WO2015182764A1 - ボールねじ装置 - Google Patents

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成晃 阿部
秀幸 飛鷹
渡辺　靖巳
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日本精工株式会社
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H25/00—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms
    • F16H25/18—Gearings comprising primarily only cams, cam-followers and screw-and-nut mechanisms for conveying or interconverting oscillating or reciprocating motions
    • F16H25/20—Screw mechanisms
    • F16H25/24—Elements essential to such mechanisms, e.g. screws, nuts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
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    • C21D1/10—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
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    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a ball screw device, and more particularly to a ball screw device suitable for conveyance and positioning.
  • the ball screw device is a device that converts a rotational motion into a linear motion, and the motion is performed by rolling. Therefore, the functions required of the ball screw device include positioning accuracy of the linear motion and a rolling life against the rotational motion.
  • Ball screw devices are broadly classified into injection molding machine applications and conveyance / positioning applications. However, since the usage environment differs greatly, it is necessary to build in quality according to each application. In general, since a high load is repeatedly applied to a ball screw device for an injection molding machine, life is given priority, whereas position accuracy is given priority to a ball screw device for conveyance and positioning.
  • the ball screw device for conveyance / positioning when it is used for driving a testing machine or the like, or in a large diameter long ball screw device used for conveying heavy objects, the number of repetitions is small. Since a high load is applied, the rolling life cannot be ignored. As the rolling life in this case, the life due to wear is more dominant than the life due to peeling. If the rolling durability is improved, the ball screw device can be reduced in size, and the device in which the ball screw device is incorporated is inevitably reduced in size. In recent years, from the viewpoint of resource saving, there is an increasing demand for simultaneously improving positioning accuracy and rolling durability, and it is not easy to achieve both at a high level.
  • the combination of screw shaft material and heat treatment is currently carburizing for low carbon steel and induction heat treatment for medium carbon steel.
  • the former is often used when a rolling life is required. This is due to the fact that carbon content on the surface is easily increased by carbonitriding. However, due to heat treatment deformation, the carbon content is actually limited to about 0.7%.
  • carburizing treatment the surface carbon concentration is increased, so that a part of retained austenite is generated, and this undergoes martensitic transformation during use, resulting in a change in dimensions. Although it is possible to make the amount of retained austenite zero before use by sub-zero treatment or the like, this time, a change in dimensions occurs due to shrinkage of martensite. Therefore, as long as the carburizing process is performed, dimensional changes are unavoidable, and it is difficult to further improve the dimensional stability.
  • the high-frequency heat treatment is advantageous for dimensional stability because only the surface is martensitic transformed.
  • the steel material to be treated is 0.5% carbon steel typified by SAE4150. If the carbon content is further increased in the high-frequency heat treatment, cracking may occur in deformation correction after the heat treatment. Because. Actually, not only the screw shaft of the ball screw device but also the carbon content of mechanical parts to which the high-frequency heat treatment is applied is very large, about 0.5% by mass. Since the characteristics of the rolling surface depend on the amount of carbon, the rolling durability is not as high as that of the carburized product, and it is inevitably used for applications where the load load is small and positioning accuracy is required. For high-frequency heat treatment, Patent Documents 1 and 2 can be referred to.
  • an object of the present invention is to provide a screw shaft that achieves both excellent dimensional stability and durability.
  • the present invention provides the following ball screw device.
  • the screw shaft is high-frequency heat-treated high carbon bearing steel, and
  • the depth from the surface of the effective hardened layer having a hardness of HV500 or more is 60% or less of the distance from the outer diameter of the screw shaft to the axis, and the non-hardened layer having a hardness of less than HV500 is a ferrite phase or It is a structure containing a carbide phase, characterized in that the carbide area ratio at the groove bottom is 1.5% or more, and the surface carbide area ratio in the region from the surface of the raceway surface to 50 ⁇ m is 1.5% or more.
  • the high carbon bearing steel contains manganese, chromium, and molybdenum, and is represented by the respective contents [Mn], [Cr], and [Mo] (all by mass%) and the surface carbide area ratio.
  • Formula 1 ([Mn] +10 [Cr] +20 [Mo]) ⁇ surface carbide area ratio
  • the average retained austenite amount in the radial section of the screw shaft is 4.5 mass% or less, and the groove bottom
  • the screw shaft is made of high carbon bearing steel, and this is subjected to high-frequency heat treatment to identify the formation region of the effective hardened layer, and the non-hardened layer is made to have a structure containing a ferrite phase or a carbide phase.
  • the ball screw device is interposed between a screw shaft having a spiral groove on the outer peripheral surface, a ball nut having a spiral groove facing the spiral groove of the screw shaft on the inner peripheral surface, and both the spiral grooves. And a plurality of balls that can be circulated by a ball circulation path provided in the ball nut.
