(57)【要約】【課題】  長寿命、且つ低コストで信頼性の高い車輪支持用軸受装置を提供する。【解決手段】  外面に軌道面７，９を有する内方軌道輪２と、該内方軌道輪２の軌道面７，９に対向する軌道面１５，１６を内面に有して内方軌道輪２の外側に配置された外方軌道輪４と、前記軌道面７，９と前記軌道面１５，１６と間に転動自在に配置された転動体５とを備えた車輪支持用軸受装置において、前記転動体５が、前記内方軌道輪２及び前記外方軌道輪４より摩擦係数が低く、且つ少なくともＳｉ：０．４〜２．０重量％を含む鋼で形成され、更に、軌道輪４の表面層の残留オーステナイト量と転動体５の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とすると共に、転動体５の転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層を形成する。【選択図】      図１
2005325899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に軌道面を有する内方軌道輪と、該内方軌道輪の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方軌道輪の外側に配置された外方軌道輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた車輪支持用軸受装置において、
前記転動体が、前記内方軌道輪及び前記外方軌道輪の内の少なくとも一方の軌道輪より摩擦係数が低く、且つ少なくともＳｉ：０．４〜２．０重量％を含む鋼で形成され、更に、前記軌道輪の表面層の残留オーステナイト量と前記転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とすると共に、前記転動体の転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層を形成したことを特徴とする車輪支持用軸受装置。
【請求項２】
外面に軌道面を有する内方軌道輪と、該内方軌道輪の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方軌道輪の外側に配置された外方軌道輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた車輪支持用軸受装置において、
前記転動体が、前記内方軌道輪及び前記外方軌道輪より摩擦係数が低く、且つ少なくともＳｉ：０．４〜２．０重量％を含む鋼で形成され、更に、前記外方軌道輪の表面層の残留オーステナイト量と前記転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とすると共に、前記転動体の転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層を形成したことを特徴とする車輪支持用軸受装置。
【請求項３】
前記転動体が、少なくともＣ：０．３〜１．２重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼で形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載した車輪支持用軸受装置。
【請求項４】
前記内方軌道輪をハブ輪として、前記ハブ輪の端部に形成した小径段部に内輪を嵌め込むと共に、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、前記外方軌道輪を外輪として、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１〜３のいずれか一項に記載の車輪支持用軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車等の車輪を支持する車輪支持用軸受装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の車輪支持用軸受装置としては、例えば図１に示すものが知られている。  この車輪支持用軸受装置１は、ハブ輪（内方軌道輪）２、内輪３、外輪（外方軌道輪）４及び複数の転動体５を備えている。ハブ輪２の外周面のアウトボード側端部（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）には車輪取付用フランジ６が設けられ、該車輪取付用フランジ６には該フランジ６のアウトボード側の側面に車輪及びブレーキロータ等を取り付けるためのハブボルト１０が周方向に略等間隔で複数植設されている。
【０００３】
また、ハブ輪２のインボード側端部（自動車への組み付け状態で車幅方向内側の端部：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の外周面には内輪軌道面９が形成され、ハブ輪２の軸方向の中間部外周面には内輪軌道面７が形成されている。ハブ輪２のインボード側の先端は円筒状に形成されており、該円筒部（加締め部）１２を径方向外方に加締め広げることにより、内輪３がハブ輪２に加締め固定されている。なお、内輪３は、加締めの他、ナットでの締結によって必要な与圧を与えることもある。
