(57)【要約】【課題】高周波焼入れ部を増加させることなく車輪取付用フランジの付け根部の疲労強度を向上させて、車輪取付用フランジの薄肉化によるフランジ付軸受装置の軽量化を可能にする。【解決手段】フランジ付軸受装置のハブ輪２を、炭素の含有量が０．４５重量％以上０．６５重量％以下の炭素鋼製とし、且つ該ハブ輪２の少なくとも車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の単位面積（１０ｍｍ２  ）あたりの初析フェライトの面積率を３〜１５％とすると共に、該初析フェライトの最大長さを２００μｍ以下とし、更に、１８０μｍ以上の長さの初析フェライトを５個以下とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方に設けられたフランジとを備えたフランジ付軸受装置において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、炭素の含有量が０．４５重量％以上０．６５重量％以下の炭素鋼製とし、且つ少なくとも前記フランジの初析フェライトの面積率を３〜１５％としたことを特徴とするフランジ付軸受装置。
【請求項２】
前記炭素鋼のＳ含有量が０．００３重量％以上０．０２０重量％以下であり、且つ該Ｓ含有量と前記初析フェライト組織の面積率との関係が、１０≦（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））≦３０であることを特徴とする請求項１記載のフランジ付軸受装置。
【請求項３】
前記Ｓ含有量に対して前記初析フェライト組織の面積率が、１≦（Ｓ含有量（重量％）×１０００）／初析フェライト組織の面積率（％）≦２の関係にあることを特徴とする請求項１又は２記載のフランジ付軸受装置。
【請求項４】
前記フランジの厚さ方向外側の付け根部の単位面積（１０ｍｍ２  ）あたりの初析フェライトの面積率を３〜１５％とすると共に、該初析フェライトの最大長さを２００μｍ以下とし、更に、１８０μｍ以上の長さの初析フェライトを５個以下としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフランジ付軸受装置。
【請求項５】
前記フランジが設けられた部材がＶ（バナジウム）を０．０５〜０．３重量％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のフランジ付軸受装置。
【請求項６】
内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に固定側又は回転側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有するフランジ付軸受装置の製造方法において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、Ｃ：０．４５〜０．６５重量％、Ｍｎ：０．５〜１．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０重量％、Ｃｒ：０．０１〜０．５重量％、Ｓ≦０．０２５重量％、Ｏ≦１５ｐｐｍ、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼を使用して熱間鍛造により成形し、前記熱間鍛造時の材料加熱温度が９００〜１０５０°Ｃで、鍛造打ち終わり時の温度が８００°Ｃ以上としたことを特徴とするフランジ付軸受装置の製造方法。
【請求項７】
鍛造打ち終わり時の温度から６００°Ｃになるまでの平均冷却速度を０．５〜５°Ｃ／秒としたことを特徴とする請求項６記載のフランジ付軸受装置の製造方法。
【請求項８】
Ｖ：０．０１〜０．２重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５重量％及びＴｉ：０．０１〜０．１５重量％の内の少なくとも１種を含む合金鋼を使用したことを特徴とする請求項６又は７記載のフランジ付軸受装置の製造方法。
【請求項９】
内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に固定側又は回転側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有するフランジ付軸受装置において、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造され、前記フランジの付け根部の金属組織が、フェライト・パーライト組織を含み、且つ該フェライト・パーライト組織の旧オーステナイト結晶粒度が４以上であることを特徴とするフランジ付軸受装置。
【請求項１０】
内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に車体側又は車輪側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有する車輪支持用のフランジ付軸受装置において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、Ｃ：０．４５〜０．５０重量％、Ｓｉ：０．３〜１．５重量％、Ｖ：０．０３〜０．３重量％、Ｍｎ≦１．５重量％、Ｃｒ≦１．０重量％、Ｓ≦０．０３５重量％、Ｏ≦１５ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼により形成し、且つＣ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値が０．５５〜０．７５を満たすと共に、前記高周波焼入れによる硬化層の軌道部表面硬さがＨｖ６３０〜Ｈｖ７５０、該高周波焼入れによる硬化処理がされていない部分の硬さがＨｖ２２０〜Ｈｖ３００であることを特徴とするフランジ付軸受装置。
【請求項１１】
少なくとも車輪側に取り付けられるフランジの付け根部の非調質部における初析フェライト面積率が、５％以上１５％以下であることを特徴とする請求項１０記載のフランジ付軸受装置。
【請求項１２】
前記内方部材をハブ輪として、該ハブ輪の一端部に前記フランジとしての車輪取付用フランジを配設すると共に、前記ハブ輪の他端部に形成した小径段部に内輪を嵌め込んで該内輪の外周面及び該ハブ輪の軸方向の中間部外周面にそれぞれ軌道面を形成して複列の内輪軌道面とし、また、前記外方部材を外輪として、該外輪の内周面に前記複列の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面を形成すると共に、該外輪の前記車輪取付用フランジから離間する側の端部に懸架装置取付用フランジを形成し、前記複列の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に複数の前記転動体を転動自在に配設したことを特徴とする請求項１〜５、９〜１１のいずれか一項に記載のフランジ付軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フランジ付軸受装置及び該装置の製造方法に関し、特に自動車等の車輪支持用として好適なフランジ付軸受装置及び該装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
転がり軸受は、外面に軌道面を有する内方部材、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材、前記両軌道面間に転動自在に配置された複数の転動体、及び該転動体を周方向に等間隔に保持するための保持器等を備えている。
【０００３】
自動車の車輪支持に用いられるフランジ付軸受装置も、同様に、内方部材、外方部材、転動体及び保持器等を備えているが、用途により様々な形状をしており、内方部材及び外方部材の少なくとも一方の部材に、回転側又は固定側に取り付けるためのフランジとボルト穴を備えているタイプが多く、通常の転がり軸受と比較して複雑な形状をしている。
【０００４】
軸受装置において、転動体が転走する軌道溝部には、高面圧が繰り返し負荷される状態になるため、転がり疲労の長寿命化に必要な硬さや耐摩耗性が要求される。よって、通常の転がり軸受の材料には、ＳＵＪ２等の高炭素クロム鋼が用いられ、焼入れ焼き戻しを施すことにより、軸受部材全体を硬化処理して使用されている。
【０００５】
一方、フランジ付軸受装置は、通常の軸受と比較して、複雑な形状を有しているため、熱間鍛造性、切削性、穴あけ加工性の観点から、Ｓ５３Ｃなどの中炭素鋼で形成され、軌道部周辺には、転がり疲労寿命を確保するため、高周波焼入れによって表面硬化層を形成して使用する場合が多い。
この場合、高周波焼入れがされていない箇所は、熱間鍛造したままの熱処理状態で使用される（以下、高周波焼入れがされず、熱間鍛造したままの熱処理状態で使用される箇所を非調質部と呼ぶ。）。
【０００６】
従来、フランジ付軸受装置のフランジが設けられた部材（内方部材及び／又は外方部材）を熱間鍛造するに際しては、フランジの鍛造加工による塑性加工量が大きいため、材料を１２００°Ｃ程度に加熱して、変形抵抗を低くした状態で鍛造を行っている。
図１に従来の車輪支持用のフランジ付軸受装置の一例を示す。
【０００７】
このフランジ付軸受装置１は、ハブ輪２、内輪３、外輪４及び複数の転動体５を備えており、ハブ輪２の外周面の外端部（自動車への組み付け状態で車幅方向外側の端部：図１の左端部）には、車輪を支持するための車輪取付用フランジ６が設けられている。
また、ハブ輪２の内端部（図１の右端部）には小径段部８が形成されており、該小径段部８に嵌め込まれた内輪３の外周面及びハブ輪２の軸方向の中間部外周面にはそれぞれ軌道面が形成されて複列の内輪軌道面７ａ，７ｂとされている。ハブ輪２の内端部は円筒状に形成されており、該円筒部９を径方向外方にかしめ広げることにより、内輪３をハブ輪２に固定している。
【０００８】
外輪４の内周面には前記複列の内輪軌道面７ａ，７ｂに対応する複列の外輪軌道面１０ａ，１０ｂが形成されており、また、外輪４の前記車輪取付用フランジ６から離間する側の端部には懸架装置取付用フランジ１１が設けられている。そして、複列の内輪軌道面７ａ，７ｂと複列の外輪軌道面１０ａ，１０ｂとの間にそれぞれ複数の転動体５が転動可能に配設されている。
【０００９】
尚、図示の例では、転動体５として玉を使用しているが、重量の嵩むフランジ付軸受装置の場合には、転動体５としてテーパころを使用する場合もある。
上述の様なフランジ付軸受装置１を自動車に組み付けるには、外輪４の懸架装置取付用フランジ１１を懸架装置に固定し、ハブ輪２の車輪取付用フランジ６に車輪を固定する。これにより、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。
【００１０】
なお、ハブ輪２は、熱間鍛造性や切削性の観点から、Ｓ５３Ｃなどの中炭素鋼で形成されており、切断した棒材を高周波誘導加熱して１２００°Ｃ程度のオーステナイト域で熱間鍛造して放冷する。その際、オーステナイト粒界から初析フェライトが析出し、その後のパーライト変態によって、室温で初析フェライト＋パーライト組織が得られる。
