JP2015083848A - ディファレンシャル装置部品 - Google Patents

Abstract

【課題】ディファレンシャルギヤ機構を収容可能に形成されたデフケースと、このデフケースと一体的に回転するように設けられたリングギヤと、を備えたディファレンシャル装置部品において、リングギヤとして必要とされる強度特性を良好に確保しつつ、鋳造によるデフケースとリングギヤとの一体化が可能な構成を提供すること。
【解決手段】本発明のディファレンシャル装置部品（リングギヤ一体型デフケース１２）においては、デフケースとリングギヤとが、黒鉛鋳鋼により継ぎ目なく一体に形成されている。黒鉛鋳鋼は、炭素（Ｃ）０．５〜１．５質量％，珪素（Ｓｉ）１．５〜３．９質量％，マンガン（Ｍｎ）０．２〜１．５質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０１〜０．５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１〜０．４質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディファレンシャルギヤ機構を収容可能に形成されたデフケースと、このデフケースと一体的に回転するように設けられたリングギヤと、を備えた、ディファレンシャル装置部品に関する。

この種の部品として、例えば、下記特許文献１に開示されたものが知られている。この文献に開示された「車両用ディファレンシャル部材」は、球状黒鉛鋳鉄を用いて、デフケースとリングギヤとを、鋳造により一体化したものである。かかる構成によれば、ボルト等の締結手段や溶接を用いなくても、デフケースとリングギヤとを一体化することができ、以て組立工数削減や軽量化等が達成可能となる。

特開昭５９−４３８４４号公報

ところで、周知の通り、鋳鉄は、リングギヤ材（リングギヤ用材料）として通常用いられる浸炭鋼等に比べて、疲労強度等が低い。よって、球状黒鉛鋳鉄を用いた一体鋳造品においては、そのままでは、リングギヤとして必要とされる強度特性が満足されない。

このため、上述した従来技術においては、球状黒鉛鋳鉄を用いた一体鋳造品に対して、まず、チルの分解及び球状パーライト化のための第１段の熱処理が行われ、次に、球状パーライト化率を所定値にコントロールして加工性（被削性）を担保するための第２段の熱処理が行われる。そして、このような２段階熱処理が行われた後、リングギヤを形成するための歯切り加工が行われ、さらにその後、リングギヤの表面硬化焼入れ（例えば高周波焼入れ）やショットピーニング等が行われる。

このように、上述した従来技術においては、リングギヤとして必要とされる強度特性を確保するために、（通常行われるリングギヤの表面硬化焼入れ（例えば高周波焼入れ）やショットピーニング等に先立って）２段階熱処理が必要となっていた。また、この２段階熱処理に加えて、表面硬化焼入れやショットピーニング等を行ったとしても、強度が浸炭鋼に比べてまだまだ低いものであるため、リングギヤにおける欠け等の不具合が発生しやすかった。

本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、リングギヤとして必要とされる強度特性を良好に確保しつつ、鋳造によるデフケースとリングギヤとの一体化が可能な構成を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ディファレンシャルギヤ機構を収容可能に形成されたデフケースと、このデフケースと一体的に回転するように設けられたリングギヤと、を備えたディファレンシャル装置部品であって、黒鉛鋳鋼によりデフケースとリングギヤとが継ぎ目なく一体に形成されたことを特徴としている。なお、ここにいう「黒鉛鋳鋼」は、球状黒鉛鋳鉄を用いた鋳造品にオーステンパ処理を施したもの（これは「球状黒鉛鋳鋼」あるいは「オーステンパ球状黒鉛鋳鋼」と称されることがある）とは異なる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、黒鉛鋳鋼が、炭素（Ｃ）０．５〜１．５質量％，珪素（Ｓｉ）１．５〜３．９質量％，マンガン（Ｍｎ）０．２〜１．５質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０１〜０．５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１〜０．４質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、黒鉛鋳鋼が下記の式（１）を満たす組成を有することを特徴としている。
１６＜（Ｃ＋５．５・Ｓｉ）＜２１・・・（１）
（式（１）中、「Ｃ」は炭素（Ｃ）の質量％，「Ｓｉ」は珪素（Ｓｉ）の質量％）

請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の発明において、黒鉛鋳鋼が下記の式（２）を満たす組成を有することを特徴としている。
０．０５＜（Ｒｅ＋２．５・Ｃａ）＜０．０７・・・（２）
（式（２）中、「Ｒｅ」は希土類元素（ＲＥＭ）の質量％，「Ｃａ」はカルシウム（Ｃａ）の質量％）

