下在丝杠轴的表面形成表面硬化层，因此能够提高滚珠丝杠、滑动丝杠的精度品质、耐久性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2003-119518号公报
专利文献2：日本特开2013-92212号公报
发明内容
发明欲解决的技术问题
然而，最近，要求进一步提高尺寸精度，即使使用上述专利文献1或2所述的制造方法，有时也无法得到期望的加工精度。
另外，若实施上述专利文献1所记载的退火工序、上述专利文献2所记载的氮化处理工序或渗硫氮化处理工序等，则制造工序变得复杂，并且工序数和处理时间增加，生产率降低。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
另外，本发明的目的在于提供一种生产率优异并且能够抑制制造时的工具磨损、制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件的机械结构部件的制造方法。
用于解决问题的技术手段
本发明的上述目的通过下述[1]或[2]的构成来实现。
[1]一种机械结构部件，通过塑性加工而形成有槽和齿，其特征在于，所述机械结构部件具有：硬化层，所述硬化层通过高频淬火而形成于表面，并且所述硬化层具有马氏体组织；芯部区域，所述芯部区域具有索氏体组织；以及边界层，所述边界层形成于所述芯部区域与所述硬化层之间，索氏体组织和马氏体组织在所述边界层中混合存在，所述芯部区域中的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内。
[2]一种机械结构部件的制造方法，其特征在于，是制造上述[1]所述的机械结构部件的制造方法，具有：调质工序，对材料钢材进行调质并且得到调质材料，所述调质材料具有索氏体组织并且从表面除去规定厚度的原材料部中的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述原材料部中的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内；塑性加工工序，对所述调质材料中的形成所述槽和齿的面实施塑性加工，得到加工材料；以及高频淬火工序，对所述加工材料实施高频淬火。
发明效果
根据本发明，能够提供高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
另外，根据本发明，能够提供一种机械结构部件的制造方法，其能够抑制制造时的工具磨损，并且制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
附图说明
图1(a)～(c)是示出通过专利文献1所启示的制造方法来制造滚珠丝杠轴时的钢材的变化的示意图。
图2(a)～(c)是示出通过专利文献1所启示的热处理条件来制造滚珠丝杠轴时的钢材的变化的示意图。
图3是示出调质后的S45C材料的硬度与位置的关系的曲线图。
图4是示出将纵轴设为硬度、将横轴设为调质材料的与长度方向正交的截面中的表层面的位置的情况下的、本实施方式中的调质材料的硬度与位置的关系的曲线图。
图5(a)是示出用于说明本实施方式中的硬度的测定位置的试验材料的示意性剖视图，(b)是其侧视图。
图6(a)是示出用于说明硬度的测定位置的滚珠丝杠轴的剖视图，(b)是其侧视图。
图7是示出发明例的淬火及回火条件的示意图。
图8是示出比较例的淬火和回火条件的示意图。
图9是示出对高频淬火后的滚珠丝杠轴No.1的与轴平行的截面的金属组织进行拍摄而得到的显微镜照片的附图代用照片。
图10是示出对高频淬火后的滚珠丝杠轴No.1的与轴正交的截面的金属组织进行拍摄而得到的显微镜照片的附图代用照片。
具体实施方式
本发明人针对能够提高加工精度的机械结构部件及其制造方法，在考察现有的制造方法的同时，进行了各种研究。
根据专利文献1，若保留调质部且对表面实施退火(软化)的热处理，则即使实施滚轧及高频淬火，也能够提高螺纹精度。即，专利文献1中启示了实施(A-1)淬火和(A-2)回火(调质)、(B)退火、(C)高频淬火。
在此，以下对使用上述专利文献1所启示的制造方法、基于JIS G4051：2016(机械结构用碳钢钢材)中记载的S55C钢材的组成来制造滚珠丝杠轴时的组织的情况进行说明。需要说明的是，S55C钢材的主要组成为C：0.52～0.58(质量％)，在认为Si、Mn、P及S也与JISG4051中记载的含量同等的情况下，该钢材的热处理条件例如如下。
(A-1)淬火：800～850℃水冷却硬度(洛氏硬度C标尺硬度)HRC 60～
(A-2)回火：550～650℃骤冷硬度HRC 30左右
(B)退火：790℃炉冷硬度HRC 0～8.5
另外，通过(B)退火而得到的硬度即HRC0～8.5是由布氏硬度149～192HB的换算值。
在此，参照附图对基于(A-1)、(A-2)和(B)的工序的钢材的变化更具体地进行说明。
图1(a)～(c)是示出通过专利文献1所启示的制造方法制造滚珠丝杠轴时的钢材的变化的示意图。另外，图2(a)～(c)是示出通过专利文献1所启示的热处理条件来制造滚珠丝杠轴时的钢材的变化的示意图。
(A-1)淬火中，将圆棒材料加热至A3相变点+30～50℃，制成γ铁(γ铁：奥氏体面心立方晶)后，进行急冷却(淬火)，由此形成非常硬且脆的组织即马氏体(体心立方晶(正方晶))。
(A-2)回火中，将成为马氏体的非常硬且脆的组织加热至回火温度后，进行冷却，由此硬度稍微降低而得到韧性。
通过上述(A-1)及(A-2)，如图1(a)所示，将圆棒材料1调质，形成将原材料整体的硬度设定在HRC25～35的范围的调质部11。
在(B)退火(韧炼)中，将调质后的钢材在奥氏体组织(790℃)的状态下充分保持后，在炉中缓慢冷却。由此，如图1(b)所示，在表面形成硬度为HRC23以下的软化层12。
然后，在进行剥脱加工、无心磨削、滚轧加工后，对表面进行高频淬火，由此如图1(c)所示，在HRC55～62的范围内形成硬化处理后的硬化层13。
需要说明的是，一般而言，退火的目的在于，消除因加工而引起的内部残留应力，使组织软化，提高延展性。即，通过退火来减少金属组织的晶格缺陷，进行再结晶，因此残余应力也减少，进行软化。
因此，若使用以往的退火热处理温度及上述以往的制造方法来制造丝杠轴，则实际上，也可以考虑不残留调质部11。
具体而言，如图2(a)所示，通过淬火及回火，对圆棒材料2进行调质，形成调质部11，但如图2(b)所示，通过退火使直至圆棒材料1的径向的中心为止的部分成为软化层12。该退火在高温下保持，因此硬度降低至例如0～9(HRC)。然后，在进行了剥脱加工、无心磨削、滚轧加工之后，对表面进行高频淬火，由此，如图2(c)所示，在最表面形成通过高频淬火而硬化后的硬化层13，并且在软化层12与表面的硬化层13之间进一步形成基于高频淬火的硬化层14。
本发明人认为，在以一般的热处理条件实施上述以往的制造方法的情况下，在丝杠轴的中心的部分存在软化层12，这在滚轧加工和高频淬火的工序中，会导致丝杠轴的应变，导致尺寸精度的降低。
因此，本发明人对能够抑制变形、且高精度且具有优异的品质的滚珠丝杠轴的制造方法进一步进行了深入研究。
首先，本发明人对在使用从钢材制造商获得的研磨棒(拉拔棒：Coil to Bar)制造滚珠丝杠轴时尺寸精度降低的原因进行了研究。
在获得研磨棒时，一般而言，对螺纹原材料的一部分进行范围指定，向钢材制造商指示研磨棒的硬度。但是，研磨棒的表面层侧进行硬化，随着接近芯部，硬度会降低。因此，研磨棒的表面成为指定的硬度，但芯部的硬度不明，对于在得到的状态下的研磨棒中，无法得到所要求的精度。
图3是示出对卷材实施卷材拉拔后并进行调质后的S45C材料(日本制铁株式会社制)的硬度与位置的关系的曲线图。测定出的S45C材料的直径为16mm。在图3所示的曲线图中，将S45C材料的与长度方向正交的截面中的直径的一端部设为0mm，将另一端部设为16mm。另外，在本说明书中，螺钉、螺纹原材料、调质材料等的长度方向是指丝杠轴延伸的方向。
对在上述卷材拉拔后进行了调质的S45C材料测定硬度，其结果是，在从表面除去规定的厚度(例如3mm)区域后的原材料部中，在图3所示的由3mm及13mm的位置表示的表面部和由6mm～10mm的范围表示的芯部中，芯部呈现12(HRC)左右的低值，并成为描绘U曲线的曲线图。