【００１１】
そのうちの大部分は焼入焼戻をすることなく使用されるが、前記車輪取付用フランジ６の車幅方向（板厚方向）内側の付け根部（以下、内側付け根部という）１２から内輪軌道面７ｂを経て小径段部８までの領域は、転がり疲労寿命確保のためと、内輪嵌合部のフレッチング防止のため、高周波焼入れによる硬化層１３が形成されている。
【００１２】
ところで、近年、自動車の燃費向上のため、車輪支持等に用いられるフランジ付軸受装置の軽量化が要求されている。軽量化のためには車輪取付用フランジ６の薄肉化などが進められているが、車輪取付用フランジ６を薄肉化すると該車輪取付用フランジ６の付け根部の強度が弱くなるため、軽量化には限度がある。
特に、車輪取付用フランジ６の車幅方向（板厚方向）外側の付け根部（以下、外側付け根部という）１４は、軸受装置が受ける荷重によって、回転曲げ応力が集中するため、疲労亀裂が生じる可能性がある。
【００１３】
一方、車輪取付用フランジ６の内側付け根部１２は、上述したように、高周波焼入れによる硬化層１３が形成されて高強度になっているため、非調質の外側付け根部１４よりも疲労強度が高くなっており、亀裂が生じる可能性は低い。
そこで、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４に高周波焼入れによる表面硬化層を形成することによって、車輪取付用フランジ６の付け根部全体の強度アップを図って薄肉化を可能したフランジ付軸受装置が提案されている（例えば特許文献１参照）
また、硬化層を有する軌道部の転がり疲労寿命を向上させることを目的として、通常のＳ５３Ｃよりも、Ｃを多く添加した合金鋼で形成されるフランジ付軸受装置が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−８７００８号公報
【特許文献２】
特開２００１−２００３１４号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の車輪用軸受装置においては、外側付け根部１４での高周波焼入れ部が１箇所増加することによるコストアップが生じ、また、車輪取付用フランジ６の内側付け根部１２と外側付け根部１４の両側が焼き入れ硬化することによる耐衝撃性の低下などが懸念される。
【００１６】
従って、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４を焼入硬化させることなく該車輪取付用フランジ６の薄肉化を進めるためには、鍛造後の疲労強度、切削性も考慮すると、耐久比（疲労限強度／引張り強度）の向上が必要となる。
また、近年、車輪支持用のフランジ付軸受装置において、走行時の振動やブレーキの偏摩耗を抑制するという目的から、フランジのブレーキロータ固定面などは、より高精度な加工が要求されてきている。前記フランジの加工は、旋削加工及びドリル穴あけ加工によってなされるため、材料の切削性及び穴あけ加工性への要求がさらに強くなってきているが、上述した特許文献２に記載のフランジ付軸受装置では、材料の切削性及び穴あけ加工性の問題の解決はなされていない。切削性や穴あけ加工性が悪いと、生産性の低下および工具寿命の低下が生じ、コストアップの要因になる。
【００１７】
更に、材料の切削性及び穴あけ加工性を向上させる方法としては、鋼に含まれるＣ量を下げることが有効であるが、Ｃ量を下げると、高周波焼入れした軌道部の転がり疲労寿命が低下するという問題がある。
更に、回転輪（車輪）側は、荷重を受けながら回転するため、フランジの付け根部分には、繰り返しの回転曲げ応力が生じる。フランジの付け根部分は、高周波焼入れをしていない非調質部を含むため、該非調質部の疲労強度も必要とされている。
【００１８】
本発明はこのような技術的背景を鑑みてなされたものであり、高周波焼入れ部を増加させることなくフランジの疲労強度を向上させることにより、フランジの薄肉化による軽量化を可能にしたフランジ付軸受装置及び該装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外面に軌道面を有する内方部材と、該内方部材の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方部材の外側に配置された外方部材と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体と、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方に設けられたフランジとを備えたフランジ付軸受装置において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、炭素の含有量が０．４５重量％以上０．６５重量％以下の炭素鋼製とし、且つ少なくとも前記フランジの初析フェライトの面積率を３〜１５％としたことを特徴とする
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記炭素鋼のＳ含有量が０．００３重量％以上０．０２０重量％以下であり、且つ該Ｓ含有量と前記初析フェライト組織の面積率との関係が、１０≦（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））≦３０であることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記Ｓ含有量に対して前記初析フェライト組織の面積率が、１≦（Ｓ含有量（重量％）×１０００）／初析フェライト組織の面積率（％）≦２の関係にあることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記フランジの厚さ方向外側の付け根部の単位面積（１０ｍｍ２  ）あたりの初析フェライトの面積率を３〜１５％とすると共に、該初析フェライトの最大長さを２００μｍ以下とし、更に、１８０μｍ以上の長さの初析フェライトを５個以下としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記フランジが設けられた部材がＶ（バナジウム）を０．０５〜０．３重量％含有することを特徴とする。
また、請求項６に係る発明は、高周波焼入れがなされていない非調質部の回転曲げ疲労強度を向上させるためには、熱間鍛造後の金属組織を均一微細化することが有効であり、熱間鍛造方法を最適化することにより、前記目的を達成できるという知見に基づいてなされたものであり、内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に固定側又は回転側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有するフランジ付軸受装置の製造方法において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、Ｃ：０．４５〜０．６５重量％、Ｍｎ：０．５〜１．５重量％、Ｓｉ：０．１〜１．０重量％、Ｃｒ：０．０１〜０．５重量％、Ｓ≦０．０２５重量％、Ｏ≦１５ｐｐｍ、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼を使用して熱間鍛造により成形し、前記熱間鍛造時の材料加熱温度が９００〜１０５０°Ｃで、鍛造打ち終わり時の温度が８００°Ｃ以上としたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７に係る発明は、請求項６において、鍛造打ち終わり時の温度から６００°Ｃになるまでの平均冷却速度を０．５〜５°Ｃ／秒としたことを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項６又は７において、Ｖ：０．０１〜０．２重量％、Ｎｂ：０．０１〜０．１５重量％及びＴｉ：０．０１〜０．１５重量％の内の少なくとも１種を含む合金鋼を使用したことを特徴とする。
【００２３】
請求項９に係る発明は、内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に固定側又は回転側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有するフランジ付軸受装置において、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の製造方法を用いて製造され、前記フランジの付け根部の金属組織が、フェライト・パーライト組織を含み、且つ該フェライト・パーライト組織の旧オーステナイト結晶粒度が４以上であることを特徴とする。
【００２４】
更に、請求項１０に係る発明は、合金元素の最適化、即ち、鋼に含まれるＣを低減し、ＳｉおよびＶを所定の割合で添加することによって、高周波焼入れがなされた軌道部の転がり疲労寿命を保持すると同時に、生産性を低下させることなく高精度な加工を可能にするために、切削性及び穴あけ加工性を向上させ、さらに、高周波焼入れがされていない非調質部の疲労強度も向上できるという知見に基づいてなされたものであり、内方部材と外方部材との間に複数の転動体が配設され、前記内方部材及び前記外方部材の少なくとも一方の部材に車体側又は車輪側に取り付けるためのフランジを有すると共に、少なくとも軌道部周辺に高周波焼入れによる硬化層を有する車輪支持用のフランジ付軸受装置において、
少なくとも前記フランジが設けられた部材を、Ｃ：０．４５〜０．５０重量％、Ｓｉ：０．３〜１．５重量％、Ｖ：０．０３〜０．３重量％、Ｍｎ≦１．５重量％、Ｃｒ≦１．０重量％、Ｓ≦０．０３５重量％、Ｏ≦１５ｐｐｍを含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる合金鋼により形成し、且つＣ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値が０．５５〜０．７５を満たすと共に、前記高周波焼入れによる硬化層の軌道部表面硬さがＨｖ６３０〜Ｈｖ７５０、該高周波焼入れによる硬化処理がされていない部分の硬さがＨｖ２２０〜Ｈｖ３００であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に係る発明は、請求項１０において、少なくとも車輪側に取り付けられるフランジの付け根部の非調質部における初析フェライト面積率が、５％以上１５％以下であることを特徴とする。
