(57)【要約】【課題】軌道輪の転がり寿命を高めることのできる車輪支持用転がり軸受装置を提供する。【解決手段】車輪と一体に回転する回転側軌道輪１と、回転側軌道輪１の外周面に形成された内輪軌道溝と対向する外輪軌道溝を内周面に有する静止側軌道輪２と、これら軌道輪１，２の軌道溝間に設けられた多数の転動体３とを備えた車輪支持用転がり軸受装置において、軌道輪素材の炭素含有量を０．４５質量％以上０．７５質量％以下、組成加工前の軌道輪素材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率を７０％以上、球状化炭化物の平均間隔が１５μｍ以下、高周波焼入れを施した後の軌道溝の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号を６番以上、表面硬さをＨＶ６５０以上とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪と一体に回転する回転側軌道輪と、該回転側軌道輪の外周面に形成された内輪軌道溝と対向する外輪軌道溝を内周面に有する静止側軌道輪と、これら軌道輪の軌道溝間に設けられた多数の転動体とを備え、前記回転側軌道輪及び前記静止側軌道輪のうち少なくとも一方の軌道輪が鋼材を所定の形状に塑性加工し、塑性加工の後に高周波焼入れを施して形成された車輪支持用転がり軸受装置であって、
前記鋼材の炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下、塑性加工前の鋼材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率が７０％以上、前記球状化炭化物の平均間隔が１５μｍ以下、高周波焼入れを施した後の軌道溝の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が６番以上、表面硬さがＨＶ６５０以上であることを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置。
【請求項２】
請求項１記載の車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪を製造する方法であって、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の鋼材を軌道輪素材として用い、軌道輪素材を所定の形状に塑性加工する前に、７４０〜８６０℃の温度で０．１時間以上加熱した後、２０〜７０℃／ｈｒの速度で７２０〜６８０℃の温度まで冷却し、次いで７２０〜６８０℃の温度で１〜５時間程度保持した後、１０〜１００℃／ｈｒの速度で６２０〜６８０℃の温度まで冷却し、さらに１０〜１５℃／ｈｒの速度で５００〜５６０℃の温度まで冷却する軟化焼鈍を軌道輪素材に施すことを特徴とする車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車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及びその軌道輪製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車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、一般に、車輪と一体に回転するハブホイール（回転側軌道輪）と、このハブホイールの外周面に形成された内輪軌道溝と対向する外輪軌道溝を内周面に有する外輪（静止側軌道輪）と、これら軌道輪の軌道溝間に転動自在に設けられた多数の転動体とを備えた構成となっている。
【０００３】
このような車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪は、従来、例えばＳ５０〜Ｓ５５Ｃ相当材（中炭素鋼材）やＳＡＥ１０７０等の高炭素鋼材を熱間鍛造した後、旋削加工および高周波焼入れを施して製造されるが、近年では、製造コストを低減するために、軌道輪素材として鋼板を用い、これを塑性加工して車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪を製造する技術が知られている（特許文献１−５参照）。
【特許文献１】特開２００３−２５８０３号公報
【特許文献２】特許第３３５２２２６号公報
【特許文献３】特開平９−１５１９５０号公報
【特許文献４】特開平７−３１７７７７号公報
【特許文献５】特開２００６−６４０３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１−４には、軌道輪素材としての鋼板を所定の形状に塑性加工する方法が開示されているのみであり、塑性加工をする前の軌道輪素材の硬さや金属組織については言及されていない。このため、軌道輪素材として用いられる鋼板の状態が硬ければ、塑性加工量が大きくなる部位に関しては、塑性加工時に割れが発生してしまう可能性がある。
【０００５】
また、特許文献５には、軌道輪素材としての鋼板を塑性加工する前に軟化焼鈍を施す点が開示されているが、軟化焼鈍が施された鋼板を所定の形状に塑性加工した後、高周波焼入れを施すと、焼入れ時間が数秒程度と短いため、不完全焼入れ組織が軌道輪の軌道面表層部に発生し、車輪支持用転がり軸受装置の転がり寿命を低下させるおそれがある。つまり、高周波焼入れのような数秒程度の短時間焼入れを軌道輪素材に施す場合、焼入れ前の金属組織が大きな影響を受け易い。軌道輪素材に軟化焼鈍を施す場合、球状化炭化物が大きいと溶けるまでに時間がかかったり、炭化物間隔が長いとマトリックスに均一に炭素が溶け込みにくいことが考えられる。そのため、不完全焼入れ組織が発生し、転がり寿命や疲労特性を低下させるおそれがある、
