JP2004225790A - 車輪支持用転がり軸受ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】加締め時にひび割れが発生しにくい車輪支持用転がり軸受ユニットを提供する。
【解決手段】内輪３が加締めにより一体的に固定された車輪支持用転がり軸受ユニット１のハブ輪２を、マンガンと０．４５〜０．６５質量％の炭素とを含有する鋼で構成した。そして、下記式で定義される鋼のマンガン偏析度を、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％以上の場合は０．６以下とし、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％未満の場合は（２．８−２×［Ｍｎ０］）／３以下とした。
マンガン偏析度＝（［Ｍｎ］−［Ｍｎ０］）／［Ｍｎ０］
ここで、［Ｍｎ］は前記鋼の最大マンガン濃度であり、その単位は質量％である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等に用いられる車輪支持用転がり軸受ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車に用いられる従来の車輪支持用転がり軸受ユニットとしては、例えば図３に示すものがある。
この車輪支持用転がり軸受ユニット１０１は、ハブ輪１０２，内輪１０３，外輪１０４，及び複数の転動体１０５を備えており、ハブ輪１０２の外周面の外端側部分には、車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ１０６が設けられている。なお、本明細書においては、車輪支持用転がり軸受ユニットを自動車に取り付けた状態において、自動車の幅方向外側を向いた部分を外端側部分と称し、幅方向中央側を向いた部分を内端側部分と称する。すなわち、図３においては、左側が外端側となり、右側が内端側となる。
【０００３】
また、ハブ輪１０２の内端側部分には外径の小さい小径段部１０８が形成されており、該小径段部１０８に内輪１０３が嵌め込まれている。ハブ輪１０２の内端側部分は円筒状に形成されており、該円筒部１０９を径方向外方に加締め広げることにより、内輪１０３をハブ輪１０２に固定し、軸受すきまを所定値に設定している。
【０００４】
ハブ輪１０２の外周面の軸方向中間部及び内輪１０３の外周面には、それぞれ軌道面が形成され、複列の内輪軌道面１０７ａ，１０７ｂとされている。また、外輪１０４の内周面には前記複列の内輪軌道面１０７ａ，１０７ｂに対応する複列の外輪軌道面１１０ａ，１１０ｂが形成されている。さらに、複列の内輪軌道面１０７ａ，１０７ｂと複列の外輪軌道面１１０ａ，１１０ｂとの間には、それぞれ複数の転動体１０５が転動自在に配置されている。そして、外輪１０４の車輪取り付け用フランジ６から離間する側の端部には、懸架装置取り付け用フランジ１１１が設けられている。
【０００５】
なお、図３の例では転動体１０５として玉を使用しているが、質量の大きい車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、転動体１０５としてテーパころを使用する場合もある。
このような車輪支持用転がり軸受ユニット１０１を自動車に組み付けるには、外輪１０４の懸架装置取り付け用フランジ１１１を懸架装置に固定し、ハブ輪１０２の車輪取り付け用フランジ１０６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。
【０００６】
通常、転がり軸受においては、転動体が転走する軌道部には高面圧が繰り返し負荷されるため、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，焼戻しを施すことにより、軸受部材全体が硬化処理されている。しかしながら、前述のようなフランジを有する部材は、通常の軸受部材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等の中炭素鋼で形成される。また、その軌道部周辺には、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設ける場合が多い。
