JP2004257556A - 車輪軸受装置およびその製造方法 - Google Patents

車輪軸受装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れた車輪軸受装置を提供する。
【解決手段】 本発明の車輪軸受装置１０は、内周に複列の転走面４ａ、４ｂを有する外方部材４と、複列の転走面４ａ、４ｂの各々に対向する転走面７ａ、７ｂを有する内方部材１と、外方部材４と内方部材１との間に介在する複数の円すいころ５ａ、５ｂからなり、外方部材４または内方部材１のいずれか一方に車輪取付けフランジ８が設けられている。内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車輪軸受装置およびその製造方法に関し、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度や耐経年寸法変化を有する車輪軸受装置およびその製造方法に関するものである。
アンギュラ玉軸受やころ軸受は、転動体と軌道輪と保持器とで構成される。転動体が軌道輪の間を転動する際には、転動体と軌道輪とが点接触あるいは線接触する構造であるため、軸受投影面積が小さい割に高負荷容量と高剛性が得られる利点を有している。したがって、自動車における車輪軸受装置に使用されている。
自動車における軸受部品の転動疲労に対して、長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス中にさらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（たとえば特開平８−４７７４号公報、特開平１１−１０１２４７号公報）。この浸炭窒化処理法を用いることにより、表層部を硬化させ、ミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる。
特開平８−４７７４号公報 特開平１１−１０１２４７号公報
しかしながら、自動車の車輪軸受装置には、主に重力に基づくラジアル荷重が加わる。このラジアル荷重により、車輪軸受装置における内輪および外輪と転動体との接触部の面圧が高くなる。さらに、自動車の旋回時の遠心力に基づいて、タイヤの外周面と路面との摩擦によって、タイヤの設置面を自動車の幅方向に対して中央側に押圧する方向（スラスト方向）の荷重が加わる。このスラスト方向の荷重は、ハブを曲げようとするモーメント荷重となるので、自動車の車輪軸受装置における転動体には、モーメント荷重とラジアル荷重とを合わせた荷重が加わる。モーメント荷重の方向とラジアル荷重の方向とが同じになる位置においては、車輪軸受装置における内輪および外輪と転動体との接触部の面圧が高くなる。また、最近の自動車の車輪軸受装置においては、小型化・軽量化が要求されており、転動疲労寿命の向上が必要である。
上記の浸炭窒化処理方法は炭素および窒素を拡散させる拡散処理であるため、長時間高温に保持する必要がある。このため、組織が粗大化する等して耐割れ強度の向上を図ることは困難である。また、残留オーステナイトの増加による経年寸法変化率の増大も問題となる。
一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐために、鋼の合金設計により組成を調整することによって対処することが可能である。しかし合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの問題点が発生する。
今後の軸受部品には、使用環境の高荷重化、高温化に伴い、従来と比較してより大きな荷重条件でかつより高温で使用できる特性を備えることが要求される。このため、高強度で、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。
したがって本発明は、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れた車輪軸受装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一の局面にしたがう車輪軸受装置は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置である。外方部材、内方部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本発明の一の局面によれば、外方部材、内方部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材の旧オーステナイト粒径が微細であることにより、耐割れ強度、寸法安定性および転動疲労寿命が大幅に改良される。旧オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。旧オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、車輪軸受装置の外方部材、内方部材および転動体の旧オーステナイト粒は、浸炭窒化処理の影響を大きく受けている表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。また、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。
なお、オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界であればよい。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、上記のように旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、ＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとってもよい。
本発明の他の局面にしたがう車輪軸受装置は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置である。外方部材、内方部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本願発明者らは、鋼をＡ1変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ1変態点未満の温度に冷却し、その後にＡ1変態点以上の焼入れ温度域に再加熱し焼入れを行なうことにより、窒素富化層を有する鋼の破壊応力値を、従来では得られなかった２６５０ＭＰａ以上にできることを見出した。これにより、従来と比較して破壊応力値に優れ、それにより強度の高い車輪軸受装置を得ることができる。
本発明のさらに他の局面にしたがう車輪軸受装置は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置である。外方部材、内方部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
