特開 2024-133746 ディファレンシャル・ハイポイドギヤ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024133746

(43)【公開日】2024-10-03

(54)【発明の名称】ディファレンシャル・ハイポイドギヤ

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20240926BHJP

   C22C 38/32 20060101ALI20240926BHJP

   F16H 48/00 20120101ALI20240926BHJP

   C21D 1/06 20060101ALN20240926BHJP

   C21D 9/32 20060101ALN20240926BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Z

C22C38/32

F16H48/00

C21D1/06 A

C21D9/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023043689

(22)【出願日】2023-03-20

(71)【出願人】

【識別番号】000116655

【氏名又は名称】愛知製鋼株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩本 侑大

(72)【発明者】

【氏名】福田 直樹

(72)【発明者】

【氏名】牧野 孔明

(72)【発明者】

【氏名】小斉 俊幸

(72)【発明者】

【氏名】近藤 正顕

(72)【発明者】

【氏名】北野 智靖

【テーマコード（参考）】

3J027

4K042

【Ｆターム（参考）】

3J027FA12

3J027FB02

3J027FC20

3J027HA00

3J027HC04

4K042AA18

4K042BA03

4K042BA04

4K042CA02

4K042CA06

4K042CA08

4K042CA09

4K042CA12

4K042DA01

4K042DA02

4K042DA06

4K042DC02

4K042DC03

4K042DD03

4K042DE05

4K042DE06

(57)【要約】

【課題】Ｂ添加による高強度化を図ったうえで、浸炭処理後全体焼入れにより内部硬度を十分に高めたうえで、さらに、ＮＶに影響を及ぼす背面変形量を従来よりも抑制したディファレンシャル・ハイポイドギヤを提供すること。
【課題を解決するための手段】Ｃ：０．１５～０．３０％、Ｓｉ：０．５５～１．００％、Ｍｎ：０．２０～１．２０％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０８０％、Ｂ：０．０００５～０．００５０％、Ｔｉ：０．０１～０．０８％、及びＮ：０．００２０～０．０１００％を含み、任意元素として、Ｍｏ：０．２５％以下、及びＮｂ：０．１０％未満を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。焼き戻しマルテンサイトとベイナイトを含む金属組織を有し、焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１及びＭ２との差Ｍ２－Ｍ１が３０％以上であり、歯元内部硬さが３５０ＨＶ～５００ＨＶである。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リング状の本体部と、該本体部の中心軸の軸方向一方側に突出して設けられた複数の歯を有する歯形成部と、軸方向他方側に設けられた平坦な背面とを有し、少なくとも一部の表面に浸炭層を備え、
質量％において、Ｃ：０．１５～０．３０％、Ｓｉ：０．５５～１．００％、Ｍｎ：０．２０～１．２０％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０８０％、Ｂ：０．０００５～０．００５０％、Ｔｉ：０．０１～０．０８％、及びＮ：０．００２０～０．０１００％、を含み、任意元素として、Ｍｏ：０．２５％以下、及びＮｂ：０．１０％未満、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、
焼き戻しマルテンサイトとベイナイトを含む金属組織を有し、
歯幅ａを有する前記歯の歯先の大端部から小端部に向かって３／４ａ進んだ歯先上の点から、前記歯の歯底面に垂下した垂線と前記歯底面との交点から、さらに前記背面に対して垂下した垂線の長さ寸法ｄに対して前記背面から３／４ｄ離れた前記垂線上の位置にある内側測定点Ｐ１における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１と、
前記歯先の大端部から小端部に向かって１／８ａ入った歯先上の点と、前記背面の最大外径点とを結んだ直線における前記歯底面から前記最大外径点との間の中点にある外側測定点Ｐ２における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ２とについて、Ｍ２－Ｍ１≧３０％以上であり、
前記歯の径方向中央位置の歯元内部硬さが３５０ＨＶ～５００ＨＶであり、
下記式１及び式２を満足する、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ。
式１：８２－３７０（ｂ／ａ）－１３５［Ｃ］＋９３［Ｍｎ］＋１０５［Ｃｒ］＋１３１［Ｍｏ］≦４０、
式２：２８．１６≦－１７．３３＋１３９．８［Ｃ］＋４．２９［Ｓｉ］＋１７．０３［Ｍｎ］＋１２．２８［Ｃｒ］＋２８．７９６［Ｍｏ］＋３１３［Ｂ］－ｍｄ、
（但し、式１及び式２中において、ａ：歯幅（ｍｍ）、ｂ：歯幅ａの中点から歯底面に垂下した垂線と前記歯底面との交点から前記背面に対して垂下した垂線の長さ寸法で定義されるブランク厚（ｍｍ）、ｍｄ：前記歯のモジュール（ｍｍ）、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］及び［Ｂ］：それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢの含有率（質量％）、である。）