【０００４】
外輪４の内周面にはハブ輪２の内輪軌道面７に対応する外輪軌道面１５及び内輪３の内輪軌道面９に対応する外輪軌道面１６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１７が設けられている。そして、複列の内輪軌道面７，９と複列の外輪軌道面１５，１６との間にそれぞれ複数の転動体５が保持器１４を介して周方向に転動可能に配設されている。
【０００５】
尚、図示の例では、転動体５として玉を使用しているが、重量の嵩む車輪支持用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。
また、ハブ輪２の前記車輪取付用フランジ６のインボード側の付け根部から内輪軌道面７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Ｔが形成されている。
【０００６】
上述の様な車輪支持用軸受装置１を自動車に組み付けるには、非回転輪側の外輪４の懸架装置取付用フランジ１７を懸架装置に固定し、回転輪側のハブ輪２の車輪取付用フランジ６にハブボルト１０又はハブボルト１０とナット（図示せず）を介してブレーキロータ及び車輪を固定する。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。
【０００７】
ところで、―般に、車輪支持用軸受装置の転動体及び内方軌道輪及び外方軌道輪の材料として、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）若しくはそれに類似する鋼又は炭素量が０．５〜０．７重量％の中炭素鋼が良く使用されている。これらの材料は、―般には、全体焼入れあるいは高周波焼入れ後、焼戻しして、硬さをＨＲＣ５８〜６２程度に硬化させることで必要な疲労寿命が確保されている。
このような鋼で形成された転がり軸受の定格疲れ寿命は、一般に、玉軸受であればＬ＝（Ｃ／Ｐ）3 、ころ軸受であればＬ＝（Ｃ／Ｐ）10/3（Ｌ：定格疲れ寿命、Ｃ：基本動定格荷重、Ｐ：軸受荷重）で示される。
【０００８】
近年、製鋼技術の飛躍的進歩によって鋼の清浄度が格段に向上し、清浄な油浴潤滑下で上記計算寿命を満足することなく早期に転がり疲れによるフレーキングが生じることは殆どなくなっているが、実際には、転がり軸受は、潤滑油中に金属の切粉、削り屑、バリ及び摩耗粉等が混入したり、劣悪な潤滑環境下で使用される場合も多く、このような場合には、上記定格疲れ寿命を満足できずに、早期にフレーキングが発生する場合がある（以下、清浄な油浴潤滑下において、介在物等を起点として生じるフレーキングを内部起点型フレーキング、潤滑油中の異物や劣悪な潤滑環境下で、表面を起点として生じるフレーキングを表面起点型フレーキングと称する）。
【０００９】
これに対して、車輪支持用軸受装置は、自動車等の足回りに使用されるため、シールによって厳重に密封されており、軸受内部の潤滑状態は清浄な潤滑条件下にある。そのため上記計算寿命を十分に満足する内部起点型はくりに属することになる。
しかしながら、想定外の条件下、例えばシールの破損や浸水等で軸受内部に異物が混入した場合、内部起点型はくりとならないことがある，
泥等の硬い異物の混入においては、前記表面起点型フレーキングを発生する一方、水の混入においては、摩耗を伴わない程度の水分量で、摩耗の痕跡は確認できないものの比較的表面を起点としたフレーキングを発生することがある。
【００１０】
また、従来技術として、浸炭等の熱処理により、低中炭素低合金鋼表面に球状炭化物を析出させることで、軌道輪及び転動体の表面硬さを向上させ、表面起点型フレーキングに対する寿命改善を目的としたものが開示されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
しかしながら、このように軌道輪及び転動体の表面硬さを向上させると、異物による圧痕のつき方は軽くなるが、その反面、軌道輪及び転動体の靭性が乏しくなり、潤滑油中に存在する異物により引き起こされる損傷箇所からクラックが発生し、それが起点となって早期にフレーキングが発生する場合があり、寿命を改善効果が不十分である。
【００１１】
そこで、表面層の残留オーステナイト量と硬さ、あるいは炭窒化物の含有量等を適正値にすることで、異物の噛み込みにより生じる圧痕縁における応力の集中を緩和し、表面起点型フレーキングに対して寿命向上を図ったものが開示されている（例えば特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。
また、潤滑油中の異物による表面損傷とフレーキング発生メカニズム、及び残留オーステナイトによる圧痕緑の応力集中低減効果と寿命延長効果等についても詳細に報告されており、これらは現在の表面起点型はくり寿命に対する長寿命化技術の基礎となっている（例えば非特許文献１参照）。
【００１２】
