JP2010014129A

JP2010014129A - ハブユニット軸受およびその製造方法

Info

Publication number: JP2010014129A
Application number: JP2008171840A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Komata; 弘樹小俣
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP5195089B2

Abstract

【課題】ハブユニット軸受の内側部材および外側部材の製造方法として、材料コストおよび生産コストの上昇を招くことなく、高周波焼入れ後の軌道面の表層部に存在する結晶粒を微細にすることができる方法を提供する。
【解決手段】内側部材（フランジおよびハブ付き内輪）１および外側部材（フランジ付き外輪）２を、Ｓ５３Ｃからなる素材を用い、熱間鍛造で所定形状に加工した後、軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂの表層部を高周波焼入れにより硬化させ、焼戻しを施した後、旋削、穿孔、研削等を行うことで製造する。この熱間鍛造で軌道面となる部分を成形する工程を以下の条件で行う。軌道溝の加工温度（Ｔ）が１１００℃以下となり、軌道溝に０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」が導入され、熱間鍛造パラメータＰ_F（＝Ｔ−１５０×ε_v）が１０００以下となるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪側部材を固定するフランジが、車軸を内嵌するハブに一体化され、前記ハブの外周面のフランジ側の端部に内輪軌道が形成され、前記外周面のフランジとは反対側の端部に凹周部が形成された内側部材と、車体側部材を固定するフランジが複列軌道の外輪に一体に形成された外側部材と、内輪軌道を有し、内周面が前記凹周部に外嵌されることで、前記内側部材に固定されている内輪と、転動体と、を備えたハブユニット軸受に関する。

近年、自動車の燃費を向上するために、軽量化を目的とした車輪支持用軸受のユニット化が進んでいる。
図１は、ユニット化された車輪支持用軸受（ハブユニット軸受）の一例を示す断面図である。このユニットは、内側部材１と、内輪１０と、外側部材２と、玉（転動体）３と、保持器４と、シール５とで構成され、玉３が転動する軌道を二列備えている。

内側部材１は、軌道溝１１ａを有する内輪１１、車軸を内嵌するハブ１２、および車輪側部材をボルト８で固定するフランジ１３が一体化されたものである。内輪１０は、軌道溝１０ａを有し、内側部材１のフランジ１３とは反対側の端部に設けた凹周部１４に外嵌され、ハブ１２の先端部１２ａをかしめることで固定されている。これらの軌道溝１１ａ，１０ａが二列の内輪軌道を成している。

外側部材２は、二列の軌道溝２１ａ，２１ｂを有する外輪２１と、車体の懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴２２ａが形成されたフランジ２２とが一体に形成されたものである。
このような複雑な形状を有する内側部材（フランジおよびハブ付き内輪）１および外側部材（フランジ付き外輪）２は、従来、０．５質量％程度の炭素を含有する中炭素鋼（Ｓ５３Ｃ等）からなる素材を用い、熱間鍛造で所定形状に加工した後、軌道溝（軌道面）の表層部を高周波焼入れにより硬化させ、焼戻しを施した後、旋削、穿孔、研削等を行うことで製造されている。

一方、内輪１０は、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼からなる素材を用い、旋削により所定形状に加工した後、ずぶ焼きおよび焼戻しを行うことで製造され、硬さは表面から芯部までＨＲＣ５４〜６４とされている。
このようなハブユニット軸受には、更なる軽量化が求められて、ハブの厚さを薄くする傾向にあり、使用時に軌道面に作用する剪断応力も大きくなってきている。そのため、ハブとして必要な強度を確保し、転動寿命の低下を回避することが課題となっている。

