JP6472146B2 - 高硬度かつ靭性に優れる鋼製部材および高負荷ボールねじのナット - Google Patents

Description

本発明は、自動車や各種産業機械等の部品に用いられる機械構造用鋼からなる鋼製部材のうち、高硬度かつ靭性に優れた鋼製部材に関し、特にその鋼製部材を用いた高負荷ボールねじのナットに関する。

自動車、各種産業機械の部品のうち、特に耐摩耗性、疲労特性等を必要とする部品に用いられる鋼材は、焼入れによって高硬度化することが一般的である。焼入れによってマルテンサイト組織を主体とした鋼材は、Ｃ含有量により硬度が決まり、Ｃ含有量を高めることで鋼材の硬度を上昇させることができる。しかし、高硬度化は反面靭性を低下させ、衝撃が加えられた場合に割れを生じる。すると、硬度と靭性のバランスが要求されるボールねじでは、ボールねじのナットのボール負荷転動路とボール戻し通路との境界部分、すなわち、リターンチューブ出入り口の境界部分で、転動体の接触面積が確保できないので、リターンチューブ出入り口の境界部分に、瞬間的に極めて大きなエッジロード（ピーク面圧）が作用するとともに油膜切れを起こすこととなる。したがって、リターンチューブ出入り口の境界部分が早期に損傷し易く、さらに、この境界部分で生じた鉄粉が潤滑剤中の異物となることから、部品の短寿命化を招く要因となっている。そのため、ボールねじのナットの高負荷用途には、この境界部分の破損を抑制することが必要である。

さて、これらに対処する従来の技術としては、ボールねじのリターンチューブ出入り口の境界部分のナット側のねじ溝にクラウニング加工部を形成することにより、転動体に作用する荷重を解放させるものがある。こうしたクラウニング加工によると、ボールねじのナット側のねじ溝に剥離等を発生させるようなピーク面圧がボール負荷転動路とボール戻し通路との境界部分に発生しなくなるので、ナット側のねじ溝に剥離等が発生することを防止することを指向した高負荷ボールねじが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、クラウニングの形状設計とその加工のための特殊設備の導入などは、大幅なコストアップを招き、また量産性にも問題があった。

また、鉄粉等の異物が潤滑剤中に混ざり圧痕を作るような環境下において、残留オーステナイトを増加させることによって、はく離を抑制しようとする方法がある(例えば、特許文献２参照)。しかし、過共析鋼の焼入れ組織に不可避に存在する炭化物に関しては、単位面積当たりの個数の規定はあるが、形状に関する規定はなされておらず、その制御までは念頭に置いておらず、それゆえに、粗大な炭化物やアスペクト比の大きな炭化物が存在することとなると、靭性を低下させる問題が生じてしまっている。

特開２００５−１８０６５５号公報 特許第４５６９９６１号公報

本願が解決しようとする課題は、従来の肌焼鋼よりもＣ量の多い過共析鋼を使用して炭化物の個数、分布、および形態の制御を狙った熱処理を行うことにより、優れた高硬度かつ靱性に優れた鋼製部材を提供することであって、さらにその鋼製部材を用いてクラウニング等の形状設計を行うことなく、硬さ、靭性、および残留オーステナイト量の得られる鋼製部材とし、さらに、この鋼製部材からなるボールねじのナットの転走部の加工時に残留圧縮応力を付与することにより、ボールねじのナットのリターンチューブの出入口である境界部におけるナット側のねじ溝の損傷を抑制し、かつ残留オーステナイト量の調整および研削加工によりねじ溝の表面に残留圧縮応力を付与することによって、表面起点型のはく離を抑制し、高硬度でありながら高い靭性を両立させてより高負荷に耐えうる高負荷ボールねじのナットを提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の手段は、第１の手段では、質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．９０〜２．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．２５％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼であり、表面硬さが６０〜６４ＨＲＣであり、アスペクト比が１．５以下のセメンタイトが全セメンタイトの９０％以上であり、前記セメンタイトを１．０×１０⁵個／ｍｍ²以上含有し、その９０％以上が粒径１μｍ以下であり、旧オーステナイト粒度は９番以上であり、ベイナイト組織の面積率が１５％以下であり、残留オーステナイト量が２０〜３０ｖｏｌ．％となることを特徴とする高硬度かつ靱性に優れた鋼製部材である。

第２の手段では、第１の手段の鋼製部材であって、該鋼製部材からなるボールねじのナットの転走面の表面の円周方向の残留圧縮応力は９０ＭＰａ以上であることを特徴とする高負荷ボールねじのナットである。

