JP3427116B2 - 高周波焼入用直動案内用鋼及び直動案内装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工場内等で物品を搬送
するための直動案内装置のレール、移動ブロック等に使
用される直動案内用鋼及びそれを使用した直動案内装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】直動案内装置ではレール上を移動ブロッ
クが移動することにより、移動ブロック上に載置された
物品を搬送する。移動ブロックのレールに接する部分に
は転動溝が設けられており、その転動溝には多数のボー
ル（鋼球）が循環移動可能に配設されている。これら多
数のボールが移動ブロックとレールとの間を循環移動す
ることにより、移動ブロックはレール上をスムーズに移
動する。

【０００３】直動案内装置において、ボールとレール及
びボールと移動ブロックとはほぼ点に近い状態で接触
し、この点接触部分が同じ軌道上を移動してゆくため、
レール及び移動ブロックにはベアリングのレースと同様
の転動負荷がかかる。そこで従来より直動移動装置のレ
ール及び移動ブロックには、ＳＭｎ５３（本願出願人の
製造に係る高周波焼入用鋼。商品名）等の高周波焼入用
鋼が用いられ、高周波焼入により表面を硬化させて使用
されていた。なお、ＳＭｎ５３の化学成分範囲は、Ｃ：
0.50〜0.56％、Ｓｉ：0.15〜0.35％、Ｍｎ：1.35〜1.65
％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.030％以下、Ｃｒ：0.35％
以下、Ｎｉ：0.35％以下である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】直動案内装置が良好な
環境下で使用される場合には、ボールとレール及びボー
ルと移動ブロックとの間の接触部分において問題は生じ
ないが、一般の工場等の開放された環境下で使用される
場合は、周囲から異物等がこれらの接触部分に混入す
る。従来の直動案内装置のレール及び移動ブロック用の
材料は清浄な環境下においては十分な転動疲労寿命を有
していたが、このように異物が混入するような状態では
疲労寿命が大きく低下するという問題があった。

【０００５】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、異物混
入という悪環境下における寿命の低下を最小限に抑えた
直動案内用鋼を提供することにある。また、そのような
直動案内用鋼を使用することにより寿命を向上した直動
案内装置を提供する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る高周波焼入用直動案内用鋼は、
重量比にして、Ｃ：0.50〜0.65％、Ｓｉ：0.35％以下、
Ｍｎ：1.30〜1.70％、Ｐ：0.030％以下、Ｓ：0.030％以
下、Ｃｕ：0.30％以下、Ｎｉ：0.80〜1.20％、Ｃｒ：0.
10〜0.50％、Ｍｏ：0.10％以下、Ｏ：0.0020％以下を含
有し、残部がＦｅ及び不純物元素から成ることを特徴と
する。

【０００７】なお、異物混入下においてより優れた寿命
を確保するためには高周波焼入後の表面焼入層の残留オ
ーステナイト量を15〜30％とすることが望ましい。

【０００８】また、本発明に係る直動案内装置は、軌道
台上に設けられた移動ブロックが移動することにより移
動ブロック上に載置された物品を搬送する直動案内装置
において、前記軌道台及び／又は移動ブロックに上記直
動案内用鋼を使用したことを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】直動案内装置のボールとレールの間及びボール
と移動ブロックとの間の接触は点接触に近く、この接触
点直下においては部分的に非常に高い応力（ヘルツ応
力）が生じる。このヘルツ応力により、ボールの軌道直
下の微小部分において転位が徐々に集積する。ボール転
動による負荷の繰り返し回数が所定の限度を超えると転
位の集積部分で亀裂が生じ、鋼材の表面が剥離する。通
常、鋼中には非金属介在物が存在するために、それを起
点をして応力集中が生じ、介在物を起点とした剥離が生
じる。この表面剥離の時点が鋼材の転動疲労寿命であ
る。このような表面剥離（ピッチング）に対して強く、
高い転動疲労寿命を有する鋼を得るためには、鋼の硬さ
を十分に高くしておくと共に、靱性も高くしておく必要
がある。