請求項１２に係る発明は、請求項１〜５、９〜１１のいずれか一項において、前記内方部材をハブ輪として、該ハブ輪の一端部に前記フランジとしての車輪取付用フランジを配設すると共に、前記ハブ輪の他端部に形成した小径段部に内輪を嵌め込んで該内輪の外周面及び該ハブ輪の軸方向の中間部外周面にそれぞれ軌道面を形成して複列の内輪軌道面とし、また、前記外方部材を外輪として、該外輪の内周面に前記複列の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面を形成すると共に、該外輪の前記車輪取付用フランジから離間する側の端部に懸架装置取付用フランジを形成し、前記複列の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に複数の前記転動体を転動自在に配設したことを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態のフランジ付軸受装置は、その基本的構成が図１で説明したものと同一であるため、図１を流用して説明する。
（第１の実施の形態：請求項１〜５、１２に対応）
フランジ付軸受装置１では、ハブ輪２が回転している状態で路面から軸受にラジアル荷重が生じるため、前記車輪取付用フランジ６の付け根部に回転曲げ応力が発生する。特に、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４は焼入硬化等の熱処理が施されることはなく、回転曲げ応力が集中するため、使用条件や設計条件によっては破損が生じてしまう恐れがある。
【００２７】
一方、上述した通りハブ輪２は軽量化が要求されているため、車輪取付用フランジ６の薄肉化が望まれている。しかし、車輪取付用フランジ６の薄肉化を進めるためには、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労強度向上が必要である。
中炭素鋼を熱間鍛造加工後に焼入硬化等の熱処理が施されていない車輪取付用フランジ６の外側付け根部（非調質鋼）１４では、一般に、硬さの増加により疲労強度が向上する（「金属疲労  微小欠陥と介在物の影響」村上敬宜、養賢堂、１９９３、ｐ８参照）。しかし、ハブ輪２の車輪取付用フランジ６は熱間鍛造加工後に旋削加工及びドリル加工が施されるため、必要以上に硬さを増加させると、加工性が著しく低下してしまう。
【００２８】
そこで、本発明者らは必要以上に硬さを増加させず、また、加工性を低下させずに疲労強度を向上させる方法を、鋭意研究した結果、次の知見が得られた。
（１）疲労強度の向上は硬さだけではない。
硬さの増加に従い疲労強度が向上する傾向にあるが、同一の硬さでも疲労強度にばらつきが見られた。この両者を比較した結果、材料の組織に違いが見られた。中炭素鋼は非調質では回転曲げ応力に対して最弱組織である初析フェライト組織に亀裂が発生し、主に初析フェライト粒内および初析フェライトとパーライト境界を進展する。
【００２９】
つまり、疲労強度のばらつきは初析フェライト組織の析出量及び形態に起因していることが解った。
（２）旋削加工性の低下は硬さだけではない。
硬さの増加に従い旋削加工性が低下する傾向にあるが、同一の硬さでも加工性にばらつきが見られた。この両者を比較した結果、材料の組織中に存在する介在物、特にＭｎＳ（マンガンサルファイド）の量や形状に違いが見られた。
【００３０】
中炭素鋼の非調質鋼の硬さは初析フェライト組織の析出量で決まってくる。初析フェライト組織は硬さが低く、塑性変形し易いため、初析フェライト組織の析出量が多いと硬さが低下し、加工性が向上する。同様に微量では有るがＭｎＳも塑性変形し易いため、旋削加工性は向上するが、硬さにはほとんど影響しない。
つまり、旋削加工性のばらつきはＭｎＳ等の介在物量や形状に起因していることが解った。
【００３１】
本発明者らは、以上の知見を基に中炭素鋼を非調質で、必要以上に硬さを増加させず、加工性を低下させずに疲労強度を向上させる方法を見出した。
疲労強度の向上の方法として、初析フェライト組織の析出量及び形態の最適化が有効である。また、加工性向上には初析フェライト組織の析出量とＭｎＳの分散量が多いほうが良好となる。
【００３２】
初析フェライト組織は結晶粒界や炭化物等の微細析出物を核にして析出、成長する。さらに、鋼中の非金属介在物であるＭｎＳを起点に析出、成長する場合もある。初析フェライト組織は上述した通り塑性変形し易く、弱い組織なので、大きく成長した初析フェライト組織は応力が集中しやすく、破損しやすくなる。また、初析フェライト組織は結晶粒界に沿って析出、成長するため、大きく成長すると、初析フェライト組織が結晶粒界に網目状に成長（以下、単にネットという）し、結晶を囲むような状態になると、構造上、回転曲げ応力に対して極度に弱い状態となってしまう。
【００３３】
そこで、本発明では初析フェライト組織を微細に分散させて析出させることで、初析フェライト組織の成長を抑制し、ネット状態に析出することも防ぐことができる。また、初析フェライト組織が分散することにより応力集中も分散するため、回転曲げ応力に対して強い組織となる。分散析出した初析フェライト組織は疲労強度を上げると共に、加工性にも有効となる。従って、初析フェライト組織を微細分散させることで疲労強度と加工性の両方を同時に向上させることが可能となる。
【００３４】
初析フェライト組織を微細分散させる具体的な製造方法としては、▲１▼素材に合金元素を添加することや、▲２▼熱間鍛造条件の最適化による結晶組織の微細化、▲３▼ＭｎＳの適量分散等がある。以下、▲１▼、▲２▼及び▲３▼の順に説明する。
▲１▼鋼中に炭化物等の析出物を微細に分散させると、結晶粒の成長を抑制し結晶組織を微細化することができる。初析フェライト組織は、上述した通り、結晶粒界や炭化物等の微細析出物を核にして析出、成長する。特に図２に示すような結晶粒界の交点（３重点）は初析フェライト組織が析出しやすいので、結晶組織を微細化すると粒界の交点が増加し、結果的に初析フェライト組織を微細分散させることができる。鋼中に炭化物等の析出物を微細に分散させるためには、適量のＣ（重量％）の添加が必要であり、炭化物形成元素であるＣｒ添加やＶの微量添加も有効である。
▲２▼上述した通り、結晶組織を微細化すると結果的に初析フェライト組織を微細分散させることができる。熱間鍛造の加熱は金属組織の原子拡散を活発にし、結晶粒を成長させる。従って、結晶粒径を微細にするためには熱間鍛造温度を低くしたほうが好ましい。また、鍛造加工度が大きいほど結晶粒径は微細になる。しかし、熱間鍛造温度を低くしすぎると素材の変形抵抗が大きくなり、加工荷重が上昇し、低温で複雑な形状の鍛造を行う際には、形状不良や割れが発生する場合もある。
【００３５】
一方、鍛造後の冷却に関しては、冷却速度を速めたほうが初析フェライト組織の成長が抑制される。しかし、必要以上に速い冷却速度では、焼入硬化（マルテンサイト変態）が起こり、鍛造後の旋削加工性に著しく悪影響を及ぼすか、場合によっては割れが発生する。加熱、冷却を含めた鍛造条件を最適にすることで、結晶粒径を微細にし、結果的に初析フェライト組織を微細分散させることができる。
▲３▼ＭｎＳは初析フェライト組織の析出の核となり易く、初析フェライト組織の微細分散を促進する傾向があると共に、旋削加工性を向上させる効果がある。ただし、例えばハブ輪では製造工程で、図１の符号９部に示す冷間加工部があるため、ＭｎＳが必要以上に多く分散した場合、冷間加工時に割れの起点となる恐れがある。ＭｎＳを適量分散させることで、初析フェライト組織の微細分散を促進させることができる，
本発明では、炭化物となる炭素量の限定、及び初析フェライト組織の析出量を面積率で限定し、ＭｎＳの析出状態を制御するＳ添加量を限定、さらに、旋削加工性を左右する初析フェライト組織の析出量とＭｎＳの分散量の和を限定することにより、中炭素鋼を非調質で、必要以上に硬さを増加させず、加工性を低下させずに疲労強度を向上させることを可能とした。
【００３６】
また、文献（「機械構造用非調質鋼の疲労強度に及ぼす加工熱処理の影響」熱処理３９巻６号：野村一衛著、日本熱処理技術協会編）によれば、「中炭素のフェライト＋パーライト型の非調質鋼の回転曲げ応力に対しては表面の初析フェライトで発生した応力集中によって、疲労亀裂が発生し、主に初析フェライト粒内および初析フェライト／パーライト境界を進展する。疲労強度改善のためには、亀裂発生単位のフェライト粒を微細化することが有効である」と述べられている。
【００３７】
従来のフランジ付軸受装置１の車輪取付用フランジ６の付け根部では結晶粒界に沿って長くて大きな初析フェライトが析出しており、変態時のフェライト核生成の頻度が少なかったか、或いはフェライトの成長によって同じ結晶方位を持つもの同士が合体したためである。
このようなオーステナイト粒界にフィルム状に析出したフェライト組織を有していては、回転曲げ応力による疲労亀裂が発生しやすい。フェライト粒を微細化するためには、フェライト核生成数を決定するオーステナイト粒径の微細化、或いは炭化物や窒化物の微細分散が効果的である。
【００３８】
しかしながら、オーステナイトの平均粒径を微細化するだけでは、初析フェライトの分布を完全に制御できず、車輪取付用フランジ６の付け根部のクラックを完全に抑制することができなかった。
そこで、フランジ付軸受装置１の車輪取付用フランジ６の付け根部の疲労強度を更に向上させることを目的として、本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、以下の内容の知見を得た。
【００３９】
まず、後述する画像解析法によって車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の初析フェライトの分布状態調査し、該外側付け根部１４の疲労強度との関係を調べた。その結果、初析フェライトの長さおよび初析フェライトの面積率が疲労強度を支配していることを見出した。
具体的には、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４表面の単位面積（１０ｍｍ２  ）あたりの初析フェライトの面積率を３〜１５％とすると共に、該初析フェライト最大長さを２００μｍ以下とし、更に、１８０μｍ以上の長さの初析フェライトを５個以下とした。また、初析フェライトの最大長さは好ましくは１５０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ或いは５０μｍ以下とする。
【００４０】
次に、本発明の数値限定理由を述べる。
［初析フェライト組織の面積率を３％以上１５％以下］
初析フェライトは、上記文献に記載されているように亀裂の発生起点となることや、高周波焼入性の観点からは可能な範囲で少ないほうが好ましいが、後述のドリル穿孔試験によると加工性を付与する効果もあるため初析フェライトの面積率は３％以上必要となる。但し、初析フェライトの面積率が１５％以上になると軟質のフェライトの増加によって疲労強度が低下してしまうので、初析フェライトの面積率は３〜１５％とした。
【００４１】
上記のような初析フェライトの分布を得るためには、ハブ輪２の熱処理工程でオーステナイト／フェライト変態時に多くの核をランダムに生成させることが必要で、その手段として、例えば鍛造時の加工性を妨げない程度の鍛造温度の低下によるオーステナイト粒径の微細化およびＶ（バナジウム）等の合金炭化物によるオーステナイト粒径の微細化、或いは合金炭化物上でのフェライトの核生成が有効である。
