JP4533613B2 - ロールバレルスクリュードライブのためのナットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は焼入れ鋼の、特に転がり軸受鋼の部材の製造方法に関し、例えばロールバレルスクリュードライブのためのナットの製造方法に関する。

規格どおりに、転がり軸受の鋼（例えば100Cr6）の半製品が、この種の製造プロセスの間に軟らかい状態に形作られる。続いて硬度（HRC）58と負荷の下での操作に必要とされる硬度深さとに等しいかそれよりも大きい表面硬度を得るために、全体の構造要素か少なくともその機能的な面のどちらかが熱処理される。普通、マルテンサイト組織が上述の条件を満たす熱処理の間に製造される。焼入れしていない部材の内部応力と、熱処理による温度勾配に基づいて誘起された熱応力と、相変化に起因する変態応力との間における複雑で一つの原因でない相互作用に基づいて、構造要素の寸法・形状変化（硬化変形）が生じる。これら寸法・形状変化は事実上、通例大部分は確率的であり、出発原料、軟化処理及び熱処理の最適化において十分には考慮されない。例えばロールバレルスクリュードライブのナットのような、転がり軸受の構造部材の操作に必要とされる非常に正確な幾何学的形状が、以下の手順によるだけで得られる。まず適当な寸法の部材が軟らかい状態に形作られる。次いでそれは熱処理に加えて、必要とされる幾何学的形状を形成するために、定められたまたは不定の、フライス加工工具または切削工具によって硬化された状態に後処理される。

すでに、硬化加工ステップを削除するように構成された代わりの製造方法が提案されている。こういう訳で特許文献１が記述されている。しかしながらこの起点は不十分な精度で構造部材を製造するか、熱処理の後に一般的なスペックを満たさない転がり軸受の部材を製造することになる。

焼入れ鋼の部材を作る方法が、空気焼入れ鋼として特徴づけられる原料が用いられる特許文献２で開示されている。この文献と、本発明の場合においてもまた、術語「空気焼入れ鋼」は一種の資材を意味する。そのオーステナイト化後の温度−時間変態特性は、空気の熱伝達係数を仮定して、マルテンサイト変態転移を開始するのに十分な冷却速度を提供する。この公知の方法において、鋼の部材が１１００℃以上に熱せられる。構造部材の熱変態がこの温度で実施され、次に構造部材は空気で冷却されると同時に加工熱処理を受ける。この方法には、熱変態と加工熱処理の間に用いられる工具が、１１００℃に上る温度に耐える必要があるという不都合がある。ゆえに、特別な工具の使用が必要とされる。さらに、構成要素または部材の加工が、温度制御された条件、すなわち空間的に及び／または工学的に制限された条件の下で実施されなければならない。

U.S. Patent 6334370B1 DE 19821797C1

本発明の目的は焼入れ鋼の部材または構成要素、特に転がり軸受の部材、例えばロールバレルスクリュードライブのナットを製造する方法を提供することである。本発明は、特別な工具を使用せずに、部材または構成要素を機械によって硬化加工せずに実施される。

本発明に従って、ロールバレルスクリュードライブのための焼入れ鋼のナットを作る方法は以下のステップを有する：
−空気焼入れ鋼の半製品を作る
−半製品を冷間形成して、所定のまたは所望の形状を有する完成形状のロールバレルスクリュードライブのためのナットにする
−熱処理プロセスによって完成形状のロールバレルスクリュードライブのためのナットを焼入れる

本発明の「空気焼入れ」鋼と呼ばれる原料は、軟らかい状態においては高い均一性、非常に良好な冷間塑性加工性及び良好な機械加工性によって、硬化された状態においてはとりわけ機械加工性によって特徴づけられる。最小の炭素量が選択されるので、転がり軸受の部材または構成要素として用いるのに必要とされる最小の硬度が確かに提供され得る。すでに述べたように、これら鋼の原料の特別な温度−時間特性により、マルテンサイト組織が形成するのに十分ゆっくり冷却されるので、水、ポリマー溶液、オイル、塩の融解生成物によってまたは高圧ガス急冷などによって、急速冷却が実施される必要がない。