【００１０】本発明鋼は、前記成分範囲とすることによ
り、従来鋼に比べ優れた性能を得ることができるが、更
に表面焼入層の残留オーステナイト量を適切な範囲とす
ることにより、より優れた寿命を得ることができる。

【００１１】すなわち、残留オーステナイトは靱性を向
上する効果を有するが、その量が増加すると高周波焼入
硬さが低下する。そこで、残留オーステナイトの最適量
を調査した結果、これを15〜30％とすることにより、異
物が混入する悪条件の環境下においてより優れた転動疲
労寿命が得られることを見出したものである。なおその
ための熱処理条件としては、表面加熱温度を950〜1050
℃とするのが良い。

【００１２】一方、レール、移動ブロック等の直動案内
部材とボールとの間に異物が混入すると、その異物がボ
ールとレール等との間に挟まれ、レール等に圧痕を形成
するとともに、その加工により残留オーステナイトをマ
ルテンサイトに変態させる。このような加工誘起変態が
多く生じると、残留オーステナイトによる寿命改善効果
が十分に得られなくなる場合がある。また、柔らかい残
留オーステナイトが比較的多い組織中に硬いマルテンサ
イトの島が形成されると、その部分に応力集中が生じ、
ピッチング（表面剥離）の原因となる。このため、高周
波焼入表面層の残留オーステナイトをできるだけ安定化
させる成分系とすることにより、マルテンサイトへの変
態を抑制し、異物混入に対して強い高周波焼入用鋼とす
ることができる。本発明では、オーステナイト安定化元
素であるＮｉを適量添加することによりオーステナイト
を安定させ、このような使用中のマルテンサイトへ変態
の抑制を図り、優れた寿命の確保を可能としたものであ
る。

【００１３】本発明者らはこのような知見を基に、本発
明鋼の化学成分範囲を上記のように規定した。各元素の
成分範囲限定理由は次の通りである。

【００１４】Ｃ：0.50〜0.65％ ボールの転動による疲労に耐えるためには、高周波焼入
層の焼もどし後の硬さがＨRＣ60以上（表面から２mm以
上であることが好ましい。）である必要がある。Ｃが0.
50％未満では高周波焼入層においてこのような硬さが得
られない。また、より優れた寿命を得るために高周波焼
入層において15％以上の残留オーステナイトを生成させ
るためには、Ｃ含有量を0.50％以上とする必要がある。
更に、Ｃは残留オーステナイト量の確保に有効であり、
本発明にとって最重要元素である。なお、これらの効果
を更に確実にするためには、Ｃ含有量は0.56％以上であ
ることが望ましい。一方、Ｃが0.65％を超えると高周波
焼入時に割れる可能性がある。なお、このような高周波
焼入割れを更に確実に防止するためには、Ｃ含有量を0.
60％以下とすることが望ましい。

【００１５】Ｓｉ：0.35％以下 レール、移動ブロック等の直動案内部材は精密部品であ
るため、仕上形状に近い状態まで切削加工を行ない、最
後に研削により精密な仕上加工を行なう。材料の被削性
が良好でないと工具寿命が短くなり、加工能率が大きく
低下する。従って、直動案内用鋼としては被削性も重要
な品質項目であるが、Ｓｉが0.35％を超えると被削性が
悪化するため、本発明鋼ではＳｉ含有量の上限を0.35％
とした。なお、後述の通り、本発明鋼では酸素量を低減
することにより非金属介在物量を極めて低下させ、転動
疲労寿命を向上させているが、Ｓｉは製鋼の精錬時に用
いる脱酸剤から不可避的に鋼中に混入する。従って、Ｓ
ｉ量を0.10％未満に抑えると酸素低減効果が不十分とな
る可能性があるので注意が必要である。