本発明のさらに他の局面によれば、水素に起因する鋼の脆化を軽減することができる。鋼の水素含有率が０．５ｐｐｍを超えると鋼の割れ強度は低下する。したがってこのような鋼は、苛酷な荷重が加わる車輪軸受装置にはあまり適さなくなる。水素量は低いほうが望ましい。しかし、０．３ｐｐｍ未満に減らすためには長時間の加熱が必要になり、旧オーステナイト粒径が粗大化し、かえって靭性が低下してしまう。このため、より望ましい水素含有率は０．３〜０．５ｐｐｍの範囲である。さらに望ましくは、０．３５〜０．４５ｐｐｍの範囲である。
なお、上記の水素含有率は、拡散性水素は測定の対象にはせず、所定温度以上で鋼から放出される非拡散性水素のみを測定の対象とするものである。サンプルサイズが小さければ、常温でもサンプルから放出され散逸してしまうので、拡散性水素量は測定の対象から外している。非拡散性水素は、鋼中の欠陥部などにトラップされており、所定の加熱温度以上ではじめてサンプルから放出される水素である。この非拡散性水素に限定しても、水素含有率は測定方法によって大きく変動する。上記の水素含有率範囲は熱伝導度法による測定方法による範囲である。さらに、後記するように、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置またはそれに準じる測定装置を用いて測定することが望ましい。
上記の車輪軸受装置は、転動体が円すいころまたはボールである。
これにより、簡易な構成で車輪軸受装置が構成され、かつ高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れた車輪軸受装置が得られる。
本発明の車輪軸受装置の製造方法は、内周に複列の転走面を有する外方部材と、複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、外方部材と内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、外方部材または内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置の製造方法である。鋼をＡ1変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ1変態点未満の温度に冷却し、その後、Ａ1変態点以上で浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域に再加熱し、焼入れを行なうことにより、外方部材、内方部材、および転動体のうち少なくともいずれか１つが製造される。
本発明の車輪軸受装置の製造方法によれば、浸炭窒化処理後Ａ1変態点未満の温度に冷却した後に最終的な焼入れを行なうので、旧オーステナイト粒径を細かくすることができる。この結果、シャルピー衝撃値、破壊靭性値、割れ強度、転動疲労寿命などを向上させることができる。
さらに、たとえばオーステナイトが変態する温度にまで冷却することにより、浸炭窒化処理の際の旧オーステナイト粒界と最終焼入れの際のオーステナイト粒界とを無関係にすることができる。また、鉄−炭素２元状態図から、セメンタイトとオーステナイトとの共存領域において、焼入れ温度の低下に伴いオーステナイトに固溶する炭素濃度は低くなる。
最終焼入れ温度に加熱したとき、その加熱温度が低いために、旧オーステナイト粒は微細となる。また、焼入れによってオーステナイトからマルテンサイトやベイナイトに変態した組織は炭素濃度が低いので、浸炭窒化処理温度から焼き入れた組織に比べて靭性に富んだ組織となる。
本発明の車輪軸受装置の製造方法において好ましくは、再加熱時の焼入れ温度域が７９０℃〜８３０℃の温度域である。
この構成により、旧オーステナイト結晶粒の成長が生じにくい温度に再加熱して焼入れするので、旧オーステナイト粒径を細かくすることができる。
本発明の車輪軸受装置によれば、軸受部品は、窒素富化層が形成された上で、旧オーステナイト粒径が粒度番号で１０番を超えるように微細化され、水素含有率も低減される。このため、車輪軸受装置の転動疲労寿命が大きく改善され、優れた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができる。
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における車輪軸受装置を示す概略断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。
図１および図２を参照して、車輪軸受装置１０は、ホイール２８およびタイヤ２９などの回転側部材を、外方部材４などの固定側部材に対して回転可能に支持するものである。この車輪軸受装置１０は、外方部材４と、内方部材１と、転動体である複数個の円すいころ５ａ、５ｂとを備えている。外方部材４は内方部材１の周囲に配置されている。円すいころ５ａ、５ｂは内方部材１と外方部材４との間に介在している。
外方部材４は、内周面に複列の転走面４ａ、４ｂを有している。本実施の形態においては、複列の転走面４ａ、４ｂは、外方部材４の内周面に直接形成されている。
内方部材１は、ハブ輪２と内輪３ａ、３ｂとからなる。ハブ輪２の外周面の中央部には内輪３ａがハブ輪２に外嵌固定されている。ハブ輪２の外周面の内端側（図２中右側）には内輪３ｂがハブ輪２に外嵌固定されている。これにより、ハブ輪２と内輪３ａ、３ｂとは一体化して内方部材１を形成している。内方部材１は、複列の転走面４ａ、４ｂの各々に対向する複列の転走面７ａ、７ｂを有している。転走面４ａ、４ｂおよび転走面７ａ、７ｂにより形成される転走面はテーパ状である。本実施の形態においては、複列の転走面７ａ、７ｂは、内輪３ａ、３ｂの外周面に形成されている。
第１列（図２中中央部）の円すいころ５ａは、第１の保持器１７ａにより転動自在に保持されて、外方部材４と内輪３ａとの間に固定されている。第２列（図２中右側）の円すいころ５ｂは、第２の保持器１７ｂにより転動自在に保持されて、外方部材４と内輪３ｂとの間に固定されている。この構成により、内方部材１は外方部材４に対して回転自在に保持されている。
ハブ輪２の中心部にはスプライン孔１５が設けられていて、等速ジョイントのステム軸２７がスプライン孔１５に係合可能となっている。また、ハブ輪２の軸方向外側（図中左側）には、車輪取付けフランジ８が設けられている。車輪取付けフランジ８に嵌合されたハブボルト２０によって、ホイール２８およびタイヤ２９がハブ輪２に回転支持されている。また、外方部材４は外周面の軸方向中央部に車体取付けフランジ９を有している。車体取付けフランジ９により、外方部材４はナックルなどの懸架装置（図示なし）に固定されている。
なお、外方部材４の内周面の両端部とハブ輪２の外周面の中央部および内端部との間には、シールリング１９ａ、１９ｂが設置されている。これにより、円すいころ５ａ、５ｂが保持されている空間と外部とが遮断されている。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ａ、３ｂおよび複数個の円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ａ、３ｂおよび複数個の円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
