JP2020148299A - ボールネジおよびその製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ねじ軸およびナットが要求される性能を満たす組織を有し、耐久性を向上したボールネジおよび製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明のボールネジは、内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、雌ねじと雄ねじとの間に配置された複数個のボールと、を有し、ナットのボールと接触する面およびねじ軸のボールと接触する面は浸炭層を有し、ナットの浸炭層における炭素濃度が、ねじ軸の前記浸炭層の炭素濃度よりも高いことを特徴とする。【選択図】図３
Description
本発明は、ボールネジおよびその製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法に関する。
軸受け、ボールねじ、チェーン、カム、歯車およびスプラインなどの摺動部材の表面は、摺動に伴いピッチングやフレーキングと呼ばれる疲労損傷が発生する場合があることが知られている。これらの疲労損傷は摺動部材の寿命を減じるため、摺動部の疲労強度を向上させるための種々の方法が提案されている。また、摺動部の疲労強度を向上させることで、部品を小型化および低コスト化できる利点もある。
特許文献１には、螺旋状に連続するねじ溝が外周面に形成されたねじ軸と、ねじ軸のねじ溝に対向するねじ溝が内周面に形成された筒状のナットと、両ねじ溝の間に転動自在に配された複数の転動体と、を備え、ねじ軸とナットとの相対回転運動により、転動体の転動を介してねじ軸とナットとが軸方向へ相対直線移動するようになっている転がりねじ装置を製造するに際して、鋼製素材を所定の形状に成形し熱処理を施してねじ軸及びナットを得るとともに、ねじ軸に用いた鋼製素材よりもナットに用いた鋼製素材の方が、含有する炭素の量が多いことを特徴とする転がりねじ装置の製造方法が開示されている。上記熱処理として浸炭処理（浸炭焼入れ）を行い、ねじ軸及びナットに表面硬化層を形成している。
ボールネジの構成上、ねじ軸は、ねじ軸のストロークに伴い、負荷を受ける部分も移動していくが、ナットは負荷を受ける部分が移動しない。このため、ボールネジの耐久性を向上するためには、ナットはねじ軸よりも表面の硬度が高い必要がある。言い換えると、ねじ軸はナットほどの硬度は必要無い。一方で、ねじ軸はねじり荷重や曲げ荷重を受けるため、ねじ軸はナットよりもこれらに対する強度を高くする必要がある。
ナットとねじ軸が上述した要求性能をそれぞれ満たし、かつ、できるだけ簡単でプロセスコストがかからないように製造方法も検討すべきである。この点で、従来のボールネジおよびその製造方法について、さらなる改善の余地があった。
本発明は、ねじ軸およびナットが要求される性能を満たす組織を有し、耐久性を向上したボールネジおよび製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、雌ねじと雄ねじとの間に配置された複数個のボールと、を有し、ナットのボールと接触する面およびねじ軸の前記ボールと接触する面は浸炭層を有し、ナットの浸炭層における炭素濃度が、ねじ軸の浸炭層の炭素濃度よりも高いことを特徴とするボールネジである。
本発明の第２の態様は内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、雌ねじと雄ねじとの間に配置された複数個のボールと、を有し、ねじ軸の前記ボールと接触する面に、浸炭ガス雰囲気中、高周波をかけながら加熱して浸炭層を形成する高周波浸炭処理と、高周波加熱処理したねじ軸に、高周波をかけながら加熱し、急冷する高周波焼入れ処理を実施することを特徴とするボールネジの製造方法である。
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
