(57)【要約】【課題】  転がり寿命を低下させることなく、遅れ破壊強度をさらに高めて信頼性のより向上を図る。【解決手段】  ハブ２の内端側で小径段部８に外嵌された内輪３よりも突出して形成された円筒部９を直径方向外方に拡げて内輪３を加締めることにより該内輪３を小径段部８の段差面８ａに押さえつけてハブ２に結合固定した車輪支持用軸受装置１において、内輪３が、浸炭鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行ない、その後２００〜３００°Ｃに加熱保持して焼戻しを行なうことで、表面硬さがＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量が１０〜２５％、且つ平均残留オーステナイト量が３％以下とされ、更に、外径面又は該外径面の内の小径部のフープ応力が３００ＭＰａ以下に設定される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内端部に小径段部が形成されると共に軸方向の中間部外周面に内輪軌道面が形成されたハブと、前記小径段部に外嵌されると共に外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブの内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記ハブの内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記ハブの内端側で前記小径段部に外嵌された前記内輪よりも突出して形成された円筒部とを備え、該円筒部を直径方向外方に拡げて前記内輪を加締めることにより該内輪を前記小径段部の段差面に押さえつけて前記ハブに結合固定した車輪支持用軸受装置において、
前記内輪が、浸炭鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行ない、その後２００〜３００°Ｃに加熱保持して焼戻しを行なうことで、表面硬さがＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量が１０〜２５％、且つ平均残留オーステナイト量が３％以下とされ、更に、外径面又は該外径面の内の小径部のフープ応力が３００ＭＰａ以下に設定されていることを特徴とする車輪支持用軸受装置。
【請求項２】
前記内輪の外径面と前記加締め部側端面とのエッジ部が前記外径面側及び前記端面側でそれぞれ両方向に１．０ｍｍ以上のＲ形状となるように加工されていることを特徴とする請求項１に記載した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懸架装置に対して回転自在に支持するための車輪支持用軸受装置に関する。
【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２、内輪３、外輪４及び複数の転動体５を備えており、ハブ２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）の外周面には、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２の内端部側には円筒部９が前記内輪３から突出して形成されており、該円筒部９を直径方向外方に拡げて前記内輪３を加締めることにより該内輪３を前記小径段部８の段差面８ａに軸方向に押さえつけて前記ハブ２に結合固定している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
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。
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。
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、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。
【特許文献１】特開２００１−２４２１８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の車輪支持用軸受装置においては、ハブ２に設けられた円筒部９を直径方向外方に拡げて前記内輪３を加締める加締め部９ａを形成する際には、円筒部９に対して直径方向外方に向く大きな荷重を付与する必要があるため、内輪３（特に、内輪３の内周面及び加締め部側端面）には、加締め部９ａからの円周方向への比較的大きな引張り応力が作用する。このため、ハブ２の材料としては、塑性加工が容易で、且つ必要部分には高周波焼入れ等により硬化層を付与することが可能な機械構造用炭素鋼（Ｓ５３Ｃ，Ｓ５５Ｃ等）が用いられ、内輪３の材料としては、加締め応力に対して十分な強度を有し、且つ十分な転がり疲労寿命を有する高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２，ＳＵＪ３等）が主として用いられている。
