(57)【要約】【課題】  機械加工性や塑性加工性を害することなく、熱間鍛造ままで製品の強度、靭性および延性に優れた微細な組織を得ることができる機械要素およびその製造方法を提供する。【解決手段】  車輪用軸受装置１０を構成するハブ輪４および／または外輪３が、Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、および（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち少なくとも１種を合計０.３重量％以下含む鋼から形成され、表面硬化処理されていない部分のミクロ組織において、フェライトが、面積率１５〜３０％であり、粒状フェライトを含む。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外方部材と、内方部材と、前記外方部材および内方部材にそれぞれ設けられた転動溝に配置された転動体とを有する機械要素であって、
前記機械要素を構成する少なくとも１つの部品が、Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、および（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち少なくとも１種を合計０.３重量％以下含む鋼から形成され、表面硬化処理されていない部分のミクロ組織において、フェライトが、面積率１５〜３０％であり、粒状フェライトを含む、機械要素。
【請求項２】
前記表面硬化されていない部分のミクロ組織において粒径が６番以上である、請求項１に記載の機械要素。
【請求項３】
前記鋼が、Ｓｉ：０.１５〜０.７重量％、Ｍｎ：０.１〜０.５重量％およびＶ：０.０４〜０.１５重量％を含む、請求項１または２に記載の機械要素。
【請求項４】
前記機械要素を構成する外方部材および内方部材の前記転動溝のうちの少なくとも一方の転動溝における表面硬化層のオーステナイト粒の粒度番号が７〜１１番である、請求項１〜３のいずれかに記載の機械要素。
【請求項５】
前記機械要素を構成する少なくとも１つの部品が、熱間鍛造後に切削加工されていない非切削加工部分を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の機械要素。
【請求項６】
前記機械要素において内方部材が第１内方部材と第２内方部材とからなり、そのうちの一方の部材が前記フェライトを含むミクロ組織を有し、当該部品が加締め加工されて他方の部品を加締めている、請求項１〜５のいずれかに記載の機械要素。
【請求項７】
外方部材と、内方部材と、前記外方部材および内方部材にそれぞれ設けられた転動溝に配置された転動体とを有する機械要素を製造する方法であって、
前記機械要素を形成する少なくとも１つの部品の製造において、
Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、および（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち少なくとも１種を合計０.３重量％以下含む鋼を熱間鍛造により成型し、放冷する工程と、
前記熱間鍛造ままの鋼に切削加工を加える工程と、
前記切削加工された部分の所定部に高周波加熱焼入れを施す工程とを備える、機械要素の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は機械要素およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車輪用軸受装置（ＨＵＢ）は、車体に対してタイヤ（車輪）を回転自在に支持する機械要素である。また、等速自在継手（CVJ: Constant Velocity Joint）は、エンジンからの回転を車輪に伝達するトルク伝達装置である。これらのＨＵＢおよび等速自在継手は、製造において次の問題を有する。
（１）段付形状となっており加工率が高い。
（２）転動面を有するため高周波焼入れ後に高い硬度を必要とする部分がある。このため炭素含有率が高い鋼、たとえばＳ５３Ｃ、ＳＡＥ１０５０を用いるので、加工における変形抵抗が高くなる。
【０００３】
上記の事情より、冷間鍛造および温間鍛造が困難なので熱間鍛造が広く用いられる。熱間鍛造の場合、１０００℃以上の高温で鍛造されるため鍛造後のミクロ組織が粗大化し、高温からの空冷により高硬度を有するようになる。このため、後の工程の機械加工性や冷間塑性加工性を考慮して、その加工に応じて焼準や焼鈍などの熱処理（軟化熱処理）を実施し加工能を改善する。
【０００４】