  • the screw shaft is made of high carbon bearing steel, which is subjected to induction heat treatment to form an effective hardened layer on the surface. There are no restrictions other than the screw shaft, such as balls and ball nuts.
  • High carbon bearing steel is used for improving rolling durability, but preferably the carbon content contains 0.9 to 1.2% by mass.
  • a carbon amount equivalent to the carburizing treatment can be dissolved in the base, and carbides effective for wear characteristics can be left on the groove bottom and the raceway surface.
  • the carbon content is 0.95% by mass or more. If the carbon content is too high, coarse carbides remain and affect the durability and the like, so that the content is preferably 1.2% by mass or less.
  • steel materials contain manganese, chromium, and molybdenum in addition to carbon. These elements are all elements that improve the hardenability.
  • the respective contents [Mn], [Cr], [Mo] (all of which are 19 to 245 in the following formula 1) It is preferable to adjust (mass%).
  • the value of Formula 1 is more preferably 53 to 189.
  • high carbon bearing steel examples include JSI G 4805 high carbon chromium bearing steel, ISO 683-17 bearing steel, SUJ2-5 steel, 100CrMnSi6-4 steel, etc. SUJ2-5 steel and 100CrMnSi6- Four steels are preferred.
  • Dimensional stability can be improved by specifying the formation state of an effective hardened layer having a hardness of HV500 or more and the structure of a non-hardened layer having a hardness of less than HV500.
  • HV500 a hardness of HV500
  • induction heat-treated products mainly change in size in the radial direction.
  • the dimensional change in this high-frequency heat-treated product is that the structure of the non-hardened layer constituting the core is a structure containing a stable ferrite phase or carbide phase such as pearlite or spheroidized structure, and this structure has a certain volume ratio.
  • the proportion of the effective hardened layer obtained by high-frequency heat treatment in the cross section of the screw shaft is set to 60% or less.
  • the distance H from the center of the land portion 10 a of the curve K formed through the region where the effective hardened layer is formed is set from the outer diameter of the screw shaft 1 to the axis line.
  • the length D up to C is 60% or less, preferably 40% or less.
  • the length L from the axis C to the center of the land portion 10a is set to 40% or more, preferably 60% or more. If the length D or L is outside this range, the intended dimensional stability cannot be obtained.
  • the prior austenite grain size at the groove bottom is fine, specifically, 30 ⁇ m or less is preferable, and 24 ⁇ m or less is more preferable.
  • the carbide area ratio in the region from the surface to 50 ⁇ m on the raceway surface is 1.5. % Or more, preferably 5% or more.
  • the screw shaft preferably has an average remaining austenite amount of 4.5% by volume or less in the radial cross section. When the average retained austenite amount exceeds 4.5% by volume, the dimensional change rate increases.
  • the amount of retained austenite is set to 15% by volume or more, preferably 20% by volume or more.
  • the amount of retained austenite exceeds 45% by volume, the microstructure is coarsened, so the upper limit is preferably 45% by volume.
  • the dimensional stability in the axial direction is also excellent.
  • high-frequency heat treatment is performed at the time of curing.
  • a round bar material made of high carbon bearing steel is inserted into a coil connected to a high-frequency power source, and high-frequency current is passed through the coil.
  • an eddy current flows on the surface of the round bar material by the high frequency electromagnetic field, and the surface of the round bar material is heated.
  • the effective hardening layer can be uniformly formed at a position deeper than the groove bottom as shown in FIG.
  • the grooves are cured one row at a time, and an effective hardened layer is formed for each groove peak as shown in FIG. it can.
  • Any heating mode is possible in the present invention. And after heating, it cools by injecting the aqueous solution etc. which melt
  • the processing conditions such as high frequency and output (voltage and current) and processing time (coil moving speed) satisfy the effective hardened layer, non-hardened layer, carbide area ratio at the groove bottom, surface carbide area ratio, etc.
  • it sets suitably according to the dimension (especially diameter) of a screw axis.
  • Test 1 After subjecting a round bar material made of high carbon bearing steel having an alloy composition shown in Table 1 to grooving, high-frequency heat treatment was performed under different conditions to produce a screw shaft.
  • the screw shaft imitates a ball screw device “BS6316-10.5 (nominal name: JIS B1192; 63 ⁇ 16 ⁇ 300-Ct7) manufactured by NSK Ltd. The specifications are shown below.
  • BS6316-10.5 nominal name: JIS B1192; 63 ⁇ 16 ⁇ 300-Ct7 manufactured by NSK Ltd. The specifications are shown below.