【００４２】
更に、鍛造後の冷却制御によっても初析フェライトの分布をコントロールすることができる。例えば、鍛造後の冷却速度を速くすると、フェライトの成長を抑えることができ、フェライトがネット状につながりにくくすることができる。
以上のように、ハブ輪２の車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４で応力集中の原因となる方向に大きなフェライト粒の分布を制御すると結果的に亀裂発生の最小単位が小さくなるので、外側付け根部１４での疲労破壊を効果的に抑制することができる。
［Ｃ：０．４５重量％以上０．６５重量％以下］
また、ハブ輪２の素材の鋼中のＣが０．４５重量％未満であると、転動部の高周波焼入硬さが低く、転動疲労寿命を与えるのに必要な強度ＨＲＣ５８以上とすることができない。さらに、車輪取付用フランジ６の付け根部の硬さが十分に得られなくなり、特に、外側付け根部１４の回転曲げ応力に対する疲労強度が低くなる。一方、Ｃが０．６５重量％を超えると、初析フェライト組織の面積率の低下と硬さの上昇により旋削加工性が低下するだけでなく、転動疲労寿命および疲労強度を大きく改善できないため、ハブ輪２の素材の炭素鋼中のＣは０．４５重量％以上、０．６５重量％以下とした。
［Ｓ：０．００３重量％以上０．０２０重量％以下］
ＳはＭｎＳ等の硫化物系非金属介在物生成の原因となる元素で、添加量に比例して非金属介在物が増加する傾向にある。ＭｎＳ等の硫化物系非金属介在物は上述の通り、塑性変形し易い為、旋削加工性が向上する。また、初析フェライト組織の微細分散を推進する傾向にあるが、必要以上に多く添加した場合、ＭｎＳが多くなりすぎて、冷間加工時に割れの起点となる恐れがある。
【００４３】
また、加工性の向上や初析フェライト組織の微細分散の効果を出すには、添加量が０．００３重量％以上必要であり、一方、０．０２０重量％を超えて添加するとＭｎＳが多くなりすぎて、冷間加工時に割れの起点となる恐れがあるので０．０２０重量％以下とする。
［１０≦（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））≦３０］
旋削加工性は初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量で決まってくるが、初析フェライト組織の析出量は同一炭素量であっても、熱間鍛造条件や析出物によって変化する。さらに、ＭｎＳは初析フェライト組織の析出起点となり、分散析出を推進する働きも兼ね備えているため、単純に炭素量やＳ添加量を規定するだけでは、旋削加工性の指針にはならない。
【００４４】
そこで、本発明者らは、初析フェライト組織の析出量を面積率で測定し、また、ＭｎＳの効果を考慮してＳ添加量に定数を積して初析フェライト組織面積率を加えた、旋削加工性係数を導き出した。旋削加工性係数が１０未満になると初析フェライト組織の析出量及びＭｎＳ量が不足して、十分な加工性が得られない。また、旋削加工性係数が３０を超えると初析フェライト組織の析出量が多くなりすぎるため、疲労限が低下してしまう。
【００４５】
従って、旋削加工性係数は１０以上３０以下とする。
［Ｖ：０．０５〜０．３重量％］
更に、Ｖ（バナジウム）の合金炭化物によるオーステナイト粒径の微細化を行う場合は、Ｖ添加量を０．０５〜０．３重量％とすることが好ましく、また、ハブ輪２の素材の酸素濃度は転動部の転がり疲労寿命を考慮すると、１２ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００４６】
このように、この実施の形態では、ハブ輪２の少なくとも車輪取付用フランジ６のミクロ組織を微細化することにより、車輪取付用フランジ６の形状・寸法を変更することなく、且つ高周波焼入れ部の増加によるコストアップを招くことなく、回転曲げ疲労の最弱部である車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４を高強度化することが可能になる。この結果、車輪取付用フランジ６の薄肉化が可能となり、フランジ付軸受装置の軽量化を実現できる。
【００４７】
以上のように炭化物となる炭素量の限定及び、初析フェライト組織の析出量を面積率で限定し、ＭｎＳ量を制御するＳ添加量を限定、さらに、旋削加工性を左右する初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量の和を限定することにより中炭素鋼を非調質で、必要以上に硬さを増加させず、且つ加工性を低下させずに疲労強度を向上させることを可能とした。
【００４８】
ここで、本発明者らは車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労強度に関して初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量との割合と相関があることをつきとめた。初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量の和が旋削加工性を示しているが、初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量のバランスが崩れると、旋削加工性は維持しているが、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労強度が下がってしまう場合がある。
【００４９】
ＭｎＳ量に対して初析フェライト組織の析出量が多すぎる場合は、初析フェライト組織の析出起点が減少していても析出量が多くなる。つまり、初析フェライト組織が大きく成長して面積率を高めてしまっていることが解かる。ＭｎＳ量に対して初析フェライト組織の析出量が多すぎる場合は、初析フェライト組織の微細分散が不十分となり、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労強度が低下する傾向にある。
【００５０】
一方、ＭｎＳ量に対して初析フェライト組織の析出量が少なすぎる場合は、ＭｎＳを起点に析出した初析フェライト組織以外の粒界の交点や析出物から析出した初析フェライト組織の量が異常に少ないことを示している。初析フェライト組織の析出する場所が少ない。つまり、初析フェライト組織の微細分散化が不十分で、析出物も不足した組織であり、疲労強度が低下する傾向にある。
【００５１】
従って、旋削加工性に加えて十分な車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労強度を得るためには  初析フェライト組織の析出量とＭｎＳ量のバランス（フランジ疲労限係数）が重要となる。ＭｎＳ量はＳ添加量に比例するため、フランジ疲労限係数はＳ添加量と初析フェライト組織の面積率の比で次の式で表される。
【００５２】
フランジ疲労限係数＝（Ｓ含有量（重量％）×１０００）／初析フェライト組織の面積率（％）
ここで、フランジ疲労限係数が２を超えてしまうと、ＭｎＳ量に対して初析フェライト組織の析出量が多すぎるため、疲労強度が低下傾向を示し、１未満ではＭｎＳ量に対して初析フェライト組織の析出量が少なすぎるため、疲労強度が低下する傾向を示した。
【００５３】
従って、旋削加工性に加えて十分な車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の疲労限強度を得るためには、フランジ疲労限係数＝（Ｓ含有量（重量％）×１０００）／初析フェライト組織の面積率（％）が１以上２以下であることが望ましい。
【００５４】
【実施例Ａ】
（第１実施例）
本発明の効果を確認するために、表１に示す素材を用いて、種々の熱間鍛造条件で加工したあと、ミクロ組織を確認し、初析フェライト組織の量を画像解析で測定した。
【００５５】
【表１】
2004156764.tif 000003
【００５６】
熱間鍛造は棒鋼を切断後、９５０〜１２００°Ｃの間で各種温度まで高周波誘導加熱し、組織の微細レベルを変化させ、据えこみ加工を主体とした熱間鍛造を施し、さらに、種々の冷却速度で冷却し、多様の初析フェライト組織の析出状態を作り出している。
ミクロ組織はピラクール腐食液でエッチングを行い、組織を電子顕微鏡で撮影し、画像解折装置によって、その電子顕微鏡画像の素地から初析フェライト組織だけを取り出してその面積率を算出した。
【００５７】
電子顕微鏡：日本電子社製、ＪＳＭ−Ｔ２２０Ａ
画像解析装置：カールツァイス社製、ＩＢＡＳ２０００
熱間鍛造冷却後にショットブラストによる酸化膜除去をした後、旋削加工により各種試験片を作成し、切削工具寿命試験、回転曲げ疲労試験、冷間加工試験、異物混入潤滑下寿命試験を行い、各種評価を行った。各試験条件は次の通りである。
〈切削工具寿命試験〉
切削機械：高速旋盤
工具：Ｐ１０（ＪＩＳ  Ｂ  ４０５３）
切り込み速度：１８０〜２２０ｍ／ｓｅｃ
送り量：０．２〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み深さ：０．６〜１．０ｍｍ
ＪＩＳ  Ｂ  ４０１１のバイト切削試験法に従って、上記条件で各試料を研削し、バイトの逃げ面摩耗量が０．２ｍｍに達するまの時間を工具寿命とした。
〈回転曲げ疲労試験〉
試験機：小野式回転曲げ疲労試験機
試験片：ＪＩＳ１−８号試験片（ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４）
回転速度：３７００ｍｉｎ−１
停止回転数は１０７  回とし、試験荷重を変えて破損しなくなった条件を疲労限強度とした。
〈冷間加工試験〉
φ２０×３０ｍｍの円柱試験片を旋削加工で作成し、据込率８０％で円柱試験片の上下から冷間圧縮（鍛造）加工を行い、円周上に割れが発生したかどうかの確認を行った。試験は各々１０個加工し、割れの発生した確率を調査した。
〈異物混入潤滑下寿命試験〉
「特殊鋼便覧」第一版（電気製鋼研究所編、理工学社、１９６９年５月２５日発行）第１０〜２１頁に記載のスラスト型軸受鋼寿命試験機を用いて、転動体にはＳＵＪ２のボールを用い、各サンプル２０個試験を行い、フレーキングが発生した時点までの累積応力繰り返し回数（寿命）を調査してワイブルプロットを作成し、各ワイブル分布の結果から各々のＬ１０寿命を求めた。また、応力繰り近し回数が１０７  を超えたものは中断とし、全数１０７  を超えた場合にはＬ１０寿命を１０７  とした。
【００５８】
試験面圧：最大４９００ＭＰａ
回転速度：１０００ｍｉｎ−１
潤滑油：♯６８タービン油
寿命試験片の軌道部は高周波加熱による焼入、焼戻を施している。
各試験結果を表２に纏めて示す。また、図３にＳ量（重量％）×１０００＋α面積率（％）と工具寿命との関係を、図４にＳ量（重量％）／α面積率（％）と疲労限強度との関係をそれぞれ示す。なお、表２及び図３、図４においては、便宜上、初析フェライト組織の面積率をα面積率として表示している。
【００５９】
【表２】
