(57)【要約】【課題】  潤滑油に水が混入される環境下で使用しても、長寿命の車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。【解決手段】  車輪支持用転がり軸受ユニットの外輪３を鋼製とし、その外輪軌道面３ａ，３ｂの旧オーステナイト結晶の平均粒径を３０μｍ以下とするとともに、旧オーステナイト結晶の最大粒径の最小粒径に対する比（Ｄmax ／Ｄmin ）を２．０以下とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に内輪軌道面が形成されたハブ輪と、このハブ輪の端部に外嵌され且つその外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備えた車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、
前記ハブ輪、前記内輪、及び前記外輪のうち少なくとも固定側となる軌道輪は鋼製であり、
その軌道面は、旧オーステナイト結晶の平均粒径が３０μｍ以下となっているとともに、前記旧オーステナイト結晶の最大粒径をＤmax とし、最小粒径をＤmin とした場合に、Ｄmax ／Ｄmin の値が２．０以下となっていることを特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車輪支持用転がり軸受ユニットは、路面の雨水や泥水の影響で軸受内部に水が侵入し易い環境下で使用される。このため、車輪支持用転がり軸受ユニットには、ハブシールや蓋体等により、軸受内部への水の侵入を防止する対策が施されている。
ここで、軸受内部に水が侵入すると、潤滑油に水が混入されて、転がり面で水素を発生させる。転がり面で生じた水素は、軸受部材内部に侵入して、軸受部材をなす鋼の旧オーステナイト結晶粒界や鋼中に存在する酸化物系介在物の周囲に集積する。その結果、旧オーステナイト結晶粒界や酸化物系介在物を応力集中源とする亀裂が発生・進展して早期剥離が生じるため、転がり疲れ寿命が短くなる。
【０００３】
非特許文献１には、潤滑油に６％の水が混入すると、水が混入されていない時と比べて、転がり疲れ寿命が数分の１から２０分の１程度に短くなることが記載されている。
また、非特許文献２には、水の混入量が１００ｐｐｍ程度と微量であっても、転がり疲れ強さが３２〜４８％程度に低下することが記載されている。
このため、鋼中の酸化物系介在物を減少させて、亀裂の発生・進展を抑制することにより、転がり疲れ寿命を長くする手段が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、少なくとも固定側軌道輪を構成する鋼からなる素材の酸素濃度を、１２ｐｐｍ以下とすることが提案されている。
特許文献２には、少なくとも固定側軌道輪の軌道面上に、平均直径が１００μｍ超過の酸化物系非金属介在物が存在しないようにすることが提案されている。
【特許文献１】特開２０００−８７９７４号公報
【特許文献２】特開２０００−１１０８４１号公報
【非特許文献１】古村，城田，平川著，「表面起点及び内部起点の転がり疲れについて」，ＮＳＫ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｎｏ．６３６，１９７７年，ｐ１〜１０
【非特許文献２】Ｐ．Ｓｃｈａｔｚｂｅｒｇ，Ｉ．Ｍ．Ｆｅｌｓｅｎ著「Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ａｎｄ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｕｒｉｎｇ  Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ」，Ｗｅａｒ  Ｎｏ．１２，１９６８年，ｐ３３〜ｐ３４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１及び２に記載の手段においては、潤滑油に水が混入される環境下でも長寿命を得るという点で、さらなる改善の余地があった。
本発明は、潤滑油に水が混入される環境下で使用しても、長寿命の車輪支持用転がり軸受ユニットを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような課題を解決するために、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、潤滑油に水が混入される環境下で生じる早期剥離は、上述した酸化物系介在物が応力集中源となって生じるだけでなく、素材をなす鋼に含有される合金元素の偏析が応力集中源となって生じていることを発見した。しかしながら、合金元素の偏析を定量的に評価することは困難であるため、本発明者は、偏析と旧オーステナイト結晶粒径との関係に着目したところ、焼入れ後の金属組織において、偏析が生じている領域では、固溶している合金元素のピン止め効果により旧オーステナイト結晶粒径が小さく、偏析が生じていない領域では、上記ピン止め効果が得られないため、旧オーステナイト結晶粒径が大きくなっていることを見出した。よって、本発明者は、焼入れ後の金属組織における偏析の度合いを、旧オーステナイト結晶粒径の最大粒径の最小粒径に対する比で特定することにより、偏析を応力集中源とする早期剥離を抑制できることを見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
