WO2015182767A1

WO2015182767A1 - ボールねじ装置

Info

Publication number: WO2015182767A1
Application number: PCT/JP2015/065645
Authority: WO
Inventors: 成晃阿部; 秀幸飛鷹; 渡辺　靖巳
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2016-11-30
Also published as: TWI575171B; WO2015182761A1; WO2015182764A1; JPWO2015182764A1; JPWO2015182761A1; TW201608154A; JP6044744B2; TWI575170B; TW201608153A; JPWO2015182767A1; TW201608152A

Abstract

　ボールねじ装置のねじ軸が、高炭素軸受鋼またはＭｓ点が１７２℃以下でＤＩ値が２．８以上の鋼材を熱硬化処理してなり、かつ、（ａ）有効硬化層の割合、（ｂ）非硬化層の金属組織、（ｃ）平均残留オーステナイト量、（ｄ）転動面の水素量、（ｅ）溝底の炭化物面積率、（ｆ）軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量をそれぞれ特定範囲とする。

Description

ボールねじ装置

　本発明はボールねじ装置に関し、特に射出成形機用に適したボールねじ装置に関する。

　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。また、近年では、自動車部品の軽量化が求められており、その一つの手段として部品の樹脂化が検討されている。このようなニーズの下、射出成形機に求められる出力が増大し、装置の大型化が必要になってくるが、それをできるだけ抑制するためにボールねじ装置の長寿命化が益々重要になっている。

　ボールねじ装置に求められる性能としては、先ず、軸方向の移動が安定して行われることであり、そのためには長時間にわたってねじ溝に形状的な変化が生じないことが求められる。ねじ軸の形状変化の要因として軌道面の表面が部分的に欠損するはく離や摩耗、鋼材の膨張や収縮に起因した寸法変化がある。即ち、耐はく離性、耐摩耗性、寸法安定性に優れたねじ軸を備えることが、品質の良いボールねじ装置であると言える。

　しかしながら、これらの耐久性を全て高いレベルで満足する製品を製造することは容易ではない。射出成形機ではボールねじ装置が推力源として使用されるため、ボールねじ装置には高い応力が繰り返し負荷されるので、耐はく離性を高める必要がある。ボールねじ装置ではナットがねじ軸に対して軸方向に移動するため、異物が混入しやすく、また、ボールがナットの循環部品を経由する際に傷つく場合があり、転動体の表面性状が劣化しやすいことから、「ピーリング」と呼ばれる表面起点型はく離が多くみられる。この形態のはく離については、ねじ軸の軌道面の残留オーステナイトの最適化が有効であり、そのために浸炭処理が用いられている。しかしながら、残留オーステナイトは長期間の使用中にマルテンサイトに変化しやすく、その密度差から膨張による寸法変化を起こす。そのため、耐はく離性を高めようとして浸炭処理を施すと、寸法安定性の低下をある程度許容しなければならない。

　一方、寸法安定性に主眼を置いた場合、高周波熱処理を利用することが行われている。高周波処理は、誘導加熱により鋼材表面で発熱させることで、必要な部分のみ焼入れを行うことができる、高周波熱処理を利用したねじ軸の製造法としては、鋼材からなる丸棒に溝加工を施した後に硬化層を付与する方法と、丸棒に硬化層を付与した後に溝加工を施す方法とがある。何れの方法でも、寸法変化を生じさせる硬化層はねじ軸の表面だけであり、浸炭処理に比べて同等以上の性能が期待できる。しかしながら、高周波熱処理により、耐はく離性を向上させることは容易ではない。高周波熱処理では、発熱が表面で起こるために表面でオーバーヒートが生じやすく、炭素量が多い鋼材ではオーバーヒートによる割れが発生しやすくなる。そのため、高周波熱処理を行う場合には、一般的には中炭素鋼が使用されており、実際にねじ軸用としては０．５％ＣベースのＳＡＥ４１５０が使用されている。しかしながら、はく離に対して有効な残留オーステナイト量は、鋼中の炭素含有量に依存しており、０．５質量％程度の炭素含有量では寿命延長効果が殆ど期待できない。

