JP2007107647A - 車輪支持用転がり軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた強度と加工性とを併せ持ち、損傷が生じにくく且つ軽量な車輪支持用転がり軸受装置を提供する。
【解決手段】車輪支持用転がり軸受装置１のハブ輪２は、炭素の含有量が０．２質量％以上０．４５質量％以下である合金鋼に、焼鈍しを施した後に冷間加工を施すことにより成形され、さらに浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されたものである。また、ハブ輪２は焼入れ硬化部２２と非焼入れ部とを備えており、焼入れ硬化部２２である軌道面は、表面部分の炭素の含有量が０．６質量％以上０．８質量％以下であり、表面硬さがビッカース硬さＨｖで６５０以上である。さらに、最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量は、０．５質量％以上である。非焼入れ部の表面はフェライト・パーライト組織を有し、表面硬さはビッカース硬さＨｖで２６０以上である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置に関する。

自動車等の車輪を懸架装置に対して回転自在に支持する車輪支持用転がり軸受装置は、外周面に軌道面を有する内方部材と、内周面に軌道面を有する外方部材と、内方部材の軌道面と外方部材の軌道面との間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えている。また、内方部材の外周面には、車輪を取り付けるためのフランジが設けられ、外方部材の外周面には、懸架装置を取り付けるためのフランジが設けられている。そして、このような車輪支持用転がり軸受装置はユニット化が進んでおり、前述のフランジは内方部材や外方部材に一体化された構造となっている。

車輪支持用転がり軸受装置を構成するハブ輪（内方部材）は、Ｓ５３Ｃのような機械構造用炭素鋼の中炭素鋼を材料とし、以下のようにして製造される。すなわち、熱間鍛造により所定の形状に成形した後に放冷して、初析フェライトとパーライトとが複合したフェライト・パーライト組織を有する中間素材を製造し、この中間素材に旋削，研削，削孔等を施すことにより仕上げる。

内方部材の軌道面と外方部材の軌道面とには、転動体から高面圧が繰り返し負荷されるので、転がり疲労寿命の確保や嵌合部のフレッチング防止のために、高周波焼入れによる硬化層が形成されている。一方、内方部材及び外方部材のうちフランジを含む大部分は、支持孔やねじ孔を切削する作業を容易にするために、焼入れ，焼戻し処理が施されることはなく、熱間鍛造後に冷却されたままの状態で使用される。しかしながら、これらのフランジにも、車輪旋回や車輪乗り上げの際にはモーメント荷重が加わるため、十分な静的強度及び疲労強度を有することが要求される。

このように、フランジには、優れた強度と加工性という相反する性能が要求されている。このため、従来においては、フランジの肉厚を厚くする等の方法により上記要求に対応していた。
特開平９−１５１９５０号公報

ところが、近年においては、自動車の燃費向上及び走行性能向上のために車輪支持用転がり軸受装置の軽量化が要求されており、そのためフランジの薄肉化が検討されている。しかしながら、フランジを薄肉化するということはフランジに加わる応力が大きくなるということを意味するので、フランジの強度が不十分となって疲労破壊等の損傷が生じやすくなることが懸念される。

また、フランジを含め全体を軽量化するために冷間加工で成形した車輪用軸受装置が、特許文献１に開示されているが、強度に影響を及ぼす材料及び熱処理について言及されておらず、十分な強度が得られない場合があった。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、優れた強度と加工性とを併せ持ち、損傷が生じにくく且つ軽量な車輪支持用転がり軸受装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明に係る請求項１の車輪支持用転がり軸受装置は、外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受装置において、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方が下記の５つの条件を満足することを特徴とする。

条件１：炭素の含有量が０．２質量％以上０．４５質量％以下である合金鋼で構成されている。
条件２：焼鈍しが施された前記合金鋼に冷間加工を施すことにより成形され、さらに浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されたものである。
条件３：焼入れ硬化部と非焼入れ部とを備えており、前記焼入れ硬化部である前記軌道面は、表面部分の炭素の含有量が０．６質量％以上０．８質量％以下であり、表面硬さがビッカース硬さＨｖで６５０以上である。
条件４：最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量は、０．５質量％以上である。 条件５：前記非焼入れ部の表面はフェライト・パーライト組織を有し、表面硬さはビッカース硬さＨｖで２６０以上である。