請求項１に記載のディファレンシャル装置部品においては、デフケースとリングギヤとが、黒鉛鋳鋼により、継ぎ目なく一体に形成されている。ここで、黒鉛鋳鋼には炭素が比較的多く含まれるため、鋳造によるデフケースとリングギヤとの一体化を行う場合の鋳造性（鋳造時の湯流れ性）が良好となる。よって、かかる構成のディファレンシャル装置部品が、良好な鋳造性で製造され得る。

また、かかるディファレンシャル装置部品における黒鉛鋳鋼製のリングギヤは、上述した従来技術における球状黒鉛鋳鉄製のリングギヤよりも、強度（引張強度や疲労強度）が高い。このため、請求項１に記載の発明によれば、上述した従来技術において必要であった２段階熱処理を用いなくても、リングギヤとして必要とされる強度特性が充分に得られる。

請求項２に記載のディファレンシャル装置部品においては、炭素（Ｃ）０．５〜１．５質量％，珪素（Ｓｉ）１．５〜３．９質量％，マンガン（Ｍｎ）０．２〜１．５質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０１〜０．５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１〜０．４質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる黒鉛鋳鋼により、デフケースとリングギヤとが継ぎ目なく一体に形成されている。このため、請求項２に記載の発明によれば、鋳造によるデフケースとリングギヤとの一体化を行う際に、良好な生産性（鋳造性や鋳造後の被削性）が実現される。

請求項３に記載のディファレンシャル装置部品においては、上記の組成条件を満たし、且つ上記の式（１）を満たす組成を有する黒鉛鋳鋼により、デフケースとリングギヤとが継ぎ目なく一体に形成されている。同様に、請求項４に記載のディファレンシャル装置部品においては、上記の組成条件を満たし、且つ上記の式（２）を満たす組成を有する黒鉛鋳鋼により、デフケースとリングギヤとが継ぎ目なく一体に形成されている。このため、これらの発明によれば、組織内部の黒鉛の球状化状態がいっそう良好となる。

このように、本発明によれば、リングギヤとして必要とされる強度特性を良好に確保しつつ、鋳造によるデフケースとリングギヤとの一体化が可能な構成を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るディファレンシャル装置部品を備えたディファレンシャル装置の概略構成を示す断面図。 図１に示されたリングギヤ一体型デフケースを構成する黒鉛鋳鋼における炭素及び珪素の含有量の影響を検討するためのグラフ。 図１に示されたリングギヤ一体型デフケースを構成する黒鉛鋳鋼におけるカルシウム及び希土類元素の含有量の影響を検討するためのグラフ。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜構成＞
図１を参照すると、ディファレンシャル装置１０は、ディファレンシャルギヤ機構１１と、リングギヤ一体型デフケース１２と、を備えている。なお、ディファレンシャルギヤ機構１１については周知であるので、その詳細な説明は省略する。

本発明の「ディファレンシャル装置部品」に相当する、リングギヤ一体型デフケース１２は、ディファレンシャルギヤ機構１１を収容可能に形成されたデフケース２１と、このデフケース２１と一体的に回転するように設けられたリングギヤ２２と、を備えている。

ここで、本実施形態のリングギヤ一体型デフケース１２においては、デフケース２１とリングギヤ２２とが、黒鉛鋳鋼により、継ぎ目なく一体に形成されている。具体的には、本実施形態においては、このリングギヤ一体型デフケース１２は、以下の組成を有する黒鉛鋳鋼を用いた鋳造により一体成形されている。

黒鉛鋳鋼の組成：炭素（Ｃ）０．５〜１．５質量％，珪素（Ｓｉ）１．５〜３．９質量％，マンガン（Ｍｎ）０．２〜１．５質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０１〜０．５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１〜０．４質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる。

＜製造方法の概要＞
次に、本実施形態のリングギヤ一体型デフケース１２の製造方法の概要について説明する。まず、上述の組成の黒鉛鋳鋼を用いた鋳造により、リングギヤ一体型デフケース１２の元となる鋳造品を製造する。ここで、黒鉛鋳鋼には炭素量が比較的多く含まれるため、鋳造性が良好となる。

次に、この鋳造品に対して、黒鉛鋳鋼による鋳造品に対して通常行われる、組織調質のための熱処理（偏析・粗大組織の分解や内部応力緩和等：このとき組織内部の黒鉛の生成や球状化も適宜生じる）を行う。この熱処理は、７００〜９００℃で１〜５時間保持した後に、空冷又は炉冷することによって行われる。この熱処理によって、リングギヤ２２として必要とされる強度特性が確保される。