　尚、ねじ軸の製造工程における高周波熱処理に関しては、例えば、特許文献１、２を参照することができる。

　また、射出成型機用のボールねじ装置では、使用環境が厳しくなると、特殊なはく離が生じることがある。このはく離は、「白色はく離」と呼ばれる組織変化を起点とするはく離であり、鋼中に侵入した水素によって引き起こされると考えられている。水素は、鋼中に元々存在するものと、使用中に潤滑油等が分解して発生し鋼中に侵入するものとが考えられる。そして、白色はく離が発生すると、残留オーステナイト量を増加させて長寿命化させた効果が薄れてしまう。

日本国特開２０１０－９０９２４号公報日本国特開２００５－２９９７２０号公報

　このように、寸法安定性とともに、耐はく離性や耐摩耗性を向上させて長寿命化を図かることは困難な状況にある、また、水素による白色はく離についてもこれまで検討されていない。そこで、本発明は、より優れた寸法安定性、白色はく離を含めたはく離への耐性、耐摩耗性を兼ね備え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発明者らが鋭意検討した結果、以下の知見を得た。先ず、白色はく離以外のはく離に対する耐性向上のためには、残留オーステナイト量の制御が有効であり、鋼材の高炭素化によって達成することができる。そして、表面の残留オーステナイト量を増加しつつ、寸法安定性を確保するために、寸法変化のメカニズムを詳細に調査した結果、浸炭鋼のようにマルテンサイトを基本組織とした場合には寸法変化が軸の径方向及び軸方向の両方に等方的に生じるが、芯部を熱的に安定なフェライト相をベースとし、かつ、その体積を一定以上確保することにより軸方向に殆ど変化しないことを見出した。ボールねじ装置に求められる寸法安定性とは軸方向に関するものであり、この現象を利用すれば寿命と寸法安定性とを両立させることができる。

　尚、射出成形機用のボールねじ装置では主流ではないが、高周波熱処理によってねじ軸を作製する場合、丸棒に硬化層を付与した後に溝加工を施すことがあるが、この場合には高炭素化によりある程度の焼入れ性を確保することができるため、常識的な合金元素量の添加で必要な硬化層深さを確保でき、更にその硬化層深さでも寸法安定性に必要な芯部領域が確保できる。

　しかし、高炭素鋼と高周波熱処理との組み合わせは、焼き割れと、曲がり直し時の割れとの問題がある。前者は、周波数条件と厳密な温度管理とにより回避することが可能であるが、後者については曲がり直し作業を行わないことは現実的に難しく、回避することができない。焼入れを行うと、組織がオーステナイトからマルテンサイトに変化し、そのときの密度差が原因で熱変形が必ず起こる。上記のように硬化層付与後に溝加工することにより、このような変形を小さくすることができるが、射出成形機用のボールねじ装置では、機械部品として必要な形状を確保するために、溝加工後に高周波熱処理されることが多いため、熱処理による変形はねじ軸の曲がりとして現れ、これを曲げ加工により矯正する必要がある。ねじ軸には溝が形成されているため、曲げ加工の際に溝底が大きく変形し、許容量を超えるとクラックが発生する懸念が大きい。そこで、曲げ強度について組織の影響を詳細に調査した結果、溝底の炭化物量を一定以上にすることで回避できることを見出した。これは、炭化物によるピン止め効果により結晶粒が微細に維持されること、鋼材が高炭素鋼であり、炭素量が1質量％程度と多いため、炭化物量が多いほど基地に溶け込む炭素量が少なくなり、靭性を確保できることに起因している。

　また、白色はく離について検討したところ、使用前の状態での鋼中の水素量を制限することにより、白色はく離の発生を抑制し、通常のはく離のみが生じるようになり、実質的に無害化できることを見出した。

