| 【発明の名称】 |
高耐食性・非磁性直動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】加藤 総一郎
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| 【要約】 |
【課題】表面硬さが高くしかも耐食性にとみ、また転動体により応力が集中してもクラックが発生せず、長期にわたり表面硬化層を維持でき、ひいては長寿命化が達成できる高耐食性・非磁性直動装置を安価に提供する。
【解決手段】例えば、外方部材であるベアリング２と内方部材であるガイドレール１とが、その間に挿入された複数個の転動体Ｂの転動を介して相対移動するようにした直動装置としてのリニアガイド１０において、ベアリング２とガイドレール１との少なくとも一方を、耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼を用いて所定形状に塑性加工したものとして硬さを高め耐久性を向上させた。さらにその表面に特殊の炭素固溶化層を設けたことで上記課題を達成できた。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 外方部材と内方部材とが、その間に挿入された複数個の転動体の転動を介して相対移動するようにした直動装置において、前記外方部材と内方部材との少なくとも一方が、オーステナイト系ステンレス鋼製の素材を所定の形状に塑性加工してなり、且つその表面に炭素固溶化層を備えていることを特徴とする高耐食性・非磁性直動装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体関連の機械装置類のような特に高い耐食性と非磁性とが要求される分野に好適に使用できる直動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明にいう直動装置とは、外方部材と内方部材とが、その間に挿入された複数個の転動体の転動を介して相対移動するようにした装置の総称であって、具体的には例えばボールねじや直動案内軸受（リニアガイド）等を包含する。ここで、外方部材とは、ボールねじのナット，リニアガイドのベアリング（スライダ）等を指し、内方部材とは、ボールねじのねじ軸，直動案内軸受のガイドレール等を指すものとする。
【０００３】一般的な直動装置の転動体及び外方部材や内方部材の場合、その材料として軸受鋼であればＳＵＪ２が、肌焼鋼であればＳＣＲ４２０やＳＣＭ４２０相当の鋼材等が使用されている。これらの直動装置は高面圧下で繰り返しせん断応力を受けて用いられるため、そのせん断応力に耐えて疲労寿命を確保するべく、軸受鋼は焼入・焼戻し、肌焼鋼は浸炭または浸炭窒化処理後に焼入・焼戻しが施されてＨＲＣ５８〜６４の硬度とされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、例えば液晶・半導体製造設備や食品機械等の如く腐食環境下において使用される機械装置類に組み込んで使用される直動装置の場合は、材料に軸受鋼を用いたのでは早期に発錆して短寿命に終わることがある。そこで、このように耐食性や耐薬品性が要求される場合の材料にはステンレス鋼が使用される場合が多い。また、半導体製造設備に用いられるものの場合は非磁性体であることも要求される。
【０００５】ステンレス鋼は大きく分けて、オーステナイト系，フェライト系，オーステナイト・フェライト２相系，マルテンサイト系，析出硬化系の５つに大別できるが、直動装置では転動体と外方部材あるいは内方部材との接触部位において摩耗と大きなせん断応力を受けるため、硬さが大きくて耐摩耗性に優れるマルテンサイト系ステンレス鋼が主として用いられている。中でも、最も高硬度なＳＵＳ４４０Ｃの使用実績が高い。しかし、ＳＵＳ４４０Ｃに代表されるマルテンサイト系ステンレス鋼は、他のステンレスに比較して耐食性に劣り、必ずしも満足できるものではない。
【０００６】一方、オーステナイト系，フェライト系などのステンレス鋼は耐食性には優れているが、直動装置に要求される程度の十分な硬さがなく、耐摩耗性，寿命など耐久性の点で劣り、素材として使用できなかった。鋼材の表面硬度をあげて耐摩耗性を向上させる方法もあり、従来から窒化処理や真空浸炭処理法等が用いられてはいる。しかし、窒化処理は化合物による界面が明確のため、転動体の転動によりクラックを生じる可能性があり、一方従来の真空浸炭処理法には炭化物の析出のため耐食性が低下するという問題点がある。