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディファレンシャル・ハイポイドギヤに関する。

【背景技術】

【0002】

自動車に用いられるディファレンシャル・ハイポイドギヤは、主にＦＲ車において用いられるエンジンの出力をタイヤに伝えるための最終伝達装置であり、突発的な過大入力により、高面圧、高曲げ応力が負荷される。そのため、ディファレンシャル・ハイポイドギヤには、高強度化と、極低サイクル域での疲労破壊が生じないようにすることが求められている。

【0003】

また、ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、比較的大型で歯幅が広く加速面・減速面が非対称な形状であるため、製造時において、浸炭歪みの悪化が発生しやすいという問題がある。高強度化のためにはＢ添加による粒界強化が有効であるが、Ｂを添加すると、浸炭歪により歯面性状のバラツキ及び背面形状の変形が大きくなって適切な歪制御が困難となる。歯面性状のバラツキ及び背面形状の変形は、ＮＶ（騒音・振動）の悪化につながり、大きな問題となる。

【0004】

このように、Ｂ添加による粒界強化は、浸炭歪の悪化を招くため、比較的大型のディファレンシャル・ハイポイドギヤに対しては、単純にＢを添加して高強度化を図るだけでは、高い品質を得ることができなくなる。一方において、Ｂを添加せず、歪制御可能な範囲において内部硬度を向上させるだけでは、十分な高強度化が達成できない。

【0005】

Ｂを添加した肌焼鋼に関する先行技術としては、特許文献１～３に記載の技術がある。しかし、これらには、高強度化に関する記載はほとんどなく、また、浸炭後の歪が比較的大型の歯車であるディファレンシャル・ハイポイドギヤにおいて問題のない程度に抑制できているかは不明である。

【0006】

また、特許文献４には、差動サイドギヤ・ピニオンギヤといった比較的小さい歯車について、Ｂ添加鋼を用い、高周波等の高密度エネルギー加熱による焼き入れ処理を施す製造方法の記載がある。しかし、高密度エネルギー加熱による焼き入れ処理では、内部硬度を十分に高めることができず、高強度化が強く求められているディファレンシャル・ハイポイドギヤにおいては、この製造方法を適用することは困難であり、部品全体に焼き入れ処理を施す必要がある。

【0007】

特許文献５には、上述した課題を解決し、Ｂ添加による高強度化を図り、浸炭処理後全体焼入れにより内部硬度を十分に高めた場合であっても、歯面のピッチ円上の設計形状と実際の製品の形状とのずれ量ΔＧにより定義されるクラウニング変化量を抑制することによりＮＶの低減が可能となるディファレンシャル・ハイポイドギヤが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開昭５８－１１７６４

【特許文献2】特開昭６１－２１７５５３

【特許文献3】特開平９－２４１７５０

【特許文献4】ＷＯ２０１４／２０３６１０

【特許文献5】特許第７１２３０９８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本願の発明者らは、特許文献５に記載された発明についてさらに検討及び実験を加えた結果、クラウニング変化量を特許文献５に記載されたほど厳しく制限しない場合であっても、背面ダレといわれる背面変形を原因とするＮＶへの影響の方が、クラウニング変化による影響よりも大きいことから、背面変形により注目した低減対策を従来よりも厳しく行うことによっても、ＮＶを低減できる可能性があることを見出した。

【0010】

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、Ｂ添加による高強度化を図ったうえで、浸炭処理後全体焼入れにより内部硬度を十分に高めたうえで、さらに、ＮＶに影響を及ぼす背面変形量を従来よりも抑制したディファレンシャル・ハイポイドギヤを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、リング状の本体部と、該本体部の中心軸の軸方向一方側に突出して設けられた複数の歯を有する歯形成部と、軸方向他方側に設けられた平坦な背面とを有し、少なくとも一部の表面に浸炭層を備え、
質量％において、Ｃ：０．１５～０．３０％、Ｓｉ：０．５５～１．００％、Ｍｎ：０．２０～１．２０％、Ｃｒ：０．５０～１．５０％、Ａｌ：０．０２０～０．０８０％、Ｂ：０．０００５～０．００５０％、Ｔｉ：０．０１～０．０８％、及びＮ：０．００２０～０．０１００％、を含み、任意元素として、Ｍｏ：０．２５％以下、及びＮｂ：０．１０％未満、を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる化学成分組成を有し、
焼き戻しマルテンサイトとベイナイトを含む金属組織を有し、
歯幅ａを有する前記歯の歯先の大端部から小端部に向かって３／４ａ進んだ歯先上の点から、前記歯の歯底面に垂下した垂線と前記歯底面との交点から、さらに前記背面に対して垂下した垂線の長さ寸法ｄに対して前記背面から３／４ｄ離れた前記垂線上の位置にある内側測定点Ｐ１における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１と、
前記歯先の大端部から小端部に向かって１／８ａ入った歯先上の点と、前記背面の最大外径点とを結んだ直線における前記歯底面から前記最大外径点との間の中点にある外側測定点Ｐ２における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ２とについて、Ｍ２－Ｍ１≧３０％以上であり、
前記歯の径方向中央位置の歯元内部硬さが３５０ＨＶ～５００ＨＶであり、
下記式１及び式２を満足する、ディファレンシャル・ハイポイドギヤにある。
式１：８２－３７０（ｂ／ａ）－１３５［Ｃ］＋９３［Ｍｎ］＋１０５［Ｃｒ］＋１３１［Ｍｏ］≦４０、
式２：２８．１６≦－１７．３３＋１３９．８［Ｃ］＋４．２９［Ｓｉ］＋１７．０３［Ｍｎ］＋１２．２８［Ｃｒ］＋２８．７９６［Ｍｏ］＋３１３［Ｂ］－ｍｄ、
（但し、式１及び式２中において、ａ：歯幅（ｍｍ）、ｂ：歯幅ａの中点から歯底面に垂下した垂線と前記歯底面との交点から前記背面に対して垂下した垂線の長さ寸法で定義されるブランク厚（ｍｍ）、ｍｄ：前記歯のモジュール（ｍｍ）、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］及び［Ｂ］：それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢの含有率（質量％）、である。）