2004156764.tif 000004
【００６０】
表２、図３、図４から明らかなように、実施例１〜２１ではＳ添加量と初析フェライト組織の面積率及び旋削加工性係数（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））が本発明範囲内にあるため、旋削加工性（工具寿命）や疲労限強度、冷間割れ発生率及び焼入硬化後の転がり寿命すべてに優れた良好なフランジ付軸受装置用の材料を得ることができ、特に、フランジ疲労限係数＝（Ｓ含有量（重量％）×１０００）／初析フェライト組織の面積率（％）が１以上２以下の実施例５、６、８、９、１７〜１９は疲労限強度が優れているのが判る。
【００６１】
一方、材料成分でＳ添加量が高すぎる比較例１は、冷間圧縮加工でＭｎＳを起点とした割れが多発している。材料成分でＣ添加量が低すぎる比較例２では、高周波焼入による硬さが低下したため、転がり寿命が著しく低下している。材料成分でＣ添加量が高すぎる比較例３は初析フェライト組織の面積率が低くなりすぎるため、また、旋削加工性係数（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））が低すぎる比較例５は旋削加工性が著しく低下してしまう。逆に初析フェライト組織の面積率が高めのため旋削加工性係数（Ｓ含有量（重量％）×１０００＋初析フェライト組織の面積率（％））が高すぎる比較例４や初析フェライト組織の面積率自体が高すぎる比較例６は初析フェライト組織の微細分散が不十分のため、疲労限強度が低下してしまう。
（第２実施例）
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
【００６２】
まず、表３のＡ〜Ｄの成分の棒状素材を用い、各棒状素材を切断後、それぞれについて９５０〜１２００°Ｃの温度にまで高周波誘導加熱、熱間鍛造により所定の形状に仕上げた。その後、強制空冷または放冷し、ショットブラストによる酸化膜除去をした後、旋削、軌道面の高周波焼入・研磨を行って図６に示すハブ輪２を製作した。
【００６３】
なお、ハブ輪２は表４の実施例２２〜３０、比較例７〜１１のものを用意した。また、実施例２２〜３０のハブ輪２については、上述した初析フェライトの分布制御を行ったものを用いた。
【００６４】
【表３】
2004156764.tif 000005
【００６５】
【表４】
2004156764.tif 000006
【００６６】
次いで、各ハブ輪２について、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４を研磨した後にピクラールで表面を腐食してミクロ組織を観察した。
この観察は、まず、顕微鏡倍率２００〜５００倍で視野内のミクロ組織を２値化して、初析フェライト粒のみを抽出し、図５に示すように、連続したフェライト粒の絶対最大長（輪郭線上の任意の２点間の距離の最大値で与えられ、これをフェライト長さとする）の分布およびフェライト面積率を画像解析によって求めた。
【００６７】
次に、各ハブ輪２を用いて図６に示す試験用のフランジ付軸受装置（駆動輪支持用）を作成した。なお、この軸受装置は、図１で説明したものと基本的構成が同一であるため、図１と同一符号を付して説明を省略する。また、この軸受装置の複列の転動体５の軸方向ピッチは５９ｍｍ、玉数は１２個とし、外輪４の素材はＳ５３Ｃ、内輪３及び転動体５の素材はＳＵＪ２を用いた。図６において符号１５はアキシアル荷重を受け止めるべく外輪４の懸架装置取付用フランジ１１側の端部に嵌め込まれた受け部材である。
【００６８】
そして、実施例２２〜３０及び比較例７〜１１の各ハブ輪２を組み込んだ図６のフランジ付軸受装置を用いて、それぞれ車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の耐久荷重試験を行った。
試験は、上記フランジ付軸受装置を、アキシアル荷重Ｆａ＝５０００Ｎ、ラジアル荷重Ｆｒ＝６０００〜９０００Ｎ、回転速度１００ｍｉｎ−１で５０時間回転試験を行い、試験後にハブ輪２の車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４にクラックが発生したラジアル荷重Ｆｒを耐久荷重と判定した。試験結果は、比較例７に対する比で表した。
【００６９】
次に、ドリル穿孔試験によってハブ輪２の車輪取付用フランジ６の加工性を評価した。
試験条件は次の通りである。
試験部位    ：車輪取付用フランジ６
ドリル工具  ：φ８ｍｍ、ＳＫＨ５１
穿孔方式    ：乾式
穿孔深さ    ：１０ｍｍ
切削速度    ：２１ｍ／ｍｉｎ（８４０ｍｉｎ−１）
推力        ：６８６Ｎ（７０ｋｇｆ）
試験結果は、従来品レベルの工具寿命となる比較例７に対して、同等以上のものを「○」、それ以下のものを「×」とした。
【００７０】
以上の各試験結果を表４に纏めて示す。
表４から明らかなように、ハブ輪２の素材である炭素鋼の炭素の含有量が０．４５重量％以上０．６５重量％以下とされ、且つ車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の単位面積（１０ｍｍ２  ）あたりの初析フェライトの面積率が３〜１５％とされると共に、該初析フェライトの最大長さが２００μｍ以下とされ、更に、１８０μｍ以上の長さの初析フェライトが５個以下とされた実施例２２〜３０は、比較例７〜１１に比べて、車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の耐久荷重および車輪取付用フランジ６の加工性において良好な結果が得られた。また、ハブ輪２の素材にＶを添加した実施例２２，２４は車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の耐久荷重性能が他の実施例２３，２５〜３０より増加しているのが判る。
【００７１】
一方、初析フェライトの最大長さが２００μｍを超えている比較例１０は、長さ１８０μｍ以上のフェライト粒が５個以上存在した比較例７、フェライト面積率が本発明の上限を越えている比較例８、ハブ輪２の素材の炭素鋼のＣ含有量が高く、初析フェライトの最大長さは、本発明範囲内であったが、鍛造放冷ままでは、加工性が悪く焼鈍を行わざるを得なかった比較例１１はいずれも車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の耐久荷重が非常に低くなった。さらに、比較例９は車輪取付用フランジ６の外側付け根部１４の耐久荷重が増加しているが、車輪取付用フランジ６の加工性の低下が問題となった。
（第２の実施の形態：請求項６〜９、１２に対応）
また、図１を参照して、０．４５〜０．６５重量％のＣを含む中炭素鋼で構成されるフランジを有する、内方部材（ハブ輪２）あるいは外方部材（外輪４）の、熱間鍛造後の金属組織は、初析フェライトが旧オーステナイ結晶粒界に沿って網目状に析出したフェライト・パーライト組織になる。フェライト組織は、パーライト組織と比較して、強度が低いため、初析フェライトが粗大に析出した金属組織は、疲労強度が低くなる可能性がある。本発明者らは、フランジ付軸受装置の内方部材（ハブ輪２）あるいは外方部材（外輪４）の、前記フェライト・パーライト組織からなる部位の疲労強度を向上させるためには、網目状に析出する初析フェライトを微細に分散析出させることが有効であるという知見を得た。
【００７２】
旧オーステナイト粒径を微細化すると、結晶粒界での応力集中を抑制する効果や、オーステナイト／フェライト変態時の核生成のサイトを増やし、初析フェライト粒を微細に析出させる効果がある。初祈フェライトが微細に分断すると亀裂発生の最小単位が小さくなるので、疲労破壊を効果的に抑制することができる。
網目状に析出する初祈フェライトを微細に分散析出させるためには、熱間鍛造条件が大きな影響を与える。
【００７３】
熱間鍛造のために、材料を加熱すると、金属組織はオーステナイト組織になる。この際、オーステナイト粒径は、熱間鍛造の加熱温度を高温にするほど、原子の拡散が活発になり粒成長しやすい。また、熱間鍛造時の塑性加工量が大きくなるほど、再結晶の際の核生成エネルギーおよび核生成サイト数が大きくなるため、オーステナイト粒径は小さくなる。
【００７４】
本発明によれば、フランジを有する、内方部材あるいは外方部材においては、フランジにおける熱間鍛造時の塑性変形量が大きいため、熱間鍛造時の加熱温度を、従来温度より低くすることにより、効果的にオーステナイト粒の成長が抑制され、疲労強度が向上することができる。鍛造時の加熱温度が１０５０°Ｃ以上になると、オーステナイト粒径が粗大化し、疲労強度向上の効果が小さい。また、９００°Ｃ未満になると、変形抵抗が大きくなり、プレス成形機および金型の寿命を低下させる。よって、本発明の熱間鍛造の加熱温度は、９００〜１０５０°Ｃとする。
【００７５】
しかしながら、熱間鍛造温度を従来温度より低くすると、鍛造割れが生じやすくなる。これは、温度が低下した際に、金属組織の一部がオーステナイト状態からフェライト・パーライト組織に変態し、その状態で鍛造すると、金属組織が不均一に塑性変形し、鍛造割れが生じる。本発明は、鍛造割れを防止するために、鍛造が打ち終わる際に、金属組織を均一なオーステナイト状態にするように、鍛造打ち終わり時の温度を規定している。鍛造時の打ち終わり温度が８００°Ｃ未満になると、金属組織の塑性変形が不均―になり鍛造割れを生じやすくなる。よって、本発明の鍛造打ち終わり時の温度は、８００°Ｃ以上とする。
【００７６】
以下に、本発明で使用する鋼の合金成分の規定理由を述べる。
［Ｃ：０．４５重量％以上０．６５重量％以下］
ハブ輪２の素材の鋼中のＣが０．４５重量％未満であると、転動部の高周波焼入硬さが低く、転動疲労寿命を与えるのに必要な強度ＨＲＣ５８以上とすることができない。さらに、車輪取付用フランジ６の付け根部の硬さが十分に得られなくなり、特に、外側付け根部１４の回転曲げ応力に対する疲労強度が低くなる。一方、Ｃが０．６５重量％を超えると、初析フェライト組織の面積率の低下と硬さの上昇により旋削加工性が低下するだけでなく、転動疲労寿命および疲労強度を大きく改善できないため、ハブ輪２の素材の炭素鋼中のＣは０．４５重量％以上、０．６５重量％以下とした。
［  Ｍｎ：０．５〜１．５重量％］
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であり、０．５重量％未満であると、高周波焼入れ時の硬化層が浅くなるため、軌道部の転がり疲労が低下する。しかしながら、１．５重量％を超えると、加工性が低下する。よって、本発明のＭｎ量は、０．５重量％以上１．５重量％以下とする。
［  Ｓｉ：０．１〜１．０重量％］
Ｓｉは、焼入れ性を向上させ、しかもマルテンサイトを強化し、転がり疲労寿命を向上させる元素である。また、非調質部のフェライトに固溶し、フェライト組織の強度を向上させることにより、非調質部の疲労強度を向上させる。０．１重量％未満では前記の効果が不足する。しかしながら、１．０重量％を超えると、熱間鍛造性が低下する。更に、鍛造後の脱炭が大きくなるため、熱間鍛造後切削加工を行わなわず、鍛造したままの表面で使用する部位の疲労強度を低下させる。よって、本発明のＳｉ量は、０．１重量％以上１．０重量％以下とする。
