(57)【要約】軌道輪と、セメンタイトの層状組織を有するパーライトを有する炭素鋼からなりかつ前記軌道輪にかしめられた端部を有する軸体とを含み、前記軸体の少なくとも前記端部における前記パーライト中のセメンタイトの層間隔を大きくした軸受装置。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道輪と、
セメンタイトの層状組織を有するパーライトを有する炭素鋼からなりかつ前記軌道輪にかしめられた端部を有する軸体と、
を含み、
前記軸体の少なくとも前記端部における前記パーライト中のセメンタイトの層間隔を大きくした軸受装置。
【請求項２】
前記軸体の少なくとも前記端部は、セメンタイトの層間隔の平均値が、０．１５μｍ以上０．４μｍ以下の範囲を有する請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
前記セメンタイトの層間隔の平均値が０．１５μｍ以上０．３５μｍ以下の範囲でかつ前記軸体の端部が１５ＨＲＣ以上の硬さを有する請求項２に記載の軸受装置。
【請求項４】
前記炭素鋼として、炭素含有率が０．３７％以上０．６５％以下の機械構造用炭素鋼鋼材が選択されている請求項１に記載の軸受装置。
【請求項５】
前記炭素鋼が、ＪＩＳ規格におけるＳ５５Ｃである請求項４に記載の軸受装置。
【請求項６】
軌道輪にかしめられる端部を有する軸体を熱間鍛造により形成する鍛造工程と、
前記軸体を冷却する冷却工程と、
を含み、
前記冷却工程において少なくとも前記端部の冷却速度を調整することにより前記パーライト中に層状に存在するセメンタイトの層間隔を調整する軸受装置の製造方法。
【請求項７】
前記冷却工程において少なくとも前記端部は高周波加熱されることにより冷却速度が調整され前記パーライト中に層状に存在するセメンタイトの層間隔が調整される請求項６に記載の軸受装置の製造方法。
【請求項８】
前記冷却工程において少なくとも前記端部は高周波加熱され一時的に７５０℃以上に保たれることにより冷却速度を調整される請求項６に記載の軸受装置の製造方法。
【請求項９】
軌道輪にかしめられる端部を有する軸体を熱間鍛造により形成する鍛造工程と、
前記軸体を冷却する冷却工程と、
を含み、
前記冷却工程において少なくとも前記端部の冷却速度を調整することにより前記軸体の前記パーライト中に層状に存在するセメンタイトの層間隔を調整し前記端部を前記軌道輪にかしめるときに前記端部に亀裂が生じることを抑制する軸受装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば車両の車軸等に好適に用いられる転がり軸受装置およびその製造方法に関する。
背景技術
車軸用の転がり軸受装置は、一般に、車体側に取付けられる外輪部材と、この外輪部材に複列の転動体を介して軸心回りに回転自在に支持される内輪部材とを有する。この内輪部材は、車輪が取付けられるハブ軸と、このハブ軸の端部に嵌着される環状の内輪軌道体とから構成される。ハブ軸は、その端部を径方向外向きに拡径されて内輪軌道体の端面にかしめつけられ、これによって、内輪軌道体に一体回転可能に取付けられる。このようなハブ軸は、一般に、炭素鋼などの鋼材から作られる。このような鋼材は、パーライトと初析フェライトとの混合組織からなる。
ハブ軸の端部を内輪軌道体の端面にかしめる際に、そのかしめ部分に微小な亀裂が発生していることがある。
本発明は、上記混合組織からなる鋼材を用いる軸受装置において、前記かしめに際して微小亀裂が発生しない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。
発明の開示
本発明の軸受装置は、軌道輪と、セメンタイトの層状組織を有するパーライトを有する炭素鋼からなりかつ前記軌道輪にかしめられた端部を有する軸体とを含み、前記軸体の少なくとも前記端部における前記パーライト中のセメンタイトの層間隔を大きくした装置である。