この課題を解決するためには、高周波焼入れ後の軌道面の表層部に存在する結晶粒を微細にすることが有効である。その方法としては、(1) 高周波焼入れ前の軌道面の表層部の組織を微細にする方法、(2) 焼入れ条件を工夫する方法、(3) 微細化に有効な元素（ＮｂやＶ等）が添加された鋼を使用する方法がある。
下記の特許文献１には、(1) の方法として、シリコン（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）を多く含み、モリブデン（Ｍｏ）も添加された鋼を用いることで、高周波焼入れ前の軌道面の表層部の組織を部分的にベイナイト組織とすることが記載されている。また、(2) の方法として、高周波焼入れを２回以上繰り返すことでオーステナイト結晶粒径を１２μｍ以下にすることが記載されている。

下記の特許文献２には、(2) の方法として、Ａ₁変態点を超える温度で浸炭窒化を行った後に、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その後、Ａ₁変態点以上であって浸炭窒化処理時の温度より低い温度まで再加熱して焼入れを行うことが記載されている。これにより、旧オーステナイト粒径を小さく、粒度番号で１０以上にすることができると記載されている。
特開２００５−６０７２９号公報特開２００４−２５７５５６号公報

しかしながら、特許文献１の、鋼のシリコン（Ｓｉ）とマンガン（Ｍｎ）の含有量を多くして鋼にモリブデン（Ｍｏ）も添加する方法では、材料コストが上昇し、部分的にベイナイト組織とすることで割れが生じる可能性もある。また、高周波焼入れを２回以上繰り返す方法では、生産コストが上昇する。
また、特許文献２の方法では、熱処理工程数が増えるため生産コストが上昇する。さらに、(3) の方法では、高価な合金元素が必要となるため材料コストが上昇する。
本発明の課題は、ハブユニット軸受の内側部材および外側部材の製造方法として、材料コストおよび生産コストの上昇を招くことなく、高周波焼入れ後の軌道面の表層部に存在する結晶粒を微細にすることができる方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、車輪側部材を固定するフランジが、車軸を内嵌するハブに一体化され、前記ハブの外周面のフランジ側の端部に内輪軌道が形成され、前記外周面のフランジとは反対側の端部に凹周部が形成された内側部材と、車体側部材を固定するフランジが複列軌道の外輪に一体に形成された外側部材と、内輪軌道を有し、内周面が前記凹周部に外嵌されることで、前記内側部材に固定されている内輪と、転動体と、を備えたハブユニット軸受の前記内側部材および外側部材の製造方法であって、合金鋼からなる素材を、熱間鍛造により所定形状に成形する工程と、その後に行う軌道面に対する高周波焼入れ工程とを備え、熱間鍛造で軌道面となる部分を成形する工程を、軌道面が１１００℃以下の温度で加工され、軌道面に０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」が導入され、軌道面の加工温度（Ｔ）と導入される「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」の値（ε_v）とにより下記の（１）式で定義された熱間鍛造パラメータＰ_Fが１０００以下となる条件で行うハブユニット軸受の製造方法を提供する。
Ｐ_F＝Ｔ−１５０×ε_v‥‥（１）

軌道面に０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」を導入することは、主として軌道面を成形する工程とその前工程の中間形状から、軌道面に導入される「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」をＦＥＭ（有限要素法）により計算し、その値が０．３以上１．５以下となるように、中間形状（すなわち、金型形状）を工夫することにより達成される。
本発明の方法は前記(1) の方法に基づくものであり、熱間鍛造で形成されるフェライト−パーライト組織は、熱間鍛造時に再結晶が生じて形成されるが、加工温度を低くするほど、導入する歪量を大きくするほど、組織を微細に（微細な結晶粒からなる組織に）することができる。

そして、本発明の方法によれば、熱間鍛造で軌道面となる部分を成形する工程を前記条件で行うことで、前記内側部材および外側部材の軌道面を、表面から深さ０．１ｍｍの位置（焼入れ後の組織）に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号８以上であり、表面から高周波焼入れで形成された硬化層の下面よりさらに０．５ｍｍ深い位置（熱間鍛造の後で焼入れ前の組織）に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号６以上とすることができる。
このように、本発明の方法によれば、高周波焼入れ後の軌道面の表層部に存在する結晶粒が微細になるため、ハブユニット軸受に更なる軽量化が求められた場合でも、前記内側部材および外側部材として必要な強度を確保し、転動寿命を長くすることができる。