従来、車輪支持用転がり軸受装置の内方部材や外方部材の材料には、炭素の含有量が０．５質量％程度のＳ５３Ｃ材等が用いられていたが、本発明の車輪支持用転がり軸受装置の内方部材や外方部材の材料には、Ｓ５３Ｃ材よりも炭素の含有量が少ない低炭素鋼を用いている。これにより、合金鋼の変形抵抗が低減されるので、内方部材や外方部材への成形性（加工性）が優れている。

ただし、低炭素鋼では、軌道面の硬さ及びフランジ等を含む大部分の強度が不十分となるおそれがあるので、合金鋼を冷間加工して成形した後に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施して焼入れ硬化部である軌道面の表面部分の炭素の含有量を向上させてある。これにより、軌道面に優れた転がり疲労寿命が付与される。また、非焼入れ部であるフランジ等を含む大部分については、表面はフェライト・パーライト組織を有し、表面硬さはビッカース硬さＨｖで２６０以上であるため、優れた強度を有している。よって、本発明の車輪支持用転がり軸受装置は、優れた強度と加工性とを併せ持ち、損傷が生じにくく且つ軽量である。
以下に、本発明の車輪支持用転がり軸受装置について、前述の各数値（合金鋼中の炭素の含有量，ビッカース硬さ等）の臨界的意義を中心に詳細に説明する。

〔条件１について〕
素材の冷間加工性は固溶炭素量に最も強く依存し、素材の炭素の含有量を低下させて硬さを低減することが、変形抵抗を小さくする最も有効な手法である。そこで、表１に示すように炭素の含有量を種々変更した素材（一般構造用炭素鋼）に球状化焼鈍しを施して、変形抵抗を測定し、炭素の含有量と冷間加工性との関係を調査した。球状化焼鈍し後の素材の硬さ及び変形抵抗の結果を、表１に示す。また、炭素の含有量と変形抵抗との関係を図１に示し、素材の硬さと変形抵抗との関係を図２に示す。

図１から分かるように、炭素の含有量が多いと変形抵抗が高く、炭素の含有量が０．４５質量％を超えると変形抵抗が急激に高まる傾向がある。したがって、炭素の含有量が０．４５質量％以下の合金鋼は、従来用いられているＳ５３Ｃ材（炭素の含有量は０．５〜０．５５質量％）よりも加工応力が小さく塑性加工性に優れていて、大きな加工率の塑性加工でも割れが発生する可能性が低く、さらに金型寿命も長くなる。なお、図２に示すように、素材の硬さがＨＲＢ８２以下であると変形抵抗が小さいので、素材の硬さがＨＲＢ８２以下になるように焼鈍し処理を施すことが好ましい。
ただし、素材の炭素の含有量が低いと、所望の浸炭深さを得るまでに長時間の浸炭処理又は浸炭窒化処理が必要となるため、コストの上で不利である。よって、炭素の含有量の下限値は、０．２質量％とする必要がある。

〔条件３について〕
車輪支持用転がり軸受装置が従来のＳ５３Ｃ材で構成されている場合は、軌道面に高周波焼入れ等の焼入れ及び焼戻しが施され、硬さがＨｖ６５０以上とされて使用される。焼入れ後の表面硬さは炭素の含有量に依存するので、前述したように、冷間加工時の変形抵抗が小さい０．４５質量％以下の鋼を用いると、炭素の含有量が不十分であるため焼入れ後の軌道面の硬さはＨｖ６５０未満となり、転がり疲労寿命が不十分となるおそれがある。

そこで、本発明においては、冷間加工により成形した後に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施して表面の炭素の含有量を向上させ、これにより軌道面の焼入れ後の硬さを向上させて、十分な転がり疲労寿命を得ている。軌道面の表面硬さＨｖ６５０以上を安定的に満足するためには、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後の表面部分の炭素の含有量は、０．６％質量以上とする必要がある。
なお、本発明における表面部分とは、最表面から、動定格荷重付与時に最大剪断応力が発生する深さ位置までの部分を意味する。

