JP4573535B2 - デファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品 - Google Patents

Description

本発明は、デファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品に関し、疲労特性の長寿命化を実現可能なデファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品に関するものである。

深溝玉軸受や円すいころ軸受などの転動体軸受は、転動体と軌道輪と保持器とで構成される。転動体が軌道輪の間を転動する際には、転動体と軌道輪とが点接触あるいは線接触する構造であるため、軸受投影面積が小さい割に高負荷容量と高剛性が得られる利点を有している。したがって、希薄潤滑下や高速回転下での運転等の苛酷な条件で使用する支持構造に転動体軸受は好適であり、たとえば自動車のデファレンシャルの支持構造に使用されている。

このような自動車のデファレンシャルの支持構造における軸受部品の転動疲労に対して、長寿命を与える熱処理方法として、焼入れ加熱時の雰囲気ＲＸガス中にさらにアンモニアガスを添加するなどして、その軸受部品の表層部に浸炭窒化処理を施す方法がある（たとえば特開平８−４７７４号公報、特開平１１−１０１２４７号公報）。この浸炭窒化処理法を用いることにより、表層部を硬化させ、ミクロ組織中に残留オーステナイトを生成させ、転動疲労寿命を向上させることができる。
特開平８−４７７４号公報 特開平１１−１０１２４７号公報

しかしながら、自動車のデファレンシャルの支持構造には、主に重力に基づくラジアル荷重が加わる。また自動車のデファレンシャルの支持構造においては、ピニオンギヤとサイドギヤとの噛み合い位置が変動してしまうことを避けるために、デファレンシャルを支持する転動体には、ラジアル方向に相当の荷重が加えられている。さらに、自動車のデファレンシャルの支持構造においては、ピニオンギヤとサイドギヤとがねじれ角を持って嵌合している。したがってこの嵌合によりスラスト荷重が発生する。また、ピニオンギヤとサイドギヤとの嵌合部分の静粛性を向上する目的で、デファレンシャルを支持する転動体に対してスラスト方向に相当の予圧が加えられている。これらの荷重が合成されて、デファレンシャルを支持する転動体には、スラスト方向に相当の荷重が加えられている。デファレンシャルの支持構造においては、十分な転動疲労特性を得るためには十分な大きさが必要であり、これによりデファレンシャルの小型化が図れないという問題があった。

また、上記の浸炭窒化処理方法は炭素および窒素を拡散させる拡散処理であるため、長時間高温に保持する必要がある。このため、組織が粗大化する等して耐割れ強度の向上を図ることは困難である。また、残留オーステナイトの増加による経年寸法変化率の増大も更なる長寿命化の妨げとなっている。

一方、転動疲労に対して長寿命を確保し、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率の増大を防ぐために、鋼の合金設計により組成を調整することによって対処することが可能である。しかし合金設計によると、原材料コストが高くなるなどの問題点が発生する。

今後の軸受部品には、使用環境の高荷重化、高温化にともない、従来と比較してより大きな荷重条件でかつより高温で使用できる特性を備えることが要求される。このため、高強度で、転動疲労特性が長寿命で、高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有する軸受部品が必要になる。また、デファレンシャルの支持構造における軸受部品に限らず、デファレンシャルを構成する歯車および軸などの構成部品についても、疲労特性の長寿命化が求められていた。

したがって本発明は、疲労特性の長寿命化を実現可能なデファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品を提供することを目的とする。

本発明の一の局面にしたがうデファレンシャルの支持構造は、デファレンシャルを回転自在に支持する支持構造であって、デファレンシャルに配置された内輪と、デファレンシャルの周囲に形成された外周部分に配置された外輪と、内輪と外輪との間を転動する転動体とを備えている。内輪、外輪、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、その部材が軸受鋼からなっている。内輪、外輪、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材の破壊応力値は２６５０ＭＰａ以上である。

