JP2009204069A

JP2009204069A - Ball screw device

Info

Publication number: JP2009204069A
Application number: JP2008046269A
Authority: JP
Inventors: Daiki Takahashi; 大樹高橋; Toru Ueda; 徹植田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2009-09-10

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain a specification for improving durability as the whole ball screw device 1, by restraining surface starting point type separation. <P>SOLUTION: Respective balls 4 and 4 are made of steel including C by 0.3-1.2 mass%, Si by 0.3-2.2 mass% and Mn by 0.2-2.0 mass%. The nitrogen concentration of its surface is set at 0.2-2.0 mass% by carbonitriding processing or nitriding processing, and the area ratio of Si-Mn-based nitride including Si and Mn is set at 1%-less than 20%. A residual austenite quantity of a surface part of an outer diameter side ball screw groove 6 is set at γ<SB>ro</SB>volume%, and a residual austenite quantity of a surface part of an inner diameter side ball screw groove 5 is set at γ<SB>ri</SB>volume%, and assuming the residual austenite quantity of a rolling surface of the respective balls 4 and 4 as γ<SB>rb</SB>volume%, 0≤γ<SB>ro</SB>, γ<SB>ri</SB>, γ<SB>rb</SB>≤50 is satisfied, and γ<SB>ro</SB>-15≤γ<SB>rb</SB>≤γ<SB>ro</SB>+15 and γ<SB>ri</SB>-15≤γ<SB>rb</SB>≤γ<SB>ri</SB>+15 are also satisfied. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

この発明は、工作機械、電動射出成形機の射出軸、型締め軸、電動プレス機の駆動軸の如く、比較的大型で高荷重が加わる用途で使用される各種機械装置に組み込まれて、この可動部分を直線運動させる為のボールねじ装置の改良に関する。具体的には、各ボールを構成する鋼材の組成を適正に規制して、これら各ボールの表面粗さ、表面形状の悪化を抑制すると共に、内径側、外径側両ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量を適正に規制する事により、これら両ボールねじ溝の耐久性向上を図る事で、高荷重条件下で使用でき、しかも優れた耐久性を有するボールねじ装置の実現を可能にするものである。 The present invention is incorporated in various machine devices used in applications that are relatively large and subject to high loads such as machine tools, injection shafts of electric injection molding machines, clamping shafts, and drive shafts of electric press machines. The present invention relates to an improvement of a ball screw device for linearly moving a movable part. Specifically, the composition of the steel material constituting each ball is appropriately regulated to suppress the deterioration of the surface roughness and surface shape of each ball, and the surface portions of both the inner diameter side and outer diameter side ball screw grooves. By properly regulating the amount of retained austenite, it is possible to realize a ball screw device that can be used under high load conditions and has excellent durability by improving the durability of both ball screw grooves. Is.

工作機械等、直線運動する可動部分を有する各種機械装置に、例えば特許文献１に記載されている様なボールねじ装置が組み込まれている。図１〜３は、この特許文献１に記載されたボールねじ装置１を示している。このボールねじ装置１は、ボールねじ杆２と、ボールナット３と、複数個のボール４、４とを備える。このうちのボールねじ杆２は、鋼材（ＪＩＳＧ４０５２に規定された、焼き入れ性を保証した構造用鋼鋼材の如き炭素鋼等の鉄系金属）により、断面円形、且つ、直線棒状に形成している。このボールねじ杆２の外周面には、断面形状が部分円弧形である内径側ボールねじ溝５を、螺旋状に、軸方向に関して等ピッチ（同一リード）で形成している。又、上記ボールナット３は、上記ボールねじ杆２と同様の鋼材製で、内周面に、断面形状が部分円弧形である外径側ボールねじ溝６を、螺旋状に形成している。この外径側ボールねじ溝６のリードと上記内径側ボールねじ溝５のリードとは、互いに同じとしている。又、上記ボールナット３には戻しチューブ７、７を設け、これら両戻しチューブ７、７の両端を、上記外径側ボールねじ溝６の中間部乃至両端部に開口させている。更に、上記各ボール４、４は、上記戻しチューブ７の両端開口の間部分で、上記内径側ボールねじ溝５と外径側ボールねじ溝６との間部分に配置している。隣り合うボール４、４同士の間には、合成樹脂等の滑り易い材料により造られたリテーニングピース８、８を挟持して、上記隣り合うボール４、４の転動面同士が（逆方向に）強く擦れ合う事を防止している。 For example, a ball screw device as described in Patent Document 1 is incorporated in various machine devices having a movable part that moves linearly, such as a machine tool. 1 to 3 show a ball screw device 1 described in Patent Document 1. FIG. The ball screw device 1 includes a ball screw rod 2, a ball nut 3, and a plurality of balls 4 and 4. Of these, the ball screw rod 2 is formed into a circular cross section and a straight bar shape by a steel material (iron-based metal such as carbon steel such as structural steel material as specified in JIS G 4052 that ensures hardenability). is doing. On the outer peripheral surface of the ball screw rod 2, an inner diameter side ball screw groove 5 having a partial arc shape in cross section is formed in a spiral shape at an equal pitch (same lead) in the axial direction. The ball nut 3 is made of the same steel material as the ball screw rod 2, and an outer diameter side ball screw groove 6 having a partial arc shape in cross section is formed in a spiral shape on the inner peripheral surface. . The lead of the outer diameter side ball screw groove 6 and the lead of the inner diameter side ball screw groove 5 are the same. The ball nut 3 is provided with return tubes 7, 7, and both ends of both return tubes 7, 7 are opened to the middle or both ends of the outer diameter side ball screw groove 6. Further, each of the balls 4 and 4 is disposed between the both ends of the return tube 7 and between the inner diameter side ball screw groove 5 and the outer diameter side ball screw groove 6. Between adjacent balls 4, 4, retaining pieces 8, 8 made of a slippery material such as synthetic resin are sandwiched, and the rolling surfaces of the adjacent balls 4, 4 are in the opposite direction (reverse direction). B) Prevents strong rubbing.

上述の様なボールねじ装置１を、例えば工作機械の移動テーブル或いは工具台等の被駆動物品の駆動用として使用する場合には、上記ボールねじ杆２をフレーム等に回転のみ可能に支持すると共に、このボールねじ杆２を、サーボモータ等により、両方向に所定量回転駆動可能にする。これに対して上記ボールナット３は、上記被駆動物品に支持固定する。上記ボールねじ杆２を回転駆動すると、上記各ボール４、４が、上記両戻しチューブ７、７を通じて循環しつつ、上記両ボールねじ溝５、６同士の間で転動する。この結果、上記ボールナット３を支持固定した上記被駆動物品を、上記ボールねじ杆２の回転方向に応じた方向に、回転量に応じた長さだけ平行移動させられる。尚、図１〜２に示したボールねじ装置１は、比較的大きな荷重を支承する構造である為、上記両ボールねじ溝５、６の互いに対向する条数を多くし、上記両戻しチューブ７、７の両端を、これら両ボールねじ溝５、６の中間部と両端部とに、それぞれ開口させている。これに対して、支承すべき荷重が比較的小さい場合には、内径側、外径側両ボールねじ溝の互いに対向する条数を少なくし、１個の戻しチューブの両端を、この外径側ボールねじ溝の両端部に開口させる構造を採用する場合が多い。 When the above-described ball screw device 1 is used for driving a driven article such as a moving table of a machine tool or a tool table, for example, the ball screw rod 2 is supported on a frame or the like so as to be rotatable only. The ball screw rod 2 can be rotated by a predetermined amount in both directions by a servo motor or the like. On the other hand, the ball nut 3 is supported and fixed to the driven article. When the ball screw rod 2 is rotationally driven, the balls 4, 4 roll between the ball screw grooves 5, 6 while circulating through the return tubes 7, 7. As a result, the driven article on which the ball nut 3 is supported and fixed can be translated in a direction corresponding to the rotation direction of the ball screw rod 2 by a length corresponding to the rotation amount. The ball screw device 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a structure that supports a relatively large load. Therefore, the number of oppositely facing threads of the both ball screw grooves 5 and 6 is increased, and the both return tubes 7 are used. , 7 are opened at the middle and both ends of the ball screw grooves 5, 6, respectively. On the other hand, when the load to be supported is relatively small, the opposite number of the inner and outer diameter ball screw grooves is reduced, and both ends of one return tube are connected to the outer diameter side. In many cases, a structure is employed in which both ends of the ball screw groove are opened.

上記ボールねじ装置１に関して、上記両ボールねじ溝５、６の断面形状は、部分円弧状ではあるが、前記特許文献１にも記載されている様に、単純な部分円弧よりも、ゴシックアーチ状とする場合が多い。この理由は、上記両ボールねじ溝５、６の内面と上記各ボール４、４の転動面との接触状態の改良により（接触角を大きくする事により）、上記ボールねじ杆２と上記ボールナット３との間に加わるアキシアル荷重に対する剛性を高くする為である。又、上記両ボールねじ溝５、６の断面形状の如何を問わず、上記ボールねじ装置１を、アキシアル荷重を支承しつつ運転する場合には、上記各ボール４、４のうちで上記両ボールねじ溝５、６同士の間に存在するものに就いては、これら両ボールねじ溝５、６の内側面に対し、２点又は３、４点でアンギュラ型の接触状態となって、上記アキシアル荷重を支承する。これに対して、上記両戻しチューブ７、７内に存在するボール４、４に就いては、何れの方向の荷重も支承しない、無負荷状態となっている。 Regarding the ball screw device 1, the cross-sectional shape of the both ball screw grooves 5 and 6 is a partial arc shape, but as described in Patent Document 1, a Gothic arch shape is used rather than a simple partial arc. In many cases. This is because the ball screw rod 2 and the balls are improved by improving the contact state between the inner surfaces of the ball screw grooves 5 and 6 and the rolling surfaces of the balls 4 and 4 (by increasing the contact angle). This is because the rigidity against the axial load applied to the nut 3 is increased. When the ball screw device 1 is operated while supporting an axial load, regardless of the cross-sectional shape of the both ball screw grooves 5, 6, the both balls 4, 4 As for those existing between the thread grooves 5, 6, the inner surface of these ball thread grooves 5, 6 is in an angular contact state at two points, three, four points, and the above axial Bearing the load. On the other hand, the balls 4 and 4 existing in the return tubes 7 and 7 are in a no-load state in which no load in any direction is supported.