　本発明はこのような知見に基づきなされたものであり、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、高炭素軸受鋼または下記式１で算出されるＭｓ点が１７２℃以下で下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である鋼材を熱硬化処理してなり、かつ、
　径方向断面における硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の割合が６０％以下、
　硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織であり、
　径方向断面における平均残留オーステナイト量が４．５％以下であり、
　螺旋溝の転動面の水素量が０．６１ｐｐｍ以下であり、
　溝底の炭化物面積率が１．５％以上であり、
　軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量が５～４０体積％
であることを特徴とするボールねじ装置。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４．１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）
（２）前記ねじ軸の軌道面表面の硬さ（ＨＲＣ）及び軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量（γＲ）が、下記式３及び式４を満足することを特徴とする上記（１）記載のボールねじ装置。
　式３：γＲ＋０．１５×ＨＲＣ－１９．１≧０
　式４：γＲ＋２１．２×ＨＲＣ－１１７６≧０
（３）前記ねじ軸の溝底の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は、ねじ軸を特定の鋼材を熱硬化処理して（ａ）有効硬化層の割合、（ｂ）非硬化層の金属組織、（ｃ）平均残留オーステナイト量、（ｄ）転動面の水素量、（ｅ）溝底の炭化物面積率、（ｆ）軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量をそれぞれ特定範囲にしたことにより、これまでよりも優れた寸法安定性、白色はく離を含めたはく離への耐性、耐摩耗性を備えるようになる。そのため、特に射出成形機用のボールねじ装置に有用であり、高性能で長寿命となる。

Ｍｓ点と、寿命比との関係を示すグラフである。ＤＩ値と、寿命比との関係を示すグラフである。表面残留オーステナイト量と、寿命比との関係を示すグラフである。硬さと、表面残留オーステナイト量との関係を示すグラフである。式３の値と、寿命比との関係を示すグラフである。式４の値と、寿命比との関係を示すグラフである。有効硬化層割合と、軸方向の寸法変化率との関係を示すグラフである。溝底の炭化物面積率と、抗折強度比との関係を示すグラフである。式５の値と、抗折強度比との関係を示すグラフである。水素量と、寿命比との関係を示すグラフである。式６の値と、寿命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が、ねじ軸を特定の高炭素軸受鋼製とし、これを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。

　即ち、本発明で用いるねじ軸用の素材としては、高炭素軸受鋼または下記式１で算出されるＭｓ点が１７３℃以下で下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である鋼材を用いる。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４・１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）

　高炭素軸受鋼または式１及び式２を満足する鋼材であれば制限はないが、好ましくは、炭素を０．６質量％以上含有し、他にクロム及びマンガンを必須成分として含む軸受鋼である。炭素含有量が０．６質量％未満では、本発明で規定する熱処理品質が得られないので０．６質量％以上とすることが好ましい。より好ましくは、炭素含有量を０．９５質量％以上にする。尚、炭素含有量の上限には制限はないが、２質量％を超えると、粗大な炭化物が残留するようになり、耐寿命性等に影響する。高炭素軸受鋼は、炭素を１質量％近く含有し、焼入れに必要な０．５質量％程度の炭素を基地に溶け込ませたとしても、十分な量の炭化物を軌道面に残存させることができ、耐摩耗性を向上させることができる。

　クロムは、焼入れ性を向上させる元素であり、０．９質量％以上含有することが好ましい。但し、クロムが過多になると、加工性が低下するようになるため、２質量％以下にすることが好ましい。マンガンもクロムと同様に焼入れ性を向上させる元素である。０．２質量％以上添加することが好ましい。但し、マンガンが過多になると加工性が低下するようになるため、２質量％以下にすることが好ましい。

　また、モリブデンを含有することが好ましい。後述する実施例にも示すように、クロム及びマンガンとともにモリブデンの鋼中含有量が関係する式１の値を特定の範囲にすることにより、耐摩耗性をより向上させることができる。これは、クロム、マンガン及びモリブデンが炭化物に溶け込み、炭化物を硬質化するためであると推定される。

