【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の車輪を懸架装置に対し回転自在に支持する為の車輪支持用転がり軸受ユニットの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車輪を懸架装置に対し回転自在に支持する為に、例えば図１〜２に示す様な車輪支持用転がり軸受ユニット１、１ａが、広く使用されている。このうちの図１に示した第１例の車輪支持用転がり軸受ユニット１は、ハブ輪２と、内輪３と、外輪４と、複数個の転動体５、５とを備える。このうちのハブ輪２の外周面の外端部（軸方向に関して外とは、自動車への組み付け状態で幅方向外寄りとなる側を言い、図１〜２の左側。反対に幅方向中央寄りとなる側を、軸方向に関する内と言い、図１〜２の右側。本明細書全体で同じ。）には、車輪を支持する為のフランジ６を形成している。又、このハブ輪２の中間部外周面には第一の内輪軌道７ａを、同じく内端部には外径寸法が小さくなった段部８を、それぞれ形成している。そして、この段部８に、外周面に第二の内輪軌道７ｂを形成した、上記内輪３を外嵌している。又、この内輪３の内端面は、上記ハブ輪２の内端部に形成した円筒部を直径方向外方にかしめ広げる事で形成したかしめ部９により抑え付けて、上記内輪３を上記ハブ輪２の所定位置に固定している。又、上記外輪４の内周面には複列の外輪軌道１０、１０を形成し、これら両外輪軌道１０、１０と上記両内輪軌道７ａ、７ｂとの間に上記各転動体５、５を、それぞれ複数個ずつ設けている。
【０００３】
次に、図２に示した第２例の車輪支持用転がり軸受ユニット１ａは、図示しない支持軸に外嵌された状態で回転しない１対の内輪３ａ、３ａの周囲に、外周面に車輪を支持する為のフランジ６ａを形成したハブ輪２ａを配置している。そして、このハブ輪２ａの内周面に形成した外輪軌道１０ａ、１０ａと上記各内輪３ａ、３ａの外周面に形成した各内輪軌道７、７との間に、それぞれ複数個ずつの転動体５、５を設けている。
尚、図１〜２に示した例は何れも、転動体５、５として玉を使用しているが、重量の嵩む自動車用の転がり軸受ユニットの場合には、これら転動体としてテーパころを使用する場合もある。
【０００４】
上述の様な車輪支持用転がり軸受ユニット１、１ａを自動車に組み付けるには、外輪４の外周面に形成した外向フランジ状の取付部１１をナックル等の懸架装置の構成備品にねじ止め固定する事により（図１の構造の場合）、或は１対の内輪３ａ、３ａを支持軸に外嵌固定する事により（図２の構造の場合）、静止輪である上記外輪４或は内輪３ａ、３ａを懸架装置に支持する。又、ハブ輪２、２ａの外周面に形成したフランジ６、６ａに車輪を固定する。この結果、この車輪を懸架装置に対し回転自在に支持する事ができる。
【０００５】
上述の様な車輪支持用転がり軸受ユニット１、１ａを構成するハブ輪２、２ａは、熱間鍛造性や切削性を確保する事を考慮して、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼で造っている。製造時には、先ず、所定長さに切断した棒状の素材を、高周波誘導加熱により１１００〜１２００℃程度のオーステナイト域まで加熱してから、熱間鍛造により所定の形状とした後、放冷する。この加工作業の際、オーステナイト粒界から初析フェライトが析出した後、室温程度に冷却されるまでの間に起こるパーライト変態によって、初析フェライトとパーライトとが複合した組織が得られる。この様な組織の大部分は、焼き入れ、焼き戻し等の熱処理を施す事なく、そのまま使用される。これに対して、図１に示す構造の場合、同図に斜格子で示す様に、フランジ６の軸方向内側面側の付け根部分及び前記第一の内輪軌道７ａから段部８までの領域に、転がり疲労寿命確保、及び、嵌合部のフレッチング防止の為に、高周波焼き入れによる硬化層を形成する事が行なわれている。
【０００６】
又、近年、自動車の燃費向上並びに走行性能の向上の為、車輪支持用転がり軸受ユニット１、１ａの軽量化に関する要求が高くなっており、車輪を支持する為のフランジ６、６ａの薄肉化に就いても考慮されている。但し、このフランジ６、６ａを薄肉化すると、このフランジ６、６ａの付け根部分の強度が弱くなる為、薄肉化するに就いては、強度確保の為に十分な配慮を行なう必要がある。
【０００７】
特に、上記フランジ６、６ａの外側面側の付け根部分には、旋回走行時等に、懸架装置と車輪との間で上記車輪支持用転がり軸受ユニット１、１ａに加わるモーメント荷重によって、曲げ応力が集中する。この為、何らの対策も施さない場合には、金属疲労に基づいて、亀裂等の損傷が生じる可能性がある。一方、上記フランジ６、６ａの内側面側の付け根部分は、前述した通り、高周波焼き入れによる硬化層が形成されて高強度になっている為、上記外側面側の付け根部分よりも、疲労強度が高くなっており、亀裂等の損傷が生じる可能性は低い。
この様な事情に鑑みて、特許文献１には、フランジの外側面側の付け根部分にも、内側面側の付け根部分と同様に、高周波焼き入れによる表面硬化層を形成する事によって、このフランジの外側面側の付け根部分の強度向上を図った構造が記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−８７００８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
但し、上述した特許文献１に記載された構造の場合には、高周波焼き入れ部が１個所増加する事により、車輪支持用転がり軸受ユニットの製造コストが上昇する。しかも、フランジの付け根部分を、内外両側面側から焼き入れ硬化する事に伴って、この付け根部分の靱性が低下し、この付け根部分の耐衝撃性が低下する事が懸念される。
【００１０】
この様な耐衝撃性の低下を防止すべく、上記付け根部分の外側面側を焼き入れ硬化させずに上記フランジの薄肉化を図る為には、素材を鍛造した後の疲労強度を向上させる事が必要になる。更に、切削性も考慮すると、耐久比（疲労限強度／引張り強度）を向上させる事も必要になる。
本発明は、この様な事情に鑑みて、高周波焼き入れ部を増加させる事なく、即ち、フランジの軸方向外側面側の付け根部分を焼き入れする事なく、この付け根部分の疲労強度を向上させる事により、上記フランジの薄肉化を可能にし、車輪支持用転がり軸受ユニットの軽量化を可能にすべく発明したものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、前述した従来から知られている車輪支持用転がり軸受ユニットと同様に、静止輪と、回転輪と、外輪軌道と、内輪軌道と、複数個の転動体と、フランジとを備える。
このうちの静止輪は、使用時に懸架装置に支持されて回転しない。
又、上記回転輪は、上記静止輪と同心に配置され、使用時に車輪を結合固定して、この車輪と共に回転する。
又、上記外輪軌道は、上記回転輪と上記静止輪とのうちの一方で、径方向外方に存在する外径側軌道輪の内周面に設けられている。
又、上記内輪軌道は、上記回転輪と上記静止輪とのうちの他方で、径方向内方に存在する内径側軌道輪の外周面に設けられている。
又、上記各転動体は、上記内輪軌道と上記外輪軌道との間に設けられている。又、上記フランジは、上記車輪を結合固定する為のもので、上記回転輪の外周面に設けられている。
【００１２】
特に、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットに於いては、上記回転輪が、Ｃ（炭素）を０．４５〜０．６５重量％含む炭素鋼製である。そして、この回転輪のうちで、少なくとも上記フランジの軸方向外側面側の付け根部分が、オーステナイト結晶粒度が４以上で、且つ、面積率が３〜１５％の初析フェライトから成る。
尚、上記オーステナイト結晶粒度とは、ＪＩＳ Ｇ １５５１に規定されたもので、１ｍｍ２ の面積中に、２３＋ｎ の結晶粒が存在する場合に、当該部分の結晶粒度をｎとする。従って、上記オーステナイト結晶粒度が４以上であるとは、１ｍｍ２ の面積中に、オーステナイトの結晶粒が２７ （＝１２８）以上存在する状態を言う。
【００１３】
上述の様な回転輪を得る為に好ましくは、請求項７に記載した様に、この回転輪を、炭素鋼製の素材に熱間鍛造或は切削加工を施す事により所定の形状に形成した中間素材に、少なくとも１回、７５０〜１０００℃の温度で加熱してから臨界冷却速度以下の速度で冷却する熱処理（焼き慣らし）を施した後、仕上加工を施したものとする。