熱処理後の鋳造品は、切削等によって、リングギヤ一体型デフケース１２に相当する形状に加工される。ここで、上述の鋳造品は、黒鉛鋳鋼であって、基地中に黒鉛が分散しているので、被削性が良好である。その後、リングギヤ２２に対応する部分に対して、浸炭処理、ショットピーニング、表面硬化焼入れ、等の表面硬化処理が施される。最後に、研磨等の最終加工が施されることで、リングギヤ一体型デフケース１２が完成する。

なお、本実施形態においては、黒鉛鋳鋼の組成が上述の通りであるため、極めて良好な生産性（鋳造性や鋳造後の被削性）が実現される。これについて以下詳述する。

周知の通り、炭素（Ｃ）量が多いほど、黒鉛化が促進される。一方、単に炭素量を多くすることによっては、組織内部で黒鉛が粗大化してしまう。そこで、炭素量を０．５〜１．５質量％に抑えつつ、珪素やカルシウム等の各元素をそれぞれ上述の量添加することで、組織内部での良好な黒鉛化が図られる。これにより、鋳造性や鋳造後の被削性が良好となる。

特に、炭素、珪素、カルシウム及び希土類元素については、以下の式を満たすように含有されていることが好ましい。
１６＜（Ｃ＋５．５・Ｓｉ）＜２１・・・（１）
（式（１）中、「Ｃ」は炭素（Ｃ）の質量％，「Ｓｉ」は珪素（Ｓｉ）の質量％）
０．０５＜（Ｒｅ＋２．５・Ｃａ）＜０．０７・・・（２）
（式（２）中、「Ｒｅ」は希土類元素（ＲＥＭ）の質量％，「Ｃａ」はカルシウム（Ｃａ）の質量％）

＜効果＞
以下、本実施形態の構成によって得られる効果について、具体的な実施例と比較例との対比を用いつつ説明する。

表１は、引張強度及び疲労強度について評価した結果を示す。表中、「実施例」は、以下の組成の黒鉛鋳鋼である：炭素（Ｃ）０．７８質量％，珪素（Ｓｉ）３．２３質量％，マンガン（Ｍｎ）０．５１質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１２質量％，クロム（Ｃｒ）０．０２質量％，リン（Ｐ）０．０１８質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなる（なお、硫黄（Ｓ）分は少なくとも０．００５％未満である）。

また、比較例のうち、「ＦＣＤ４５０」、「ＦＣＤ６００」及び「Ｓ５０Ｃ」は、デフケースとリングギヤとを別体に形成して後から締結や溶接等で接合する構成における、デフケース材として用いられるものであり（ＦＣＤは球状黒鉛鋳鉄を示す）、「ＳＣＭ４２０」は、このような構成における、リングギヤ材として用いられるものである（ＳＣＭはクロムモリブデン鋼を示す）。また、「ＳＣＭ４２０」及び実施例の黒鉛鋳鋼は浸炭処理前のものである。

引張強度は、以下のようにして評価した。まず、所定の組成に調製した溶湯を、１インチＹブロック形状のキャビティを有する砂型に注湯して固化・冷却後、砂型から１インチブロック形状の供試材を取り出した。この供試材から、切り出し加工により、ＪＩＳ４号試験片（Ｄ＝１４ｍｍ、Ｒ＝１５ｍｍ、Ｌ〔標点距離〕＝５０ｍｍ、Ｐ〔平行部〕＝６０ｍｍ）を得た。この試験片を用いて、株式会社島津製作所製の精密万能試験機「オートグラフ」（登録商標）により、金属材料引張試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２０１−１９８０）に準じて試験を行い、応力−ひずみ線図から引張強度（最大応力）を求めた。なお、引張強度は、主としてデフケース部分の機械的強度（薄肉化等による軽量化の可能性）に関するものであるため、リングギヤ材であるＳＣＭ４２０については、引張強度の評価は省略した。

疲労強度は、以下のようにして評価した。まず、上述の供試材から、切り出し加工により、ＪＩＳ１号試験片（ｄ＝８ｍｍ、Ｒ＝２４ｍｍ、Ｌ〔平行部〕＝１６ｍｍ）を得た。この試験片を用いて、回転曲げ疲れ試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２７４）に準じて試験を行うことにより、試験片の疲労強度（繰返し数が１０^７回における繰返し応力）を求めた。

表１の評価結果から明らかなように、本実施例によれば、比較例のデフケース材よりも高い引張強度が得られた。また、本実施例によれば、各比較例よりも高い疲労強度が得られた。これにより、リングギヤ２２として必要とされる強度特性が良好に確保されるとともに、デフケース２１における軽量化（薄肉化等）が可能となる。

表２は、炭素及び珪素の含有量による、黒鉛球状化の影響を評価するための実験データを示す。図２は、表２の実験データをグラフ化したものである。なお、表中の「結果」は、目視（供試材を鏡面研磨及び腐食処理したものを光学顕微鏡で観察）による官能評価結果であって、「１」は通常、「２」は良好をそれぞれ示す。