原料は、内部冷却応力の最小化の結果として、マルテンサイト及び／またはベイナイト組織の創出のために熱処理する間、小さな寸法・形状変化を示すだけである。この原料は高合金及び極めて高い合金の冷却特性を有するが、高合金の元素量に関連する高い原料費はかからない。高合金原料に比べて、特別な混合相の熱力学のために必要とされる、エレクトロスラグ再溶解法（ＥＳＲ）や真空アーク再溶解法（ＶＡＲ）のようなコストのかかる二次金属プロセスはこの原料の場合、不要になる。特に空気焼入れ鋼を用いて、徐冷（特に静止した空気または不活性空気を伴う冷却）によって、適切な高濃度においてコストのかかる合金要素がないままに、マルテンサイト組織の変化が引き起こされ得る。

空気焼入れ鋼は、焼入れ部材に、特に転がり軸受の部材に必要な寸法安定性を有することが完全に示された。この時、それらはすでに最終フォームまたは形状で冷状態に置かれており、熱処理は実際には完成形状の部材を焼入れるのに役立つだけである。ゆえに本発明に従う方法において、熱処理後に機械による硬化加工プロセスを避けることができるだけでなく、冷状態において部材の形成もまた実施され、それでこの方法は従来の工具を用いて実施され得る。これら両特徴により、これら鋼の部材または構成要素の製造においてかなりの節約と単純化が可能になる。

熱処理の正確な方法とは無関係に、好ましい空気焼入れ鋼は以下の組成を有する：
約０．３１重量％〜約０．８５重量％の炭素（Ｃ）
約０．９５重量％〜約２．１０重量％のケイ素（Ｓｉ）
約１．１５重量％〜約１．８５重量％のマンガン（Ｍｎ）
約０．００重量％〜約１．６５重量％のクロム（Ｃｒ）
約０．０５重量％〜約０．２０重量％のニッケル（Ｎｉ）
約０．１０重量％〜約０．７０重量％のモリブデン（Ｍｏ）
残部鉄と不可避的不純物。不可避的不純物は、例えば１０ppmまでの濃度の酸素と３０ppmまでの濃度のチタン（Ｔｉ）である。

特に好ましい実施形態において、鋼は以下の組成を有する：
約０．６７重量％の炭素（Ｃ）
約１．５０重量％のケイ素（Ｓｉ）
約１．５０重量％のマンガン（Ｍｎ）
約１．００重量％のクロム（Ｃｒ）
約０．１０重量％のニッケル（Ｎｉ）
約０．２５重量％モリブデン（Ｍｏ）
残部鉄と不可避的不純物。

構成要素の成形は、例えばハンマリング（槌打）によってなされる。代わりに、タッピングやプレス成形によって半製品を冷間形成することもまた可能である。これら両作業は、ロールバレルスクリュードライブのためのナット製造の以下の例でより詳細に説明される。

円筒状の半製品が、ロールバレルの走行軌道の内部形状を有するプロファイルドマンドレルにおいて、ハンマリングや回転スエージ加工によって押される。半製品の原料は、プロファイルドマンドレルにおいて、回転し遠心力により打撃インパクトを与える多数のラムによって整形される。工作物は軸方向の動きを行うので、前進する。冷間形成の後、プロファイルドマンドレルは部材から離れて回転し、フライス作業が外表面で実施される。

部材または構成要素はフライス加工により作られ、タッピングとプレス成形によりロールバレルの走行軌道になる。先ずこの走行軌道が僅かなオフセットのタッピングにより部材に形成される。続いてそれはプレスプロセスでサイズ決めされ、その表面が滑らかにされる。

