JP5890145B2 - ねじ軸及びその製造方法 - Google Patents
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Description
ボールねじにおけるねじ軸やナットには、耐摩耗性や疲労寿命の向上を目的に、浸炭焼入れや高周波焼入れなどによる表面硬化処理が施されるが、特に、ねじ軸においては、長さ寸法が大きいことから、焼入れ時の加熱、冷却に伴う熱変形によって、寸法や形状が変化しやすく、寸法精度を確保することが難しい。
研削加工によるねじ軸の製造工程(研削ボールねじ)と、転造加工によるねじ軸の製造工程(転造ボールねじ)を図9(a)及び(b)にそれぞれ示す。
したがって、このような研削ボールねじは、高い送り精度が要求されるNC工作機械に代表される各種の自動機、半導体製造関連装置、測定機器、検査装置などに適用されることになる。
したがって、転造ボールねじは、さほど精度を必要としない産業用ロボットや搬送機、木工機械などに多く使用される。
そこで、転造加工によるねじ軸の寸法精度を向上させることについては、従来から種々の検討がなされており、例えば、引用文献1あるいは2に開示されている。
そして、本発明のねじ軸製造方法においては、このようなねじ軸を製造するに際して、焼準を施した素材鋼の外周面にねじ溝を転造し、得られたねじ軸素材に浸硫窒化処理を施すことを特徴とする。
そして、このようなねじ軸の製造に際しては、焼準を施した素材鋼の外周面にねじ溝を転造することによって得られたねじ軸素材に、浸硫窒化処理を施した後、大気圧下で400〜650℃に無酸化加熱し、鎖式不飽和炭化水素ガスを加熱状態のねじ軸素材に接触させることによって、浸硫窒化層の表面に、炭素膜を形成するようにしている。
したがって、高温加熱、急冷、変態を伴う焼入れ処理を施すことなく、すなわち寸法精度を損なうことなく、ねじ軸の表面に表面硬化層が形成されており、このようなねじ軸を備えたボールねじやすべりねじの精度品質、耐久性をコストを高めることなく、飛躍的に向上させることができる。
このような炭素膜は、摩擦係数が小さく(無潤滑状態で摩擦係数μ=0.2程度)、潤滑性があり、耐食性、制振性を向上し、油切れやグリース切れを生じ難くする機能を発揮し、転造ボールねじの弱点である騒音や振動を抑えることができる。また、炭素膜は砲金や黄銅などの銅系材料との親和性に乏しいことから、これら銅系材料から成るナットを用いたすべりねじにおけるねじ軸とナットの焼き付きを防止することができる。
図1に示すように、素材は、先ず所定長さの棒状に切断され、次いで焼準が施される。
オーステナイト化温度での保持時間は、丸棒の場合、直径25mm当たり、30〜60分程度で行われる。焼準処理のヒートパターンの一例を図2に示す(後述する実施例に適用)。但し、これは標準的なものであって、ワークのサイズや処理量に応じて調整が必要であることは言うまでもない。
これに対し、本発明においては、窒化処理や浸硫窒化処理を施し、高温加熱、急冷を必要としないことから、歪み量が一桁小さいばかりでなく、収縮・膨張があったとしても、ばらつきのない均一な変形となることから、変形を見込んだ転造も可能となり、より寸法精度の高いねじ軸が得られることになる。
本発明のねじ軸製造方法において、表面硬化処理としては、先ず第1に窒化処理を施して、素材表面に窒化層を形成することができる。窒化処理は、鋼の表面に窒素化合物層と窒素拡散層を形成させて硬化させるものであって、比較的低い温度で、変形を伴うことなくねじ軸に表面硬化層を形成することができる。
すなわち、図3は窒化処理におけるヒートパターンの一例(後述する実施例に適用)を示すものである。すなわち、ワーク(ねじ溝転造後のねじ軸素材)を装入した雰囲気炉内をN2ガスで置換した後、昇温を開始し、昇温開始時点から、あるいは400〜650℃の処理温度に到達した状態で、NH3(アンモニア)ガスのような窒素源ガスを供給することによって、ワーク表面に窒化層を生成することができる。
すなわち、図4は浸硫窒化処理におけるヒートパターンの一例(後述する実施例に適用)を示すものである。ワークを装入した雰囲気炉内をN2ガスで置換した後、昇温を開始し、昇温開始時点から、あるいは400〜650℃の処理温度に到達した状態で、窒素源ガスとしてのNH3ガスと共に、H2S(硫化水素)ガスのような硫黄源ガスを供給することによって、ワーク表面に浸硫窒化層を生成することができる。なお、硫化水素は鋼材の表面に吸着しやすく、炉内に空気が僅かに残留していたとしても、残留空気による表面酸化を防止する効果を発揮することから、H2S(硫化水素)ガスは昇温開始と同時に供給するようにすることが望ましい。