従って、上記各ボール４、４は、上記両ボールねじ溝５、６と上記両戻しチューブ７、７との間で受け渡される際に、それぞれの荷重負荷状態が、負荷状態と無負荷状態との間で変化する。又、上記両ボールねじ溝５、６は螺旋形状である（円周方向に変位すると同時に軸方向にも変位する）為、これら両ボールねじ溝５、６同士の間に存在する上記各ボール４、４にしても、自転軸の方向が絶えず変化する。これらにより、これら各ボール４、４の挙動は、玉軸受の場合に比べて複雑になる。特に、これら各ボール４、４の転動（自転）状態は、上記両ボールねじ溝５、６同士の間で強く挟持されている負荷状態でも、上記自転軸の方向変化に基づき、理想的な転動状態とは言えず、上記各ボール４、４の転動面と上記両ボールねじ溝５、６の側面との転がり接触部で、スピンに基づく滑りが発生し易い。この為、使用条件によって差はあるものの、前記ボールねじ装置１は、一般的な玉軸受に比べて、軌道面となる上記両ボールねじ溝５、６の側面に、転がり疲れに基づく摩耗が生じ易い。 Therefore, when the balls 4 and 4 are transferred between the ball screw grooves 5 and 6 and the return tubes 7 and 7, the respective load load states are a load state and a no-load state. Vary between. Further, since both the ball screw grooves 5 and 6 are in a spiral shape (displaced in the circumferential direction and at the same time in the axial direction), each of the balls 4 existing between the both ball screw grooves 5 and 6 is also present. 4, the direction of the axis of rotation constantly changes. As a result, the behavior of each of the balls 4 and 4 becomes more complicated than that of a ball bearing. In particular, the rolling (spinning) state of each of the balls 4 and 4 is ideal based on the change in direction of the rotating shaft even in a load state in which the balls are strongly held between the ball screw grooves 5 and 6. It cannot be said that it is in a rolling state, and slip based on spin is likely to occur at the rolling contact portion between the rolling surfaces of the balls 4 and 4 and the side surfaces of the ball screw grooves 5 and 6. For this reason, although there is a difference depending on the use conditions, the ball screw device 1 has wear due to rolling fatigue on the side surfaces of the both ball screw grooves 5 and 6 serving as raceways compared with a general ball bearing. easy.

尚、前記各リテーニングピース８、８は、隣り合うボール４、４の転動面同士が高速で擦れ合う事を防止して、この擦れ合いに基づく摩耗を抑える機能は有するが、上記スピンによる摩耗を抑える機能は持たない。この様なスピンによる摩耗は、上記ボールねじ装置１を高荷重下で運転し、上記各転がり接触部の面圧が高くなると著しくなり（摩耗が進行し易く）、上記内径側ボールねじ溝５や上記外径側ボールねじ溝６の側面に、早期剥離等の損傷を発生する場合があった。例えば、射出成形機やプレス機等に組み込まれるボールねじ装置は、高荷重下で運転される場合が多く、上記各転がり接触部での、前記ボールねじ杆２や前記ボールナット３や上記各ボール４、４の弾性変形量が多くなり、上記各転がり接触部に形成される接触楕円が大きくなる。大きな接触楕円がスピンすると、この接触楕円の外径寄り部分の摩擦が大きくなり、このスピンによる摩耗を生じ易い。しかも、大きな接触楕円部分には、この大きな接触楕円が形成される原因である高面圧が作用しているので、摩耗促進が著しくなる。上述の様に、上記両ボールねじ溝５、６の側面には、転がり疲れに基づく摩耗が生じ易く、上記ボールねじ杆２や上記ボールナット３が破損に至る迄の寿命が低下する傾向が強くなる。 Each of the retaining pieces 8 and 8 has a function of preventing the rolling surfaces of the adjacent balls 4 and 4 from rubbing at a high speed and suppressing wear based on the rubbing. Does not have a function to suppress Such wear due to spin becomes significant when the ball screw device 1 is operated under a high load and the surface pressure of each rolling contact portion increases (wear tends to progress). In some cases, damage such as early peeling may occur on the side surface of the outer diameter side ball screw groove 6. For example, a ball screw device incorporated in an injection molding machine, a press machine or the like is often operated under a high load, and the ball screw rod 2, the ball nut 3, and the respective balls at the respective rolling contact portions. The amount of elastic deformation of 4 and 4 increases, and the contact ellipse formed at each rolling contact portion increases. When a large contact ellipse spins, the friction near the outer diameter of the contact ellipse increases, and wear due to the spin tends to occur. In addition, since the high contact pressure that causes the large contact ellipse to be formed acts on the large contact ellipse portion, the wear acceleration becomes significant. As described above, the side surfaces of both the ball screw grooves 5 and 6 are likely to be worn due to rolling fatigue, and the life until the ball screw rod 2 and the ball nut 3 are damaged tends to decrease. Become.

又、上記両ボールねじ溝５、６の仕上加工は、外周面の断面形状を、完成後のボールねじ溝５、６の断面形状に見合う（凹凸が逆になった）形状とした、円板型の総型砥石を使用する、総型研削仕上により行う事が一般的である。即ち、この総型砥石を回転させながら、被加工物である上記ボールねじ杆２又は上記ボールナット３に対して軸方向に相対移動させて、上記総型砥石の外周縁部の断面形状を、上記ボールねじ杆２の外周面又は上記ボールナット３の内周面に転写し、上記内径側ボールねじ溝５又は上記外径側ボールねじ溝６とする（所謂創製研削する）。この様な創製研削を行うと、これら両ボールねじ溝５、６の内面の断面形状に、上記総型砥石の外周面の断面形状がそのまま転写される。この為、上記両ボールねじ溝５、６の内面の表面粗さは、それぞれの長さ方向に比べてそれぞれの幅方向が粗くなる（これら両ボールねじ溝５、６の内面に、長さ方向に細かい筋が多数存在する状態となる）。それぞれの内面に、この様に多数の筋を形成したボールねじ溝５、６同士の間に複数のボール４、４を配置したボールねじ装置１を、高荷重下で運転すると、上記両ボールねじ溝５、６の内面のうちで、多数の筋の間に存在する部分（土手状に突出した部分）の摩耗が進み、摩耗粉が発生し易い傾向になる。この様にして発生した異物は、前記各転がり接触部に噛み込まれて、上記両ボールねじ溝５、６の内面に、異物混入潤滑環境下での早期剥離を発生させる原因となる。 In addition, the finishing process of both the ball screw grooves 5 and 6 is a disk in which the cross-sectional shape of the outer peripheral surface is a shape that matches the cross-sectional shape of the ball screw grooves 5 and 6 after completion (the unevenness is reversed). It is common to use a grinding wheel with a grinding tool that uses a grinding wheel of the mold. That is, while rotating this general-purpose grindstone, it is relatively moved in the axial direction with respect to the ball screw rod 2 or the ball nut 3 as a workpiece, and the cross-sectional shape of the outer peripheral edge of the general-purpose grindstone is It transfers to the outer peripheral surface of the said ball screw rod 2, or the inner peripheral surface of the said ball nut 3, and it is set as the said inner diameter side ball screw groove 5 or the said outer diameter side ball screw groove 6 (what is called creation grinding). When such creative grinding is performed, the cross-sectional shape of the outer peripheral surface of the above-mentioned general-purpose grindstone is directly transferred to the cross-sectional shape of the inner surfaces of the ball screw grooves 5 and 6. For this reason, the surface roughness of the inner surfaces of both the ball screw grooves 5 and 6 is rougher in the width direction than in the respective length directions (in the length direction on the inner surfaces of these ball screw grooves 5 and 6). A lot of fine streaks exist). When the ball screw device 1 in which a plurality of balls 4, 4 are arranged between the ball screw grooves 5, 6 having a plurality of streaks formed on the inner surfaces of each of them is operated under a high load, the both ball screws Among the inner surfaces of the grooves 5 and 6, wear of a portion (portion protruding in a bank shape) existing between a large number of streaks proceeds, and wear powder tends to be generated. The foreign matter generated in this manner is caught in the respective rolling contact portions and causes the inner surface of the both ball screw grooves 5 and 6 to cause early peeling under a foreign matter-containing lubrication environment.

この様な異物混入潤滑環境下での早期剥離に就いて従来は、特許文献２に記載されている様に、転動体の転動面と、軌道輪の軌道面との転がり接触部に異物を噛み込む事によって形成された圧痕（の縁）部分に生じる応力集中が原因であると考えられていた。これに対して近年、この様な圧痕起点型の剥離は、圧痕部分の応力集中だけが原因でなく、上記転動面と上記軌道面との間に作用する接線力（面方向に作用する摩擦力）が影響している事が分かってきた。この接線力に影響を及ぼす因子としては、上記各転がり接触部での（転動面と軌道面との）滑り速度や面圧の他に、表面粗さや表面形状が挙げられる。表面粗さが小さく、表面形状が良好な程、上記接線力は小さくなり、異物混入潤滑環境下での剥離寿命は長くなる。 In the past, as described in Patent Document 2, foreign matter has been introduced into the rolling contact portion between the rolling surface of the rolling element and the raceway surface of the raceway. It was thought that this was caused by the stress concentration generated in the indentation (edge) formed by biting. On the other hand, in recent years, such indentation type peeling is not only due to the stress concentration of the indentation part, but also tangential force acting between the rolling surface and the raceway surface (friction acting in the surface direction). It has become clear that power is influencing. Factors affecting the tangential force include surface roughness and surface shape in addition to the sliding speed and surface pressure (between the rolling surface and the raceway surface) at each of the rolling contact portions. The smaller the surface roughness and the better the surface shape, the smaller the tangential force, and the longer the peeling life in a foreign matter-mixed lubrication environment.