  • the screw grooves were collectively quenched or the grooves were quenched one by one. Due to the difference in the heat treatment method, the effective hardened layer is formed in a different state.
  • an effective hardened layer as shown in FIG. 1 is formed, and when the grooves are quenched one by one, The effective hardened layer as shown in 2 was formed.
  • the formation state of the effective hardened layer is shown in Table 2 as FIG. 1 or FIG.
  • the ratio of the effective hardened layer was determined from the depth of the effective hardened layer. That is, with reference to FIG. 1, in the cross section obtained by cutting the screw shaft 1 at the center of the land portion 10a, the distance from the center of the land 10a to the effective hardened layer on the line that is perpendicular to the axis C H and the length D to the axis C of the outer diameter of the screw shaft 1 were obtained, and the volume fraction of the effective hardened layer was calculated from the ratio of H and D. The results are shown in Table 2.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the effective hardened layer ratio and the lead dimensional change rate ratio in the axial direction.
  • the rate of change in the dimensional dimension of the lead in the axial direction is almost constant even when the proportion of the effective cured layer is increased, whereas in Comparative Example 1, the proportion of the effective cured layer is increased.
  • the rate of change in lead dimension in the axial direction is also large.
  • the comparative example 2 imitates the material and heat quality which are used for the screw axis
  • the effective hardened layer ratio is 60% or less, and the effective hardened layer ratio of 60% or less is effective in suppressing the dimensional change.
  • the core portion was a pearlite structure formed from a ferrite phase and a cementite phase, or a spheroidized structure.
  • the average retained austenite amount is 4.5% by volume or less, and it can be said that it is effective to make the average retained austenite amount 4.5% by mass or less.
  • Test 2 As shown in Table 3, a rod-shaped material (diameter: 12.8 mm) made of a steel material shown in Table 1 was used, and a 1.5R groove was formed on the circumference in the center in the longitudinal direction. The groove depth is 1.5 mm and the groove width is 3 mm. Thereafter, high frequency heat treatment was performed at a frequency of 10 to 30 kHz while changing the output and the heating time to produce a screw shaft. For the produced screw shaft, the carbide area ratio at the groove bottom and the crystal grain size of prior austenite were measured. In addition, the structure before induction heat treatment was investigated. The results are shown in Table 3.
  • the produced screw shaft was subjected to a bending test.
  • a pressing load was applied from the objective head to the screw shaft, and the maximum pressing load when a crack occurred was measured.
  • the results are shown in Table 3, and are shown as relative values (bending strength ratio) with respect to Comparative Example 3 simulating the current product.
  • the bending strength ratio is 1.5 times or more, which exceeds Comparative Example 3.
  • the carbide area of the groove bottom is 1.5% or more.
  • the bending strength ratio was 5.0, and the test was stopped before cracking occurred. From this, it can be seen that by making the carbide area ratio of the groove bottom 1.5% or more, the ease of bending correction is increased. The higher the carbide area ratio at the bottom of the groove, the better, and it can be said that it is more effective at 25% or more.
  • the grain size of the prior austenite at the groove bottom is coarsened to 52 ⁇ m, and the bending strength is greatly reduced.
  • all are 30 ⁇ m or less, and in addition to setting the carbide area ratio of the groove bottom to 1.5% or more, it can be said that the grain size of the prior austenite at the groove bottom is preferably 30 ⁇ m or less. .
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the surface carbide area ratio and the damage ratio.
  • Test piece flat plate test piece of ⁇ 60 mm ⁇ thickness 6 mm ⁇ Test method: ball-on-disk ⁇ Steel ball: 3/8 inch made by SUJ2 ⁇ Lubrication method: Dry ⁇ Load: 100 g ⁇ Rotation speed: 100min -1 ⁇ Test time: 200 seconds
  • Examples 17 to 24 have a damage ratio of 1.2 or more and improved wear resistance, but all have a surface carbide area ratio of 1.5% or more. Therefore, it can be seen that by setting the surface carbide area ratio to 1.5% or more, the wear resistance is improved and the durability is improved.
  • Equation 1 ([Mn] +10 [Cr] +20 [Mo]) ⁇ surface carbide area ratio
  • the effective hardened layer ratio is 60% or less
  • the carbide area ratio of the groove bottom is 1.5% or more
  • the surface carbide area ratio is 1.5% or more.
  • the ball screw device of the present invention includes a screw shaft that achieves both excellent dimensional stability and wear resistance, it is particularly useful for a ball screw device suitable for conveyance and positioning.