本発明は上述した問題点に着目してなされたものであり、その目的は、軌道輪の転がり寿命を高めることのできる車輪支持用転がり軸受装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、軌道輪素材を冷間加工して車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪を製造する際に、フレーキングの発生原因となる不完全焼入れ組織が軌道輪の軌道面表層部に発生することを抑制することのできる車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る車輪支持用転がり軸受装置は、車輪と一体に回転する回転側軌道輪と、該回転側軌道輪の外周面に形成された内輪軌道溝と対向する外輪軌道溝を内周面に有する静止側軌道輪と、これら軌道輪の軌道溝間に設けられた多数の転動体とを備え、前記回転側軌道輪及び前記静止側軌道輪のうち少なくとも一方の軌道輪が鋼材を所定の形状に塑性加工し、塑性加工の後に高周波焼入れを施して形成された車輪支持用転がり軸受装置であって、前記鋼材の炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下、塑性加工前の鋼材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率が７０％以上、前記球状化炭化物の平均間隔が１５μｍ以下、高周波焼入れを施した後の軌道溝の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号が６番以上、表面硬さがＨＶ６５０以上であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪を製造する方法であって、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の鋼材を軌道輪素材として用い、軌道輪素材を所定の形状に塑性加工する前に、７４０〜８６０℃の温度で０．１時間以上加熱した後、２０〜７０℃／ｈｒの速度で７２０〜６８０℃の温度まで冷却し、次いで７２０〜６８０℃の温度で１〜５時間程度保持した後、１０〜１００℃／ｈｒの速度で６２０〜６８０℃の温度まで冷却し、さらに１０〜１５℃／ｈｒの速度で５００〜５６０℃の温度まで冷却する軟化焼鈍を軌道輪素材に施すことを特徴とする。
【０００８】
ここで、軌道輪素材の炭素含有量を０．４５質量％以上０．７５質量％以下とした理由は、軌道輪素材の炭素含有量が０．４５質量％を下回ると表面硬さがＨＶ６５０以上の軌道輪を得ることができなくなり、軌道輪素材の炭素含有量が０．７５質量％を上回ると軌道輪素材の冷間加工性が低下してしまうためである。
また、軟化焼鈍された軌道輪素材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率を７０％以上、球状化炭化物の平均間隔を１５μｍ以下とした理由は、以下の理由からである。一般に、炭化物の球状化が不十分で炭化物のアスペクト比が２を超えると、炭化物周辺に応力集中が発生し、軌道輪素材の冷間加工性が低下してしまうため、本発明では、球状化炭化物のアスペクト比を２以下とした。また、アスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率が７０％を下回ると、軟化焼鈍された鋼材の硬さや変形抵抗が増大し、軌道輪素材の冷間加工性が低下してしまうため、本発明では、アスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率を７０％以上とした。さらに、球状化炭化物の平均間隔が１５μｍを超えると、適正な高周波焼入れ組織が得られ難くなり、炭化物間隔が長いと炭素がマトリックスに均一に拡散する上で不利となるため、本発明では、球状化炭化物の平均間隔を１５μｍ以下とした。なお、短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率が７０％以上でなければ、図５に示すように、限界据え込み率の試験においてよくないことがわかる。そのため、上記の数値を規定した。また、短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率は８０〜９０％とすることが望ましい。
【０００９】
高周波焼入れを施した後の軌道溝の表面硬さをＨＶ６５０以上とした理由は、軌道溝の表面硬さがＨＶ６５０を下回ると、十分な転がり寿命を確保することが困難となるためである。
また、軟化焼鈍された軌道輪素材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号を６番以上とした理由は、結晶粒度が６番を下回ると、転がり寿命が著しく低下するためである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１記載の発明に係る車輪支持用転がり軸受装置によれば、高周波焼入れによる不完全焼入れ組織が軌道輪の軌道面表層部に発生することを抑制できるため、軌道輪の転がり寿命を高めることができる。
請求項２記載の発明に係る車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪製造方法によれば、高周波焼入れのような数秒程度の短時間焼入れを軟化焼鈍された軌道輪素材に施す場合、マトリックス中への炭化物の固溶が不十分となることがなく、フレーキングの発生原因となる不完全焼入れ組織が軌道輪の軌道面表層部に発生することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の概略構成を示す断面図であり、同図に示される車輪支持用転がり軸受装置は、車輪と一体に回転する回転側軌道輪１と、この回転側軌道輪１の外周面に形成された内輪軌道溝１ａと対向する外輪軌道溝２ａを内周面に有する静止側軌道輪２と、これら軌道輪１，２の軌道溝１ａ，２ａ間に転動自在に設けられた多数の球状転動体３とを備えている。