一方、水分による寿命低下については、次の（１）〜（４）のとおりである。なお、表面起点と記載しなかったのは介在物の影響を受ける場合があることと、一般的な応力集中限（摩耗痕や圧痕）を確認できなかったためである。
（１）腐食反応によって発生する水素が、軸受の軌道面の旧オーステナイト結晶粒界より原子状態で侵入して粒界を拡散していき、旧オーステナイト結晶粒界と交差する非金属介在物と素地材料間の空隙で水素分子化すなわちガス化する。
（２）水素ガス量が増加するにつれて空隙内の圧力が高まり、さらに転動体が当該空隙上を通過することにより一層圧力が高まったときに、軌道面とほぼ平行に空隙を押し広げるようにクラックが発生して水素ガスの圧力を下げる。
（３）しばらくすると、再度水素ガス量が増加してくるので再度クラックを進展させ、空隙内の圧力を下げる。
（４）この空隙内圧力上昇とクラックの進展による空隙内圧力の下降とを繰り返しながらクラックは進展していき、最終的にフレーキングを発生する。
【００１３】
このようなクラック進展を繰り返すため、フレーキングの破面は起点となる酸化物系介在物を中心に年輪状の模様となる。多くの場合、起点となる非金属介在物はフレーキング発生の際に脱落してしまうので、その検出は困難である。
ここで、軸受のこのようなフレーキングを、以下「水素脆性フレーキング」と称する。通常のフレーキングでは、ある一定の大きさ以上の一部の非金属介在物が早期フレーキングの起点となるのに対し、水素脆性フレーキングでは全ての無数の非金属介在物が早期フレーキングの起点となる。いま、無数の非金属介在物をたとえ半減させたとしても、なお無数の非金属介在物が存在するのであるから、材料鋼の高清浄度化による軸受の長寿命化は不可能である
また、潤滑剤は、一般に、水分を意図的に添加しなくても、空気等からわずかではあるが吸湿する性質をもち、数ｐｐｍから数千ｐｐｍの水分を通常、含む。例えば、使用軸受油の中に平均３４ｐｐｍ、最高４９９ｐｐｍの水分が計測されたという報告がある（例えば非特許文献２参照）。
【００１４】
これに対して、材料成分の観点から耐水素脆化を抑止するため、ＣｕやＮｉ等の合金元素を添加する技術が開示されている（例えば特許文献６及び特許文献７参照）。
【特許文献１】特公昭６２−２４４９９号公報
【特許文献２】特開平２−３４７６６号公報
【特許文献３】特開昭６４−５５４２３号公報
【特許文献４】特開平４−２６７５２号公報
【特許文献５】特開平５−７８８１４号公報
【特許文献６】特開平９−３２９１４７号公報
【特許文献７】特開平１０−０７８０３６号公報
【非特許文献１】ＡＳＴＭ−ＳＴＰ１１９５（１９９３）Ｐ１９９−２１０「Ｔｈｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｓｔｅｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｒｏｌｌｉｎｇ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ  Ｕｎｄｅｒ  Ｃｌｅａｎ  Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ」
【非特許文献２】渡部誠一、市川雪則著：使用油分析による潤滑管理の実際、トライボロジスト、４１（１９９６）、Ｐ１２６−１２９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、水素脆化した軌道面においてはクラックを開こうとする力が関与しており、車輪支持用軸受装置の軌道面の極表層部では（極表層部とは、ヘルツ接触理論に基づく最大剪断応力位置にくらべて、極めて表面近傍という意味である）に数多くのクラックが発生していることを確認している。
ここで、本発明者等は、このようなクラックの発生は、明らかに表面の接線力が関与しているとの仮説を立て、寿命延長の検討に取り組んだ結果、転動体が通過する際に発生する接線力を低下させると軌道面とほぼ平行に発生するクラックを効果的に抑制できることを見出し、これにより、装置の高性能化や低トルク化等を背景とした過酷な潤滑環境にあっても、素材の強度に頼らずに寿命延長効果が得られると共にコストダウンを達成できるとの知見を得た。
本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、長寿命、且つ低コストで信頼性の高い車輪支持用軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
先に述べたように、異物混入潤滑下における寿命低下は、これまでは異物の噛み込みによって形成された圧痕縁の盛り上がり部における応力集中が原因とされ、従来の長寿命化技術は、軌道面もしくは転動面を硬くして、圧痕そのものを形成させ難くすると同時に、圧痕が形成された場合であっても、圧痕縁の盛り上がり部における残留オーステナイトの応力集中軽減効果を最大限活用することによって、長寿命化を図るというものであった。
【００１７】
また、軌道輪の軌道面表面に前記特性を備えさせ、且つ必要硬化層深さを満足するように、長時間の浸炭もしくは浸炭窒化処理を行なわなければならず、一般の軸受鋼製の玉軸受よりも大幅なコストアップが余儀無くされていた。