【発明の効果】

【0012】

前記態様のディファレンシャル・ハイポイドギヤは、浸炭処理及び全体焼入れを施し、少なくとも一部の表面に浸炭層を備えたものである。そして、特定の化学成分組成を有することにより、Ｂ添加の粒界強度向上効果による低サイクル強度向上及び焼入れ性向上が得られる。そし、上記化学成分組成を前提として、前記特定位置Ｐ１及びＰ２の焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１及びＭ２の差（Ｍ２－Ｍ１）が３０％以上という要件を必須要件として具備することにより、リング状本体部の背面の変形量を適切な範囲内に抑制することができ、ＮＶの低減に寄与することができる。ここで、背面の変形量を適切な範囲内に抑制できる理由は、以下のように考えられる。

【0013】

前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、浸炭焼き入れ処理時において、加熱及び急冷による熱膨張・熱収縮の現象が生じると共に、オーステナイトからマルテンサイトへの変態による変態膨張の現象が生じる。これらの膨張や収縮は、焼き入れ処理中において、歯車内の温度が、歯車内の位置により異なるために、位置によって変態膨張の生じるタイミングや程度が異なり、内側測定点Ｐ１と外側測定点Ｐ２においても、膨張・収縮が生じるタイミングと程度に差が生じる。

【0014】

急冷初期の冷却速度は、軸方向に突出して設けられた薄肉部である歯を有する歯形成部が最も早くなる。そのため、急冷初期には、歯形成部において、他の部位に比較して早期に相変態が生じ、熱収縮よりも変態膨張の影響が強くなり、軸方向に突出した歯形成部全体が径方向外方に変形する力が生じる。一方、このとき、前記Ｐ１及びＰ２を含む本体部の内部は、変態膨張がまだ始まらず、熱収縮により径方向内方に変形する力が生じる。これにより、急冷初期には、歯形成部が内径側から外径側に回転するような変形応力が生じ、背面においては内径側が軸方向内側に後退し外径側が軸方向外側に前進するような変形応力が生じ、背面の変形量は一旦大きくなる。

【0015】

次に、急冷がさらに進んで急冷後期になると、歯形成部の変態が終了して、その部位の膨張は収まり、今度は、Ｐ１及びＰ２を含む本体部内部の変態が開始し、膨張の影響が大きくなる。このとき、Ｐ１のマルテンサイト率Ｍ１よりもＰ２のマルテンサイト率Ｍ２が高くなるように化学成分組成の調整及び焼入れ条件等を調整しておくことにより、外径側で背面側に近いＰ２近傍の変態膨張の影響が強くなり、上述した急冷初期と全く逆方向の変形応力が生じ、背面の状態が初期状態に戻る方向に変形する。これにより、最終的な背面変形量は小さくなる。

【0016】

ここで、本願においては、上述したように、Ｍ２－Ｍ１≧３０％以上となることを必須要件としてある。そのため、上述した急冷後期による戻り変形の効果が高くなり、背面変形量を適切な範囲内に収めることが可能となる。

【0017】

そして、背面変形量を抑制することにより、クラウニング変化量が比較的大きい場合でも、ＮＶを低減できる。すなわち、浸炭歪を原因とするクラウニングの変化量は、理想歯面曲線から数μｍ～２０μｍ程度のズレの範囲内となるのに対し、浸炭歪を原因とする背面変形量（後述する図５のΔＳに相当する値）は、１００μｍ程度に達することもある。背面変形は、連動して歯面の高さにも影響するため、仮に背面変形量が１００μｍとすると、歯面は内径側に４４．５μｍのズレ（例えば、圧力角２４°の場合）を発生させることになり、クラウニングの変化量の倍以上になる場合がある。すなわち、浸炭歪によるＮＶに影響する変形は、背面変形の方が格段に大きい。したがって、背面変形量を抑制することはＮＶ低減に非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施例における、（ａ）ディファレンシャル・ハイポイドギヤの平面図、（ｂ）ディファレンシャル・ハイポイドギヤの正面図。