好ましくは、前記軸体の少なくとも端部は、セメンタイトの層間隔の平均値が、０．１５μｍ以上０．４μｍ以下の範囲を有している。本発明者は、前記微小な亀裂の発生原因は、そのパーライト中のセメンタイトの存在が影響していることを知見し、これに基づいてセメンタイトの層間隔の平均値を上記に設定した。このような構成によれば、軸体の端部を軌道輪に対してかしめた際に、その端部に対する微小亀裂の発生率をゼロにすることができる。これによって、製品としての軸受装置の供給性を向上させることができるようになった。
前記セメンタイトの層間隔の平均値は、好ましくは、０．１５μｍ以上０．３５μｍ以下の範囲でかつ前記軸体の端部が１５ＨＲＣ以上の硬さを有するものとしてよい。こうした場合、軸体は、軸受装置として充分な硬さを有することとなって好ましい。
本発明の軸受装置は、各種車両例えば自動車や鉄道車両や航空機などの車軸に適用することができる。前記軌道輪は、単に軸受装置の内輪あるいは外輪のみでなく、等速ジョイントを有する軸受装置において等速ジョイントの外輪端部をハブホイールの端面に対してかしめる場合の、ハブホイールも含む。前記軸体は、車軸用転がり軸受のハブ軸、あるいはハブホイールに回転一体とされる等速ジョイントの、その外輪に形成される軸も含む。前記軸体に用いられる鋼材としては、炭素含有量が０．３７％〜０．６５％に規定される炭素鋼である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を実施するための最良の実施形態に従う転がり軸受装置を、図面を参照して詳細に説明する。この転がり軸受装置は、車両用車軸の軸受用に適用して説明する。またこの転がり軸受装置は、従動輪側を例にとっている。図１は転がり軸受装置の全体構成を示す断面図、図２はかしめ部の拡大断面図、図３（ａ）ないし（ｆ）はかしめ部の組成を表す概略断面図、図４はパーライトの組成を表す拡大図である。図１で軸心方向右側は車両インナー側を、軸心方向左側は車両アウタ側を示す。
図例の転がり軸受装置１は、複列外向きアンギュラ玉軸受における径方向内外に配置される軌道輪として、それぞれ軸方向１列の内輪軌道を有する２つの内輪部材２、３と、軸方向２列の外輪軌道を有する１つの外輪部材４とを有する。
転がり軸受装置１はまた、両内輪部材２、３と外輪部材４それぞれの軌道間に軸方向２列で介装される玉群５、６と、各列の玉群５、６それぞれを保持する冠型保持器７、８と、軸方向端のシール部材９とを含む。一方の内輪部材２は、ブレーキディスクや車輪などが取り付けられる軸体として機能するハブ軸で構成されている。他方の内輪部材３は、このハブ軸２の外周に嵌着された内輪そのもので構成されている。一方の内輪部材２をハブ軸２と言い、他方の内輪部材３を内輪３と言うことにする。
ハブ軸２と内輪３は、複列外向きアンギュラ玉軸受における径方向内側に配置される軌道輪を構成する。外輪部材４は、複列外向きアンギュラ玉軸受における径方向外側に配置される軌道輪を構成する。この場合、ハブ軸２の端部を内輪３の端面にかしめるとき、ハブ軸２は、軸体として、内輪３は、軌道輪と言うことができる。
ハブ軸２は、径方向外向きのハブフランジ１１を有する。このハブフランジ１１にはハブボルト１２により図示しないブレーキディスクなどが取付けられる。外輪部材４は、径方向外向きの取付フランジ１３を有し、この取付フランジ１３を介して不図示の車体側に非回転に支持される。
ハブ軸２の車両インナ側端部に、かしめ用凹部１４が形成され円筒状に形成されている。この車両インナ側端部の円筒状の部分は径方向外方に拡径されて、内輪３の外端面に対してかしめられている。このようにかしめられたハブ軸２の端部は、かしめ部１５と言う。このかしめにより、ハブ軸２と内輪３は、互いに一体回転可能になり、内輪３に所要の予圧が付与される。
以上のようにハブ軸２が複列外向きアンギュラ玉軸受の一方の内輪部材を兼用することで、転がり軸受装置１は、ハブ軸２とこの軸受とが一体化された軸受装置を構成する。
次に、本実施形態の特徴を以下に詳しく説明する。ハブ軸２は、炭素鋼で形成されている。炭素鋼として、炭素含有率が０．３７％〜０．６５％の機械構造用炭素鋼鋼材が選択され、その中でＪＩＳ規格におけるＳ５５Ｃが選定される。このＳ５５Ｃは、炭素の含有率が０．５２〜０．５８％である。