そこで、本発明者らは、前記盛り上がり部における応力集中により疲労は進行するのであるが、最終的に、圧痕縁からクラックが発生、伝播するための駆動力は、転動体と盛り上がり部との間に生じる接線力であると考え、圧痕縁での接線力を低減できれば、クラック発生、伝播を結果的に遅延させるごとができ、長寿命化が図れるとの仮説を立て、鋭意検討を行なった。
【００１８】
その結果、例えば、Ｓｉを０．４重量％〜２．０重量％を含有する鋼に、表面窒素濃度が０．５重量％以上となるように浸炭窒化処理された転動体を用い、内方軌道輪及び／又は外方軌道輪および転動体の残留オーステナイト量を適正値にコントロールすることによって、軌道輪と転動体との摩擦を低減させることができ、これにより、クラックの発生、伝播が遅延して長寿命化が図れるとの知見を得、本発明を完成するに至った。
【００１９】
即ち、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軌道輪と、該内方軌道輪の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方軌道輪の外側に配置された外方軌道輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた車輪支持用軸受装置において、
前記転動体が、前記内方軌道輪及び前記外方軌道輪の内の少なくとも一方の軌道輪より摩擦係数が低く、且つ少なくともＳｉ：０．４〜２．０重量％を含む鋼で形成され、更に、前記軌道輪の表面層の残留オーステナイト量と前記転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とすると共に、前記転動体の転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層を形成したことを特徴とする。
【００２０】
請求項２に係る発明は、外面に軌道面を有する内方軌道輪と、該内方軌道輪の軌道面に対向する軌道面を内面に有して前記内方軌道輪の外側に配置された外方軌道輪と、前記両軌道面間に転動自在に配置された転動体とを備えた車輪支持用軸受装置において、
前記転動体が、前記内方軌道輪及び前記外方軌道輪より摩擦係数が低く、且つ少なくともＳｉ：０．４〜２．０重量％を含む鋼で形成され、更に、前記外方軌道輪の表面層の残留オーステナイト量と前記転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とすると共に、前記転動体の転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層を形成したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２において、前記転動体が、少なくともＣ：０．３〜１．２重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼で形成されたことを特徴とする。
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、前記内方軌道輪をハブ輪として、前記ハブ輪の端部に形成した小径段部に内輪を嵌め込むと共に、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、前記外方軌道輪を外輪として、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。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、潤滑油中に泥等の異物が混入したり、水分の混入が見られるような劣悪な潤滑環境下で使用された場合に、計算寿命よりも短い時間に発生する表面起点型あるいは、表面近傍を起点としたフレーキングに対して、転動体の摩擦特性を改善することによって、接線力による応力集中部からのクラックの発生、伝播を遅延させるとともに、転動体自身も強化し、これにより、転動体を変更するのみで容易に長寿命、且つ低コストで高信頼性の車輪支持用軸受装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態の一例を説明する。なお、この実施の形態の車輪支持用軸受装置は、その基本的構造が図１で説明したものと略同一であるため、図１を流用して説明する。
本発明の実施の形態の一例である車輪支持用軸受装置は、転動体５が、ハブ輪（内方軌道輪）２及び／又は外輪（外方軌道輪）４の軌道輪（軸受鋼）より摩擦係数の低い鋼で形成され、且つ軌動輪の表面層の残留オーステナイト量と転動体５の表面層の残留オーステナイト量との合計が１０〜３０体積％とされており、更に、転動体５が、少なくともＣ：０．３〜１．２重量％、Ｓｉ：０．４〜２．０重量％、Ｍｎ：０．２〜２．０重量％、Ｃｒ：０．５〜２．０重量％を含有する鋼で形成され、その転動面表面に、窒素濃度が０．３〜２．０重量％となる浸炭窒化層が形成されている。
【００２４】