这样，如果指定硬度，则得到的S45C调质材料的硬度一般被识别为其指定范围内，但实际上，表面部与芯部的硬度的差异较大。
即使在使用其他钢种、例如美国汽车工程师协会(SAE：Society of AutomotiveEngineers)所规定的SAE4150材料(相当于JIS G 4053：2016(机械结构用合金钢钢材)的SCM 445)的情况下，也同样地存在这样的由场所引起的硬度偏差的产生。
在使用SAE 4150材料实施通过850℃下120分钟的加热及冷却进行的淬火、和通过650℃下300分钟的加热及冷却进行的回火的情况下，在与长度方向正交的截面中，若在中心与从中心离开了0.5r(半径r的1/2)的位置之间比较硬度，则最大产生4(HRC)左右的偏差。
另外，在上述SAE4150材料为长条的情况下，在长度方向(轴向)上也产生偏差。例如，在与长度方向正交的截面中的偏差为4(HRC)的情况下，1根SAE4150材料内的硬度偏差有时也达到12(HRC)。
另外，在从钢材制造商获得的研磨棒(Coil to Bar)中，在钢材制造商中存在使卷材恢复为直线状棒材的工序，因此由于该工序，产生硬度的偏差。即，在将卷材状的材料用辊逐渐加工成线状的工序中，由于将具有扭曲、弯折的材料设置成直线状，因此伸长或压缩的部位混合存在，这成为硬度的偏差的原因。
本申请发明人使用如上述那样具有硬度的偏差的材料，并实际上实施螺纹滚轧，并测定齿形、齿线以及螺距的精度，发现在齿轮试验机中发生错误而难以测定。
具体而言，在使用使用了SAE4150材料的上述调质方法制造了在长度方向上具有20个槽的滚珠丝杠轴的情况下，除了两端部的各1个槽以外，针对18个槽累计相邻螺距之差，所得到的累螺距误差为16μm(0.016mm)，误差变大。
另外，累积螺距误差为16μm(0.016mm)的上述数据是在间歇炉内收纳了550根材料钢材的情况下的数据。假设间歇炉内的材料钢材的数量为1400根，则偏差进一步增加，硬度的偏差为7(HRC)以上，累积螺距误差超过30μm，精度显著降低。
这样，若螺距的偏差变大，则在滚珠滚动的槽的轨道面(滚道面)产生剥脱、或者旋转方向变化的情况下，容易产生动作不均。另外，除去下一工序的高频修正量之外，滚轧后的导程累积螺距误差是一致的。
另外，滚珠丝杠的导程精度由JIS B 1192-3：2018规定，例如，在螺纹精度等级为Ct10的情况下，变动的允许值(ν300)为210μm，因此在将有效螺纹长度设为72mm时，允许位移达到50.4μm。但是，例如，作为螺纹精度的等级，若将Ct7与Ct8之间设为目标值，则变动的允许值(v300)为约75μm，因此在将有效螺纹长度设为72mm时，允许位移为18μm。即，在将等级设为Ct10的情况下，将间歇炉内的材料钢材的数量设为1400根时的累积螺距误差全部达到标准内，但若想要制造更高精度的滚珠丝杠轴，则成为标准外。因此，对于能够进一步降低累积螺距误差的滚珠丝杠轴的制造方法，要求变高。
并且，在通过贯穿进给滚轧来加工滚珠丝杠轴的槽的情况下，成品率降低至60％左右，生产率降低。因此，对于能够以低成本稳定地制造机械结构部件的、利用了横向进给滚轧的制造方法的要求也变高。
因此，本发明人认为，在塑性加工、特别是滚轧加工前的钢材中，如果能够显著降低金属组织和硬度的偏差，则能够提高加工精度，对钢材的调质条件进行了研究。
例如，即使在一般的淬火温度下加热钢材，由于从表面开始冷却，因此芯部的硬度显著降低，表面的硬度变高。另外，在未被加热至钢材的芯部而被冷却的情况下，芯部和表面的硬度之差变得更显著。
另一方面，为了降低表面的硬度，将回火温度例如提高至570℃时，导致芯部的硬度进一步降低，难以使硬度及组织均匀化。
如上所述的研究的结果是，本发明人发现，通过选择淬火后的钢材中的硬度偏差少以及形成均匀的马氏体组织的条件，并且确定回火后的硬度的目标值，确定回火温度，由此能够得到高精度的机械结构部件。
本发明是基于这些见解而完成的。
以下，对本发明的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不限于以下说明的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够任意地变更来实施。
[机械结构部件的制造方法]
本实施方式是用于制造后述的机械结构部件的制造方法，具有：调质工序，对材料钢材进行调质，得到具有规定特性的调质材料；表面除去工序，从调质材料的表面除去规定厚度而得到原材料；塑性加工工序，对原材料中的形成槽和齿的面实施塑性加工，得到加工材料；以及高频淬火工序，对该加工材料实施高频淬火。需要说明的是，在调质工序与塑性加工工序之间，退火和韧炼均不实施。
以下，作为第一实施方式，具体地说明机械结构部件的制造方法，作为第二实施方式，更具体地说明制造机械结构部件中的、特别是滚珠丝杠轴的情况下的制造方法。
<第一实施方式>
(调质工序)
调质工序是对材料钢材进行调质并得到调质材料的工序，该调质材料具有索氏体组织，并且从表面除去规定厚度的原材料部中的洛氏硬度为13～28(HRC)，原材料部中的洛氏硬度偏差为6(HRC)以内。
调质工序一般表示淬火工序和回火工序，是能够调整材料钢材的硬度的工序。
需要说明的是，在本申请说明书中，“洛氏硬度”是对根据JIS Z2244：2009中记载的维氏硬度试验测定出的值进行换算而成的值。
在本实施方式中，在淬火工序中，将材料钢材加热至规定的温度，并进行保持，然后进行冷却。该淬火工序中的加热温度和保持时间优选选择淬火工序后的材料钢材的组织成为均匀的马氏体单相组织、晶粒不粗大化的条件。
所谓均匀的马氏体单相组织是指，组织的粒径从表面到中心是一致的、并且不是铁素体和马氏体等的混合组织而是奥氏体组织完全发生马氏体相变的状态。但是，在利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射法等对组织进行定量测定的情况下，马氏体组织本身的面积未必为100％，作为杂质的铁素体等也可以不可避免地残留。
通过确认该情况，在淬火时，炉内均热化，温度上升至材料钢材的中心部，能够判定材料钢材完全成为奥氏体组织。
用于使淬火后的材料钢材的组织及硬度的偏差为上述范围的、淬火时的温度及时间等条件根据所使用的材料钢材的组成、炉的种类而不同。例如，关于淬火温度，基于钢的状态图，根据所含有的碳量，将炉设定为A3相变温度以上的温度，并充分加热至工件的中心的部分，由此能够使材料钢材成为完全的奥氏体单相组织。
使材料钢材完全成为奥氏体组织后，进行骤冷时，能够使马氏体相变充分进行。冷却的方法没有特别限定，可以使用利用水进行的冷却(水冷却)、利用油进行的冷却(油冷却)等。
油冷却能够抑制形成马氏体粗大化组织，防止淬火后的试验材料的脆弱化及烧结裂纹的发生。
另一方面，若利用水进行冷却，则水蒸气的气泡大量附着于淬火后的材料钢材的表面，因该气泡产生的隔热作用导致有时无法骤冷而硬度产生偏差。因此，优选采用油冷却。
需要说明的是，在冷却后马氏体相变未充分进行的情况下，也可以采用在骤冷之后，通过深冷处理等进一步进行低温保持，以推进马氏体相变的手段。但是，冷却设备、工序变得复杂，制造成本增大，因此优选通过通常的冷却方法进行马氏体相变。
特别是，在本实施方式中，减少淬火后的材料钢材的原材料部中的洛氏硬度偏差也是重要的要素，因此优选选择不易产生硬度偏差的油冷却。
另外，作为淬火工序中的其他条件，一旦进行淬火处理的数量增加，则通常难以使淬火温度和冷却条件均匀化，因此淬火处理的数量也优选进行调整。
作为确定淬火工序的条件(加热温度和加热时间)的具体方法，可以举出使用与所使用的材料钢材具有大致相同的形状和组成的试验材料，实施以各种条件对该试验材料进行淬火的淬火试验工序的方法。即，作为淬火试验工序，在调质工序之前，对于以各种条件实施了淬火的试验材料观察组织，确认试验材料的组织是否为均匀的马氏体单相组织，选择成为均匀的马氏体单相组织的淬火加热条件。在本实施方式中，如后述那样，以回火工序后的原材料部中的洛氏硬度及偏差成为所期望的范围的方式选择回火工序的条件。但是，为了在回火工序后使硬度和偏差为上述期望的范围，优选在淬火工序后，也测定原材料部中的洛氏硬度的偏差，选择偏差在6(HRC)以内的淬火加热条件。