【００１６】Ｍｎ：1.30〜1.70％ Ｍｎは焼入性向上効果の大きい元素である。直動案内用
鋼においても十分な焼入性を確保するために1.30％以上
含有させることが必要である。なお、望ましくは1.35％
以上含有させる。一方、Ｍｎは偏析を助長する元素でも
ある。1.70％を超えるＭｎを含有させると偏析が著しく
なり、鋼材に不均質性が現われて転動疲労寿命が低下す
る。なお、偏析を更に効果的に防止するためには、Ｍｎ
含有量は1.65％以下とすることが望ましい。

【００１７】Ｐ：0.030％以下 Ｐは粒界脆化を促進する元素であるため、0.030％以下
とする。粒界脆化を更に防止するためには0.025％以下
としておくことが望ましい。

【００１８】Ｓ：0.030％以下 ＳはＭｎＳとして非金属介在物を構成し、転動疲労寿命
を低下させる。このような弊害を防止するため、Ｓを0.
030％以下とする。ただ、ＭｎＳは被削性を改善する効
果を有するため、上述の被削性の観点より0.010％以上
としておくことが望ましい。

【００１９】Ｃｕ：0.30％以下 Ｃｕは高温において粒界に偏析し、粒界を脆化させるこ
とにより鋼材の熱間加工性を劣化させる。このような弊
害を防止するため、Ｃｕの含有量を0.30％以下とする。

【００２０】Ｎｉ：0.80〜1.20％ Ｎｉはオーステナイト安定化元素である。上述の通り、
本発明は高周波焼入層において使用中にマルテンサイト
への変態が生じにくい安定な残留オーステナイトを形成
させることを目的としているが、そのためには0.80％以
上のＮｉを含有させる必要がある。なお、望ましくは0.
90％以上とする。一方、Ｎｉを過度に含有させると残留
オーステナイト量が過多となり、上記適切な残留オース
テナイト量の上限30％を超えやすくなり、必要な硬さが
得られなくなる。また、Ｎｉは被削性を低下させる。こ
のため、Ｎｉ含有量の上限を1.20％とする。なお、望ま
しくは1.10％以下とする。

【００２１】Ｃｒ：0.10〜0.50％ Ｃｒは鋼の焼入性及び靱性を向上させる。これらの効果
を十分に得るため、Ｃｒの含有量は0.10％以上とする。
一方、Ｃｒは炭化物形成元素であるため、加熱時間が短
い高周波焼入において焼入を不十分にする。Ｃｒ含有量
が0.50％を超えると高周波焼入硬さが上記ＨRＣ６０以
下となりやすくなるため、上限を0.50％とする。

【００２２】Ｍｏ：0.10％以下 ＭｏはＣｒ同様、炭化物形成元素であるため、高周波焼
入性を悪化させる。このため、Ｍｏ含有量を0.10％以下
とする。

【００２３】Ｏ：0.0020％以下 Ｏは鋼中において酸化物系非金属介在物を形成する。0.
0020％を超えるＯを含有させると、転動疲労寿命が著し
く低下するため、上限を0.0020％とした。好ましくは0.
0015％以下とするのが良い。

【００２４】更に、より優れた寿命を得るためには、前
述したように、残留オーステナイト量と焼入時の表面加
熱温度を下記のように限定することが望ましい。その限
定理由は以下の通りである。

【００２５】残留オーステナイト量：15〜30％ 前述したように、本発明鋼の寿命をより向上するには、
残留オーステナイト量を15〜30％とするのが好ましい。
下限を15％としたのは、15％未満では残留オーステナイ
トによる寿命改善効果が十分でないためであり、上限を
30％としたのは、それ以上にすると、表面焼入層の硬さ
ＨRＣ60以上を確保しにくくなるためである。

【００２６】高周波焼入時の表面加熱温度：950〜1050
℃ 焼入時の表面加熱温度の下限を950℃としたのは、950℃
未満では、残留オーステナイト量15％を確保できない場
合が生じること、及び、高周波焼入のような短時間加熱
の場合には炭化物を十分に固溶させることが難しくな
り、不完全焼入となる場合があることによるものであ
る。また、上限を1050℃としたのは、温度が高すぎると
焼割れが起こりやすくなるためである。