これにより、潤滑油中に泥等の異物が混入したり、水分の混入が見られるような劣悪な潤滑環境下で使用された場合に、計算寿命よりも短い時間に発生する表面起点型あるいは表面近傍を起点としたフレーキングに対して、転動体の摩擦特性を改善して接線力による応力集中部からのクラックの発生、伝播を遅延させるとともに、転動体５自身も強化することで、転動体５を変更するのみで容易に長寿命を達成し、且つ低コストで高信頼性の車輪支持用軸受装置を提供することを可能にする。
【００２５】
以下、詳述する。
（転動体が軌道輪（軸受鋼）より摩擦係数の低い鋼で形成され、且つ軌動輪の表面層の残留オーステナイト量と転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計が１０〜３０体積％）
先に述べたように、転動体表面の摩擦係数を低減すると、圧痕縁における接線力が低減し、クラックの発生、伝播を遅延させる効果があり、転動体を変えるだけで、軌道輪に発生するフレーキング寿命を改善できる効果がある。摩擦係数が鋼球より小さいものの代表例として、セラミックス球があるが、非常に高価である。
【００２６】
また、摩擦係数だけ低くても、表面層の残留オーステナイト量が十分に確保されていないと、転動体にフレーキングが発生しやすくなるため、上記摩擦係数に加え、転動体表面層には、少なくとも４体積％以上の残留オーステナイト量の確保が必要である。残留オーステナイト量は多いほど転動体に発生する圧痕縁を起点としたフレーキングは生じにくくなるが、多すぎるとかえって耐疲労性が低下したり、摩擦特性が低下して、上記転動体の低摩擦化による寿命延長効果が得られなくなる場合がある。
【００２７】
さらに、残留オーステナイト量が多くなると、寸法変化を起こしやすくなる。これは、熱的に不安定な残留オーステナイトが分解することによるものである。これを防止するには、合金元素を添加して、熱的な安定性を高める他方法がない。しかし、残留オーステナイトの分解による寸法変化を抑止することはできず、結局、残留オーステナイト量を規定することが必要である。
【００２８】
そこで、本発明においては、軌動輪表面層の残留オーステナイト量と転動体表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％と規定して転動体通過時の接線力を低下させる。
特許第３０４７０８８号公報では、外輪を高周波焼入れとした場合の転がり軸受の長寿命化技術が開示されているが、素材のＳｉ含有量が低く、浸炭窒化処理を行っても後述のよう摩擦力を低減することはできない。
【００２９】
先に述べたように、水分混入潤滑下においても接線力がはくりの発生に大きく関与している。亀裂の進展を防ぐためには、浸炭等による表面の圧縮残留応力の付与が最も一般的であるが、本発明は、亀裂を開こうとする力、即ち接線力を低下させることに主眼を置いて、転動体を低摩擦係数とすると共に、軌動輪表面層の残留オーステナイト量と転動体表面層の残留オーステナイト量との合計量を規定する。
【００３０】
車輪支持用軸受装置において、インボード側の温度上昇が大きく、転動体の寸法変化（膨張）が起こるとその部分のすきまが負の値に大きくなり、大幅な寿命の低下を招いてしまう。負すき間の増大は、転動体の正規の動きが不能になり、接線力を大幅に増大させることがわかった。この点を考慮すると、転動体の寸法変化は、極力抑制することが必要で、これに必要な軌動輪表面層の残留オーステナイト量と転動体表面層の残留オーステナイト量との合計の上限値は、後述のように３０体積％以下とすべきである。
【００３１】
現行の車輪支持用軸受装置においては、外輪およびハブ輪の大部分が中炭素鋼の高周波部分焼入れされ、ハブ輪の一部を高炭素クロム軸受鋼で作製し、これらを組み合わせて使用している。
現状の外輪における転動条件が厳しく、外輪軌道面での剥離の発生の確率が高い。したがって、外輪の軌道表面層の残留オーステナイト量と転動体表面の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とするのが好ましい。
【００３２】
次に、転動体の具体的合金成分の組成及びその他熱処理品質等について説明する。
本発明においては、具体的には、転動体に十分な疲れ寿命と軸受鋼よりも良好な摩擦特性（低μ）を付与するため、後述する鋼を浸炭窒化処理し、表面層の窒素濃度を０．５重量％以上、且つ軌動輪表面層の残留オーステナイト量と転動体表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％としている。
【００３３】
一般に、転動体には、軸受鋼を焼入れ、焼戻しした鋼球が使用されるが、潤滑油中に異物を含む劣悪な環境下で軸受が使用される場合には、軌道輪だけを浸炭窒化処理することにより強化しても、鋼球にフレーキングが発生し、結果として、軸受寿命が改善されない場合もある。そこで、異物混入潤滑下での寿命対策として、軌道輪だけでなく、軸受鋼を浸炭窒化処理によって強化した鋼球等を用いることが考えられる。
【００３４】
しかしながら、上記鋼球は、軸受鋼鋼球と摩擦係数がほぼ同等であり、軌道輪を浸炭もしくは浸炭窒化処理等によって強化しなければ、軌道輪のフレーキング寿命そのものを改善する効果はない。