次に、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。
図３は、本発明の実施の形態１における熱処理方法を説明する図である。また、図４は、本発明の実施の形態１における熱処理方法の変形例を説明する図である。図３は１次焼入れおよび２次焼入れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図４は焼入れ途中で材料をＡ1変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンである。どちらも本発明の実施の態様例である。これらの図において、処理Ｔ1では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に行なった後、Ａ1変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ2において、処理Ｔ1よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。
上記の熱処理は、普通焼入れ、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、材料の表層部分を窒素富化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上記の熱処理方法によれば、旧オーステナイト結晶粒の粒径が従来の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。したがって、本実施の形態における車輪軸受装置１０に上記の熱処理を施すことにより、車輪軸受装置１０の転動疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。
なお、水素含有率のみを本発明の範囲に入れる場合には、Ｔ2温度である２次焼入温度を浸炭窒化処理の加熱温度Ｔ1（１次焼入温度）より低くする必要はなく、２次焼入温度Ｔ2を１次焼入温度Ｔ1以上にしてもよい。すなわち、Ｔ2がＴ1より高くても水素含有率は本発明の範囲内に入れることができる。しかし、２次焼入温度を１次焼入温度未満とすることにより、水素含有率を低減した上で、さらに旧オーステナイト粒径が粒度番号１０番を超えるようにすることができる。したがって、Ｔ2がＴ1未満であることが望ましい。
上記の熱処理のどちらによっても、その中の浸炭窒化処理により「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合（１ｗｔ％程度の鋼）、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５ｗｔ％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。上記窒素富化層には炭素が富化されていてもよいことはいうまでもない。
図５は車輪軸受装置における部材のミクロ組織、とくに旧オーステナイト粒を示す図である。図５（ａ)は本発明例の軸受部品であり、図５（ｂ）は従来の軸受部品である。すなわち、上記図３に示す熱処理パターンを適用した軸受鋼の旧オーステナイト結晶粒度を図５（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼の旧オーステナイト結晶粒度を図５（ｂ）に示す。また、図６（ａ）および図６（ｂ）は、上記図５（ａ）および図５（ｂ）を図解した旧オーステナイト結晶粒界を示す図である。これら旧オーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来の旧オーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、また本発明による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図５（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における車輪軸受装置を示す概略断面図である。
図７を参照して、本実施の形態における車輪軸受装置１０においては、複列の転走面７ａは、ハブ輪２の外周面に直接形成されている。
なお、これ以外の構成については図１および図２に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している内輪３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３における車輪軸受装置の一部を示す概略断面図である。
図８を参照して、本実施の形態における車輪軸受装置１０においては、外方部材が外輪１４となっている。外方部材である外輪１４は、ナックルなどの懸架装置に圧入固定されている。複列の転走面４ａ、４ｂは、外輪１４の内周面に形成されている。内方部材は、図示しないハブ輪と内輪３ａ、３ｂとからなる。
なお、これ以外の構成については図１および図２に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよびの円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの軸受部材について、上記の浸炭窒化処理を含む熱処理が行なわれる。これにより、車輪軸受装置１０の転動疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における車輪軸受装置を示す概略断面図である。
図９を参照して、本実施の形態における車輪軸受装置１０は、外方部材４と、内方部材１と、複数個の玉５ｃ、５ｄとを備えている。第１列（図９中中央部）の玉５ｃは、第１の保持器１７ａにより転動自在に保持されて、外方部材４と内輪３ａとの間に固定されている。第２列（図９中右側）の玉５ｄは、第２の保持器１７ｂにより転動自在に保持されて、外方部材４と内輪３ｂとの間に固定されている。
なお、これ以外の構成については図１および図２に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外方部材４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの軸受部材について、上記の浸炭窒化処理を含む熱処理が行なわれる。これにより、車輪軸受装置１０の転動疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外方部材４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外方部材４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち、少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外方部材４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