　具体的には、ＪＳＩ　Ｇ　４８０５の高炭素クロム鋼や、ＩＳＯ　６８３－１７の軸受鋼、ＳＵＪ２～５鋼、１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼等が挙げられるが、ＳＵＪ２～５鋼、１００ＣｒＭｎＳｉ６－４鋼が好ましい。

　そして、このような高炭素軸受鋼からなる丸棒を熱硬化処理して、表層部分に、硬さＨｖ５００以上の有効硬化層を形成する。熱硬化処理としては、浸炭処理でもよいが、高周波熱処理が好ましい、この高周波熱処理では、高周波電源に接続したコイルに、上記の鋼材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。そして、コイルを丸棒素材の軸方向に移動させることにより、丸棒素材を全長にわたり加熱する。加熱後、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。

　有効硬化層は、ねじ軸の断面において、体積割合で６０％以下とする。即ち、ねじ軸の直径に対し、有効硬化層が形成されている表面からの深さが６０％以下になるように、処理条件（周波数や出力、加熱時間）を鋼材組成やねじ軸の直径などに応じて調整する。

　有効硬化層割合が６０％以下であることは、硬さＨＶ５００未満である非硬化層の割合が４０％以上になることを意味する。非硬化層は、フェライト相とセメンタイト相とを含有するバーライトであるが、フェライト相は炭素量が十分に低いため、長時間の使用中でも殆ど変化を起こさず、表層の硬化層が芯部に拘束される結果、熱処理により生じた表層の残留オーステナイト量が多くなっても軸方向の寸法変化を殆ど生じなくなる。このような効果を得るためには、非硬化層割合が４０％以上であればよく、６０％以上がより効果的である。

　また、径方向断面における平均残量オーステナイト量が４．５体積％以下である。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。

　更に、溝底において、炭化物面積率を１．５％以上とし、５．６％以上にすることにより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、曲がり直しにおける割れの防止に有効となる。また、割れ防止には、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、１８μｍ以下がより好ましい。

　また、軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量（表面残留オーステナイト量）を５～４０体積％とする。ボールねじ装置ではねじ軸が露出しているため、異物によるはく離が起こりやすいが、寸法変化を抑えつつ、異物混入下での寿命向上を図るためには、この表面残留オーステナイト量を５～４０体積％、好ましくは９．７～３５体積％にする。

　更には、白色はく離防止のために、転動面の水素量を０．６１ｐｐｍ以下にする。水素量は少ないほど好ましく、０．２ｐｐｍ以下が好ましい。

　以上に加えて、ねじ軸は、転動体との間に高い接触面圧が加わるため、軌道面表面における硬さ（ＨＲＣ）が高いほど好ましいが、更に上記表面残留オーステナイト量（γＲ）との間で、下記式３及び式４を満足することが好ましい。
　式３：γＲ＋０．１５×ＨＲＣ－１９．１≧０
　式４：γＲ＋２１．２×ＨＲＣ－１１７６≧０

　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り、研磨による取り代を考慮して径を決定した棒状試験片を用意し、周波数１００～２００ｋＨｚにて高周波熱処理による移動焼きを施した。次いで、１６０～２００℃で２時間の焼戻し処理を行い、研磨により黒皮表面から２００μｍ除去した後、下記条件にて寿命試験に供した。尚、転動体は、ホールねじ装置の剥離を再現するために、下記に示すように、予め表面粗さを悪くしたボールを用いた。また、下記の式１からＭｓ点を算出した。結果を表２及び図１に示すが、比較例２に対する相対値（寿命比）で示す。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
＜試験条件＞
・試験片・・・φ１２．６ｍｍ、棒状試験片
・転動体・・・材質：ＳＵＪ２、サイズ：１／２インチ、表面粗さ：０．３μｍＲａ
・面圧・・・・５．５ＧＰａ
・潤滑・・・・油浴潤滑、ＶＧ６８