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Abstract

　ボールねじ装置のねじ軸が、高炭素軸受鋼を高周波熱処理してなり、かつ、硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層を表面から特定の領域に形成し、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相または炭化物相を含有する組織とし、溝底での炭化物面積率が１．５％以上で、軌道面における表面から５０μｍまでの領域での表面炭化物面積率が１．５％以上にする。

Description

ボールねじ装置
　本発明はボールねじ装置に関し、特に搬送・位置決め用に適したボールねじ装置に関する。
　ボールねじ装置は、回転運動を直線運動に変換する装置であり、運動は転がりによって行われるため、ボールねじ装置に要求される機能としては直線運動の位置決め精度と、回転運動に対する転がり寿命とがある。ボールねじ装置は、射出成形機用途と、搬送・位置決め用途とに大別されるが、使用環境が大きく異なるため、それぞれの用途に応じた品質の作りこみが必要である。一般に、射出成形機用のボールねじ装置では、高い荷重が繰り返しかかるため、寿命が優先されるのに対し、搬送・位置決め用のボールねじ装置では位置精度が優先される。
　但し、搬送・位置決め用のボールねじ装置においても、試験機等の駆動等に利用される場合や、重量物の搬送に利用される太径長尺のボールねじ装置では、繰り返し数こそ少ないものの、高い荷重が付与されるため、転がり寿命も無視できない。この場合の転がり寿命としては、はく離による寿命よりも摩耗による寿命が支配的になる。転がり耐久性が向上すれば、ボールねじ装置の小型化が可能となり、必然的にそれが組み込まれる装置も小型化される。近年の省資源化の観点からも位置決め精度と転がり耐久性とを同時に向上させる要求が高まっており、これらを高いレベルで両立することは容易ではない。
　ねじ軸の材料と熱処理との組み合わせは、現状、低炭素鋼への浸炭処理、中炭素鋼への高周波熱処理になっている。前者は、転がり寿命が要求される場合にしばしば用いられる。これは、浸炭窒化によって表面の炭素量を高め易いことに起因している。しかし、熱処理変形があるため、実際には炭素量は０．７％程度が限界になっている。浸炭処理の場合、表面の炭素濃度が高まるため、部分的に残留オーステナイトが生じ、これが使用中にマルテンサイト変態することで寸法に変化が生じる。サブゼロ処理等により残留オーステナイト量を使用前にゼロにすることも可能であるが、今度は、マルテンサイトの収縮により寸法の変化が起こる。従って、浸炭処理を行う限り、寸法変化は避けられず、寸法安定性の更なる向上は難しい。
　これに対して高周波熱処理は、表面のみをマルテンサイト変態させるため、寸法安定性に有利である。しかし、処理対象となる鋼材は、ＳＡＥ４１５０に代表される０．５％炭素鋼であるが、これは高周波熱処理においてこれ以上炭素量を高めると、熱処理後の変形矯正にて割れが生じる場合があるためである。実際に、ボールねじ装置のねじ軸に限らず、高周波熱処理が適用される機械部品の炭素量は０．５質量％程度のものが極めて多い。転がり面の特性は炭素量に依存するため、浸炭品ほどの転がり耐久性は得られず、必然的に負荷荷重が小さく、位置決め精度が要求される用途に用いられている。尚、高周波熱処理については、特許文献１、２等を参照することができる。
日本国特開２０１０－９０９２４号公報 日本国特開２００５－２９９７２０号公報
　しかしながら、搬送・位置決め用のボールねじ装置においても、位置決め精度とともに、更なる転がり耐久性の向上に対する要求は強い。そこで本発明は、より優れた寸法安定性と耐久性とを両立させたねじ軸を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明は下記のボールねじ装置を提供する。
（１）外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備えるボールねじ装置において、
　前記ねじ軸が、高炭素軸受鋼を高周波熱処理してなり、かつ、
　硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の表面からの深さが、該ねじ軸の外径から軸線までの距離の６０％以下であり、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相または炭化物相を含有する組織であり、溝底での炭化物面積率が１．５％以上で、軌道面における表面から５０μｍまでの領域での表面炭化物面積率が１．５％以上であることを特徴とするボールねじ装置。
（２）前記高炭素軸受鋼が、マンガン、クロム及びモリブデンを含有し、それぞれの含有量［Ｍｎ］、［Ｃｒ］及び［Ｍｏ］（何れも質量％）と、前記表面炭化物面積率とで表される下記式１の値が１９～２４５であることを特徴とする上記（１）記載のボールねじ装置。