【００１４】
【作用】
上述の様に構成する本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、回転輪の外周面に形成したフランジの軸方向外側面側の付け根部分の疲労強度を、この付け根部分を焼き入れ硬化する事なく向上させる事ができる。以下、この理由に就いて説明する。
【００１５】
走行時に車輪と共に回転輪が回転している状態で、路面に接した車輪と車体に支持された懸架装置との間に設けた車輪支持用転がり軸受ユニットには、ラジアル荷重が加わる。そして、このラジアル荷重と回転モーメントとにより上記フランジの付け根部分に、回転曲げ応力が発生する。中炭素鋼の初析フェライトとパーライトとが複合した組織を有する非調質鋼の場合、この様な回転曲げ応力に基づいて、上記フランジの付け根部分の表面の初析フェライトで発生した応力集中で疲労亀裂が発生し、主に初析フェライト粒内及び初析フェライト／パーライト境界を進展する。
【００１６】
この様な機構で上記フランジの付け根部分で発生する疲労亀裂に対し、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、この付け根部分を、オーステナイト結晶粒度が４以上で、且つ、面積率が３〜１５％以上の初析フェライトにより構成する事で、上記付け根部分の疲労強度の向上を図れる。即ち、この付け根部分のミクロ組織を制御する事で、以下の様な機構により、この付け根部分の疲労強度を向上させる事ができる。
【００１７】
先ず、オーステナイト粒を微細化する（粒径を小さくする）と、粒界での応力集中を抑制する効果、並びに、オーステナイト／フェライト変態時の核生成のサイトを増やし、初析フェライト粒を微細に析出させる効果がある。又、初析フェライトを微細に分断すると、亀裂発生の最小単位が小さくなるので、疲労破壊を効果的に抑制する事ができる。具体的には、オーステナイト粒度を４以上とすれば上記効果を十分に得られる。
【００１８】
尚、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する、その外周面にフランジを形成した回転輪は、前述した様に、Ｓ５３Ｃ等の中炭素鋼製で所定長さに切断された棒状の素材に鍛造加工を施す事により所定の形状とした後、放冷する事により造る。この様にして造られる上記回転輪のオーステナイト粒を、鍛造後に微細にする（粒径を小さくする）方法として、次の▲１▼〜▲３▼の様な方法が採用可能である。
【００１９】
▲１▼ 鍛造時の温度を低く抑える。
オーステナイトの粒は、原子の拡散が活発な高温程成長し易く（粒径が大きくなり易く）、加工度が大きい程、粒は微細に（粒径が小さく）なる。一方、鍛造加工時の変形抵抗を少なくして複雑な形状の加工を行ない易くする為、複雑な形状の鍛造を行なう際に従来は、鍛造加工時の温度を高くする傾向がある。これに対して、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットを得るべく、オーステナイト結晶粒径を微細にする為に、上記回転輪を鍛造加工する際の温度を低く抑える。
【００２０】
▲２▼ 合金（炭素鋼）中に適切な元素を添加する。
鋼中に炭化物を微細に分散させると、それらのピン止め効果によって、結晶粒の成長を効果的に抑制する事ができて、上記▲１▼の様に、鍛造温度を低下させるのと同様の効果を得る事ができる。この為に合金中に添加する元素としては、後述の様に、Ｎｂ（ニオブ）が好ましい。
【００２１】
▲３▼ 鍛造後に所定の熱処理（焼き慣らし）を施す。
上記▲１▼の様に、鍛造時の温度を低く抑えれば、鍛造後に於けるオーステナイト粒を微細にできるが、鍛造時の変形抵抗が大きくなる。従って、回転輪の形状が複雑である場合には、完成品に近い中間素材を得る為の鍛造加工は、比較的高温で行なう事が好ましい。但し、この場合にそのまま放置すると、鍛造後に於けるオーステナイト粒の粒径が大きくなる。そこで、高温で鍛造加工を行なって中間素材を得たならば、この中間素材を７５０〜１０００℃の温度で加熱してから臨界冷却速度以下の速度で冷却する熱処理を施す。この様な熱処理により、上記中間素材中のオーステナイト粒の粒径を微細化できる。
【００２２】
即ち、熱間鍛造により得た上記中間素材を一旦冷却する事で、この中間素材中の組織が、初析フェライトとパーライトの複合組織となる。その後、この中間素材に上記熱処理を施す事により、この中間素材中のミクロ組織が、全体的に均一で且つ微細な、初析フェライトとパーライトの複合組織となる。尚、上記中間素材を得る為に、熱間鍛造に代えて切削加工を施す場合があるが、この場合にも、上記熱処理を施す事は有効である。要は、熱間鍛造或は切削加工を施した中間素材に上述の様な熱処理を施せば、ミクロ組織の制御を行なう事ができる。
【００２３】
又、上記熱処理に於ける再加熱の温度を７５０〜１０００℃としたのは、次の理由による。先ず、７５０℃未満の場合には、完全にオーステナイト化する事ができない為、ミクロ組織を均一にできない。これに対して、１０００℃を超えた場合には、オーステナイト域で保持する間に、オーステナイト結晶粒の成長が起こってしまい、十分な初析フェライトが得られず、上述した様な均一で微細な初析フェライトとパーライトの複合組織が得られない。尚、仕上加工時の切削性を良好にする為には、後述する様に、上記初析フェライトの面積率を高く（例えば１０％以上に）する事が好ましい。そして、この面積率を１０％以上とする為には、上記熱処理の温度を７５０〜９００℃の範囲に規制する事が好ましい。
【００２４】
又、この様な熱処理は、中間素材の結晶粒度を均一化する為にも有効である。即ち、熱間鍛造時の加熱温度が素材全体で均一であったとしても、この素材の部位によって加工量が大きく異なる。この為、上記素材に上記熱間鍛造を施して得た中間素材の結晶粒度のばらつきは、上記熱処理を施さない状態のままでは或る程度大きくなる事が避けられない。例えば、回転輪を構成するフランジ部分は全体的に加工量が多いが、このフランジ部分から外れた部分の加工量は比較的少なくなる。この為、上記中間素材中のミクロ組織は、オーステナイトの粒径及び初析フェライトの分布状態が均一になりにくい。この様に、オーステナイトの粒径及び初析フェライトの分布状態が不均一な状態では、硬さにばらつきを生じ、組織中の最弱部からクラックが発生し易くなる為、疲労強度が低くなる。
【００２５】
これに対して、上述の様な熱処理を施せば、前記再加熱によって、ミクロ組織が一度オーステナイトに変態して、比較的均一な結晶粒度分布となる。そして、臨界冷却速度以下の速度で冷却する事により、冷却後に微細で且つ均一な初析フェライト／パーライトの複合組織が得られる。この結果、硬さのばらつきを極力抑えて、疲労強度を向上させる事ができる。又、この様に、初析フェライト／パーライトの複合組織を均一にする事は、切削性及び疲労強度の上昇のみならず、軌道面及びフランジ付け根部分の内側面側の高周波焼き入れ性を向上させる面からも効果的である。
【００２６】
次に、フランジの付け根部分を構成する初析フェライトの面積率（３〜１５％）は、切削性と疲労強度の確保との両立を図る面から規制する。オーステナイトの粒界上に存在する初析フェライトは、亀裂の発生起点となるので、疲労強度を向上させる面からは、上記面積率は低い方が好ましい。これに対して、鍛造加工後に表面の寸法、形状を仕上げる為の切削加工の容易性（切削性）を考慮した場合には、或る程度の初析フェライトも必要である。これらの事を考慮した場合、上記面積率を３〜１５％の範囲に規制する事が、切削性と疲労強度の確保との両立を図る面から必要になる。初析フェライト面積率が３％以下の場合には切削性が悪化し、１５％を超えた場合には、上記付け根部分の疲労強度を十分に確保できなくなる。尚、上記初析フェライトの面積率は、鍛造後のオーステナイトの結晶粒径が小さく、冷却速度が遅いほど高くなる。前記熱処理（焼き慣らし）の温度を７５０〜９００℃とし、上記面積率を１０％以上（但し１５％以下）とする事は、上記切削性を良好にする面からは好ましい。
【００２７】
又、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットを構成する回転輪は、Ｃを０．４５〜０．６５重量％（好ましくは０．５０〜０．６５重量％）含む炭素鋼製とし、好ましくはＮｂを０．０２〜０．３０重量％含有させるが、これら各元素を添加する理由、並びにその含有量をこの様な範囲に規制する理由は、次の通りである。