本発明によれば、ねじ軸およびナットが要求される性能を満たす組織を有するボールネジおよびその製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明は、上述したナットとねじ軸の要求性能をそれぞれ満たすために、ナットに対しては通常の浸炭処理を行い、ねじ軸に対しては高周波で浸炭処理を行う。このような処理によって、ラックは短時間の処理でナットと同等の硬度を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。ただし、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
［ボールネジおよびパワーステアリング装置］
図１は本発明のパワーステアリング装置の一例を示す断面模式図である。図１に示すように、本発明のパワーステアリング装置１００は、ナット１、ねじ軸２およびボール３で構成されるボールネジ１０と、ボールネジ１０を収納するステアリングギアケース４と、ボールネジ１０の駆動に供される電動モータ５と、電動モータ５の回転駆動力をナット１に伝達する動力伝達機構６を備える。
図１は本発明のパワーステアリング装置の一例を示す断面模式図である。図１に示すように、本発明のパワーステアリング装置１００は、ナット１、ねじ軸２およびボール３で構成されるボールネジ１０と、ボールネジ１０を収納するステアリングギアケース４と、ボールネジ１０の駆動に供される電動モータ５と、電動モータ５の回転駆動力をナット１に伝達する動力伝達機構６を備える。
図２は図１のボールネジ１０を拡大する図である。図２に示すように、ナット１の内周面には雌ねじ２１が形成されており、ねじ軸２の外周面には雄ねじ２２が形成されている。ボール３は、雌ねじ２１と雄ねじ２２の両方に接触するように、雌ねじ２１と雄ねじ２２の間に配置される。ナット１およびねじ軸２の基材は鋼製である。具体的には、ナット１の基材の材料は、日本工業規格（Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ，ＪＩＳ）の機械構造用合金鋼鋼材であるＳＣＭ４４０、ねじ軸２は機械構造用炭素鋼鋼材ＪＩＳ Ｓ４８Ｃが好適である。そして、ナット１のボール３と接触する面およびねじ軸２のボール３と接触する面（表面、摺動面）は、図示しないが、浸炭処理によって形成された浸炭層（硬化層）を有する。
図３はナットおよびねじ軸の炭素濃度の深さ方向分布を示すグラフである。図３は、ナット１およびねじ軸２の断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）によって深さ方向に分析した結果である。図３に示すように、本発明のボールネジ１０は、ナット１の浸炭層における炭素濃度Ｃｎｕｔが、ねじ軸２の浸炭層の炭素濃度Ｃｒａｃｋよりも高い。なお、本明細書において「浸炭層」とは、ＥＰＭＡの分析によって炭素の濃度が基材の濃度（ベースライン）よりも高くなっている部分を意味するものとする。図３においては、表面からの距離が１．５ｍｍ未満の領域が浸炭層であると認められる。
図４はナット１およびねじ軸２のビッカース硬さの深さ方分布を示すグラフである。図４に示すように、ナット１はねじ軸２よりも深い部分まで高い硬度（６００Ｈｖ以上）を維持しており、表面からの距離が２ｍｍ程度の深さまで、ナット１のビッカース硬さＨｎｕｔは、ねじ軸２のビッカース硬さＨｒａｃｋよりも大きくなっている。
図５はねじ軸の表面層のレーザ顕微鏡写真である。ここでの「表面層」は、表面から３ｍｍ程度の深さの部分までの層を意味するものとする。図５の写真Ｉ〜ＩＩＩは、図４のＩ〜ＩＩＩの領域に対応する部分の写真である。観察は、ねじ軸２の表面をピクリン酸ソーダでエッチングして行った。レーザ顕微鏡による組織の観察写真から、領域Ｉはマルテンサイト組織を有するマトリックスに炭化物（セメンタイト）の析出物が分散しており、領域ＩＩはマルテンサイト組織を有しており、領域ＩＩＩはソルバイト組織を有していることが確認される。すなわち、ねじ軸は、表面から、セメンタイト析出物を有するマルテンサイト層、マルテンサイト層およびソルバイト層がこの順で積層された構成を有する。