［  Ｃｒ：０．０１〜０．５重量％］
Ｃｒは、焼入れ性を向上させる効果があり、さらに焼入れ後のマルテンサイト組織を強化し、転がり疲労寿命を向上させる。０．０１重量％未満では高周波焼入れ時の硬化層が浅くなり、また、マルテンサイト組織の強度も低下するので転がり疲労寿命が低下する。しかしながら、０．５重量％を超えると、熱間鍛造性および切削性が低下する。よって、本発明のＣｒ量は、０．０１重量％以上０．５重量％以下とする。
［  Ｓ≦０．０２５重量％］
Ｓは、鋼中でＭｎＳなどの非金属介在物を形成し、鋼中のＭｎＳが鍛造割れの起点になる場合がある。また、ハブ輪２に内輪３を加締め（図１の符号９参照）により固定するタイプのフランジ付軸受装置において、非調質部のＭｎＳは加締め部９の割れの起点になる場合がある。
【００７７】
以上２つの理由からＳ量は少ないほうが好ましく、Ｓ量が０．０２５重量％を超えると、鍛造割れあるいは加締め部９の割れなどが増加する場合があるため、本発明のＳ量は、０．０２５重量％以下とする。好ましくは、安定的な鍛造割れ防止と加締め部９の割れ防止を考慮して、Ｓ量は０．０１５重量％以下とする。
［Ｏ≦１５ｐｐｍ］
Ｏは、高周波焼入れされた軌道部の転がり疲労に大きな影響を与える元素である。Ｏは鋼中でＡｌ２  Ｏ３  などの非金属介在部を形成し、転がり疲労によるはくりの起点になり転がり疲労寿命を低下させる。よって、転がり疲労寿命を向上させるためには、Ｏ量は少ないほうが好ましい。Ｏ量は、１５ｐｐｍを超えると、転がり疲労寿命を低下させる場合があるため、本発明のＯ量は、１５ｐｐｍ以下とする。
【００７８】
更に、非調質部の疲労強度と、高周波焼入れをした軌道部の転がり寿命を向上させるためには、熱間鍛造後の冷却速度を、所定の範囲に規定することが効果的である。
熱間鍛造が打ち終わった際の金属組織は、オーステナイト状態であるが、冷却すると変態が生じ、初析フェライトとパーライト組織が生成する。この変態は、約６００°Ｃでほぼ終了し、冷却後の組織はフェライト・パーライト組織になる。この際、冷却速度が遅いと、初析フェライトの成長が促進され、初析フェライトの粗大な塊が生成する。この場合、フェライトはパーライトと比較して、強度が低いため、粗大な初析フェライトの塊は、疲労きれつの起点および伝播経路になりやすく、非調質部の疲労強度が低下する。また、軌道部周辺に高周波焼入れをする際、粗大な初析フェライトの塊が存在すると、焼入れ性の低下、あるいは硬さの不均一が生じる場合がある。
【００７９】
そこで、平均冷却速度は以下の式で規定する。
平均冷却速度（°Ｃ／秒）＝（鍛造打ち終わり時の温度（°Ｃ）−６００（°Ｃ））／（鍛造打ち終わり時から６００°Ｃになるまでの冷却時間（秒））
鍛造打ち終わり時の温度から、６００°Ｃになるまでの平均冷却速度が０．５°Ｃ／秒未満であると、前述した疲労強度の低下、高周波焼入れ性の低下あるいは高周波焼入れ後の硬さの不均一などが生じる場合がある。
【００８０】
一方、冷却速度が速すぎると、初析フェライト量が少なくなるため、硬さが高くなり、切削加工性が低下する。また、一部に不完全焼入れ組織が生じた場合には、著しく加工性が低下する。前記平均冷却速度が５°Ｃ／秒を超えると加工性が低下する。よって、本発明の平均冷却速度は０．５°Ｃ／秒以上５°Ｃ／秒以下が好ましい。さらに好ましくは、安定的な疲労強度向上と、切削加工時の生産性を考慮して、平均冷却速度は１°Ｃ／秒以上３°Ｃ／秒以下とする。
【００８１】
また、鋼中に炭化物あるいは窒化物を微細に分散させるとそれらのピン止め効果によって、結晶粒の成長を効果的に抑制することができ、鍛造温度の低下と同様の効果を得ることができる。添加する合金元素としては、後述のようにＶ，ＴｉあるいはＮｂが好ましい。
本発明で使用されるＶ，ＮｂあるいはＴｉは、鋼中で微細な炭化物あるいは窒化物を生成し、熱間鍛造時に鋼材を加熱した際に生ずるオーステナイト結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。また、Ｖ，Ｎｂ、あるいはＴｉの微細な炭化物あるいは炭窒化物は、熱間鍛造後の冷却時に、初析フェライトの析出サイトになるという効果もあり、フェライトの微細分散析出を促進する。よって、Ｖ，Ｎｂ、あるいはＴｉの添加によって、フェライトが微細に分散した金属組織を得ることができ、フランジ周辺部の非調質部の疲労強度を向上させる。
【００８２】
また、高周波焼入れによって形成した硬化層を有する軌道部は、転がり疲労寿命が要求される。高周波焼入れがされた金属組織は、主にマルテンサイト組織になるが、本発明で使用される鋼には、Ｖ，ＮｂあるいはＴｉが添加されているため、マルテンサイト中にも微細な炭化物あるいは炭窒化物が分散している。前記炭化物あるいは炭窒化物が微細分散すると、耐摩耗性および硬度が向上するため、転がり疲労寿命が向上する。
【００８３】
以下に、合金成分の限定理由を示す。
Ｖは、鋼中で炭化物あるいは窒化物を形成し、熱間鍛造時に、オーステナイト粒が成長するのを抑制し、旧オーステナイト粒を小さくする。また、Ｖの炭化物、窒化物自体も初析フェライトの析出サイトになるため、微細に分散された炭化物、窒化物から初析フェライトが析出し、フェライトの微細分散析出を促進する。特に、旧オーステナイト粒界に存在するＶの炭化物あるいは窒化物は、それぞれの炭化物粒子あるいは窒化物粒子から、初析フェライトを析出するため、旧オーステナイト粒界に網目状に析出するフェライトを分断し、疲労き裂がフェライト組織中を伝播するのを防ぎ、フェライト・パーライト組織を有する非調質部の疲労強度を向上させる効果が大きい。
【００８４】
また、Ｖの炭化物あるいは炭窒化物は非常に硬度が高いため、高周波焼入れされた軌道部のマルテンサイト組織内に微細に分散させると、耐摩耗性が向上し、転がり疲労寿命が向上する効果がある。Ｖが０．０１重量％未満であると、上記の効果が発揮されない。Ｖが０．２重量％を超えると、熱間鍛造性、切削性、および研削性が低下する。よって、本発明のＶ量は０．０１重量％以上０．２重量％以下が好ましい。さらに好ましくは、疲労強度の安定的な向上と生産性を考慮して、０．０２重量％以上０．１０重量％以下とする。
【００８５】
ＮｂもＶと同様、鋼中で炭化物あるいは窒化物を形成し、旧オーステナイト粒の成長を抑制させる効果および初祈フェライトの析出サイトになる効果を有するため、フェライト・パーライト組織を有する非調質部の初析フェライトを微細分散させ、疲労強度を向上させる効果がある。特にＮｂは、旧オーステナイト粒の成長を抑制させる効果が大きい。Ｎｂが０．０１重量％未満であると、上記の効果が発揮されない。Ｎｂが０．１５重量％を超えると、熱間鍛造性、切削性、および研削性が低下する。よって、本発明のＮｂ量は０．０１重量％以上０．１５重量％以下が好ましい。
【００８６】
ＴｉもＶと同様、鋼中で炭化物あるいは窒化物を形成し、旧オーステナイト粒の成長を抑制させる効果および初析フェライトの析出サイトになる効果を有するため、フェライト・パーライト組織を有する非調質部の初析フェライトを微細分散させ、疲労強度を向上させる効果がある。特にＴｉは、旧オーステナイト粒の成長を抑制させる効果が大きい。Ｔｉが０．０１重量％未満であると、上記の効果が発揮されない。Ｔｉが０．１５重量％を超えると、熱間鍛造性、切削性、および研削性が低下する。よって、本発明のＴｉ量は０．０１重量％以上０．１５重量％以下が好ましい。
【００８７】
前述したように、旧オーステナイト粒径の大きさを小さく抑制することは、非調質部の疲労強度向上に効果が大きい。結晶粒度が４未満であると、疲労強度向上の効果が小さい。
よって、本発明では、フランジ付軸受装置の応力集中が高くなるフランジ付け根部の旧オーステナイト結晶粒度を４以上とすることが好ましい。
【００８８】
本発明のフランジ付軸受装置に用いられる転動体には、ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼、あるいは前記高炭素クロム軸受鋼に浸炭窒化処理をしたもののなどを使用することが好ましい。また、本発明で用いられる転動体の形状は、用途に応じて、玉あるいはころを使用することができる。
更に、ハブ輪２に内輪３を加締め（図１の符号９参照）により固定するタイプのフランジ付軸受装置では、内輪３は、ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼を用いることが好ましい。
【００８９】
【実施例Ｂ】
図６に示す前述のフランジ付軸受装置を製作した。
上記ハブ輪２は  表５のＡ〜Ｈに示す合金成分を有する鋼を用いて、表６および表７に示す各条件で熱間鍛造し、強制空冷又は放冷を行った。その後、切削加工で所定の形状に加工し、内輪軌道面７ｂの周辺部から小径段部８の周辺部まで高周波焼入れを行い、表面に硬化層を形成し、その後、研削加工を行って仕上げ形状にした。表６に、高周波焼入れをした軌道部表面硬さ及び高周波焼入れをしていない非調質部の硬さを併記する。結晶粒度はＪＩＳ  Ｇ０５５１により測定した。
【００９０】
【表５】
2004156764.tif 000007
【００９１】
【表６】
2004156764.tif 000008
【００９２】
【表７】
2004156764.tif 000009
【００９３】
外輪４は従来材Ｓ５３Ｃを用いて、１１００〜１１５０°Ｃで熱間鍛造を行った。その後、切削加工を行い、外輪軌道面１０ａ周辺と外輪軌道面１０ｂの周辺は高周波焼入れを行った。その後、研削加工を行い最終形状にした。内輪３および転動体５はＳＵＪ２製であり、通常の焼入れ処理により、表面から芯部まで硬化している。
【００９４】
製作したフランジ付軸受装置の軸受形式は、転動体ピッチ径４９ｍｍの複列玉軸受であり、各列の玉数１２個である。この軸受装置を用いて、外輪４側のフランジ１１を固定側に、ハブ輪２側のフランジ６を回転側に取り付け、下記の条件で回転試験を行った。よって、この条件で回転試験を行った場合には、ハブ輪２のフランジ６の付け根部に繰り返し曲げ応力が負荷される。
【００９５】
ラジアル荷重Ｆｒ：５０００〜１５０００Ｎ
アキシアル荷重Ｆａ：５０００Ｎ
回転速度：４００ｍｉｎ−１
上記範囲内の所定のラジアル荷重で、４５ｈ回転試験を行い、軸受振動の増加の有無、あるいは、フランジ周辺部の疲労クラックの有無を確認した。振動の増加およびフランジ周辺部のクラックが無かった場合には、段階的にラジアル荷重を増加させて４０ｈ回転試験を行い、軸受の振動の増加あるいはフランジ周辺部の疲労クラックが発生した時の、ラジアル荷重を耐久荷重とした。回転試験結果を表６に併記する。なお、表６に記載した耐久荷重は、比較例１−９の回転試験結果を１．０として、比で表したものである。
【００９６】