在上述淬火工序之后，如上所述，实施回火工序，使得到的调质材料成为均匀的微小组织即索氏体组织(包含相当于索氏体的微小的均匀组织)。已成为索氏体组织的调质材料具有塑性加工所需的延展性、机械强度，因此通过该回火工序，能够提高加工精度。
另外，通过该回火工序，将原材料部的洛氏硬度设置为13～28(HRC)，并且将原材料部中的洛氏硬度的偏差设置为6(HRC)以内。
若通过回火工序得到的调质材料的原材料部的洛氏硬度小于13(HRC)，则难以进行塑性加工。另一方面，若原材料部的洛氏硬度超过28(HRC)，则表面除去后的原材料的表面变硬，能够进行加工，但作为工具的模具的寿命显著降低。而且，洛氏硬度的偏差超过6(HRC)时，螺纹加工精度降低。
因此，以回火工序后的调质材料中的原材料部的洛氏硬度成为13～28(HRC)并且其偏差成为6(HRC)以内的方式实施回火工序。
为了通过回火以如上述那样地控制原材料部的洛氏硬度及其偏差，优选基于所使用的材料钢材所固有的回火温度与硬度的曲线图来调整回火工序中的加热温度。关于材料钢材固有的回火温度与硬度的曲线图，可以获得公知的曲线图，也可以对所使用的材料钢材以各种温度进行回火，测定之后的硬度，由此制作曲线图。
需要说明的是，与确定淬火工序的条件的方法同样地，在回火工序中，作为确定其加热条件的具体方法，也可以举出使用淬火后的试验材料以各种条件对该试验材料实施回火的方法。
即，作为回火试验工序，针对以各种条件实施回火的试验材料，观察组织，并且测定硬度的偏差。并且，选择成为索氏体组织并且试验材料的原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)、原材料部中的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内的回火加热条件。由此，实际的回火工序可以使用在上述回火试验工序中选出的回火加热条件来实施。
另外，试验材料的原材料部的洛氏硬度优选为20～26(HRC)。另外，洛氏硬度的偏差优选为2(HRC)以内，更优选为1(HRC)以内。
回火试验工序后的硬度的偏差优选针对芯部区域中的不同的任意多个测定点进行测定，在这些多个测定点处的洛氏硬度的最大值与最小值之差为6(HRC)以内的情况下，可以视为硬度的偏差为6(HRC)以内。
需要说明的是，根据材料钢材的种类，淬火后的硬度有时会对回火后的硬度造成影响，因此，不仅基于回火温度与硬度的曲线图来确定回火温度，还考虑淬火后的试验材料的硬度试验的测定结果来确定最终的回火加热条件。
淬火后的硬度根据材料钢材中含有的碳量而变化，详情后述。因此，若淬火后的硬度为临界硬度以上，则能够判断实施了最低限度的淬火。
例如，在淬火试验后的试验材料中的芯部的硬度的测定结果虽然为临界硬度以上，但较低的情况下，回火试验后的试验材料的硬度有可能比期望的范围低。因此，与由曲线图导出的温度相比，优选将回火温度设定为低温侧，并以回火后的调质材料的硬度变硬的方式设定回火加热条件。
另一方面，在淬火试验后的试验材料的硬度的测定结果是原材料部整体变硬的情况下，回火试验后的试验材料的硬度有可能比期望的范围高。因此，与由曲线图导出的温度相比，优选将回火温度设定为高温侧，并以回火后的调质材料的硬度降低的方式设定回火加热条件。
但是，在芯部的硬度的测定结果低于临界硬度的情况下，估计淬火未实施到材料钢材的芯部(到达芯部为止未达到加热温度)，或者炉内的温度产生偏差。因此，优选重新研究使淬火时的加热温度上升、或延长均热条件等加热条件。
另外，可以省略淬火试验后的试验材料的硬度测定和组织观察。在该情况下，优选在淬火工序之前实施调质试验工序，在该调质试验工序中，使用与材料钢材具有大致相同的形状及组成的调质试验材料实施淬火后，以基于材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系而选出的加热温度，对淬火后的调质试验材料实施回火。
该调质试验工序是如下的工序：以回火后的调质试验材的组织成为索氏体组织并且原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)、洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内的方式，选择淬火加热条件和回火加热条件。
因此，实际的淬火工序优选使用在调质试验工序中选出的淬火加热条件来实施，回火工序优选使用在调质试验工序中选出的回火加热条件来实施。
在调质试验工序中，对淬火后的调质试验材料实施回火，其结果是，在未形成索氏体组织的情况下，存在淬火后未完全进行马氏体相变的可能性，因此例如重新研究淬火工序的加热条件和冷却条件。
另外，在硬度或其偏差未达到所希望的范围内的情况下，淬火及回火的温度不适当、或有淬火可能未完全实施至芯部，因此重新研究淬火及回火工序的加热条件等。
(表面除去工序)
在上述调质工序之后，从某一位置开始，调质材料的硬度随着接近表面而急剧上升。因此，通常，在通过塑性加工形成机械结构部件的槽和齿的情况下，在从调质材料的表面除去(切削和磨削)规定的厚度而得到原材料之后，实施塑性加工。通过该塑性加工，从调质材料的侧方观察调质材料时，调质材料的表面形状形成有多个槽以及各槽之间的齿。在此，以下对选择S45C材料作为材料钢材的情况下所除去的厚度进行说明。
图4是示出将纵轴设为硬度、将横轴设为调质材料的与长度方向正交的截面中的表层面的位置的情况下的、本实施方式中的调质材料的硬度与位置的关系的曲线图。在图4中，测定硬度，直到表面附近。需要说明的是，图4所示的调质材料是在将淬火工序中的加热温度设为890℃、将对炉内进行均匀加热的均热时间设为30分钟、还将回火工序中的加热温度设为500℃、将保持时间设为120分钟后进行冷却而得到的，由此得到索氏体组织。
如图4所示，调质材料的硬度是，从距表面约1mm的深度的位置开始，硬度随着接近表面而急剧上升。
因此，在本实施方式中，在调质工序之后，除去从表面到规定厚度的区域、即至少包含调质材料中的硬度急剧上升的部分的区域。在本实施方式中，例如，从表面除去3.0mm厚度的区域而得到原材料。其结果是，能够使原材料部整体的硬度为13～28(HRC)，并且能够使硬度的偏差为6(HRC)以内。
需要说明的是，在图4中，硬度急剧上升的区域距调质材料的表面约为1.0mm，因此所除去的区域只要至少包含硬度急剧上升的区域(距表面约1.0mm的区域)即可，进一步优选除去从表面至2.0～3.0mm左右的深度。
如图4所示，若从调质材料的表面除去至3.0mm的深度，则塑性加工前的原材料部的硬度在中心附近稍低，在表面附近稍微变高，但在原材料部的径向上成为大致均匀的硬度。
此外，在本实施方式中，实施了表面除去工序，但该表面除去工序不一定是必要的工序。例如，在上述调质工序之后，只要所得到的调质材料的组织为索氏体组织、并且调质材料整体的洛氏硬度为13～28(HRC)、洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内，则能够省略表面除去工序。在该情况下，能够进一步提高成品率。
(塑性加工工序)
在本实施方式中，通过上述表面除去工序，除去从表面到约3.0mm深度的区域，得到直径约10mm的调质材料(原材料)。然后，对原材料中的形成槽和齿的面实施用于形成期望形状的槽和齿的塑性加工，得到加工材料。塑性加工后的螺纹齿顶(轴的外径侧)的硬度约为33(HRC)，螺纹齿根(谷底附近)的硬度约为27(HRC)。即，塑性加工后的从丝杠轴的齿根到0～0.5mm位置的区域通过塑性加工进行硬化，但在除了该区域以外的部分，维持与塑性加工前的原材料部的硬度相同的硬度。
如上所述，调质后的调质材料的组织及硬度为所期望的范围，在不实施表面除去工序的情况下，在上述塑性加工工序中，对调质后的调质材料中的形成槽和齿的面实施塑性加工。即使在这样的情况下，塑性加工后的螺纹齿顶的硬度以及螺纹齿根的硬度也与上述相同，在通过塑性加工而硬化后的区域以外的部分，维持与塑性加工前的调质材料的硬度相同的硬度。