上記炭素鋼の場合、その金属組織は、パーライト１６と初析フェライトとの混合組織から成っている。さらに、パーライト１６は、図４に示すように、セメンタイト１８を層状に有する。本発明の実施形態では、このセメンタイト１８の層間隔すなわちラメラ間隔の平均値は、０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下となるように設定している。以下に、セメンタイト１８の層間隔の平均値を上記範囲に規定する理由を説明する。
図３（ａ）〜図３（ｆ）は、それぞれハブ軸２の車両インナ側部に相当する断面の状態を模式的に表している。これらハブ軸２は、異なった複数種の条件下で、複数組のロット生産で製造されたものである。図３（ａ）〜図３（ｆ）では、径方向で切断したハブ軸２を、ピクリン酸ソーダのアルカリ溶液で煮沸することでエッチング処理を行い、金属組織を観察可能とした状態を示している。このように、ハブ軸２の断面に、前述のエッチング処理を施すと、黒くエッチングされる部分Ａ（図３においてクロスハッチングを施した部分）と、白くエッチングされる部分Ｂ（図３においてクロスハッチングを施していない部分）とが現れる。そして、これら各ハブ軸２について、かしめを行った際の、かしめ部分での亀裂の発生の有無を検査した。その結果、かしめ部１５に微小な亀裂が、発生したハブ軸２と発生しなかったハブ軸２とがあった。ここで、前記異なった複数種の条件下とは、ハブ軸２を鍛造後に所定の温度（例えば室温）にまで冷却するのに要した時間の長短の相違のことである。すなわち、図３（ａ）に示したハブ軸２の徐冷時間を１とすると、図３（ｂ）の徐冷時間は１．２、図３（ｃ）の徐冷時間は１．３、図３（ｄ）の徐冷時間は１．５である。図３（ｅ）および図３（ｆ）の徐冷時間はそれぞれ０．５である。
図３（ａ）〜図３（ｄ）に示されるそれぞれのハブ軸２は、かしめ部１５に亀裂が発生しなかった。かしめ部１５に微小な亀裂が発生したハブ軸２は、図３（ｅ）（ｆ）に示したハブ軸２であった。この図３（ｅ）（ｆ）では、ハブ軸２の端部は黒く、（クロスハッチングを施した部分Ａが）目視される。これは、ハブ軸２の端部に平均ラメラ間隔の小さいセメンタイト１８を有するパーライト１６が多く存在することによる。
ここで、図３のハブ軸２の断面に示される、黒くエッチングされる部分Ａと白くエッチングされる部分Ｂとの金属組織の相違について説明する。
黒くエッチングされる部分Ａを顕微鏡で観察すると、平均ラメラ間隔が０．１５μｍ未満であるセメンタイト１８を有するパーライト１６が多く存在する。また、白くエッチングされる部分Ｂを顕微鏡で観察すると、平均ラメラ間隔が０．１５μｍ〜０．４μｍのパーライト１６が多く存在する。
このような相違は、ハブ軸２を鍛造後に、所定の温度にまで冷却するのに要した時間の長短の相違によると考えられる。すなわち、鍛造後のハブ軸２を所定の温度（例えば室温）まで冷却する時間が短いとラメラ間隔の狭いパーライト１６、すなわち黒くエッチングされる部分Ａが生じ易くなり、鍛造後、より長い時間をかけて所定の温度まで冷却するとラメラ間隔の広いパーライト１６、すなわち白くエッチングされる部分Ｂが多く発生する。また、かしめ部１５相当部分は先端にあるため、短い時間でも冷却され易く、これによって黒くエッチングされる部分Ａが生じ易くなる。
このような詳細な検査結果により、パーライト１６中に層状に存在するセメンタイト１８の層間隔が、かしめ部１５の亀裂の発生の有無に関係していることが判明し、特に、パーライト１６中のセメンタイト１８の層間隔が狭い場合に、かしめ部１５に亀裂が発生する可能性が高くなることが判明した。
図４は、パーライト１６を、顕微鏡を用いて高い倍率で観察した場合の模式図を示す。この図において、パーライト１６は、フェライト１９とセメンタイト１８とが交互に層状に存在するラメラ組織となっていることがわかる。
亀裂発生の臨界値の調査結果によれば、図４に示すように、セメンタイト１８の各層の間隔ａ１，ａ２，ａ３，…，ａ１０の１０個を例にとった場合、それらの平均値（ａ１＋ａ２＋ａ３＋…＋ａ１０）／１０が、０．１５μｍより小さい場合に、かしめ部１５に亀裂が発生することが判明した。この平均値は、１１個のセメンタイト１８の層に交叉する１本の直線上における１０個の層間隔ａ１，ａ２，ａ３，…，ａ１０の平均値である。
