CN105658998B - 差速装置部件、具有其的差速装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种差速装置部件，其包括：构造成容置差速齿轮机构的差速器箱；以及设置成与差速器箱一体地旋转的环形齿轮，以提供能够通过铸造使差速器箱与环形齿轮成一体同时理想地确保用作环形齿轮时所需的强度性能的构型。在该差速装置部件(差速器箱和环形齿轮一体件12)中，差速器箱和环形齿轮由铸钢一体地且无缝地形成。铸钢优选地包括：按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计0.2％至1.0％的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。

Description

差速装置部件、具有其的差速装置及其制造方法

技术领域

(相关申请的交叉引用)

本申请要求基于在2013年10月25日提交的日本特许申请No.2013-221809的优先权，该日本特许申请的全部公开内容通过参引并入本文。

本发明涉及差速装置部件，该差速装置部件包括构造成容置差速齿轮机构的差速器箱和设置成与差速器箱一体地旋转的环形齿轮。本发明还涉及具有该差速装置部件的差速装置以及该差速装置部件的制造方法。

背景技术

已知的上述类型的部件的示例包括专利文献1中公开的构型。专利文献1中公开的“用于车辆的差速构件(differential member for vehicles)”具有下述结构：在该结构中，差速器箱与环形齿轮由球墨铸铁通过铸造一体地形成。在该构型中，差速器箱与环形齿轮可以在没有利用诸如螺栓或焊接之类的紧固方法的情况下一体地形成，从而实现组装步骤数的减少以及重量的减轻。

引用列表

专利文献

专利文献1：JP-A-59-43844

发明内容

技术问题

本发明提出了以下分析。

如所公知的，与通常用作环形齿轮材料(用于环形齿轮的材料)的渗碳钢等相比，铸铁具有较低的疲劳强度等。因此，由球墨铸铁形成的一体式铸件(铸造的)不具有令人满意的、环形齿轮所需的强度性能。

因此，在上述相关技术中，对由球墨铸铁形成的一体式铸件进行第一阶段热处理以用于冷分解和球状珠光体化，并随后进行第二阶段热处理以用于将球状珠光体化的比率控制到预定值从而确保可加工性(机加工性能)。在已经完成上述两个阶段的热处理之后，进行用于形成环形齿轮的齿轮切制，随后对环形齿轮进行表面硬化淬火(例如，高频淬火)、喷丸处理等。

以此方式，在上述相关技术中，需要(在通常对环形齿轮进行的表面硬化淬火(例如，高频淬火)、喷丸处理等之前)进行所述两个阶段的热处理来确保环形齿轮所需的强度性能。即使除这两个阶段的热处理之外还进行表面硬化淬火、喷丸处理等，强度仍明显低于渗碳钢的强度，因此，容易导致诸如环形齿轮碎裂之类的问题。

本发明在以上例示的情形的基础上展开。换句话说，本发明的目的在于提供一种能够通过铸造使差速器箱与环形齿轮成一体同时理想地确保被用作环形齿轮时所需的强度性能的构型。

问题的解决方案

为了实现上述目的，本发明的第一方面针对一种差速装置部件，该差速装置部件包括：差速器箱，该差速器箱构造成容置差速齿轮机构；以及环形齿轮，该环形齿轮设置成与差速器箱一体地旋转，其中，差速器箱与环形齿轮由铸钢一体地且无缝地形成。

本发明的第二方面针对本发明的第一方面，其中，铸钢(通常包括按质量计0.1％至0.8％的碳(C))包括按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计0.2％至1.0％的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。

本发明的第三方面针对本发明的第二方面，其中，铸钢具有满足下述表达式(1)的组成：

2.3<(Mn+5*V)<2.7...(1)

在表达式(1)中，“Mn”是锰(Mn)的质量百分数，以及“V”是钒(V)的质量百分数。

本发明的第四方面针对本发明的第一方面，其中，铸钢包括按质量计0.1％至0.8％的碳(C)。

本发明的第五方面针对本发明的第一方面，其中，铸造的差速装置部件具有850MPa或更大的抗拉强度。

本发明的第六方面针对本发明的第一方面，其中，铸造的差速装置部件具有8％或更大的断裂伸长率。

本发明的第七方面针对本发明的第一方面，其中，铸造的差速装置部件具有400MPa或更大的疲劳强度。

本发明的第八方面针对一种差速装置，该差速装置包括根据第一方面的差速装置部件。

本发明的第九方面针对一种差速装置部件的制造方法，该制造方法包括下述步骤：对铸钢进行铸造以形成用于差速装置部件的一体且无缝的铸件，其中，差速装置部件包括与差速器箱成一体式的环形齿轮。