図６は図５の領域Ｉに分散されている炭化物の模式図であり、図７は図５の領域ＩのＥＰＭＡによる元素分析の結果であり、図８は図６の析出物（点線部分）の拡大図である。図６〜図８に示すように、領域Ｉの炭化物の析出物４０は、マルテンサイト組織の粒子４１と、粒子４１の表面に形成された第１のセメンタイト層Ａと、第１のセメンタイト層Ａの表面に形成された第２のセメンタイト層Ｂの２種類のセメンタイト層を有する。ねじ軸２の表面のこのような組織は、ねじ軸２の浸炭処理を高周波で行っていることに起因するものである。高周波で行う浸炭処理については、追って詳述する。
ＥＰＭＡの分析により、第２のセメンタイト層Ｂ中の炭素の濃度は、第１のセメンタイト層Ａ中の炭素の濃度よりも低いことが確認された。マルテンサイト組織の粒子４１の表面の炭素濃度が高くなるため、ねじ軸２の硬度を高くすることができる。
図９および図１０は、本発明のねじ軸（高周波浸炭処理）と従来のねじ軸（真空浸炭処理）のＸ線回折パターンである。従来の真空浸炭処理は、高周波をかけずに、炉内に浸炭ガスを流して加熱する処理である。図９および図１０に示すように、従来のねじ軸には示されていないセメンタイトのピーク（第１のセメンタイト層Ａのピーク：Ａ−Ｆｅ３Ｃおよび第２のセメンタイト層Ｂのピーク：Ｂ−Ｆｅ３Ｃ）が、本発明のボールネジを構成するねじ軸に表れていることが分かる。
また、第１のセメンタイト層Ａのピークよりも第２のセメンタイト層Ｂのピークの方が高角度側に存在している。これは、第２のセメンタイト層Ｂの方が炭素濃度が低く、格子定数も小さくなるためである。
［ボールネジおよびパワーステアリング装置の製造方法］
次に、本発明のボールネジおよびパワーステアリング装置の製造方法について説明する。図１１はねじ軸に熱処理を行う装置の一例を示す模式図である。図１１に示すように、熱処理装置２００は、ねじ軸２に高周波で浸炭処理を行うための高周波浸炭処理部２１０と、ねじ軸２を冷却する冷却部２０５と、ねじ軸２に組織調整を行うための組織調整部２０６と、ねじ軸２に高周波焼入れを行う高周波焼入れ部２０７を有する。ねじ軸２は、高周波浸炭処理部２１０、冷却部２０５、組織調整部２０６および高周波焼入れ部２０７を、搬送ライン２０１に乗って移動できる構成としている。
次に、本発明のボールネジおよびパワーステアリング装置の製造方法について説明する。図１１はねじ軸に熱処理を行う装置の一例を示す模式図である。図１１に示すように、熱処理装置２００は、ねじ軸２に高周波で浸炭処理を行うための高周波浸炭処理部２１０と、ねじ軸２を冷却する冷却部２０５と、ねじ軸２に組織調整を行うための組織調整部２０６と、ねじ軸２に高周波焼入れを行う高周波焼入れ部２０７を有する。ねじ軸２は、高周波浸炭処理部２１０、冷却部２０５、組織調整部２０６および高周波焼入れ部２０７を、搬送ライン２０１に乗って移動できる構成としている。
高周波浸炭処理部２１０、組織調整部２０６および高周波焼入れ部２０７は高周波電源および高周波コイル２０８を有し、ねじ軸２に高周波コイル２０８を巻いて、高周波（例えば、３０ｋＨｚ）処理を行う構成としている。なお、浸炭層はねじ軸２の一部に形成されるため、図１１では高周波コイル２０８をねじ軸２の一部に巻き付けた構成を示している。
高周波浸炭処理部２１０は、前室２０２、浸炭処理室２０３および後室２０４を有する。前室２０２および後室２０４は、高周波浸炭処理部２１０の外気と、浸炭処理室２０３の炭素雰囲気とを仕切るために真空引きされる部屋である。高周波浸炭処理部２１０には、浸炭ガス２０９が供給される。浸炭ガス２０９としては、アセチレンガス（Ｃ２Ｈ２）２０９が好適である。