　表２及び図１に示すように、実施例１～５において寿命延長効果が認められており、Ｍｓ点が１７３℃以下であれば良いことがわかる。

（試験２）
　表３に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、この棒状試験片を周波数３０～１００ｋＨｚにて高周波熱処理による移動焼きを施した後、１６０～２００℃で２時間の焼戻し処理を行い、研磨により黒皮表面から４ｍｍ除去した後、試験１と同様の寿命試験に供した。また、下記式２からＤＩ値を算出した。結果を表３及び図３に示すが、比較例３に対する相対値（寿命比）で示す。
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４・１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）

　表３及び図２に示すように、実施例６～１０において寿命延長効果が認められており、ＤＩ値が２．８以上であれば良いことがわかる。また、実施例６と実施例８とはほぼ同じＤＩ値であるが、実施例８の方が寿命が延びている。これは、４ｍｍの取り代位置において、両者の品質の差異が生じたことに起因していると考えられる。即ち、実施例６では鋼材Ａ（Ｍｓ点１５５℃）、実施例８では鋼材Ｃ（Ｍｓ点１７２℃）を使用しており、寿命延長効果には、一定水準以上の熱処理品質を得ることが必要であり、ＤＩ値とＭｓ点との両方の影響を受けることがわかる。

（試験３）
　表４に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、高周波熱処理し、溝加工を施してねじ軸を作製した。そして、作製したねじ軸の軌道面表面の硬さ及び表面残留オーステナイト量を測定した。また、作製したねじ軸を用いてボールねじ装置を作製し、試験１と同様の寿命試験に供した。結果を表４に示すが、比較例６に対する相対値（寿命比）で示す。また、寿命比と、表面残留オーステナイト量との関係を図３にグラフ化して示す。

　比較例６で用いた鋼材Ｇは、高周波熱処理による表面残留オーステナイト量を高めることは難しく、寿命延長効果は認められない。これに対し実施例１１～３９で用いた鋼材Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅでは、高周波熱処理における出力を高めることにより、表面残留オーステナイト量を高くすることができ、９．７体積％以上にすることにより十分な寿命延長効果が得られ、１３体積％以上にすることが好ましいことがわかる。

　また、表面残留オーステナイト量が１３体積％以上の範囲において、寿命にバラつきが見られる。検討の結果、表面残留オーステナイトと硬さ（ＨＲＣ）との間に相関があることを見出した。図４に、比較例、並びに寿命比が１．６以上となる実施例について、それぞれの硬さと表面残留オーステナイト量との関係をグラフ化して示す。

　更に、表面残留オーステナイトと硬さ（ＨＲＣ）とで表される式３または式４と、寿命比との間にも相関があることを見出した。式３の値及び式４の値を表４に併記するとともに、式３の値と寿命比との関係を図５に、式４と寿命比との関係を図６にそれぞれグラフ化して示す。図示されるように、式３の値及び式４の値とも０以上で、寿命延長効果が得られている。式３及び式４を表面残留オーステナイトに関する関係式に変換し、それぞれを図４に直線で示すが、プロット「×」で示す比較例は、何れも式３または式４に関する２本の直線で囲まれた領域の範囲外にある。即ち、寿命延長には、式３と式４とを同時に満足することが好ましい。

（試験４）
　表５に示すように表１に示す鋼材からなる棒状試験片を用い、高周波熱処理して有効硬化層の割合の異なるねじ軸を作製した。作製したねじ軸について、有効硬化層の割合（％）、とともに、表面残留オーステナイト量（体積％）及び平均残留オーステナイト量（体積％）を測定した。尚、表面残留オーステナイト量とは、軌道面表面から５０μｍ深さにおける残留オーステナイト量であり、軌道面表面から５０μｍ分表層を取り除いた後、Ｘ線により測定した。また、芯部（硬さＨｖ５００未満の領域）について化学分析して金属組織を求めた。更に、高周波熱処理後、再度低温で所定時間焼戻しを行う前後で、軸方向の寸法変化率を測定し、比較例９に対する相対値（寸法変化率比）を求めた。それぞれの結果を表５に併記するとともに、図７に有効硬化層割合と軸方向の寸法変化率との関係をグラフ化して示す。