しかし加工能を改善するための上記熱処理は時間、エネルギーを多く要し、工程のインライン化の妨げとなり、製造能率の低下をきたす。このため、（Ｓ1）鋼の合金設計により熱間鍛造後における硬さ増加を軽減することにより、鍛造後の軟化熱処理を廃止する方法が開示されている（特許文献１参照）。また、（Ｓ2）同様に組成の調整、とくにＳｉ含有率を高めることにより、加工性の向上と強度向上を得るための鋼の提案がなされている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平６−５７３２４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３２５３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記（Ｓ1）の方法によれば軟化熱処理を省略することはできるものの、熱間鍛造ままのためミクロ組織が粗大化し、網目状のフェライトが生成する。このため耐久強度が低下し、延性も低下する。図２１は、従動輪用の車輪用軸受装置１１０を示す図である。ハブ輪１０４および内輪１０２と、外輪１０３との間にボール１０１が配置されている。ハブ輪のフランジまたはアームの先に配置したハブボルト１１１によりハブ輪１０４と、図示していないタイヤとを連結する。タイヤから伝達される繰り返し変位は、タイヤとの接続部分であるフランジまたはアームの根元部１０４ｎに大きな繰り返し応力を発生させる。このため、熱間鍛造ままの粗大化したミクロ組織では耐久性が低下して亀裂を発生し破断にいたる場合がある。このような不具合に対処するためには、熱間鍛造ままでミクロ組織を微細化し、網目状フェライトの生成を抑制する必要がある。
【０００６】
また上記（Ｓ2）の手法における高いＳｉ含有率は、熱間鍛造時の脱炭を促進し、表層部に深い脱炭層を生じやすい。このため熱間鍛造ままの非切削部の強度を低下させる。ＨＵＢ、等速自在継手等を構成する部品は、完成品において熱間鍛造ままの非切削部分が多いためとくに強度の低下を生じやすい。さらに高いＳｉ含有率は鋼の硬さを著しく増加させるため、機械加工性、塑性加工性を阻害する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、機械加工性や塑性加工性を害することなく、熱間鍛造ままで製品の強度、靭性および延性に優れた微細な組織を得ることができる機械要素およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明の機械要素は、外方部材と、内方部材と、外方部材および内方部材にそれぞれ設けられた転動溝に配置された転動体とを有する機械要素である。この機械要素を構成する少なくとも１つの部品が、Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、および（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち少なくとも１種を合計０.３重量％以下含む鋼から形成され、表面硬化処理されていない部分のミクロ組織において、フェライトが、面積率１５〜３０％であり、粒状フェライトを含む。
【０００９】
上記の機械要素では、フェライトの面積率が大きいために軟化されており、後工程の切削加工や塑性加工を容易に行なうことができる。なお、上記転動溝は、装置によって名称が変わり、転走面という場合もある。
【００１０】
Ｃ：０.４５〜０.７０重量％
Ｃは０.４５重量％未満では十分な強度を確保できず、０.４５重量％以上必要である。とくに硬化表面層の部分における硬度を十分高くできない。しかし、０.７０重量％を超えると、硬化表面層以外の部分における靭性や延性の確保が困難になる。
【００１１】
（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）：少なくとも１種を含む合計０.３重量％以下
（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）は、微細な炭窒化物が鍛造前加熱温度でも未固溶で存在するため、ピン止め効果によりオーステナイト粒径の粗大化が抑制される。上記炭素窒化物は鍛造中にも、放冷中にも新たに析出する。とくに鍛造後再結晶する間に析出する炭窒化物は均一微細分散するので好ましい。そして熱間鍛造後に放冷することによりこれら炭窒化物がフェライト核発生サイトとして作用するため粒状フェライトの生成を促進する。なお、Ｖ、ＮｂおよびＴｉは、鋼中でいずれも炭化物、窒化物、および炭化物と窒化物とが複合した複合炭窒化物を生成するが、これらを厳密に区別する必要はなく、いずれの析出形態でも本発明における作用に、程度の差はあるが、寄与するので、これら形態を総称して炭窒化物とする。本発明が対象とする炭素が高い鋼では炭化物が形成される場合が多いが、そのような炭化物を実体とする（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）析出物であっても炭窒化物という呼び方をする。（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち１種のみが０.３重量％以下含まれてもよい。
【００１２】