【０００７】そこで本発明は、このような従来技術の未解決の問題点に着目してなされたものであり、表面硬さが高くしかも耐食性にとみ、また転動体により応力が集中してもクラックが発生せず、長期にわたり表面硬化層を維持でき、ひいては長寿命化が達成できる高耐食性・非磁性直動装置を安価に供給することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明に係る直動装置は、外方部材と内方部材とが、その間に挿入された複数個の転動体の転動を介して相対移動するようにした直動装置において、前記外方部材と内方部材との少なくとも一方が、オーステナイト系ステンレス鋼製の素材を所定の形状に塑性加工してなり、且つその表面に炭素固溶化層を備えていることを特徴とする。
【０００９】ここで、前記炭素固溶化層の厚さを、使用転動体径の０．５％以上、１％以下とすることができる。本発明にあっては、直動装置の材料として、素材自体が耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼を使用する。そして、この素材が面心立方格子金属であって加工硬化を起こし易いことを利用し、転造または引き抜き等の塑性加工を施すことで転位密度を高めて硬さを向上させ、素材を強化する。さらに、特殊浸炭法により表面に浸炭硬化層を形成して表面硬度を上げる。この特殊浸炭法は、一般の浸炭法では焼入れできない不働態の酸化クロム層で覆われたステンレス鋼表面を、薬液によって活性化させ、その後炭素を固溶化させることで硬化層を形成して表面を改質するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。多数個の転動体の転がりを利用した直動装置としては、いわゆるリニアガイド，リニアボールベアリング等の直動案内軸受や各種のボールねじ等があり、多くの産業機械の重要な機械要素として多用されている。本実施の形態では、そのうちのリニアガイド及びボールねじについて説明する。
【００１１】図１は、第１の実施の形態であるリニアガイド１０の一部を透視して示した斜視図である。軸方向に延設された内方部材としてのガイドレール１と、その上に移動可能に跨架された断面コ字形の外方部材としてのベアリング（スライダともいう）２とを備えている。ガイドレール１の両側面にはそれぞれ軸方向に軌道溝３が形成されている。一方、スライダ２のスライダ本体２Ａには、その両袖部の内側面に、それぞれ軌道溝３に対向する図示されない負荷軌道溝が形成されると共に、両袖部の内部に軌道溝３と平行なボール戻り通路が形成されている。また、スライダ本体２Ａの前後両端にエンドキャップ２Ｂが装着されており、これに上記軌道溝とボール戻り通路とを連通させる半ドーナツ状に湾曲したボール循環路が形成されている。そして、軌道溝とボール戻り通路とボール循環路とで構成されたボール無限循環軌道内に、転動体としての多数の鋼製ボールＢが充填され、それらボールＢの転動を介してスライダ２が案内レール１上を軸方向に沿って移動する（または、スライダ２が固定され、レール１の方が移動する）ようになっている。
【００１２】本実施形態のガイドレール１及びベアリング本体２Ａは、いずれもオーステナイト系ステンレス鋼を素材としている。種々あるオーステナイト系ステンレス鋼のなかで、汎用的で入手し易い点から、ＳＵＳ３０３，３０４，３１６，３１６Ｌを挙げられるが、なかでもＳＵＳ３１６は、安定的に表面を硬化でき且つ耐食性に優れているため最適である。これらの材料鋼材を用いて所定形状に引き抜き加工される。即ち、ガイドレール１は、断面略方形の両側面に軌道溝３を有する形状に引き抜き加工される。また、ベアリング本体２Ａは、断面凹形で両内側面に軌道溝を有する形状に引き抜き加工される。この塑性加工によって加工硬化を生じさせるためである。すなわち、面心立方格子金属であるオーステナイト系ステンレス鋼素材の結晶格子内の転位密度を高めて素材硬さを向上させ当該各部材を強化させるものである。
【００１３】ついで、ガイドレール１では、その軌道溝３の溝底部にワイヤ保持器収納溝が切削加工されると共に取り付けボルト用の孔明け加工がなされる。また、ベアリング本体２Ａには、上面にテーブル取り付けボルト用の孔明け加工がなされ、前後の両端面にエンドキャップ２Ｂ取り付け用のねじ孔加工がなされると共に、ボール戻り通路の貫通加工がなされる。
【００１４】次に、外周及び溝の研削加工を行う。その後、各部材に対して炭素の固溶化処理（すなわち低温浸炭処理、処理温度５００℃以下が望ましい）を施す。本発明にあっては、ステンレス鋼の表面改質法として一般的なイオン窒化やプラズマ浸炭処理は採用しない。放電現象を利用するこれらの方法は、量産性に欠けるのみならず、複雑な形状をもつ製品に対して均一な処理層を形成させることが難しい。よって、ガス反応による改質処理の方が好ましいが、オーステナイト系ステンレス鋼においてはガス反応を阻害するＣｒ酸化被膜が存在するために、従来の窒化や浸炭方法では均一な処理層を形成することができない。