　実施例３８～４５では、有効硬化層の割合が増加しても軸方向の寸法が殆ど変化しない。これに対し比較例７～９では、有効硬化層の割合が増加するのに伴い軸方向の寸法も増加している。実施例は何れも有効硬化層の割合が６０％以下であり、有効硬化層の割合を６０％以下にすることにより、寸法安定性に優れるようになることがわかる。

　また、比較例９は、現行のボールねじ装置のねじ軸を模したものであるが、表面残留オーステナイト量が少ないのにも関わらず、実施例３８～４５と同等の寸法変化量になっている。このことから、平均残留オーステナイト量を４．５体積％以下にすることも寸法安定性に有効であるといえる。

　更に、実施例３８～４５では表面残留オーステナイト量が５～４０体積％であり、寸法変化率が小さい。このことから、表面残留オーステナイト量を５～４０体積％にすることも有効であるといえる。

　尚、芯部の化学分析の結果、比較例９以外は、何れもフェライト相とセメンタイト相とからなるパーライトであった。

（試験５）
　表６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。結果を表６に併記する。

　また、作製したねじ軸を４点曲げ試験に供し、抗折強度を測定した。結果を表６に併記するが、現行品を模した比較例１０に対する相対値（抗折強度比）として示す。また、図８に溝底の炭化物面積率と抗折硬度比との関係をグラフ化して示す。尚、何れのねじ軸でも、溝底から亀裂が発生すると同時に、その亀裂は停止することなく、ねじ軸の破断に至ることを確認した。

　比較例１０は現行の鋼材を使用して、現行と同様の品質を模したものであるが、比較例１１は、この比較例１０よりも抗折強度が低下している。比較例１１では、高周波熱処理において設定出力を高めにして炭素の溶け込み量を多くしており、マトリックスの変形能が低下したことが原因である。

　実施例４６～５６では、比較例１１よりも設定出力を低くしており、現行の比較例１０と同等以上の抗折強度を有している。抗折硬度は一般に、硬さが低下するほど高くなる傾向にあるが、本発明のように高炭素鋼を用いる場合、比較例１１のように炭素の溶け込み量が多くなると柔らかい組織である残留オーステナイト量が多くなり、結果として硬さが低下するため、評価指標としては適さない。妥当な評価指標としては、マルテンサイト中の炭素の固溶量であるが、その固溶量を定量的に測定することは簡便ではない。本発明では、軸受鋼を用いるため、固溶炭素量は素材の炭素量から固溶していない炭素量、即ち残存炭化物量を差し引くことにより求めることができる。残存炭化物量が多い、即ち固溶炭素量が少ない状態において抗折強度が向上し、実施例４６～５６から溝底での炭化物の面積率が１．５％以上において現行と同等以上の抗折強度が得られることがわかる。

　また、抗折強度と旧オーステナイト粒径との相関を調べたところ、比較例１１と実施例４６～５６との比較から、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、溝底の炭化物面積率と旧オーステナイト粒径とに関する下記式５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５の値を表６に併記するとともに、抗折強度比との関係をグラフ化して図９に示すが、式５の値が２２以上、好ましくは３５以上であるときに、抗折強度比を大きくすることできる。
　式５＝溝底の炭化物面積率＋５０－旧オーステナイト粒径