本願発明によると、従来の肌焼鋼よりもＣ量の多い過共析鋼を使用して炭化物の個数、分布、および形態の制御を狙った熱処理により、優れた高硬度でかつ優れた靱性を有することのできる鋼とし、さらに該鋼を用いてクラウニング等の形状設計や加工を行わずとも、硬さ、靭性に優れ、かつ残留オーステナイト量の得られる高負荷ボールねじのナット用の鋼製部材とすることができ、さらに該鋼製部材であるボールねじのナットの転走面の表面の研削または旋削による加工時に付与された円周方向の残留圧縮応力によって、ボールねじのナットのリターンチューブの出入口である境界部におけるナット側のねじ溝の破損が抑制されており、かつ残留オーステナイト量の調整および研削加工あるいは切削加工によるナットのねじ溝の表面に付与された残留圧縮応力によって表面起点型のはく離が抑制されており、ボールねじのナット用の鋼製部材を用いることにより、高硬度でありながら高い靭性を両立して有するものとなるので、自動車や各種産業機械等の部品に用いられる高負荷に耐え得るボールねじのナットとすることができる。

ボールねじのねじ軸に係合したナットの一部およびボールの一部を縦断面で示す側面図。 ボールねじのねじ軸に係合したナットの一部およびボールとリターンチューブの縦断面を示す側面図。

発明を実施するための形態の説明に先立って、本願の発明の手段における実施例鋼および比較例鋼の化学成分の限定理由および各特性の限定理由について説明する。

Ｃ：０．９０〜１．２０％
Ｃは、焼入焼戻し後における、硬度、耐摩耗性、疲労寿命を向上させるが、Ｃが０．９０％未満では十分な硬度が得られない。一方、Ｃは、１．２０％を超えて含有されると、素材硬さを増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害し、さらに、組織中の炭化物量が必要以上に増え、マトリクス中の合金の濃度が低下し、マトリクスの硬さおよび焼入性を低下させる。そのため、Ｃは１．２０％以下とする必要がある。そこで、Ｃは０．９０〜１．２０％とする。

Ｓｉ：０．１０〜１．００％
Ｓｉは、鋼の脱酸に有効な元素であり、鋼に必要な焼入性を付与し、焼戻し軟化抵抗を向上させると共に強度を高める元素である。上記効果を得るには、Ｓｉは最低０．１０％以上は必要である。一方、Ｓｉは素材硬さを増加し、被削性および鍛造性などの加工性を阻害する元素である。そこで、Ｓｉは０．１０〜１．００％とする。

Ｍｎ：０．９０〜２．００％
Ｍｎは、鋼の脱酸に有効な元素である。さらに、Ｍｎは鋼に必要な焼入性を付与し強度を高めるために添加する。このためには、Ｍｎは０．９０％以上を必要とする。一方、Ｍｎは多量に添加すると焼入性が高くなりすぎてしまい焼割れを生じさせるため、Ｍｎは２．００％以下とする。そこで、Ｍｎは０．９０〜２．００％とする。

Ｐ：０．０２５％以下
Ｐは、鋼中に不可避に含有される不純物元素であり、粒界に偏析し靱性を劣化するためにＰは０．０２５％以下とする必要がある。そこで，Ｐは０．０２５％以下とする。

Ｓ：０．０２５％以下
Ｓは、Ｍｎと結びついてＭｎＳを形成し、靱性を劣化させるため、Ｓは０．０２５％以下とする必要がある。そこで，Ｓは０．０２５％以下とする。

Ｃｒ：０．９０〜１．６０％
Ｃｒは、焼入性を向上させる元素である。また、Ｃｒは球状化焼なましによる炭化物の球状化を容易にする元素である。上記の効果を得るには、Ｃｒは、最低でも０．９０％以上必要である。一方、Ｃｒは過剰に添加すると、素材硬さを増加し被削性が低下する。そのため、Ｃｒは１．６０％以下にする必要がある。そこで、Ｃｒは０．９０〜１．６０％とする。

Ａｌ：０．００５〜０．０５０％
Ａｌは、鋼の脱酸に有効な元素であり、さらに、Ｎと結合してＡｌＮを生成するため、結晶粒の粗大化の抑制に有効な元素である。上記の効果を得るためには、Ａｌは０．００５％以上必要である。一方、Ａｌは多量に添加すると非金属介在物を生成して割れの起点となる。そのため、Ａｌは０．０５０％以下にする必要がある。そこで、Ａｌは０．００５〜０．０５０％とする。

Ｏ：０．００１５％以下
Ｏは、酸化物を形成して、使用時にその酸化物を起点として亀裂が発生し、機械部品の寿命を低下させる原因となる。そのためにＯは０．００１５％以下とする。

表面硬さ：６０〜６４ＨＲＣ
表面硬さが高いほど、異物が潤滑剤中に入るような環境下において転走面に形成される圧痕の形状を小さくすることができ長寿命化に有効である。上記の効果を得るためには、表面硬さは６０ＨＲＣ以上必要である。一方、硬さと靱性はトレードオフの関係にあり、硬さを上げすぎると靱性が低下する。そのため、表面硬さは６４ＨＲＣ以下とする必要がある。