【００２８】
先ず、Ｃは、回転輪の周面に形成した軌道面並びにフランジの付け根部分の硬度を確保し、この軌道面の転がり疲れ寿命及び付け根部分の疲労強度を確保する為に添加する。Ｃの含有量が０．５０％未満の場合には、軌道面及び付け根部分に高周波焼き入れ等の熱処理を施しても、当該部分の硬度が十分に高くならない。この結果、転動体と繰り返し転がり接触する、上記軌道面部分の転がり疲れ寿命が短くなる。又、回転曲げ応力に対する、上記付け根部分の疲労強度も確保しにくくなる。
【００２９】
但し、上記Ｃの含有量が０．５０％未満の場合でも、０．４５重量％以上であれば、車輪支持用転がり軸受ユニットの仕様によっては、実用上必要とされる耐久性を確保できる。例えば、上記軌道面部分の転がり疲れ寿命に関しては、この軌道面の断面形状の曲率半径を小さくし（玉の転動面の曲率半径に近づけ）たり、或は転動体として円すいころを使用する場合が考えられる。この様な場合には、転がり接触部に作用する面圧が比較的低くなるので、上記Ｃの含有量が０．４５〜０．５０％程度の場合でも、上記転がり疲れ寿命を確保できる。又、上記付け根部分の疲労強度に関しても、比較的小型の車輪支持用転がり軸受ユニットでこの付け根部分に加わる荷重が限られている場合には、上記Ｃの含有量が０．４５〜．０．５０％程度の場合でも、必要とする疲労強度を確保できる。これに対して、Ｃを０．６５重量％を超えて添加した場合でも、転がり疲れ寿命及び疲労強度をそれ以上に改善できないだけでなく、初析フェライトの面積率が低下し、切削性が悪化する等の問題を生じる。この様な理由により、Ｃの含有量を、０．４５〜０．６５重量％（好ましくは０．５０〜０．６５重量％）の範囲に規制した。
【００３０】
次に、Ｎｂは、鋼中に炭化物として析出して、鍛造時に於けるオーステナイト粒の成長を抑制し、オーステナイト結晶粒を微細にする働きを有する。この為、このオーステナイト結晶粒の微細化により、フランジの付け根部分の疲労強度を向上させる為に添加する。
Ｎｂの含有量が０．０２重量％未満の場合には、上述の様なオーステナイト結晶粒の微細化を十分に図れない。これに対して、Ｎｂを０．３重量％を越えて添加しても、それ以上の微細化を得にくいだけでなく、コスト上昇の原因となり、しかも鍛造後の切削性が低下する。従って、Ｎｂを添加する場合には、その含有量を０．０２〜０．３重量％の範囲に規制する。
【００３１】
以上の様に本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、回転輪の外周面に形成したフランジの軸方向外側面側の付け根部分のミクロ組織を制御するのみで、この付け根部分の疲労強度の向上を図れる。この場合に、現状の素材を使用する場合に比べコスト上昇を抑えつつ、しかも回転輪の形状及び寸法を変える等の設計仕様の変更を必要とせずに上記疲労強度の向上を図れる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、ハブの外周面に形成するフランジの外側面側の付け根部分の疲労強度を、この付け根部分を焼き入れする事なく向上させる点にある。図面に現れる構造に就いては、例えば前述の図１〜２に示した従来構造と同様であるから、重複する説明は省略する。
尚、図１に示した車輪支持用転がり軸受ユニット１ａの場合には、ハブ輪２の外周面に形成したフランジ６の内側面側の付け根部分の疲労強度は、前述した様に、焼き入れに基づいて確保される。
これに対して、図２に示した車輪支持用転がり軸受ユニット１ａの場合には、ハブ輪２ａの外周面に形成したフランジ６ａの内側面側の付け根部分の疲労強度は、外側面側の付け根部分と同様に、所定の初析フェライトにより、或は別途焼き入れにより、確保する。上記フランジ６ａの内側面側の付け根部分から上記ハブ輪２ａの内周面までの距離は、同じく外側面側の付け根部分から内周面までの距離よりも長い為、焼き入れ効果に伴う靱性の低下は、問題となりにくい。
【００３３】
【実施例】
本発明の効果を確認する為に行なった実験に就いて説明する。
先ず、第一の実験では、次の表１に示す様な元素を含み、残りをＦｅと不可避不純物としたＡ〜Ｃの３種類の原材料を切断して得た、酸素濃度が１２ｐｐｍ 以下である棒状の素材を、高周波誘導加熱により、９５０℃〜１２００℃にまで加熱して、オーステナイト粒度を変化させ、熱間鍛造により、駆動輪用のハブ輪を得た。
【表１】
【００３４】
次いで、冷却後、ショットブラストにより表面の酸化膜を除去した。尚、この冷却行程は、強制空冷又は放冷の何れかを採用する事により、冷却後の初析フェライトの面積率を調整した。更に、上記酸化膜の除去後に、表面の寸法並びに形状を整える為の旋削加工、車輪を支持する為のフランジにスタッドを固定する為の孔をあける穿孔作業、軌道面、フランジの内側面側の付け根部分、内輪を外嵌する為の段部の硬度を高める為の高周波焼き入れ作業、軌道面並びにミクロ組織を観察する為に必要となる、上記外側面側付け根部分を平滑にする為の研磨作業を行なった。そして、上記フランジの外側面側の付け根部分のオーステナイト結晶粒度（γ粒度）並びに初析フェライトの面積率が、後述する表２に示す様に互いに異なる、本発明に属する１２種類の試料（実施例１〜１２）及び本発明から外れる８種類の試料（比較例１〜８）の、合計２０種類の試料を作成した。尚、これら各試料は、駆動輪用の複列玉軸受型で、転動体の軸方向ピッチが５９ｍｍ、玉数１２個の車輪支持用転がり軸受ユニットとした。又、外輪、内輪各軌道の表面硬度は、高周波焼き入れにより ＨＲＣ５８以上とした。これにより、酸素濃度を抑える事と相まって、上記各軌道の転がり疲れ寿命を確保した。
【００３５】
ミクロ組織、即ち、上記オーステナイト結晶粒度及び初析フェライトの面積率は、上記外側面側付け根部分を研磨した後に、エッチング液（ピクリン酸アルコール溶液）であるピクラールで表面を腐食して観察した。又、オーステナイト結晶粒度は、粒界に沿って網状に析出した初析フェライトに囲まれた領域を、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定された方法により求めた。更に、初析フェライトの面積率は、フランジの外側面側の付け根部分の１０ｍｍ２ の範囲を画像解析し、その平均値を求めた。
【００３６】
この様な各試料（車輪支持用転がり軸受ユニット）を、図３に示す様な試験装置に組み付けた。即ち、外輪４を治具１２に保持固定した状態で、この外輪４の内径側に回転自在に支持したハブ輪２ｂを回転させつつ、このハブ輪２ｂに、以下の試験条件で、ラジアル荷重Ｆｒ及びアキシアル荷重Ｆａを負荷した。そして、このハブ輪２ｂの外周面に形成したフランジ６の外側面側の付け根部分の破損の有無を観察した。
試験条件
ハブ輪２ｂの回転速度 ： ３００ｍｉｎ−１
ラジアル荷重Ｆｒ ： ４０００Ｎ
アキシアル荷重Ｆａ ： ３５００Ｎ
試験時間 ： １００時間（ｈｒ）
この様な条件で行なった試験の結果を、次の表２及び図４に示す。
【００３７】
【表２】
【００３８】
尚、上記表２及び図４に示した、試験結果を表す符号のうち、「×」は、前記フランジ６の外側面側の付け根部分から破損したものを、「△」はこの付け根部分以外の部分から破損したものを、「○」は何れの部分も破損しなかったものを、それぞれ表している。又、上記図４は、横軸に初析フェライトの面積率を、縦軸にオーステナイト結晶粒度を、それぞれ表している。この様な表２及び図４にその結果を表した実験の結果から明らかな通り、上記フランジ６の外側面側の付け根部分のオーステナイト結晶粒度が４以上、且つ、初析フェライトの面積率が３〜１５％の範囲内にある実施例１〜１２は、ミクロ組織を制御して、上記フランジ６の外側面側の付け根部分に割れが生じる事を防止できる。更に、オーステナイト結晶粒度を５以上とし、且つ、初析フェライトの面積率を３〜９％とした場合には、ハブ輪２ｂ全体に関して、割れの発生を防止できる。この様に、上記表２及び図４から、Ｃを０．５０〜０．６５重量％含む炭素鋼製の回転輪の外周面に形成したフランジ６の軸方向外側面側の付け根部分のミクロ組織を、オーステナイト結晶粒度が４以上で、且つ、面積率が３〜１５％の初析フェライトとした車輪支持用転がり軸受ユニットが、優れた耐久性を有する事が分かる。
【００３９】