一方、転がり接触面（転動面及び軌道面）の耐ピーリング性を向上させる事でこの転がり接触面の早期剥離を抑える技術として従来から、この転がり接触面の残留オーステナイト量を多くする事が知られている。但し、単に転がり接触面の残留オーステナイト量を増加させただけでは、この転がり接触面の表面硬度が低下し、この転がり接触面の耐摩耗性が低下するだけでなく、耐圧痕性が低下する。この為、この転がり接触面の残留オーステナイト量が多いと、金属摩耗粉等の硬い異物の影響によって、この転がり接触面に圧痕が形成され易くなり、圧痕が形成された場合には、当該転がり接触面の形状崩れや表面粗さの増大を起こす。この様な形状崩れや表面粗さの増大は、圧痕の大きさが大きく、数が多い程、顕著になる。即ち、異物混入潤滑環境下では、転がり接触面表面の残留オーステナイト量が多い程、当該転がり接触面に圧痕が形成され易くなり、転がり接触部に作用する接線力が大きくなって、早期剥離防止の面から不利になる。 On the other hand, it has been known that the amount of retained austenite on the rolling contact surface is increased as a technology to prevent early peeling of the rolling contact surface by improving the peeling resistance of the rolling contact surface (rolling surface and raceway surface). It has been. However, simply increasing the amount of retained austenite on the rolling contact surface reduces the surface hardness of the rolling contact surface, not only reducing the wear resistance of the rolling contact surface, but also reducing the pressure scar resistance. For this reason, if the amount of retained austenite on the rolling contact surface is large, an indentation is likely to be formed on the rolling contact surface due to the influence of hard foreign matter such as metal wear powder, and if an indentation is formed, the rolling contact The shape of the surface is broken and the surface roughness is increased. Such shape collapse and surface roughness increase as the size of the indentation increases and the number increases. That is, in a foreign matter-contaminated lubrication environment, the greater the amount of retained austenite on the surface of the rolling contact surface, the easier it is to form indentations on the rolling contact surface, and the greater the tangential force acting on the rolling contact portion, preventing early peeling. It becomes disadvantageous from the aspect.

異物混入潤滑環境下で転がり接触面の残留オーステナイト量が多い場合には、接線力が大きくなったとしても、前記特許文献２に記載されている様に、残留オーステナイトの影響による応力集中緩和効果がある為、残留オーステナイト量が多い部材自身の寿命は低下しない。但し、転がり接触する２物体には同じ大きさの接線力が作用する為、表面の残留オーステナイト量が多い部材の相手部材の寿命は低下してしまう。例えば、前記両ボールねじ溝５、６の表面部分の残留オーステナイト量を多くした場合には、応力集中緩和効果の為、これら両ボールねじ溝５、６の剥離寿命（転がり疲れ寿命）を確保する事はできるが、相手部材であるボール４、４の転動面の剥離寿命は、上記接線力増加の為に低下してしまう。これら各ボール４、４の転動面が剥離した場合でも、上記両ボールねじ溝５、６の内面が剥離した場合でも、ボールねじ装置１の寿命になる事に変わりはないので、ボールねじ装置１全体の寿命を延ばす為には、上記各ボール４、４の転動面と上記両ボールねじ溝５、６の内面との寿命を、何れも延ばす必要がある。即ち、単にこれら両ボールねじ溝５、６の内面部分の残留オーステナイト量を増加させるだけでは、ボールねじ装置１全体としての寿命を十分に延長する事はできない。 When the amount of retained austenite on the rolling contact surface is large in a foreign matter-contaminated lubrication environment, even if the tangential force increases, as described in Patent Document 2, the stress concentration relaxation effect due to the effect of retained austenite is exerted. Therefore, the life of the member itself with a large amount of retained austenite does not decrease. However, since the tangential force of the same magnitude acts on the two objects that are in rolling contact with each other, the life of the counterpart member having a large amount of retained austenite on the surface is reduced. For example, when the amount of retained austenite in the surface portions of both the ball screw grooves 5 and 6 is increased, the peeling life (rolling fatigue life) of both the ball screw grooves 5 and 6 is ensured for the effect of stress concentration relaxation. Although it is possible to do so, the peeling life of the rolling surfaces of the balls 4 and 4 as the mating members is reduced due to the increase in the tangential force. Even if the rolling surfaces of these balls 4 and 4 are peeled off or the inner surfaces of both the ball screw grooves 5 and 6 are peeled off, the life of the ball screw device 1 remains unchanged. In order to extend the lifetime of the entire ball 1, it is necessary to extend the lifetimes of the rolling surfaces of the balls 4, 4 and the inner surfaces of the ball screw grooves 5, 6. That is, simply increasing the amount of retained austenite at the inner surface portions of these ball screw grooves 5 and 6 cannot sufficiently extend the life of the ball screw device 1 as a whole.

一方、特許文献３、４には、ボールねじ装置を構成するボールの耐焼き付き性、耐スミアリング性等を向上させる為、ボールを構成する鋼材を浸炭窒化して強化する事が記載されている。但し、上記特許文献３、４に記載された従来技術は、単にボールを構成する鋼材を浸炭窒化する事のみを考慮したものであって、ボール表面に生じる微細な析出物を考慮して、このボールの耐久性をより向上させる事に就いては考慮されていない。又、上記特許文献３、４に記載された従来技術は、隣り合うボールの転動面同士を直接接触させる、所謂総ボール型の構造を前提として、ボールの転動面同士の擦れ合いに基づく、この転動面の早期剥離を防止する為に考えられたものである。この為、各ボールねじ溝の剥離を抑える事を含め、ボールねじ装置全体として防止すべき、各種早期剥離の形態に就いては（転動面同士の擦れ合いに基づくものを除き）記載されていない。又、本発明に関連する技術を記載した刊行物として、特許文献５があるが、この特許文献５にも、ボールねじ装置の耐久性向上を図る技術は記載されていない。 On the other hand, Patent Documents 3 and 4 describe that the steel material constituting the ball is strengthened by carbonitriding in order to improve the seizure resistance and smearing resistance of the ball constituting the ball screw device. . However, the prior art described in the above Patent Documents 3 and 4 only considers carbonitriding of the steel constituting the ball, and considers fine precipitates generated on the ball surface. No consideration is given to further improving the durability of the ball. Further, the conventional techniques described in Patent Documents 3 and 4 are based on friction between the rolling surfaces of the balls on the premise of a so-called total ball type structure in which the rolling surfaces of adjacent balls are in direct contact with each other. This is considered to prevent early peeling of the rolling surface. For this reason, various types of early peeling that should be prevented as a whole of the ball screw device including suppression of peeling of each ball screw groove (except those based on friction between the rolling surfaces) are described. Absent. Further, there is Patent Document 5 as a publication describing a technique related to the present invention, but this Patent Document 5 also does not describe a technique for improving the durability of the ball screw device.

特開２００５−１５５７１４号公報JP 2005-155714 A 特開昭６４−５５４２３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 64-55423 特開平１０−１０３４４５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-103445 特開２０００−３４６１６３号公報JP 2000-346163 A 特開平５−２５６０９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-25609

本発明は、上述の様な事情に鑑み、表面起点型の剥離を抑制できて、ボールねじ装置全体としての耐久性の向上を図れる仕様を実現すべく発明したものである。 In view of the circumstances as described above, the present invention has been invented to realize a specification that can suppress surface-origin peeling and improve the durability of the entire ball screw device.

本発明のボールねじ装置は、前述した従来から知られているボールねじ装置と同様に、ボールねじ杆と、ボールナットと、複数個のボールとを備える。
このうちのボールねじ杆は、炭素鋼、軸受鋼等の鋼材製で、外周面に断面形状が部分円弧形である内径側ボールねじ溝を、螺旋状に形成している。
又、上記ボールナットは鋼材製で、内周面に断面形状が部分円弧形である外径側ボールねじ溝を、螺旋状に形成している。
更に、上記各ボールは、上記内径側ボールねじ溝と上記外径側ボールねじ溝との間に転動自在に設けられている。 The ball screw device of the present invention includes a ball screw rod, a ball nut, and a plurality of balls in the same manner as the conventionally known ball screw device.
Among these, the ball screw rod is made of a steel material such as carbon steel or bearing steel, and has an inner diameter side ball screw groove having a partial arc shape in the outer peripheral surface formed in a spiral shape.
The ball nut is made of steel, and an outer diameter side ball screw groove having a partial arc shape in cross section is formed in a spiral shape on the inner peripheral surface.
Furthermore, each said ball | bowl is provided so that rolling is possible between the said inner diameter side ball screw groove and the said outer diameter side ball screw groove.

特に、本発明のボールねじ装置に於いては、上記各ボールが、Ｃを０．３〜１．２質量％、Ｓｉを０．３〜２．２質量％、Ｍｎを０．２〜２．０質量％、それぞれ含有する鋼製である。そして、浸炭窒化処理若しくは窒化処理によってその表面の窒素濃度を０．２〜２．０質量％とされている。且つ、Ｓｉ及びＭｎを含有したＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を、１％以上、２０％未満としている。 In particular, in the ball screw device of the present invention, each of the balls has a C content of 0.3 to 1.2 mass%, a Si content of 0.3 to 2.2 mass%, and a Mn content of 0.2 to 2. 0% by mass, each containing steel. And the nitrogen concentration of the surface is made 0.2-2.0 mass% by carbonitriding or nitriding. In addition, the area ratio of the Si · Mn nitride containing Si and Mn is set to 1% or more and less than 20%.

上述の様な本発明のボールねじ装置を実施する場合に好ましくは、請求項２に記載した発明の様に、各部の残留オーステナイト量を規制する。先ず、上記外径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ro容量％とし、内径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ri容量％とし、各ボールの転動面の残留オーステナイト量をγ_rb容量％とした場合に、０≦γ_ro、γ_ri、γ_rb≦５０を満たす。且つ、γ_ro−１５≦γ_rb≦γ_ro＋１５、及び、γ_ri−１５≦γ_rb≦γ_ri＋１５を満たす。
又、好ましくは、請求項３に記載した発明の様に、前記ボールねじ杆を、ＪＩＳＧ４０５２に規定された、焼き入れ性を保証した構造用鋼鋼材により造る。
更に、好ましくは、請求項４に記載した発明の様に、隣り合うボール同士の間に、リテーニングピースを配置する。 When implementing the ball screw device of the present invention as described above, the amount of retained austenite in each part is preferably regulated as in the invention described in claim 2. First, the amount of retained austenite at the surface portion of the outer diameter side ball screw groove is γ _ro capacity%, and the amount of retained austenite at the surface portion of the inner diameter side ball screw groove is γ _ri capacity%. When the austenite amount is γ _rb volume%, 0 ≦ γ _ro , γ _ri , γ _rb ≦ 50 is satisfied. In addition, γ _ro −15 ≦ γ _rb ≦ γ _ro +15 and γ _ri −15 ≦ γ _rb ≦ γ _ri +15 are satisfied.
Preferably, as in the invention described in claim 3, the ball screw rod is made of a structural steel material assured of hardenability as defined in JIS G4052.
Further, preferably, as in the invention described in claim 4, a retaining piece is arranged between adjacent balls.