球状化セメンタイトの個数：１．０×１０⁵個／ｍｍ²以上
球状化セメンタイトは、炭化物を微細にかつ均一に分散させることにより、耐摩耗性を向上させることができる。これらの効果を得るためには、球状化セメンタイトの個数は１．０×１０⁵個／ｍｍ²以上とする必要がある。そこで、球状化セメンタイトの個数は１．０×１０⁵個／ｍｍ²以上とする。

アスペクト比が１．５以下の球状化セメンタイトの個数が占める割合：全セメンタイト数の９０％以上
球状化焼なましにより、セメンタイトを球状化できかつ均一に分散できる。一方、この球状化の指標には、球状化炭化物であるセメンタイトの長径と短径の比（長径／短径）で定義するアスペクト比を用いる。ところで、このアスペクト比が１．５以下で有れば、セメンタイトにとって有害な亀裂発生の起点となる割合を下げることができる。そこで、全セメンタイトの個数におけるアスペクト比が１．５以下の割合が９０％以上とする。

セメンタイトの粒径：９０％以上が粒径１μｍ以下
セメンタイトは、粗大な炭化物になるほど、破壊の起点となる危険性が増加するため、セメンタイトの粒径を有害性の低い１μｍ以下とする。

旧オーステナイト結晶粒度：９番以上
旧オーステナイト結晶粒径は、微細化することにより延性破壊主体から脆性破壊主体に変化する温度（延性脆性遷移温度）を低下させることができ、室温における靱性を高めることができる。この効果を得るためには、結晶粒度は９番以上とする。

ベイナイト組織の面積率：１５％未満
不完全焼入れ相であるベイナイトが組織中に存在すると、組織の不均質を招き、靱性を劣化させる。そのため、ベイナイト組織の面積率は１５％未満、望ましくは１０％未満とする必要がある。

残留オーステナイト量：２０〜３０ｖｏｌ．％
残留オーステナイトは、鉄粉などの異物が潤滑剤中に混入するような環境下における長寿命化に有効である。この効果を得るためには２０ｖｏｌ．％以上必要である。一方、マルテンサイトと比較して軟質な残留オーステナイトが多量に存在すると、製品に必要な硬さが得られず早期剥離の原因となる。そのため、残留オーステナイト量は３０ｖｏｌ．％以下とする必要である。

転走面の表面の円周方向の残留圧縮応力：９０ＭＰａ以上
転走面の研削あるいは切削加工時に、表面に疲労強度に貢献する円周方向の残留圧縮応力を付与することにより、亀裂の生成および伝播を抑えることができる。この効果を得るためには、転走面の表面の円周方向の残留圧縮応力を９０ＭＰａ以上とする必要がある。

次いで、課題を解決するための本発明の手段について記載する。表１に示す化学成分を有する供試材の各Ｎｏ．１〜２０およびＮｏ．２１としての従来鋼のＳＣＭ４１５の各鋼塊をそれぞれ溶製し、さらに、連続鋳造、分塊圧延および製品圧延を行ない、径６５ｍｍの丸棒鋼材を作製した。次いで、この丸棒鋼材を加熱し、特に７２０〜７６０℃の間の温度に至る昇温速度を１時間あたり２０℃とし、かつ最高点温度８００℃として、合計１４時間の球状化焼鈍により球状化処理した。

上記の球状化処理した各丸棒鋼材からシャルピー試験片に粗加工し、焼入処理として８００〜９００℃の焼入れ温度に加熱して３０分間保持した後、６０℃もしくは１３０℃の油中に焼入れを行った後に、仕上げ加工を行った。焼入れ温度および焼入油の温度条件を表２に示す。Ｎｏ．６−１およびＮｏ．６−２は、供試材Ｎｏ．６の成分の鋼材を用い、焼入れ油の温度のみを変えたものである。

上記の油焼入れした試験片について、表面硬さ、球状化セメンタイトの個数、全セメンタイトの個数に対してアスペクト比が１．５以下のセメンタイトが占める割合、全セメンタイトに対して粒径１μｍ以下のセメンタイトの占める割合、残留オーステナイト量、旧オーステナイト結晶粒度、およびベイナイト面積率を測定した。これらの測定結果を以下の表３に示す。

表３において、表面硬さ、球状化セメンタイトの個数、全セメンタイトの個数に対してアスペクト比が１．５以下のセメンタイトが占める割合、全セメンタイトに対して粒径１μｍ以下のセメンタイトが占める割合、残留オーステナイト量、旧オーステナイト結晶粒度、ベイナイト面積率の網掛けで示す各値は、本発明の請求項の範囲から逸脱するものを示す。表３の中の比較例のＮｏ．６−２の鋼材は、本発明の請求項の成分範囲を満たす鋼材であるが、表３における、ベイナイトの面積率の範囲を満たさない水準の鋼材である。