（実施の形態５）
図１０は、本発明の実施の形態５における車輪軸受装置の一部を示す概略断面図である。
図１０を参照して、本実施の形態における車輪軸受装置１０においては、外方部材が外輪１４となっている。外方部材である外輪１４は、ナックルなどの懸架装置に圧入固定されている。複列の転走面４ａ、４ｂは、外輪１４の内周面に形成されている。内方部材は、図示しないハブ輪と内輪３ａ、３ｂとからなる。
なお、これ以外の構成については図９に示す実施の形態４の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの軸受部材について、上記の浸炭窒化処理を含む熱処理が行なわれる。これにより、車輪軸受装置１０の転動疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよびの円すいころ５ａ、５ｂのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。
本実施の形態においては、車輪軸受装置１０を構成している外輪１４、内輪３ａ、３ｂおよび玉５ｃ、５ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。
次に本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、本発明の実施例１を行なった。表１に示した各試料の製造履歴を以下に示す。
Figure 2004257556
（試料Ａ〜Ｄ；本発明例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図３に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から１次焼入れを行ない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して２次焼入れを行なった。ただし、２次焼入温度７８０℃の試料Ａは焼入不足のため試験の対象から外した。
（試料Ｅ、Ｆ；比較例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行ない、２次焼入れ温度を浸炭窒素処理温度８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃で行なった。
（従来浸炭窒化処理品；比較例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。浸炭窒化処理温度からそのまま焼入れを行ない、２次焼入れは行なわなかった。
（普通焼入れ品；比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れた。２次焼入れは行なわなかった。
上記の試料に対して、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験、の各試験を行なった。次にこれらの試験方法について説明する。
Ｉ 実施例１の試験方法
（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。
分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なるほう）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイス゛：１０ｍｇ〜３５ｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロン Ｍｇ（ＣｌＯ4）2 、 アスカライト ＮａＯＨ
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス：水素ガス、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ＰＳＩ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ2）である。
測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごと上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取出し抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。
（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。
（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。なお、シャルピー衝撃値は、次式の吸収エネルギーＥを断面積（０．８ｃｍ2）で除した値である。
吸収エネルギー：Ｅ＝ＷｇＲ（ｃｏｓβ−ｃｏｓα）
Ｗ：ハンマー重量（＝２５．４３８ｋｇ）
ｇ：重力加速度（＝９．８０６６５ｍ／ｓｅｃ2）
Ｒ：ハンマー回転軸中心から重心までの距離（＝０．６５６９ｍ）
α：ハンマー持ち上げ角度（＝１４６°）、β：ハンマー降り上がり角度
（４）破壊応力値の測定
図１１は、静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。図中のＰ方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図１１に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。
図１１の試験片の凸表面における繊維応力をσ1、凹表面における繊維応力をσ2とすると、σ1およびσ2は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ1は外半径、ｅ2は内半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。
σ1＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρo）｝［１＋ｅ1／｛κ（ρo＋ｅ1）｝］
σ2＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρo）｝［１−ｅ2／｛κ（ρo−ｅ2）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫A｛η／（ρo＋η）｝ｄＡ
（５）転動疲労試験
転動疲労寿命試験の試験条件を表２に示す。また、図１２は、転動疲労寿命試験機の概略図である。図１２(ａ)は正面図であり、図１２(ｂ)は側面図である。
図１２（ａ）および（ｂ）を参照して、転動疲労寿命試験片２１は、駆動ロール１１によって駆動され、ボール１３と接触して回転している。ボール１３は、（3/4）”のボールであり、案内ロール１２にガイドされて、転動疲労寿命試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。
ＩＩ 実施例１の試験結果
（１）水素量