　式１＝（［Ｍｎ］＋１０［Ｃｒ］＋２０［Ｍｏ］）×表面炭化物面積率
（３）前記ねじ軸の径方向断面における平均残留オーステナイト量が４．５質量％以下であり、かつ、溝底における旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする上記（１）または（２）記載のボールねじ装置。
　本発明のボールねじ装置では、ねじ軸を高炭素軸受鋼製とし、これを高周波熱処理して有効硬化層の形成領域を特定し、非硬化層をフェライト相または炭化物相を含有する組織にするとともに、溝底及び表層部における各炭化物面積率を特定範囲にすることにより、これまでよりも優れた寸法安定性及び耐久性を有するようになる。そのため、搬送・位置決め用のボールねじ装置として、高い位置決め精度を長期間維持することができる。
ねじ軸の軸線方向に沿った断面図であり、有効硬化層及び非硬化層の形成状態を示す模式図である。 ねじ軸の軸線方向に沿った断面図であり、有効硬化層及び非硬化層の形成状態の他の例を示す模式図である。 有効硬化層割合と、寸法変化率比との関係を示すグラフである。 式２の値と、抗折強度比との関係を示すグラフである。 表面炭化物面積率と、損傷比との関係を示すグラフである。 式１の値と、損傷比との関係を示すグラフである。
　以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
　本発明のボールねじ装置は、外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備える。そして、ねじ軸を高炭素軸受鋼製とし、これを高周波熱処理して表面に有効硬化層を形成したものである。尚、ボールやボールナット等、ねじ軸以外には制限は無い。
　高炭素軸受鋼は転がり耐久性向上のために使用するが、好ましくは炭素含有量が０．９～１．２質量％を含むことが好ましい。炭素含有量を多くすることにより、浸炭処理並みの炭素量を基地に溶け込まれせた上で、摩耗特性に有効な炭化物を溝底や軌道面に残存させることができる。好ましくは、炭素含有量を０．９５質量％以上にする。尚、炭素含有量が多くなりすぎると粗大な炭化物が残留するようになり、耐久性等に影響するため、１．２質量％以下とすることが好ましい。
　また、鋼材は、炭素以外にマンガン、クロム及びモリブデンを含有することが好ましい。これらの元素は何れも焼入れ性を向上させる元素であり、好ましくは、下記式１の値が１９～２４５となるように、それぞれの含有量［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］（何れも質量％）を調整することが好ましい。式１の値は、より好ましくは５３～１８９である。尚、表面炭化物面積率については、後述する。
　式１＝（［Ｍｎ］＋１０［Ｃｒ］＋２０［Ｍｏ］）×表面炭化物面積率
　このような高炭素軸受鋼としては、ＪＳＩ　Ｇ　４８０５の高炭素クロム軸受鋼や、ＩＳＯ　６８３－１７の軸受鋼、ＳＵＪ２～５鋼、１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼等が挙げられるがＳＵＪ２～５鋼及び１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼が好ましい。
　寸法安定性については、硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の形成状態と、ＨＶ５００未満の非硬化層の組織を特定することにより向上させることができる。浸炭品と高周波熱処理品の寸法変化の挙動を精査した結果、浸炭品は軸方向と径方向に等方的に寸法変化するが、高周波熱処理品は主に径方向に寸法変化することは判明した。この高周波熱処理品における寸法変化は、芯部を構成する非硬化層の組織がパーライトや球状化組織等の安定なフェライト相や炭化物相を含有する組織で、かつ、この組織がある一定の体積割合で形成されるときに生じることも判明した。これは、芯部が熱的に安定な組織であり、寸法の変化が生じず、芯部が表面とつながっているために、軸方向に表面が拘束され、結果として膨張が径方向のみに生じたと考えられる。即ち、非硬化層の組織と、その体積率とを制御することにより、表面の残留オーステナイト量に関わらず、寸法安定性を確保することが可能になる。
　このような知見から、本発明では、高周波熱処理して得られる有効硬化層の、ねじ軸断面における割合を６０％以下とする。具体的には、図１に示すように、有効硬化層が形成されている領域をむすんで形成される曲線Ｋの、ランド部１０ａの中央からの距離Ｈを、ねじ軸１の外径から軸線Ｃまでの長さＤの６０％以下、好ましくは４０％以下とする。換言すれば、非硬化層が形成されている領域において、軸線Ｃからランド部１０ａの中央までの長さＬを４０％以上、好ましくは６０％以上とする。長さＤまたはＬが、この範囲以外では目的とする寸法安定性が得られない。