〔条件４について〕
表面部分の炭素の含有量のみを０．６質量％以上として軌道面の表面硬さＨｖ６５０以上を満足しても、浸炭深さが浅いと、焼入れ後の最大剪断応力深さ位置における硬さが不十分となる場合がある。したがって、最大剪断応力深さ位置における硬さをＨｖ５００以上とするために、この深さ位置における炭素の含有量を、浸炭処理又は浸炭窒化処理によって０．５質量％以上とする必要がある。

なお、車輪支持用転がり軸受装置の内方部材及び外方部材は形状が複雑であるため、浸炭処理又は浸炭窒化処理の直後に油冷すると、変形が大きくなるおそれがある。よって、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後の冷却方法は、放冷又はガス冷却とすることが好ましい。ガス冷却において使用するガスの種類は特に限定されるものではないが、例えば窒素が好ましい。

〔条件５について〕
車輪支持用転がり軸受装置の内方部材及び外方部材は、構造部材としての機能を有しているため、背景技術の項で前述したように高周波焼入れが施されない箇所（例えばフランジ）、すなわち非焼入れ部に強度が要求される。内方部材や外方部材が従来のＳ５３Ｃ材で構成されている場合は、熱間鍛造後に放冷することによって、表面にフェライト・パーライト組織を形成し、表面硬さをＨｖ２４０からＨｖ２６０程度とした後、ボルト穴等の切削加工が施される。

非焼入れ部の硬さは高い方が有利であるが、従来のＳ５３Ｃ材やＳＡＥ１０７０のような中高炭素鋼を用いて従来の方法で製造する場合は、熱間鍛造後にフランジにボルト穴等をドリルにより切削加工するため、前述の表面硬さ以上にするとドリル寿命が大幅に低下してしまう。
そこで、本発明においては、素材として低炭素鋼を用い、塑性加工によってほぼ最終製品形状に仕上げ、ボルト穴等の切削加工（ピアス）が完了した後に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を行なう。よって、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後にボルト穴等の切削加工が不要であるので、表面硬さがＨｖ２６０以上となっても製造上の支障はない。

前述したように、車輪支持用転がり軸受装置の内方部材や外方部材は、形状が複雑であるため、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後に急冷すると熱処理による変形が大きくなる。そのため、本発明においては、熱処理による変形を抑制するために、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後の冷却を放冷又はガス冷却とすることが好ましい。その結果、非焼入れ部の表面については、フェライトとパーライトの２相組織で構成される。そして、非焼入れ部の表面は、浸炭処理又は浸炭窒化処理により高炭素化しており、さらにパーライトの量が多く、従来のＳ５３Ｃ材の場合よりも強度が高い。また、非焼入れ部の表面のみを高炭素化しているので、芯部の靱性が高い。

なお、表面の炭素の含有量が増加するに伴って、パーライトの量（面積率）が高まるとともに、硬化するので、非焼入れ部の表面硬さはＨｖ３００以上であることが好ましい。ただし、非焼入れ部の表面の炭素の含有量は、０．８質量％以下とすることが好ましい。０．８質量％を超えると、焼入れ硬化部の表面部分と同様に過共析の状態となり、粒界に網目状のセメンタイトが析出するからである。

本発明における合金鋼には、本発明の目的が達成される範囲であれば、炭素以外の合金成分が含有されていても差し支えない。例えば、ケイ素，マンガン，クロム，モリブデン等である。以下に、これらの合金成分の含有量について説明する。
〔ケイ素の含有量について〕
ケイ素（Ｓｉ）は、基地に固溶して転がり疲労寿命を向上させる作用を有する元素である。ただし、合金鋼中の含有量が０．５質量％を超えると、フェライト基地に溶け込んで変形抵抗を著しく増大させ、冷間加工性が低下するおそれがある。よって、ケイ素の含有量は０．５質量％以下であることが好ましい。