本発明の一の局面によれば、内輪、外輪、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材のオーステナイト粒径が微細であることにより、耐割れ強度、寸法安定性および転動疲労寿命が大幅に改良される。また、これによりデファレンシャルの支持構造を小さくできるので、デファレンシャルの小型化が図れる。オーステナイト粒径の粒度番号が１０番以下では、転動疲労寿命は大きく改善されないので、１０番を超える範囲とする。通常、１１番以上とする。オーステナイト粒径は細かいほど望ましいが、通常、１３番を超える粒度番号を得ることは難しい。なお、上記窒素富化層は、あとで説明するように、浸炭窒化処理により形成されるが、上記窒素富化層に炭素が富化されていてもよいし、富化されていなくてもよい。デファレンシャルの支持構造の内輪、外輪および転動体のオーステナイト粒は、浸炭窒化処理の影響を大きく受けている表層部でも、それより内側の内部でも変化しない。したがって、上記の結晶粒度番号の範囲の対象となる位置は、表層部および内部とする。また、オーステナイト結晶粒とは、焼入れ加熱中に相変態したオーステナイトの結晶粒のことであり、これは、冷却によりマルテンサイトへ相変態した後も、過去の履歴として残存しているものをいう。

また、本願発明者らは、鋼をＡ₁変態点を超える浸炭窒化処理温度で浸炭窒化処理した後、Ａ₁変態点未満の温度に冷却し、その後にＡ₁変態点以上の焼入れ温度域に再加熱し焼入れを行なうことにより、窒素富化層を有する鋼の破壊応力値を、従来では得られなかった２６５０ＭＰａ以上にできることを見出した。これにより、従来と比較して破壊応力値に優れ、それにより強度の高いデファレンシャルの支持構造を得ることができる。

上記デファレンシャルの支持構造において、内輪、外輪、および転動体のうち少なくともいずれか１つの部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下であってもよい。

この場合、水素に起因する鋼の脆化を軽減することができる。鋼の水素含有率が０．５ｐｐｍを超えると鋼の割れ強度は低下する。したがってこのような鋼は、苛酷な荷重が加わるデファレンシャルの支持構造にはあまり適さなくなる。水素量は低い方が望ましい。しかし、０．３ｐｐｍ未満に減らすためには長時間の加熱が必要になり、オーステナイト粒径が粗大化し、かえって靭性が低下してしまう。このため、より望ましい水素含有率は０．３〜０．５ｐｐｍの範囲である。さらに望ましくは、０．３５〜０．４５ｐｐｍの範囲である。

なお、上記の水素含有率は、拡散性水素は測定の対象にはせず、所定温度以上で鋼から放出される非拡散性水素のみを測定の対象とするものである。サンプルサイズが小さければ、常温でもサンプルから放出され散逸してしまうので、拡散性水素量は測定の対象から外している。非拡散性水素は、鋼中の欠陥部などにトラップされており、所定の加熱温度以上ではじめてサンプルから放出される水素である。この非拡散性水素に限定しても、水素含有率は測定方法によって大きく変動する。上記の水素含有率範囲は熱伝導度法による測定方法による範囲である。さらに、後記するように、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置またはそれに準じる測定装置を用いて測定することが望ましい。

上記のデファレンシャルの支持構造において好ましくは、デファレンシャルは円すいころ軸受もしくは深溝玉軸受により回転自在に保持されている。

これにより、簡易な構成でデファレンシャルの支持構造が構成され、かつ高度の耐割れ強度と寸法安定性とを有し、転動疲労寿命に優れたデファレンシャルの支持構造が得られる。

本発明の一の局面にしたがうデファレンシャルの構成部品は、２つの車輪の各々を差動させるための歯車と、歯車に連結した軸とを備えたデファレンシャルに組み込まれたデファレンシャルの構成部品である。構成部品が窒素富化層を有し、その構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、構成部品は軸受鋼からなっている。構成部品の破壊応力値は２６５０ＭＰａ以上である。

本発明の一の局面にしたがうデファレンシャルの構成部品によれば、構成部品のオーステナイト粒径が微細であることにより、上記デファレンシャルの支持構造と同様の理由から、耐割れ強度、寸法安定性および疲労寿命が大幅に改良される。

また、上記デファレンシャルの支持構造と同様の理由により、従来と比較して破壊応力値に優れ、それにより強度の高いデファレンシャルを得ることができる。

上記デファレンシャルの構成部品において、構成部品の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下であってもよい。

これにより、上記デファレンシャルの支持構造と同様の理由により、水素に起因する鋼の脆化を軽減することができる。

なお、オーステナイト結晶粒は、対象とする部材の金相試料に対してエッチングなど、粒界を顕出する処理を施して観察することができる粒界であればよい。低温焼入れ直前の加熱された時点での粒界という意味で、旧オーステナイト粒と呼ぶ場合がある。測定は、ＪＩＳ規格の粒度番号の平均値から平均粒径に換算して求めてもよいし、切片法などにより金相組織に重ねたランダム方向の直線が粒界と会合する間の間隔長さの平均値をとってもよい。