一方、比較例１は、オーステナイト結晶粒度が小さく（結晶粒径が大きく）、フランジ６の外側面側の付け根部分の割れを防止できなかっただけでなく、加工性が非常に悪いものであった。又、比較例２（従来品）、比較例３、比較例４は、何れもオーステナイト結晶粒度が小さく（結晶粒径が大きく）、上記付け根部分の疲労強度が悪化していた。又、比較例５〜７は、何れも初析フェライトの面積率が１５％を超えている為、上記付け根部分に関して、十分な疲労強度が得られなかった。更に、比較例８は、素材の炭素含有量が多く、切削性を改善する為に焼鈍処理を行なって硬さを下げた為、上記付け根部分の疲労強度を確保する事ができなかった。
【００４０】
次に、第二の実験では、次の表３に示す様な元素を含み、残りをＦｅと不可避不純物としたａ〜ｅの５種類の原材料を切断して得た棒状の素材を、高周波誘導加熱により１２００℃にまで加熱して、３段階の熱間鍛造により所定の形状を有する中間素材とした。
【表３】
【００４１】
次いで、上記中間素材に、冷却後、後述する表４に示す条件で熱処理（焼き慣らし処理）を施した。即ち、各中間素材を表４に示す温度にそれぞれ加熱し、３０分保持してから、臨界冷却速度未満の速度で冷却した後、ショットブラストにより表面の酸化膜を除去した。更に、上記酸化膜の除去後に、表面の寸法並びに形状を整える為の旋削加工、車輪を支持する為のフランジにスタッドを固定する為の孔をあける穿孔作業、軌道面、フランジの内側面側の付け根部分、内輪を外嵌する為の段部の硬度を高める為の高周波焼き入れ作業、軌道面並びに上記外側面側付け根部分を平滑にする為の研磨作業を、順次行なった。そして、上記フランジの外側面側の付け根部分のオーステナイト結晶粒度（γ粒度）並びに初析フェライトの面積率が、後述する表４に示す様に互いに異なる、本発明に属する１０種類の試料（実施例１３〜２２）及び本発明から外れる４種類の試料（比較例９〜１２）の、合計１４種類の試料を作成した。尚、これら各試料は、駆動輪用の複列玉軸受型で、転動体の軸方向ピッチが５９ｍｍ、玉数１２個の車輪支持用転がり軸受ユニットとした。
【００４２】
ミクロ組織、即ち、上記オーステナイト結晶粒度及び初析フェライトの面積率は、上記外側面側付け根部分を研磨した後に、エッチング液（ピクリン酸アルコール溶液）であるピクラールで表面を腐食して観察した。又、オーステナイト結晶粒度は、粒界に沿って網状に析出した初析フェライトに囲まれた領域を、ＪＩＳ Ｇ ０５５１に規定された方法により求めた。更に、初析フェライトの面積率は、フランジの外側面側の付け根部分の１０ｍｍ２ の範囲を画像解析し、その平均値を求めた。又、上記各試料（車輪支持用転がり軸受ユニット）に就いて、次述する様に、それぞれ工具寿命試験、衝撃試験、疲労強度試験を行なった。
【００４３】
先ず、工具寿命試験では、上述の様な各試料のフランジ部分にスタッド用の孔をあける際に使用する工具の寿命に就いて調べた。この試験では、工具の刃先に摩耗或はチッピングが発生するまでに加工できる孔の数をカウントした。
試験条件
工具 ： ＳＫＨ５６（高速度工具鋼鋼材）相当、直径６．０ｍｍ、ＴｉＮコーティングツイストドリル
切削速度 ： ２０ｍ／ｍｉｎ
送り速度 ： ０．１ｍｍ／ｒｅｖ
潤滑油 ： 不水溶性切削油
この様な条件で行なった試験の結果を、次の表４に示す。
尚、試験結果は実施例２２の孔あけ数を１とした場合の比で示した。
【００４４】
【表４】
【００４５】
次に、衝撃試験では、上記各試料のハブ輪のフランジ部分から採取した、シャルピー衝撃試験片（ＪＩＳ Ｚ ２２０２ ４号）を用いて、ＪＴトーシ株式会社製、シャルピー衝撃試験機ＣＡＩ−３００Ｍにより、各試験片の衝撃値を求めた。この試験結果を上記表４に示した。尚、この試験結果に就いても実施例２２の値を１とした場合の比で示した。
【００４６】
更に、疲労強度試験では、上記各試料を、図３に示す様な試験装置に組み付けた。即ち、外輪４を治具１２に保持固定した状態で、この外輪４の内径側に回転自在に支持したハブ輪２ｂを回転させつつ、このハブ輪２ｂに、以下の試験条件で、ラジアル荷重Ｆｒ及びアキシアル荷重Ｆａを負荷した。そして、このハブ輪２ｂの外周面に形成したフランジ６の外側面側の付け根部分の破損の有無を観察した。
試験条件
ハブ輪２ｂの回転速度 ： ３００ｍｉｎ−１
ラジアル荷重Ｆｒ ： ４０００Ｎ
アキシアル荷重Ｆａ ： ３５００Ｎ
この様な条件で、破損までの試験時間（耐久時間）により、フランジの疲労強度を評価した。この試験の結果を前記表４に示した。尚、この試験結果に就いても、実施例２２の耐久時間を１とした場合の比で示した。
【００４７】
上記表４にその結果を表した実験の結果から明らかな通り、上記フランジ６の外側面側の付け根部分のオーステナイト結晶粒度が４以上、且つ、初析フェライトの面積率が３〜１５％の範囲内にある実施例１３〜２２は、適切な金属材料製の素材に適切な熱処理（焼き慣らし処理）を施している為、ミクロ組織が均一且つ微細で、工具寿命（切削性）、衝撃値、疲労強度が何れも良好である。この様な実験結果を表した表４から明らかな通り、Ｃを０．４５〜０．６５重量％含む炭素鋼製の素材に熱間鍛造を施して得た中間素材に７５０〜１０００℃（好ましくは７５０〜９００℃）で熱処理（焼き慣らし処理）を施して得た、オーステナイト結晶粒度が４以上で、且つ、面積率が３〜１５％の初析フェライトとした車輪支持用転がり軸受ユニットは、高強度で、優れた切削性を有する。
【００４８】
これに対して、比較例９は、熱処理（焼き慣らし処理）温度が高過ぎた為、オーステナイト結晶粒が成長した。この結果、オーステナイト結晶粒度が小さく（結晶粒径が大きく）なり、フランジ６の外側面側の付け根部分の割れを防止できなかっただけでなく、初析フェライトの面積率が３％未満と小さくなり、切削性が悪く、工具寿命が非常に短かった。又、比較例１０は、やはり熱処理（焼き慣らし処理）温度が高過ぎた為、オーステナイト結晶粒が成長し、初析フェライトの面積率が小さかった。この為、工具寿命、衝撃値、疲労強度が何れも低かった。又、比較例１１は、Ｃの含有量が少なく、初析フェライトの面積率が大きかった為、工具寿命及び衝撃値に関しては良好な結果が得られたが、疲労強度が低かった。更に、比較例１２は、Ｃの含有量が高過ぎた為、熱処理（焼き慣らし処理）条件が本発明の範囲であるにも拘らず、初析フェライトの面積率が３％を越えなかった。この為、硬度が高く、工具寿命、衝撃値、疲労強度が何れも低かった。
【００４９】
尚、以上に述べた各実験は、駆動輪用の車輪支持用転がり軸受ユニットに就いて行なったが、本発明は、前述した図１〜２に示した様な、従動輪用の車輪支持用転がり軸受ユニットに就いても適用可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた通り、車輪を取り付ける為に回転輪の外周面に形成したフランジの外側面側の付け根部分のミクロ組織を微細化する事により、このフランジの形状及び寸法を変える事なく、且つ、製造コストを高くする事なく、回転曲げモーメントによる疲労に関する最弱部である、上記付け根部分の強度を高くする事が可能になる。この結果、上記フランジの薄肉化が可能となり、車輪支持用転がり軸受ユニットの軽量化を実現できる。更に、適切な熱処理を施す事で、切削性を良好にし、工具の寿命を確保する事もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる車輪支持用転がり軸受ユニットの第１例を示す半部断面図。
【図２】同第２例を示す半部断面図。
【図３】同第３例を、耐久試験を行なう為に治具に装着した状態で示す断面図。
【図４】実験結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１、１ａ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２、２ａ、２ｂ ハブ輪
３、３ａ 内輪
４ 外輪
５ 転動体
６、６ａ フランジ
７、７ａ、７ｂ 内輪軌道
８ 段部
９ かしめ部
１０、１０ａ 外輪軌道
１１ 取付部
１２ 治具[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in a wheel supporting rolling bearing unit for rotatably supporting a vehicle wheel with respect to a suspension device.