【図2】実施例における、３点曲げ試験の試験方法を示す説明図。

【図3】実施例における、３点曲げ試験の試験片に設けたノッチの形状を示す説明図。

【図4】実施例における、歯面のクラウニング変形量の測定位置を示す説明図。

【図5】実施例における、背面変形量の測定位置を示す説明図。

【図6】実施例における、マルテンサイト率差の測定位置を示す説明図。

【図7】実施例における、歯幅とブランク厚寸法の定義を示す説明図。

【図8】実施例における、内側測定点Ｐ１及び外側測定点Ｐ２の位置を示す説明図。

【図9】実施例における、急冷時の背面変形状況を示す説明図。

【図10】実施例における、背面変形量と式１（左辺）との関係を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、以下の特定の化学成分組成を具備することを必須とする。

【0020】

Ｃ：０．１５～０．３０％；
Ｃ（炭素）は、内部硬さを確保するために０．１５％以上含有させる。一方、Ｃ含有率が高すぎると、被削性の劣化や冷鍛性の劣化を招くおそれがあるため、０．３０％以下とする。

【0021】

Ｓｉ：０．５５～１．００％；
Ｓｉ（ケイ素）は、粒界強化の効果を得るために０．５５％以上含有させる。一方、Ｓｉ含有率が高すぎると、加工性の劣化や浸炭性の低下を招くおそれがあるため、１．００％以下とする。

【0022】

Ｍｎ：０．２０～１．２０％；
Ｍｎ（マンガン）は、内部硬さ（強度）を確保するために０．２０％以上含有させる。一方、Ｍｎ含有率が高すぎると、被削性の劣化等を招くおそれがあるため、１．２０％以下とする。

【0023】

Ｃｒ：０．５０～１．５０％；
Ｃｒ（クロム）は、焼入れ性の向上による内部硬さ（強度）の確保に有効であるため、その効果を得るために０．５０％以上含有させる。一方、Ｃｒ含有率が高すぎると、浸炭処理を施した場合に、Ｃｒ炭化物が増加して疲労破壊の起点となる可能性があるため、上限を１．５０％とする。

【0024】

Ａｌ：０．０２０～０．０８０％；
Ａｌ（アルミニウム）は、ＡｌＮとして鋼中に存在し、ピン止め効果により、結晶粒粗大化を抑制する効果があると共にＢＮ生成抑制効果があるため、０．０２０％以上含有させる。一方、Ａｌ含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、アルミナ系介在物が増加して、疲労強度低下に繋がるおそれがあるため、０．０８０％以下とする。

【0025】

Ｂ：０．０００５～０．００５０％；
Ｂ（ホウ素）は、粒界強化による低サイクル強度等の強度向上効果及び焼入れ性改善効果を得るため、０．０００５％以上含有させる。一方、Ｂ含有率が高くなりすぎても、前述の効果が飽和するため、上限を０．００５０％とする。

【0026】

Ｔｉ：０．０１～０．０８％；
Ｔｉ（チタン）は、結晶粒の微細化に有効であると共に、ＴｉＮをＢＮよりも優先的に生成させることにより、ＢＮ生成抑制によるＢの焼入性向上効果及び固溶Ｂによる粒界強化をより高める効果があるため、０．０１％以上含有させる。一方、Ｔｉは過剰に添加すると靱性低下（強度低下）のおそれがあるため、上限を０．０８％とする。

【0027】

Ｎ：０．００２０～０．０１００％；
Ｎ（窒素）は、ＡｌＮとなって、ピン止め効果により結晶粒粗大化を抑制する効果があるため、０．００２０％以上含有させる。一方、Ｎ含有率が高すぎてもその効果が飽和するとともに、加工性が悪化するおそれがあるため、上限を０．０１００％とする。

【0028】

Ｍｏ：０．２５％以下（０％場合を含む）；
Ｍｏ（モリブデン）は、任意添加元素であり、積極的に含有させる必要はなく、含有率０％でもよいが、不純物として少量含有する場合もある。そして、Ｍｏは、その含有により、強度向上に有効な元素であるので、必要に応じ少量添加することができる。一方、Ｍｏ含有率が高すぎると、コストアップ及び切削加工性劣化のおそれがあるため、０．２５％以下に制限する。

【0029】

Ｎｂ：０．１０％未満（０％の場合を含む）；
Ｎｂ（ニオブ）は、任意添加元素であり、積極的に含有させる必要はないが、含有することによって結晶粒微細化の効果を得ることができる。一方、Ｎｂ含有率が高すぎると、浸炭性悪化のおそれがあるため、０．１０％未満に制限する。

【0030】

次に、前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、焼き戻しマルテンサイト及びベイナイトを含む金属組織を有する。すなわち、前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、浸炭処理及び全体焼入れ処理を行った後、１００～２００℃程度の低温での焼き戻し処理を行って製造するものであり、金属組織としては、焼き戻しマルテンサイト及びベイナイトを含むものとなる。

【0031】

なお、浸炭焼入れ後にマルテンサイト及びベイナイトを含む金属組織にするには、浸炭後の焼入時に４００～５００℃の温度域を７．５℃／秒以上の速度となるように冷却することが好ましい。