【０００５】
なお、加締め作業後においては、内輪３のクリープ防止及び寿命確保やガタの発生による異音、転動体の乗り上げ防止等の観点から、内輪３には適当なフープ応力と転動体５には適正な予圧が付与される。
ところで、一般に、高強度部材においては、荷重が負荷されてからある時間経過後に突然破壊を生じる遅れ破壊と呼ばれる現象があることが知られている。特に、引張り強度が１．２ＧＰａ以上、硬さではＨＲＣ４０以上の場合に、遅れ破壊感受性が増加するとされており、例えば、１．５〜２ＧＰａ級の高強度鋼であれば、水中１００時間での遅れ破壊強度は、１／３〜１／４にまで低下するとの報告がある（松山晋作著、遅れ破壊、図４．１、日本工業新聞社、１９８９）。
【０００６】
車輪支持用軸受装置は、軸受寿命の観点から、泥水やダスト等が軸受内部へ侵入しないように、駆動輪にあってはハブシールにより、従動輪においてはハブシールおよび蓋体によりシーリングされ、これらの侵入を防止するよう対策が施されているため、実際には、遅れ破壊が問題になるようなことは極めて少ないが、極度の腐食環境に曝されるような場合を考慮するとより高い信頼性が求められる。
遅れ破壊は、静的な荷重下で腐食等の影響により鋼中に水素侵入が認められる場合に生じる現象であり、静的荷重とは、この場合、内輪３に付与されたフープ応力がそれに該当する。
【０００７】
遅れ破壊を防止するためには、上記静的荷重を負荷しないのであれば生じることはないが、車輪支持用軸受装置の内輪３の場合には、軸受寿命の確保やガタや玉の乗り上げ防止及びクリープ防止等のため、適正な予圧とフープ応力を付与する必要があるため、構造上静的荷重をゼロにすることは困難である。
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、寸法安定性を高める処理を施すとともに、内輪の加締めによるフープ応力を適正化することにより、転がり寿命を低下させることなく、遅れ破壊強度をさらに高めて信頼性のより向上を図ることができる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】
【０００８】
本発明者等は、車輪支持用軸受装置の内輪が加締められることによるフープ応力と遅れ破壊強度との相関について調査し、転がり寿命を確保しつつ、内輪割れに対する信頼性をさらに高めることができないかを鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。
即ち、上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内端部に小径段部が形成されると共に軸方向の中間部外周面に内輪軌道面が形成されたハブと、前記小径段部に外嵌されると共に外周面に内輪軌道面が形成された内輪と、前記ハブの内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面に対応する複列の外輪軌道面が形成された外輪と、前記ハブの内輪軌道面及び前記内輪の内輪軌道面と前記複列の外輪軌道面との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記ハブの内端側で前記小径段部に外嵌された前記内輪よりも突出して形成された円筒部とを備え、該円筒部を直径方向外方に拡げて前記内輪を加締めることにより該内輪を前記小径段部の段差面に押さえつけて前記ハブに結合固定した車輪支持用軸受装置において、
前記内輪が、浸炭鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行ない、その後２００〜３００°Ｃに加熱保持して焼戻しを行なうことで、表面硬さがＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量が１０〜２５％、且つ平均残留オーステナイト量が３％以下とされ、更に、外径面又は該外径面の内の小径部のフープ応力が３００ＭＰａ以下に設定されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記内輪の外径面と前記加締め部側端面とのエッジ部が前記外径面側及び前記端面側でそれぞれ両方向に１．０ｍｍ以上のＲ形状となるように加工されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、内輪に浸炭鋼を用い、且つ寸法安定性を高める処理を施すとともに、内輪のフープ応力を適正化することにより、転がり寿命を低下させることなく、遅れ破壊強度を更に高めることが可能となるため、装置全体の信頼性の更なる向上を図ることができる。