[0002]
[Prior art]
BACKGROUND ART In order to rotatably support wheels of an automobile with respect to a suspension device, for example, rolling bearing units 1 and 1a for supporting wheels as shown in FIGS. 1 and 2 are widely used. The first example of the rolling bearing unit 1 for supporting a wheel shown in FIG. 1 includes a hub wheel 2, an inner ring 3, an outer ring 4, and a plurality of rolling elements 5, 5. Outer end of the outer peripheral surface of the hub wheel 2 (outside in the axial direction refers to a side that is outward in the width direction when assembled to an automobile, and is the left side in FIGS. Is referred to as the inner side in the axial direction, and the right side of FIGS. 1 and 2; the same applies throughout the present specification.), A flange 6 for supporting the wheel is formed. A first inner raceway 7a is formed on the outer peripheral surface of the intermediate portion of the hub wheel 2, and a step 8 having a smaller outer diameter is formed on the inner end. The inner ring 3 having the second inner ring track 7b formed on the outer peripheral surface is fitted on the step portion 8 outside. The inner end surface of the inner ring 3 is held down by a caulking portion 9 formed by caulking and expanding a cylindrical portion formed at the inner end portion of the hub wheel 2 outward in the diametrical direction. 2 at a predetermined position. Also, double rows of outer raceways 10, 10 are formed on the inner peripheral surface of the outer race 4, and the rolling elements 5, 5 are disposed between the outer raceways 10, 10 and the inner raceways 7a, 7b. , Respectively.
[0003]
Next, a wheel supporting rolling bearing unit 1a of the second example shown in FIG. 2 is provided with wheels on an outer peripheral surface around a pair of inner rings 3a, 3a which are not fitted to and supported on a support shaft (not shown) and do not rotate. A hub wheel 2a having a flange 6a for supporting is arranged. A plurality of rolling elements 5 are provided between the outer raceways 10a and 10a formed on the inner peripheral surface of the hub wheel 2a and the inner raceways 7 and 7 formed on the outer peripheral surfaces of the inner races 3a and 3a. , 5 are provided.
In each of the examples shown in FIGS. 1 and 2, balls are used as the rolling elements 5 and 5. In the case of a heavy-duty rolling bearing unit for an automobile, tapered rollers are used as these rolling elements. In some cases.
[0004]
In order to assemble the wheel supporting rolling bearing units 1 and 1a as described above to an automobile, the outward flange-shaped mounting portion 11 formed on the outer peripheral surface of the outer ring 4 is fixedly fastened to a component of a suspension device such as a knuckle by screws. (In the case of the structure of FIG. 1) or by fixing a pair of inner rings 3a, 3a to the support shaft (in the case of the structure of FIG. 2), the outer ring 4 or the inner ring 3a, which is a stationary wheel, 3a is supported on a suspension. Further, the wheels are fixed to flanges 6, 6a formed on the outer peripheral surfaces of the hub wheels 2, 2a. As a result, the wheels can be rotatably supported by the suspension device.
[0005]
The hub wheels 2 and 2a constituting the wheel supporting rolling bearing units 1 and 1a as described above are made of medium carbon steel such as S53C in consideration of securing hot forgeability and machinability. At the time of manufacturing, first, a rod-shaped material cut to a predetermined length is heated to an austenite region of about 1100 to 1200 ° C. by high-frequency induction heating, then formed into a predetermined shape by hot forging, and then allowed to cool. During this working operation, a structure in which pro-eutectoid ferrite and pearlite are combined is obtained by pearlite transformation that occurs after precipitation of pro-eutectoid ferrite from austenite grain boundaries and cooling to about room temperature. Most of such a structure is used without any heat treatment such as quenching and tempering. On the other hand, in the case of the structure shown in FIG. 1, as shown by a diagonal lattice in the figure, the root portion on the inner side surface in the axial direction of the flange 6 and the region from the first inner raceway 7 a to the step portion 8 are provided. In order to secure the rolling fatigue life and prevent fretting of the fitting portion, a hardened layer is formed by induction hardening.
[0006]
In recent years, in order to improve the fuel efficiency and running performance of automobiles, there has been an increasing demand for the weight reduction of the wheel supporting rolling bearing units 1 and 1a, and the thickness of the flanges 6 and 6a for supporting the wheels has been reduced. It is also considered. However, if the thickness of the flanges 6 and 6a is reduced, the strength of the root portion of the flanges 6 and 6a becomes weaker. Therefore, when reducing the thickness, it is necessary to give due consideration to securing the strength.
[0007]
In particular, bending stress is applied to the roots on the outer surface side of the flanges 6 and 6a due to a moment load applied to the wheel supporting rolling bearing units 1 and 1a between the suspension device and the wheels during turning or the like. concentrate. For this reason, if no countermeasures are taken, damage such as cracks may occur due to metal fatigue. On the other hand, the root portions on the inner side surfaces of the flanges 6 and 6a have a high strength due to the formation of a hardened layer by induction hardening as described above. And the possibility of damage such as cracks is low.
In view of such circumstances, Patent Literature 1 discloses a method in which a surface hardened layer formed by induction hardening is formed at the root portion on the outer surface side of the flange similarly to the root portion on the inner surface side. Describes a structure for improving the strength of the root portion on the outer side of the base.
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2002-87008 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the structure described in Patent Literature 1 described above, the manufacturing cost of the wheel supporting rolling bearing unit increases because the number of induction hardened portions increases by one. In addition, as the root portion of the flange is quenched and hardened from both inner and outer side surfaces, there is a concern that the toughness of the root portion is reduced and the impact resistance of the root portion is lowered.
[0010]
In order to prevent such a decrease in impact resistance and to reduce the thickness of the flange without quenching and hardening the outer surface side of the root portion, it is necessary to improve the fatigue strength after forging the material. Is required. Further, in consideration of the machinability, it is necessary to improve the durability ratio (fatigue limit strength / tensile strength).
In view of such circumstances, the present invention improves the fatigue strength of the root portion without increasing the induction hardened portion, that is, without quenching the root portion on the axially outer surface side of the flange. Thus, the invention has been made to enable the flange to be thinner and to reduce the weight of the wheel supporting rolling bearing unit.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The rolling bearing unit for supporting a wheel of the present invention includes a stationary wheel, a rotating wheel, an outer raceway, an inner raceway, and a plurality of rolling elements, similarly to the above-described conventionally known rolling bearing unit for supporting a wheel. And a flange.
Of these, the stationary wheel is supported by the suspension device during use and does not rotate.
In addition, the rotating wheel is arranged concentrically with the stationary wheel, connects and fixes the wheel during use, and rotates with the wheel.
The outer raceway is provided on an inner peripheral surface of an outer raceway ring which is located radially outward on one of the rotating wheel and the stationary wheel.
Further, the inner raceway is provided on the outer peripheral surface of the inner raceway ring that is located radially inward, which is the other of the rotating wheel and the stationary wheel.
The rolling elements are provided between the inner raceway and the outer raceway. The flange is for fixing the wheel together and is provided on the outer peripheral surface of the rotating wheel.
[0012]
In particular, in the rolling bearing unit for supporting wheels of the present invention, the rotating wheel is made of carbon steel containing 0.45 to 0.65% by weight of C (carbon). In this rotating wheel, at least a root portion on the axially outer surface side of the flange is made of proeutectoid ferrite having an austenite crystal grain size of 4 or more and an area ratio of 3 to 15%.