すなわち、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、外周面に内輪軌道面が形成されたハブ輪と、このハブ輪の端部に外嵌され且つその外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブ輪の内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記内輪軌道面及び前記外輪軌道面間に転動自在に配設された複数の転動体と、を備えた車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記ハブ輪、前記内輪、及び前記外輪のうち少なくとも固定側となる軌道輪は鋼製であり、その軌道面は、旧オーステナイト結晶の平均粒径が３０μｍ以下となっているともに、前記旧オーステナイト結晶の最大粒径をＤmax とし、最小粒径をＤmin とした場合に、Ｄmax ／Ｄmin の値が２．０以下となっていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、ハブ輪、内輪、及び外輪のうち少なくとも固定側となる軌道輪を鋼製とし、その軌道面の旧オーステナイト結晶の平均粒径を３０μｍ以下とするとともに、その軌道面の旧オーステナイト結晶の最大粒径をＤmax とし、最小粒径をＤmin とした場合に、Ｄmax ／Ｄmin の値が２．０以下となるようにしたことにより、応力集中源となる合金元素の偏析が少なくなるため、偏析を応力集中源とする早期剥離が抑制される。よって、この車輪支持用転がり軸受は、潤滑油に水が混入される環境下で使用した場合でも、長寿命を得ることができる。
ここで、Ｄmax ／Ｄmin の値が２．０超過であると、合金元素の偏析が多くなるため、偏析を応力集中源とする早期剥離が生じ易くなる。
【０００９】
また、旧オーステナイト結晶の平均粒径が３．０μｍ超過であると、合金元素の偏析が少なくなっていても、旧オーステナイト結晶粒界への応力集中が生じ易くなる。
なお、本発明において「旧オーステナイト結晶粒」とは、焼入れによってマルテンサイト組織になる前のオーステナイト組織粒の平均値を指す。この旧オーステナイト結晶は、焼入れ及び焼戻し処理後のマルテンサイト組織を腐食させることで現出する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、少なくとも固定側となる軌道輪を鋼製とし、その軌道面の旧オーステナイト結晶の平均粒径と、旧オーステナイト結晶の最大粒径の最小粒径に対する比を特定したことにより、素材をなす鋼中に含まれる合金元素の偏析を応力集中源とする早期剥離を抑制できる。よって、車輪支持用転がり軸受ユニットを潤滑油に水が混入される環境下で使用した場合でも、長寿命を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一例を示す断面図である。
この車輪支持用転がり軸受ユニットは、図１に示すように、ハブ輪１と、内輪２と、外輪（固定側となる軌道輪）３と、複数の玉（転動体）４と、から構成されている。本実施形態では、ハブ輪１及び外輪３をＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定された機械構造用炭素鋼鋼材であるＳ５３Ｃ製とし、内輪２及び玉４をＪＩＳ  Ｇ  ４８０５に規定された高炭素クロム軸受鋼鋼材であるＳＵＪ２製とした。
【００１２】
ハブ輪１のアウトボード側（自動車への組み付け状態で車幅方向外側の端部であり、図１では左端部を指す）には、パイロット部１１と車輪取付用フランジ１２が設けられている。この車輪取付用フランジ１２は、ハブ輪１の外周面に設けられており、その側面には、図示しない車輪やブレーキロータ（制動用回転体）を取付るためのハブボルト６が周方向に略等間隔で複数設けられている。そして、このハブボルト６によって、車輪取付用フランジ１２のアウトボード側の側面に、車輪やブレーキロータが取り付けられる。
【００１３】
一方、ハブ輪１のインボード側（自動車への組み付け状態で車幅方向内側の端部であり、図１では右端部を指す）には、小径段部１３が形成されている。この小径段部１３には、内輪２が嵌合しており、この内輪２の外周面とハブ輪１の軸方向の中間部外周面には、それぞれ内輪軌道面１ａ，２ａが形成されている。また、ハブ輪１のインボード側の先端は円筒状に形成されており、この円筒部を径方向外方にかしめ拡げることにより、ハブ輪１の小径段部１３に嵌合する内輪２が所定位置に固定されている。
【００１４】
外輪３の内周面には、ハブ輪１及び内輪２に形成された内輪軌道面１ａ，２ａに対応する外輪軌道面３ａ，３ｂが形成されている。また、ハブ輪１の車輪取付用フランジ１１から離間する側の外輪３の端部には、懸架装置取付用フランジ３１が設けられている。
外輪３の外輪軌道面１０ａから外輪軌道面１０ｂに至るまでの領域には、表面硬さがＨＲＣ５８以上の高周焼入れ硬化層７が形成されている。この硬化層７が形成された外輪軌道面３ａ，３ｂは、旧オーステナイト結晶の平均粒径が３０μｍ以下で、旧オーステナイト結晶の最大粒径の最小粒径に対する比（以下、「Ｄmax ／Ｄmin 」と記す。）が２．０以下となっている。
【００１５】
ハブ輪１及び内輪２に形成された内輪軌道面１ａ，２ａと、外輪３に形成された複列の外輪軌道面３ａ，３ｂとの間には、複数の玉（転動体）４が保持器５を介して転動可能に配設されている。
このような構成の車輪支持用転がり軸受ユニットは、固定側となる外輪３の懸架装置取付用フランジ３１を図示しない懸架装置に固定し、回転側となるハブ輪１の車輪取付用フランジ１２に、ハブボルト６を介して、図示しないブレーキロータ等の制動用回転体と車輪を固定することで、車輪を懸架装置に対して回転自在に支持することができる。