【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の一例を図を参照して説明する。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。
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、図１を参照して、ハブ２の内端側で小径段部８に外嵌された内輪３よりも突出して形成された円筒部９を直径方向外方に拡げて内輪３を加締めることにより該内輪３を小径段部８の段差面８ａに押さえつけてハブ２に結合固定するようにしたもので、内輪３が、浸炭鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行ない、その後２００〜３００°Ｃに加熱保持して焼戻しを行なうことで、表面硬さがＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量が１０〜２５％、且つ平均残留オーステナイト量が３％以下とされ、更に、外径面又は該外径面の内の小径部のフープ応力が３００ＭＰａ以下に設定されている。
また、内輪３の外径面と加締め部９ａ側端面とのエッジ部１２が前記外径面側及び前記端面側でそれぞれ１．０ｍｍ以上のＲ形状となるように加工されている（図２及び図３参照）。
【００１２】
次に、本発明の数値等の臨界的意義について説明する。
［内輪３が、浸炭鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施した後、焼入れを行ない、その後２００〜３００°Ｃに加熱保持して焼戻しを行なうことで、表面硬さがＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量が１０〜２５％、且つ平均残留オーステナイト量が３％以下とされ、更に、外径面又は該外径面の内の小径部のフープ応力が３００ＭＰａ以下に設定されている］
ハブ２の小径段部８に内輪３を外嵌固定した後、内輪３よりも突出した部分に形成した円筒部９を直径方向外方に加締め広げることで加締め部９ａを形成するが、加締め部９ａの形成作業に伴なって、直径方向外方に向く大きな荷重を付与する必要がある。
【００１３】
そのため、内輪３、特に、内輪３の内周面及び加締め部９ａ側端面には、加締め部９ａからの円周方向への比較的大きな引張り応力が作用する。また、加締め荷重を除荷した後は、軸受寿命の確保あるいはガタ、転動体５の乗り上げ等を防止するための適当な予圧と内輪３のクリープ防止を目的とした適正なフープ応力として内輪３に付与される。
転動体５に付与される予圧が不十分であると、軸受寿命が低下したり、ガタ、乗り上げ等を生じやすくなる。また、この予圧が大きすぎても、軸受寿命の低下又は焼付きの原因となる場合がある。そのため一般には、負すきまとなるように、所望の予圧が予め付与される。
【００１４】
また、内輪３は、ハブ２の小径段部８との嵌め合い及び加締め加工によって適正なフープ応力が付与される。このフープ応力が不十分であると、耐クリープ性が低下し、予圧抜けによるガタが生じやすくなることが懸念される。反面、このフープ応力が大きすぎても、先に述べたように、腐食環境に曝された場合に、内輪３が遅れ破壊を引き起こすことが懸念される。そこで、内輪３には、浸炭鋼を用い、浸炭あるいは浸炭窒化処理後、焼入れ、焼戻しを行う。
具体的には、炭素濃度が０．１〜０．５重量％のクロム鋼やクロムモリブデン鋼等の浸炭鋼を用いる。また、ミクロ偏析帯あるいは粒界に不純物元素が偏析すると、遅れ破壊感受性を増すため、特にＳ及びＰについては、共に０．０２重量％以下とすることが好ましい。
浸炭或いは浸炭窒化処理は、例えば８４０〜９５０°Ｃで、所望の硬化層深さが得られるように数時間処理を行ない、その後、８２０〜８６０°Ｃで焼入れを行うことで実施する。
【００１５】
焼戻しは、２００〜３００°Ｃに加熱保持することで行ない、硬さあるいはミクロ組織を適正化し、転がり寿命、遅れ破壊強度を確保しつつ、寸法安定性を高める。
２００〜３００°Ｃに加熱保持するのは、特に、心部の残留オーステナイトを分解消失させて、寸法安定性を高めるのと、表面層に残存する残留オーステナイトの熱安定性を高めるためであり、好ましくは、２００〜２４０°Ｃとする。また、オーステナイトは、応力状態ではマルテンサイトに変態する場合があり、この場合、かえって遅れ破壊感受性を高めるが、焼戻し過程で分解されると、ベイナイトに類似した組織を呈し、遅れ破壊強度をより高める作用がある。