そこで、転動体自身の寿命を改善しつつ、上記転動体による軌道輪の寿命延長効果を得て、結果として軸受全体での寿命改善を図るために、本発明においては、転動体の合金組成を次のように規定している。
【００３５】
（Ｃ含有量：０．３〜１．２重量％）
炭素は、鋼に必要な強度と寿命を得るために必要な元素であるが、これが少なすぎると、十分な強度が得られないだけでなく、後述する浸炭窒化処理の際に、必要な硬化層深さを得るための熱処理時間を長くなり、熱処理コストの増大につながる。そのため、Ｃ含有量は０．３重量％以上、好ましくは、０．６重量％以上とする。また、逆に、Ｃ含有量が多すぎると、製鋼時に巨大炭化物が生成され、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えたり、ヘッダー性が低下してコストの上昇を招く虞れがあるため、上限を１．２重量％とする。
【００３６】
（Ｓｉ含有量：０．４〜２．０重量％）
Ｓｉは、製鋼時に脱酸剤として必要であるだけでなく、基地マルテンサイトを強化するとともに、焼戻し軟化抵抗性を高め、疲労寿命を延長するのに極めて有効な元素である。また、浸炭窒化層の諸特性を満足するための、表面窒素濃度や残留オーステナイト量等をバランス良く確保するためには、なくてはならない必須元素である。その効果を十分に発揮させるためには、少なくとも０．４重量％以上、好ましくは０．８重量％以上が必要である。
しかしながら、Ｓｉは含有量が多すぎると、ヘッダー性、被削性等を低下させるだけでなく、浸炭窒化処理特性が低下して十分な硬化層深さや窒素拡散深さを確保できなくなる場合があり、完成品鋼球においては、後述する所定の表面品質が得られない場合があるため、上限を２．０重量％以下、好ましくは１．５重量％以下とする。
【００３７】
（Ｍｎ含有量：０．２〜２．０重量％）
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸剤としての働きがある他、焼入れ性を向上させたり、また、転がり寿命に有効な残留オーステナイトの生成を促進させる作用があり、０．２重量％以上必要である。しかし、Ｍｎは含有量が多すぎると、被削性、ヘッダー性を低下させるだけでなく、熱処理後においては、多量の残留オーステナイトが生成したりして、かえって耐疲労性が低下して良好が寿命が得られなくなる場合もあるため、上限を２．０重量％以下、好ましくは０．７重量％以下とする。
【００３８】
（Ｃｒ含有量：０．５〜２．０重量％）
Ｃｒは、基地に固溶して焼入れ性、焼戻し軟化抵抗性などを高めるとともに、高硬度の微細な炭化物または炭窒化物を形成して、軸受材料の硬さや熱処理時の結晶粒粗大化を防止して軸受寿命を高める作用がある。その効果を出すためには少なくとも０．５重量％以上、好ましくは１．３重量％以上必要であるが、２．０重量％を超えると、製鋼過程で巨大炭化物が生成して、その後の焼入れ特性や転動疲労寿命に悪影響を与えたり、ヘッダー性や被削性が低下するため、その上限は、２．０重量％以下、好ましくは１．６重量％以下とする。                                                                      
【００３９】
その他、ＭｏやＶ等の炭化物形成促進元素もＣｒと同様の作用効果が得られるので、素材費や加工性低下によるコストアップが生じない範囲で、それぞれ選択的に０〜２重量％程度添加しても良い。
また、その他残部は、実質的にＦｅからなるが、不可避不純物としてＳ，Ｐ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｏ等を含有する。これらの元素は、表面起点型フレーキングには特に際立った影響はないとされているが、その品質が著しく悪い場合には、内部起点型フレーキングが生じるようになるので、コストアップを招くような厳しい不純物規制は行なわないが、通常、軸受材料として使用できる清浄度規制（ＪＩＳ  Ｇ  ４８０５）を満足する品質（ベアリング  クオリティー）レベルとする。
【００４０】
次に、転動体の材料組成を除く、本発明における他の記載事項及び数値限定の臨界的意義を述べる。
（転動体表面の浸炭窒化層：窒素含有量、残留オーステナイト、表面粗さ）
本発明においては、まず、上記組成の線材をヘッダー加工及びフラッシング加工等によって素球を製作し、その後、表面層に所定の窒素を富化させるために浸炭窒化処理を行なう。
【００４１】
窒素は、炭素と同じように、マルテンサイトの固溶強化及び残留オーステナイトの安定確保に作用するだけでなく、窒化物または炭窒化物を形成して、摩擦摩耗特性を著しく高める作用がある。その効果を十分に発揮させるためには、少なくとも０．３重量％以上、好ましくは０．５重量％以上が必要である。ただし、必要以上に添加されると、窒化物または炭窒化物の析出量が増大して、十分な残留オーステナイト量が確保できなくなったり、焼入れ性が低下して、十分な耐疲労性が得られない場合がある。そこで、窒素濃度の上限を２．０重量％以下とする。残留オーステナイトの作用効果については、前述した通りである。