このような炭素膜は、上記方法によって窒化層あるいは浸硫窒化層を形成させたねじ軸に、さらに炭素膜処理を施すことによって得ることができる。
すなわち、雰囲気炉に窒化層又は浸硫窒化層を備えたワークを装入したのち、当該炉内をN2ガスで置換した後、昇温を開始し、昇温開始時から、あるいは400〜650℃の処理温度に到達した状態で、アセチレン(C2H2)ガスのような鎖式不飽和炭化水素ガスを水素(H2)又は少量のアンモニア(NH3)ガスと共に供給することによって、ワーク表面の窒化層又は浸硫窒化層のさらに表層部に炭素膜を形成することができる。
すなわち、ねじ溝転造後のねじ軸素材(ワーク)を雰囲気炉内に装入した状態で、炉内をN2ガスにより置換して、昇温を開始し、昇温開始時点から、あるいは400〜650℃の処理温度に到達した時点で、NH3ガスのような窒素源ガスと共に、C2H2ガスのような鎖式不飽和炭化水素ガスを炉内に供給して、ワークに接触させることによって、ワーク表面に窒化層と炭素膜を形成することができる。なお、図6においては、C2H2ガスを処理温度に到達した後、10時間経過した時から供給するようにしているが、処理開始当初から供給したとしても、何ら差し支えない。
すなわち、ねじ溝転造後のワークを雰囲気炉内に装入した後、炉内をN2ガスで置換して、この状態で昇温を開始する。そして、昇温開始時点から、あるいは400〜650℃の処理温度に到達した時点で、NH3ガスのような窒素源ガス及びH2Sガスのような硫黄源ガスと共に、C2H2ガスのような鎖式不飽和炭化水素ガスを炉内に供給して、ワークに接触させることによって、ワーク表面に浸硫窒化層と炭素膜を形成することができる。なお、図7においては、H2Sガスの供給を処理の前半で終了させているが、供給を最後まで継続させても、特に支障はない。C2H2ガスについても、図6の場合と同様に、処理開始当初から供給したとしても支障はない。
そして、完成したねじ軸は、ボールねじ、あるいはすべりねじの組み立て工程に搬送されて、ナット及びボール(ボールねじの場合)が組み込まれ、ボールねじあるいはすべりねじとなって出荷されることになる。
そして、上記表面硬化層の表面に、炭素膜をさらに形成することによって、耐食性や潤滑性、制振性をも向上させることができるようになり、ボールねじやすべりねじの運転時における騒音や振動を低減することが可能になる。
まず、JIS G4805に規定される高炭素クロム軸受鋼SUJ2から成る径10.3mmの棒鋼を300mmの長さに切断した後、図2に示すように、920℃の真空炉中で、1時間保持した後、窒素中で急速ガス冷却することによる焼準処理を施した。
次いで、外径研削としてセンタレス研削を行い、素材表面の酸化物や表面傷を除去し、9.95mmの外径寸法に仕上げた。そして、所定のロールダイスを用いてねじ溝を転造加工し、呼び外径10mm、リード3mm、ボール径2mm、有効長さ300mmのねじ部を備えたボールねじ用のねじ軸素材を作製した。
すなわち、ねじ溝を転造したねじ軸素材を雰囲気炉に装入し、一旦真空に排気した後、炉内にN2ガスを供給して雰囲気置換した状態で昇温を開始し、480℃に12時間保持した。そして、毎分15NLのN2ガスを流しながら、昇温開始時からNH3ガスを降温開始の時点まで毎分15NL供給するようにした。なお、これらの熱処理には、炉内有効寸法:450mm径×600mm高さ、処理重量:150kgのピット型多目的ガス窒化炉を使用した。
そして、騒音試験の終了後にボールねじを解体し、ねじ軸の中央部を切断して、表面硬さと共に、窒化層の厚さを測定した。これらの結果を表1に示す。
上記参考例1と同じ素材鋼を用いて、同様の焼準、外径研削、ねじ溝転造を施すことによって得られた同様のねじ軸素材に、図4に示すようなガス浸硫窒化処理を施し、その表面に浸硫窒化層を形成した。
すなわち、ねじ溝転造後のねじ軸素材を雰囲気炉に装入し、炉内をN2ガスにより置換した状態で昇温を開始し、毎分15NLのN2ガスを流しながら、昇温開始時からNH3ガスと共にH2Sガスを炉内に供給し、480℃に12時間保持した。なお、NH3ガス及びH2Sガスの供給量は、それぞれ毎分30NL及び毎時0.6NLとし、H2Sガスについては、昇温後2時間経過した時点で供給を停止する一方、NH3ガスについては、昇温後12時間が経過して降温が開始されるまで供給を継続するようにした。また、H2Sガスについては、少量であることから、N2ガスによって希釈(N2:H2S=97:3)した状態で供給するようにした。