【００１６】
具体的には、転がり寿命との両立化いう観点から、表面硬さをＨＲＣ６０〜６３、表面層の残留オーステナイト量を１０〜２５％、寸法安定性の観点から、平均残留オーステナイト量を３％以下とする。
ここでの平均残留オーステナイト量は、表面から心部に至るまでの残留オーステナイト量分布を測定し、これを肉厚で平均化した値を意味する。
上記構成によれは、オーステナイトが分解した際の内輪３の変形や寸法膨張が抑制されるため、経時的なフープ応力の減少を抑制できて、ガタや乗り上げ等の発生が生じ難くなる。言い換えれば、内輪３の寸法変化による経時的なフープ応力の減少が抑えられるのであるから、初期に付与するフープ応力の低減が図れる。
また、マルテンサイトの焼戻しによる歪み低減と残留オーステナイトのベイナイト化等によって遅れ破壊感受性を低減でき、しかも、表面硬さ及び表面残留オーステナイト量が軸受鋼と遜色ない程度に確保されているため、軸受寿命が低下することがない。
【００１７】
更に、浸炭または浸炭窒化処埋によって、その表面層には、高い圧縮残留応力を付与できるため、高フープ応力下でも十分な転がり寿命と高い内輪割れ強度を有することが可能となる。好ましくは、表面下５０〜１００μｍ深さにおいて、１５０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与する。
内輪３の最大フープ応力は、外径面あるいは該外径面の内の小径部において３００ＭＰａ以下とする。これより大きいと、転がり寿命が低下したり、著しい腐食環境下に曝された場合には、水素脆性による内輪割れが生じる懸念がある。本発明においては、耐クリープ性の観点から、好ましくは１５０ＭＰａ以上、２５０ＭＰａ以下とする。
【００１８】
［内輪３の外径面と加締め部９ａ側端面とのエッジ部１２が前記外径面側及び前記端面側でそれぞれ１．０ｍｍ以上のＲ形状となるように加工］
ハブ２の小径段部８に内輪３を外嵌固定した後、内輪３よりも突出した部分に形成した円筒部９を直径方向外方に加締め広げることで加締め部９ａを形成するが、加締め部９ａの形成作業に伴なって、直径方向外方に向く大きな荷重を付与する必要がある。そのため、内輪３、特に、内輪３の内周面及び加締め部側端面には、加締め部９ａからの円周方向への比較的大きな引張り応力が作用する。また、この引張り応力は、加締め荷重を除荷した後は、軸受寿命あるいはガタ、転動体５の乗り上げ等を防止するための適当な予圧と内輪のクリープ防止を目的とした適正なフープ応力として内輪３に付与される。
【００１９】
遅れ破壊は、静的な荷重下で腐食等の影響により鋼中に水素侵入が認められる場合に生じる現象であり、腐食が問題となるケースでは、このフープ応力が静的荷重に該当することとなる。
引張応力は、本来、加締め部９ａ近傍の内径側が最も大きい値となるが、内径側はハブ２の加締め部９ａで保護されるため、外部環境から腐食等の影響を受けにくく、遅れ破壊の起点とはなりにくい。最も遅れ破壊起点となり易いのは、応力が集中しやすい内輪３の外径面及び加締め部９ａ側端面のエッジ部１２である。特に、小外径部を有する内輪３においては、フープ応力の大きさから、小外径面１３と加締め部９ａ側端面のエッジ部１２が起点となりやすい。エッジ部１２は、焼入れ時の冷却速度が最も大きいため、マルテンサイト変態時に引張りの変態応力が残存しやすいことも起点がエッジ部１２に集中する理由の一つと考えられる。
【００２０】
そこで、図２及び図３に示すように、この内輪３の加締め部９ａ側の小外径面１３を含む外径面と加締め部９ａ側端面とのエッジ部１２を、前記小外径面１３を含む外径面側（図２のＸ方向）及び前記端面側（図２のＹ方向）で両方向にそれぞれ１．０ｍｍ以上（好ましくは、外径面側で１．５ｍｍ以上、端面側で１．０ｍｍ以上）のＲ形状となるように加工することにより、変態応力あるいは加締め加工により付与されたエッジ部１２への引張応力の集中を軽減でき、遅れ破壊強度を高めることが可能となる。
【実施例】
【００２１】
種々のエッジ部形状を有する内輪に対して種々の条件下で加締め加工を行なった従動輪支持用軸受装置（基本的構造は図１と同様）を用いて転がり寿命試験及び遅れ破壊強度試験を行った。なお、内輪には、φ２６ｍｍの小外径面を有する段付き内輪を用いた。小外径面及び加締め部側端面とのエッジ部は、０．５Ｒの場合に、次に述べる遅れ破壊強度試験において、割れ発生確率が高くなる傾向が認められたため、小外径面側Ｘを１．５ｍｍ、加締め部端面側Ｙを１．０ｍｍとし、Ｒ状に加工したものを使用した。
表１に、評価に用いた内輪の材料成分及び熱処理条件を示した。表中には、表面硬さ、５０〜１００μｍ深さにおける表面残留オーステナイト量、平均残留オーステナイト量も併記した。