〔マンガンの含有量について〕
マンガン（Ｍｎ）は、製鋼時に脱酸剤として作用する元素であり、焼入れ性を向上させる働きを有している。ただし、マンガンはフェライト基地に固溶するので、合金鋼中の含有量が０．９質量％を超えると、冷間加工性が低下するおそれがある。よって、マンガンの含有量は０．９質量％以下であることが好ましい。

〔クロムの含有量について〕
クロム（Ｃｒ）は、炭化物を形成して硬さを向上させるとともに、合金鋼の焼入れ性を向上させる作用を有しているため、０．１質量％以上添加することが好ましい。ただし、クロムはフェライトを強化する作用も有しているので、合金鋼中の含有量が１．２質量％を超えると、冷間加工性が低下するおそれがある。よって、クロムの含有量は０．１質量％以上１．２質量％以下であることが好ましい。

〔モリブデンの含有量について〕
モリブデン（Ｍｏ）は、焼入れ性を向上させる作用を有する元素である。ただし、過剰に添加すると冷間加工性が低下するおそれがあるので、合金鋼中の含有量は０．２質量％以下とすることが好ましい。

本発明の車輪支持用転がり軸受装置は、優れた強度と加工性とを併せ持ち、損傷が生じにくく且つ軽量である。

本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図３は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造を示す断面図である。なお、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受装置を自動車等の車両に取り付けた状態において、車両の幅方向外側を向いた部分を外端側部分と称し、幅方向中央側を向いた部分を内端側部分と称する。すなわち、図３においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。

図３の車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２と、内輪３と、外輪４と、二列の転動体５，５と、転動体５を保持する保持器６，６と、を備えている。また、外輪４の内端側部分の内周面と内輪３の内端側部分の外周面との間、並びに、外輪４の外端側部分の内周面とハブ輪２の中間部の外周面との間には、それぞれシール装置７ａ，７ｂが設けられている。

さらに、ハブ輪２の外周面の外端側部分には、図示しない車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ１０が設けられている。そして、外輪４の外周面には、車輪取り付け用フランジ１０から離間する側の端部に、懸架装置取り付け用フランジ１３が設けられている。
ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい円筒部１１が形成されており、該円筒部１１に内輪３が圧入され、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されている。なお、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが、本発明の構成要件である内方部材に相当し、外輪４が本発明の構成要件である外方部材に相当する。

ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成されており、ハブ輪２の軌道面は第一内側軌道面２０ａ、内輪３の軌道面は第二内側軌道面２０ｂとされている。また、外輪４の内周面には、前記両内側軌道面２０ａ，２０ｂに対向する軌道面が形成されており、第一内側軌道面２０ａに対向する軌道面は第一外側軌道面２１ａ、第二内側軌道面２０ｂに対向する軌道面は第二外側軌道面２１ｂとされている。さらに、第一内側軌道面２０ａと第一外側軌道面２１ａとの間、及び、第二内側軌道面２０ｂと第二外側軌道面２１ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。なお、図示の例では、転動体として玉を使用しているが、車輪支持用転がり軸受装置１の用途等に応じて、ころを使用してもよい。

また、ハブ輪２の外周面のうち、円筒部１１の外端に形成された段差部１２の近傍から第一内側軌道面２０ａの近傍までの部分と、外輪４の内周面のうち、第一外側軌道面２１ａの近傍から第二外側軌道面２１ｂの近傍までの部分とには、高周波焼入れ等による焼入れ硬化部２２が形成されている。さらに、この焼入れ硬化部２２には、浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されており、表面部分の炭素の含有量が０．６質量％以上０．８質量％以下であり、表面硬さがビッカース硬さＨｖで６５０以上である。そして、最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量は、０．５質量％以上である。

ハブ輪２及び外輪４のうち焼入れ硬化部２２が形成されていない部分には焼入れは施されておらず、この非焼入れ部の表面はフェライト・パーライト組織を有し、表面硬さはビッカース硬さＨｖで２６０以上である。ただし、この非焼入れ部にも浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されており、非焼入れ部の表面の炭素の含有量が高められている（０．８質量％以下）。