従来のオーブン技術によって部材を全体にわたって完全に焼入れることは、本発明に従う方法において好ましい熱処理プロセスの例である。この焼入れ法は、真空焼入れ、磁性焼入れ、高周波焼入れ、炎焼入れ、ニトロ化または浸炭窒化によって、特別な雰囲気を用いてまたは用いずに実施され得る。鋼の変換プロセスを、すなわち加工熱処理可能性の位相空間を記述する関連データによれば、以下のことが述べられる：
−オーステナイト化が、９００℃以上の温度Ｔ_{オーステナイト}で、好ましくは約９２０℃と約９５０℃の間で起こる。
−パーライト形成が、約６８０℃の開始温度Ｔ_{パーライト、開始}と約６５０℃の最終温度Ｔ_{パーライト、最終}の間の温度範囲で、約０．１Ｋ／秒以下の冷却速度で起こる。
−マルテンサイト形成が、約２００℃の温度Ｔ_{マルテンサイト、開始}で開始する。

例えばSAE52100のような従来の焼入れ転がり軸受鋼の場合には、構造部材が数秒で約２９０℃の温度Ｔ_{マルテンサイト、開始}まで冷却されなければならない一方で、本発明の場合には数時間が有効である。しかしながら工業的熱処理または熱機械的プロセスの枠内で、合金組成次第では、精錬効果（脱炭効果、Abkohlungseffekte）が考慮されなければならない。

焼入れの後、次に表面加工や精錬処理が構造要素または構造部材に施され得る。これには幾何学的変化や製造フライス加工プロセスはなく、表面特徴に決定的な影響を及ぼす研磨、グラインディング、ラップ仕上げなどのプロセスだけを有する。特に表面特性には表面粗さが含まれる。表面粗さは多数のパラメータで表される。これらパラメータは相加平均粗さＲａを含む。それらは、粗さ深さＲｚ（連続する個々のセクションの個々の粗さ深さＲｚｉの相加平均）、Ｒｍａｘ（所定の測定セクション内の最大粗さ深さ）、Ｒｍｒ（原料で満たされたセクションの長さの、全体の測定セクションの長さに対する比）、またはピーク数ＨＳＣ（すなわち所定のセクションレベルを超過するセクションピークの数）である（DIN4762及び／またはISO4287／1を参照）。

Claims (6)

1. ロールバレルスクリュードライブのための焼入れ鋼で成るナットを作る方法において、
   上記方法が
   −空気焼入れ鋼の半製品を作り、
   −上記半製品を冷間成形して、所定の完成形状を有する、完成形状のロールバレルスクリュードライブのためのナットにし、
   −熱処理プロセスによって上記完成形状のロールバレルスクリュードライブのためのナットを焼入れるというステップを有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   空気焼入れ鋼が、
   ０．３１重量％〜０．８５重量％の炭素、
   ０．９５重量％〜２．１０重量％のケイ素、
   １．１５重量％〜１．８５重量％のマンガン、
   ０．００重量％〜１．６５重量％のクロム、
   ０．０５重量％〜０．２０重量％のニッケル、
   ０．１０重量％〜０．７０重量％のモリブデン、
   残部鉄及び不可避的不純物から成る組成を有することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   空気焼入れ鋼が、
   ０．６７重量％の炭素、
   １．５０重量％のケイ素、
   １．５０重量％のマンガン、
   １．００重量％のクロム、
   ０．１０重量％のニッケル、
   ０．２５重量％モリブデン、
   残部鉄及び不可避的不純物から成る組成を有することを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、上記半製品の冷間成形が、上記半製品のハンマリングを備えて成ることを特徴とする方法。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、上記半製品の冷間成形が、上記半製品のタッピング及びプレス加工を備えて成ることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、焼入れ後に、上記完成形状のロールバレルスクリュードライブのためのナットに対して表面加工処理が施されることを特徴とする方法。