需要说明的是，在本实施方式中，通过上述调质工序将硬度调整为大致均匀，并且表面成为适于塑性加工的硬度，因此在调质工序与塑性加工工序之间，退火和韧炼均不需要实施。
(高频淬火工序)
接着，对得到的加工材料实施高频淬火。在本实施方式中，例如以滚珠丝杠轴为对象，滚珠丝杠轴的槽是使滚珠在其与螺母之间滚动，从而将旋转运动转换为直线运动、或者将直线运动转换为旋转运动的槽。因此，滚珠所滚动的槽(滚道面)在其与滚珠的接触部分施加较大的压力，因此为了对槽的表面赋予硬度、并防止因滚珠的接触而导致的剥脱，需要使槽的表面进行马氏体相变。
需要说明的是，在本实施方式中，对高频淬火的条件没有特别限定，设定为使表面成为均匀的马氏体单相组织的条件。
通过以上的工序，能够得到本实施方式所涉及的机械结构部件。
根据本实施方式所涉及的机械结构部件的制造方法，在通过塑性加工形成槽之前的原材料的硬度为适于塑性加工的组织及硬度，并且从表面至到达深部的硬度的偏差少至6(HRC)以内。因此，能够抑制工具磨损，并且能够抑制由塑性加工引起的变形，能够得到高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
另外，根据本实施方式所涉及的制造方法，能够使表面除去工序之前的调质材料中的直径的50％以上为偏差少的大致均匀的硬度，因此在实施表面除去工序的情况下，能够使所除去的深度变浅，能够提高成品率。
进而，在本实施方式中，以使硬度的范围及偏差在规定范围内的方式对材料钢材进行调质，因此通过实施之后的塑性加工及高频淬火而得到的滚珠丝杠轴具有优异的螺纹精度。另外，在不实施退火和韧炼的情况下，能够提高生产率，能够降低制造成本。需要说明的是，在实施形成槽和齿的塑性加工工序时，若原材料的硬度及硬度偏差为上述范围，并且成为索氏体组织(包含相当于索氏体的微细的均匀组织)，则可以在调质工序与塑性加工工序之间实施退火等工序，均能够得到具有优异的螺纹精度的滚珠丝杠。
另外，在制造上述机械结构部件时，也可以将从材料钢材实施塑性加工前的热处理工序、即调质、正火、退火、韧炼等热处理工序作为一系列工序来实施。这样，若以一系列工序来实施热处理，则生产效率提高，能够降低制造成本。其结果是，作为包括下一工序在内的制造工序整体，能够削减CO2排出量，因此也能够降低整体的制造成本。
需要说明的是，如上所述，本实施方式对用于通过塑性加工形成槽的材料钢材进行调质，但特别适合于通过横向进给滚轧加工形成槽的情况。
横向进给滚轧要求工件与螺纹平行，工件不在轴向上延伸，而是仅在形成螺纹的径向上变形。根据本实施方式所涉及的制造方法，原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)，调质成较硬的状态，因此能够防止在横向进给滚轧时工件沿轴向延伸，能够容易地得到具有优异的加工精度的机械结构部件。因此，若使用通过本实施方式所涉及的方法得到的调质材料进行横向进给滚轧，则能够提高成品率，能够降低制造成本。
<第二实施方式>
作为第二实施方式，对滚珠丝杠轴的制造方法进行具体说明。此外，在以下所示的第二实施方式中，对于与第一实施方式相同的部分，以相同的名称表示，并且省略各工序中的详细说明。
(调质工序)
作为材料钢材，准备SAE4150圆棒材料，例如实施使用了连续炉的调质工序。
首先，实施淬火工序，关于淬火工序中的加热温度，基于SAE4150材料的碳量(0.48～0.53质量％)及状态图，优选设为A3相变点即约780℃以上，更优选设为830℃以上，优选设定在低于870℃的温度。
需要说明的是，在上述本实施方式中，使用连续炉实施调质，但炉的种类没有特别限定。在通过连续炉进行调质的情况下，在大气中实施，因此为了防止由于形成脱碳层而引起的裂纹的产生，优选减少释放部，在短时间内进行加热。另外，若使用连续炉，则能够直接利用火焰连续加热，因此能够得到优异的导热率，抑制烧结不均，并且与使用间歇炉的情况相比，能够仅对必要数量的材料钢材进行调质。因此，通过使用连续炉，能够抑制库存数量的增加，并且能够减少能量使用量和CO2排出量。
在使用连续炉的情况下，加热保持时间例如优选设为15～30分钟。另外，在材料钢材为长条的情况下，为了抑制材料钢材发生弯曲，通过配置为在水平上呈川字，能够缩短均热时间。
另一方面，间歇炉根据配置碳加热器的位置、数量，有时难以使炉内温度均匀化，另外，若一次调质多个材料钢材，则偏差与材料钢材数量成比例地增加。炉内的容积越大，这样的偏差倾向于越增加。另外，在材料钢材为长条且需要以竖立状态在间歇炉内调质的情况下，热处理容易变得更不均匀，偏差增加，因此有时难以高精度化。
但是，间歇炉能够调整为真空气氛或惰性气体气氛，由此，还具有能够实施稳定的调质的优点。因此，根据材料钢材的尺寸和调质条件等，也可以使用间歇炉。
但是，在使用间歇炉的情况下，为了使加热状态均匀，优选考虑加热器的放置方式、工件的放置方式、炉的容量来设定均热时间和保持时间，只要设定为以所需的规定的温度加热至芯部即可。
在本实施方式中，将淬火工序中的加热条件设为例如840℃下20分钟。之后，通过进行油冷却，能够将淬火工序后的材料钢材的组织及硬度调整为规定的范围。
在此，作为确定淬火工序的条件的具体方法，与第一实施方式同样地，可以举出使用与所使用的材料钢材(SAE 4150材料)具有大致相同的形状和组成的试验材料来进行淬火试验工序的方法，该淬火试验工序是以各种条件对该试验材料实施淬火。具体而言，对实施了各种条件下的淬火后的试验材料观察组织，确认是否为均匀的马氏体单相组织，由此能够确定实际的淬火工序中的加热条件。
图5(a)是表示用于说明本实施方式中的硬度的测定位置的试验材料的示意性剖视图，(b)是其侧视图。硬度的测定只要对不同且任意的多个测定点实施即可，但优选在从表面除去规定的厚度的材料部中，在容易出现硬度差的多个测定点进行测定。
具体而言，将试验材料21的长度方向的长度设为L，将从试验材料21的一端部21a朝向另一端部21b而在0.1L的位置处的与长度方向正交的截面设为面S1，将从试验材料21的一端部21a朝向另一端部21b而在0.5L的位置处的与长度方向正交的截面设为面S2，将从试验材料21的一端部21a朝向另一端部21b而在0.9L的位置处的与长度方向正交的截面设为面S3，将这些面S1～S3设为轴向测定面。
另外，如图5(a)所示，例如关于面S1，在将中心设为测定点P0，将从测定点P0到外周上的1个点的距离设为半径r时，在与测定点P0间隔0.5r的圆周部，大致等间隔地选择4个部位测定点P1、P2、P3及P4，将这些测定点P0～P4设为径向测定位置。同样地，对面S2、面S3也设定由测定点P0～P4表示的径向测定位置。
在本实施方式中，硬度的偏差能够通过对试验材料21的芯部区域中的与长度方向正交的同一面内以及芯部区域整体的测定位置处的洛氏硬度进行比较的情况下的最大值与最小值之差来进行判断。
即，同一面内的洛氏硬度的比较是针对各面C分别对5个部位径向测定位置(测定点P0～P4)处的硬度进行比较的结果。另外，芯部区域整体的测定位置处的洛氏硬度的比较是对全部三个轴向测定面(S1～S3)中的5个部位的径向测定位置(测定点P0～P4)处的洛氏硬度进行比较的结果。
在本实施方式中，优选选择全部满足以下所示的条件(a)～(c)的情况下的加热条件作为实际的淬火工序中的加热条件。
(a)在各面中，同一面内(测定点P0～P4)、即5个部位的洛氏硬度的最大值与最小值之差均为2(HRC)以下。
(b)3个轴向测定面(面S1～S3)中的5个部位的径向测定位置(测定点P0～P4)、即15个部位的洛氏硬度的最大值与最小值之差为6(HRC)以下。
(c)3个轴向测定面(面S1～S3)中的5个部位的径向测定位置(测定点P0～P4)、即15个部位的洛氏硬度的最大值和最小值均包含在16～26(HRC)的范围内。需要说明的是，洛氏硬度的最大值和最小值不仅包含1根中的15个部位，还包含炉内的偏差和批次内的偏差，对于全部的试验材料，优选洛氏硬度在淬火后包含在16～26(HRC)的范围内。
淬火工序后，实施回火工序。回火工序的加热温度基于SAE 4150材料的回火温度与硬度的曲线图来确定。
在本实施方式中，为了以回火工序后的调质材料的原材料部的硬度在13～28(HRC)的范围内的方式确定回火工序中的加热温度，在SAE 4150材料的情况下，例如优选设为约650℃以上的温度。另外，回火温度的上限值优选设定为比SAE 4150材料的A1相变点即720℃低的温度。