本発明のデファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品によれば、軸受部品は、窒素富化層が形成された上で、オーステナイト粒径が粒度番号で１１番以上に微細化され、水素含有率も低減される。このため、デファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルの構成部品の疲労寿命（デファレンシャルの支持構造の場合には転動疲労寿命）が大きく改善され、優れた耐割れ強度や耐経年寸法変化を得ることができる。また、これによりデファレンシャルの支持構造およびデファレンシャルを小さくできるので、デファレンシャルの小型化が図れる。

次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１におけるデファレンシャルの支持構造を示す概略断面図である。

図１（ａ）を参照して、デファレンシャル１０と、デファレンシャル１０の周囲に配置された外周部分１９ａ、１９ｂとが示されている。デファレンシャル１０は、図中左方向に延びたドライブピニオン２０と歯合している。ドライブピニオン２０は、回転することによりデファレンシャル１０に動力を伝達する。また、デファレンシャル１０にはアクスルシャフト１７ａ、１７ｂが図中縦方向に連結されている。アクスルシャフト１７ａ、１７ｂは、ドライブピニオン２０からの動力を受けて回転する。デファレンシャルの支持構造１は、デファレンシャル１０におけるドライブピニオン２０とアクスルシャフト１７ａ、１７ｂとを、外周部分１９ａ、１９ｂなどの固定部材に対して回転自在に支持するものである。

デファレンシャル１０は、ドライブピニオン２０と、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂと、ピニオンシャフト１８と、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂと、サイドギヤ９ａ、９ｂと、デファレンシャルケース１５とを主に有している。アクスルシャフト１７ａ、１７ｂの各々の先端には図示しない２つの車輪が接続されている。リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂと、サイドギヤ９ａ、９ｂとは、これら２つの車輪の各々を差動させるためのデファレンシャル１０の歯車を構成している。アクスルシャフト１７ａ、１７ｂと、ピニオンシャフト１８とは、デファレンシャル１０の軸を構成している。

リングギヤ８は、ボルト１６によりデファレンシャルケース１５に固定されていて、ドライブピニオン２０の先端部分のドライブピニオンギヤ２０ａと歯合している。デファレンシャルケース１５内には、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂおよびサイドギヤ９ａ、９ｂが配置されている。デファレンシャルケース１５にはピニオンシャフト１８が連結されていて、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂの各々は、ピニオンシャフト１８に嵌めこまれている。これにより、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂとはピニオンシャフト１８に連結されている。ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂの各々は図中左右に互いに対向して配置され、ピニオンシャフト１８を軸として自転可能である。サイドギヤ９ａ、９ｂは、図中上下に互いに対向して配置されている。サイドギヤ９ａ、９ｂの各々はピニオンギヤ１４ａ、１４ｂの各々と歯合している。サイドギヤ９ａは図中下側のアクスルシャフト１７ａに連結されていて、サイドギヤ９ｂは図中上側のアクスルシャフト１７ｂに連結されている。

続いて、本実施の形態におけるデファレンシャルの動作について説明する。

ドライブピニオン２０が回転することによりリングギヤ８に伝達された動力を受けて、デファレンシャルケース１５と、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂと、サイドギヤ９ａ、９ｂと、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂとが一体となってアクスルシャフト１７ａ、１７ｂを軸として回転する。

ここで、たとえば本実施の形態におけるデファレンシャル１０が自動車に適用される場合において、自動車が平らな道を直進している時には、２つのアクスルシャフト１７ａ、１７ｂには等しい抵抗が加わる。このため、デファレンシャルケース１５内のピニオンギヤ１４ａ、１４ｂおよびサイドギヤ９ａ、９ｂの各々は自転しない。これにより、２つのアクスルシャフト１７ａ、１７ｂはともに同じ回転数で回転する。

一方、自動車が旋回している時や凹凸のある路面を走行している時には、２つのアクスルシャフト１７ａ、１７ｂに加わる抵抗に差が出る。すると、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂに加わる抵抗の差により、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂがピニオンシャフト１８を軸として自転する。これにより、抵抗の大きい方のアクスルシャフト（たとえばアクスルシャフト１７ａ）に連結されたサイドギヤ（たとえばサイドギヤ９ａ）の回転の減少分が、抵抗の小さい方のサイドギヤ（たとえばサイドギヤ９ｂ）へ配分される。その結果、抵抗の小さい方のアクスルシャフト１７ｂの回転数が抵抗の大きい方のアクスルシャフト１７ａの回転数よりも大きくなる。このようにして、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂの各々に接続された２つの車輪の各々が差動するように動力が伝えられる。