【0032】

前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、焼き戻しマルテンサイト及びベイナイトを含む金属組織を有することを前提として、前記内側測定点Ｐ１の焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１と、前記外側測定点Ｐ２における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ２とについて、これらの差Ｍ２－Ｍ１が３０％以上である。この要件を具備することによって、前述したように、焼入れ処理時の急冷初期において生じた背面の変形について、急冷後期において急冷初期と逆方向に戻る変形を生じさせることができ、結果的に背面変形量を抑制することが可能となる。

【0033】

次に、前記歯の径方向中央位置の歯元内部硬さが３５０ＨＶ～５００ＨＶである。この要件は、ディファレンシャル・ハイポイドギヤの基本的要件である強度特性を担保するために必要な要件である。歯の径方向中央位置の歯元内部硬さが３５０ＨＶ未満の場合には、狙いとする低サイクル強度が得られなくなるおそれがあり、一方、５００ＨＶを超える場合には、靭性が低下して亀裂が進展しやすくなり、かえって低サイクル強度が低下する恐れがある。

【0034】

次に、前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、下記式１を満足する。
式１：８２－３７０（ｂ／ａ）－１３５［Ｃ］＋９３［Ｍｎ］＋１０５［Ｃｒ］＋１３１［Ｍｏ］≦４０、（但し、式１中において、ａ：歯幅（ｍｍ）、ｂ：歯幅ａの中点から歯底面に垂下した垂線と前記歯底面との交点から前記背面に対して垂下した垂線の長さ寸法で定義されるブランク厚（ｍｍ）、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］及び［Ｍｏ］：それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＭｏの含有率（質量％）、である。）

【0035】

上述した化学成分組成を具備することを前提として、式１を満足することにより、上述したマルテンサイト率Ｍ１とＭ２と差Ｍ２－Ｍ１を容易に３０％以上とすることができる。なお、式１は、特定の元素の含有率だけでなく、歯幅ａ及びブランク厚ｂをも含む関係式としてある。これは、歯幅やブランク厚がマルテンサイト率の差に影響するため、その影響分を考慮できる式としたためである。

【0036】

次に、前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、下記式２を満足する。
式２：２８．１６≦－１７．３３＋１３９．８［Ｃ］＋４．２９［Ｓｉ］＋１７．０３［Ｍｎ］＋１２．２８［Ｃｒ］＋２８．７９６［Ｍｏ］＋３１３［Ｂ］－ｍｄ、
（但し、式２中において、ｍｄ：前記歯のモジュール（ｍｍ）、［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］、［Ｓｉ］及び［Ｂ］：それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉ及びＢの含有率（質量％）、である。）

【0037】

上述した化学成分組成を具備することを前提として、式２を満足することにより、必要とする焼入れ性をさらに確保することができ、適正な範囲の内部強度（硬さ）を得ることができる。

【0038】

また、ディファレンシャル・ハイポイドギヤは、歯幅ａが大きくリング全体が大きいほど歪が生じやすい傾向にある。本願発明は、歯幅ａが２６ｍｍ以上の場合を前提とした多くの実験結果に基づいて導いたものである。

【実施例0039】

前記ディファレンシャル・ハイポイドギヤに係る実施例（実施例及び比較例）について説明する。表１、２に実施例で用いた鋼材の化学成分を示す。

【0040】

【表1】

【0041】

【表2】

【0042】

本例では、表１及び表２に示すように、化学成分が異なる複数種類の鋼材（鋼種Ａ～Ｘ）を用いて試験用のディファレンシャル・ハイポイドギヤを作製するとともに、低サイクル強度評価用にディファレンシャル・ハイポイドギヤを想定した３点曲げ試験片を作製し、評価した。なお、表１及び表２に示す鋼材のうち、鋼種Ａ～Ｐ、Ｒ及びＳは、本発明の前提とする化学成分の範囲内にあるものであり、鋼種Ｑは、Ｓｉ含有率が前提とする範囲よりも低いものであり、鋼種Ｔは、Ｓｉ含有率が高いものであり、鋼種Ｕ、Ｖは、それぞれＴｉ、Ｃｒ含有率が低いものである。鋼種Ｗは従来鋼ＳＣＭ４２０、鋼種Ｘは従来鋼ＳＣＭ４２５である。なお、Ｍｏは、一部に未添加の実施例（０．０４％以下のものが該当）を含んでいるが、使用したスクラップの関係で、不可避不純物として含有されていた分析値を示してあり、Ｐ、Ｓは、積極添加していないが不純物として含有されていた分析値を示してある。なお、後述する表４、５には、式１及び式２の値を示してあるが、式２はＢ含有が前提で成立する式であるため、従来鋼Ｗ，Ｘについては、式２の値を記載していない。