【００１５】本発明は、先ずＣｒ酸化被膜を除去するための前処理としてフッ化処理を行ない、その後に表面硬化処理を施すものである。その表面硬化処理として窒化処理を採用すると、オーステナイト系ステンレス鋼の場合、窒化層がオーステナイトから窒素化合物へと変化してＨｖｌ０００以上の硬度が得られ、摺動性の点では飛躍的に改善されるのであるが、反面、オーステナイト系ステンレス鋼自体は非常に硬度が低いため、直動装置の表面に形成されるごく薄い窒化層だけでは、窒化層が脆い化合物からなるということもあって大きな接触応力を支えきれず、十分な耐久性が得られないし、また母材の持つ耐食性も損なわれてしまう。
【００１６】よって、本発明では窒化系とは異なる浸炭系のプロセスを使用する。具体的には、例えばパイオナイトプロセス（大同ほくさん株式会社の登録名）が好適に利用できる。この処理は、浸炭処理の前処理として、ＮＦ3（三フッ化窒素）等のフッ素ガスを用いて２００〜４００℃程度でフッ化処理を行ない、その後浸炭性ガスによる浸炭処理を行なうものである。すなわち、■フッ素ガスを用いてフッ化処理を行なうプロセスと、■浸炭性ガスを用いて浸炭処理を行なうプロセスとからなっている。
【００１７】■のフッ化処理により、浸炭反応を阻害するＣｒ酸化層が除去されて表面層にごく薄いフッ化層が形成され、表面が極めて活性化する。そのため、その後の■浸炭処理によって、安定した均一な浸炭硬化層を形成させることが可能となる。なお、浸炭処理は８００℃以上の高温で行われるのが一般的であるのに対し、このパイオナイトプロセスにあっては、５００℃程度の低温で浸炭処理する。
【００１８】浸炭処理温度が６００℃以上になると、炭素が鋼中のＣｒと結合してＣｒ炭化物となって耐食性が低下すると共に、熱処理後の寸法変化が大きくなるから、５４０℃以下とするのが好ましい。５４０℃より低いと、浸炭により浸透する炭素がＣｒと結合しにくく、オーステナイトの面心立方格子のすきまに単に固溶浸透して硬化するため、実質炭化物の存在しない靭性の高い表面硬化層が得られ、寸法変化も極めて小さい。好ましくはその表面硬さをＨＲＣ６０（Ｈｖ６９７）以上、さらに好ましくはＨＲＣ６２（Ｈｖ７４６）以上とする。
【００１９】なお、浸炭性ガスには、Ｃ０、Ｃ０2、Ｈ2等の混合ガスが使用される。本処理を行なった後は、最表面層はＣ０2ガスによるＦｅの酸化が起こり、Ｆｅ3０4からなる黒色の酸化層を形成し、耐食性が低下する。したがって、浸炭処理後には酸洗処理を行ない、当該黒色酸化層を除去することが好ましい。酸洗処理に用いる処理液は特に限定されるものではなく、フッ酸，硝酸，塩酸，硫酸あるいはこれらの混合液などを用いることができる。または、ホーニングやポリシング等による超仕上げを施して黒色酸化層を除去してもよい。
【００２０】また、浸炭性ガスとしてアセチレンあるいはエチレン等の不飽和炭化水素ガスを用いて、１３３Ｐａ以下の真空あるいは減圧下で浸炭処理を行なうと、耐食性に有害な黒色酸化層の形成が抑制でき、且つ、浸炭時に特に問題となるスーティングによる浸炭むら等も防止できるためより好ましい。また、母材となるオーステナイト系ステンレス鋼は固溶化熱処理を施されていることが好ましい。これは、鋼中に残存するフェライトが、浸炭時に浸炭性ガスと反応して炭化物となり耐食性を劣化させるのを防止するためである。
【００２１】かくして、本実施の形態のリニアガイド（直動装置）１０は、ガイドレール（内方部材）１とベアリング（外方部材）２にオーステナイト系ステンレス鋼素材を使用して、それぞれ所定形状の引き抜き加工や転造を施すことで転位による素材硬さを向上させ、しかる後その表面をフッ化処理してＣｒ酸化被膜からなる不働態膜を除去することで表面を活性化した上で、当該表面層に浸炭硬化層（但し、炭化物が耐食性を悪化させるので、表面でなく鉄原子の格子間に炭化物を固溶させる。以下、浸炭固溶化層ともいう）を形成させることで、耐食性と耐久性とに優れたものとした。
【００２２】もっとも、このパイオナイトプロセスによる表面改質処理は、必ずしもガイドレール（内方部材）１とベアリング（外方部材）２との双方に施すとは限らず、使用環境、運転条件等を勘案していずれか一方にのみ施すものとしてもよい。上記浸炭硬化層の深さは深いほど好ましいが、深さと共に処理費用が増大する。直動装置において、転動体が内方部材や外方部材と転がり接触する際の最大せん断応力が発生する深さについては、ヘルツの弾性接触理論に基づいて明らかにされている。すなわち、最大せん断応力値とその深さとは、転動体との接触部位に形成される接触楕円（長径２ａ，短径２ｂ）の形状ｂ／ａに応じて変化するのであるが、現状で一般に使用されている直動装置の場合、接触楕円の短半径ｂの４７〜４９％（一般的な条件ではおおよそ鋼球径の０．５％）となる。荷重条件によりその大きさは異なるものの、一般的な条件では最低限必要な浸炭硬化層（固溶化層）の厚さは、およそ接触楕円の短半径（ｂ）相当になることから、使用転動体径の０．５％以上、安全率を考慮して１％以下とする。