【００２７】

【実施例】図１は直動案内装置の概略図である。図１に
おいて符号１０は直動案内装置であり、該直動案内装置
１０は、軌道台１２と、軌道台１２上に設けられた移動
ブロック１４と、移動ブロックの両端に設けられたエン
ドプレート１６と、軌道台と移動ブロックの転動溝間に
設けられた複数のボール１８を備えて構成される。本実
施例の直動案内装置１０では、軌道台１２及び移動ブロ
ック１４に本発明に係る直動案内用鋼が使用されてい
る。

【００２８】次に、本発明鋼の特徴を比較鋼及び従来鋼
と対比して説明する。表１にこれら供試鋼の化学成分を
示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】表１において、Ａ〜Ｊが本発明鋼であり、
Ｋ〜Ｏはいずれかの成分が本発明で規定する範囲を外れ
ている比較鋼である。Ｐは本願出願人の製造に係る従来
鋼ＳＭｎ５３（商品名）である。

【００３１】これら各供試鋼について、次のような工程
で転動疲労試験片を作成した。まず、各供試鋼を30kgＶ
ＩＭ（真空誘導溶解）炉にて真空溶解し、インゴットに
鋳造した後、1150〜1200℃に加熱してφ60mmの丸棒に鍛
伸した。この丸棒材から厚さ10mmの円盤状の平板を切り
出し、表面に高周波焼入及び焼もどしを行ない、研削及
び研磨加工により表面を鏡面状態として転動疲労試験片
とした。高周波焼入の際の最高加熱温度は、Ｊ鋼を除い
て全て1000℃とし、焼入深さが約３mmとなるように予め
高周波焼入条件（周波数、時間）を調整した。焼もどし
は160℃の油により行なった。Ｊ鋼のみは残留オーステ
ナイト量の寿命への影響を確認するために昇温時間を短
くし、900℃というやや低い温度から焼入を行なった。
高周波焼入後の表面硬さを表２に示す。なお、表面硬さ
は表面から0.5mmの位置のビッカース硬さを測定し、ＨR
Ｃに換算した値を表２に示した。

【００３２】転動疲労試験はスラスト型転動疲労試験装
置により行なった。清浄状態での転動疲労試験は、試験
片の表面に清浄な潤滑油を供給した状態でボール（鋼
球）を表面に繰り返し転動させ、軌道にピッチング（表
面剥離）が発生するまでのボール転動回数を測定した。
また、異物混入状態での転動疲労試験は、本発明鋼より
なる図１に示す直動案内装置を用い、125μｍ以下の鋳
物粉を体積比1/20だけ混入させた潤滑油を軌道台１２の
ボール転動部に供給した状態でボールを転動させて、同
様にピッチング発生までのボール転動回数を測定した。
いずれも、各供試鋼の転動疲労寿命の評価は、従来鋼の
Ｂ10寿命（累積破損率が10％のときのボール転動回数）
を１とした比率で表わした。両状態での転動疲労試験の
結果を表２に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】残留オーステナイトの安定性を調査するた
め、転動疲労試験を行なう前と、異物混入状態での疲労
試験を行なった後にそれぞれ、各試験片の表面のボール
の軌道の残留オーステナイト量をＸ線法により測定し
た。その結果も表２に示す。

【００３５】表２に示される通り、まず、本発明鋼では
いずれもＨRＣ６０以上の表面硬さが得られており、Ｊ
鋼を除き、高周波焼入層の残留オーステナイト量は15〜
30％の範囲内に収まっている。そして、Ｊ鋼を除く本発
明鋼の清浄状態での転動疲労寿命はいずれも従来鋼の10
倍以上、異物混入状態での転動疲労寿命は従来鋼の2.1
倍以上の高い値を示している。また、残留オーステナイ
ト量の変化による影響を調べるために、熱処理条件を変
化させて残留オーステナイト量を若干低めに調整したＪ
鋼も、他の発明鋼に比べ若干劣るものの、従来鋼に比べ
て優れた寿命が得られることがわかる。