但是，实际的回火温度与硬度的关系根据炉的种类、实施调质的季节及批次尺寸、工件的长度及形状等而各不相同。因此，优选参考在与实际进行回火的条件相同的条件下制作的曲线图，也考虑淬火后的材料钢材的硬度来确定实际的回火温度。具体而言，使用确定了淬火加热条件的试验材料，将从曲线图得到的回火温度作为基准，调整为比该温度高或低，实施回火，测定所得到的调质材料的原材料部的硬度，由此能够调整最佳的回火温度，只要以在所需的规定的温度下加热至芯部的方式进行调整即可。
在本实施方式中，将回火条件例如在700℃的温度下保持60分钟后进行冷却。由此，得到索氏体组织。
需要说明的是，若在大气中实施淬火工序及回火工序中的加热，则由于材料钢材中含有的碳(C)与大气中的氧(O2)、水蒸气发生反应，有时会产生脱碳层，成为裂纹的原因。
原材料表面脱碳、铁素体脱碳由几个因素产生。由于过热，碳与大气中的氧、水蒸气的反应从材料钢材的表面层朝向中心部进行，形成碳脱落而成的脱碳层。另外，脱碳层也由于上述回火工序的热处理中的炉内气氛而形成。在材料钢材的表面形成锈或黑皮(氧化铁)的情况、形成有伤痕等的情况下，氧化铁内的氧与碳进一步反应，成为CO2，由此脱碳，导致裂纹等瑕疵。这样的脱碳如果接近淬火温度，则会更早地开始。因此，为了防止碳与氧的结合，淬火工序和回火工序中的加热时的气氛优选为惰性气氛，考虑到成本等，优选为N2气氛。
(表面除去工序)
在上述调质工序之后，从调质材料的表面除去例如3.0mm厚度的区域，得到调质材料(原材料)。其结果是，通过表面除去工序得到的原材料的硬度例如如图4中的3.0～13.0mm的范围所示，能够落入约18.0～23.5(HRC)的范围，使硬度的偏差为约5.5(HRC)。
需要说明的是，对调质材料的表面进行除去的厚度需要根据材料有无氧化皮、直径来适当选择，优选以表面除去后的硬度范围和偏差落入上述范围的方式设定除去的厚度。
另外，与上述第一实施方式同样地，如果通过上述调质工序得到的调质材料的组织和硬度在期望的范围，则能够省略表面除去工序，由此，能够进一步提高成品率。
(塑性加工工序)
接着，对通过表面除去工序得到的原材料，不实施退火和韧炼，而是在原材料的周面，例如通过横向进给滚轧形成槽和齿，得到加工材料。
即使在本实施方式中，也与上述第一实施方式同样地，在不实施表面除去工序的情况下，在上述塑性加工工序中，对调质后的调质材料的周面实施塑性加工即可。
(高频淬火工序)
接着，对得到的加工材料实施高频淬火。高频淬火的条件没有特别限定，例如，对于长度方向的长度短的工件，可以使用卷材固定淬火，对长度方向的长度长的工件可以使用卷材移动淬火等条件。
在第二实施方式所涉及的机械结构部件的制造方法中，也以使硬度的范围及偏差在规定的范围内的方式对材料钢材进行调质，因此通过实施之后的塑性加工及高频淬火而得到的滚珠丝杠轴具有优异的螺纹精度。另外，在不实施退火和韧炼的情况下，能够提高生产率，能够降低制造成本。
对于通过本实施方式所涉及的制造方法得到的滚珠丝杠轴，虽然没有用途限定，但例如能够作为制动致动器用的丝杠轴使用。
此外，本发明所涉及的制造方法并不限定于滚珠丝杠轴的制造方法，能够应用于要求高精度且优异品质的各种形状的机械构造部件，该部件在通过塑性加工形成槽以及齿之后需要通过高频淬火使槽以及齿的表面硬化。
作为机械结构部件，除了以滚珠丝杠轴为代表的丝杠轴之外，还可以举出齿条、齿轮等，更具体而言，作为滚珠丝杠、梯形丝杠轴、渐开线齿轮、次摆线齿轮、圆弧齿轮、锯齿等的制造方法，能够应用本发明。
接着，对本发明的实施方式所涉及的机械结构部件进行详细说明。
[机械结构部件]
本实施方式所涉及的机械结构部件通过塑性加工形成槽，在从侧方观察的情况下在长度方向上相邻的多个槽之间形成有齿。另外，在齿的表面、即齿根、侧面以及刀尖的表面具有通过高频淬火而形成的、有均匀马氏体单相组织的硬化层。进而，机械结构部件具有：芯部区域，其具有索氏体组织；以及边界层，其形成于芯部区域与硬化层之间，且索氏体组织与马氏体组织混合存在。进而，该机械结构部件具有索氏体组织，除了硬化层以外的区域中的洛氏硬度为13～28(HRC)，其洛氏硬度的偏差在6(HRC)以内。
在本实施方式中，洛氏硬度的偏差优选表示对芯部区域中的不同的任意多个测定点测定洛氏硬度时的最大值与最小值之差。即，最大值与最小值之差优选为6(HRC)以内。
另外，芯部区域中的洛氏硬度可以由上述不同的任意多个测定点处的洛氏硬度表示。即，优选上述最大值和最小值均包含在13～28(HRC)的范围内。
另外，芯部区域中的洛氏硬度优选为15(HRC)以上，更优选为17(HRC)以上，进一步优选为19(HRC)以上。另外，优选超过20(HRC)，更优选超过21.5(HRC)，进一步优选为21.9(HRC)以上，特别优选为22.3(HRC)以上。另外，芯部区域中的洛氏硬度优选为26(HRC)以下，更优选为25(HRC)以下，进一步优选小于24(HRC)。进而，优选为23.7(HRC)以下，更优选为23.5(HRC)以下。
另外，在对上述不同的任意多个测定点处的洛氏硬度进行比较的情况下，最大值与最小值之差优选小于4(HRC)，更优选小于2.5(HRC)，进一步优选为2.2(HRC)以内。进而，优选为2.0(HRC)以内，更优选为1.6(HRC)以内，进一步优选为1.2(HRC)以内。
本实施方式所涉及的机械结构部件通过上述机械结构部件的制造方法得到，因此能够得到高精度且优异的品质。另外，本实施方式的机械结构部件中，通过塑性加工形成槽和齿之前的原材料的组织为索氏体组织，并且硬度及偏差被调整为规定的范围。因此，即使在高频淬火后，芯部区域也具有索氏体组织，洛氏硬度及其偏差在上述规定的范围内，特别是关于硬度的偏差，与以往的机械结构部件相比，具有特征性的性质。
以下，作为机械结构部件，列举滚珠丝杠轴为例子，来说明洛氏硬度的测定位置。
图6(a)是示出用于说明硬度的测定位置的滚珠丝杠轴的剖视图，(b)是其侧视图。
如图6(a)及图6(b)所示，滚珠丝杠轴31通过横向进给滚轧形成槽32，由此，在长度方向上相邻的多个各槽32之间形成有齿33，进而，通过高频淬火在表面上形成有硬化层31a。不仅是横向进给滚轧，实施塑性加工以及高频淬火前的调质材料全体成为索氏体组织。然后，通过高频淬火，形成具有均匀马氏体单相组织的硬化层31a。因此，在具有索氏体组织的芯部区域31b与硬化层31a之间，形成有随着从芯部区域31b接近硬化层31a而从索氏体组织变为马氏体组织的边界层31c。
在本实施方式中，规定了芯部区域31b的洛氏硬度及其偏差。以下具体说明芯部区域31b的洛氏硬度及其偏差的测定方法。
如图6(b)的一部分所示，将滚珠丝杠轴31的长度方向的长度设为L，将与滚珠丝杠轴31的一端部31e间隔例如0.1L的位置处的与长度方向正交的截面设为面S1。同样地，将与一端部31e间隔例如0.5L的位置处的截面(未图示)设为面S2，将例如间隔0.9L的位置处的截面(未图示)设为面S3，将这三个面设为轴向测定面。
另外，关于S1，在将中心设为测定点P0，将从中心到滚珠丝杠轴31的外周上的1个点的距离设为半径r时，在与测定点P0间隔0.5r的圆周部中，大致等间隔地选择4个部位的测定点P1、P2、P3及P4，将这些测定点P0～P4设为径向测定位置。对于其他两个面，也同样地设定由测定点P0～P4表示的径向测定位置。
本实施方式中的硬度的偏差能够通过对滚珠丝杠轴31的与长度方向正交的同一面内以及全部的轴向测定面中的全部的径向测定位置处的洛氏硬度进行比较的情况下的最大值与最小值之差来进行判断。
即，本实施方式所涉及的滚珠丝杠轴31的全部的轴向测定面上的全部的径向测定位置处的洛氏硬度的最大值与最小值之差为6(HRC)以内，全部的测定位置处的洛氏硬度均包含在13～28(HRC)的范围内。
另外，在机械结构部件为图5所示那样的滚珠丝杠轴的情况下，全部的测定位置(测定点P0～测定点P4×面S1～面S3)中的洛氏硬度的优选范围以及洛氏硬度的偏差的优选范围与上述机械结构部件的情况相同。