The austenitic grain size is defined by JIS G # 1551 and is 1 mm.22 in the area of3 + nIn the case where the crystal grain of exists, the crystal grain size of the portion is defined as n. Therefore, the austenitic grain size of 4 or more is defined as 1 mm2In the area of, austenite grains are 27状態 (= 128) or more.
[0013]
In order to obtain a rotating wheel as described above, preferably, the rotating wheel is formed into a predetermined shape by subjecting a carbon steel material to hot forging or cutting. It is assumed that the intermediate material is subjected to heat treatment (baking-in) at least once at a temperature of 750 to 1000 ° C. and then cooled at a speed equal to or lower than the critical cooling rate, and then subjected to finish processing.
[0014]
[Action]
According to the rolling bearing unit for wheel support of the present invention configured as described above, the fatigue strength of the root portion on the axially outer surface side of the flange formed on the outer peripheral surface of the rotating wheel is hardened by hardening the root portion. Can be improved without any problems. Hereinafter, the reason will be described.
[0015]
A radial load is applied to a wheel-supporting rolling bearing unit provided between a wheel in contact with a road surface and a suspension device supported by a vehicle body while the rotating wheel is rotating together with the wheel during traveling. Then, a rotational bending stress is generated at the root of the flange due to the radial load and the rotational moment. In the case of a non-heat treated steel having a composite structure of proeutectoid ferrite and pearlite of medium carbon steel, the stress concentration generated by proeutectoid ferrite on the surface of the base of the flange based on such rotational bending stress Fatigue cracks occur and mainly propagate in pro-eutectoid ferrite grains and in pro-eutectoid ferrite / pearlite boundaries.
[0016]
In the case of the rolling bearing unit for supporting a wheel according to the present invention, with respect to the fatigue crack generated at the root portion of the flange by such a mechanism, the root portion has an austenite crystal grain size of 4 or more and an area ratio of By constituting from 3 to 15% or more of pro-eutectoid ferrite, the fatigue strength at the root can be improved. That is, by controlling the microstructure of the base, the fatigue strength of the base can be improved by the following mechanism.
[0017]
First, when austenite grains are refined (smaller grain size), the effect of suppressing stress concentration at grain boundaries and the number of nucleation sites during austenite / ferrite transformation are increased, and proeutectoid ferrite grains are refined. It has the effect of precipitating. In addition, when proeutectoid ferrite is finely divided, the minimum unit of crack generation becomes small, so that fatigue fracture can be effectively suppressed. Specifically, if the austenite grain size is 4 or more, the above-mentioned effect can be sufficiently obtained.
[0018]
The rolling wheel having a flange formed on its outer peripheral surface, which constitutes the rolling bearing unit for supporting a wheel of the present invention, is a rod-shaped material cut to a predetermined length made of medium carbon steel such as S53C as described above. After being formed into a predetermined shape by forging, it is left to cool. The following methods (1) to (3) can be adopted as a method for making the austenite grains of the rotating wheel thus formed to be fine (reducing the particle size) after forging.
[0019]
(1) Keep the forging temperature low.
Austenite grains grow more easily (higher grain size) at higher temperatures where atom diffusion is active, and the finer (smaller grain size) the greater the degree of work. On the other hand, in order to reduce the deformation resistance at the time of forging and to facilitate processing of a complicated shape, conventionally, when performing forging of a complicated shape, the temperature at the time of forging tends to be increased. On the other hand, in order to obtain the austenite crystal grain size in order to obtain the rolling bearing unit for wheel support of the present invention, the temperature at which the rotating wheel is forged is kept low.
[0020]
(2) Add appropriate elements to the alloy (carbon steel).
When carbides are finely dispersed in steel, the growth of crystal grains can be effectively suppressed by their pinning effect, and the same as the case of lowering the forging temperature as in the above (1). The effect can be obtained. For this reason, Nb (niobium) is preferable as an element added to the alloy, as described later.
[0021]
(3) After the forging, a predetermined heat treatment (baking-in) is applied.
As described in (1) above, if the temperature during forging is kept low, austenite grains after forging can be made fine, but the deformation resistance during forging increases. Therefore, when the shape of the rotating wheel is complicated, it is preferable that forging to obtain an intermediate material close to a finished product is performed at a relatively high temperature. However, if left as it is in this case, the grain size of the austenite grains after forging increases. Therefore, when forging is performed at a high temperature to obtain an intermediate material, a heat treatment is performed in which the intermediate material is heated at a temperature of 750 to 1000 ° C. and then cooled at a speed equal to or lower than the critical cooling rate. By such a heat treatment, the grain size of the austenite grains in the intermediate material can be reduced.
[0022]
That is, once the intermediate material obtained by hot forging is cooled, the structure in the intermediate material becomes a composite structure of proeutectoid ferrite and pearlite. Thereafter, by subjecting the intermediate material to the above-mentioned heat treatment, the microstructure in the intermediate material becomes a uniform and fine composite structure of pro-eutectoid ferrite and pearlite as a whole. In order to obtain the intermediate material, cutting may be performed instead of hot forging. In this case, the heat treatment is effective. In short, the microstructure can be controlled by subjecting the intermediate material subjected to hot forging or cutting to the above-described heat treatment.
[0023]
The reason for setting the reheating temperature in the heat treatment to 750 to 1000 ° C. is as follows. First, when the temperature is lower than 750 ° C., the microstructure cannot be made uniform because austenite cannot be completely formed. On the other hand, when the temperature exceeds 1000 ° C., austenite crystal grains grow during the holding in the austenite region, and sufficient proeutectoid ferrite cannot be obtained, and the uniform and fine ferrite as described above is not obtained. A composite structure of proeutectoid ferrite and pearlite cannot be obtained. In order to improve the machinability during finishing, it is preferable to increase the area ratio of the proeutectoid ferrite (for example, to 10% or more) as described later. And in order to make this area ratio 10% or more, it is preferable to regulate the temperature of the heat treatment in the range of 750 to 900 ° C.
[0024]
Such a heat treatment is also effective for making the grain size of the intermediate material uniform. That is, even if the heating temperature at the time of hot forging is uniform throughout the material, the amount of processing greatly differs depending on the portion of the material. For this reason, it is inevitable that the variation in the crystal grain size of the intermediate material obtained by subjecting the material to the hot forging described above becomes somewhat large without performing the heat treatment. For example, the flange portion constituting the rotating wheel has a large amount of machining as a whole, but the machining amount of a portion outside the flange portion is relatively small. Therefore, in the microstructure in the intermediate material, the austenite grain size and the distribution state of proeutectoid ferrite are difficult to be uniform. As described above, when the grain size of austenite and the distribution of pro-eutectoid ferrite are not uniform, the hardness varies, and cracks are easily generated from the weakest part in the structure, resulting in low fatigue strength.
[0025]
On the other hand, if the above-mentioned heat treatment is performed, the microstructure is once transformed into austenite by the reheating, and a relatively uniform grain size distribution is obtained. By cooling at a rate equal to or lower than the critical cooling rate, a fine and uniform composite structure of proeutectoid ferrite / pearlite can be obtained after cooling. As a result, variation in hardness can be minimized and fatigue strength can be improved. In addition, making the composite structure of pro-eutectoid ferrite / pearlite uniform in this way not only increases the machinability and fatigue strength, but also improves the induction hardening property on the inner surface side of the raceway surface and the root of the flange. It is also effective from the aspect.
[0026]
Next, the area ratio (3 to 15%) of the proeutectoid ferrite constituting the root portion of the flange is regulated from the viewpoint of achieving both machinability and fatigue strength. Proeutectoid ferrite present on austenite grain boundaries is a starting point for cracking, and therefore, the area ratio is preferably low from the viewpoint of improving fatigue strength. On the other hand, in consideration of the ease (cutability) of cutting for finishing the surface dimensions and shape after forging, a certain amount of proeutectoid ferrite is required. In consideration of these matters, it is necessary to regulate the area ratio in the range of 3 to 15% from the viewpoint of achieving both machinability and fatigue strength. When the pro-eutectoid ferrite area ratio is 3% or less, the machinability deteriorates, and when it exceeds 15%, it becomes impossible to sufficiently secure the fatigue strength of the root portion. The area ratio of the proeutectoid ferrite increases as the crystal grain size of forged austenite decreases and the cooling rate decreases. It is preferable to set the temperature of the heat treatment (baking-in) to 750 to 900 ° C. and the area ratio to 10% or more (but 15% or less) from the viewpoint of improving the machinability.