发明的有益效果

根据本发明的第一方面的差速装置部件，差速器箱和环形齿轮由铸钢一体地且无缝地形成。此处，上述差速装置部件中的由铸钢形成的环形齿轮的强度性能(抗拉强度和疲劳强度)比上述相关技术的由球墨铸铁形成的环形齿轮的强度性能(抗拉强度和疲劳强度)更高。因此，在不进行上述相关技术中所需的两个阶段的热处理的情况下充分获得环形齿轮所需的强度性能。差速装置部件中的由铸钢形成的环形齿轮不容易遭受碎裂，这是因为差速装置部件中的由铸钢形成的环形齿轮的碳的量比上述相关技术的由球墨铸铁形成的环形齿轮的碳的量小。

根据本发明的第二方面的差速装置部件，差速器箱与环形齿轮由下述铸钢一体地且无缝地形成：该铸钢包括按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计0.2％至1.0％的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。因此，通过本发明的第二方面，在差速器箱与环形齿轮被一体地铸造时实现了极其理想的生产性(铸造性能和铸造后的机加工性能)和强度性能。

根据本发明的第三方面的差速装置部件，差速器箱与环形齿轮由下述铸钢一体地且无缝地形成：该铸钢具有满足上述组成条件并还满足上述表达式(1)的组成。因此，通过本发明的第三方面，在差速器箱与环形齿轮通过铸造成为一体时实现了极其理想的机械性能(具体地，抗拉强度和伸长率(延展性))。

以此方式，根据本发明的各方面，可以提供一种能够通过铸造使差速器箱与环形齿轮成一体同时理想地确保被用作环形齿轮时所需的强度性能的构型。

附图说明

【图1】图1为示出了设置有根据本发明的实施方式的差速装置部件的差速装置的示意性构型的截面图。

【图2】图2为用于研究构成图1中示出的差速装置部件(与差速器箱成一体式的环形齿轮)的铸钢中锰和钒的含量的影响的曲线图。

【图3】图3为用于研究构成图1中示出的差速装置部件(与差速器箱成一体式的环形齿轮)的铸钢中锰和钒的含量的影响的曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明的实施方式。在本说明书的末尾处概述了改型，这是因为如果将改型插入实施方式的描述中，则不利于对实施方式的连贯描述的理解。

〈构型〉

参照图1，差速装置10包括差速齿轮机构11和差速器箱和环形齿轮一体件12。由于差速齿轮机构11是已知的，因此将省略对其的详细描述。

与本发明的“差速装置部件”对应的差速器箱和环形齿轮一体件12包括差速器箱21和环形齿轮22，其中，差速器箱21构造成容置差速齿轮机构11，环形齿轮22设置成与差速器箱21一体地旋转。

此处，在该实施方式的差速器箱和环形齿轮一体件12中，差速器箱21和环形齿轮22由铸钢一体地且无缝地形成。具体地，在实施方式中，差速器箱和环形齿轮一体件12利用具有下列成分的铸钢通过铸造一体地形成。

铸钢的成分包括：按质量计0.1％至0.8％的碳(C)、按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计0.2％至1.0％的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。

〈制造方法概要〉

随后，将对制造该实施方式的差速器箱和环形齿轮一体件12的方法的概要进行描述。首先，作为差速器箱和环形齿轮一体件12的基础材料的铸件由具有上述成分的铸钢通过铸造而制成。

随后，对该铸件进行常规热处理(用于偏析组织和粗晶组织的分解或内应力的减缓)，也就是说，对由铸钢形成的铸件进行调质处理。该热处理是通过将铸件保持在700℃至950℃的温度范围内持续1小时至3小时并然后通过空气冷却或炉内冷却来使铸件冷却而进行的。通过这种热处理，确保了环形齿轮22所需的强度性能。

经热处理后的铸件通过切割等被机加工成对应于差速器箱和环形齿轮一体件12的形状。随后，对与环形齿轮22对应的部分进行表面硬化处理，比如渗碳、喷丸处理和表面硬化淬火。最后，进行例如抛光等的最终加工，由此完成了差速器箱和环形齿轮一体件12。

在该实施方式中，由于铸钢的成分如上所述，因此实现了极其理想的生产性(铸造性能和铸造之后的机加工性能)和强度性能。下面将给出详细描述。

更确切地说，例如，碳具有改善强度和铸造性能(熔融金属在铸造时的流动性)的效果。因此，如果碳的含量低于上述范围，则无法充分获得通过碳来改善铸造性能的效果。与此相反，如果碳的含量超过上述范围，则可能导致韧性和机加工性能的与珠光体量的增加相关联的降低。

如果硅的含量低于上述范围，则可能导致强度的与硅的固溶体量的减少相关联的降低。与此相反，如果硅的含量超过上述范围，则可能导致韧性和机加工性能的与作为非金属夹杂物的偏析物的量的增加相关联的降低。