粒状フェライトは、オーステナイト粒界に沿って生成する網目状フェライトと異なり、パーライトを分断する効果を有し、実質的に組織を微細化する。このため、焼準を省略した熱間鍛造ままであっても、そのミクロ組織は微細であり、またフェライト率の増大により軟化される。ただし、ミクロ組織が微細化されること、および上記炭窒化物の分散により強化され、それほど軟化せず、強化される場合もある。しかし、亀裂の発生などは微細化された組織により改善される。フェライト面積率が１５％以上において、強度、靭性および延性に優れた転動機械装置の部品を得ることができる。しかしフェライト面積率が３０％を超えると静的強度および耐久強度が低下して上記部品に用いることができなくなる。
【００１３】
表面硬化処理されていない部分とは、高周波焼入れなどによって表面硬化処理されていない部分をさし、たとえば表層よりも内側の内部をさす。この場合、加締め加工などの塑性加工がなされていると、組織の流動が生じ変形するので、塑性変形された部分は除いて測定する必要がある。
【００１４】
Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの少なくとも１種からなる元素の合計は、０.３重量％を超えると必要な靭性、延性を確保しにくくなるので０.３重量％以下とする。しかし、上記合計が０.０１重量％未満では、十分な分散密度でフェライト核生成サイトを形成することができないので０.０１重量％以上とすることができる。より確実な効果を得るためには０.０２重量％以上としてもよい。
【００１５】
なお、上記の鋼は、上記の炭素、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ以外に焼入性を保証した構造用鋼鋼材（Ｈ鋼：ＪＩＳＧ４０５２）に示される代表鋼種と同等のＳｉ、Ｍｎを含み、さらにＮｉ：０.２５重量％以下、Ｃｒ：１.２５重量％以下、Ｍｏ：０.４５重量％以下を含んでもよい。とくにＣｒ：０.１０〜０.４０重量％含むことができる。Ｃｒは焼入性向上、焼戻軟化抵抗向上などに有効であるが、その効果を明確にするためには０.１重量％以上必要である。しかし、０.４０重量％を超えると熱間鍛造性が低下し、熱間鍛造において高コストとなるので０.４０重量以下とするのがよい。
【００１６】
また、上記の機械要素には、ハブ軸受や等速ジョイントなどが含まれる。
【００１７】
本発明の機械要素を製造する方法は、外方部材と、内方部材と、外方部材および内方部材にそれぞれ設けられた転動溝に配置された転動体とを有する機械要素を製造する方法である。この製造方法は、その機械要素を形成する少なくとも１つの部品の製造において、Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、および（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうち少なくとも１種を合計０.３重量％以下含む鋼を熱間鍛造により成型し、放冷する工程と、熱間鍛造ままの鋼に切削加工を加える工程と、切削加工された部分の所定部に高周波加熱焼入れを施す工程とを備える。
【００１８】
上記の製造方法により、焼準を行うことなく微細なミクロ組織を得て、十分な強度、靭性および延性を得ることができる。この結果、安価な製造方法で製造した上で良好な機械的性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態である車輪用軸受装置１０の部分断面斜視図である。図１において、この車輪用軸受装置１０は駆動輪用のものであり、ドライブシャフトが嵌められるシャフト溝１３が形成されたハブ輪４と、内輪２とが、それぞれ転走面４ａ，２ａを有している。それらの外側には外輪３が配置され、外輪３は前記転走面４ａ，２ａに対向した複列の転走面３ａを有し、内外の転走面４ａ，２ａ，３ａ間に転動体であるボール１を配置している。ハブ輪４には、車輪取付けフランジにハブボルト１１が配置され、図示していないタイヤに駆動力（荷重）を伝達する。また、外輪３には、車体荷重を負担させるために図示していないナックルと連結するためにフランジに雌ねじ１２ａが設けられている。図１に示す車輪用軸受装置では、内輪２は、ボール１を装着した後、ハブ輪に設けられたねじに螺合されるナットなどによって外側向きの力を加えられハブ輪の段差壁に押し付けられて固定される。この内輪の固定を、ハブ輪を内輪に加締める加締め加工によって行うタイプもある。上記の車輪用軸受装置の部品のうち、ハブ輪４および外輪３が、上記粒状フェライト生成鋼材（たとえばＣ、Ｓｉ、ＭｎなどはＳ５３Ｃ相当）によって形成される。内輪は、たとえばＪＩＳＳＵＪ２によって形成される。
【００２０】