[0027]
The rotating wheel constituting the wheel supporting rolling bearing unit of the present invention is made of carbon steel containing C in an amount of 0.45 to 0.65% by weight (preferably 0.50 to 0.65% by weight). Nb is contained in an amount of 0.02 to 0.30% by weight. The reason for adding each of these elements and the reason for restricting the content in such a range are as follows.
[0028]
First, C is added to secure the hardness of the raceway surface formed on the peripheral surface of the rotating wheel and the root portion of the flange, and to secure the rolling fatigue life of the raceway surface and the fatigue strength of the root portion. When the content of C is less than 0.50%, even if heat treatment such as induction hardening is applied to the raceway surface and the root portion, the hardness of the portion does not become sufficiently high. As a result, the rolling fatigue life of the raceway surface portion, which is in rolling contact with the rolling elements repeatedly, is shortened. Further, it becomes difficult to secure the fatigue strength of the root portion against the rotational bending stress.
[0029]
However, even if the content of C is less than 0.50%, if it is 0.45% by weight or more, the durability required for practical use can be secured depending on the specifications of the rolling bearing unit for supporting wheels. For example, regarding the rolling fatigue life of the raceway surface portion, when the radius of curvature of the cross-sectional shape of the raceway surface is reduced (closer to the radius of curvature of the ball rolling surface), or when a tapered roller is used as a rolling element. Can be considered. In such a case, since the surface pressure acting on the rolling contact portion becomes relatively low, the rolling fatigue life can be secured even when the C content is about 0.45 to 0.50%. Regarding the fatigue strength of the root portion, when the load applied to the root portion of the relatively small rolling bearing unit for wheel support is limited, the content of C is 0.45 to .5. Even in the case of about 0.50%, required fatigue strength can be secured. On the other hand, when C is added in excess of 0.65% by weight, not only the rolling fatigue life and fatigue strength cannot be improved any more, but also the area ratio of proeutectoid ferrite decreases and machinability deteriorates. Problems occur. For these reasons, the content of C is regulated in the range of 0.45 to 0.65% by weight (preferably 0.50 to 0.65% by weight).
[0030]
Next, Nb precipitates as carbides in the steel, has a function of suppressing the growth of austenite grains during forging, and making the austenite crystal grains fine. Therefore, it is added in order to improve the fatigue strength of the root portion of the flange by making the austenite crystal grains fine.
If the Nb content is less than 0.02% by weight, the austenite crystal grains cannot be sufficiently refined as described above. On the other hand, if Nb is added in excess of 0.3% by weight, not only is it difficult to obtain further fineness, but also causes an increase in cost, and the machinability after forging is reduced. Therefore, when Nb is added, its content is regulated in the range of 0.02 to 0.3% by weight.
[0031]
As described above, according to the rolling bearing unit for wheel support of the present invention, the fatigue strength of the root portion is controlled only by controlling the microstructure of the root portion on the axially outer surface side of the flange formed on the outer peripheral surface of the rotating wheel. Can be improved. In this case, the above-described fatigue strength can be improved while suppressing an increase in cost as compared with the case where the current material is used, and without requiring a change in design specifications such as changing the shape and dimensions of the rotating wheel.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A feature of the present invention is that the fatigue strength of the root portion on the outer surface side of the flange formed on the outer peripheral surface of the hub is improved without quenching the root portion. The structure shown in the drawings is the same as the conventional structure shown in FIGS.
In the case of the wheel supporting rolling bearing unit 1a shown in FIG. 1, the fatigue strength of the root portion on the inner surface side of the flange 6 formed on the outer peripheral surface of the hub wheel 2 is, as described above, hardened by quenching. It is secured based on.
On the other hand, in the case of the rolling bearing unit 1a for supporting a wheel shown in FIG. 2, the fatigue strength of the root portion on the inner side of the flange 6a formed on the outer peripheral surface of the hub wheel 2a is lower than the root on the outer side. As in the case of the portion, it is secured by predetermined proeutectoid ferrite or separately hardened. Since the distance from the root portion on the inner surface side of the flange 6a to the inner peripheral surface of the hub wheel 2a is longer than the distance from the root portion on the outer surface side to the inner peripheral surface, the toughness accompanying the quenching effect is also increased. The drop is less likely to be a problem.
[0033]
【Example】
An experiment performed to confirm the effect of the present invention will be described.
First, in the first experiment, the oxygen concentration is 12 ppm or less obtained by cutting three kinds of raw materials A to C containing elements as shown in the following Table 1 and the remainder being Fe and unavoidable impurities. The rod-shaped material was heated to 950 ° C. to 1200 ° C. by high-frequency induction heating to change the austenite grain size, and hot forging was performed to obtain a hub wheel for a drive wheel.
[Table 1]
[0034]
Next, after cooling, an oxide film on the surface was removed by shot blasting. In this cooling step, the area ratio of the pro-eutectoid ferrite after cooling was adjusted by employing either forced air cooling or standing cooling. Furthermore, after the removal of the oxide film, turning to adjust the dimensions and shape of the surface, drilling holes for fixing the studs to the flange for supporting the wheels, the track surface, the inner surface side of the flange. Induction hardening work to increase the hardness of the root part and the step part for fitting the inner ring to the outside, polishing to smooth the root part on the outer side, which is necessary to observe the raceway surface and microstructure Work done. The austenitic crystal grain size (γ grain size) and the area ratio of pro-eutectoid ferrite in the root portion on the outer surface side of the flange are different from each other as shown in Table 2 described later, and 12 kinds of samples belonging to the present invention (Examples) 1 to 12) and eight kinds of samples (Comparative Examples 1 to 8) deviating from the present invention, a total of 20 kinds of samples were prepared. Each of these samples was a double-row ball bearing type for driving wheels, and a rolling bearing unit for supporting wheels having a rolling element having an axial pitch of 59 mm and 12 balls was used. In addition, the surface hardness of each outer ring and inner ring raceway is H by induction hardening.RC58 or higher. As a result, the rolling fatigue life of each of the above-mentioned orbits was secured in combination with the suppression of the oxygen concentration.
[0035]
The microstructure, that is, the austenitic crystal grain size and the area ratio of pro-eutectoid ferrite were observed by polishing the above-mentioned base portion on the outer side and then corroding the surface with piclar as an etching solution (picric acid alcohol solution). The austenitic grain size was determined by a method defined in JIS G 0551 in a region surrounded by pro-eutectoid ferrite precipitated in a network along the grain boundaries. Furthermore, the area ratio of proeutectoid ferrite was 10 mm at the root portion on the outer surface side of the flange.2Image analysis was performed on the range of, and the average value was obtained.
[0036]
Each of such samples (rolling bearing units for supporting wheels) was assembled in a test apparatus as shown in FIG. That is, while the outer wheel 4 is held and fixed to the jig 12, the hub wheel 2b rotatably supported on the inner diameter side of the outer wheel 4 is rotated, and the radial load Fr is applied to the hub wheel 2b under the following test conditions. And an axial load Fa. Then, the presence or absence of breakage of the root portion on the outer surface side of the flange 6 formed on the outer peripheral surface of the hub wheel 2b was observed.
Test condition
Rotation speed of hub wheel 2b: 300 min-1
Radial load Fr: 4000 N
Axial load Fa: 3500N
Test time: 100 hours (hr)
The results of the test performed under such conditions are shown in the following Table 2 and FIG.
[0037]
[Table 2]
[0038]
In addition, among the reference numerals indicating the test results shown in Table 2 and FIG. 4 above, “×” indicates that the base 6 was damaged from the base on the outer surface side of the flange 6, and “△” indicates the base other than the base. A portion that was damaged from the portion, and “○” indicates a portion that did not damage any portion. In FIG. 4, the horizontal axis represents the area ratio of proeutectoid ferrite, and the vertical axis represents the austenite grain size. As is clear from the results of the experiments whose results are shown in Table 2 and FIG. 4, the austenite crystal grain size at the root portion on the outer surface side of the flange 6 is 4 or more, and the area ratio of proeutectoid ferrite is 3 In Examples 1 to 12 within the range of １５15%, the microstructure can be controlled to prevent the occurrence of cracks at the root portion on the outer surface side of the flange 6. Further, when the austenite grain size is 5 or more and the area ratio of proeutectoid ferrite is 3 to 9%, the occurrence of cracks can be prevented for the entire hub wheel 2b. As described above, from Table 2 and FIG. 4, the microstructure of the root portion on the outer side in the axial direction of the flange 6 formed on the outer peripheral surface of the rotating wheel made of carbon steel containing 0.50 to 0.65% by weight of C is shown. It can be seen that the rolling bearing unit for wheel support, in which the austenite grain size is 4 or more and the area ratio is 3 to 15%, is a pro-eutectoid ferrite, has excellent durability.