なお、表３の残留オーステナイト量はＸ線回折によるマルテンサイトとオーステナイトの回折強度の比較により測定した。旧オーステナイト結晶粒度は、供試材をピクリン酸飽和水溶液にて結晶粒界を現出させた後、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に示される計数方法により、断面積１ｍｍ²当りの結晶粒の数であるｍを計算し、
ｍ＝８×２^G
の関係式から粒度番号Ｇを求めた。ベイナイト面積率は、光学顕微鏡もしくは走査型電子顕微鏡にて観察を行ない、観察視野面積に対するベイナイト組織の占める面積率を算出することにより、ベイナイト組織の面積率が１５％未満であることを求めた。

さらに、上記の球状化処理した鋼材を用いて、図１に示すようなボールねじ１のナット６用の鋼製部材への粗加工を行った。
その後、８６５℃の焼入温度に加熱して２０分間保持した後、６０℃の油中に焼入れした。
次いで、焼入れした供試材を１８０℃で１２０分間保持して焼戻しを行った。熱処理後に粗加工のナット６を所定のねじ溝の断面形状と同一形状に成形された砥石で、粗加工のナット６のねじ溝７に研削加工を施し、所定のねじ溝の形状に仕上げるとともに圧縮残留応力を付与した。
一方、上記の球状化処理した鋼材からなる試験片を用いて、焼入れ、焼戻しおよび研削加工を行って、試験片の表面の残留応力の測定を行った。

また、図１、図２に示すように、ボールねじ１のナット６、ねじ軸２およびボール５を組み込んでボールねじ１を組立て、ボールねじ耐久試験装置でボールねじの耐久寿命テストを行った。なお、図２では、循環機構にリターンチューブ方式のボールねじを例示して説明しているが、本願発明のボールねじのナットはこのリターンチューブ方式の循環機構のボールねじに限定されるものではない。
さて、このテストは耐久寿命である走行距離の値を、表４の従来鋼のＳＣＭ４１５の浸炭ナットを使用したボールねじ１のナット６の耐久寿命の走行距離を基準の１．０とし、この基準の倍数で示した。実施例および比較例のシャルピー衝撃値、作製したボールねじ１のナット６の転走部表面の残留応力およびナット６の走行距離の寿命である寿命試験の結果を表４に示している。実施例は、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ²以上の良好な値を示し、さらに表面に残留圧縮応力９０ＭＰａ以上のナット６は、表４のＮｏ．２１の従来鋼のＳＣＭ４１５に比較して１．５倍以上の寿命テストの走行距離を示した。

さらに、上記した油中に焼入れする焼入処理と同様の焼入れ処理を施した試験片を用いてシャルピー衝撃試験を行って、シャルピー衝撃値、残留圧縮応力、寿命テストにおける走行距離を得た。この走行距離は、表４の比較例のＮｏ．２１の従来鋼のＳＣＭ４１５の走行距離を基準の１．０としてその比較で示している。
これらの表４に示す結果、本発明における鋼製部材の成分組成である実施例のＮｏ．１〜１０において、表面に残留圧縮応力が９０ＭＰａ以上のものは、シャルピー衝撃値および寿命テストにおける走行距離において優れた値を示している。

１ ボールねじ
２ ねじ軸
３ リターンチューブ出入り口の境界部
４ リターンチューブ
５ ボール
６ ナット
７ ナットのねじ溝

Claims (2)

1. 質量％で、Ｃ：０．９０〜１．２０％、Ｓｉ：０．１０〜１．００％、Ｍｎ：０．９０〜２．００％、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：０．９０〜１．６０％、Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｏ：０．００１５％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼を焼入焼戻しした状態の鋼製部材であって、該部材はミクロ組織がマルテンサイト組織と球状化炭化物が主体の混相組織であり、表面硬さが６０〜６４ＨＲＣであり、アスペクト比が１．５以下のセメンタイトが全セメンタイトの９０％以上であり、アスペクト比が１．５以下のセメンタイトを１．０×１０⁵個／ｍｍ²以上含有し、全セメンタイトの９０％以上が粒径１μｍ以下であり、旧オーステナイト粒度は９番以上であり、ベイナイト組織の面積率が１５％未満であり、残留オーステナイト量が２０〜３０ｖｏｌ．％となることを特徴とする高硬度かつ靱性に優れた鋼製部材。
2. 請求項１に記載の高硬度かつ靱性に優れた鋼製部材であって、該鋼製部材からなるボールねじのナットの転走面の表面の円周方向の残留圧縮応力は９０ＭＰａ以上であることを特徴とする高負荷ボールねじのナット。

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