表６に示す実施例１−１〜１−８は、合金成分および熱間鍛造条件が、本発明で規定する範囲内であるため、良好な金属組織が得られており、非調質部の回転曲げ疲労強度および高周波焼入れをした軌道部の転がり疲労寿命が優れており、良好な回転試験結果になっている。
―方、比較例１−９および１−１０は、熱間鍛造時の材料加熱温度（加熱保持温度）が本発明で規定する範囲より高いため、非調質部の疲労強度が劣り、回転試験の耐久荷重は低い結果となった。また、比較例１−１１は、熱間鍛造時の材料加熱温度が本発明で規定する範囲より低いため、変形抵抗が大きく、プレス成形機および金型への負荷が大きいため、加工を中止した。比較例１−１２は、鍛造後の平均冷却速度が、本発明で規定する範囲より遅いため、粗大な初析フェライトが生成したため、回転試験の耐久荷重は低い結果となった。比較例１−１３は、鍛造後の平均冷却速度が、本発明で規定する範囲より速いため、非調質部の硬さが大きくなり、切削性が著しく低下したため、加工を中止した。
【００９７】
図７は、鍛造時の材料加熱温度（加熱保持温度）と回転試験の耐久荷重との関係を示したものである。なお、図７では、平均冷却速度は同程度のもので比較を行ってる。
図８は、鍛造打ち終わり時から６００°Ｃまでの平均冷却速度と回転試験の耐久荷重との関係を示したものである。なお、図８では、材料加熱温度を１０００°Ｃと一定にしたもので比較を行っている。
【００９８】
以上より、熱間鍛造条件を最適化することにより、フランジ周辺の非調質部の回転曲げ疲労強度および高周波焼入れした軌道部の転がり疲労強度が優れたフランジ付軸受装置を得ることができる。
次に、鋼種を変えて、同様にハブ輪２を製作してフランジ付軸受装置を組立て、以下の条件で回転試験を行った。
【００９９】
ラジアル荷重：５０００〜１５０００Ｎ
アキシアル荷重：７０００Ｎ
回転速度：４００ｍｉｎ−１
表７に回転試験結果を併記する。なお、表７に記載した耐久荷重は、比較例２−８の回転試験結果を１．０として、比で表したものである。
【０１００】
表７に示す実施例２−１〜２−７は、合金成分および熱間鍛造条件が、本発明で規定する範囲内であるため、良好な金属組織が得られており、非調質部の回転曲げ疲労強度および高周波焼入れをした軌道部の転がり疲労寿命が優れており、良好な回転試験結果になっている。特に、実施例２−４〜２−７は、Ｖ、ＮｂあるいはＴｉを添加しているため、非調質部の組織が微細化して該非調質部の疲労強度が一段と高く、また、炭化物および窒化物の析出により、高周波焼入れされた軌道部の転がり疲労も良好である。
【０１０１】
一方、比較例２−８は、合金成分は本発明で規定する範囲であるが、熱間鍛造時の材料加熱温度が、本発明で規定する範囲より高いため、非調質部の疲労強度が劣り、回転試験の耐久荷重は低い結果となった。また、比較例２−９は、合金元素中に含まれるＳ量が、本発明で規定する範囲より高いため、鍛造割れが生じやすく、鍛造後にクラックが生じていたものがあったため加工を中止した。
【０１０２】
以上より、本発明で規定する合金成分の鋼を用いて、本発明で規定する熱間鍛造条件で鍛造することにより、フランジ周辺の非調質部の回転曲げ疲労強度および高周波焼入れした軌道部の転がり疲労強度が優れたフランジ付軸受装置を得ることができる。さらにＶ、ＮｂあるいはＴｉを添加することによって、一段と前記疲労強度向上の効果が高くなる。
（第３の実施の形態：請求項１０、１１、１２に対応））
フランジを有する内方部材あるいは外方部材は、熱間鍛造により成形された後、切削加工、穴あけ加工により所定の形状にする。その後、所定の部位に高周波焼入れを行い、硬化層を形成し、軌道部などは研削加工によって仕上げ加工を行う。
【０１０３】
中炭素鋼からなるフランジを有する内方部材あるいは外方部材の熱間鍛造後の金属組織は、初析フェライトが旧オーステナイ結晶粒界に沿って網目状に析出したフェライト・パーライト組織になる。前記金属組織において、切削性および穴あけ加工性を向上させるためには、初析フェライトの面積率を増加させ、かつ、初析フェライトを微細に分散析出させることが有効である。
【０１０４】
本発明は、鋼のＣ量を、従来よりも低減させることによって、初析フェライトの面積率を増加させている。また、Ｖを添加すると、Ｖの炭化物あるいは窒化物のピン止め効果により、オーステナイト結晶粒が微細化するため、旧オーステナイト結晶粒に沿って析出する初析フェライトの析出単位が微細になる。さらに、Ｖの炭化物あるいは窒化物自身が初析フェライトの析出核になるため、旧オーステナイト粒界に沿って析出する初析フェライトを分断し、より一層、初析フェライトを微細分散させる効果がある。
【０１０５】
以上の効果により、初析フェライトの面積率の増加および初析フェライトの微細分散により、良好な切削性および穴あけ加工性を得ることができる。好ましくは、初析フェライトの面積率を５％以上１５％以下とする。なお、初析フェライトの面積率は、Ｃ量、熱間鍛造時の鍛造温度、あるいは、熱間鍛造後の冷却速度を制御することによって、所望の面積率に制御することができる。
【０１０６】
また、高周波焼入れがされていない非調質部は、熱間鍛造後の金属組織のまま使用されるが、前述したＶ添加によるフェライトの微細分散効果は、非調質部の疲労強度の向上にも寄与する。理由を以下に述べる。
旧オーステナイト粒径を微細化すると、結晶粒界での応力集中を抑制する効果がある。また、フェライトは、パーライトと比較して強度が小さいため、疲労き裂の起点あるいは伝播経路になる可能性が高い。よって、初析フェライトが微細に分断することによって、疲労き裂の最小単位が小さくなる。以上より、疲労破壊を効果的に抑制することができる。
【０１０７】
また、もう一つの効果として、Ｖはフェライトの析出硬化にも寄与し、さらに、本発明で添加するＳｉは、フェライトの固溶強化に寄与する。よって、フェライト・パーライト組織の中で、強度が小さい部位である初析フェライト相を強化するため、最弱部の強度が向上し、疲労強度が向上する。
以上の効果により、旧オーステナイト結晶粒の微細化、初析フェライトの微細分散、およびフェライトの強化によって、非調質部の疲労強度が向上する。
【０１０８】
高周波焼入れによって形成した硬化層を有する軌道部の金属組織は、主にマルテンサイト組織になり、転がり疲労寿命が要求される。一般にＣ量を低減すると、炭化物が減少したり、素地のマルテンサイトの強度が低下したりするため、転がり疲労寿命は低下する。しかしながら、本発明で使用される鋼には、Ｖが添加されているため、マルテンサイト中に、微細なＶの炭化物あるいは窒化物が分散している。前記Ｖの炭化物あるいは窒化物は非常に硬度が高く、微細分散すると、耐摩耗性および硬度が向上するため、転がり疲労寿命が向上する。
【０１０９】
また、Ｓｉはマルテンサイトに固溶して、マルテンサイトの素地を強化するため、転がり疲労寿命を向上させる効果がある。さらに、焼戻し抵抗性を著しく向上させるため、Ｃ量を低減した鋼を焼入れ後に、焼戻しを行っても、硬さの低下が少ないため、良好な硬さを保持でき、転がり疲労寿命を良好に保つ。
以上の効果により、Ｃ量を低減しても、ＶおよびＳｉを所定の量添加することにより、転がり疲労寿命を良好に保持できる。
【０１１０】
以下に、本発明で使用する鋼の合金成分と硬さの限定理由を示す。
Ｃは、熱間鍛造後の硬さおよび、焼入れ焼き戻し後の硬さに大きな影響を与える元素であり、０．４５重量％未満では、焼入れ時の硬さが不足し、軌道部の転がり疲労寿命が低下する。さらに、熱間鍛造後の硬さも不足するため、非調質部の曲げ疲労強度も低下する。しかしながら、Ｃが０．５重量％を超えると、熱間鍛造後の硬さが大きくなり、切削性および穴あけ加工性が低下し、加工精度を向上させるには、加工時間を要する。よって、Ｓｉが０．３〜１．５重量％、Ｖが０．０３〜０．３重量％の場合は、本発明のＣ量は、０  ．４５重量％以上０．５０重量％以下とする。
【０１１１】
Ｓｉは、前述したように、マルテンサイトを強化し、さらに焼き戻し抵抗性を高めるため、転がり疲労寿命を向上させる元素である。また、非調質部のフェライトに固溶し、フェライト組織の強度を向上させることにより、非調質部の疲労強度も向上させる。Ｃが０．４５〜０．５０重量％の場合、Ｓｉが０．３重量％未満では前記の効果が不足する。しかしながら、Ｓｉが１．５重量％を超えると、熱間鍛造性が低下する。よって、本発明のＳｉ量は、０．３重量％以上１．５重量％以下とする。好ましくは、転がり疲労寿命および非調質部の疲労強度の安定的な向上と、熱間鍛造時の生産性を考慮して、Ｓｉ量は０．６５重量％以上１．０重量％以下とする。
【０１１２】
Ｖは、前述したように、非調質部の疲労強度と高周波焼入れ部の転がり疲労寿命を向上させる重要な元素である。Ｖは、旧オーステナイト粒を小さくし、さらに、初析フェライトの微細分散に寄与するため、非調質部の疲労強度を向上させる。また、Ｖの炭化物あるいは窒化物は非常に硬度が高いため、高周波焼入れされた軌道部のマルテンサイト組織内に微細に分散させると、耐摩耗性が向上し、転がり疲労寿命が向上する効果がある。Ｖが０．０３重量％未満であると、上記の効果が発揮されない。Ｖが０．３重量％を超えると、熱間鍛造性、切削性、および研削性が低下する。よって、本発明のＶ量は０．０３重量％以上０．３重量％以下とする。好ましくは、前記効果とコストを考慮して、Ｖ量は０．０３重量％以上０．１重量％以下とし、より好ましくは、０．０５重量％以上０．１重量％以下とする。
【０１１３】
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を向上させる元素であるが、１．５重量％を超えると、切削性および穴あけ加工性が低下する。よって、本発明のＭｎ量は１．５重量％以下とする。好ましくは、焼入れ時の生産性と切削性および穴あけ加工性を考慮して、Ｍｎ量は０．５重量％以上１．０重量％以下とする。
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させ、さらに焼入れ後のマルテンサイト組織を強化し、転がり疲労寿命を向上させる元素であるが、１．０重量％を超えると、熱間鍛造性および切削性が低下する。よって、本発明のＣｒ量は、１．０重量％以下とする。好ましくは、焼入れ時の生産性および転がり疲労寿命の向上と、加工性を考慮して、Ｃｒ量は０．１重量％以上０．５重量％以下とする。
【０１１４】
Ｓは、鋼中でＭｎＳなどの非金属介在物を形成する。高周波焼入れされた軌道部に存在するＭｎＳは、転がり疲労によるはくりの起点になり転がり疲労寿命を低下させる。また、ハブ輪２に内輪３を加締め（図１の符号９参照）により固定するタイプのフランジ付軸受装置において、非調質部のＭｎＳは加締め部９の割れの起点になる場合がある。
【０１１５】
以上２つの理由からＳ量は少ないほうが好ましく、Ｓ量が０．０３５重量％を超えると、転がり疲労寿命の低下あるいは加締め部９の割れなどが増加する場合があるため、本発明のＳ量は、０．０３５重量％以下とする。好ましくは、安定的な転がり疲労寿命確保と加締め部の割れ防止を考慮して、Ｓ量は０．０２０重量％以下とする。