上記参考例2で得られたねじ軸に、図5に示すような炭素膜処理を施すことによって、浸硫窒化層の上にさらに炭素膜を形成した。
具体的には、上記参考例2と同様の方法によって、ねじ軸素材に浸硫窒化層を形成した後、これを雰囲気炉に装入し、炉内をN2ガスにより置換した状態で、毎分25NLのN2ガスと毎分7NLのH2ガスを流しながら、480℃までの昇温を開始した。そして、480℃に2時間保持している間、毎分0.2NLのC2H2ガスを供給した。
上記参考例1と同じ手順によって転造したねじ溝を有するねじ軸素材に、図6に示すような炭素膜複合窒化処理を施し、その表面に窒化層と共に炭素膜を形成した。
すなわち、ねじ溝転造後のねじ軸素材を雰囲気炉に装入し、炉内をN2ガスにより置換した状態で、毎分15NLのN2ガスを流しながら昇温を開始し、昇温開始時から毎分30NLのNH3ガスを炉内に供給し、480℃に12時間保持した。そして、480℃の保持温度に昇温後10時間が経過した時点で、毎分0.2NLのC2H2ガスを供給した。
なお、12時間の処理を終えた後は、NH3ガス及びC2H2ガスの供給を停止すると共に、N2ガスの供給量を毎分25NLに増加し、炉内に残存するNH3ガスやC2H2ガスの排出を促進するようにした。
上記参考例1と同じ手順によってねじ溝を転造したねじ軸素材に、図7に示すような炭素膜複合浸硫窒化処理を施し、その表面に浸硫窒化層と共に炭素膜を形成した。
すなわち、ねじ溝転造後のねじ軸素材を雰囲気炉に装入し、炉内をN2ガスにより置換した状態で、毎分15NLのN2ガスを流しながら480℃への昇温を開始し、昇温開始時から毎分30NLのNH3ガスと毎時5NLのH2Sガスとを炉内に供給し、480℃に12時間保持した。そして、480℃に昇温後2時間経過した時点でH2Sガスの供給を停止すると共に、10時間が経過した時点で、毎分0.2NLのC2H2ガスの供給を開始した。なお、都合12時間の処理を終えた後は、上記炭素膜複合窒化処理と同様に、NH3ガス及びC2H2ガスの供給を停止すると共に、N2ガスの供給量を毎分25NLに増加した。
また、硬化組織の代表例として、当該実施例5により得られたねじ軸表面における断面組織写真を図8に示す。
上記参考例1に用いた棒鋼を同様に切断した後、焼準処理を施すことなく、同様の外径研削を行い、上記同様に9.95mmの外径寸法に仕上げた。そして、所定のロールダイスを用いてねじ溝を転造加工することによって、同様のねじ軸素材を作製した。
次に、得られたねじ軸素材を高周波焼入装置(100kW、100Hz)の加熱コイルに挿入し、当該コイルに10kV、8Aの条件で高周波電流を流しながら、25mm/秒の送り速度で移動焼入れすることによって、表面に硬化層を形成した。
Claims (8)
- 外周面に螺旋状のねじ溝を備えたねじ軸であって、その内部は硬度Hv400〜450の焼準組織を有し、その表面には浸硫窒化層を有し、
上記浸硫窒化層の上に炭素膜を備えていることを特徴とするねじ軸。 - 請求項1に記載のねじ軸を製造するに際して、
焼準を施した素材鋼の外周面にねじ溝を転造して成るねじ軸素材に、浸硫窒化処理を施した後、大気圧下で400〜650℃に無酸化加熱し、鎖式不飽和炭化水素ガスを加熱状態のねじ軸素材に接触させて、当該素材の表面に浸硫窒化層と、炭素膜を形成することを特徴とするねじ軸の製造方法。 - 請求項1に記載のねじ軸を製造するに際して、
焼準を施した素材鋼の外周面にねじ溝を転造して成るねじ軸素材を大気圧下で400〜650℃に無酸化加熱し、鎖式不飽和炭化水素ガスと窒素源ガスと硫黄源ガスを加熱状態のねじ軸素材に接触させて、当該素材の表面に浸硫窒化層と炭素膜を形成することを特徴とするねじ軸の製造方法。 - 上記硫黄源ガスが硫化水素ガスであることを特徴とする請求項3に記載のねじ軸の製造方法。
- 上記窒素源ガスがアンモニアガスであることを特徴とする請求項3又は4に記載のねじ軸の製造方法。
- 上記鎖式不飽和炭化水素ガスがアセチレンガスであることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1つの項に記載のねじ軸の製造方法。
- 請求項1に記載のねじ軸を備えていることを特徴とするボールねじ。
- 請求項1に記載のねじ軸を備えていることを特徴とするすべりねじ。
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