另外，在上述实施方式中，作为轴向测定面，选择了与滚珠丝杠轴31的一端部31e间隔0.1L的位置处的截面、与一端部31e间隔0.5L的位置处的截面、与一端部31e间隔0.9L的位置处的截面，但本发明并不限定于此。例如，优选设定为在与滚珠丝杠轴31的长度方向的一端部31e间隔了0.05L～0.20L的范围选择的位置处的一个面、在与一端部31e间隔了0.45L～0.55L的范围选择的位置处的一个面、在与一端部31e间隔了0.80L～0.95L的范围选择的位置处的一个面。
作为本发明所涉及的机械结构部件，并不限定于上述滚珠丝杠轴，以滚珠丝杠、梯形丝杠轴、渐开线齿轮、次摆线齿轮、圆弧齿轮、锯齿等各种机械结构部件为对象。在这样的各种形状的情况下，优选根据形状适当地选择洛氏硬度的测定位置，更优选选定容易产生硬度偏差的多个测定点。在任何情况下，具有索氏体组织的芯部区域中的洛氏硬度均包含在13～28(HRC)的范围内，并且洛氏硬度的偏差在6(HRC)以内。另外，芯部区域中的洛氏硬度的优选范围以及洛氏硬度的偏差的优选范围如上所述。
[实施例1]
以下，对本实施方式所涉及的机械结构部件及其制造方法的发明例和比较例进行说明。
[基于发明例的条件的、机械结构部件(滚珠丝杠轴)的制造]
(淬火工序)
准备SAE 4150钢材，在连续炉中，以后述的淬火温度和时间实施淬火。需要说明的是，在本发明例中，以淬火后的钢材具有均匀的马氏体单相组织的方式设定加热温度和保持时间。因此，淬火后的钢材具有均匀的马氏体单相组织。
(回火工序)
之后，基于表示SAE 4150材料的回火温度与硬度的关系的曲线图，以洛氏硬度成为13～28(HRC)的方式设定回火的加热温度及保持时间。
作为一例，图7示出发明例的淬火和回火条件。
发明例使用连续炉，作为淬火工序，在加热至840℃温度的炉内经过20分钟，然后进行油冷却。然后，作为回火工序，加热至700℃，保持60分钟后进行空气冷却。
[评价调质材料的硬度(评价连续炉内的位置的偏差)]
以上述发明例的条件实施调质，从连续炉内的3个部位各采集1根调质材料，针对由图5中示出的面S2表示的轴向测定面及由测定点P0～P4表示的径向测定位置，测定洛氏硬度。
需要说明的是，钢材以载置于网带上的状态在连续炉内流动，但从与钢材的行进方向正交的方向的中央部及其两侧端部(左侧端部及右侧端部)这3个部位采集调质材料。在本实施例中，将载置于左侧端部的调质材料设为调质材料No.1-1，将载置于中央部的调质材料设为调质材料No.1-2，将载置于右侧端部的调质材料设为调质材料No.1-3。
将调质材料No.1-1、No.1-2、No.1-3的硬度的测定结果示于下述表1。
[表1]
[评价调质材料的硬度(评价调质材料的长度方向的位置的偏差)]
以上述发明例的条件实施调质，从连续炉内的任意位置选取共计3根调质材料，对于各调质材料，对由图5示出的面S1～S3所示的轴向测定面及由测定点P0～P4所示的径向测定位置，测定洛氏硬度。
在本实施例中，将3根调质材料设为调质材料No.1-4、No.1-5、No.1-6。将各调质材料的硬度的测定结果示于下述表2～表4。
[表2]
[表3]
[表4]
[基于比较例的条件的、机械结构部件(滚珠丝杠轴)的制造]
(淬火工序)
准备SAE 4150钢材，在间歇炉中，以后述的加热温度和保持时间实施淬火。在比较例中，不确认淬火后的钢材的组织，而是设定标准的加热温度和保持时间。
(回火工序)
然后，不进行硬度的调节，而是通过标准的加热温度和保持时间实施回火，进行空气冷却，由此得到比较例的调质材料。
比较例的淬火和回火条件如图8所示。在比较例中，作为淬火工序，以850℃的温度保持120分钟，然后进行油冷却。然后，作为回火工序，加热至650℃，保持300分钟后进行空气冷却。需要说明的是，在比较例的淬火工序及回火工序中，将加热后的状态下的保持时间设定为比使用了连续炉的发明例长，以使钢材的温度均匀。
[评价调质材料的硬度(评价连续炉内的位置的偏差)]
以上述比较例的条件实施调质，从间歇炉内的3个部位各采集1根调质材料，针对由图5示出的面S2表示的轴向测定面及由测定点P0～P4表示的径向测定位置，测定洛氏硬度。
将比较例的3根调质材料作为调质材料No.2-1、No.2-2、No.2-3，将它们的硬度的测定结果示于下述表5。
[表5]
(表面除去工序)
然后，从调质材料的表面除去约1.0mm厚度的区域，得到原材料。由此，与调质材料的直径相比，原材料的直径减少了2mm。需要说明的是，在本实施例中，实施了表面除去工序，但如上述第一及第二实施方式中说明的那样，可以根据原材料的状态而省略表面除去工序。
(塑性加工工序)
之后，对各调质材料实施横向进给滚轧加工，得到滚轧材料。
(高频淬火工序)
然后，对得到的各滚轧材料实施高频淬火，在表面形成硬化层，得到滚珠丝杠轴。
[评价滚珠丝杠轴的精度]
对于使用调质材料No.1-1和调质材料No.2-1制造的滚珠丝杠轴No.1和滚珠丝杠轴No.2，通过计算累积螺距误差来测定螺纹精度。累积螺距误差通过如下的方法算出：对于有效螺纹长度为72mm、槽数为18槽的各滚珠丝杠轴，测定相邻的槽间的距离，并将相邻的槽间的距离之差进行累积。另外，将滚珠丝杠轴的两端部的槽除外。
将测定结果示于下述表6。在表6中，槽编号是指将有效螺纹长度中的一个端部的槽作为槽编号1并朝向另一个端部依次标注编号的值。
另外，将拍摄高频淬火后的滚珠丝杠轴No.1的金属组织而得到的显微镜照片示于图9和图10。此外，图9拍摄了与轴平行的截面，图10拍摄了与轴正交的截面。
[表6]
如上述表1所示，通过本发明的调质方法得到的调质材料中的偏差最大的调质材料为调质材料No.1-3，面S2中的硬度的最大值与最小值之差为0.7(HRC)。
另一方面，如上述表5所示，通过比较例的调质方法得到的调质材料中的偏差最大的调质材料为调质材料No.2-1，面S2中的硬度的最大值与最小值之差为4.0(HRC)。
根据这些结果，在比较例中，硬度的最大值与最小值之差为4.0(HRC)，但在发明例中为0.7(HRC)，根据本发明，调质材料的硬度的偏差被抑制了82.5％。
另外，对于作为本发明例的3根调质材料(调质材料No.1-4～No.1-6)，确认了3个轴向测定面(S1～S3)中的5个部位轴向测定位置(P0～P4)处的硬度的最大值与最小值之差。其结果是，如表2～表4所示，一个调质材料内的硬度偏差最大的调质材料为调质材料No.1-4，但最大值与最小值之差为2.2(HRC)，显著低于本发明中规定的范围(6(HRC)以下)。
另外，参照表2所示的调质材料No.1-4，同一面内的最大值与最小值之差最大的是面S1的2.0(HRC)，同一面内的最大值与最小值之差最小的是面S2的0.8(HRC)，因此根据2.0/0.8＝2.5，作为1根调质材料内的偏差，认为产生1个面的2.5倍的偏差。在此，关于表5所示的比较例的调质材料No.2-1～No.2-3，未测定1根调质材料内的所有部位的硬度，但例如在调质材料No.2-1中，硬度的最大值与最小值之差为4.0(HRC)，因此认为1根调质材料内的偏差为约2.5倍的10(HRC)左右。
由该结果可知，与比较例相比，通过本发明中的调质方法得到的调质材料的硬度的偏差显著变小。
另外，对于通过本发明中的调质方法得到的调质材料和作为比较例的调质材料，通过显微镜来观察金属组织。其结果是，调质材料No.1-1～No.1-6观察到整体上均匀的索氏体组织。
与此相对，调质材料No.2-1～No.2-3整体上具有索氏体组织，但观察到不均匀的状态。
进而，比较作为发明例的滚珠丝杠轴No.1与作为比较例的滚珠丝杠轴No.2的累积螺距误差，结果如表6所示，滚珠丝杠轴No.1的累积螺距误差为6μm，与滚珠丝杠轴No.2的累积螺距误差即16μm相比，误差减少了约63％。
需要说明的是，如上所述，作为螺纹精度的等级，例如若将Ct7与Ct8之间设为目标值，则允许位移为18μm，也允许比较例的滚珠丝杠轴No.2，但通过本发明所涉及的制造方法制造且累积螺距误差为6μm的滚珠丝杠轴No.1与比较例的滚珠丝杠轴No.2相比，具有极高的精度。
另外，为了参考，对使用了本发明的调质方法的塑性加工工序后(高频淬火工序前)的滚轧材料和高频淬火工序后的滚珠丝杠轴，比较了累积螺距误差。其结果是，高频淬火工序前的滚轧材料的累积螺距误差为7μm，高频淬火工序后的滚珠丝杠轴的累积螺距误差为11μm。这样，通过高频淬火工序，虽然导程累积螺距误差稍微增加，但即使实施高频淬火，也能够保持稳定的精度。