【0043】

試験用のディファレンシャル・ハイポイドギヤ１は、電気炉にて溶解して作製した鋳造片を鍛造して歯車形状とした後焼鈍し、粗加工し、浸炭熱処理を施し、その後、仕上げ加工を行って、図１（ａ）（ｂ）に示す形状とした。ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１は、同図に示すように、リング状の本体部１０と、本体部１０の中心軸の軸方向一方側に突出して設けられた複数の歯２０を有する歯形成部２と、軸方向他方側に設けられた平坦な背面２５とを有し、少なくとも一部の表面に浸炭層を備えたものである。なお、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１は、同図から明らかなように、歯形成面２が、中心軸から離れるほど後退するよう傾斜して設けられた、いわゆる傘歯車の一種である。

【0044】

歯形成面２には、所定のモジュールとなるよう複数の歯２０が立設した状態となっている。本例で採用した７種類のディファレンシャル・ハイポイドギヤ（以下、適宜、「リングギヤ」という。）の諸元Ｇ１～Ｇ７に関しては、モジュール（４．８４～５．９５）、歯幅ａ（２７．０～４２．０ｍｍ）、ブランク厚ｂ（１３．００～２８．７０ｍｍ）及びｂ／ａの値を、表３に示す。

【0045】

【表3】

【0046】

強度評価用の試験片５は、図２及び図３に示すように、後述する３点曲げ試験に用いるものである。試験片５は、電気炉にて溶解して作製した鋳造片を鍛伸して棒鋼を作製し、棒鋼を焼鈍した後、粗加工し、浸炭熱処理を施し、ノッチ形成面５１の０．２ｍｍ研削及びノッチ加工を行う仕上げ加工を行って、断面が２５ｍｍ角の角柱状のものとした。ノッチ５５は、すべての試験片５において、図２及び図３に示すように、長手方向中央に、開口角度６０°の深さ２．５ｍｍの丸底を有するノッチとした。

【0047】

浸炭熱処理としては、粗加工したディファレンシャル・ハイポイドギヤ又は試験片に対し、９３０℃に３０分保持する予熱、９５０℃に７５分保持する浸炭期、９５０℃に７５分保持する拡散期、８５０℃に３０分保持する均熱を経て、少なくとも４００～５００℃の温度域を７．５℃／秒以上の冷却速度となるよう、１３０℃の油中に投入して急冷する焼入れを行い、その後、１５０℃に６０分保持する焼き戻しを行った。

【0048】

得られた試験用のディファレンシャル・ハイポイドギヤ１に対しては、歯面形状に関するクラウニング変化量、背面変形量、歯元内部硬さ、Ｐ１及びＰ２にけるマルテンサイト率Ｍ１及びＭ２の測定を行った。また、試験片に対しては３点曲げ試験による強度評価を行った。以下に、各評価の条件等を説明する。

【0049】

＜クラウニング変化量＞
図４に示すように、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１の歯２０の歯面２１におけるピッチ点位置の設計形状Ｇ１に対し、ピッチ円上において実際の成形形状Ｇ２がずれているずれ量ΔＧを測定した。そして、基準として、Ｂの含有率が不可避的不純物レベルであって、実質的にＢが含有されていない鋼種Ｘ（ＳＣＭ４２５）を用いた比較例１１におけるずれ量を基準（１．００）として、これとの比率をクラウニング変化量として算出した。

【0050】

＜背面変形量＞
図５に示すように、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１は、その軸方向において歯２０を有する歯形成面２と反対側の背面２５が、設計上は一平面（平面Ｓ１）上に位置するようになっているところ、浸炭焼入れ後において内周側が歯形成面２側に変形することが起こりやすい。本例では、背面２５の内周端２５１の、設計上の平面Ｓ１からのずれ量ΔＳを測定して、背面変形量とした。背面変形量は、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１の全周において等間隔で４箇所測定し、その平均値を用いた。そして、基準として、鋼種Ｘ（ＳＣＭ４２５）を用いた比較例１１におけるずれ量を基準（１．００）として、これとの比率が０．５０以下を合格、０．５０超えを不合格として評価した。

【0051】

＜歯元内部硬さ＞
歯中央部の歯元内部硬さについては、図６に示す歯２０を切除した切断面Ｑ上の歯中央部（歯の径方向中央位置の歯元内部）Ｑ１の硬さを測定することにより行った。歯中央部Ｑ１の歯元内部硬さは、３５０ＨＶ～５００ＨＶの範囲であれば合格、この範囲から外れる場合を不合格とした。

【0052】

＜３点曲げ試験＞
ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１の強度を評価するために、上述した試験片５を用いて、３点曲げ試験を行った。図２に示すように、ノッチ５５を設けたノッチ形成面５１を、２００ｍｍ間隔をあけて配置された２つの支点７１上に配置し、圧子７２により、試験片５の上面５２のノッチ５５に対向する位置を押圧し、試験片５に曲げ応力を加えた。そして、押圧する力を変化させて、複数条件の応力値で実験し、寿命が１００回となる時の曲げ応力を求め、表３及び表４に記載した。そして、求めた値が１２００ＭＰａ以上の場合を合格、それ未満の場合を不合格とした。なお、以下、この低サイクル曲げ強度のことを略して強度と記載する。