図１に示す構造では、ハブボルト１１の孔はフランジに設けられる。軽量化のため、フランジを、各ハブボルトごとのアームとする構造を採用する場合もある。断面図においてフランジとアームとの区別がつきにくい場合、上述の亀裂が発生しやすい個所を「フランジまたはアームの根元部」という表現する。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態の機械要素の部品を製造する方法を示す図である。Ｃ：０.４５〜０.７０重量％、（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）のうちの少なくとも１種を合計で０.３重量％以下含む鋼素材（以下、「粒状フェライト生成鋼材」と記す）を熱間鍛造のための加熱温度、たとえば１０８０℃程度に加熱して熱間鍛造し、放冷する。この段階で、上記部品のおよその形状は形成される。この後、切削加工により、寸法精度や仕上がり表面精度（粗度など）を要する部分を精密に仕上げる。この後、上記切削加工された表面の所定部に高周波焼入れを行ない表面硬化させる。
【００２２】
上記の切削加工する工程では、非切削加工部分を残して切削加工することができる。この方法により切削加工する部分を、仕上げ精度上必要な部分に限定して、他の部分は非切削加工部分とすることができる。この結果、切削工程のコストを低減することができる。
【００２３】
また、高周波焼入れ工程の後、転動体を機械要素内に装着し、その転動体が転動するスペースが形成されるように所定の部材をその機械要素に固定する工程とを備えることができる。また、所定の部材をその機械要素に固定する工程では、鋼の所定部分を加締め加工などの塑性加工を施して固定することができる。
【００２４】
図３は、上記鋼を熱間鍛造し、放冷したときに得られるミクロ組織の模式図である。（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）の少なくとも１種を含む鋼では、熱間鍛造前の加熱において１０００℃以上で未固溶の炭窒化物があり、これらがオーステナイト粒界の移動に対してピン止め作用を及ぼし、オーステナイト粒の粗大化に歯止めをかける。また、温度降下しながら熱間加工組織が再結晶する際にも微細な炭窒化物が析出し、オーステナイト粒の成長の抵抗となる。そして、熱間鍛造後、放冷中、オーステナイトから、温度低下につれまずフェライト変態が生じ、次いでパーライト変態が生じる。このとき上記粒状フェライト生成鋼材に特有なことは、フェライト変態が促進され、フェライトの面積率が増大するとともに、粒状フェライトが高い比率で生成することである。このため、パーライト粒は実質的にフェライトに分断され、微細化される。上記のように粒状フェライトが促進されるのは、熱間鍛造の再結晶中、またはその後の放冷の際、（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）の炭窒化物が生成し、その炭窒化物などを核サイトとしてフェライト変態が生じるからである。これら炭窒化物等はオーステナイト粒界にもオーステナイト粒内にも析出するので、粒状フェライトは粒内にも粒界にも生じる。図３において、オーステナイト粒界において上記炭窒化物等を核とすることなく粒界に沿って生成するフェライトもある。
【００２５】
粒状フェライトは、その形状から判断できる。粒内に位置するフェライトは粒状フェライトである。粒界に粒状フェライトが生成してもよい。網目状フェライトは粒界に沿って生成し、粒状というよりバンド状に生成する。フェライトの面積率は、ミクロ組織におけるフェライトとパーライトとの識別の容易さから市販の面積率自動測定装置などを用いて測定できる。また、光学顕微鏡視野内の任意直線のフェライト内にある部分の比率を求めて平均をとっても測定することができる。
【００２６】
上記（Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ）を含まない炭素鋼の熱間鍛造-放冷後のミクロ組織の模式図を図４に示す。図４によれば、放冷中、フェライトはまずオーステナイト粒界に網目状に生成し、その後、オーステナイトがパーライトに変態する。このためパーライトは、図３のパーライトに比べて粗大な大きさとなる。また、フェライト変態が促進されないためにフェライト面積率は図３のミクロ組織より小さくなる。
【００２７】
図５は、本発明の他の実施の形態である従動輪用の車輪用軸受装置１０であり、内輪の固定はハブ輪の加締め加工によってなされ、またハブ輪に非切削部を有する点で、図１に示す車輪用軸受装置と異なる。図５において、外輪３はボルト１２を雌ねじ部１２ａに螺合され、ナックル１５と連結される。２列のボール１は、外輪３の複列の転走面３ａ、内輪２の転走面２ａおよびハブ輪４の転走面４ａの間に配置される。転走面にはボール１から高荷重が印加されるので高周波焼入れ等によって表面硬化層を形成する。図５において、ハブ輪４の転走面を含む表層に高周波焼入して形成した表面硬化層４ｈのみを表示するが、ハブ輪４だけでなく外輪３や内輪２にも、図示していないが表面硬化層は形成される。
【００２８】