另外，如图9所示，得到的滚珠丝杠轴No.1的金属组织在表面通过高频淬火形成有硬化层，具有均匀的马氏体单相组织。在芯部区域的与轴平行的方向的截面中，能够观察沿成形材料钢材时产生的轧制方向的方向延伸的金属纤维和均匀的索氏体组织。进而，在芯部区域与硬化层之间的边界层，能够观察到索氏体组织与马氏体组织混合存在的情形。
进而，如图10所示，在芯部区域的与轴正交的截面中，未观察到在沿轧制方向的方向上延伸的金属纤维，即使在高频淬火工序后也能够确认残留有均匀的索氏体组织的情况。
如上所述，在本说明书中公开了以下事项。
(1)一种机械结构部件，其特征在于，通过塑性加工形成有槽和齿，所述机械结构部件具有：
硬化层，所述硬化层通过高频淬火形成于表面且具有马氏体组织；
芯部区域，所述芯部区域具有索氏体组织；以及
边界层，所述边界层形成于所述芯部区域与所述硬化层之间并且索氏体组织和马氏体组织在所述边界层中混合存在，
所述芯部区域中的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内。
根据该结构，能够得到高精度且优异的品质。
(2)根据(1)所述的机械结构部件，其特征在于，
通过横向进给滚轧形成所述槽和齿。
根据该结构，能够提高槽的加工精度。
(3)根据(1)或(2)所述的机械结构部件，其特征在于，
所述机械结构部件选自丝杠轴、齿条、齿轮和锯齿中的一种。
根据该结构，特别是在丝杠轴、齿条、齿轮以及锯齿中，能够进一步提高加工精度。
(4)根据(1)至(3)中任一项所述的机械结构部件，其特征在于，
所述洛氏硬度的偏差表示对所述芯部区域中的不同的任意多个测定点测定洛氏硬度时的最大值与最小值之差，
所述最大值与最小值之差为6(HRC)以内，
所述最大值及所述最小值均包含在13～28(HRC)的范围内。
根据该结构，能够以更高精度得到优异的品质。
(5)根据(1)所述的机械结构部件，其特征在于
所述机械结构部件是通过横向进给滚轧而形成有螺纹槽的滚珠丝杠轴，
所述洛氏硬度的偏差表示对所述芯部区域中的与长度方向正交的同一面内以及所述芯部区域整体的测定位置处的洛氏硬度进行比较时的最大值与最小值之差，
在将所述滚珠丝杠轴的长度方向的长度设为L，
将与所述长度方向的一端部以规定距离间隔的位置处的与所述长度方向正交的3个面设为轴向测定面，
将所述轴向测定面设定为在与所述长度方向的一端部间隔了0.05L～0.20L的范围内选出的位置处的一个面、在与所述长度方向的一端部间隔了0.45L～0.55L的范围内选出的位置处的一个面、以及在与所述长度方向的一端部间隔了0.80L～0.95L的范围内选出的位置处的一个面，并且
将从所述滚珠丝杠轴的径向的中心到轴外径的距离设为r，
将所述滚珠丝杠轴的中心和在与所述中心间隔了径向0.5r的圆周部中大致等间隔地选出的4个部位设定为径向测定位置的情况下，
所述同一面内的比较是对5个部位的所述径向测定位置处的洛氏硬度进行比较，
所述芯部区域整体的测定位置处的比较是对3个所述轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度进行比较，
所述同一面内的洛氏硬度的最大值与最小值之差均为2(HRC)以下，
所述3个轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度的最大值与最小值之差为6(HRC)以下，
所述3个轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度的最大值与最小值均包含在13～28(HRC)的范围内。
根据该结构，能够提高滚珠丝杠轴的螺纹精度。
(6)一种机械结构部件的制造方法，是制造上述(1)至(5)中任一项所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，具有：
调质工序，对材料钢材进行调质而得到调质材料，并且所述调质材料具有索氏体组织并且从表面除去规定厚度的原材料部中的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述原材料部中的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内；
塑性加工工序，对所述调质材料中的形成所述槽和齿的面实施塑性加工，得到加工材料；以及
高频淬火工序，对所述加工材料实施高频淬火。
根据该结构，生产率优异，并且能够降低制造成本，能够制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
(7)根据(6)所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述调质工序与所述塑性加工工序之间，不实施退火和韧炼。
根据该结构，能够进一步提高生产率，并且能够降低制造成本。
(8)根据(6)或(7)所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
所述塑性加工是横向进给滚轧加工。
(9)根据(6)至(8)中任一项所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
所述调质工序具有：
淬火工序，在对所述材料钢材进行加热之后进行冷却；以及
回火工序，对所述淬火工序后的所述材料钢材进行加热并进行冷却，由此形成索氏体组织，
调整所述淬火工序中的加热温度和保持时间，以使所述淬火工序后的所述材料钢材具有马氏体单相组织，
在所述回火工序中，基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系，调整所述回火的加热温度，以使所述原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)。
根据该结构，生产率更优异，并且能够降低制造成本，能够制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
(10)根据(6)～(9)中任一项所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述调质工序之前，具有淬火试验工序，
所述淬火试验工序中，使用与所述材料钢材具有大致相同的形状及组成的试验材料实施淬火，对淬火后的试验材料观察组织，选择使所述组织成为马氏体单相组织的淬火加热条件，
所述淬火工序使用在所述淬火试验工序中选出的淬火加热条件来实施。
根据该结构，生产率更优异，并且能够降低制造成本，能够制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
(11)根据(10)所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述淬火试验工序与所述回火工序之间，具有回火试验工序，
所述回火试验工序中，以基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系而选出的加热温度对所述淬火试验工序后的试验材料实施回火，选择使所述试验材料成为索氏体组织并且使所述试验材料的原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)、使所述试验材料的原材料部中的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内的回火加热条件，
所述回火工序使用在所述回火试验工序中选出的回火加热条件来实施。
根据该结构，生产率更优异，并且能够降低制造成本，能够制造高精度且具有优异的品质的机械结构部件。
(12)根据(9)所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述淬火工序之前具有调质试验工序，所述调质试验工序中，在使用与所述材料钢材具有大致相同的形状及组成的调质试验材料实施淬火之后，以基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系而选出的加热温度，对淬火后的所述调质试验材料实施回火，