本実施の形態においては、デファレンシャル１０を構成している構成部品（ドライブピニオン２０、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂ、ピニオンシャフト１８、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂ、サイドギヤ９ａ、９ｂ、デファレンシャルケース１５）が窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。

本実施の形態においては、デファレンシャル１０を構成している構成部品（ドライブピニオン２０、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂ、ピニオンシャフト１８、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂ、サイドギヤ９ａ、９ｂ、デファレンシャルケース１５）が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。

本実施の形態においては、デファレンシャル１０を構成している構成部品（ドライブピニオン２０、アクスルシャフト１７ａ、１７ｂ、ピニオンシャフト１８、リングギヤ８と、ピニオンギヤ１４ａ、１４ｂ、サイドギヤ９ａ、９ｂ、デファレンシャルケース１５）が窒素富化層を有し、構成部品の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。

次に、図１（ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるデファレンシャルの支持構造である円すいころ軸受を示す概略断面図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照して、本実施の形態におけるデファレンシャルの支持構造１は、デファレンシャル１０の図中上端部分と外周部分１９ｂとの間に配置された円すいころ軸受１ａと、デファレンシャル１０の図中下端部分と外周部分１９ｂとの間に配置された円すいころ軸受１ｂと、ドライブピニオン２０と外周部分１９ａとの間に配置された円すいころ軸受１ｃ、１ｄからなる。

円すいころ軸受１ａは、外輪２ａと内輪３ａと円すいころ４ａと保持器５ａとを備えている。外輪２ａは外周部分１９ｂの上部の内周面に配置されている。内輪３ａはデファレンシャル１０の上端部分に嵌合されて配置されている。円すいころ４ａは、保持器５ａにより転動自在に保持されて、外輪２ａと内輪３ａとの間に固定されている。円すいころ軸受１ｂは、外輪２ｂと内輪３ｂと円すいころ４ｂと保持器５ｂとを備えている。外輪２ｂは外周部分１９ｂの下部の内周面に配置されている。内輪３ｂはデファレンシャル１０の下端部分に嵌合されて配置されている。円すいころ４ｂは、保持器５ｂにより転動自在に保持されて、外輪２ｂと内輪３ｂとの間に固定されている。円すいころ軸受１ｃおよび円すいころ軸受１ｄは、外輪２ｃおよび外輪２ｄと、内輪３ｃおよび外輪３ｄと、円すいころ４ｃおよび円すいころ４ｄと、保持器５ｃおよび保持器５ｄとを備えている。外輪２ｃおよび外輪２ｄは外周部分１９ａの内周面に配置されている。内輪３ｃおよび内輪３ｄはドライブピニオン２０に嵌合されて配置されている。円すいころ４ｃおよび円すいころ４ｄは、保持器５ｃおよび保持器５ｄにより転動自在に保持されて、外輪２ｃおよび外輪２ｄと内輪３ｃおよび内輪３ｄとの間に固定されている。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび円すいころ４ａ〜４ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび円すいころ４ａ〜４ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび円すいころ４ａ〜４ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。

次に、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび円すいころ４ａ〜４ｄのうち少なくとも１つの部材、またはデファレンシャル１０を構成している構成部品に行なう浸炭窒化処理を含む熱処理について説明する。

図２は、本発明の実施の形態１における熱処理方法を説明する図である。また、図３は、本発明の実施の形態１における熱処理方法の変形例を説明する図である。図２は１次焼入れおよび２次焼入れを行なう方法を示す熱処理パターンであり、図３は焼入れ途中で材料をＡ₁変態点温度未満に冷却し、その後、再加熱して最終的に焼入れる方法を示す熱処理パターンである。どちらも本発明の実施の態様例である。これらの図において、処理Ｔ₁では鋼の素地に炭素や窒素を拡散させまた炭素の溶け込みを十分に行なった後、Ａ₁変態点未満に冷却する。次に、図中の処理Ｔ₂において、処理Ｔ₁よりも低温に再加熱し、そこから油焼入れを施す。