[0039]
On the other hand, in Comparative Example 1, the austenite crystal grain size was small (the crystal grain size was large), and not only could the crack at the root portion on the outer surface side of the flange 6 not be prevented, but also the workability was very poor. . In each of Comparative Example 2 (conventional product), Comparative Example 3, and Comparative Example 4, the austenite crystal grain size was small (the crystal grain size was large), and the fatigue strength at the base was deteriorated. In Comparative Examples 5 to 7, the area ratio of proeutectoid ferrite exceeded 15%, so that sufficient fatigue strength could not be obtained for the root portion. Further, in Comparative Example 8, the material had a large carbon content, and the hardness was lowered by performing an annealing treatment in order to improve the machinability. Therefore, the fatigue strength of the root portion could not be secured.
[0040]
Next, in a second experiment, a rod-shaped material obtained by cutting five kinds of raw materials a to e containing elements as shown in the following Table 3 and the remainder being Fe and unavoidable impurities was obtained by high-frequency induction. The material was heated to 1200 ° C. by heating to obtain an intermediate material having a predetermined shape by three-stage hot forging.
[Table 3]
[0041]
Next, after cooling, the intermediate material was subjected to a heat treatment (baking-in process) under the conditions shown in Table 4 described below. That is, each intermediate material was heated to the temperature shown in Table 4, held for 30 minutes, cooled at a speed lower than the critical cooling rate, and then an oxide film on the surface was removed by shot blasting. Furthermore, after the removal of the oxide film, turning to adjust the dimensions and shape of the surface, drilling holes for fixing the studs to the flange for supporting the wheels, the track surface, the inner surface side of the flange. An induction hardening operation for increasing the hardness of the base portion and a step portion for externally fitting the inner ring, and a polishing operation for smoothing the raceway surface and the outer surface side root portion were sequentially performed. Ten types of samples (Examples) belonging to the present invention in which the austenite crystal grain size (γ grain size) and the area ratio of proeutectoid ferrite at the root portion on the outer surface side of the flange are different from each other as shown in Table 4 below. 13 to 22) and four types of samples (Comparative Examples 9 to 12) deviating from the present invention, a total of 14 types of samples were prepared. Each of these samples was a double-row ball bearing type for driving wheels, and a rolling bearing unit for supporting wheels having a rolling element having an axial pitch of 59 mm and 12 balls was used.
[0042]
The microstructure, that is, the austenitic crystal grain size and the area ratio of pro-eutectoid ferrite were observed by polishing the above-mentioned base portion on the outer side and then corroding the surface with piclar as an etching solution (picric acid alcohol solution). The austenitic grain size was determined by a method defined in JIS G 0551 in a region surrounded by pro-eutectoid ferrite precipitated in a network along the grain boundaries. Furthermore, the area ratio of proeutectoid ferrite was 10 mm at the root portion on the outer surface side of the flange.2Image analysis was performed on the range of, and the average value was obtained. Further, a tool life test, an impact test, and a fatigue strength test were performed on each of the samples (rolling bearing units for supporting wheels) as described below.
[0043]
First, in the tool life test, the life of a tool used for making a stud hole in the flange portion of each sample as described above was examined. In this test, the number of holes that could be machined before wear or chipping occurred on the cutting edge of the tool was counted.
Test condition
Tool: SKH56 (high-speed tool steel), diameter 6.0 mm, twist drill with TiN coating
Cutting speed: 20m / min
Feed speed: 0.1 mm / rev
Lubricating oil: Water-insoluble cutting oil
The results of the test performed under such conditions are shown in Table 4 below.
Note that the test results are shown as a ratio when the number of drilled holes in Example 22 is 1.
[0044]
[Table 4]
[0045]
Next, in the impact test, a Charpy impact tester CAI-300M manufactured by JT Toshi Co., Ltd. was used by using a Charpy impact test piece (JIS Z 2202 # 4) collected from the flange portion of the hub wheel of each sample. The impact value of each test piece was determined. The test results are shown in Table 4 above. Note that the test results are also shown as ratios when the value of Example 22 was set to 1.
[0046]
Further, in the fatigue strength test, each of the above samples was assembled in a test device as shown in FIG. That is, while the outer wheel 4 is held and fixed to the jig 12, the hub wheel 2b rotatably supported on the inner diameter side of the outer wheel 4 is rotated, and the radial load Fr is applied to the hub wheel 2b under the following test conditions. And an axial load Fa. Then, the presence or absence of breakage of the root portion on the outer surface side of the flange 6 formed on the outer peripheral surface of the hub wheel 2b was observed.
Test condition
Rotation speed of hub wheel 2b: 300 min-1
Radial load Fr: 4000 N
Axial load Fa: 3500N
Under such conditions, the fatigue strength of the flange was evaluated based on the test time (durable time) until breakage. The results of this test are shown in Table 4 above. Note that the test results are also shown as a ratio when the durability time of Example 22 was set to 1.
[0047]
As is clear from the results of the experiments whose results are shown in Table 4 above, the austenite crystal grain size of the root portion on the outer surface side of the flange 6 is 4 or more, and the area ratio of proeutectoid ferrite is 3 to 15%. In Examples 13 to 22 in which a material made of a suitable metal material is subjected to a suitable heat treatment (baking-in process), the microstructure is uniform and fine, and the tool life (cuttability), impact value, All have good fatigue strength. As is clear from Table 4 showing such experimental results, an intermediate material obtained by subjecting a carbon steel material containing 0.45 to 0.65% by weight of C to hot forging is preferably 750 to 1000 ° C (preferably). The rolling bearing unit for wheel support, which is obtained by performing a heat treatment (baking-in treatment) at 750 to 900 ° C. and having an austenite crystal grain size of 4 or more and an area ratio of 3 to 15% as proeutectoid ferrite, It has high strength and excellent machinability.
[0048]
In contrast, in Comparative Example 9, the austenite crystal grains grew because the heat treatment (baking-in treatment) temperature was too high. As a result, the austenite crystal grain size becomes smaller (the crystal grain size becomes larger), which prevents not only the crack at the root portion on the outer surface side of the flange 6 but also the area ratio of proeutectoid ferrite to less than 3%. The cutting performance was poor and the tool life was very short. In Comparative Example 10, austenite crystal grains grew and the area ratio of proeutectoid ferrite was small because the heat treatment (baking-in treatment) temperature was too high. Therefore, the tool life, impact value, and fatigue strength were all low. In Comparative Example 11, since the content of C was small and the area ratio of proeutectoid ferrite was large, good results were obtained in terms of tool life and impact value, but the fatigue strength was low. Further, in Comparative Example 12, since the content of C was too high, the area ratio of proeutectoid ferrite did not exceed 3%, even though the heat treatment (baking-in treatment) condition was within the range of the present invention. Therefore, the hardness was high, and the tool life, impact value, and fatigue strength were all low.
[0049]
Each of the experiments described above was carried out on a rolling bearing unit for supporting wheels for driving wheels. However, the present invention is not limited to the one for supporting wheels for driven wheels as shown in FIGS. The present invention is also applicable to a rolling bearing unit.
[0050]
【The invention's effect】
As described above, the present invention changes the shape and dimensions of the flange by reducing the microstructure of the root portion on the outer surface side of the flange formed on the outer peripheral surface of the rotating wheel for mounting the wheel. Without increasing the manufacturing cost, it is possible to increase the strength of the root portion, which is the weakest portion related to fatigue due to the rotating bending moment. As a result, the thickness of the flange can be reduced, and the weight of the wheel supporting rolling bearing unit can be reduced. Further, by performing an appropriate heat treatment, the machinability can be improved and the life of the tool can be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a half sectional view showing a first example of a wheel supporting rolling bearing unit to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a half sectional view showing the second example.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the third example mounted on a jig for performing a durability test.
FIG. 4 is a graph showing experimental results.
[Explanation of symbols]
1,1a rolling bearing unit for wheel support
2,2a, 2b hub wheel
3, 3a inner ring
4 Outer ring
5 rolling element
6, 6a flange
7, 7a, 7b Inner ring track
8mm step
9) Staking section
10, 10a Outer ring track
11 Mounting part
12 jig