本発明の方法によれば、熱間鍛造で軌道面となる部分を成形する工程の条件を特定することで、材料コストおよび生産コストの上昇を招くことなく、高周波焼入れ後の軌道面の表層部に存在する結晶粒を微細にすることができる。したがって、ハブユニット軸受に更なる軽量化が求められた場合でも、本発明の方法を採用することで、材料コストおよび生産コストの上昇を招くことなく、前記内側部材および外側部材として必要な強度を確保し、ハブユニット軸受の転動寿命を長くすることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、ユニット化された車輪支持用軸受（ハブユニット軸受）の一例を示す断面図である。このユニットは、内側部材１と、内輪１０と、外側部材２と、玉（転動体）３と、保持器４と、シール５とで構成され、玉３が転動する軌道を二列備えている。
内側部材１は、軌道溝１１ａを有する内輪１１、車軸を内嵌するハブ１２、および車輪側部材をボルト８で固定するフランジ１３が一体化されたものである。内輪１０は、軌道溝１０ａを有し、内側部材１のフランジ１３とは反対側の端部に設けた凹周部１４に外嵌され、ハブ１２の先端部１２ａをかしめることで固定されている。これらの軌道溝１１ａ，１０ａが二列の内輪軌道を成している。

外側部材２は、二列の軌道溝２１ａ，２１ｂを有する外輪２１と、車体の懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴２２ａが形成されたフランジ２２とが一体に形成されたものである。
この内側部材（フランジおよびハブ付き内輪）１および外側部材（フランジ付き外輪）２を、Ｓ５３Ｃからなる素材を用い、熱間鍛造で所定形状に加工した後、軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂの表層部を高周波焼入れにより硬化させ、焼戻しを施した後、旋削、穿孔、研削等を行うことで製造する。この熱間鍛造条件を以下の条件で行う。

軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂの加工温度を１１００℃以下とし、軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂに０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」が導入され、軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂの加工温度（Ｔ）と導入される「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」の値（ε_v）とにより、下記の（１）式で定義された熱間鍛造パラメータＰ_Fが１０００以下となるようにする。
Ｐ_F＝Ｔ−１５０×ε_v‥‥（１）

この条件で熱間鍛造を行うことにより、内側部材１および外側部材２の軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂを、表面から深さ０．１ｍｍの位置（焼入れ後の組織）に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号８以上であり、表面から高周波焼入れで形成された硬化層の下面よりさらに０．５ｍｍ深い位置（熱間鍛造の後で焼入れ前の組織）に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号６以上とすることができる。
このように、高周波焼入れ後の内側部材１および外側部材２の軌道溝（軌道面）１１ａ，２１ａ，２１ｂの表層部に存在する結晶粒が微細になるため、ハブユニット軸受に更なる軽量化が求められた場合でも、材料コストおよび生産コストの上昇を招くことなく、内側部材１および外側部材２として必要な強度を確保し、転動寿命を長くすることができる。

なお、前記硬化層の厚さ（表面からの深さ）は、厚（深）過ぎると割れが生じたり、残留応力が過度に発生したりし、薄（浅）過ぎると寿命延長効果が得られなくなるため、１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下に形成する。また、使用時に最大剪断応力がかかる位置は前記硬化層の表面から０．２ｍｍ以下の位置であるため、表面から深さ０．１ｍｍの位置のオーステナイト結晶粒度番号を特定する。

先ず、図２に示す転動寿命試験装置の試験片Ａを以下の方法で作製した。この試験装置は、試験片Ａを潤滑油６１の入った容器６の底に置き、その上に、保持器７１に保持された玉（転動体）７を置き、その上に、下面に軌道溝８１が形成された内輪８２を置き、内輪８２に固定された軸９を回転させるものである。この試験装置には、容器６の下面に窪み６２が設けてあり、この窪み６２に玉９１を配置して、下側からアキシアル荷重をかけている。