図５において、ハブ輪４は、ハブボルト１１の孔付近の表面４ｃおよび中央部外側の面４ｃは、非切削加工の面である。これらの面では表面性状や寸法精度はそれほど重要ではないので、非切削仕上げにより製造コストを低減している。
【００２９】
上述のように、内輪２はハブ輪の加締め部４ｂにより加締められ、ハブ輪の段差壁４ｓに押し付けられ固定される。加締め加工には揺動加締め法が用いられる。この揺動加締めにおいて、図３に示す粗大なミクロ組織ではクラックを発生しやすいのに対して、図２示す粒状フェライトを含むフェライトパーライト組織ではクラックの発生を抑制することができる。上述したように、高周波焼入れされていない部分のミクロ組織におけるフェライト粒の粒度番号は７番以上と微細にされている。
【００３０】
図５において、ハブ輪４および外輪２が、上記粒状フェライト生成鋼材を用いて形成される。この結果、ハブ輪４および外輪２は、焼準を施さなくても延性および靭性に富む。この結果、加締め加工ではクラックなどを生じることなく加締めることができる。また、フランジまたはアームの根元部４ｎにおいて、使用中に繰り返し荷重で亀裂を発生することはない。
【００３１】
図６は、本発明の他の実施の形態である車輪用軸受装置１０を示す。転動体にローラ２１を用いた駆動輪用の車輪用軸受装置１０では、ハブ輪４には転走面は設けられず、外輪３と内輪２とに転走面２ａ，３ａが設けられる。外輪３およびハブ輪４は、上記粒状フェライト生成鋼材により製造され、内輪２およびローラ２１はＪＩＳＳＵＪ２を用いて製造される。
【００３２】
ハブ輪４に転走面は設けられないが、内輪を介在してかかる荷重に対応するために内輪と当接する表面には高周波焼入れにより表面硬化層４ｈが形成される。
【００３３】
２つの内輪２は、ハブ輪４を加締め加工することによって得られる加締め加工部４ｂによってハブ輪４の段差壁４ｓに押し付けられ固定される。
【００３４】
図７は本発明の他の実施の形態である等速自在継手（ＣＶＪ）を示す部分断面斜視図であり、図８はその分解斜視図である。図７において、機械要素である等速自在継手５０は、転動体であるトルク伝達ボール３１を含み、回転トルク荷重を伝達する。ボール３１は内輪３２と外輪３３との間にケージ３４に保持されて配置される。内輪３２および外輪３３には、それぞれ転動溝３２ａ，３３ａが形成され、転動溝を含む表面に高周波焼入れ等により表面硬化層が形成される。上記等速自在継手５０では、外輪３３が上記粒状フェライト生成鋼材により製造される。
【００３５】
等速自在継手５０の主機能は、所定の自由度を有しながら、回転トルクを伝達することにある。等速自在継手には、大別して２軸間の角度変位のみを許容する固定型と、角度変位および軸方向変位を許容する摺動型とがある。図７および図８の実施例は摺動型の例である。シャフト３５は、摺動および屈曲の自由度を有する。上述のように、ハブ輪のハブボルトから中心側の、フランジまたはアームの根元部にクラックが生じたが、同様に、上記等速自在継手の転造加工されるシャフトのスプライン部３３ａが捩り負荷により破断する場合がある。
【００３６】
図９は、本発明のさらに他の実施の形態を示すものであり、等速自在継手５０が組み合わされ、等速自在継手５０が車輪用軸受装置１０の内輪２を兼ねる構造を示す図である。この構造は、いわゆる第４世代の車輪用軸受とされている。等速自在継手５０から回転力がハブ輪４に伝達され、さらにハブ輪４からハブボルト１１によって連結されるタイヤに伝達される。等速自在継手５０の外輪３３の軸部３３ａの端部が拡径加締めによりハブ輪に固定される。この組み合わせにおいて、ハブ輪４、外輪３および車輪用軸受装置１０の内輪２を兼ねる等速自在継手５０の外輪３３は、上記外輪３３が上記粒状フェライト生成鋼材により製造される。
【実施例１】
【００３７】
次に実際に熱間鍛造後の機械的性質およびミクロ組織を調査した結果について説明する。表１に本発明の実施例１に用いた鋼材の組成を示す。本発明例の各鋼は、Ｓ５３Ｃをベースにして改良を加えている、組成上の特徴は次の通りである。本発明例３、４では低Ｍｎとした上で、Ｖなどを含有させる点に特徴がある。
（本発明例１）  Ｓ５３Ｃ相当＋Ｖ：０.０８重量％
（本発明例２）  Ｓ５３Ｃ相当＋Ｔｉ：０.０７重量％
（本発明例３）  低Ｍｎ（０.２５重量％）＋Ｖ：０.０９重量％
（本発明例４）  低Ｍｎ（０.２４重量％）＋Ｖ：０.０４重量％＋Ｔｉ：０.０６重量％
（比較例１〜３）  Ｓ５３Ｃ
【００３８】
【表１】
2005256897.tif 000003
【００３９】
また、製造方法は次の通りである。
（本発明例１〜４）：１０２０℃加熱熱間鍛造まま
（比較例１）：１０２０℃加熱熱間鍛造まま
（比較例２）：１０２０℃加熱熱間鍛造＋焼準
（比較例３）：９５０℃加熱熱間鍛造まま
比較例３は、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂを含まず熱間鍛造温度を極端に低下させた点に特徴がある。熱間鍛造温度を９５０℃程度まで低下させると変形抵抗が増大し、鍛造型の寿命が短命化するので製造現場では採用が難しいが、熱間鍛造された鋼の性能を調査する目的で行なった。