そして、内輪３には浸炭処理又は浸炭窒化処理と焼入れと焼戻しとが施され、第二内側軌道面２０ｂには硬化層（図示せず）が形成されている。
このような車輪支持用転がり軸受装置１を自動車に組み付けるには、懸架装置取り付け用フランジ１３を懸架装置に固定し、車輪を車輪取り付け用フランジ１０に固定する。その結果、車輪支持用転がり軸受装置１によって車輪が懸架装置に対し回転自在に支持される。すなわち、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定されたものが回転輪となり、外輪４が固定輪となる。

この車輪支持用転がり軸受装置１においては、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、炭素の含有量が０．２質量％以上０．４５質量％以下である合金鋼で構成されている。そして、ハブ輪２，内輪３，及び外輪４は、上記のような合金鋼に焼鈍しを施した後、冷間加工を施すことにより成形されたものである。なお、前述した浸炭処理又は浸炭窒化処理は、冷間加工により成形した後に施される。

このような車輪支持用転がり軸受装置１は、ハブ輪２及び外輪４が優れた静的強度及び疲労強度を有しているので、フランジ１０，１３等に過大な荷重（モーメント荷重や衝撃荷重）が負荷されても変形や損傷（割れ等）が生じにくい。よって、肉厚を厚くすることにより強度向上を図る必要がないので、軽量である。また、合金鋼の加工性が優れているため、フランジ１０，１３を有するハブ輪２及び外輪４を容易に加工することができる。よって、車輪支持用転がり軸受装置１は、製造が容易である。

以下に、前述のハブ輪２の製造方法の一例を、図４を参照しながら説明する。まず、前述の合金鋼を熱間圧延により鋼板に成形した後、焼鈍しを施した。次に、この圧延鋼板を打ち抜いて得た円板状の素材（図４の（ａ）を参照）に、深絞りを施して椀型に成形した後（図４の（ｂ）を参照）、底部に貫通孔を形成した（図４の（ｃ）を参照）。そして、ハブ輪２の形状に成形した後（図４の（ｄ）を参照）、ピアッシングによりフランジにボルト孔を設けた（図４の（ｅ）を参照）。

前述の合金鋼は加工性に優れているので、このような加工度の高い成形も容易である。また、冷間鍛造で成形することにより、従来の熱間鍛造による成形よりも格段に精度良く成形できるため、旋削やドリルによる孔加工を省略することができる。よって、製造コストの低減が図られる。
こうして得られたハブ輪に、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施して放冷した後、軌道面を含む外周面に高周波焼入れ処理を施し、さらに研削を施して、ハブ輪２を完成した。内輪３及び外輪４もハブ輪２と同様に製造して、これらを組み立てれば、車輪支持用転がり軸受装置１が得られる。

〔実施例〕
以下に、実施例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
表２，３に示すような組成の合金鋼の冷間加工性を評価した。以下に、その評価方法について説明する。なお、表２，３には、合金鋼の硬さも示してある。

合金鋼を熱間圧延により鋼板に成形した後、焼鈍しを施した。そして、この圧延鋼板からプレス加工によりハブ輪を製造し、割れの発生の有無を目視により確認した。１００個のハブ輪を成形し、そのうち割れが発生した個数を評価した。評価結果を表４，５に示す。

次に、上記のようにしてプレス加工により製造したハブ輪に、８４０〜９３０℃で１〜８時間浸炭処理又は浸炭窒化処理を施した後に空冷し、さらに軌道面に高周波焼入れを施した。そして、研削を施した後に内輪，外輪，転動体と組み立てて、車輪支持用転がり軸受装置を作製した。このようにして得られた車輪支持用転がり軸受装置について、寿命試験及びフランジ強度試験を行った。

まず、寿命試験の方法について説明する。ハブ輪の外周面に設けられた車輪取り付け用フランジに、ラジアル荷重７０００Ｎ及びアキシアル荷重５０００Ｎを負荷し、３００ｍｉｎ^-1の回転速度で回転させた。そして、内輪の軌道面又は外輪の軌道面にフレーキングが生じるまでの総回転数により寿命を評価した。なお、フレーキングの発生は、ハブ輪及び外輪の振動を測定することにより検知した。