【０００７】
よって、ハブ輪１０２は、切断した棒材を高周波誘導により加熱して、１１００〜１２００℃程度のオーステナイト域で熱間鍛造することにより成形して製造される。そのうち大部分は焼入れ，焼戻しが施されることなく使用されるが、車輪取り付け用フランジ１０６の内端側付け根部１１２から内輪軌道面１０７ｂを経て小径段部１０８までの領域には、転がり疲労寿命の確保及び内輪嵌め合い部のフレッチング防止を目的として、高周波焼入れによる硬化層１１３（図３において格子状に斜線を付した部分）が形成されている。高周波焼入れが施されていない部分は、熱間鍛造したままの熱処理状態で使用される（以下、高周波焼入れが施されておらず、熱間鍛造したままの熱処理状態で使用される部分を非調質部と称す）。
【０００８】
このとき、熱間鍛造後の放冷によって、まずフェライト組織が生成し、残りがパーライト組織となる。このように２つの相は変態温度が異なるため、変態点近傍での冷却速度や加熱時に成長したオーステナイト結晶の粒径の影響によって変態挙動が変化し、最終的なフェライト／パーライト分率が異なった組織が得られる。
【０００９】
車輪支持用転がり軸受ユニット１０１の組み立て時には、内輪１０３をハブ輪１０２の小径段部１０８に嵌め込んだ後に、内輪１０３とハブ輪１０２とを固定するために、ハブ輪１０２の円筒部１０９を図３のように径方向外方に押し広げる工程がある。この工程では、車輪支持用転がり軸受ユニット１０１の全体を回転させながら、径方向外方に向いた大きな荷重を円筒部１０９にかけるという、大きな歪速度で高い加工率の冷間加工を行っている。
【００１０】
ところが、このような揺動加締めを行うと、表面に径方向にひび割れが発生するとういう問題があった。そこで、特開２００２−１３９０６０号公報には、円筒部の端面の角に丸みをつけることにより亀裂の発生を抑制する技術が提案されており、特開平１２−０８７９７８号公報には、円筒から加締めて最終的な表面の曲面形状を改良することにより、抜け抗力を向上させる技術が提案されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１３９０６０号公報
【特許文献２】
特開平１２−０８７９７８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加締めの際の変形荷重や変形速度が大きくなると、前記公報に記載の技術では、前述の問題点を解決できない場合があった。
そこで、本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決し、加締め時にひび割れが発生しにくい車輪支持用転がり軸受ユニットを提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次のような構成からなる。すなわち、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記内輪が加締めにより一体的に固定された鋼製のハブ輪と、を備える車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、前記鋼は、マンガンと０．４５〜０．６５質量％の炭素とを含有することに加えて、下記式で定義されるマンガン偏析度が、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％以上の場合は０．６以下であり、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％未満の場合は（２．８−２×［Ｍｎ０］）／３以下であることを特徴とする。
【００１４】
マンガン偏析度＝（［Ｍｎ］−［Ｍｎ０］）／［Ｍｎ０］
ここで、［Ｍｎ］は前記鋼の最大マンガン濃度であり、その単位は質量％である。
このような構成であれば、内輪をハブ輪に一体的に固定するため加締めを行っても、ひび割れが発生しにくい。以下に、その理由を説明する。
【００１５】