【００４２】
また、浸炭窒化処理は、鋼を一旦オーステナイト化させ、焼入れ後において、表面層に十分な残留オーステナイト量を確保できるように、炭素と窒素を基地組織に固溶させるとともに、表面層に摩擦、摩耗低減効果の高い窒化物あるいは炭窒化物を析出分散させることを狙いとして行なわれる。
具体的には、ＲＸガス、エンリッチガス及びアンモニアガスの混合ガス雰囲気中で行なわれるが、アンモニアガスは処理温度が高くなるほど分解しやすく、その結果、前記混合ガス中の残留アンモニアガスの濃度が小さくなり、十分な窒素量を転動体表面に富化できなくなる場合がある。また、温度が低いと、十分な炭素と窒素を基地組織に固溶させることができず、所定の残留オーステナイト量確保と耐疲労性確保が難しくなる。そこで、浸炭窒化処理は、８２０〜８５０°Ｃ程度で実施されることが好ましい。
【００４３】
また、浸炭窒化処理した後は、油焼入れし、組織の安定化のため２００〜２６０°Ｃ程度の焼戻しに供される。その後、タンブリング加工あるいはボールピーニング加工等を行ない、最終的に、残留する加工歪による経時的な表面のウェービネス変化を抑制するため、１４０〜１８０°Ｃ程度で焼戻しを行ない、ラップ加工に供される。なお、完成鋼球の表面硬さは、異物の噛み込み時の圧痕形成を抑制し、より長寿命を得るため、好ましくはＨｖ８００〜１０００程度とする。
【００４４】
また、転動体の表面粗さが大きくなると、潤滑条件が厳しい場合は勿論であるが、圧痕の盛り上がり部において、金属接触が生じ、接線力が大きくなることによって、十分な寿命延長効果が得られない場合がある。そのため、転動体表面の粗さは、０．０３μｍＲａ以下、好ましくは０．０１μｍＲａ以下とする。
以上のように、本発明の車輪支持用軸受装置は、従来の異物混入潤滑下における長寿命化技術をさらに発展させてたものであり、従来の軸受鋼製転動体を、より低摩擦係数を有する所定の転動体に変更するだけで、圧痕縁の応力集中部におけるクラックの発生、伝播を抑制し、大きな寿命延長効果が得られる長寿命な車輪支持用軸受装置を提供することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の実施例を説明する。
本発明の効果を検証する手法として、内径４０ｍｍ、外径６０ｍｍで、軌道列間２５ｍｍ、転動体（鋼球）径１／２インチの複列アンギュラ玉軸受の構造を備えた図１と略同様の車輪支持用軸受装置を作製した。
表１に、発明例及び比較例に該当する転動体のＳｉ成分及び完成品転動体の品質等を示す。転動体のＳｉを除く元素は、Ｃ：０．９５〜１．１０重量％、Ｃｒ：１．３０〜１．６０重量％、Ｍｎ：０．２〜０．５重量％、Ｐ：０．０２５重量％以下、Ｓ：０．０２５重量％以下、その他不可避的不純物とした。
【００４６】
【表１】
2005325899.tif 000003
【００４７】
転動体は、まず、上記成分の線材にヘッダー加工、フラッシング加工、粗旋削加工を施して素球を製作し、表１に示す熱処理及び後工程を行なった。各熱処理の条件は次の通りである。
１．浸炭窒化焼入れ（８３０°Ｃ×３ｈｒ，ＲＸガス＋エンリッチガス＋アンモニアガス雰囲気）、２００〜２７０°Ｃ焼戻し
２．浸炭焼入れ（８４０°Ｃ×３ｈｒ，ＲＸガス＋エンリッチガス雰囲気）、２００〜２７０°Ｃ焼戻し
３．焼入れ（８４０°Ｃ×０．５ｈｒ，ＲＸガス雰囲気）、２００〜２７０°Ｃ焼戻し
また、転動体に対して上記熱処理を行なった後、タンブラー加工（バレル加工）を行ない、その後、再度、１５０〜１７０°Ｃで焼戻しを行ない、０．０１μｍＲａ以下までラップ仕上げして完成品とした。
【００４８】
なお、完成品転動体の表面窒素量の測定には、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用い、定量分析を行った。発明例の転動体はＳｉ含有量が高いため、浸炭窒化処理によって高濃度の窒素が富化できる。また、転動体の表面層の残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折法により測定し、いずれも転動面を直接分析測定した。
軌道輪は、目的に応じてＳＡＥ１０５５、ＳＡＥ１０７０、Ｓ５３Ｃ（いずれも高周波部分焼入れ焼戻し又は一体焼入れ焼戻し）、ＳＵＪ２（一体焼入れ焼戻し）を用いた。軌道輪の表面層の残留オーステナイト量の測定は、Ｘ線回折法により測定し、いずれも軌道面を直接分析測定した。完成品転動体の硬さは、転動体表面硬さをビッカース硬さ計（９８Ｎ）にて測定し、３点の平均値を転動体硬さとした。
【００４９】
次に、得られた完成品転動体を用いて、ボールオンディスク試験により、転動体と相手部材である各種平板試験片との摩擦抵抗の違いを測定した。なお、測定は、回転数２００ｍｉｎ-1、試験温度８０°Ｃ、初期試験荷重を９．８Ｎとし、定位置で固定した。２枚の相手部材（平板試験片）は、先に述べた４種の材料を表１の外輪に相当する焼入れ、焼戻しを施した硬さＨＲＣ６１の試験片を用いた。測定結果は、表１中に、比較例７に対する摩擦力の比（以下、比摩擦力と称する）として示してある。
【００５０】