上述の様な本発明のボールねじ装置によれば、表面起点型の剥離を抑制できて、ボールねじ装置全体としての耐久性の向上を図れる。この点に就いて、以下に説明する。
特許文献３、４に記載されている様に、ボールねじ装置の耐久性は、各ボールの転動面の剥離寿命で定まる（各ボールの転動面が最も早く損傷する）場合が多い。そこで本発明者等は、各ボール自身の圧痕起点型の剥離寿命を十分に確保し、且つ、ボール自身の耐圧痕性及び耐摩耗性を向上させて、表面粗さ及び表面形状の悪化を抑制し、更に、互いに転がり接触する２物体の表面同士の間（ボールの転動面とボールねじ溝の側面との間）に作用する接線力を抑制して、相手部材である、内径側、外径側両ボールねじ溝の内面の剥離寿命を延長させる材料因子に就いて検討を行った。 According to the ball screw device of the present invention as described above, surface-origin type peeling can be suppressed, and the durability of the entire ball screw device can be improved. This point will be described below.
As described in Patent Documents 3 and 4, the durability of the ball screw device is often determined by the peeling life of the rolling surface of each ball (the rolling surface of each ball is damaged most quickly). Therefore, the present inventors have secured a sufficient indentation-origin type peeling life of each ball itself, and improved the indentation resistance and wear resistance of the ball itself, thereby suppressing deterioration of surface roughness and surface shape. Furthermore, the tangential force acting between the surfaces of the two objects that are in rolling contact with each other (between the rolling surface of the ball and the side surface of the ball screw groove) is suppressed, and the counterpart member, the inner diameter side, the outer The material factors that extend the peeling life of the inner surfaces of both diameter-side ball screw grooves were investigated.

その結果、耐圧痕性及び耐摩耗性を向上させる材料因子として、表面硬度の他に、残留オーステナイト量、表面窒素濃度、表面に析出した、Ｓｉ及びＭｎを含有した窒化物であるＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が関係している事が分かった。
又、上記各ボールの転動面の表面粗さと、上記両ボールねじ溝の内面の表面粗さとをそれぞれ小さくすると、ボールねじ溝の表面粗さを小さくした場合と比較して、ボールの転動面の表面粗さを小さく（表面粗さ及び表面形状の悪化を抑制）した場合の方が、効果的に表面起点型剥離を抑制できる事が分かった。即ち、上記両ボールねじ溝の内面の表面粗さを小さくするよりも、上記各ボールの転動面の表面粗さを小さくする（表面粗さ及び表面形状の悪化を抑制する）事で、より効果的にボールねじ装置全体の寿命を延長させられる事が分かった。 As a result, as a material factor for improving the pressure scar resistance and wear resistance, in addition to the surface hardness, the amount of retained austenite, the surface nitrogen concentration, the Si / Mn-based nitrides deposited on the surface and containing Si and Mn It was found that the area ratio of nitride was related.
Also, if the surface roughness of the rolling surface of each ball and the surface roughness of the inner surfaces of both ball screw grooves are reduced, the rolling of the ball is smaller than when the surface roughness of the ball screw groove is reduced. It was found that surface-origin separation can be effectively suppressed when the surface roughness of the surface is reduced (suppression of deterioration of the surface roughness and surface shape). That is, by reducing the surface roughness of the rolling surface of each ball (suppressing the deterioration of the surface roughness and the surface shape) rather than reducing the surface roughness of the inner surfaces of both ball screw grooves, It has been found that the entire life of the ball screw device can be effectively extended.

この様な知見に基づき、ボールねじ装置を構成する各ボールの転動面に関して、表面硬度、表面の残留オーステナイト量、表面窒素濃度、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を適切に規定する事で、本発明を為した。この様にして為した、前述の様な構成を有する本発明によれば、上記各ボールの転動面の耐圧痕性、耐摩耗性が向上する。又、ボールねじ装置の使用に伴って生じる、上記各ボールの転動面と上記両ボールねじ溝の内面との転がり接触部間の接線力を抑えられる。そして、上記各ボールの転動面及び上記両ボールねじ溝の内面の耐剥離強度が向上し、異物混入潤滑環境下で生じる圧痕起点型の剥離を抑えて、ボールねじ装置の耐久性向上を図れる。以下、本発明の構成を前述の様に規制した理由に就いて、本発明を完成する過程で行った実験の内容と共に説明する。 Based on these findings, the surface hardness, the amount of retained austenite on the surface, the surface nitrogen concentration, and the area ratio of Si / Mn nitrides are properly defined for the rolling surfaces of each ball constituting the ball screw device. The present invention was made. According to the present invention having the above-described configuration, the pressure scar resistance and wear resistance of the rolling surface of each ball are improved. Further, the tangential force between the rolling contact portions between the rolling surfaces of the balls and the inner surfaces of the ball screw grooves, which is generated when the ball screw device is used, can be suppressed. Further, the peeling resistance strength of the rolling surfaces of the balls and the inner surfaces of both ball screw grooves is improved, and the indentation starting type peeling that occurs in a foreign matter-mixed lubrication environment is suppressed, thereby improving the durability of the ball screw device. . Hereinafter, the reason why the configuration of the present invention is regulated as described above will be described together with the contents of experiments conducted in the process of completing the present invention.

「各ボールの転動面の表面部分の窒素含有量を０．２〜２．０質量％とし、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１％以上２０％未満とする理由」
本発明の場合には、上記各ボールの表面層に所定量の窒素を富化させる為、これら各ボールに、浸炭窒化処理若しくは窒化処理を施す。窒素は炭素と同じ様に、マルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用する事に加えて、窒化物又は炭窒化物を形成して、耐圧痕性、耐摩耗性を向上させる作用がある。 “Reason why the nitrogen content of the surface portion of the rolling surface of each ball is 0.2 to 2.0 mass% and the area ratio of the Si / Mn nitride is 1% or more and less than 20%”
In the case of the present invention, each of these balls is subjected to carbonitriding or nitriding in order to enrich the surface layer of each of the balls with a predetermined amount of nitrogen. Nitrogen, like carbon, works to enhance the solid solution strengthening of martensite and to ensure the stability of retained austenite, and also to form nitrides or carbonitrides, thereby improving the pressure resistance and wear resistance. There is.

図４の（Ａ）は、上記各ボールの転動面の表面部分の窒素含有量（表面窒素濃度）が耐圧痕性に及ぼす影響を、同じく（Ｂ）は耐摩耗性に及ぼす影響を、それぞれ知る為に行った実験の結果に就いて示している。このうち、図４の（Ａ）にその結果を示した、窒素含有量と耐圧痕性との関係を知る為の実験（耐圧痕性試験）は、図５に示した様にして行い、同じく（Ｂ）に示した、窒素含有量と耐摩耗性との関係を知る為の実験（耐摩耗試験）は、図６に示した２円筒摩耗試験機により行った。このうちの耐圧痕性試験では、直径２mmの鋼球９を試料（上記各ボールを構成すべき鋼材）１０に、最大面圧５ＧＰａで押し付けてこの試料１０の表面に圧痕を形成した後、この圧痕の深さを測定した。一方、上記耐摩耗試験は、面圧０．８ＧＰａの条件下で、駆動側（高速側）の試験片１１を１０min^-1 で回転させ、この試験片１１と歯車により繋がれた従動側（低速側）の試験片１２を７min^-1 で回転させて、これら両試験片１１、１２の外周面同士の接触部に、強制的に滑りを与えた。そして、試験開始から２０時間経過した時点で運転を終了し、上記駆動側、従動側両試験片１１、１２の外周面の摩耗量の平均値を測定した。 4A shows the influence of the nitrogen content (surface nitrogen concentration) of the surface portion of the rolling surface of each ball on the pressure resistance, and FIG. 4B shows the influence on the wear resistance. It shows about the result of the experiment done to know. Among these, the experiment (pressure scar test) for knowing the relationship between the nitrogen content and the pressure scar resistance, the result of which is shown in FIG. 4A, was performed as shown in FIG. The experiment (wear resistance test) shown in (B) for knowing the relationship between the nitrogen content and the wear resistance was carried out using the two-cylinder wear tester shown in FIG. Of these, in the pressure dent test, a steel ball 9 having a diameter of 2 mm was pressed against a sample (steel material to constitute each of the balls) at a maximum surface pressure of 5 GPa to form an dent on the surface of the sample 10, The depth of the indentation was measured. On the other hand, in the wear resistance test, the test piece 11 on the driving side (high speed side) was rotated at 10 min ⁻¹ under the condition of a surface pressure of 0.8 GPa, and the driven side (low speed) connected to the test piece 11 by a gear. The test piece 12 on the side) was rotated at 7 min ⁻¹ to forcibly slip the contact portions between the outer peripheral surfaces of the test pieces 11 and 12. Then, the operation was terminated when 20 hours passed from the start of the test, and the average value of the amount of wear on the outer peripheral surfaces of both the drive side and driven side test pieces 11 and 12 was measured.