（試験６）
　上記試験結果を基に、ボールねじ装置ＢＳ６３１６－１０．５（呼び：ＪＩＳ　Ｂ１１９２　６３×１６×３００－Ｃｔ７）を作製し、日本精工株式会社製のボールねじ耐久試験機に装着して耐久性試験を行った。試験条件は下記の通りである。また、実施例５７～６１では高周波熱処理を行い、実施例６２及び比較例１２では浸炭処理を行ってエンリッチガスの量を調整することにより、軌道面の水素量に調整した。水素量は、試験前のねじ軸の軌道面を切断し、１０ｍｍ四方の直立方体の上面が軌道面となる立体を形成した後、室温から４００℃まで加熱して放出させた水素の総量を水素分析装置により測定した値である。寿命は、鋼材Ｇからなるねじ軸を用いたボールねじ装置の計算寿命に対する相対値（寿命比）で示す。結果を表７に示す。また、表７には、この水素量とともに、作製したねじ軸のＤＩ値、Ｍｓ点及び表面残留オーステナイト量を併記する。更に、図１０に水素量と寿命比との関係をグラフ化して示す。
＜試験条件＞
・ねじ軸の外径：６３ｍｍ
・リード：１６ｍｍ
・ボールの直径：１２．７ｍｍ
・試験荷重：３００ｋＮ
・最高回転速度：３２００ｍｉｎ^－１（Ｄｎ：２０万）
・ナットの素材：ＳＣＭ４２０
・セパレータの材質：６６ナイロン
・循環方式：リターンチューブ方式
・潤滑剤：リューベ株式会社製「ＹＳ２グリース」

　表７に示すように、実施例５７～６２は、Ｍｓ点が１７３℃以下、ＤＩ値が２．８以上、表面残留オーステナイト量が５～４０体積％であり、更に、軌道面の水素量が０．６１ｐｐｍ以下であり、何れも計算寿命に対して２倍以上の寿命を有する。

　また、軌道面の水素量と表面残留オーステナイトで表される式６の値と、寿命比との間に相関があることを見出した。表７に式６の値を併記するとともに、図１１に式６の値と寿命比との関係をグラフ化して示すが、式６の値が４０．２以下であれば寿命比を大きく延長させることができる。
　式６＝（軌道面の水素量）×１５＋表面残留オーステナイト量

　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、これまでよりも優れた寸法安定性、白色はく離を含めたはく離への耐性及び耐摩耗性を備えるため、特に射出成形機用のボールねじ装置に有用であり、高性能で長寿命となる。

Claims

　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、高炭素軸受鋼または下記式１で算出されるＭｓ点が１７２℃以下で下記式２で算出されるＤＩ値が２．８以上である鋼材を熱硬化処理してなり、かつ、
　径方向断面における硬さがＨＶ５００以上である有効硬化層の割合が６０％以下、
　硬さがＨＶ５００未満である非硬化層がフェライト相及びセメンタイト相を含有する金属組織であり、
　径方向断面における平均残留オーステナイト量が４．５％以下であり、
　螺旋溝の転動面の水素量が０．６１ｐｐｍ以下であり、
　溝底の炭化物面積率が１．５％以上であり、
　軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量が５～４０体積％
であることを特徴とするボールねじ装置。
　式１＝５５０－３６１［Ｃ］－３９［Ｍｎ］－２０［Ｃｒ］－１７［Ｎｉ］－５［Ｍｏ］
　式２＝（０．２［Ｃ］＋０．１４）×（０．６４［Ｓｉ］＋１）×（４．１［Ｍｎ］＋１）×（２．３３［Ｃｒ］＋１）×（３．１４［Ｍｏ］＋１）×（０．５２［Ｎｉ］＋１）
（式中、［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｎｉ］は、鋼材中のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの各含有量（質量％）である。）
　前記ねじ軸の軌道面表面の硬さ（ＨＲＣ）及び軌道面から深さ５０μｍでの残留オーステナイト量（γＲ）が、下記式３及び式４を満足することを特徴とする請求項１記載のボールねじ装置。
　式３：γＲ＋０．１５×ＨＲＣ－１９．１≧０
　式４：γＲ＋２１．２×ＨＲＣ－１１７６≧０
　前記ねじ軸の溝底の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。