図２に発明例及び比較例における外輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と比摩擦力との関係を示す。
図２より、外輪と転動体の残留オーステナイト量の合計値が大きくなるにつれて比摩擦力が大きくなっており、３０体積％を超えると、転動体にＳｉ添加してＮを富化することで低摩擦とした効果がなくなることが確認できる。
【００５１】
残留オーステナイトは、転がり寿命には、有益な作用効果を発揮するのであるが、軟質であることと寸法変化因子が重複して作用するがゆえに摩擦抵抗においては、外輪と転動体の残留オーステナイト量の合計値が３０体積％を超える場合にかえって大きくなる傾向にある。従って、本発明では、軌動輪の表面層の残留オーステナイト量と転動体の表面層の残留オーステナイト量との合計を１０〜３０体積％とする。
【００５２】
次に、面圧およびハブボルトのＰＣＤ等の基本条件を同一とした上記車輪支持用軸受装置を用いて、次に示す条件により、転がり疲れ寿命試験を行なった。
［異物混入潤滑寿命試験条件］
荷重：６２２３Ｎ
回転数：３００ｍｉｎ-1
潤滑油：♯６８タービン油
（混入異物）
組成：Ｆｅ3 Ｃ系粉
硬さ：ＨＲＣ５２
粒径：７４〜１４７μｍ
混入量：潤滑油中に３００ｐｐｍ
試験結果を表１に示す。なお、表１の異物混入潤滑寿命比は、比較例８の結果を１としたときの比で示した。また、図３に発明例及び比較例における外輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と異物混入潤滑寿命比との関係を示す。
【００５３】
［水分混入潤滑寿命試験条件］
荷重：６２２３Ｎ
回転数：５００ｍｉｎ-1
潤滑油：♯６８タービン油
（混入水）
組成：蒸留水
混入量：潤滑油中に１ｃｃ／ｈｒで供給
試験結果を表１に示す。なお、表１の水混入潤滑寿命比は比較例２の結果を１としたときの比で示した。また、図４に発明例及び比較例における外輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と水混入潤滑寿命比との関係を示す。
【００５４】
上記異物混入潤滑寿命及び水分混入潤滑寿命は、サンプルをそれぞれｎ＝１０試験して、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。
表１から、比較例１，４，７，１０は、転動体がＳＵＪ２の一体焼入れで、残留オーステナイト量を適正値にコントロールしても摩擦力を低下させることが出来ないため、寿命延長効果がないのが判る。また、転動体（ＳＵＪ２）の表面層に浸炭窒化した比較例２，３，５，６，８，９，１１，１２においても寿命延長効果がないことがわかる。また、比較例１３は比摩擦力が１．００であったため、実施例より短寿命であった。一方、発明例１１は、転動体にＳｉを０．４重量％以上添加し、表面に浸炭窒化層を付与したものであるが、比較例より長寿命となった。但し、外輪の軌道面と転動体転動面との合計残留オーステナイト量が不適であることによって、他の発明例よりは寿命は短かった。
【００５５】
それに対して、発明例１〜１０，１２〜１９は、異物混入ならびに水分混入の潤滑条件下で更に良好な転動疲労寿命を呈することがわかる。
以上、述べてきたように、転動体表面の窒素濃度を高めたことによる転がり摩擦低減と残留オーステナイト量の適正化によって、異物混入潤滑下及び水分混入潤滑下における車輪支持用軸受装置の長寿命化が達成可能であるということを確認した。
なお、上記試験で用いた車輪支持用軸受装置は、構造上外輪のはくりの可能性が高いものであったが、構造上ハブ輪のはくりの可能性が高いものを想定する場合は、ハブ輪軌道表面の残留オーステナイト量を適正化することにより、より長寿命で高信頼性の車輪支持用軸受装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】車輪支持用軸受装置の一例を示す断面図である。
【図２】発明例及び比較例における軌道輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と比摩擦力との関係を示すグラフ図である。
【図３】発明例及び比較例における軌道輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と水混入潤滑寿命比との関係を示すグラフ図である。
【図４】発明例及び比較例における軌道輪と転動体の合計残留オーステナイト量γRtotal（体積％）と異物混入潤滑寿命比との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  車輪支持用軸受装置
２  ハブ輪（内方軌道輪）
３  内輪
４  外輪（外方軌道輪）
５  転動体
７  内輪軌道面（ハブ輪側）
８  小径段部
９  内輪軌道面（内輪側）
１５  外輪軌道面
１６  外輪軌道面
【図１】
2005325899.tif 000004
【図２】
2005325899.tif 000005
【図３】
2005325899.tif 000006
【図４】
2005325899.tif 000007