尚、表面窒素量の測定には、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を使用した。又、窒素濃度の相違が、上記耐圧痕性及び上記耐摩耗性に及ぼす影響を知る為に、何れの試料１０及び試験片１１、１２に就いても、表面窒素濃度以外の硬度や残留オーステナイト量に関しては、各試料、各試験片同士の間で同じとした。この様にして行った実験の結果を表した、上記図４の（Ａ）（Ｂ）から明らかな通り、表面窒素濃度が高い程、前記各ボールの転動面の耐圧痕性及び耐摩耗性の向上を図れる。特に、各ボールの転動面の表面部分の窒素含有量を０．２質量％以上確保すれば、この窒素含有量がそれよりも少ない場合に比べて、上記耐圧痕性及び上記耐摩耗性が飛躍的に向上する。より好ましくは、上記窒素含有量を、０．４５質量％以上確保すれば、上記耐圧痕性及び耐摩耗性の何れに就いても、より一層向上する。 An electron beam microanalyzer (EPMA) was used for measuring the surface nitrogen amount. Further, in order to know the influence of the difference in nitrogen concentration on the pressure scar resistance and the wear resistance, any sample 10 and test pieces 11 and 12 have hardness and residual austenite amount other than the surface nitrogen concentration. With respect to each sample and each test piece, the same was assumed. As is apparent from FIGS. 4A and 4B showing the results of the experiments conducted in this manner, the higher the surface nitrogen concentration, the higher the pressure resistance and wear resistance of the rolling surface of each ball. Can be improved. In particular, if the nitrogen content of the surface portion of the rolling surface of each ball is 0.2% by mass or more, the pressure scar resistance and the wear resistance are higher than when the nitrogen content is less than that. Improve dramatically. More preferably, if the nitrogen content is ensured to be 0.45% by mass or more, the pressure resistance and the wear resistance can be further improved.

一方で、窒素濃度が高過ぎると、上記各ボール４、４の靭性や静的強度が低下する。ボールねじ装置を構成するボールにとって、靭性や静的強度は必要な性能である為、窒素濃度が高過ぎてこれら靱性や静的強度が低下する事は好ましくない。この点に就いて、シャルピー衝撃試験の結果を表した図７を参照しつつ説明する。この図７に示す様に、上記窒素濃度が高くなる程、耐衝撃性（靱性）が低下するが、この窒素濃度が２．０質量％を超えると、急激に低下する。そこで、上記各ボールの転動面の表面部分の窒素濃度の上限を２．０質量％とした。 On the other hand, if the nitrogen concentration is too high, the toughness and static strength of the balls 4 and 4 are lowered. Since the toughness and static strength are necessary performances for the ball constituting the ball screw device, it is not preferable that the toughness or static strength is lowered due to the excessively high nitrogen concentration. This point will be described with reference to FIG. 7 showing the result of the Charpy impact test. As shown in FIG. 7, the higher the nitrogen concentration is, the lower the impact resistance (toughness) is. However, when the nitrogen concentration exceeds 2.0% by mass, the impact strength (toughness) is rapidly reduced. Therefore, the upper limit of the nitrogen concentration in the surface portion of the rolling surface of each ball is set to 2.0% by mass.

上述の様に、上記各ボールの転動面の表面部分の窒素濃度が高い程、この転動面の耐圧痕性及び耐摩耗性が向上する。本発明者等は、本発明を為す過程で、窒素濃度が同じ場合でも、鉄系の金属材料内部の窒素の存在状態によって、耐圧痕性及び耐摩耗性が変わる事実を知得した。即ち、窒素は、鉄系の金属材料の内部に固溶して存在する場合と、窒化物として析出して存在する場合とがある。具体的には、Ｓｉ及びＭｎを多く含む鉄系の金属材料を浸炭窒化処理した場合には、同じ窒素濃度でも材料中に固溶して存在する窒素量よりも、表面にＳｉ・Ｍｎ系の窒化物を析出して存在する窒素量が多くなる。 As described above, the higher the nitrogen concentration in the surface portion of the rolling surface of each ball, the more the pressure scar resistance and wear resistance of this rolling surface are improved. In the process of making the present invention, the present inventors have learned that even when the nitrogen concentration is the same, pressure scar resistance and wear resistance change depending on the presence of nitrogen inside the iron-based metal material. That is, there are cases where nitrogen exists as a solid solution in an iron-based metal material, and where nitrogen is deposited as a nitride. Specifically, when carbonitriding an iron-based metal material containing a large amount of Si and Mn, the surface of the Si / Mn-based material is larger than the amount of nitrogen present in solid solution in the material even at the same nitrogen concentration. The amount of nitrogen present by precipitation of nitride increases.

図８の（Ａ）（Ｂ）に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が耐圧痕性と耐摩耗性とに及ぼす影響を知る為に行った実験の結果を示す。このうちの図８の（Ａ）にその結果を示した耐圧痕性試験は、前述の図５に示した様にして行い、同じく（Ｂ）にその結果を示した耐摩耗性試験は、前述の図６に示した様にして行った。何れの試験に就いても、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の影響を知る為に、このＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率以外の、硬度や残留オーステナイト量、窒素濃度に就いては、各試料、各試験片同士の間で同じとした。 FIGS. 8A and 8B show the results of experiments conducted to find out the influence of the area ratio of the Si / Mn nitride on the pressure scar resistance and wear resistance. Of these, the pressure dent test whose result is shown in FIG. 8A is performed as shown in FIG. 5, and the wear resistance test whose result is shown in FIG. This was performed as shown in FIG. In any test, in order to know the influence of Si · Mn nitride, in addition to the area ratio of Si · Mn nitride, hardness, residual austenite amount, nitrogen concentration, It was made the same between each test piece.

尚、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を用いて、加速電圧１０Ｋｖで試料又は試験片の表面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影した後、この写真を２値化（ディジタル化）してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。この様にして求めた、上記図８の（Ａ）（Ｂ）から分かる様に、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が高い程、優れた耐圧痕性及び耐摩耗性を得られる。特に、このＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％を超えると、これら耐摩耗性及び耐圧痕性を確保する面から効果が顕著になる。特に好ましくは、上記面積率を２％以上とする。 The area ratio of the Si / Mn nitride is measured by observing the surface of the sample or the test piece at an acceleration voltage of 10 Kv using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and the magnification is 5000 times. After taking a photograph of at least three fields of view, the photograph was binarized (digitized) and the area ratio was calculated using an image analyzer. As can be seen from FIGS. 8A and 8B obtained as described above, the higher the area ratio of the Si · Mn nitride, the better the pressure-resistant scar resistance and wear resistance. In particular, when the area ratio of the Si · Mn nitride exceeds 1%, the effect is remarkable in terms of ensuring the wear resistance and the pressure scar resistance. Particularly preferably, the area ratio is 2% or more.

又、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が圧痕起点型の剥離寿命に及ぼす影響を調査する為、スラスト型寿命試験により、異物混入潤滑下での試験を行った。この試験に用いた材料の成分を次の表１に示す。このうちの鋼種１はＪＩＳＧ４８０５に規定したＳＵＪ３に、同じく鋼種２はＳＵＪ２に、それぞれ相当する。

In addition, in order to investigate the influence of the area ratio of the Si / Mn nitride on the indentation-origin type peeling life, a test under a foreign matter-mixed lubrication was conducted by a thrust type life test. The ingredients of the material used in this test are shown in Table 1 below. Of these, steel type 1 corresponds to SUJ3 defined in JIS G 4805, and steel type 2 corresponds to SUJ2.

この表１に記載した２種類の材料を、直径が６５mm、厚さが６mmの円板に旋削加工してから、８２０〜９００℃で２〜１０時間、ＲＸガス、プロパンガス及びアンモニアの混合ガス中で、浸炭窒化処理した。その後、油浴による焼き入れ処理を施してから、１６０〜２７０℃で２時間の焼き戻し処理を施した。上記範囲内で、処理温度、処理時間、アンモニアガス流量を変化させて、窒素濃度が異なる種々の試験片を作製した。又、総ての熱処理を終了した後、表面を、研磨・ラッピングにより、鏡面に仕上げた。 After turning the two kinds of materials listed in Table 1 into a disk having a diameter of 65 mm and a thickness of 6 mm, a mixed gas of RX gas, propane gas and ammonia at 820 to 900 ° C. for 2 to 10 hours. Inside, carbonitriding was performed. Then, after performing the quenching process by an oil bath, the tempering process for 2 hours was performed at 160-270 degreeC. Within the above range, various test pieces having different nitrogen concentrations were prepared by changing the treatment temperature, treatment time, and ammonia gas flow rate. Moreover, after finishing all the heat treatments, the surface was finished to a mirror surface by polishing and lapping.

そして、この様にして得た複数の試料を、それぞれ上記スラスト型寿命試験に供した。このスラスト型寿命試験の試験条件は、以下の通りである。
試験荷重：５８８０Ｎ（６００ｋｇｆ）
回転速度：１０００min^-1
潤滑油：ＶＧ６８
異物の硬度：Ｈｖ８７０
異物サイズ：７４〜１４７μｍ
異物混入量：２００ｐｐｍ And the some sample obtained in this way was used for the said thrust type | mold life test, respectively. The test conditions of this thrust type life test are as follows.
Test load: 5880N (600kgf)
Rotational speed: 1000min ^-1
Lubricating oil: VG68
Hardness of foreign matter: Hv870
Foreign material size: 74 to 147 μm
Foreign matter contamination: 200ppm

この様な条件で行ったスラスト型寿命試験の結果に就いて、各試料の窒素濃度及びＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と共に、次の表２に示す。

The results of the thrust type life test conducted under such conditions are shown in the following Table 2 together with the nitrogen concentration of each sample and the area ratio of the Si / Mn nitride.

又、図９に、前記表１に示した２種類の鉄系金属材料（鋼種１、鋼種２）中の窒素濃度とＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示した。この図９から、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量は、窒素濃度にほぼ比例して増大する事が分かる。又、図１０に、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と、前述した圧痕起点型の剥離寿命の関係を示した。尚、この寿命試験の結果は、上記表２に示した比較例１のＬ１０寿命を１とした場合の比率で示した。これらから、Ｓｉ、Ｍｎ添加量の多い鋼（鋼種１）の方が、窒素の量（窒素濃度）が同じ場合でも、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多く、上記剥離寿命が長くなる事が分かる。又、前述した耐圧痕性及び耐摩耗性と同様に、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が１％以上、窒素量が０．２質量％以上になると、上記剥離寿命に関しても、著しく向上する事が分かる。 FIG. 9 shows the relationship between the nitrogen concentration in the two types of ferrous metal materials (steel type 1 and steel type 2) shown in Table 1 and the area ratio of the Si / Mn nitride. From FIG. 9, it can be seen that the precipitation amount of the Si · Mn nitride increases almost in proportion to the nitrogen concentration. FIG. 10 shows the relationship between the area ratio of the Si · Mn nitride and the above-described indentation origin type peeling life. In addition, the result of this life test was shown by the ratio when the L10 life of Comparative Example 1 shown in Table 2 is 1. From these, the steel (steel type 1) with a larger amount of Si and Mn added has a larger amount of precipitation of the Si / Mn nitride even when the amount of nitrogen (nitrogen concentration) is the same, and the peeling life becomes longer. I understand that. In addition, similar to the above-described scratch resistance and wear resistance, when the area ratio of the Si / Mn nitride is 1% or more and the nitrogen amount is 0.2% by mass or more, the peeling life is remarkably improved. I understand that.