内輪とハブ輪とを一体的に固定するために、非調質部において揺動加締めを行っているが、本発明者らは、前述の従来技術における加締め部に発生する径方向のひび割れの発生要因について鋭意研究を行った。その結果、まず、加締め性の良し悪しには素材の伸びや絞り値が大きく関与しており、組織要因によって伸び、絞り値が劣化した場合に、前述のひび割れが発生することを見出した。
【００１６】
日本金属学会編「鉄鋼材料」の第７８頁に記載されているように、リン（Ｐ）やマンガン（Ｍｎ）の偏析によってフェライト／パーライト組織は変化し、特に鍛伸方向に平行にフェライト／パーライトの縞状組織が現れる。そして、このような不均一な縞状組織は、引張り方向によって伸びや絞り値が大きく異なるとされている。
【００１７】
加締め部分であるハブ輪の円筒部には、熱間鍛造によって、縦方向に素材のフロー及び縞状組織が発達している。また、円筒部を加締めて広げる際には縦方向と円周方向との両方向に押し広げられるため、縞状組織に対して垂直方向の力が作用する。よって、パーライト組織が連結した部分とフェライト組織が連結した部分との材料特性が異なり、材料の均一な延性が得られず、局部的に極端に変形能が低下し、加締め部表面にひび割れが発生しやすくなるのである。
【００１８】
さらに、鋼中のＭｎＳは軟質な介在物であるため切削性を向上させる効果を有する一方で、垂直方向に引張り応力が作用するとＭｎＳを起点として割れが発生しやすい。また、ＭｎＳの析出量は通常はＳ濃度によって決定されるが、鍛錬比及びＭｎの偏析状態によってその分布が大きく異なってくるので、単にＳ濃度を制御するだけでは、加締めによる割れの問題は解決できず、析出したＭｎＳのサイズ及び分布状態を決定するＭｎの偏析を制御することが重要であるとの結論に達した。
【００１９】
また、ＭｎＳとオーステナイトとの界面は、オーステナイト粒界と同様に、鍛造後の冷却時に初析フェライトの核生成サイトとなる。その結果、フェライト中にＭｎＳが存在する組織が形成されやすい。このような組織では、冷間変形時に界面でボイドが形成され、伸び及び絞り値の劣化が大きくなる。よって、加締め性を向上させるためには、フェライトとＭｎＳとの界面を極力少なくする必要がある。
【００２０】
ＭｎＳ上のフェライト析出挙動は鍛造後の冷却速度と関係があり、冷却速度が遅い場合は、ＭｎＳを核として成長した初析フェライトの量が多くなる傾向にある。一方、冷却速度が速い場合は、ＭｎＳを起点としたフェライトの成長、さらにＭｎの偏析によって生じる不均一組織の形成が抑制される傾向にある。つまり、切削性を劣化させない範囲内で冷却速度を速くするか、粗大なＭｎＳの析出そのものを抑えることが好ましい。
【００２１】
次に、前述したマンガン偏析度（Ｍｎ偏析度）について詳述する。
合金元素の偏析は、鋳造後に凝固する際の冷却速度に大きく依存する。高炭素クロム軸受鋼のように熱間加工後に高温での均熱拡散処理（ソーキング）が行われると縞状偏析が低減される。これに対して、Ｃｒの含有量が比較的低い中炭素鋼は、巨大な共晶炭化物が形成されることがないことからソーキングが行なわれないため、合金元素の濃度偏析が顕著である。
【００２２】
中でも、Ｍｎが濃化した部分では変態点が低下するので、初析フェライトの成長が少なく、全面的にパーライト量が増加する。そして、その周囲では変態点が低下しないので、優先的にフェライトが成長した領域が存在する。このような偏析は、鍛伸方向に伸びたバンド状であり、これに沿ってバンド状のフェライト／パーライト組織が形成される。
【００２３】
Ｍｎの含有量が０．５質量％以上のときに前述の式で定義されるＭｎ偏析度が０．６超過であると、加締め部に生じるバンド状の不均一組織が顕著にあわられる。さらに、Ｍｎが濃化した部分ではＭｎＳ量の増加を招くので、結果的に伸びや絞り値が悪化し、加締め時のひび割れが発生しやすくなる。このような問題点がより生じにくくするためには、Ｍｎの含有量が０．５質量％以上のときのＭｎ偏析度は０．４以下であることがより好ましい。これは、縞状組織の発達がさらに抑えられ、伸びや絞り値が改善されるからである。
【００２４】