所述调质试验工序是以使所述回火后的调质试验材料成为索氏体组织、并且使所述原材料部的洛氏硬度成为13～28(HRC)、使所述原材料部中的洛氏硬度的偏差成为6(HRC)以内的方式选择淬火加热条件和回火加热条件，
所述淬火工序使用在所述调质试验工序中选出的淬火加热条件来实施，
所述回火工序使用在所述调质试验工序中选出的回火加热条件来实施。
根据该结构，能够不实施用于仅确定淬火条件的试验，而是确定淬火加热条件和回火加热条件。
以上，对各种实施方式进行了说明，但本发明当然不限定于该例。本领域技术人员应当理解，在权利要求书所记载的范围内，能够想到各种变更例或修正例，对于它们当然也属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明的主旨的范围内，也可以任意地组合上述实施方式中的各构成要素。
此外，本申请基于2022年5月9日申请的日本专利申请(日本特愿2022-077203)，其内容作为参照引用于本申请中。
附图标记说明
1、2 圆棒材料
11 调质部
12 软化层
13、14、31a硬化层
21 试验材料
31 滚珠丝杠轴
31b 芯部区域
31c 边界层
32 槽
33 齿

Claims (12)

1.一种机械结构部件，其特征在于，
通过塑性加工而形成有槽和齿，
所述机械结构部件具有：
硬化层，所述硬化层通过高频淬火而形成于表面，并且所述硬化层具有马氏体组织；
芯部区域，所述芯部区域具有索氏体组织；以及
边界层，所述边界层形成于所述芯部区域与所述硬化层之间，并且索氏体组织和马氏体组织在所述边界层中混合存在，
所述芯部区域中的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内。
2.根据权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，
通过横向进给滚轧来形成所述槽和齿。
3.根据权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，
所述机械结构部件选自丝杠轴、齿条、齿轮和锯齿中的一种。
4.根据权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，
所述洛氏硬度的偏差表示对所述芯部区域中的不同的任意多个测定点测定洛氏硬度时的最大值与最小值之差，
所述最大值与最小值之差为6(HRC)以内，
所述最大值及所述最小值均包含在13～28(HRC)的范围内。
5.根据权利要求1所述的机械结构部件，其特征在于，
所述机械结构部件是通过横向进给滚轧而形成有螺纹槽的滚珠丝杠轴，
所述洛氏硬度的偏差表示对在所述芯部区域中的与长度方向正交的同一面内以及所述芯部区域整体的测定位置处的洛氏硬度进行比较时的最大值与最小值之差，
在将所述滚珠丝杠轴的长度方向的长度设为L，
将与所述长度方向的一端部间隔了规定距离的位置处的与所述长度方向正交的3个面设为轴向测定面，
将所述轴向测定面设定为在与所述长度方向的一端部间隔了0.05L～0.20L的范围内选出的位置处的一个面、在与所述长度方向的一端部间隔了0.45L～0.55L的范围内选出的位置处的一个面、以及在与所述长度方向的一端部间隔了0.80L～0.95L的范围内选出的位置处的一个面，并且
将从所述滚珠丝杠轴的径向的中心到轴外径的距离设为r，
将所述滚珠丝杠轴的中心和在与所述中心在径向上间隔了0.5r的圆周部中大致等间隔地选出的4个部位设定为径向测定位置的情况下，
所述同一面内的比较是对5个部位的所述径向测定位置处的洛氏硬度进行比较，
所述芯部区域整体的测定位置处的比较是对3个所述轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度进行比较，
所述同一面内的洛氏硬度的最大值与最小值之差均为2(HRC)以下，
所述3个轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度的最大值与最小值之差为6(HRC)以下，
所述3个轴向测定面中的所述5个部位的径向测定位置处的洛氏硬度的最大值与最小值均包含在13～28(HRC)的范围内。
6.一种机械结构部件的制造方法，其特征在于，
是制造权利要求1至5中任一项所述的机械结构部件的制造方法，
所述制造方法具有：
调质工序，对材料钢材进行调质并且得到调质材料，所述调质材料具有索氏体组织并且从表面除去规定厚度的原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)，所述原材料部的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内；
塑性加工工序，对所述调质材料中的形成所述槽和齿的面实施塑性加工，得到加工材料；以及
高频淬火工序，对所述加工材料实施高频淬火。
7.根据权利要求6所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述调质工序与所述塑性加工工序之间，不实施退火和韧炼。
8.根据权利要求6所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
所述塑性加工是横向进给滚轧加工。
9.根据权利要求6所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
所述调质工序具有：
淬火工序，在对所述材料钢材进行加热之后进行冷却；以及
回火工序，对所述淬火工序后的所述材料钢材进行加热并进行冷却，由此形成索氏体组织，
调整所述淬火工序中的加热温度和保持时间，以使所述淬火工序后的所述材料钢材具有马氏体单相组织，
在所述回火工序中，基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系，调整所述回火的加热温度，以使所述原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)。
10.根据权利要求6所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述调质工序之前，具有淬火试验工序，
所述淬火试验工序中，使用与所述材料钢材具有大致相同的形状及组成的试验材料实施淬火，对于淬火后的试验材料观察组织，选择使所述组织成为马氏体单相组织的淬火加热条件，
所述淬火工序使用在所述淬火试验工序中选出的淬火加热条件来实施。
11.根据权利要求9所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述淬火试验工序与所述回火工序之间，具有回火试验工序，
所述回火试验工序中，以基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系而选出的加热温度对所述淬火试验工序后的试验材料实施回火，选择使所述试验材料成为索氏体组织并且使所述试验材料的原材料部的洛氏硬度为13～28(HRC)、使所述试验材料的原材料部中的洛氏硬度的偏差为6(HRC)以内的回火加热条件，
所述回火工序使用在所述回火试验工序中选出的回火加热条件来实施。
12.根据权利要求8所述的机械结构部件的制造方法，其特征在于，
在所述淬火工序之前具有调质试验工序，
所述调质试验工序中，在使用与所述材料钢材具有大致相同的形状及组成的调质试验材料实施淬火之后，
以基于所述材料钢材所固有的回火温度与硬度的关系而选出的加热温度，对淬火后的所述调质试验材料实施回火，
所述调质试验工序是以所述回火后的调质试验材料成为索氏体组织并且所述原材料部的洛氏硬度成为13～28(HRC)、所述原材料部中的洛氏硬度的偏差成为6(HRC)以内的方式选择淬火加热条件和回火加热条件，
所述淬火工序使用在所述调质试验工序中选出的淬火加热条件来实施，
所述回火工序使用在所述调质试验工序中选出的回火加热条件来实施。
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