【００３６】それに対し、Ｃ含有量が上限を超えている
比較鋼Ｋ鋼では、高周波焼入時に焼き割れが生じ、以降
の試験を行なうことが不可能となった。Ｍｎ量が上限を
超えている比較鋼Ｌ鋼は、異物混入状態でのＢ10寿命比
は従来鋼よりは良いものの、本発明鋼ほどの改善効果は
得られていない。これは、Ｍｎの偏析誘起作用により組
織にやや不均一性が生じたためと思われる。Ｃ含有量が
下限を下回っている比較鋼Ｍ鋼は、正規の熱処理によっ
ても十分な硬さが得られず、また、残留オーステナイト
量が11％と少ないため、異物混入状態での転動疲労試験
結果において本発明鋼ほどの改善効果が得られない。Ｎ
ｉ含有量が下限を下回っている比較鋼Ｎ鋼も同様に試験
前の残留オーステナイト量が13％と低く、試験前後の残
留オーステナイトの減少率が46％と多い（すなわち、残
留オーステナイトが安定でない）ため、本発明鋼ほどの
寿命改善効果が得られていない。Ｓ含有量が上限を超え
ている比較鋼Ｏ鋼は、ＭｎＳ系非金属介在物量が多いた
め、転動疲労寿命は清浄状態、異物混入状態とも本発明
鋼ほどの改善効果が得られない。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る高周波焼入用直動案内用鋼
は、高周波焼入後に残留するオーステナイトを利用し、
異物混入下においても優れた転動疲労寿命を得ることが
できる。そして、本発明に係る高周波焼入用直動案内用
鋼では、Ｎｉ等の化学成分量を規定することによりこの
残留オーステナイトを安定なものとしている。これによ
り、ボールとレール又はボールと移動ブロックとの間に
異物が混入しても、残留オーステナイトがマルテンサイ
トに加工変態するということが抑制され、その結果とし
て、異物混入という悪環境下においても、優れた寿命を
確保することができる。従って、そのような高周波焼入
直動案内用鋼を軌道台（レール）及び移動ブロックに使
用した直動案内装置は、長期間の使用後も精度が低下す
ることなく使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 直動案内装置の一部分解斜視図。

【符号の説明】

１０…直動案内装置 １２…軌道台 １４…移動ブロック １６…エンドプレート １８…ボール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 雅史 愛知県東海市荒尾町ワノ割１番地 愛知 製鋼株式会社内 (72)発明者 清水 信善 東京都品川区西五反田３丁目11番６号 テイエチケー株式会社内 (72)発明者 伊勢 弦二郎 東京都品川区西五反田３丁目11番６号 テイエチケー株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−61348（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−48857（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量比にして、Ｃ：0.50〜0.65％、Ｓ
   ｉ：0.35％以下、Ｍｎ：1.30〜1.70％、Ｐ：0.030％以
   下、Ｓ：0.030％以下、Ｃｕ：0.30％以下、Ｎｉ：0.80
   〜1.20％、Ｃｒ：0.10〜0.50％、Ｍｏ：0.10％以下、
   Ｏ：0.0020％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物元素
   から成ることを特徴とする高周波焼入用直動案内用鋼。
2. 【請求項２】 軌道台上に設けられた移動ブロックが移
   動することにより移動ブロック上に載置された物品を搬
   送する直動案内装置において、前記軌道台及び／又は移
   動ブロックを以下の材料で構成したことを特徴とする直
   動案内装置：重量比にして、Ｃ：0.50〜0.65％、Ｓｉ：
   0.35％以下、Ｍｎ：1.30〜1.70％、Ｐ：0.030％以下、
   Ｓ：0.030％以下、Ｃｕ：0.30％以下、Ｎｉ：0.80〜1.2
   0％、Ｃｒ：0.10〜0.50％、Ｍｏ：0.10％以下、Ｏ：0.0
   020％以下を含有し、残部がＦｅ及び不純物元素から成
   る鋼。