　変形矯正時の割れについては、溝底の組織を制御することにより解消することができる。変形矯正は焼入れ後に行われるが、溝（図１の符号１０）は焼入れ前に形成されているため、変形は主に溝底に集中する。従って、溝底の耐割れ特性を向上させることが有効になる。また、耐割れ特性の向上には、炭素の溶け込む量をできるだけ抑制した上で、結晶粒を微細化することも有効である。前者については、使用する鋼材の炭素量がほぼ決まっているため、炭化物を残存させることが有効である。後者については、加熱中の結晶粒成長を抑制することが重要であり、炭化物によるピン止め効果が効果的である。即ち、耐割れ性向上のために、溝底の組織において、炭化物を残存させることが有効であり、本発明では溝底の炭化物面積率を１．５％以上とし、２５％以上において後述する実施例の抗折試験で特に優れた抗折強度が得られる。
　更に、溝底における旧オーステナイト粒径が微細であることが好ましく、具体的には３０μｍ以下が好ましく、２４μｍ以下がより好ましい。
　また、耐割れ性向上のために、軌道面における表面から５０μｍまでの領域での炭化物面積率（溝底の炭化物面積率と区別するために、「表面炭化物面積率」という。）を１．５％以上、好ましくは５％以上にする。
　また、ねじ軸は、径方向断面において、平均残量オーステナイト量が４．５体積％以下であることが好ましい。この平均残留オーステナイト量が４．５体積％を超えると、寸法変化率が大きくなる。
　以上に加えて、ボールねじ装置ではねじ軸が露出しているため異物が付着しやすく、異物による表面起点型のはく離が発生しやすいが、表面の残留オーステナイト量を高めることにより剥離の発生を抑えることができる。具体的には、剥離発生を効果的に抑えるために、残留オーステナイト量を１５体積％以上、好ましくは２０体積％以上とする。しかし、残留オーステナイト量が４５体積％より多くなるとミクロ組織の粗大化が起こるため、上限は４５体積％が好ましい。また、このような表面の残留オーステナイト量を４５体積％以下にすることにより、軸方向の寸法安定性にも優れるようになる。
　本発明では、硬化に際して高周波熱処理を行うが、この高周波熱処理では、高周波電源に接続したコイルに、高炭素軸受鋼からなる丸棒素材を挿通し、コイルに高周波電流を流す。それにより、高周波の電磁場によって丸棒素材の表面に渦電流が流れ、丸棒素材の表面が加熱される。このとき、コイル幅を広くて溝をまとめて加熱することにより、図１に示すように有効硬化層を溝底よりも深い位置にまで一様に形成することができる。また、コイル幅を狭くして、コイルを丸棒素材の軸方向に移動させることにより溝を１列ずつ硬化させ、図２に示すように溝の山部毎に有効硬化層を形成することもできる。本発明では、何れの加熱様式も可能である。そして、加熱後は、丸棒素材に水溶性焼入れ液を溶解した水溶液等を噴射して急冷する。
　尚、高周波の周波数や出力（電圧と電流）、処理時間（コイルの移動速度）等の処理条件は、有効硬化層や非硬化層、溝底での炭化物面積率、表面炭化物面積率等を満たすように、ねじ軸の寸法（特に直径）に応じて適宜設定する。
　以下に実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。
（試験１）
　表１に示す合金組成の高炭素軸受鋼からなる丸棒素材に溝加工を施した後、条件を変えながら高周波熱処理を施してねじ軸を作製した。尚、ねじ軸は、日本精工株式会社製ボールねじ装置「ＢＳ６３１６－１０．５（呼び：ＪＩＳ　Ｂ１１９２；６３×１６×３００－Ｃｔ７）を模したものであり、諸元を下記に示す。
・ねじ軸の外径：６３ｍｍ
・リード　　　：１６ｍｍ
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　尚、高周波熱処理は、ねじ溝をまとめて焼入れ、または溝を１列ずつ焼入れした。この熱処理方法の違いにより、有効硬化層の形成状態が異なり、ねじ溝をまとめて焼入れした場合には図１に示すような有効硬化層が形成され、溝を１列ずつ焼入れした場合には図２に示すような有効硬化層が形成されていた。有効硬化層の形成状態を表２に、図１または図２として示す。
　作製したねじ軸について、有効硬化層の深さから、有効硬化層の割合を求めた。即ち、図１を参照して説明すると、ねじ軸１をランド部１０ａの中央で切断した断面において、ランド１０ａの中央から軸線Ｃに垂直になるように下した線上における、有効硬化層までの距離Ｈと、ねじ軸１の外径の軸線Ｃまでの長さＤとを求め、ＨとＤとの割合から有効硬化層の体積分率を算出した。結果を表２に示す。
　また、作製したねじ軸について、時効変形に伴う軸方向のリード寸法変化を測定した。結果を表２に示すが、比較例２に対する相対値（リード変形率比）で示す。また、図３に、有効硬化層割合と、軸方向のリード寸法変化率比との関係をグラフ化して示す。