次に、フランジ強度試験の方法について説明する。ラジアル荷重及びアキシアル荷重を負荷した状態で、車輪支持用転がり軸受装置を４００ｍｉｎ^-1の回転速度で５０時間回転させた。ラジアル荷重は６０００Ｎに固定し、ラジアル荷重は５０００〜９６００Ｎの間で変更し、それぞれのラジアル荷重で５０時間回転させ、回転試験後にフランジの外側面の付け根にクラックが発生したラジアル荷重の最小値を、フランジの耐久荷重とした。

車輪支持用転がり軸受装置の寿命及びフランジの耐久荷重を、ハブ輪の表面（軌道面及び非焼入れ部の表面）の炭素の含有量、軌道面の表面硬さ、ハブ輪の軌道面の最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量、非焼入れ部（フランジ）の組織、及び、非焼入れ部（フランジ）の表面硬さとともに表４，５に示す。なお、寿命の数値は、ハブ輪を熱間鍛造で製造した従来の車輪支持用転がり軸受装置である比較例１３の寿命を１とした場合の相対値で示してあり、フランジの耐久荷重の数値は、Ｓ５３Ｃ材製のハブ輪を熱間鍛造で製造した従来の車輪支持用転がり軸受装置である比較例１４のフランジの耐久荷重を１とした場合の相対値で示してある。

比較例６〜１１は、合金鋼の組成が好ましい範囲から外れているため、素材の硬さがＨＲＢ８２を超え、冷間加工性が不十分であった。また、比較例１〜５及び比較例１２は、表面（軌道面の表面部分）の炭素の含有量，軌道面の表面硬さ，最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量，及び非焼入れ部（フランジ）の表面硬さのうちいずれかが好ましい範囲から外れているため、寿命又はフランジの耐久荷重が不十分であった。

これに対して実施例１〜１３は、冷間加工性に優れるとともに、寿命及びフランジの耐久荷重が優れていた。
これら実施例及び比較例において、ハブ輪の表面（軌道面の表面部分）の炭素の含有量と寿命との関係を図５のグラフに示し、軌道面の表面硬さと寿命との関係を図６のグラフに示す。両グラフから、軌道面の表面部分の炭素の含有量が０．６質量％以上、軌道面の表面硬さがＨｖ６５０以上であると、車輪支持用転がり軸受装置が長寿命であることが分かる。

また、これら実施例及び比較例において、ハブ輪の軌道面の最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量と寿命との関係を図７のグラフに示す。このグラフから、軌道面の最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量が０．５質量％以上であると、車輪支持用転がり軸受装置が長寿命であることが分かる。
さらに、これら実施例及び比較例において、ハブ輪の表面（フランジの表面）の炭素の含有量とフランジの耐久荷重との関係を図８のグラフに示し、フランジの表面硬さとフランジの耐久荷重との関係を図９のグラフに示す。図８のグラフから分かるように、フランジの表面の炭素の含有量が０．６質量％以上であると、従来の車輪支持用転がり軸受装置である比較例１４よりもフランジの耐久荷重が高かった。ただし、０．８質量％を超えると、浸炭処理又は浸炭窒化処理の後の冷却時に、旧オーステナイト粒界に沿ってセメンタイトが析出して粒界強度が低下するため、フランジの耐久荷重は低かった。よって、フランジの表面の炭素の含有量は、０．６質量％以上０．８質量％以下が好ましいことが分かる。

冷間加工を用いない従来の製造方法においては、低炭素鋼を熱間鍛造し、切削加工後に浸炭処理又は浸炭窒化処理を施し放冷するが、熱間鍛造の温度が１１５０〜１２００℃であるためオーステナイトが粗大化し、旧オーステナイト結晶粒が粗大なフェライト・パーライト組織となる。熱間鍛造の後に浸炭温度に保持すると、逆変態して再びオーステナイト結晶粒が形成されるが、熱間鍛造時の影響により粗大化しやすい傾向がある。よって、浸炭処理又は浸炭窒化処理して放冷した後の結晶粒度は、粗くなる傾向にある。