図１２は（１）高周波浸炭処理および（２）高周波焼入れの温度プロファイルの一例を示すグラフである。図１２には、ねじ軸２の表面に形成される炭化物の析出物の模式図も示している。図１２に示すように、高周波浸炭処理（１）は、例えば、まず４００℃から１１００℃まで２０秒で加熱する。このとき、ねじ軸の鋼製の基材の表面は、α−Ｆｅ（フェライト）４１ａと、その表面に形成された第１のセメンタイト層Ａからなる炭化物が析出する。次に、１１００℃に４５秒間保持し、その後、Ａｒガスで冷却する。１１００℃に保持している間、浸炭ガス（アセチレン）を１５秒間導入し、１５秒間アセチレンガスの導入を停止し、さらに浸炭ガスを１５秒間導入する。この工程で、α−Ｆｅ（フェライト）４１ａがγ−Ｆｅ（オーステナイト）４１ｂとなる。
第１のセメンタイト層Ａは、１１００℃において消失しようとするが、浸炭ガスの炭素が拡散供給されるため、第１のセメンタイト層Ａの周囲に炭素が集まって第２のセメンタイト層Ｂが形成される。この第２のセメンタイト層Ｂは、上述したように第１のセメンタイト層Ａとは異なる炭素層濃度を持った炭化物であり、第１のセメンタイト層Ａよりも単位胞体積が０．１〜１％小さい。
高周波浸炭処理（１）の後に、高周波焼き入れを実施する。４００℃から９００℃まで２０秒で加熱し、９００℃で５０秒間保持した後、水焼入れを実施する。この工程で、γ−Ｆｅ（オーステナイト）がα´−Ｆｅ（マルテンサイト）となる。
従来の浸炭処理は、浸炭ガス中、９８０℃で３時間程度加熱するが、この高周波浸炭処理では、１１００℃で４５秒間保持すれば良いので、加熱時間を大幅に低減することができる。また、上述したような第１のセメンタイト層Ａおよび第２のセメンタイト層Ｂを有することで、十分な強度を得ることが出来る。
図１３はナットとラックの耐久性を示すグラフである。図１３は、ラック（基材：Ｓ４８Ｃ）の雄ねじを上述した高周波浸炭処理および高周波焼入れし、ナット（基材：ＳＣＭ４４０Ｈ）の雌ねじを通常の浸炭処理（高濃度浸炭処理）をした結果を示すグラフである。比較として、ラック（基材：Ｓ４８Ｃ）の雄ねじを高周波焼入れしたものを示す。図１３より、ラックは高周波浸炭処理および高周波焼入れすることで、高周波焼入れしないものよりも耐久性が大きく向上していることが分かる。高周波浸炭処理および高周波焼入れしたラックは、通常の浸炭処理（高濃度浸炭処理）をしたナットと同等の耐久性を示しているため、ラックは短時間の処理によってナットと同等の耐久性を得ることが出来ることが分かる。
以上、説明したように、本発明によれば、ねじ軸およびナットが要求される性能を満たす組織を有し、耐久性を向上したボールネジおよび製造方法ならびにパワーステアリング装置およびその製造方法を提供できることが示された。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…ナット、２…ねじ軸、３…ボール、４…ステアリングギアケース、５…電動モータ、６…動力伝達機構、４０炭化物の析出物、４１，４１ａ…マルテンサイト組織を有する粒子、４１ｂ…オーステナイト組織を有する粒子、４２…第１のセメンタイト層Ａ、４３…第２のセメンタイト層Ｂ、１１…高周波電源、２００…熱処理装置、２０１…搬送ライン、２０２…前室、２０３…浸炭処理室、２０４…後室、２０５…冷却部、２０６…組織調整部、２０７…高周波焼入れ部、２０８…高周波コイル、２０９…浸炭ガス、２１０…高周波浸炭処理部。
Claims (10)
- 内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、
前記ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、
前記雌ねじと前記雄ねじとの間に配置された複数個のボールと、を有し、
前記ナットの前記ボールと接触する面および前記ねじ軸の前記ボールと接触する面は浸炭層を有し、
前記ナットの前記浸炭層における炭素濃度が、前記ねじ軸の前記浸炭層の炭素濃度よりも高いことを特徴とするボールネジ。 - 前記ねじ軸は、前記ボールと接触する面に、マルテンサイト組織にセメンタイトを含む炭化物粒子が分散したセメンタイト分散領域と、
前記セメンタイト分散領域の内側に形成されたマルテンサイト組織と、