一方、Ｍｎの含有量が０．５質量％未満の場合は、Ｍｎ偏析度が大きくても変態点の差が生じにくく、Ｍｎ偏析度が（２．８−２×［Ｍｎ０］）／３以下であれば縞状組織が形成されない。なお、本発明における最大マンガン濃度とは、Ｍｎが偏析した鋼においてＭｎが最も濃化した部分のＭｎ濃度を意味する。
以上のように、素材のＭｎ偏析を極力低減させて、▲１▼フェライト／パーライトの縞状組織の形成を回避すること、▲２▼ＭｎＳの析出量を低減すること及びそれを核として成長する不均一組織を回避することによって、素材の伸び、絞り値を向上させることができる。そうすれば、加締めによって大きな冷間変形を受けても、割れが発生しにくい加締め性に優れた車輪支持用転がり軸受ユニットを得ることができる。
【００２５】
なお、前記鋼中の炭素の含有量は、０．４５〜０．６５質量％である必要がある。０．４５質量％未満であると、転動部分に十分な硬さが付与されにくいという問題があり、０．６５質量％超過であると、鋼の切削性が著しく悪化するという問題がある。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態を示す部分縦断面図である。
この車輪支持用転がり軸受ユニット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の外周面の外端側部分には、車輪を支持するための車輪取り付け用フランジ６が設けられている。
【００２７】
また、ハブ輪２の内端側部分には外径の小さい小径段部８が形成されており、該小径段部８に内輪３が嵌め込まれている。ハブ輪２の内端側部分は円筒状に形成されており、該円筒部９が径方向外方に加締め広げられて、内輪３とハブ輪２とが一体的に固定され、軸受すきまが所定値に設定されている。車輪支持用転がり軸受ユニット１の組み立て時には、内輪３をハブ輪２の小径段部８に嵌め込んだ後に、全体を回転させながら、径方向外方に向いた大きな荷重を円筒部９にかけ、ハブ輪２の円筒部９を図１のように径方向外方に押し広げる。
【００２８】
ハブ輪２の外周面の軸方向中間部及び内輪３の外周面には、それぞれ軌道面が形成され、複列の内輪軌道面７ａ，７ｂとされている。また、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が形成されている。さらに、複列の内輪軌道面７ａ，７ｂと複列の外輪軌道面１０ａ，１０ｂとの間には、それぞれ複数の転動体５が転動自在に配置されている。そして、外輪４の車輪取り付け用フランジ６から離間する側の端部には、懸架装置取り付け用フランジ１１が設けられている。
【００２９】
なお、図１の例では転動体５として玉を使用しているが、質量の大きい車輪支持用転がり軸受ユニットの場合には、転動体５としてテーパころを使用する場合もある。
このような車輪支持用転がり軸受ユニット１を自動車に組み付けるには、外輪４の懸架装置取り付け用フランジ１１を懸架装置に固定し、ハブ輪２の車輪取り付け用フランジ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。
【００３０】
この車輪支持用転がり軸受ユニット１の軸受形式は、転動体ピッチ径が４９ｍｍの複列玉軸受であり、各列の玉数は１２個である。
このような車輪支持用転がり軸受ユニット１のハブ輪２は、表１に示すような合金成分を有する鋼で形成されており、熱間鍛造により製造されたものである。なお、Ｍｎ偏析度を変化させるため、凝固時の冷却速度や鍛錬比を変化させた鋼、及び鍛造前に１２００℃での拡散処理をおこなった鋼を一部使用した。また、ハブ輪２は切削加工で所定の形状に加工され、内輪軌道面７ａの周辺部から小径段部８の周辺部までの領域に高周波焼入れが施され、表面に硬化層１３（図１において格子状に斜線を付した部分）が形成されている。そして、その後に研削加工により仕上げ形状とされている。
【００３１】
【表１】

【００３２】
表１に、鋼のＭｎ偏析度と加締め部の硬さ（ビッカース硬さ）とを併せて示す。また、図２のグラフに、鋼のＭｎの含有量とＭｎ偏析度との相関を示す。この硬さは、円筒部９の破断面を荷重９８Ｎで５点測定し、その平均値を示したものである。また、Ｍｎ偏析度は、電子プローブ微量分析装置（ＥＰＭＡ）で測定した円筒部９の破断面のＭｎ濃度分布と、最大マンガン濃度［Ｍｎ］（固溶したＭｎを含む部分のマンガン濃度）とから、前述の式により算出した。