锰是加速珠光体化的元素，并且如果锰的含量低于上述范围，则可能导致强度的降低。与此相反，如果锰的含量超过上述范围，则可能导致韧性和脆性在热处理时降低。

钒具有基于沉淀硬化来改善强度的效果。因此，如果钒的含量低于上述范围，则可能无法充分获得改善抗拉强度的效果。与此相反，如果钒的含量超过上述范围，则可能导致韧性的降低。

如果锡的含量低于上述范围，则可能无法充分获得改善抗拉强度的效果。与此相反，如果锡的含量超过上述范围，则可能导致韧性的降低。

铬具有基于碳化物的生成来改善强度的效果。因此，如果铬的含量低于上述范围，则可能无法充分获得改善抗拉强度的效果。与此相反，如果铬的含量超过上述范围，则可能导致韧性的降低。

如果铜的含量低于上述范围，则可能无法充分获得改善抗拉强度的效果。与此相反，如果铜的含量超过上述范围，则可能导致机加工性能和韧性的降低。

因此，通过根据上述范围确定各元素的含量，在由铸钢通过铸造一体地且无缝地形成的差速器箱和环形齿轮一体件12中除获得期望的强度性能之外还获得由于明显更理想的铸造性能和铸造后的机加工性能而得到的显著效果——即，优异的生产性。

特别地，关于锰和钒，优选的是使锰和钒的含量满足下面的表达式(1)。因此，实现了极其理想的机械性能(抗拉强度和伸长率)。

2.3<(Mn+5*V)<2.7...(1)

在表达式(1)中，“Mn”是锰(Mn)的质量百分数，以及“V”是钒(V)的质量百分数。

〈有益效果〉

接下来，将在将特定示例与比较示例进行比较的同时对通过该实施方式的构型获得的有益效果进行描述。

表1示出了抗拉强度、伸长率和疲劳强度的评估结果。在该表中，示例是具有下述成分的铸钢：按质量计0.48％的碳(C)、按质量计0.42％的硅(Si)、按质量计1.00％的锰(Mn)、按质量计0.27％的钒(V)、按质量计0.02％的锡(Sn)、按质量计0.38％的铬(Cr)、按质量计0.35％的铜(Cu)、按质量计0.02％的磷(P)、按质量计0.01％的硫(S)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。

在比较示例中，“FCD450”、“FCD600”(FCD表示球墨铸铁)、和“S50C”是用于处于差速器箱和环形齿轮分开形成并然后通过拧紧(用螺栓)或焊接而接合的构型的差速器箱的材料，而“SCM420”(SCM表示铬钼钢)是用于环形齿轮的材料。“S50C”-比较示例是渗氮后的材料，而“SCM420”-比较示例是渗碳后的材料。

抗拉强度和伸长率以下述方式进行评估。首先，将制备成具有预定成分的熔融金属倒入具有1英寸Y块腔的砂模(多个砂模)中，然后熔融金属被凝固和冷却，并且然后将具有1英寸块形状的待试验材料从砂模(多个砂模)中取出。通过切割而由待试验材料得到JIS(日本工业标准)4型试样(D＝14mm，R＝15mm，L(标距)＝50mm，P(平行部分)＝60mm)。利用岛津制作所制造的精密万能试验机“Autograph”(注册商标)根据金属材料拉伸试验方法(JISZ 2201-1980)用该试样进行试验，并且从应力-应变图获得抗拉强度(最大应力)和伸长率(断裂伸长率)。应当指出的是，抗拉强度和伸长率是用于评估差速器箱部的机械强度的参数(基于这些参数考虑通过薄壁铸造等工艺来减轻重量的可能性)。SCM420为用于环形齿轮的材料，因此，用于评估SCM420的抗拉强度和伸长率的试验被省去。

疲劳强度以下述方式进行评估。首先，通过切割而由上述待试验材料得到JIS 1型试样(d＝8mm，R＝24mm，L(平行部分)＝16mm)。用该试样进行根据旋转弯曲疲劳试验方法(JIS Z 2274)的试验以获得该试样的疲劳强度(10⁷次反复循环的反复应力)。

【表1】

从表1中所示的评估结果清楚地看出，与比较示例的差速器箱的抗拉强度相比，根据该示例得到更高的抗拉强度。与相应的比较示例相比，根据该示例，其(该试样的)疲劳强度更高。在该示例中，具体地，尽管尚未进行渗碳，但该示例的疲劳强度比相关技术的渗碳后的环形齿轮材料的疲劳强度更高。同样地，关于本示例中的伸长率，获得的该试样的值比FCD600的值更好，并且获得的该试样的值与FCD450的值相当，但该试样的值不如S50C的值好。换句话说，与比较示例不同，在该示例中实现了高抗拉强度和高疲劳强度以及良好的伸长性能(延展性)。因此，根据该示例，理想地确保了环形齿轮22所需的强度性能，并且能够通过薄壁铸造等工艺来实现差速器箱21的减重。