【００４０】
上記本発明例および比較例のミクロ組織を、図１０〜図１８に示す。まず、図１６に示す比較例１のミクロ組織では、熱間鍛造ままであることを反映して、組織は粗大であり（縮尺度に注意）、フェライトはほとんど全てがオーステナイト粒界沿って生成した網目状フェライトといってよい。これに比して図１７に示す焼準を加えた比較例２のミクロ組織では、組織は粒界に沿うひも状フェライトだけでなく粒状（塊状）のフェライトが認められる。また、図１８に示す９５０℃加熱鍛造した比較例３では、熱間鍛造ままであるにも拘わらず焼準を行なった比較例２と同等のミクロ組織が得られている。
【００４１】
一方、本発明例１〜４では、熱間鍛造ままであるにも拘わらずミクロ組織は非常に微細であり、粒状フェライトの数が多く、したがって粒状フェライトの分散密度が高い。また、フェライトの面積率が増大している。とくに比較例４のミクロ組織が微細化されている。
【００４２】
上記の試験体の試験結果を表２に示す。引張試験は、ＨＵＢの製品から切り出した引張試験片を用い、試験を行った。
【００４３】
【表２】
2005256897.tif 000004
【００４４】
表２によれば、比較例１のフェライト面積率は１２％であるのに比して、本発明例１〜４では同じ熱間鍛造ままであるにも拘わらず１５％以上を満たしている。焼準を加えた比較例２および９５０℃熱間鍛造ままの比較例３では、やはりフェライト面積率１５％以上を満たす。表２に示す「粒径」は、フェライトでおよその輪郭が描かれるオーステナイトの粒径であるが、比較例が粒度番号３.０であるのに比して本発明例１〜４では６.５以上が得られ、ミクロ組織が微細化されることを示している。オーステナイト粒度番号の測定は、たとえば、ミクロ組織の網目状フェライトの中にオーステナイト粒界があったとして、そのようなオーステナイト粒界を記入したミクロ組織写真とＪＩＳに規定する粒径の標準図とを比べて、求めることができる。すなわち、網目状フェライトが非常に細い幅でオーステナイト粒界に沿って生成する場合、その網目状フェライトをオーステナイト粒界とみなして測定することができる。また、網目状フェライトのオーステナイト粒界に沿うフェライトの幅が比較的広い場合には、オーステナイト粒界をそのフェライトに沿ってその幅内に想定して、またはミクロ写真に実際に記入して測定することができる。ミクロ写真中の網目状フェライトに沿ってその幅内にオーステナイト粒界を線で書き込むことは容易である。
【００４５】
硬さの変化率は、比較例１を基準に硬化するか（＋）または軟化するか（−）を示す指標である。本発明例１、２において、基準に比してフェライト面積率が増えるにも拘わらず硬さの変化率がプラスになるのは、ミクロ組織が実質的に非常に微細化されること、ＶまたはＴｉ析出物が分散し分散強化されることなどが考えられる。本発明例３、４では、これらＶおよび／またはＴｉが含まれるにも拘わらず軟化するのはＭｎが低くされるためである。とくに比較例３の軟化が大きい。これを反映して比較例３の絞りの上昇は顕著である。他の比較例１、２、４についても焼準を追加した比較例２と同等の絞り特性が得られる。
【００４６】
引張強さの向上分は、本発明例はいずれも焼準を行なった比較例２と同等以上の向上が得られるが、とくに本発明例３、４の向上が目立つ。
【００４７】
引張試験により得られる絞りは、加締め加工における変形能および割れ性と相関があり、絞りが大きいほうが望ましい。また、引張強さおよび絞りは、製品の曲げ強度特性と対応する。
【００４８】
上記実施例１より、本発明例１〜４は、熱間鍛造ままであるにも拘わらず、最低限、焼準を加えた比較例２と同等の強度、加工性、曲げ強度を得ることができることが確認された。さらに比較例３、４のように焼準を加えたものよりも優れた強度、加工性を備えることが判明した。
【実施例２】
【００４９】
鋼の表面脱炭に及ぼすＳｉ濃度の影響を調査した。Ｓｉを０.２２重量％含むＳ５３Ｃ相当鋼と、Ｓｉのみ０.５０重量％と高くし、他の組成はＳ５３Ｃ相当鋼と同等とした鋼とを熱間鍛造した。熱間鍛造後にミクロ組織を調査し、表面脱炭を調べた。
【００５０】
Ｓｉ０.５重量％の鋼において表面脱炭が促進されることが分かる。本発明の最も広い範囲ではＳｉが０.５重量％の鋼も含まれるが、表面脱炭を抑制する上からＳｉは０.５重量％より低くしてもよい。
【実施例３】
【００５１】
次に上記車輪用軸受装置のハブ輪や外輪の製造に用いられる鋼を用いて耐久性試験を行なった。本試験は、ハブ輪のハブボルト孔から中心に寄った位置の、フランジまたはアームの根元部における繰り返し応力に対する寿命を検証する試験ということができる。本発明例として用いた鋼は、Ｃ：０.６重量％、Ｓｉ：０.５７重量％、Ｍｎ：０.８重量％、Ｐ：０.０１５重量％、Ｓ：０.０１７重量％、Ｃｒ：０.２５重量％、Ｖ：０.１５重量％を含む鋼である。比較例として用いた鋼は、市販のＪＩＳＧ４０５１に規定する機械構造用炭素鋼Ｓ５３Ｃを用いた。