【００１６】
本実施形態の車輪支持用転がり軸受ユニットによれば、特に、応力が集中し易い固定側の軌道輪となる外輪３を鋼製とし、その外輪軌道面３ａ，３ｂの旧オーステナイト結晶の平均粒径と、Ｄmax ／Ｄmin とを特定したことにより、素材をなす鋼中に含まれる偏析が少なくなるため、この偏析を応力集中源とする早期剥離を抑制できる。よって、この車輪支持用転がり軸受ユニットを潤滑油に水が混入される環境下で使用した場合でも、転がり疲れ寿命を長くできる。
【実施例】
【００１７】
次に、本発明の効果を、以下に示す実施例および比較例に基づいて検証した。
まず、スラスト軸受用の外輪を、以下に示す手順で作製した。具体的には、まず、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定された機械構造用炭素鋼鋼材（Ｓ５３Ｃ）に、１１００〜１２５０℃で２〜１０時間保持するソーキング（均熱）処理を施した。次に、スラスト軸受用外輪の形状に加工した後、放冷した。次に、外輪の軌道面に、高周波焼入れ処理を施した後、焼戻し処理を施した。次に、研削加工及び超仕上げ加工を施した。
このようにして得られた外輪において、軌道面の旧オーステナイト結晶の平均粒径と、旧オーステナイト結晶の最大粒径の最小粒径に対する比（以下、「Ｄmax ／Ｄmin 」と記す。）とを、以下のようにして測定した。
【００１８】
まず、外輪軌道面の表面をエッチングして旧オーステナイト結晶粒界を現出させた後、金属顕微鏡により５００〜１０００倍に拡大して、偏析が生じている領域の写真と、偏析が生じていない領域の写真とを複数視野ずつ撮影した。次に、これらの写真を用いて、旧オーステナイト結晶の粒径を測定した。そして、偏析が生じている領域での最小の旧オーステナイト結晶粒径を最小粒径Ｄmin とし、偏析が生じていない領域での最大の旧オーステナイト結晶粒径を最大粒径Ｄmax として、Ｄmax ／Ｄmin の値の平均値を算出した。また、全ての視野の写真から旧オーステナイト結晶粒径の平均値を算出し、これを平均粒径とした。
【００１９】
そして、表１に示すように、旧オーステナイト結晶の平均粒径とＤmax ／Ｄmin とがそれぞれ異なるＮｏ．１〜Ｎｏ．１７の外輪と、ＳＵＪ２製の内輪及び玉とを用いて、日本精工株式会社製の呼び番号５１３０５のスラスト玉軸受（外径：５２ｍｍ，内径：２５ｍｍ、軸方向高さ：１８ｍｍ）を作製した。
次に、このスラスト玉軸受を潤滑油に水が混入される環境下で使用することを想定して、以下の条件で寿命試験を行った。この寿命試験は、外輪に剥離が生じるまでスラスト軸受の運転を行い、剥離が生じるまでの累積応力繰り返し回転数を寿命とした。
【００２０】
この結果は、各スラスト軸受において、ワイブル分布関数に基づくＬ10寿命を計算し、このスラスト軸受の計算寿命を１とした時の比として、表１に併せて示した。また、この結果に基づいて、外輪軌道面の旧オーステナイト結晶のＤmax ／Ｄmin と、スラスト軸受の寿命との関係を示す図２のグラフを作成した。
＜寿命試験条件＞
アキシャル荷重：６４２４Ｎ（６５５ｋｇｆ）
回転速度：１０００ｍｉｎ-1
潤滑油：ＶＧ１０（ＪＩＳ  Ｋ  ２２３９に規定された軸受油）
潤滑油中への水の混入量：潤滑油全体に対して５％
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１及び図２に示すように、本発明例であるＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の外輪を備えたスラスト軸受では、比較例であるＮｏ．１１〜Ｎｏ．１７の外輪を備えたスラスト軸受と比較して寿命が長く、計算寿命の１．２倍以上の寿命が得られた。
一方、Ｎｏ．１１〜Ｎｏ．１４では、外輪軌道面の旧オーステナイト結晶のＤmax ／Ｄmin が本発明範囲外であったため、偏析が応力集中源となって早期剥離が生じ、短寿命であった。
また、Ｎｏ．１５〜Ｎｏ．１７では、外輪軌道面の旧オーステナイト結晶の平均粒径が本発明の範囲外であったため、旧オーステナイト結晶粒界が応力集中源となって早期剥離が生じ、短寿命であった。
【００２３】
すなわち、上述した車輪支持用転がり軸受ユニットの外輪３を本発明の構成（外輪軌道面の旧オーステナイト結晶の平均粒径及びＤmax ／Ｄmin ）とすることにより、潤滑油に水が混入される環境下で使用した場合でも、車輪支持用転がり軸受ユニットの寿命を長くできることが分かった。
なお、本実施形態では、外輪軌道面の旧オーステナイト結晶の最大粒径の最小粒径に対する比を調節するための手段として、均熱処理（ソーキング）を施したが、これに限らず、鍛練処理を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一例を示す断面図である。
【図２】外輪軌道面の旧オーステナイト結晶のＤmax ／Ｄmin と、寿命との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１        ハブ輪
２        内輪
３        外輪（固定側の軌道輪）
４        玉（転動体）
５        保持器
６        ハブボルト
１１        パイロット部
１２        車輪取付用フランジ
３１        懸架装置取付用フランジ
【図１】
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【図２】
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