【0053】

なお、応力は、ノッチ形状を考慮した断面係数から求めたノッチ底表面曲げ応力の値で評価した。ここで、ノッチ形状を考慮した断面係数とは、図２において、試験片高さＴからノッチ深さである２．５ｍｍ（図３参照）を差し引いた長さの四角形断面の断面係数のことを意味する。

【0054】

＜歯幅ａ及びブランク厚ｂ＞
上述した式１は、上記のごとく、歯幅ａとブランク厚ｂとを含む関係式になっている。ここで、歯幅ａ及びブランク厚ｂについて、図７を用いて説明する。同図に示すように、歯幅ａは、歯２０の歯先２０１の径方向の寸法（大端部２０１ａと小端部２０１ｂとの間の寸法）を意味する。ブランク厚ｂは、歯幅ａの中点Ｐ₃₁から歯底面２０２に垂下した垂線と歯底面２０２との交点Ｐ₃₂から背面２５に対して垂下した垂線の長さ寸法である。

【0055】

＜マルテンサイト率差＞
マルテンサイト（焼き戻しマルテンサイト）率の測定は、図８に示すように、本体部１０の軸線に沿った断面上において、内側測定点Ｐ１及び外側測定点Ｐ２の２点を中心とする周辺（測定方法は後述）において行った。内側測定点Ｐ１は、歯２０の歯先２０１の大端部２０１ａから小端部２０１ｂに向かって３／４ａ進んだ歯先上の点Ｐ₁₁から、歯２０の歯底面２０２に垂下した垂線と歯底面２０２との交点Ｐ12からさらに背面２５に対して垂下した垂線の長さ寸法ｄに対して背面２５から３／４ｄ離れた垂線上の位置である。

【0056】

外側測定点Ｐ２は、歯先２０１の大端部２０１ａから小端部２０１ｂに向かって１／８ａ入った歯先上の点Ｐ21と、背面２５の最大外径点２５２とを結んだ直線における歯底面２０２から最大外径点２５２との間の中点である。

【0057】

マルテンサイト率の測定は、切断面を研磨後ナイタールで腐食し、光学顕微鏡を介して撮影した写真を用いて行う。具体的には、得られた写真に対し、Ｐ１、Ｐ２それぞれの位置が中心になる（上下左右それぞれ５マス目の中央にＰ１、Ｐ２がくる）ようにして、間隔が１０μｍとなるように格子状の線（縦１０本、横１０本）を引き、１００個の格子点位置における組織を観察し、組織がマルテンサイト（焼き戻しマルテンサイト）であった格子点の割合により、マルテンサイト率を求めるようにした。

【0058】

このように求めた内側測定点Ｐ１における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ１と外側測定点Ｐ２における焼き戻しマルテンサイト率Ｍ２との差Ｍ２－Ｍ１が３０％以上である場合を合格、３０％未満の場合を不合格とする。

【0059】

上述したすべての評価の結果は表４及び表５に示す。そして、すべての評価結果が合格の場合には、総合判定が合格（〇）と示し、一つでも不合格があった場合には、総合判定が不合格（×）として示した。

【0060】

【表4】

【0061】

【表5】

【0062】

表４及び表５からわかるように、本発明の条件をすべて満足している実施例１～１７は、歯元内部硬さ、マルテンサイト率（焼き戻しマルテンサイト率）差、背面変形、強度の評価を含めたすべての評価項目において合格し、Ｂ添加による高強度化を図ったうえで、浸炭後全体焼入れしても、ＮＶ抑制に有効な範囲に背面変形量を抑制できることが理解できる。

【0063】

背面変形量を小さくできた理由は、Ｐ１及びＰ２のマルテンサイト率Ｍ１及びＭ２の差異（Ｍ２－Ｍ１）が３０％以上であることによる。このマルテンサイト率の差が、浸炭焼入れ処理時の加熱及び急冷による膨張・収縮の影響をうまく歪抑制に利用できると考えられる。

【0064】

すなわち、ディファレンシャル・ハイポイドギヤ１は、浸炭焼き入れ処理時において、加熱及び急冷による熱膨張・熱収縮の現象が生じると共に、オーステナイトからマルテンサイトへの変態による変態膨張の現象が生じる。これらの膨張や収縮は、冷却速度等によって生じるタイミングや程度が異なり、内側測定点Ｐ１と外側測定点Ｐ２においても、膨張・収縮が生じるタイミングと程度に差が生じる。

【0065】

図９に示すように、急冷時の冷却速度は、軸方向に突出して設けられた薄肉部である歯２０を有する歯形成部２を含む領域Ｘが最も早くなる。そのため、急冷初期には、歯形成部２（領域Ｘ）において早期に相変態が生じ、熱収縮よりも変態膨張の影響が強くなり、軸方向に突出した歯形成部全体が径方向外方に変形する力が生じる。一方、このとき、前記Ｐ１及びＰ２を含む本体部１０の内部の領域Ｙは、変態膨張がまだ始まらず、熱収縮により径方向内方に変形する力が生じる。これにより、急冷初期には、歯形成部が内径側から外径側に回転するような変形応力が生じ、背面においては内径側が軸方向内側に後退し外径側が軸方向外側に前進するような変形応力が生じ、背面の変形量は一旦大きくなる（図９（ｉ）→（ｉｉ））。