【００５２】
上記本発明例の鋼材および比較例の鋼材を、図１に示すように熱間鍛造し、放冷した後試験片を作製した。焼準はどちらも行わなかった。
【００５３】
試験は、ＪＩＳＺ２２４１に規定する引張試験における絞りにより加締めの加工性を評価し、またＪＩＳＺ２２７４に規定する回転曲げ疲れ試験に拠り、ハブ輪にかかる繰り返し応力に対する耐久性を評価した。引張試験における試験片は、平行部長さ１５ｍｍ×直径５ｍｍの丸棒試験片を用い、回転曲げ疲れ試験における試験片は１号試験片（ＪＩＳＺ２２７４）を用いた。
【００５４】
引張試験における絞りの結果を図１９に、また回転曲げ疲れ試験の結果を図２０に示す。比較例の絞りが３９％であるのに対して、本発明例の絞りは４４％に大きく向上している。絞りと加締め加工性とは強い相関があり、図１９に示す程度の絞りの向上により、加締め加工性は大幅に向上する。
【００５５】
また、図２０に示す回転曲げ疲れ試験結果によれば、本発明例の回転曲げ疲れ強さが比較例に比べて３割程度向上することが検証された。
【００５６】
上記の結果によれば、焼準を行うことなく熱間鍛造ままの鋼を用いて機械要素の部品を製造することにより、耐久性に優れた部品を製造し、それらを組み上げて優れた性能の機械要素を安価に製造することが可能である。また、とくにハブ輪などを加締め加工を行う場合には、クラックなどを生じることなく加締め加工を行うことが可能である。
【００５７】
次に上に述べた記実施の形態および実施例も含めて、本発明の実施の形態例を羅列的に以下に説明する。
【００５８】
上記のミクロ組織において粒径を６番以上とすることができる。
【００５９】
上記の粒径は表２に示す「粒径」と同じ意味であり、フェライトでおよその輪郭が描かれるオーステナイト粒の粒度番号である。上記粒径を６番以上とすることにより、優れた機械的性質を得ることができる。
【００６０】
上記の鋼（粒状フェライト生成鋼材）は、Ｓｉ：０.１５〜０.７重量％、Ｍｎ：０.１〜０.５重量％およびＶ：０.０４〜０.１５重量％を含むことができる。
【００６１】
この構成によれば、熱間鍛造において脱炭深さを抑制し、Ｖ炭窒化物による作用によりフェライトの生成を促進されて粒状フェライトを含む組織を得ることができる。このためミクロ組織を実質的に微細化できる。
【００６２】
Ｓｉ：０.１５〜０.７重量％
Ｓｉが０.１５重量％未満では焼入性が低く、強度を十分確保することができない。また、Ｓｉが０.７重量％を超えると熱間鍛造の際に脱炭を促進して深い脱炭層を形成するため、Ｓｉは０.７重量％以下とする。脱炭層をより一層抑制するためには、Ｓｉは０.５重量％以下とすることができ、さらに脱炭層を避けるためには０.４重量％以下とするのがよい。
【００６３】
Ｍｎ：０.１〜０.５重量％
Ｍｎが０.１重量％未満では鋼中の硫黄（Ｓ）をＭｎＳとして固定できないために熱間鍛造の際にひび割れ等を生じやすいの０.１重量％以上とする。Ｍｎは焼入性を向上させ、鋼中に固溶して鋼を強靭化するとともに、転動寿命に有益な残留オーステナイトを増やす。しかし、Ｍｎは炭化物中にも固溶して炭化物の硬度を高める作用があり鋼の硬度上昇に有効である。したがって、強靭化を重視する場合、０.２５重量％以上含むのがよい。しかし、０.５重量％を超えると、熱間鍛造後の放冷時にフェライト生成を抑制し硬化組織となりやすく、切削加工や加締め加工性などに支障をきたすので０.５重量％以下とすることができる。
【００６４】
Ｖ：０.０４〜０.１５重量％
Ｖ炭化物、Ｖ窒化物またはＶ炭窒化物は、熱間鍛造前の加熱によりオーステナイト中にほとんど固溶するが、熱間鍛造後放冷中に析出し、フェライト核発生サイトとして機能する。これらＶ析出物はオーステナイト粒内の介在物等の上に析出し、さらにこのＶ析出物を核にフェライトが生成する。すなわち粒状フェライトの生成を促進し、その結果、フェライト面積率を増加させる。上記作用はＶ０.０４重量％以上により得ることができる。さらに確実の上記作用を得るためには０.０６重量％含むことが望ましい。また、Ｖが０.１５重量％を超えると上記の効果が飽和するので、０.１５重量％以下とする。
【００６５】
なお、不純物元素は、Ｐ：０.０３０重量％以下、Ｓ：０.０３５重量％以下とするのがよい。不純物元素であるＰおよびＳは、鋼の機械的性質を劣化させるので、軸受用鋼としては低いほどよい。しかし、ＰおよびＳを非常に低下させるには高度の精錬設備と十分な精錬時間が必要であり、その精錬設備の操業に伴う電力費や精錬反応用原料費が増大し、大きなコストアップ要因となる。したがって、ＰおよびＳの上限値は軸受材料としての機械的性質の劣化を許容しうる清浄度規制（ＪＩＳＧ４０５１）を満たす水準とすることができる。
【００６６】
上記の機械要素を構成する外方部材、内方部材の上記転走面（転動溝）のうちの少なくとも一方の転走面における表面硬化層のオーステナイト粒の粒度番号が７〜１１番であるようにできる。