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ3）が分解して水素が鋼中に侵入したためと考えられる。これに対して、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くにまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同じレベルである。
上記の水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は大きく改善されている。
（２）結晶粒度
結晶粒度は２次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ（１次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、旧オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入品の旧オーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。
（３）シャルピー衝撃試験
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ2であるのに比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ2と高い値が得られている。この中でも、２次焼入れ温度が低いほうがシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ2と高い。
（４）破壊応力値の測定
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値が得られる。普通焼入品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値と同等である。このような、試料Ｂ〜Ｄの改良された耐割れ強度は、旧オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。
（５）転動疲労試験
表１によれば、普通焼入品は窒素富化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ10は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。本発明の試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等である。
上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｄは、水素含有率が低下し、旧オーステナイト結晶粒度が１１番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。
（実施例２）
次に実施例２について説明する。下記のＸ材、Ｙ材およびＺ材について、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ｘ材〜Ｚ材に共通とした。Ｘ材〜Ｚ材の製造履歴は次のとおりである。
（Ｘ材：比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せず）。
（Ｙ材：比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼き入れる（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
（Ｚ材：本発明例）：図４の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。
（１） 転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件および試験装置は、上述したように、表２および図１２に示すとおりである。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。
Figure 2004257556
Figure 2004257556
表３によれば、比較例のＹ材は、同じく比較例で普通焼入れのみを施したＸ材のＬ10寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３．１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＺ材は、Ｙ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。
（２） シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳＺ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表４に示す。
Figure 2004257556
浸炭窒化処理を行なったＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、普通焼入れのＸ材（比較例）より高くないが、Ｚ材はＸ材と同等の値が得られた。
（３） 静的破壊靭性値の試験
図１３は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き裂を約１ｍｍ導入した後に、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求めた。破壊靭性値（ＫIc値）の算出には次に示す（Ｉ）式を用いた。また、試験結果を表５に示す。
ＫIc＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ2）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）2−７５．３（ａ／Ｗ）3＋７７．５（ａ／Ｗ）4｝…（Ｉ）
Figure 2004257556
予め導入した亀裂深さが窒素富化層深さよりも大きくなったため、比較例のＸ材とＹ材とに違いはない。しかし、本発明例のＺ材は比較例に対して約１．２倍の値を得ることができた。
（４） 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）
静圧壊強度試験片は、上述のように図１１に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を負荷して、静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表６に示す。
Figure 2004257556
浸炭窒化処理を行なっているＹ材は普通焼入れのＸ材よりもやや低い値である。しかしながら、本発明のＺ材は、Ｙ材よりも静圧壊強度が向上し、Ｘ材と遜色ないレベルが得られている。
（５） 経年寸法変化率
保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（０．１ｍｍ深さ）と併せて表７に示す。
Figure 2004257556
残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材は２分の１以下に抑制されていることがわかる。