【００２３】この第１の実施の形態によれば、リニアガイドのガイドレール（内方部材）とベアリング（外方部材）との双方にオーステナイト系ステンレス鋼素材を使用して、塑性加工することで転位により素材硬さを高め耐久性を向上させた。さらにその表面をＮＦ3等のフッ素ガスでフッ化処理して、酸化クロム層を除去し活性化した後に、炭素の固溶化処理を行って浸炭固溶化層を備えたものとしたため、従来の固溶化処理のような界面の形成がなく、転動体による応力が集中してもクラックが発生せず、長期にわたり表面硬化層を維持できて、直動装置の長寿命化が図れる。しかも、切削加工を多用するものに比べて安価な製品を供給できるという効果が得られる。
【００２４】続いて、本発明の直動装置の第２の実施の形態を説明する。図２は、循環チューブ式のボールねじ２０の一部を切り欠いて示した斜視図である。外周面に半円状ねじ溝１１ａを有して軸方向に延びる内方部材としてのねじ軸１１に、内周面に半円状ねじ溝１２ａを有する外方部材としてのナット１２が嵌合している。ねじ軸１１のねじ溝１１ａとこれと対向するナット１２の半円状のねじ溝１２ａとで、螺旋状の負荷ボール転動路が形成されている。一方、ナット１２の肉厚部には、この螺旋状負荷ボール転動路に接線方向から連通する一対の循環穴１７，１７が、ねじ軸１１を斜めに跨いで形成され、ナット外部に開口している。この循環穴１７，１７を略Ｕ字形のボールチューブ１４Ａで連結することにより、ボール循環経路１８が構成されている（図ではボール循環経路１８を２経路設けてある）。
【００２５】そして、ねじ溝１１ａ，１２ａで形成された負荷ボール転動路とボール循環経路１８とに充填された転動体としての多数の鋼製ボールＢの転動を介して、ねじ軸１１とナット１２とが軸方向に相対移動（例えばねじ軸１１の軸回転でナット１２が直線移動）する。この移動につれて、ボールＢも両ねじ溝１１ａ，１２ａで形成される負荷ボール転動路内を転動しつつ例えば１．５巻き分移動した後にボール循環経路１８に導かれて無限循環を繰り返す。
【００２６】本第２の実施形態の場合は、内方部材としてのねじ軸１１の素材にオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６を使用して、ねじ溝１１ａを転造加工により形成している。この塑性加工により加工硬化させてねじ軸１１の硬さを向上させている。その後、ねじ軸１１に対して炭素の固溶化処理（すなわち浸炭処理）を施し、表面にボールＢの径の０．５％〜１％の厚さの固溶化処理層を形成した。その浸炭処理としては、第１の実施の形態の場合と同じくパイオナイトプロセスを用いている。
【００２７】そのパイオナイトプロセスによる処理及びその後の表面処理等については、既に説明したとおりであり、重複する説明は省く。この第２の実施の形態によれば、ボールねじのねじ軸（内方部材）に、オーステナイト系ステンレス鋼素材を使用して、ねじを転造加工（塑性加工）することで転位により素材硬さを高め耐久性を向上させた。さらにその表面をＮＦ3等のフッ素ガスでフッ化処理して、酸化クロム層を除去し活性化した後に、炭素の固溶化処理を行って浸炭固溶化層を備えたものとしたため、従来の固溶化処理のような界面の形成がなく、転動体による応力が集中してもクラックが発生せず、長期にわたり表面硬化層を維持できて、ボールねじの長寿命化が図れる。しかも、切削加工によるねじ軸より安価な製品を供給できるという効果が得られる。
【００２８】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば、表面硬さが高くしかも耐食性にとみ、また転動体により応力が集中してもクラックが発生せず、長期にわたり表面硬化層を維持できて長寿命の高耐食性・非磁性直動装置を安価に供給することが可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４２０４
【氏名又は名称】日本精工株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年３月２４日（２０００．３．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６６９８０
【弁理士】
【氏名又は名称】森 哲也 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２７１８３４（Ｐ２００１−２７１８３４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月５日（２００１．１０．５） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−８５２１１（Ｐ２０００−８５２１１） |
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