一方で、前述した窒素濃度と同様に、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物に関しても、その析出量が多くなり過ぎると、靭性や静的強度が低下してしまう欠点がある。前述した通り、ボールねじ装置を構成するボールにとって、靭性や静的強度は必要な性能である為、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が多くなり過ぎるのは好ましくない。図１１に示したシャルピー衝撃試験の結果から明らかな通り、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が２０％を超えると、急激に耐衝撃性（靱性）が低下する。そこで、本発明の場合には、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の上限を２０％未満とした。より好ましくは、このＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の上限を１０％未満とする。 On the other hand, similarly to the nitrogen concentration described above, the Si · Mn-based nitride also has a drawback that the toughness and the static strength are lowered when the amount of precipitation is excessive. As described above, since the toughness and static strength are necessary performances for the ball constituting the ball screw device, it is not preferable that the amount of precipitation of the Si · Mn nitride is excessive. As is clear from the results of the Charpy impact test shown in FIG. 11, when the area ratio of the Si · Mn nitride exceeds 20%, the impact resistance (toughness) is drastically lowered. Therefore, in the present invention, the upper limit of the area ratio of the Si · Mn nitride is set to less than 20%. More preferably, the upper limit of the area ratio of the Si · Mn nitride is less than 10%.

次に、各ボールを構成する鉄系金属中に含有させる元素の割合を、前述の範囲に規制した理由に就いて説明する。
［Ｃを０．３〜１．２質量％］
炭素（Ｃ）は、鋼に必要な強度（硬さ）と寿命を得る為に必要な元素である。炭素が少な過ぎると十分な強度を得られないだけでなく、後述する浸炭窒化の際に必要な硬化層深さを得る為の熱処理時間が長くなり、熱処理コストの増大に繋がる。この為、炭素の含有量は、０．３質量％以上、好ましくは０．５質量％以上とする。但し、炭素の含有量が多過ぎると、製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼き入れ特性や転がり疲れ寿命に悪影響を及ぼす他、ヘッダー性（塑性加工性）が低下してコストの上昇を招く可能性がある為、上限を１．２質量％とした。 Next, the reason why the ratio of the elements contained in the iron-based metal constituting each ball is regulated within the above-described range will be described.
[C is 0.3 to 1.2% by mass]
Carbon (C) is an element necessary for obtaining the strength (hardness) and life required for steel. If the amount of carbon is too small, not only a sufficient strength cannot be obtained, but also a heat treatment time for obtaining a hardened layer depth necessary for carbonitriding, which will be described later, becomes long, leading to an increase in heat treatment cost. For this reason, the carbon content is 0.3% by mass or more, preferably 0.5% by mass or more. However, if the carbon content is too large, giant carbides are produced during steelmaking, which adversely affects the subsequent quenching characteristics and rolling fatigue life, and also reduces the header property (plastic workability), leading to an increase in cost. Since there is a possibility, the upper limit was made 1.2 mass%.

［Ｓｉを０．３〜２．２質量％、Ｍｎを０．２〜２．０質量％］
前述した様に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を十分に析出させる為には、Ｓｉ及びＭｎを多く含有した鋼材を用いる必要がある。軸受部品用の鋼材として一般的なＳＵＪ２（Ｓｉ含有量０．２５質量％、Ｍｎ含有量０．４質量％）では、浸炭窒化等で窒素を過剰に付加したとしても、表面に析出するＳｉ・Ｍｎ系窒化物の量が不足する。そこで、Ｓｉ及びＭｎの含有量を、以下の様に規制する。
［Ｓｉ含有量：０．３〜２．２質量％］
Ｓｉは、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、Ｍｎの存在によって、０．３質量％以上の添加で、窒素と効果的に反応して、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物を顕著に析出する。又、２．２質量％を超えて添加すると、ヘッダー性の悪化を招く為、上限を２．２質量％とした。
［Ｍｎ含有量：０．３〜２．０質量％］
Ｍｎも、上記Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出に必要な元素であり、Ｓｉとの共存によって、０．３質量％以上の添加でこのＳｉ・Ｍｎ系窒化物の析出を促進させる作用がある。但し、Ｍｎは、オーステナイトを安定化する働きがあるので、硬化熱処理後に残留オーステナイト量が必要以上に増加するといった問題を引き起こすのを防止する為、添加量を２．０質量％以下に抑える。 [Si: 0.3-2.2 mass%, Mn: 0.2-2.0 mass%]
As described above, in order to sufficiently precipitate the Si · Mn nitride, it is necessary to use a steel material containing a large amount of Si and Mn. In general SUJ2 (Si content: 0.25 mass%, Mn content: 0.4 mass%) as a steel material for bearing parts, even if excessive nitrogen is added by carbonitriding or the like, Si. The amount of Mn-based nitride is insufficient. Therefore, the contents of Si and Mn are regulated as follows.
[Si content: 0.3 to 2.2% by mass]
Si is an element necessary for the precipitation of the Si · Mn nitride, and due to the presence of Mn, it effectively reacts with nitrogen when added in an amount of 0.3% by mass or more. Is significantly precipitated. Moreover, since addition of more than 2.2 mass% will cause deterioration of header property, the upper limit was made 2.2 mass%.
[Mn content: 0.3 to 2.0 mass%]
Mn is also an element necessary for the precipitation of the Si · Mn nitride and has the effect of promoting the precipitation of the Si · Mn nitride when added in an amount of 0.3% by mass or more by coexistence with Si. However, since Mn has a function of stabilizing austenite, the amount added is suppressed to 2.0% by mass or less in order to prevent a problem that the amount of retained austenite increases more than necessary after the heat treatment for curing.

［外径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ro容量％とし、内径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ri容量％とし、各ボールの転動面の残留オーステナイト量をγ_rb容量％とした場合に、０≦γ_ro、γ_ri、γ_rb≦５０を満たし、且つ、γ_ro−１５≦γ_rb≦γ_ro＋１５、及び、γ_ri−１５≦γ_rb≦γ_ri＋１５を満たす］
前述した様に、残留オーステナイト量が少なくなると耐圧痕性及び耐摩耗性が向上する一方で、表面の残留オーステナイト量を多くする程、上記両ボールねじ溝の表面部分の剥離寿命の延長を図れる。即ち、前記各ボールを中心として考えると、これら各ボールの転動面の表面部分の残留オーステナイト量が少ない程、これら各ボールの耐圧痕性及び耐摩耗性が向上し、上記両ボールねじ溝の寿命は延長するが、これら各ボール自身の寿命は低下する。 [The amount of retained austenite at the surface portion of the outer diameter side ball screw groove is γ _ro capacity%, the amount of retained austenite at the surface portion of the inner diameter side ball screw groove is γ _ri capacity%, and the amount of retained austenite on the rolling surface of each ball _Is γ _rb volume%, 0 ≦ γ _ro , γ _ri , γ _rb ≦ 50 is satisfied, γ _ro −15 ≦ γ _rb ≦ γ _ro +15, and γ _ri −15 ≦ γ _rb ≦ γ meet _ri +15]
As described above, when the amount of retained austenite is reduced, the pressure scar resistance and wear resistance are improved. On the other hand, as the amount of retained austenite on the surface is increased, the peeling life of the surface portions of both ball screw grooves can be extended. That is, considering each ball as a center, the smaller the amount of retained austenite of the surface portion of the rolling surface of each ball, the more the pressure scar resistance and wear resistance of each ball improve, Although the life is extended, the life of each of these balls itself is reduced.

従って、ボールねじ装置全体としての耐久性（最も短い部分の寿命）を最長にする為には、上記各ボールの残留オーステナイト量として最適値（範囲）が存在するが、この最適範囲は、上記両ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量によって異なる。これら両ボールねじ溝の残留オーステナイト量が多い場合には、これら両ボールねじ溝の寿命が長くなる代わりに、これら両ボールねじ溝の耐圧痕性が低下して、これら両ボールねじ溝の内面と、上記各ボールの転動面と間に作用する接線力が大きくなり、これら各ボールの耐久性（転動面の疲れ寿命）が損なわれる。この様な理由でこれら各ボールの耐久性が低下するのを防止する為には、これら各ボールの耐圧痕性及び耐摩耗性を向上させるよりも、これら各ボールの転動面の疲れ寿命を延ばす必要がある。これらの事を考慮すれば、上記両ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量が多い場合には、上記各ボールの転動面の表面部分の残留オーステナイト量も多くしなければならない。 Therefore, in order to maximize the durability (life of the shortest part) of the ball screw device as a whole, there is an optimum value (range) as the amount of retained austenite of each ball. It depends on the amount of retained austenite on the surface of the ball screw groove. When the amount of retained austenite in both the ball screw grooves is large, the life of the ball screw grooves is prolonged, but the pressure resistance of the ball screw grooves is reduced, and the inner surfaces of the ball screw grooves The tangential force acting between the rolling surfaces of the balls increases, and the durability (fatigue life of the rolling surfaces) of these balls is impaired. For this reason, in order to prevent the durability of these balls from deteriorating, the fatigue life of the rolling surfaces of these balls is improved rather than improving the dent resistance and wear resistance of these balls. It is necessary to extend it. In consideration of these matters, when the amount of retained austenite at the surface portions of the ball screw grooves is large, the amount of retained austenite at the surface portions of the rolling surfaces of the balls must also be increased.