【００１２】
回転側軌道輪１及び静止側軌道輪２は、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の鋼板を所定の形状に塑性加工した後、軌道溝１ａ，２ａの溝面に高周波焼入れを施して形成されているが、本実施形態では、軌道輪素材としての鋼板を所定の形状に塑性加工する前に、７４０〜８６０℃の温度で０．１時間以上加熱した後、２０〜７０℃／ｈｒの速度で７２０〜６８０℃の温度まで冷却し、次いで７２０〜６８０℃の温度で１〜５時間程度保持した後、１０〜１００℃／ｈｒの速度で６２０〜６８０℃の温度まで冷却し、さらに１０〜１５℃／ｈｒの速度で５００〜５６０℃の温度まで冷却して軟化焼鈍を軌道輪素材に施している。
【００１３】
本発明者は、車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪素材を塑性加工等の冷間加工で成形する場合の問題点について鋭意研究した。そして、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の鋼材を軌道輪素材として用い、軌道輪素材を所定の形状に塑性加工する前に、所定の熱処理条件で軟化焼鈍を鋼材に施すことにより、軌道輪の転がり寿命を高められるという知見を以下に詳述する転がり寿命試験と据え込み試験の試験結果から得た。
【００１４】
本発明者が実施した転がり寿命試験と据え込み試験の試験結果を表１に示す。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
表１において、実施例１〜１２は車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪素材としてＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ〜Ｓ７５Ｃ（炭素含有量：０．４５質量％以上０．７５質量％以下）を用い、軌道輪素材を例えば前方押出し工程、段付け工程、側方押出し工程（図２参照）を経て所定の形状に冷間成形する前に、７４０〜８６０℃の温度で０．１時間以上加熱した後、２０〜７０℃／ｈｒの速度で７２０〜６８０℃の温度まで冷却し、次いで７２０〜６８０℃の温度で１〜５時間程度保持した後、１０〜１００℃／ｈｒの速度で６２０〜６８０℃の温度まで冷却し、さらに１０〜１５℃／ｈｒの速度で５００〜５６０℃の温度まで冷却して軟化焼鈍を軌道輪素材に施した場合の試験例を示している。
【００１７】
一方、比較例１，３，５，７，９，１１は車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪素材としてＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ〜Ｓ７５Ｃを用い、これを熱間鍛造して軌道輪を作製した場合の試験例を示している。また、比較例２，４，６，８，１０，１２は車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪素材としてＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ〜Ｓ７５Ｃを用い、これを例えば前方押出し工程、段付け工程、側方押出し工程（図２参照）を経て所定の形状に冷間成形する前に、長軸径と短軸径のアスペクト比が２以下で短軸径０．７μｍ以上の球状炭化物の平均間隔が１５μｍを超えるような熱処理条件で軟化焼鈍を軌道輪素材に施した場合の試験例を示している。
【００１８】
なお、表１の球状炭化物面積率、球状炭化物平均間隔、表面硬さ、結晶粒度、転がり寿命比、限界据え込み率比は以下の方法で求めた値である。
（１）球状炭化物面積率
軌道輪の軌道面を鏡面研磨した後、ピラクールで腐食させ、軌道面直下０．２５ｍｍまでの領域において図３に示すような金属組織を５００倍で写真撮影し、得られた写真から軌道輪素材中の金属組織中に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状炭化物を画像解析して球状炭化物の面積率を求めた。
【００１９】
（２）球状炭化物平均間隔
軌道輪の軌道面を鏡面研磨した後、ナイタロールで腐食させ、軌道面直下０．２５ｍｍまでの領域において図３に示すような金属組織を写真撮影し、得られた写真から軌道輪素材の金属組織中に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状炭化物を画像解析して球状炭化物の平均間隔を求めた。
【００２０】
（３）表面硬さ
表１の表面硬さは、冷間成形後に高周波焼入れが施された軌道輪の軌道面硬さをビッカース硬度計で測定した測定値である。
（４）結晶粒度
ＪＩＳ  Ｇ００５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて結晶粒度を求めた。
【００２１】
（５）転がり寿命比