【０１１６】
Ｏは、高周波焼入れされた軌道部の転がり疲労に大きな影響を与える元素である。Ｏは鋼中でＡｌ２  Ｏ３  などの非金属介在物を形成し、転がり疲労によるはくりの起点になり転がり疲労寿命を低下させる。よって、転がり疲労寿命を向上させるためには、Ｏ量は少ないほうが好ましい。Ｏ量は、１５ｐｐｍを超えると、転がり疲労寿命を低下させる場合があるため、本発明のＯ量は、１５ｐｐｍ以下とする。
【０１１７】
Ｃ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値は、Ｃを低減した場合の、ＳｉおよびＶの転がり疲労寿命への寄与を表したものである。Ｃを低減すると、転がり疲労寿命は低下するが、ＳｉおよびＶを添加することによって、転がり疲労寿命の低下を抑制することができる。ただし、Ｃ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値が０．５５未満であると、転がり疲労寿命が低下する。一方、０．７５を超えると、切削性および穴あけ加工性が低下する。よって、本発明におけるＣ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値は、０．５５以上０．７５以下とする。好ましくは、転がり寿命の安定的な向上と生産性を考慮して、Ｃ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖの値は、０．６０以上０．７０以下とする。
【０１１８】
また、内方部材あるいは外方部材の軌道部は、転動体から高面圧を受けるため、転がり疲労寿命向上のためには、高面圧に耐え得る高い硬度が必要になる。よって、高周波焼入れによって形成された硬化層の軌道部表面硬さはＨｖ６３０〜Ｈｖ７５０とするのが好ましい。軌道部表面の硬さがＨｖ６３０未満であると、硬度が不足することにより、転がり疲労寿命が低下する。一方、本発明で規定する合金成分でＨｖ７５０を超えると、靭性が低下するため、耐衝撃性が低下する。よって、本発明の高周波焼入れによって形成された硬化層の軌道部表面硬さは、Ｈｖ６３０以上Ｈｖ７５０以下とする。より好ましくは、転がり寿命向上のため、Ｈｖ７００以上とする。
【０１１９】
フランジ周辺部の非調質部は、回転曲げ疲労強度が必要である。本発明のフランジ付軸受装置に用いられる部材は、金属組織中のフェライトが微細に分散析出しているため、疲労強度が向上している。しかしながら、Ｈｖ２２０未満であると、非調質部の疲労強度が低下する。一方、Ｈｖ３００を超えると切削性および穴あけ加工性が低下する。よって、本発明の高周波焼入れによる硬化処理がされていない非調質部の硬さはＨｖ２２０以上Ｈｖ３００以下とする。より好ましくは、非調質部の安定的な疲労強度向上と、切削加工時および穴あけ加工時における生産性を考慮して、Ｈｖ２４０以上Ｈｖ２８０以下とする。
【０１２０】
本発明で用いられる転動体には、ＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼、あるいは前記高炭素クロム軸受鋼に浸炭窒化処理をしたものなどを使用することが好ましい。また、本発明で用いられる転動体の形状は、用途に応じて、玉あるいはころを使用することができる。
更に、ハブ輪２に内輪３を加締め（図１の符号９参照）により固定するタイプのフランジ付軸受装置では、内輪３は、ＳＵＪ２などの高炭素クロム軸受鋼を用いることが好ましい。
【０１２１】
【実施例Ｃ】
図６に示す前述のフランジ付軸受装置を製作した。
上記ハブ輪２は、表８に示す合金成分を有する鋼を用い、１０００〜１１５０°Ｃで熱間鍛造後、切削加工および穴あけ加工を行い、所定の形状にした。その後、内輪軌道面７ｂの周辺部から小径段部８の周辺部まで高周波焼入れおよび焼き戻しを行うことにより、表面に硬化層を形成し、研削により仕上げ加工を行った。表８に、高周波焼入れをした軌道部表面硬さ、および、高周波焼入れをしていない非調質部の硬さを併記する。
【０１２２】
【表８】
2004156764.tif 000010
【０１２３】
外輪４はＳ５３Ｃを用いて製作し、外輪軌道面１０ａの周辺と外輪軌道面１０ｂの周辺は高周波焼入れを行い、表面硬化層を有している。内輪３および転動体５はＳＵＪ２製であり、通常の焼入れ処理により、表面から芯部まで硬化している。
［回転試験］
製作したフランジ付軸受装置の軸受形式は、転動体ピッチ径４９ｍｍの複列玉軸受であり、各列の玉数１２個である。このフランジ付軸受装置を試験軸受装置として、下記の条件で回転試験を行った。
【０１２４】
ラジアル荷重Ｆｒ：９８００Ｎ
アキシアル荷重Ｆａ：４９００Ｎ
回転速度：３００ｍｉｎ−１
軌道部にはくりが生じた時点、あるいは、フランジ周辺部のクラックを確認した時点を寿命と判定した。回転試験から得られた寿命試験結果を表８に併記する。なお、表８に記載した試験寿命は、比較例３−１に示す従来品の試験寿命を１．０として、比で表したものである。図９はＣ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖと試験寿命との関係を示したものである。
［  加工試験］
製作したフランジ付軸受装置のハブ輪２を用いて、ドリル穴あけ試験を行った。下記の条件で、フランジ６にφ８ｍｍ、深さ１３ｍｍの穴あけ加工を行った。
【０１２５】
ドリル材質：ＳＫＨ５１
切削速度：１８ｍｍ／ｍｉｎ
送り速度：０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
試験後、ドリル刃先の逃げ面摩耗量を測定した。表８に結果を併記する。なお、表８の摩耗量は、比較例３−１に示す従来品の寿命を１．０として、比で表したものである。
【０１２６】
なお、表８に併記するフェライト面積率（％）は、ハブ輪２が備えるフランジ６の外側付け根部１４の非調質部の断面を、鏡面研磨およびエッチングすることによって金属ミクロ組織を現出させ、金属顕微鏡の観察写真０．１〜０．３ｍｍ２  を画像解析することによって測定した。
同じく表８に併記する非調質部硬さ（Ｈｖ）は、ハブ輪２が備えるフランジ６の外側付け根部１４の非調質部の断面を、ビッカース硬さ測定機で測定して求め、表８に併記する軌道部硬さ（Ｈｖ）は、ハブ輪２が備える軌道部の断面を切り出し、軌道溝表面から深さ０．２ｍｍの部位をビッカース硬さ測定機で測定して求めた。
【０１２７】
表８に示す実施例３−１〜３−１０は、合金成分が、本発明で規定する範囲内であるため、回転試験結果が従来品と同等以上であり、かつ、ドリル穴あけ試験の加工性が向上している。特に、実施例３−２、３−３、３−８、３−９および３−１０は、従来品よりも回転試験結果が優れており、かつ、加工性が特段に向上している。
【０１２８】
一方、比較例３−２および３−３は、鋼に含まれるＣあるいはＳｉ量が、本発明で規定する範囲より少なく、Ｃ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖも本発明で規定する範囲より少ないため、回転試験結果が著しく劣る。
比較例３−４は、Ｖの添加量が少ないため、回転試験結果が従来品よりやや劣り、さらにフェライトの析出量が少ないため、加工性が劣る。
【０１２９】
比較例３−５および３−６は、鋼に含まれるＳｉあるいはＶの添加量が、本発明で規定する範囲より多いため、回転試験の結果は良好であるが、加工性が著しく低下している。
以上より、合金成分を本発明で規定する範囲にし、フェライト面積率、非調質部の硬さ、および高周波焼入れした軌道部の硬さを所定の範囲に規定することによって、非調質部の疲労強度、高周波焼入れした軌道部の転がり寿命を良好に保持しながら、加工性に優れたフランジ付軸受装置を得ることができる。
【０１３０】
なお、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記各実施の形態では、内方部材をハブ輪２とした場合を例に採ったが、外方部材をハブ輪として該ハブ輪のフランジに本発明を適用してもよい。
また、上記各実施の形態では、ハブ輪２のみに本発明を適用した場合を例に採ったが、これに限定されず、ハブ輪２に加えて、内輪３や外輪４にも本発明を適用してもよい。
【０１３１】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、少なくともフランジのミクロ組織を微細化することにより、フランジの形状・寸法を変更することなく、且つ高周波焼入れ部の増加によるコストアップを招くことなく、回転曲げ疲労の最弱部であるフランジを高強度化することが可能になる。この結果、フランジの薄肉化が可能となり、フランジ付軸受装置の軽量化を実現できる。
【０１３２】
また、鋼の成分と熱間鍛造条件を最適化することによって、フランジ周辺の非調質部の回転曲げ疲労強度および高周波焼入れした軌道部の転がり疲労強度が優れたフランジ付軸受装置を得ることができ、該フランジ付軸受装置の軽量化が可能になる。
更に、合金成分を所定範囲に規定し、フェライト面積率、非調質部の硬さ、および高周波焼入れした軌道部の硬さを所定の範囲に規定することによって、非調質部の疲労強度、高周波焼入れした軌道部の転がり寿命を良好に保持しながら、加工性に優れたフランジ付軸受装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フランジ付軸受装置の一例を示す断面図である。
【図２】結晶粒界の交点の説明図である。
【図３】Ｓ量（重量％）×１０００＋α面積率（％）と工具寿命との関係を示すグラフ図である。
【図４】Ｓ量（重量％）／α面積率（％）と疲労限強度との関係を示すグラフ図である。
【図５】視野内のミクロ組織を２値化して初析フェライト粒のみを抽出した顕微鏡写真である。
【図６】実施例に用いた試験機としてのフランジ付軸受装置の断面図である。
【図７】鍛造時の材料加熱温度（加熱保持温度）と回転試験の耐久荷重との関係を示すグラフ図である。
【図８】鍛造打ち終わり時から６００°Ｃまでの平均冷却速度と回転試験の耐久荷重との関係を示すグラフ図である。
【図９】Ｃ＋０．２Ｓｉ＋０．５Ｖと試験寿命との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…フランジ付軸受装置
２…ハブ輪（内方部材）
３…内輪
４…外輪（外方部材）
５…転動体
６…車輪取付用フランジ
７ａ，７ｂ…内輪軌道面
８…小径段部
１０ａ，１０ｂ…外輪軌道面
１１…懸架装置取付用フランジ
１４…外側付け根部
【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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【図８】
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【図９】
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