上記調査結果から、かしめ部１５に亀裂が発生するのを防止するために、セメンタイト１８の層間隔の平均の下限値を、０．１５μｍに設定することとした。
ここで、上記検査結果を下記（表１）にまとめる。この（表１）で層間隔とは、セメンタイト１８層の実質的層間隔、亀裂発生率とは、ハブ軸２の端部をかしめた際の亀裂の発生率、硬さとは、ハブ軸２の端部のロックウェルＣ硬さ（ＨＲＣ）を示している。
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上記（表１）から、パーライト１６におけるセメンタイト１８の層間隔（ラメラ間隔）が、０．４μｍの場合のハブ軸２の硬さは１２ＨＲＣとなることがわかる。しかしこの種の転がり軸受装置１のハブ軸２に必要な硬さは、１５ＨＲＣ以上が望ましい。そのためには、セメンタイト１８の層間隔の平均の上限値を０．３５μｍにする必要がある。
以上の理由から、セメンタイト１８の層間隔の平均値を、０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下の範囲に設定した。
以上述べたように、パーライト１６を構成するセメンタイト１８の層間隔の平均値を、０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下となるように設定することで、ハブ軸２の端部を内輪３に対してかしめた際に亀裂が発生するのを防止できる。また転がり軸受装置１のハブ軸２として充分な硬さを有することとなる。このため、製品を破棄するといった無駄がなくなり、製品の供給性を向上させることができる。
本発明は、上述の実施形態に限定されず、種々な応用や変形が考えられる。
（１）本発明のように、ハブ軸２の端部におけるパーライトのラメラ間隔をハブ軸２の他の部分よりも大きくするための方法を説明する。
ハブ軸２は、熱間鍛造により母材からおおむね最終形状に近い形に成形され、軌道面等の必要な部分を旋削加工して最終形状になる。ハブ軸２は熱間鍛造時に１２００℃程度に熱せられ、鍛造完了後冷却される。図５の冷却曲線ｂ参照。この冷却時に、ハブ軸２の軸端部のみをハブ軸２の他の部分よりも時間をかけて冷却することにより、ハブ軸２の端部におけるパーライトのラメラ間隔をハブ軸２の他の部分よりも大きくできる。具体例として、冷却時にハブ軸２の軸端部のみを高周波加熱することで軸端部の冷却速度を遅くする方法を説明する。図５で示すように、冷却開始後、７５０℃まで下がった時点で軸端部のみを高周波加熱し、軸端部の冷却速度を遅くすることにより（冷却曲線ａ）、軸端部のパーライトのラメラ間隔をハブ軸２の他の部分よりも大きくすることができる。なお、軸端部を加熱する温度はハブ軸２の材質により約７５０℃ないし約８００℃の範囲で調整する。
なお、他に軸端部の冷却速度を遅くする方法としては、冷却時に軸端部のみを保温材で覆うことが考えられる。なお、本発明における軸端部の冷却速度を遅くする方法については、上記高周波加熱や保温材に限るものではなく他の方法でもよい。なお、上記実施形態では、ハブ軸２の軸端部のみを冷却速度を遅くすることによりパーライトのラメラ間隔を大きくしたが、本発明はこれに限らず、ハブ軸２全体の冷却速度を調整し、ハブ軸２全体のパーライトのラメラ間隔を大きくしてもよい。ハブ軸２全体のパーライトのラメラ間隔を大きくする方法としては例えば以下のものが考えられる。冷却工程でハブ軸２全体を高周波等で一時的に加熱する。冷却工程で冷却速度を調整できる加熱炉に入れて徐々に冷却する。ハブ軸２全体を保温材で覆って徐々に冷却する。
（２）本発明は、転がり軸受装置１の両内輪部材を、図６で示すように、共に、内輪３、３ａそのもので構成するものとしてもよい。この場合、ハブ軸２の端部が内輪３の端面にかしめられるから、軸体は、ハブ軸２で、軌道輪は、内輪３で構成される。図６で図１と対応する部分には同一の符号を付している。この実施形態では、ころ軸受の一部がハブ軸２に兼用されることでハブ軸ところ軸受とが一体化された構成を有する。