前記マルテンサイト組織の内側に形成されたソルバイト組織とを有し、
前記セメンタイトを含む炭化物粒子は、マルテンサイト組織を有する粒子の表面に形成された第１のセメンタイト層と、前記第１のセメンタイト層の表面に形成された第２のセメンタイト層とを有し、
前記第２のセメンタイト層の炭化物の濃度が前記第１のセメンタイト層の炭化物濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のボールネジ。 - 前記第２のセメンタイト層の単位胞体積は、前記第１のセメンタイト層の単位胞体積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のボールネジ。
- 前記ナットの表面のビッカース硬さが、前記ねじ軸の表面のビッカース硬さよりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のボールネジ。
- 内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、前記ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、前記雌ねじと前記雄ねじとの間に配置された複数個のボールとを有しするボールネジと、
前記ボールねじ機構を収納するステアリングギアケースと、
前記ボールねじ機構の駆動に供される電動モータと、
前記電動モータの回転駆動力を前記ナットに伝達する動力伝達機構とを有し、
前記ボールネジは、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボールネジであることを特徴とするパワーステアリング装置。 - 内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、前記ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、前記雌ねじと前記雄ねじとの間に配置された複数個のボールと、を有し、
前記ねじ軸の前記ボールと接触する面に、浸炭ガス雰囲気中、高周波をかけながら加熱して浸炭層を形成する高周波浸炭処理と、
前記高周波浸炭処理したねじ軸に、高周波をかけながら加熱し、急冷する高周波焼入れ処理を実施することを特徴とするボールネジの製造方法。 - 前記高周波浸炭処理によって、オーステナイト組織を有する粒子と、前記オーステナイト組織を有する粒子の表面に形成された第１のセメンタイト層と、前記第１のセメンタイト層の表面に形成された第２のセメンタイト層とを有する析出物を形成し、
前記高周波焼入れ処理によって、前記オーステナイト組織をマルテンサイト組織とすることを特徴とする請求項６に記載のボールネジの製造方法。 - 前記高周波浸炭処理は、４００℃から１１００℃まで２０秒で加熱し、浸炭ガスの導入と導入停止を繰り返しながら１１００℃に４５秒間保持し、その後、Ａｒガスで冷却する工程を有することを特徴とする請求項６または７に記載のボールネジの製造方法。
- 前記高周波焼入れ処理は、４４００℃から９００℃まで２０秒で加熱し、９００℃で５０秒間保持した後、急冷する工程を有することを特徴とする請求項６または７に記載のボールネジの製造方法。
- 内周面に雌ねじが形成された鋼製の基材からなるナットと、前記ナットに組み合わされ、外周面に前記雌ねじに対向する雄ねじが形成された鋼製の基材からなるねじ軸と、前記雌ねじと前記雄ねじとの間に配置された複数個のボールとを有しするボールネジと、
前記ボールねじ機構を収納するステアリングギアケースと、
前記ボールねじ機構の駆動に供される電動モータと、
前記電動モータの回転駆動力を前記ナットに伝達する動力伝達機構とを有するパワーステアリング装置の製造方法において、
前記ボールネジを、請求項６〜９のいずれか１項に記載のボールネジの製造方法によって製造することを特徴とするパワーステアリング装置。
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