これらの事を考慮して、ボールねじ装置全体としての寿命を最長にする為に、前述した通り、外径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ro容量％とし、内径側ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量をγ_ri容量％とし、各ボールの転動面の残留オーステナイト量をγ_rb容量％とした場合に、０≦γ_ro、γ_ri、γ_rb≦５０を満たし、且つ、γ_ro−１５≦γ_rb≦γ_ro＋１５、及び、γ_ri−１５≦γ_rb≦γ_ri＋１５を満たすベく、各部の残留オーステナイトの量を規制する。尚、残留オーステナイト量が多過ぎると硬度が下がり、耐圧痕性及び耐摩耗性が低下するだけでなく、高温で使用される場合の寸法安定性も悪化する。この為、両ボールねじ溝及び各ボールの転動面の残留オーステナイト量γ_ro、γ_ri、γ_rbの上限値を５０容量％とした。 Considering these things, in order to maximize the life of the entire ball screw device, as described above, the amount of retained austenite in the surface portion of the outer diameter side ball screw groove is γ _ro capacity%, and the inner diameter side ball screw When the amount of retained austenite on the surface portion of the groove is γ _ri volume% and the amount of retained austenite on the rolling surface of each ball is γ _rb volume%, 0 ≦ γ _ro , γ _ri , γ _rb ≦ 50 is satisfied, In addition, the amount of retained austenite in each part is regulated so as to satisfy γ _ro -15 ≦ γ _rb ≦ γ _ro +15 and γ _ri -15 ≦ γ _rb ≦ γ _ri +15. When the amount of retained austenite is too large, not only the hardness is lowered and the pressure scar resistance and wear resistance are lowered, but also the dimensional stability when used at a high temperature is deteriorated. For this reason, the upper limit values of the residual austenite amounts γ _ro , γ _ri , γ _{rb on} the ball screw grooves and the rolling surfaces of the balls are set to 50% by volume.

尚、本発明のボールねじ装置を実施する場合に好ましくは、上記各ボールの転動面の表面硬度を、Ｈｖ７５０以上とする。金属製部品の耐圧痕性及び耐摩耗性を向上させる材料因子として最も一般的なものは表面硬度である。そこで本発明者等は、耐圧痕性及び耐摩耗性に及ぼす表面硬度の影響を知る為に、金属材料の表面硬度を種々異ならせて、前述の図５に示した耐圧痕性試験と、前述の図６に示した２円筒摩耗試験とを行った。その結果を、図１２の（Ａ）（Ｂ）に示す。このうちの（Ａ）は耐圧痕性試験の結果を、（Ｂ）は２円筒摩耗試験の結果を、それぞれ示している。この様な図１２の（Ａ）（Ｂ）から明らかな通り、表面硬度が大きい程、優れた耐圧痕性及び耐摩耗性を得られる。特に、表面の硬度がＨｖ７５０以上になると、それ未満の場合に比べて、耐摩耗性、耐圧痕性の何れも、顕著に良好になる。又、表面硬度が高い程、疲れ寿命が向上（長くなる）事が知られており、上記各ボールの転動面の表面硬度を高くする事で、耐圧痕性及び耐摩耗性だけでなく、圧痕起点型剥離に関する強度も向上させる事も可能になる。 In addition, when implementing the ball screw apparatus of this invention, Preferably, the surface hardness of the rolling surface of each said ball shall be Hv750 or more. Surface hardness is the most common material factor for improving the scratch resistance and wear resistance of metal parts. Therefore, in order to know the influence of the surface hardness on the indentation resistance and the abrasion resistance, the present inventors varied the surface hardness of the metal material, and the above-described indentation test shown in FIG. The two-cylinder wear test shown in FIG. 6 was performed. The results are shown in FIGS. Of these, (A) shows the result of the pressure-resistant mark test, and (B) shows the result of the two-cylinder wear test. As is apparent from FIGS. 12A and 12B, the higher the surface hardness, the better the resistance to pressure marks and wear. In particular, when the surface hardness is Hv 750 or higher, both wear resistance and pressure dent resistance are remarkably improved as compared with the case where the hardness is less than Hv 750. In addition, it is known that the higher the surface hardness is, the longer the fatigue life is (longer). By increasing the surface hardness of the rolling surface of each of the above balls, not only the pressure resistance and wear resistance, It is also possible to improve the strength related to the indentation origin type peeling.

本発明の特徴は、ボールねじ杆及びボールナットの性状を適正に規制する事により、高荷重条件下で使用でき、しかも長期間に亙り可動部分の位置決めを十分に高精度に図れ、しかも異物混入環境下の様な厳しい使用条件下でも十分な耐久性を得られるボールねじ装置を実現する点にある。
図面に表れるボールねじ装置の構造に就いては、前述の図１〜３に示した構造を含め、従来から知られているボールねじ装置と同様である。就いては、具体的構造に就いての図示並びに説明は省略する。尚、１個の戻しチューブの両端部を、外径側ボールねじ溝の両端部に開口させる構造に就いても、本発明の対象となる。 The feature of the present invention is that it can be used under high load conditions by properly regulating the properties of the ball screw rod and ball nut, and the movable part can be positioned with sufficient accuracy over a long period of time, and foreign matter is mixed in. This is to realize a ball screw device that can obtain sufficient durability even under severe use conditions such as in an environment.
The structure of the ball screw device shown in the drawings is the same as that of conventionally known ball screw devices including the structure shown in FIGS. Therefore, illustration and description of a specific structure are omitted. It should be noted that the structure of opening both ends of one return tube at both ends of the outer diameter side ball screw groove is also an object of the present invention.

本発明の効果を確認する為に行った実験（耐久試験）に就いて説明する。この実験は、日本精工株式会社製のボールねじ装置である、日本精工（株）製ボールねじ、ＢＳ３６１０−２．５（呼び：ＪＩＳＢ１１９２３６×１０×３００−Ｃｔ３）を用いて行った。
試験条件は、次の通りである。
試験荷重：１８．２ｋＮ
ストローク：６０mm
潤滑条件：リューベ株式会社製の「ＹＳ２グリース」を充填
ボールねじ杆及びボールナットの材質：ＳＣＭ４２０Ｈ（ＪＩＳＧ４０５２） An experiment (endurance test) conducted to confirm the effect of the present invention will be described. This experiment was performed using a ball screw device manufactured by NSK Ltd., a ball screw manufactured by NSK Ltd., BS3610-2.5 (nominal: JIS B 1192 36 × 10 × 300-Ct3).
The test conditions are as follows.
Test load: 18.2kN
Stroke: 60mm
Lubrication condition: Filled with “YS2 grease” manufactured by Lube Co., Ltd. Material of ball screw rod and ball nut: SCM420H (JIS G 4052)

上記ＳＣＭ４２０Ｈ鋼によりボールねじ杆及びボールナットを造り、９２０〜９６０℃で１６〜２０時間の浸炭処理を施し、冷却後に８２０〜８７０℃で焼き入れを行った。次いで、１６０℃〜２７０℃で２時間の焼き戻しを行う事により、内径側、外径側両ボールねじ溝の内面の最表面部分の残留オーステナイトの量に関して、１０容量％、２０容量％、３０容量％に異なる、３通りの試料を作製した。
次の表３に、上記実験に供した、各ボールの素材の成分、及び、完成後の各ボールの品質を、他の要件と共に示した。尚、上記表３に示した、本発明に属する実施例に関して４１種類、本発明からは外れる比較例に関して６種類の、合計４７種類の試料のうち、実施例に関しては、それぞれのボールに関して、本発明の要件を満たしている。 Ball screw rods and ball nuts were made of the above SCM420H steel, carburized at 920-960 ° C. for 16-20 hours, and quenched at 820-870 ° C. after cooling. Next, by performing tempering at 160 ° C. to 270 ° C. for 2 hours, the amount of retained austenite on the innermost surfaces of the inner surface of both the inner and outer ball screw grooves is 10% by volume, 20% by volume, 30%. Three kinds of samples different in volume% were prepared.
The following Table 3 shows the composition of the material of each ball and the quality of each ball after completion, which were subjected to the experiment, together with other requirements. Of the 47 types of samples shown in Table 3 above, which are 41 types for the examples belonging to the present invention and 6 types for the comparative examples that are not included in the present invention, for the examples, for each ball, Meets the requirements of the invention.

前記各ボールを造るのに、先ず、上記表３に示す成分を有する素材に、ヘッダー加工及び荒研削加工を順次施してから、浸炭窒化焼き入れ（８３０℃×５〜２０ｈｒ、ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気）し、次いで、１８０〜２７０℃で焼き戻ししてから、表面研磨等の後処理を施した。
上記各ボールの表面の窒素量の測定には、前述した通り、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を使用し、定量分析により測定した。又、表面層の残留オーステナイト量は、Ｘ線回折法により測定した。何れの測定も、ボールの表面を、直接分析測定した。
更に、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率の測定は、前述した通り、電界放射型走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）を使用して、加速電圧１０Ｋｖで転動面の観察を行い、倍率５０００倍で最低３視野以上写真を撮影した後、写真を２値化してから画像解析装置を用いて、面積率を計算した。 In order to manufacture each of the balls, first, a material having the components shown in Table 3 above was subjected to header processing and rough grinding processing in turn, followed by carbonitriding and quenching (830 ° C. × 5 to 20 hr, RX gas + enriched gas). + Ammonia gas atmosphere), followed by tempering at 180 to 270 ° C., followed by post-treatment such as surface polishing.
As described above, the amount of nitrogen on the surface of each ball was measured by quantitative analysis using an electron beam microanalyzer (EPMA). The amount of retained austenite in the surface layer was measured by an X-ray diffraction method. In any measurement, the surface of the ball was directly analyzed and measured.
Further, as described above, the area ratio of the Si / Mn nitride was measured by observing the rolling surface at an acceleration voltage of 10 Kv using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM), and a magnification of 5000. After taking a photograph of at least 3 fields of view at a magnification, the area ratio was calculated using an image analyzer after binarizing the photograph.