　更に、作製したねじ軸について、軌道面表面の残留オーステナイト量、断面における平均残留オーステナイト量を測定するとともに、非硬化層（芯部）の組織を化学分析した。結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　実施例１～８では、有効硬化層割合が増加しても、軸方向のリード寸法変化率はほぼ一定であるのに対し、比較例１では有効硬化層割合が大きくなっており、それに伴って軸方向のリード寸法変化率も大きくなっている。また、比較例２は、現行の搬送・位置決め用のボールねじ装置のねじ軸に用いられる材料及び熱品質を模している。実施例では有効硬化層割合が６０％以下であり、有効硬化層割合を６０％以下が寸法変化の抑制に効果的であることがわかる。
　また、芯部は、実施例ではフェライト相とセメンタイト相とから形成されるパーライト組織、または球状化組織であった。更に、実施例では、平均残留オーステナイト量が４．５体積％以下であり、平均残留オーステナイト量を４．５質量％以下にすることも有効であるといえる。
（試験２）
　表３に示すように表１に示す鋼材からなる棒状素材（直径１２．８ｍｍ）を用い、長手方向中央部の円周上に１．５Ｒの溝を形成した。溝深さは１．５ｍｍであり、溝の幅は３ｍｍである。その後、周波数１０～３０ｋＨｚにて、出力と加熱時間を変えながら高周波熱処理してねじ軸を作製した。作製したねじ軸について、溝底の炭化物面積率及び旧オーステナイトの結晶粒径を測定した。また、高周波熱処理前の組織を調査した。結果を表３に示す。
　また、作製したねじ軸を抗折試験に供した。抗折試験では、対物ヘッドからねじ軸に押し込み荷重を加え、亀裂が生じたときの最大押し込み荷重を測定した。結果を表３に示すが、現行品を模擬した比較例３に対する相対値（抗折強度比）で示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例９～１６では、抗折強度比が１．５倍以上であり、比較例３を上回っている。実施例は、何れも溝底の炭化物面積が１．５％以上である。また、溝底の炭化物面積質が２５％以上である実施例１２及び実施例１５では抗折強度比が５．０であり、亀裂が生じる前に試験を停止した。このことから、溝底の炭化物面積率を１．５％以上とすることにより、曲がり矯正に対する容易性が高まることがわかる。溝底の炭化物面積率は高いほど好ましく、２５％以上でより効果的であるといえる。
　また、比較例５では、溝底における旧オーステナイトの粒径が５２μｍまで粗大化しており、抗折強度も大きく低下している。実施例９～１６では何れも３０μｍ以下であり、溝底の炭化物面積率を１．５％以上にすることに加えて、溝底における旧オーステナイトの粒径を３０μｍ以下にすることが好ましいといえる。
　更に、これらの結果から、炭素、ケイ素及びモリブデンの各含有量（〔Ｃ〕、［Ｓｉ］、［Ｍｏ］）と、溝底における炭化物面積率及び旧オーステナイトの粒径に関する式２の値と、抗折強度比との間に相関があることを見出した。式２の値を表３に併記するとともに、図４に抗折強度比との関係をグラフ化して示すが、式２の値が１．７２以上になると、抗折強度比を大きくできることが判明した。
　式２＝（溝底の炭化物面積率／溝底の旧オーステナイト粒径）＋２（［Ｃ］－０．４５）＋０．６［Ｓｉ］＋６［Ｍｏ］
（試験３）
　本試験では、耐摩耗性を評価した。ボールねじ装置における摩耗は、油膜が形成されないことによる金属接触を原因とした凝着摩耗である。そこで、ボールオンディスク摩耗試験を利用して耐摩耗性を評価した。
　即ち、表４に示すように表１に示す鋼材を切削加工し、仕上げ加工した後に、周波数１０～３０ｋＨｚで、出力と加熱時間を変えて高周波熱処理を施して種々のミクロ組織を持つ試験片を作製した。ミクロ組織の評価は、ボールが通過する軌道面表面で行った。ミクロ組織の評価は、埋め込み表面研磨等の組織観察準備の後、ピクラールにて腐食を行い、光学顕微鏡またはＳＥＭにて１０００～３０００倍の写真を５枚撮影し、色相を炭化物と基地とで２分化した後、表面から５０μｍまでの領域における炭化物面積率（表面炭化物面積率）を求めた。
　一方で、同様にしてボールオンディスク試験用の試験片を作製し、下記条件にて摩耗痕の深さを測定し、この摩耗深さと摩耗痕の形状とから摩耗体積を算出した。結果を表４に示すが、比較例７の摩耗体積を１としたときの比率（損傷比）を示しており、その値が大きいほど耐摩耗性に優れていることを示す。また、図５に表面炭化物面積率と損傷比との関係をグラフ化して示す。
＜試験条件＞
・試験片　：φ６０ｍｍ×厚さ６ｍｍの平板状試験片
・試験方式：ボールオンディスク
・鋼球　　：ＳＵＪ２製３／８インチ
・潤滑方式：ドライ
・荷重　　：１００ｇ
・回転数　：１００ｍｉｎ－１
・試験時間：２００秒