【0066】

次に、急冷がさらに進んで急冷後期になると、歯形成部の変態膨張は収まり、今度は、Ｐ１及びＰ２を含む本体部内部の変態膨張の影響が大きくなる。このとき、Ｐ１のマルテンサイト率Ｍ１よりもＰ２のマルテンサイト率Ｍ２が高くなるように化学成分組成の調整及び焼入れ条件等を調整しておくことにより、外径側で背面側に近いＰ２近傍の領域Ｙ２の変態膨張の影響が、内側測定点Ｐ１近傍の領域Ｙ１よりも強くなり、上述した急冷初期と全く逆方向の変形応力が生じ、背面の状態が初期状態に戻る方向に変形する。これにより、最終的な背面変形量は小さくなる（図９（ｉｉｉ）→（ｉｖ））。

【0067】

以上のようにマルテンサイト率の差異を得ることによって、最終的に背面変形量を低減することが可能である。そして、このマルテンサイト率の差（Ｍ２－Ｍ１≧３０％）を実現するには、上述した式１を満足することが有効である。

【0068】

また、実施例１～８は、比較的クラウニング変化量が大きいにもかかわらず、ＮＶが十分に抑制された。これは、クラウニング変化量が大きくなることによるＮＶ悪化効果よりも背面変形量低減によるＮＶ低減効果が凌駕することによるものである。

【0069】

なお、実施例１～８は、先行技術である特許文献５に記載された以下の式１（特許文献５の式１）及び式２（特許文献５の式２）の少なくとも一方を満足しない例である。

【0070】

特許文献５の式１：４０５≦－６８４［Ｃ］－７５［Ｍｎ］－２２［Ｃｒ］－２７［Ｍｏ］－１１４７９［Ｂ］＋６８０≦４４５、（但し、式１中における［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｂ］は、それぞれ、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＢの含有率（質量％）を示す）

【0071】

特許文献５の式２：５５≦５３６［Ｃ］＋５６．２［Ｓｉ］－３３［Ｍｎ］＋２０．１［Ｃｒ］－１１５［Ｍｏ］＋６６１５［Ｂ］－９３、（但し、式２中における［Ｃ］、［Ｓｉ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｍｏ］及び［Ｂ］は、それぞれ、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＢの含有率（質量％）を示す）

【0072】

また、実施例９～１７は、上記特許文献５の式１及び２を満たすものであり、クラウニング変化量低減と、マルテンサイト率の差（Ｍ２－Ｍ１≧３０％）を具備することによる背面変形量の抑制効果によって、優れたＮＶ抑制効果が得られるものと考えられる。

【0073】

一方、比較例１は、基本的化学成分組成は所望の範囲にあるものの、式１及び式２を満たさず、焼入れ性を十分に高めることができなかったことにより、歯元内部硬さが低くなった。

【0074】

比較例２、４～９は、基本的化学成分組成は所望の範囲にあるものの、式１を満たさず、マルテンサイト率の差（Ｍ２－Ｍ１≧３０％）を満たさず、背面変形量が大きくなった。

【0075】

比較例３は、基本的な化学成分組成においてＳｉ含有量が低すぎ、強度不足となった。

【0076】

比較例１０は、Ｓｉ含有率が高すぎるため、浸炭性が低下し、浸炭層の炭素含有率が狙い通り高まらず、浸炭層が薄くなり、強度が低下した。

【0077】

比較例１１は、Ｔｉが添加されていないため、ＢＮ析出抑制が不十分となり、Ｂの粒界強化が不十分となって強度が低下した。

【0078】

比較例１２は、Ｃｒ含有率が低く焼入性が低下し、この例では内硬はぎりぎり確保できたものの、焼入組織が不完全となって、強度が低下した。

【0079】

比較例１３及び１４は、Ｂ（ホウ素）を含有しない従来鋼であり、歪は十分に抑制できているものの、Ｂ添加による粒界強化による効果が得られていないので、強度不足となった。

【0080】

ここで、背面変形量と式１（左辺）との関係を図１０に示す。同図は、横軸に式１の左辺の値を取り、縦軸に背面変形量（μｍ）を取ったものである。そして、実施例１～１７及び比較例１～比較例１４の合計３１点すべてをプロットした。

【0081】

同図から理解できるように、式１の左辺の値を４０以下に抑制することによって、背面変形量を十分に抑制することができるということがわかる。

【符号の説明】

【0082】

１ ディファレンシャル・ハイポイドギヤ（リングギヤ）
１０ 本体部
２ 歯形成面
２０ 歯
２０２ 歯底面
２１ 歯面
２５ 背面
２５２ 最大外径点
５ 試験片
Ｐ１ 内側測定点
Ｐ２ 外側測定点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】