この場合も、図４に示すように、かしめ部１５のパーライト１６を構成するセメンタイト１８の層間隔の平均値が、０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下となるように設定される。これにより、ハブ軸２の端部を内輪３に対してかしめた際にかしめ部１５に亀裂が発生するのを防止できる。また転がり軸受装置１のハブ軸２として充分な硬さを有することとなる。このため、製品を破棄するといった無駄がなくなり、製品の供給性を向上させることができる。
（３）本発明は、図７で示すように、駆動輪側の転がり軸受装置１にも適用可能である。この転がり軸受装置１は、車体側に非回転に支持される外輪部材４に玉５、６を介して内輪部材が回転自在に支持されている。一方の内輪部材は等速ジョイントの椀形外輪部材２０で、他方の内輪部材は、ハブ軸（この場合ハブホイール）２である。等速ジョイントの椀形外輪部材２０に一体の軸体２１の端部が、ハブ軸２の端面にかしめられる。図７で図１と対応する他の部分には同一の符号を付している。
この場合も、図４に示すように、かしめ部１５のパーライト１６を構成するセメンタイト１８の層間隔の平均値が、０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下となるように設定される。これにより、ハブ軸２の端部を内輪３に対してかしめた際にかしめ部１５に亀裂が発生するのを防止できる。また転がり軸受装置１のハブ軸２として充分な硬さを有することとなる。このため、製品を破棄するといった無駄がなくなり、製品の供給性を向上させることができる。
（４）本発明は、複列外向きアンギュラ玉軸受以外の転がり軸受にも同様に適用することができる。転がり軸受としては、複列以外の例えば単列の転がり軸受でもよい。
（５）本発明は、転がり軸受装置の軸体を、外輪部材の径方向外側に配置される円筒体とし、その円筒体の端部を軌道輪である外輪部材の端部にかしめる場合も含む。円筒体は、例えばハウジング等が考えられる。
（６）上記実施形態では、セメンタイト１８の層間隔の平均値を演算する際、セメンタイト１８層における１０個の間隔の平均値とし、この平均値（ａ１＋ａ２＋ａ３＋…＋ａ１０）／１０が０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下となるよう設定した。しかし本発明はこれに限定されるものではない。すなわちセメンタイト１８層におけるｎ個の間隔の平均値とし、（ａ１＋ａ２＋ａ３＋…＋ａｎ−１＋ａｎ）／ｎの値が、０．１５μｍ以上で０．４μｍ以下、あるいは０．１５μｍ以上で０．３５μｍ以下としてもよい。この場合も、ハブ軸２の端部を内輪３に対してかしめた際にかしめ部１５に亀裂が発生するのを防止できる。また転がり軸受装置１のハブ軸２として充分な硬さを有することとなる。あるいは、製品を破棄するといった無駄がなくなり、製品の供給性を向上させることができる。
以上の説明から明らかな通り、本発明によれば、軸体の端部を軌道輪に対してかしめた際に、そのかしめ部に亀裂が発生するのを防止でき、製品の供給性を向上させることができる。
産業上の利用可能性
本発明によれば、各種車両例えば自動車や鉄道車両や航空機などの車軸用の軸受装置として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の最良の実施形態に従う転がり軸受装置の概略構成を示す断面図である。
図２は、同じく要部拡大断面図である。
図３は、同じくロット毎のハブ軸の断面図である。
図４は、同じくパーライトの拡大断面図である。
図５は、ハブ軸の熱間鍛造における冷却特性を示す図である。
図６は、本発明の他の実施形態に従う転がり軸受装置の概略構成を示す断面図である。
図７は、本発明のさらに他の実施形態に従う転がり軸受装置の概略構成を示す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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