Ｓ５３Ｃ製で、直径５５ｍｍで高さ（軸方向寸法）６０ｍｍの円柱状の素材を１２００℃に加熱した後、下記の表１に示す条件で熱間鍛造（据え込み）を行った後、機械加工により直径５５ｍｍで厚さ（軸方向寸法）６ｍｍの円板状の中間試験片を切り出した。なお、熱間鍛造時のラムスピードを調整することで、表１に示す各値で「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」を導入した。また、熱間鍛造時に、中間試験片の平板面（軌道面に対応する面）の温度（加工温度：Ｔ）を放射温度計を用いて測定した。また、中間試験片の平板面に導入された「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」の量を有限要素法を用いて求めた。

得られた中間試験片の平板面（軌道面に対応する面）に対して、表面温度が８５０〜９５０℃となり、硬化層の厚さが３．０ｍｍとなるように出力、周波数、加熱時間を調整して、高周波焼入れを行った。次に、この中間試験片を１５０℃〜１７０℃で１時間炉加熱することで焼戻しを行った。次に、この中間試験片を研削し、さらに超仕上げを行って平板面の表面硬さが７００Ｈｖとなるようにした。

このようにして、熱間鍛造の条件が異なるNo. １〜１３の平板状の試験片Ａを得、その平板面（軌道面に対応する面）について、使用時に最大剪断応力がかかる位置である表面から０．１ｍｍの深さ位置（焼入れ後の組織）と、表面から３．５ｍｍの深さ位置（焼入れ硬化層＋０．５ｍｍの位置、熱間鍛造後で焼入れ前の組織）でオーステナイト粒径を測定し、「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号を調べた。その結果も下記の表１に併せて示す。

また、サンプルNo. １〜１３でそれぞれ１０個の試験片Ａを用意し、図２に示す転動寿命試験装置にかけて、潤滑油：ＩＳＯＶＧ６８、アキシアル荷重：８９２０Ｎ、回転速度：１０００ｍｉｎ^-1の条件で回転させて、Ｌ₁₀寿命を求めた。そして、各サンプルのＬ₁₀寿命をNo. １２のＬ₁₀寿命で除算することで、No. １２のＬ₁₀寿命を１とした寿命比を算出した。この結果も下記の表１に併せて示す。また、この寿命比と、表面から０．１ｍｍの深さ位置でのオーステナイト結晶粒度番号との関係を、図３にグラフで示す。

この結果から、軌道面（試験片の平板面）の加工温度（Ｔ）を１１００℃以下とし、軌道面（試験片の平板面）に０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」が導入され、熱間鍛造パラメータＰ_F（＝Ｔ−１５０×ε_v）が１０００以下である条件で熱間鍛造されたNo. １〜９のサンプルは、オーステナイト粒度番号が深さ３．５ｍｍ位置で６．０以上となり、深さ０．１ｍｍ位置で８．０以上となり、Ｌ₁₀寿命もNo. １２の２．５倍以上であった。

これに対して、熱間鍛造時の軌道面の加工温度（Ｔ）を１１００℃より高い１１５０℃としたNo. １０は、「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」の導入量を１．５としても、オーステナイト粒度番号が深さ３．５ｍｍ位置で６．０未満、深さ０．１ｍｍ位置で８．０未満となり、No. １〜９と比較してＬ₁₀寿命が短かった。
No. １１では熱間鍛造パラメータＰ_Fを１０００より大きくしたことで、No. １２とNo. １３では「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」の導入量を０．３未満としたことで、オーステナイト粒度番号が深さ３．５ｍｍ位置で６．０未満、深さ０．１ｍｍ位置で８．０未満となり、No. １〜９と比較してＬ₁₀寿命が短かった。
なお、「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」の導入量が１．５より多いと、熱間鍛造時に発熱が生じて、却って結晶粒が大きくなる場合があるため、「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪（ε_v）」の導入量の上限値を１．５とした。