（６） 異物混入潤滑下における寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入潤滑下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、また試験結果を表９に示す。
Figure 2004257556
Figure 2004257556
Ｘ材に比べ、従来の浸炭窒化処理を施したＹ材は約２．５倍の長寿命が得られた。また、本発明例のＺ材は約３．７倍の長寿命が得られた。本発明例のＺ材は、比較例のＹ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、窒素の侵入と微細化されたミクロ組織の影響でＹ材以上の長寿命が得られている。
上記の結果より、本発明例のＺ材、すなわち本発明の熱処理方法によって製造された軸受部品は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。
実施の形態１においては、内方部材１に車輪取付けフランジ８を設けた車輪軸受装置１０の場合について示したが、本発明は、たとえば図１４のように、外方部材４に車輪取付けフランジ８を設けた車輪軸受装置１０にも適応可能である。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態１における車輪軸受装置を示す概略断面図である。 図１の要部拡大図である。 本発明の実施の形態１における熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１における熱処理方法の変形例を説明する図である。 車輪軸受装置における部材のミクロ組織、とくに旧オーステナイト粒を示す図である。(ａ)は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。 （ａ）は図５（ａ）を図解した旧オーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図５（ｂ）を図解した旧オーステナイト粒界を示す。 本発明の実施の形態２における車輪軸受装置を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態３における車輪軸受装置の一部を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態４における車輪軸受装置を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態５における車輪軸受装置の一部を示す概略断面図である。 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略図である。(ａ)は正面図であり、(ｂ)は側面図である。 静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。 本発明の他の実施の形態における車輪軸受装置を示す概略断面図である。
符号の説明
１ 内方部材、２ ハブ輪、３ａ，３ｂ 内輪、４ 外方部材、４ａ，４ｂ，７ａ，７ｂ 転走面、５ａ，５ｂ 円すいころ、５ｃ，５ｄ 玉、８ 車輪取付けフランジ、９ 車体取付けフランジ、１０ 車輪軸受装置、１１ 駆動ロール、１２ 案内ロール、１３ （3/4）”ボール、１４ 外輪、１５ スプライン孔、１７ａ，１７ｂ 保持器、１９ａ，１９ｂ シールリング、２０ ハブボルト、２１ 転動疲労寿命試験片、２７ ステム軸、２８ ホイール、２９ タイヤ、Ｔ1 浸炭窒化処理温度、Ｔ2 焼入れ加熱温度。

Claims (7)

  1. 内周に複列の転走面を有する外方部材と、
    前記複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、
    前記外方部材と前記内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、
    前記外方部材または前記内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置であって、
    前記外方部材、前記内方部材、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある、車輪軸受装置。
  2. 内周に複列の転走面を有する外方部材と、
    前記複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、
    前記外方部材と前記内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、
    前記外方部材または前記内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置であって、
    前記外方部材、前記内方部材、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である、車輪軸受装置。
  3. 内周に複列の転走面を有する外方部材と、
    前記複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、
    前記外方部材と前記内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、
    前記外方部材または前記内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置であって、
    前記外方部材、前記内方部材、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である、車輪軸受装置。
  4. 前記転動体が円すいころである、請求項１〜３のいずれかに記載の車輪軸受装置。
  5. 前記転動体がボールである、請求項１〜３のいずれかに記載の車輪軸受装置。
  6. 内周に複列の転走面を有する外方部材と、
    前記複列の転走面の各々に対向する転走面を有する内方部材と、
    前記外方部材と前記内方部材との間に介在する複数の転動体からなり、
    前記外方部材または前記内方部材のいずれか一方に車輪取付けフランジを設けた車輪軸受装置の製造方法であって、
    Ａ1変態点を超える浸炭窒化処理温度で鋼を浸炭窒化処理した後、Ａ1変態点未満の温度に冷却し、その後、前記Ａ1変態点以上で前記浸炭窒化処理の温度未満の焼入れ温度域に再加熱し、焼入れを行なうことにより、前記外方部材、前記内方部材、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が製造されることを特徴とする、車輪軸受装置の製造方法。
  7. 前記再加熱時の前記焼入れ温度域が７９０℃〜８３０℃の温度域である、請求項６に記載の車輪軸受装置の製造方法。
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