また、表１記載の各内輪を用いて、前記内輪にフープ応力を任意に変えながら種々の条件下で加締め加工行なった。なお、フープ応力は、小外径面円周方向に歪みゲージを貼り付け応力値（σ＝Ｅ・ε）を求めた。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
次に、加締め加工を行なった各軸受装置に対して、以下の条件で、遅れ破壊強度試験を行った。また、内輪の耐クリープ性については、内輪単体で１５０°Ｃに５００時間保持し、内輪内径の膨張量を測定して得られる寸法変化率により評価した。なお、転がり寿命については、６２０６深溝玉軸受を別途製作し、以下の条件で評価した。この場合のフープ応力は、シャフト径を適当なものに変えることで設定し、残留すきまは、０〜６μｍ程度とした。なお、フープ応力値は、上記同様、歪みゲージを内輪肩部円周方向に貼り付けることで求めた。
（転がり寿命試験）
回転速度：３９００ｍｉｎ-1
荷重    ：１３８２０Ｎ
軸受温度：６５°Ｃ
試験時間：１０００ｈｒ
【００２４】
（遅れ破壊強度試験）
本軸受装置には、通常、ハブシール及び蓋体が装着され、軸受内部へ水や泥水が浸入しないような構造となっているが、今回は、これらをすべて装着しないで、且つグリース等も封入しない状態で水道水に浸漬した。
その結果、今回評価した全ての軸受装置において、水道水２００時間浸漬した場合においても内輪は割損しなかった。そこで、以下の条件で同様の浸漬試験を実施した。なお、本試験条件は、プレストレスコンクリートに用いられる鋼線、鋼棒（以下、ＰＣ鋼と称する）の水素による遅れ破壊を評価する標準試験と同一であって、実際の環境を再現するものではないが、重要な一因子である水素脆性を評価できる有効な手法である。
試験溶液：２０％チオシアン酸アンモニウム水溶液（ＮＨ4 ＣＮＳ）
試験条件
温度    ：５０°Ｃ±１°Ｃ
試験時間：２００時間打ち切り
表２に上記試験結果を示す。
【００２５】
【表２】
2005098320.tif 000004
【００２６】
実施例１〜１０が本発明例であり、比較例１〜５が本発明例に対する比較例である。実施例１〜１０の本発明例においては、浸炭または浸炭窒化処理後に、焼入れを行ない、その後、寸法安定性を高める焼戻し処理を施しているため、転がり寿命が十分確保でき、且つ比較例に対して寸法変化が少ないため、耐クリープ性に優れる。また、上記に述べた理由により遅れ破壊強度（割れ寿命）においても優れている。
比較例１は、従来ＳＵＪ２の例であるが、遅れ破壊強度及び耐クリープ性の点で本発明例よりも劣っている。また、比較例２はＳＵＪ２の残留オーステナイトを焼戻しにより分解消失させた場合の例であるが、硬さが低下したことによりやや寿命が低下した。
比較例３、４は、通常の浸炭処理を施した場合の例であるが、残留オーステナイト量が多く、寸法安定性が劣る他、遅れ破壊強度においても本発明例よりも劣っている。
【００２７】
比較例５は、フープ応力が４００ＭＰａと高く、寿命、遅れ破壊強度共に低下した。    図４にフープ応力と転がり寿命との関係を、図５にフープ応力と割れ寿命（遅れ破壊強度）との関係をそれぞれ示す。各図中●は本発明例を示し、○は比較例を示している。各図から判るように、いずれの場合も本発明例の方が優れていることが確認できる。また、フープ応力が３００ＭＰａを超えると寿命低下の傾向が確認されるため、好ましいフープ応力は３００ＭＰａ以下とするのが良い。本発明例においては、内輪の膨張による寸法変化がなく、内輪膨張に起因した経時的な耐クリープ性の低下がないため、フープ応力をさらに低減することが可能であり、より好ましくは２５０ＭＰａ以下とする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】車輪支持用軸受装置の一例を示す一部を破断した図である。
【図２】エッジ部の拡大図である。
【図３】（ａ）はエッジ部のＲ形状の一例を示す断面図、（ｂ）はエッジ部のＲ形状の他の例を示す断面図である。
【図４】フープ応力と転がり寿命との関係を示すグラフ図である。
【図５】フープ応力と割れ寿命との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００２９】
２    ハブ
３    内輪
４    外輪
５    転動体
７ａ  内輪軌道面
７ｂ  内輪軌道面
８    小径段部
８ａ  段差面
９    円筒部
９ａ  加締め部
１０ａ  外輪軌道面
１０ｂ  外輪軌道面
【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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