この様にして行った耐久試験の結果を表す表３中、転がり寿命比率（寿命比）は、比較例１の寿命を１とし、これとの比率で表している。又、図１３は、上記表３に記載した事項のうち、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と寿命比との関係をまとめたものである。この様な表３及び図１３から明らかな様に、前述した様な、本発明の範囲に属する組成を有する鋼材を用い、窒素濃度を０．２〜２．０質量％以下、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率を１〜２０％にすれば、（本発明の範囲から外れる）比較例に比べて、十分な寿命延長効果を図れる。尚、比較例５は、本発明の範囲に属する鋼材を使用し、更に窒素量を０．２質量％以上にしてはいるが、Ｓｉ・Ｍｎ系窒化物の析出量が面積率で１％以下であった為、寿命延長が不十分であった。又、比較例６は、各ボールの組成に関しては、本発明の範囲に属するが、これら各ボールの転動面の表面硬度が不十分である為、寿命延長が不十分であった。 In Table 3 showing the results of the durability test performed in this manner, the rolling life ratio (life ratio) is expressed as a ratio with the life of Comparative Example 1 being 1. FIG. 13 summarizes the relationship between the area ratio of Si / Mn nitride and the life ratio among the matters described in Table 3 above. As is apparent from Table 3 and FIG. 13, the steel material having the composition belonging to the scope of the present invention as described above is used, the nitrogen concentration is 0.2 to 2.0% by mass, and the Si · Mn system. If the area ratio of nitride is 1 to 20%, a sufficient life extension effect can be achieved as compared with the comparative example (out of the scope of the present invention). In Comparative Example 5, a steel material belonging to the scope of the present invention was used, and the nitrogen content was 0.2% by mass or more, but the precipitation amount of Si / Mn nitride was 1% or less in terms of area ratio. Therefore, the life extension was insufficient. Further, although Comparative Example 6 belongs to the scope of the present invention with respect to the composition of each ball, the life extension was insufficient because the surface hardness of the rolling surface of each ball was insufficient.

図１４に、ボールねじ杆及びボールナットに形成した、内径側、外径側両ボールねじ溝の内面の表面部分の残留オーステナイト量が、１０、２０、３０容量％の場合に於ける、各ボールの転動面の表面部分の残留オーステナイト量と寿命比との関係を示す。この様な図１４から分かる様に、上記両ボールねじ溝の表面部分の残留オーステナイト量が多い程長寿命の傾向を示すが、その寿命は上記各ボールの転動面の残留オーステナイト量に依存している。そして、これら各ボールの転動面の表面の残留オーステナイト量を、特許請求の範囲の請求項２に記載した範囲に規制すれば、ボールねじ装置全体としての寿命を十分に長くできる事が分かる。尚、上記各ボールの転動面の表面部分の残留オーステナイト量が上記範囲を下回る場合は、総ての場合でボールが破損し、逆にこの範囲を上回る場合には、総ての場合でボールねじ溝が破損した。この事から、上記各ボールの転動面の表面部分を、上記請求項２に記載した範囲に規制する事により、これら各ボールと、上記ボールねじ杆及び上記ボールナットとの寿命をバランス良く延ばして、ボールねじ装置全体として長寿命化を達成できる事が分かる。 FIG. 14 shows each ball when the amount of retained austenite on the inner surface of both the inner and outer ball screw grooves formed on the ball screw rod and ball nut is 10, 20, and 30% by volume. The relationship between the amount of retained austenite at the surface portion of the rolling surface and the life ratio is shown. As can be seen from FIG. 14, the larger the amount of retained austenite at the surface portions of the ball screw grooves, the longer the life tends to be. However, the lifetime depends on the amount of retained austenite on the rolling surface of each ball. ing. And if the amount of retained austenite on the surface of the rolling surface of each ball is restricted to the range described in claim 2 of the claims, it can be seen that the life of the ball screw device as a whole can be sufficiently extended. If the amount of retained austenite on the surface of the rolling surface of each ball is below the above range, the ball is damaged in all cases, and conversely, if it exceeds this range, the ball is in all cases. The thread groove is damaged. Therefore, by restricting the surface portion of the rolling surface of each ball to the range described in claim 2, the life of each ball, the ball screw rod and the ball nut is extended in a well-balanced manner. As a result, it can be seen that the entire life of the ball screw device can be extended.

尚、前述した特許文献５に、転がり接触面の残留オーステナイト量が増えると、当該転がり接触面に関する限り、異物混入潤滑環境下での寿命延長を図れる事は記載されている。但し、装置全体としての寿命延長を図る為には、単に何れかの部材表面の残留オーステナイト量を多くしただけでは不十分であり、相手部材の表面の残留オーステナイト量も、他の要件との関係で適切に規定する必要がある。本発明のうちの請求項２に記載した発明は、この様な観点から、各構成部材の表面の残留オーステナイト量を、互いに関連付けて適切に規制する事により、ボールねじ装置全体としての長寿命化を可能としたものである。又、本発明は、コスト的な理由や使用条件の問題から、残留オーステナイト量を増やして長寿命化を図りにくい場合にも、効果的に寿命を延ばす事が可能となり、その面からも有用である。 Incidentally, Patent Document 5 described above describes that when the amount of retained austenite on the rolling contact surface increases, the life can be extended in a foreign matter-mixed lubricating environment as far as the rolling contact surface is concerned. However, in order to extend the life of the entire device, it is not sufficient to simply increase the amount of retained austenite on the surface of any member, and the amount of retained austenite on the surface of the mating member is also related to other requirements. It is necessary to prescribe appropriately. The invention described in claim 2 of the present invention, from such a point of view, extends the life of the entire ball screw device by appropriately regulating the amount of retained austenite on the surface of each constituent member in association with each other. Is possible. In addition, the present invention can effectively extend the life even when it is difficult to increase the retained austenite amount due to cost reasons and problems of use conditions, and it is also useful in that respect. is there.

本発明の対象となるボールねじ装置の１例を示す平面図。The top view which shows an example of the ball screw apparatus used as the object of this invention. 図１のＸ−Ｘ断面図。XX sectional drawing of FIG. 図２の拡大Ｙ−Ｙ断面図。The expanded YY sectional view of FIG. ボール表面の窒素濃度が耐圧痕性に及ぼす影響を示すグラフ（Ａ）及び耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラフ（Ｂ）。The graph (A) which shows the influence which the nitrogen density | concentration of a ball | bowl surface has on pressure-proof scar resistance, and the graph (B) which shows the influence which has on abrasion resistance. 耐圧痕性を測定する試験の実施状況を示す略正面図。The schematic front view which shows the implementation condition of the test which measures a pressure | voltage resistant mark resistance. 耐摩耗性を測定する試験の実施状況を示す略正面図（Ａ）及び略側面図（Ｂ）。The schematic front view (A) and schematic side view (B) which show the implementation condition of the test which measures abrasion resistance. ボール表面の窒素濃度と靱性との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the nitrogen concentration of a ball | bowl surface, and toughness. ボール表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率が耐圧痕性に及ぼす影響を示すグラフ（Ａ）及び耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラフ（Ｂ）。The graph (A) which shows the influence which the area ratio of the Si * Mn-type nitride of a ball | bowl surface has on pressure-proof scar resistance, and the graph which shows the influence which has on abrasion resistance (B). ボール表面の窒素濃度と同じくＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship with the area ratio of Si * Mn type | system | group nitride like nitrogen concentration on the surface of a ball | bowl. ボール表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と圧痕起点型剥離寿命との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the area ratio of Si * Mn type nitride of a ball | bowl surface, and an indentation origin type | mold peeling lifetime. ボール表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と靱性との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the area ratio of Si * Mn type nitride of a ball | bowl surface, and toughness. 鋼材製の部材の表面硬度が耐圧痕性に及ぼす影響を示すグラフ（Ａ）及び耐摩耗性に及ぼす影響を示すグラフ（Ｂ）。The graph (A) which shows the influence which the surface hardness of the member made from steel has on a pressure-proof mark property, and the graph (B) which shows the influence which it has on wear resistance. ボール表面のＳｉ・Ｍｎ系窒化物の面積率と、ボールねじ装置全体としての寿命との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the area ratio of the Si * Mn type nitride of a ball | bowl surface, and the lifetime as a whole ball screw apparatus. 各部材表面の残留オーステナイト量とボールねじ装置全体としての寿命との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the amount of retained austenite of each member surface, and the lifetime as the whole ball screw apparatus.

Explanation of symbols

１ボールねじ装置
２ボールねじ杆
３ボールナット
４ボール
５内径側ボールねじ溝
６外径側ボールねじ溝
７戻しチューブ
８リテーニングピース
９鋼球
１０試料
１１試験片
１２試験片 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ball screw device 2 Ball screw rod 3 Ball nut 4 Ball 5 Inner diameter side ball screw groove 6 Outer diameter side ball screw groove 7 Return tube 8 Retaining piece 9 Steel ball 10 Sample 11 Test piece 12 Test piece

Claims

A steel-made ball screw rod having an inner diameter side ball screw groove formed in a spiral shape on the outer peripheral surface and an outer diameter side ball screw groove formed on the inner peripheral surface in a partial arc shape. A ball screw device comprising a steel ball nut formed in a spiral shape and a plurality of balls rotatably provided between the outer diameter side ball screw groove and the inner diameter side ball screw groove. Each of these balls is made of steel containing 0.3 to 1.2% by mass of C, 0.3 to 2.2% by mass of Si, and 0.2 to 2.0% by mass of Mn. The carbon concentration of the surface is made 0.2 to 2.0 mass% by carbonitriding or nitriding, and the area ratio of Si / Mn nitride containing Si and Mn is 1% or more and 20 A ball screw device characterized by being less than%.

The amount of retained austenite at the surface part of the outer diameter side ball screw groove is γ _ro capacity%, the amount of retained austenite at the surface part of the inner diameter side ball screw groove is γ _ri capacity%, and the amount of retained austenite on the rolling surface of each ball is When γ _rb volume%, 0 ≦ γ _ro , γ _ri , γ _rb ≦ 50 is satisfied, γ _ro −15 ≦ γ _rb ≦ γ _ro +15, and γ _ri −15 ≦ γ _rb ≦ γ _ri The ball screw device according to claim 1, which satisfies +15.

The ball screw device according to any one of claims 1 and 2, wherein the ball screw rod is made of a structural steel material assured of hardenability as defined in JIS G 4052.

The ball screw device according to any one of claims 1 to 3, wherein a retaining piece is disposed between adjacent balls.