深さ３．５ｍｍ位置でのオーステナイト粒度番号が１０の場合と１１の場合とを比較すると、１０を超えるようにしても寿命の延長効果は飽和している。また、図３のグラフから、深さ０．１ｍｍ位置でのオーステナイト粒度番号が１１の場合と１１より大きい場合とを比較すると、１１を超えるようにしても寿命の延長効果は飽和している。また、深さ０．１ｍｍ位置でのオーステナイト粒度番号が１１．５であるNo. ９では、熱間鍛造時の軌道面の加工温度（Ｔ）を８００℃としているが、低温で熱間鍛造を行うと、変形抵抗が増大して金型に対する負荷が大きくなる。
したがって、金型コストや生産性を考慮して、熱間鍛造時の軌道面の加工温度（Ｔ）は８５０℃以上、深さ３．５ｍｍ位置（焼入れ硬化層＋０．５ｍｍの位置、熱間鍛造後で焼入れ前の組織）でのオーステナイト粒度番号は１０以下、深さ０．１ｍｍ位置（焼入れ後の組織）でのオーステナイト粒度番号は１１以下とすることが好ましい。

実施形態で作製したハブユニット軸受を示す断面図である。実施例で行った転動寿命試験で使用した装置を示す図である。実施例で行った転動寿命試験の結果を、寿命比と、表面から０．１ｍｍの深さ位置でのオーステナイト結晶粒度番号との関係で示すグラフである。

符号の説明

１内側部材
１０フランジが一体化されていない内輪
１０ａ内輪軌道
１１ハブと一体の内輪
１１ａ内輪軌道
１２ハブ
１２ａハブの先端部
１３フランジ
１３ａフランジのボルト穴
１４内輪を嵌める凹周部
２外側部材
２１外輪
２１ａ軌道溝
２１ｂ軌道溝
２２ａ懸架装置（車体側部材）を固定するボルト穴
２２フランジ
３玉（転動体）
４保持器
５シール
８車輪側部材を固定するボルト
Ａ試験片
６容器
６１潤滑油
６２窪み
７１保持器
７玉（転動体）
８１軌道溝
８２内輪
９軸
９１玉

Claims

車輪側部材を固定するフランジが、車軸を内嵌するハブに一体化され、前記ハブの外周面のフランジ側の端部に内輪軌道が形成され、前記外周面のフランジとは反対側の端部に凹周部が形成された内側部材と、
車体側部材を固定するフランジが複列軌道の外輪に一体に形成された外側部材と、
内輪軌道を有し、内周面が前記凹周部に外嵌されることで、前記内側部材に固定されている内輪と、
転動体と、
を備えたハブユニット軸受の前記内側部材および外側部材の製造方法であって、
合金鋼からなる素材を、熱間鍛造により所定形状に成形する工程と、その後に行う軌道面に対する高周波焼入れ工程とを備え、
熱間鍛造で軌道面となる部分を成形する工程を、軌道面が１１００℃以下の温度で加工され、軌道面に０．３以上１．５以下の「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」が導入され、軌道面の加工温度（Ｔ）と導入される「ｖｏｎＭｉｓｅｓ歪」の値（ε_v）とにより下記の（１）式で定義された熱間鍛造パラメータＰ_Fが１０００以下となる条件で行うハブユニット軸受の製造方法。
Ｐ_F＝Ｔ−１５０×ε_v‥‥（１）
請求項１記載の方法で製造され、前記内側部材および外側部材の軌道面は、表面から深さ０．１ｍｍの位置に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号８以上であり、表面から高周波焼入れで形成された硬化層の下面よりさらに０．５ｍｍ深い位置に存在するオーステナイト粒が「ＪＩＳＧ０５５１」で規定されたオーステナイト結晶粒度番号６以上であるハブユニット軸受。