【００３３】
なお、内輪３はＳ５３Ｃで形成されている。また、外輪４はＳ５３Ｃで形成されており、１１００℃で熱間鍛造により製造されたものである。そして、熱間鍛造の後に切削加工が施され、外輪軌道面１０ａの周辺と外輪軌道面１０ｂの周辺には高周波焼入れが施されている。さらに、その後に研削加工が施され最終形状とされている。さらに、転動体５はＳＵＪ２で形成されている。
【００３４】
これらの車輪支持用転がり軸受ユニット１は、以下のような条件で揺動加締めが行われ、組み立てられたものである。すなわち、ハブ輪２を回転速度２００ｍｉｎ^−１で回転させながら、径方向外方に向いた荷重（２０００００Ｎ）を円筒部９の端部に負荷して押し広げて、内輪３をハブ輪２に加締めにより取り付けた。このとき、アキシアルすきまを−１５μｍに設定した。
【００３５】
加締め性の評価基準は、加締め部の表面にひび割れが確認できなかったものを良品、ひび割れが確認されたもの及び適切なアキシアルすきまが得られなかったものを不良品とした。そして、揺動加締め１０００回当たりの不良率（％）を算出して、表１に示した。
その結果、実施例１〜１７の車輪支持用転がり軸受ユニットは、鋼のＭｎ偏析度が好適であるため、いずれも不良率が低く抑えられていた。これに対して、鋼のＭｎ偏析度が好適な範囲を超えている比較例２〜７の車輪支持用転がり軸受ユニットは、前記各実施例に比べて著しく不良率が高かった。また、Ｃ含有量の少ない比較例１の車輪支持用転がり軸受ユニットは不良率が低いが、これはＣ含有量が少ないことにより伸び及び絞り値が向上したことに起因したものである。比較例１は、Ｃ含有量が少ないことにより鋼の強度が不足しており問題である。さらに、Ｃ含有量の多い比較例２は、冷間加工性が特に悪化したことも問題であった。
【００３６】
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態においては、車輪支持用転がり軸受ユニットの軸受形式は複列玉軸受であったが、単列玉軸受等の他の軸受形式でも差し支えない。また、玉軸受に限らずころ軸受でも差し支えない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の車輪支持用転がり軸受ユニットは、ハブ輪を構成する鋼のＭｎ偏析度を所定の値に制御したので、非金属介在物ＭｎＳの析出量の低減及びフェライト／パーライト組織の均一化が達成され、鋼の伸び及び絞り値が改善された。よって、内輪をハブ輪に一体的に固定するため加締めを行っても、ひび割れが発生しにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る車輪支持用転がり軸受ユニットの一実施形態を示す部分縦断面図である。
【図２】鋼中のＭｎの含有量とＭｎ偏析度との相関を示すグラフである。
【図３】従来の車輪支持用転がり軸受ユニットの部分縦断面図である。
【符号の説明】
１ 車輪支持用転がり軸受ユニット
２ ハブ輪
３ 内輪
４ 外輪
５ 転動体

Claims (1)

1. 内輪と、外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動自在に配設された複数の転動体と、前記内輪が加締めにより一体的に固定された鋼製のハブ輪と、を備える車輪支持用転がり軸受ユニットにおいて、
   前記鋼は、マンガンと０．４５〜０．６５質量％の炭素とを含有することに加えて、下記式で定義されるマンガン偏析度が、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％以上の場合は０．６以下であり、マンガンの含有量［Ｍｎ０］が０．５質量％未満の場合は（２．８−２×［Ｍｎ０］）／３以下であることを特徴とする車輪支持用転がり軸受ユニット。
   マンガン偏析度＝（［Ｍｎ］−［Ｍｎ０］）／［Ｍｎ０］
   ここで、［Ｍｎ］は前記鋼の最大マンガン濃度であり、その単位は質量％である。

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