表１の転がり寿命比は、車輪支持用転がり軸受装置の内輪軌道面にフレーキングが生じるまでの軌道輪の総回転数を転がり寿命として評価し、比較例１，３，５の転がり寿命を１とした相対値である。具体的には、ラジアル荷重：７０００Ｎ、アキシアル荷重：５０００Ｎ、回転速度：３００ｍｉｎ−１の試験条件で車輪支持用転がり軸受装置の回転試験を行い、内輪軌道面にフレーキングが生じるまでの軌道輪の総回転数を計測した。その際、固定側軌道輪の外周部に設けられた懸架装置取付け用フランジ４（図１参照）を固定し、回転側軌道輪の外周面に設けられた車輪取付け用フランジ５（図１参照）に荷重を負荷して回転側軌道輪と固定側軌道輪の振動を測定することによってフレーキングの発生を検知し、内輪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。
【００２２】
（６）限界据え込み率比
表１の限界据え込み率比は、下式から試験片の臨界据え込み率を算出し、比較例１２の臨界据え込み率を１とした相対値である。
臨界据え込み率＝｛（ＨＯ−ＨＦ）／ＨＯ］×１００
ただし、ＨＯ：試験片の初期高さ、Ｈｆ：据え込み試験（試験片の端面に潤滑剤を塗布し、２ｍｍ／ｍｉｎの加工速度で試験片に荷重を負荷してクラックを試験片に発生させる試験）でクラックの発生が確認された試験片の高さ。
【００２３】
図４は上述した方法で求めた旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度と転がり寿命比との関係を示す図であり、軟化焼鈍された軌道輪素材の旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度が６を超えると、軌道輪の転がり寿命比が急激に高くなることが図４からわかる。
本試験とは別に球状炭化物の短軸径が０．７μｍ以上の球状炭化物の面積率と限界据え込み率比の関係を調べる目的で、据え込み試験を行った結果を表２及び図５に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
図５は上述した方法で求めた球状炭化物の面積率と限界据え込み率比との関係を示す図であり、軟化焼鈍された軌道輪素材の金属組織中に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状炭化物の面積率が高くなると、限界据え込み率比が上昇し、クラックが発生し難くなることが図５から分かる。
【００２６】
したがって、実施例１〜１２のように、高周波焼入れ前の軌道輪素材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の面積率を７０％以上、長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の平均間隔を１５μｍ以下、軟化焼鈍された軌道輪素材の旧オーステナイト結晶粒の粒度番号を６番以上、高周波焼入れを施した後の軌道輪の軌道面硬さをＨＶ６５０以上とすることにより、軌道輪の転がり寿命を高めることができる。
【００２７】
比較例２，４，６，８，１０，１２は、平均炭化物間隔が１５μｍを上回ったり、全炭化物中の面積率が７０％を下回ったりしたため、軌道溝の表面硬さが低くなったり、転がり寿命比が小さくなったり、限界据え込み率比が小さくなったり、微細な不完全組織が発生した。
上述したように、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の鋼材を軌道輪素材として用い、軌道輪素材を所定の形状に塑性加工する前に、７４０〜８６０℃の温度で０．１時間以上加熱した後、２０〜７０℃／ｈｒの速度で７２０〜６８０℃の温度まで冷却し、次いで７２０〜６８０℃の温度で１〜５時間程度保持した後、１０〜１００℃／ｈｒの速度で６２０〜６８０℃の温度まで冷却し、さらに１０〜１５℃／ｈｒの速度で５００〜５６０℃の温度まで冷却して軟化焼鈍を軌道輪素材に施すことにより、軟化焼鈍された軌道輪素材の金属組織に存在する全ての炭化物のうち長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の割合が面積率で７０％以上になり、かつ長軸径と短軸径とのアスペクト比が２以下で短軸径が０．７μｍ以上の球状化炭化物の平均間隔が１５μｍ以下になる。
【００２８】
したがって、高周波焼入れのような数秒程度の短時間焼入れを軟化焼鈍後の軌道輪素材に施す場合、マトリックス中への炭化物の固溶が不十分となることがなく、フレーキングの発生原因となる数十μｍレベルの不完全焼入れ組織が軌道輪の軌道面表層部に発生することを抑制することができる。
なお、本発明では、炭素含有量が０．４５質量％以上０．７５質量％以下の軌道輪素材のうち、ＪＩＳやＳＡＥに規定された機械構造用炭素鋼を用いることがコストや熱処理品質を満足するために好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る車輪支持用転がり軸受装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】車輪支持用転がり軸受装置の軌道輪を冷間加工で成形する場合の一例を示す図である。
【図３】軌道輪素材の金属組織を示す図である。
【図４】軌道輪素材の旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度と軌道輪の転がり寿命比との関係を示す図である。
【図５】軌道輪素材の球状炭化物の面積率と限界据え込み率比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  回転側軌道輪
１ａ  内輪軌道溝
２  固定側軌道輪
２ａ  外輪軌道溝
３  転動体
【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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