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　実施例１７～２４は、損傷比が１．２以上であり、耐摩耗性が向上しているが、何れも表面炭化物面積率が１．５％以上である。従って、表面炭化物面積率を１．５％以上にすることにより、耐摩耗を向上させて耐久性の向上に効果があることがわかる。
　また、マンガン、クロム、モリブデンの各含有量（［Ｃｒ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］）と、表面炭化物面積率に関する式１と、損傷比との間に相関があることを見出した。式１の値を表４に併記するとともに、図６に損傷比との関係をグラフ化して示すが、式１の値１９～２４５の範囲で、標準的なねじ軸である比較例７に比べて耐摩耗性を十分に向上させることができ、５３～１８９の範囲でより好ましいことが判明した。
　式１＝（［Ｍｎ］＋１０［Ｃｒ］＋２０［Ｍｏ］）×表面炭化物面積率
（試験４）
　上記試験結果を基に、ボールねじ装置「ＢＳ１２０２５」を作製し、下記条件により耐久性試験を行い、計算寿命と比較して計算寿命比を求めた。ねじ軸の作製に際し、表５に示すように表１の鋼材からなる棒状素材を溝加工し、高周波熱処理により溝のねじ山に沿って１列ずつ移動焼きを行った。熱処理後に研磨加工を行い、切断等の試料調整を得た後、品質の確認を行った。結果を表５に示す。
＜試験条件＞
・ねじ軸の外径　　：１２０ｍｍ
・リード　　　　　：２５ｍｍ
・ボールの直径　　：１９．０５ｍｍ
・試験荷重　　　　：３００ｋＮ
・最高回転速度　　：５００ｍｉｎ－１
・ナットの素材　　：ＳＣＭ４２０
・セパレータの材質：６６ナイロン
・循環方式　　　　：ＳＲＣ方式
・潤滑剤　　　　　：リューベ株式会社製「ＹＳ２グリース」
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５に示すように、実施例２５～２８は、有効硬化層割合が６０％以下、溝底の炭化物面積率が１．５％以上、表面炭化物面積率が１．５％以上であることから、上記試験条件のように過酷な環境下でも、計算寿命に対して２倍以上の寿命が得られている。また、寿命は損傷比と一致しており、各実施例の損傷比は、比較例８に対して良好になる。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１４年５月３０日出願の日本特許出願（特願２０１４－１１２３８６）、２０１４年６月１０日出願の日本特許出願（特願２０１４－１１９６９７）、２０１４年１１月４日出願の日本特許出願（特願２０１４－２２４０３３）、２０１５年１月２６日出願の日本特許出願（特願２０１５－０１２６１０）、２０１５年１月２７日出願の日本特許出願（特願２０１５－０１３６２６）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明のボールねじ装置は、優れた寸法安定性と耐摩耗性とを両立させたねじ軸を備えることから、特に搬送・位置決め用に適したボールねじ装置に有用である。
１　ねじ軸
１０　螺旋溝
１０ｂ　ランド部

Claims (3)

  1. 　外周面に螺旋溝を有するねじ軸と、前記ねじ軸の螺旋溝に対向する螺旋溝を内周面に有するボールナットと、前記両螺旋溝間に介挿されるとともにボールナットに設けたボール循環路によって循環可能とされた複数個のボールとを備えるボールねじ装置において、
    　前記ねじ軸が、高炭素軸受鋼を高周波熱処理してなり、かつ、
    　硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の表面からの深さが、該ねじ軸の外径から軸線までの距離の６０％以下であり、硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相または炭化物相を含有する組織であり、溝底での炭化物面積率が１．５％以上で、軌道面における表面から５０μｍまでの領域での表面炭化物面積率が１．５％以上であることを特徴とするボールねじ装置。
  2. 　前記高炭素軸受鋼が、マンガン、クロム及びモリブデンを含有し、それぞれの含有量［Ｍｎ］、［Ｃｒ］及び［Ｍｏ］（何れも質量％）と、前記表面炭化物面積率とで表される下記式１の値が１９～２４５であることを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。
    　式１＝（［Ｍｎ］＋１０［Ｃｒ］＋２０［Ｍｏ］）×表面炭化物面積率
  3. 　前記ねじ軸の径方向断面における平均残留オーステナイト量が４．５質量％以下であり、かつ、溝底における旧オーステナイト粒径が３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のボールねじ装置。
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