【００６７】
上記の構成により、耐久性に優れた表面硬化層を得ることができ、転動疲労寿命を伸長させることができる。
【００６８】
上記の機械要素を構成する少なくとも１つの部品が、切削加工されていない非切削加工部分を有することができる。
【００６９】
切削加工が精度上不要な個所は切削加工を省略し、製造費用を抑制することができる。この場合、黒皮部分では脱炭層が抑制されていることが重要であり、疲労亀裂の発生等を抑制することができる。このためにはＳｉ含有率を低目にするのがよい。
【００７０】
また、上記の機械要素において、上記の内方部材が第１内方部材と第２内方部材とからなり、そのうちの一方の部材が上記フェライトを含むミクロ組織を有し、当該部品が加締め加工され他方の部品を加締めるようにできる。
【００７１】
この構成により、機械要素の完成前に転動体を内部に装着し、次いで、上記のフェライトを含む部品を加締め加工して、所定の部品を加締めることにより一体化して機械要素を組み立てることができる。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の機械要素およびその製造方法を用いることにより、優れた耐久性および加工性を有する部品を安価に製造し、それらを組み上げるので高信頼性の機械要素を安価に提供することができる。このため、自動車を含め輸送機械装置の機械要素などに用途が拡大することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態における車輪用軸受装置の部分断面斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における機械要素の部品の製造方法を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態における鋼を熱間鍛造し、放冷して得られる鋼のミクロ組織を示す模式図である。
【図４】機械構造用炭素鋼Ｓ５３Ｃを熱間鍛造し、放冷して得られるミクロ組織の模式図である。
【図５】本発明の実施の形態における別の車輪用軸受装置を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態におけるさらに別の車輪用軸受装置を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態における等速自在継手を示す図である。
【図８】図７の分解斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態において内輪を等速自在継手に置き換えて形成した車輪用軸受装置を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１における本発明例１のミクロ組織を示す図である。
【図１１】本発明の実施例１における本発明例２のミクロ組織を示す図である。
【図１２】本発明の実施例１における本発明例３のミクロ組織を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１における本発明例４のミクロ組織を示す図である。
【図１４】本発明の実施例１における比較例１のミクロ組織を示す図である。
【図１５】本発明の実施例１における比較例２のミクロ組織を示す図である。
【図１６】本発明の実施例１における比較例３のミクロ組織を示す図である。
【図１７】本発明の実施例２におけるＳ５３Ｃ相当（Ｓｉ低目）鋼の表面付近を示す図である。
【図１８】本発明の実施例２におけるＳ５３Ｃ相当（Ｓｉ０.５％高め）鋼の表面付近を示す図である。
【図１９】本発明の実施例３における引張試験の絞りを示す図である。
【図２０】本発明の実施例３における回転曲げ疲れ試験の結果を示す図である。
【図２１】従来の車輪用軸受装置における問題点の１つを示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  ボール（転動体）、２  内輪、２ａ  転走面、３  外輪、３ａ  転走面、４  ハブ輪、４ａ  転走面、４ｂ  加締め部、４ｃ  非切削部、４ｈ  表面硬化層、４ｎ  フランジまたはアームの根元部、４ｓ  ハブ輪段差壁、１０車輪用軸受装置、１１  ハブボルト、１２  ボルト、１２ａ  雌ねじ、１３  シャフト溝、１５  ナックル、２１  ローラ（転動体）、３１  等速自在継手のボール、３２  等速自在継手の内輪、３２ａ  等速自在継手の転動溝、３３  等速自在継手の外輪、３３ａ  等速自在継手の軸部（スプライン部）、３４  等速自在継手のケージ、３５  シャフト、５０  等速自在継手。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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