表2示出了用于评估锰和钒的含量对抗拉强度和伸长率的影响的实验数据。图2和图3是表2中的实验数据的曲线图。表中的“合金系数”为上述表达式(1)中的中间部分(Mn+5*V)的计算值。图2和图3中的水平虚线示出了抗拉强度和伸长率的目标值：抗拉强度为850MPa或更大；而伸长率是8％或更大。

【表2】

从图2和图3中的评估结果清楚地看出，如上所述的抗拉强度和伸长率的目标值通过调整铸钢的成分满足上述表达式(1)来实现，从而实现极其理想的机械性能(具体地，抗拉强度和伸长率)。

〈改型〉

下面将描述一些代表性的改型。在下面给出的对改型的描述中，与上述实施方式中的附图标记相同的附图标记可以用于具有与以上给出的实施方式中所描述的构型和功能相同的构型和功能的部分。对于对应部分的描述，上述实施方式的描述可以根据需要在技术上一致的范围内被引用。毋庸置疑，修改并不限于下面列举的那些修改。上述实施方式的一部分以及多个修改的全部或一部分都可以根据需要在技术上一致的范围内被以组合的方式应用。

本发明并不限于上述特定的装置构型。换句话说，差速齿轮机构11和差速器箱和环形齿轮一体件12的结构或形状并不限于图1中所示的特定模式。

上述示例中的特定铸钢的成分仅是说明，并且上述极其理想的性能通过各元素的包括在上述范围内的含量而获得。

以上指出的专利文献的公开内容通过参引并入本文。所述特殊的示例性实施方式或示例可以基于本发明的基本技术理念在本发明的全部公开内容——包括权利要求——的整个范围内被修改和调整。此外，可以在全部公开内容的理念内对文中公开的要素——包括公开内容中的各要素、示例性实施方式中的各要素、示例中的各要素、或附图中的各要素——进行各种组合和选择。应当理解的是，本发明旨在包括可以由本领域技术人员根据包括本发明的权利要求和技术理念在内的全部公开内容进行的各种改变和修改。特别地，如果文中指出了数值范围，则数值范围应当被解释为表示包括在这种范围内的任何任意数值或子范围，即使在这种效果没有被明确地陈述时也是如此。

应当指出的是，本申请中所使用的用于参照附图的附图标记专门用于帮助理解，而非意在将本发明限于所示出的模式。

附图标记列表

10...差速装置，11...差速齿轮机构，12...与差速器箱成一体式的环形齿轮(差速装置部件)，21...差速器箱，22...环形齿轮。

Claims (8)

1.一种差速装置部件，包括：

差速器箱，所述差速器箱构造成容置差速齿轮机构；以及

环形齿轮，所述环形齿轮设置成与所述差速器箱一体地旋转，

其中，所述差速器箱与所述环形齿轮由铸钢一体地且无缝地形成，

其中，所述铸钢包括按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计大于0.2％且1.0％以下的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。

2.根据权利要求1所述的差速装置部件，其中，所述铸钢具有满足下述表达式(1)的组分：

2.3<(Mn+5*V)<2.7...(1)

其中，“Mn”是锰(Mn)的质量百分数，以及“V”是钒(V)的质量百分数。

3.根据权利要求1所述的差速装置部件，其中，所述铸钢包括按质量计0.1％至0.8％的碳(C)。

4.根据权利要求1所述的差速装置部件，其中，铸造的所述差速装置部件具有850MPa或更大的抗拉强度。

5.根据权利要求1所述的差速装置部件，其中，铸造的所述差速装置部件具有8％或更大的断裂伸长率。

6.根据权利要求1所述的差速装置部件，其中，铸造的所述差速装置部件具有400MPa或更大的疲劳强度。

7.一种差速装置，包括根据权利要求1所述的差速装置部件。

8.一种差速装置部件的制造方法，包括下述步骤：

对铸钢进行铸造以形成用于差速装置部件的一体且无缝的铸件，其中，所述差速装置部件包括差速器箱和环形齿轮一体件，

其中，所述铸钢包括按质量计0.3％至1.0％的硅(Si)、按质量计0.5％至1.2％的锰(Mn)、按质量计0.1％至0.5％的钒(V)、按质量计0.01％至0.05％的锡(Sn)、按质量计0.1％至1.5％的铬(Cr)、按质量计大于0.2％且1.0％以下的铜(Cu)、以及由铁(Fe)和无法避免的杂质组成的剩余部分。