一方、本発明においては、浸炭処理又は浸炭窒化処理の前工程で、焼鈍し及び冷間加工が施され、加工歪が多量に蓄積されている。この状態で浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されると、加工により導入された転位を核として微細なオーステナイト結晶粒が形成され、その後の放冷によって、微細化したフェライト・パーライト組織となる。
結晶粒度が粗くなると靱性が低下するので、結晶粒度の影響を確認するため、以下のような試験を行った。すなわち、表６に示すような組成の合金鋼に、本発明のように焼鈍し処理の後に冷間加工を施し、さらに浸炭処理を施し放冷した場合（実施例２１，２２）と、従来の通り熱間鍛造し放冷した後に浸炭処理を施し放冷した場合（比較例２１，２２）とで、シャルピー衝撃値を比較した。なお、浸炭処理の条件は８５０℃、３時間である。シャルピー衝撃試験には、前記合金鋼からそれぞれの方法で製造したハブ輪のフランジから切り出して作製したＵノッチ付シャルピー試験片を用いた。なお、ノッチ深さは２ｍｍである。

表面の炭素の含有量及び結晶粒度とともに、シャルピー衝撃値を表６に示す。実施例２１，２２は、結晶粒度が大きく組織が微細化しているため、シャルピー衝撃値が比較例２１，２２よりも大きかった。したがって、本発明のように低炭素鋼を冷間加工した後、浸炭処理又は浸炭窒化処理を施し放冷するという製造方法を用いれば、車輪支持用転がり軸受装置の低コスト化が図れるばかりではなく、非焼入れ部の靱性も向上させることができる。

合金鋼の炭素の含有量と変形抵抗との関係を示すグラフである。 素材の硬さと変形抵抗との関係を示すグラフである。 本発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の一実施形態の構造を示す断面図である。 ハブ輪の製造方法を説明する図である。 ハブ輪の表面（軌道面の表面部分）の炭素の含有量と車輪支持用転がり軸受装置の寿命との関係を示すグラフである。 軌道面の表面硬さと車輪支持用転がり軸受装置の寿命との関係を示すグラフである。 ハブ輪の軌道面の最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量と車輪支持用転がり軸受装置の寿命との関係を示すグラフである。 フランジの表面の炭素の含有量とフランジの耐久荷重との関係を示すグラフである。 フランジの表面硬さとフランジの耐久荷重との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 車輪支持用転がり軸受装置
２ ハブ輪
３ 内輪
４ 外輪
５ 転動体
１０ 車輪取り付け用フランジ
１３ 懸架装置取り付け用フランジ
２０ａ 第一内側軌道面
２０ｂ 第二内側軌道面
２１ａ 第一外側軌道面
２１ｂ 第二外側軌道面
２２ 焼入れ硬化部

Claims (1)

1. 外周面に軌道面を有する内方部材と、前記内方部材の軌道面に対向する軌道面を有し前記内方部材の外方に配された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配された複数の転動体と、を備えるとともに、前記内方部材及び前記外方部材の一方が回転輪、他方が固定輪とされる車輪支持用転がり軸受装置において、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方が下記の５つの条件を満足することを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置。
   条件１：炭素の含有量が０．２質量％以上０．４５質量％以下である合金鋼で構成されている。
   条件２：焼鈍しが施された前記合金鋼に冷間加工を施すことにより成形され、さらに浸炭処理又は浸炭窒化処理が施されたものである。
   条件３：焼入れ硬化部と非焼入れ部とを備えており、前記焼入れ硬化部である前記軌道面は、表面部分の炭素の含有量が０．６質量％以上０．８質量％以下であり、表面硬さがビッカース硬さＨｖで６５０以上である。
   条件４：最大剪断応力深さ位置における炭素の含有量は、０．５質量％以上である。 条件５：前記非焼入れ部の表面はフェライト・パーライト組織を有し、表面硬さはビッカース硬さＨｖで２６０以上である。

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