また、図３は、表２と同様にして、カルシウム及び希土類元素の含有量による、黒鉛球状化の影響を評価した結果を示す。図２及び図３の評価結果から明らかなように、黒鉛鋳鋼の組成が上記式（１）及び式（２）を満たすように調整されることで、良好な黒鉛球状化状態が得られ、これにより、よりいっそう良好な強度特性及び生産性が得られる。

＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明は、上述した具体的な装置構成に限定されない。すなわち、ディファレンシャルギヤ機構１１やリングギヤ一体型デフケース１２の構造や形状は、図１に示された具体的な態様に限定されない。

上述した実施例における特定の黒鉛鋳鋼組成は、あくまで一つの例示であって、各元素の含有量が上述の範囲内であることにより、上述のようなきわめて良好な特性が得られる。

具体的には、例えば、珪素には、黒鉛の生成を促進する効果がある。このため、含有量が上述の範囲を下回ると、黒鉛生成による被削性や鋳造性の向上効果が充分には得られなくなる可能性がある。一方、含有量が上述の範囲を上回ると、シリコフェライト量が増加して、靭性の低下につながる可能性がある。

マンガンは、パーライト化促進元素であり、含有量が上述の範囲を下回ると、強度の低下につながる可能性がある。一方、含有量が上述の範囲を上回ると、黒鉛生成による被削性や鋳造性の向上効果が充分には得られなくなる可能性がある。

希土類元素には、黒鉛の生成及び球状化を促進する効果がある。このため、含有量が上述の範囲を下回ると、黒鉛生成及び良好な球状化による被削性や鋳造性の向上効果が充分には得られなくなる可能性がある。なお、希土類元素としては、典型的には、例えば、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、ネオジム（Ｎｄ）、プラセオジム（Ｐｒ）、等が用いられる。希土類元素は、単独であるいは複合して用いられ得る。

カルシウムには、希土類元素の黒鉛生成機能を促進し、黒鉛を微細化させる効果がある。このため、含有量が上述の範囲を下回ると、黒鉛生成による被削性や鋳造性の向上効果が充分には得られなくなる可能性がある。一方、含有量が上述の範囲を上回ると、黒鉛の粗大化傾向が生じる可能性がある。

したがって、各元素の含有量を上述の範囲内とすることで、黒鉛鋳鋼を用いた鋳造により継ぎ目なく一体に形成されたリングギヤ一体型デフケース１２において、高い引張強度及び疲労強度が得られることによる軽量化や耐久性に加えて、鋳造性や鋳造後の被削性が非常に良好となることによる優れた生産性という、顕著な効果が得られる。

１０…ディファレンシャル装置、１１…ディファレンシャルギヤ機構、１２…リングギヤ一体型デフケース、２１…デフケース、２２…リングギヤ。

Claims (4)

1. ディファレンシャルギヤ機構を収容可能に形成されたデフケースと、このデフケースと一体的に回転するように設けられたリングギヤと、を備えたディファレンシャル装置部品であって、
   前記デフケースと前記リングギヤとは、黒鉛鋳鋼により継ぎ目なく一体に形成されたことを特徴とする、ディファレンシャル装置部品。
2. 前記黒鉛鋳鋼は、炭素（Ｃ）０．５〜１．５質量％，珪素（Ｓｉ）１．５〜３．９質量％，マンガン（Ｍｎ）０．２〜１．５質量％，希土類元素（ＲＥＭ）０．０１〜０．５質量％，カルシウム（Ｃａ）０．０１〜０．４質量％を含み、残部が鉄（Ｆｅ）及び不可避的不純物からなることを特徴とする、請求項１に記載のディファレンシャル装置部品。
3. 前記黒鉛鋳鋼は、下記の式（１）を満たす組成を有することを特徴とする、請求項２に記載のディファレンシャル装置部品。
   １６＜（Ｃ＋５．５・Ｓｉ）＜２１・・・（１）
   （式（１）中、「Ｃ」は炭素（Ｃ）の質量％，「Ｓｉ」は珪素（Ｓｉ）の質量％）
4. 前記黒鉛鋳鋼は、下記の式（２）を満たす組成を有することを特徴とする、請求項２又は３に記載のディファレンシャル装置部品。
   ０．０５＜（Ｒｅ＋２．５・Ｃａ）＜０．０７・・・（２）
   （式（２）中、「Ｒｅ」は希土類元素（ＲＥＭ）の質量％，「Ｃａ」はカルシウム（Ｃａ）の質量％）

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