上記の熱処理は、普通焼入れ、すなわち浸炭窒化処理に引き続いてそのまま１回焼入れするよりも、材料の表層部分を浸炭窒化しつつ、割れ強度を向上させ、経年寸法変化率を減少することができる。上記の熱処理方法によれば、オーステナイト結晶粒の粒径が従来の２分の１以下となるミクロ組織を得ることができる。したがって、本実施の形態におけるデファレンシャルの支持構造１に上記の熱処理を施すことにより、デファレンシャルの支持構造１の転動疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。また、本実施の形態におけるデファレンシャル１０の構成部品に上記の熱処理を施すことにより、デファレンシャル１０の疲労特性が長寿命となり、割れ強度が向上し、経年寸法変化率が減少する。

なお、水素含有率のみを本発明の範囲に入れる場合には、Ｔ₂温度である２次焼入温度を浸炭窒化処理の加熱温度Ｔ₁（１次焼入温度）より低くする必要はなく、２次焼入温度Ｔ₂を１次焼入温度Ｔ₁以上にしてもよい。すなわち、Ｔ₂がＴ₁より高くても水素含有率は本発明の範囲内に入れることができる。しかし、２次焼入温度を１次焼入温度未満とすることにより、水素含有率を低減した上で、さらにオーステナイト粒径が粒度番号１０番を超えるようにすることができる。したがって、Ｔ₂がＴ₁未満であることが望ましい。

また、上記の熱処理のどちらによっても、その中の浸炭窒化処理により「浸炭窒化処理層」である窒素富化層が形成される。浸炭窒化処理において素材となる鋼の炭素濃度が高いため、通常の浸炭窒化処理の雰囲気から炭素が鋼の表面に侵入しにくい場合がある。たとえば炭素濃度が高い鋼の場合（１ｗｔ％程度の鋼）、それ以上高い炭素濃度の浸炭層が生成する場合もあるし、それ以上高い炭素濃度の浸炭層は生成しにくい場合がある。しかし、窒素濃度は、Ｃｒ濃度などにも依存するが、通常の鋼では最大限０.０２５ｗｔ％程度以下と低いので、素材の鋼の炭素濃度によらず窒素富化層が明瞭に生成される。上記窒素富化層には炭素が富化されていてもよいことはいうまでもない。

図４はデファレンシャルの支持構造における部材のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。図４（ａ)は本発明例の軸受部品であり、図４（ｂ）は従来の軸受部品である。すなわち、上記図２に示す熱処理パターンを適用した軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ａ）に示す。また、比較のため、従来の熱処理方法による軸受鋼のオーステナイト結晶粒度を図４（ｂ）に示す。また、図５（ａ）および図５（ｂ）は、上記図４（ａ）および図４（ｂ）を図解したオーステナイト結晶粒界を示す図である。これらオーステナイト結晶粒度を示す組織より、従来のオーステナイト粒径はＪＩＳ規格の粒度番号で１０番であり、また本発明による熱処理方法によれば１２番の細粒を得ることができる。また、図４（ａ）の平均粒径は、切片法で測定した結果、５．６μｍであった。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２におけるデファレンシャルの支持構造である深溝玉軸受を示す概略断面図である。

図６を参照して、本実施の形態におけるデファレンシャルの支持構造１は、円すいころ軸受１ａ〜１ｄに代わって深溝玉軸受７ａ〜７ｄで構成されている。

深溝玉軸受７ａは、外輪２ａと内輪３ａと玉６ａと保持器５ａとを備えている。外輪２ａは外周部分１９ｂ（図１（ａ））の上部の内周面に配置されている。内輪３ａはデファレンシャル１０（図１（ａ））の上端部分に嵌合されて配置されている。玉６ａは保持器５ａにより転動自在に保持されて、外輪２ａと内輪３ａとの間に固定されている。深溝玉軸受７ｂは、外輪２ｂと内輪３ｂと玉６ｂと保持器５ｂとを備えている。外輪２ｂは外周部分１９ｂの下部の内周面に配置されている。内輪３ｂはデファレンシャル１０の下端部分に嵌合されて配置されている。玉６ｂは、保持器５ｂにより転動自在に保持されて、外輪２ｂと内輪３ｂとの間に固定されている。深溝玉軸受７ｃおよび深溝玉軸受７ｄは、外輪２ｃおよび外輪２ｄと、内輪３ｃおよび内輪３ｄと、玉６ｃおよび玉６ｄと、保持器５ｃおよび保持器５ｄとを備えている。外輪２ｃおよび外輪２ｄは外周部分１９ａ（図１（ａ））の内周面に配置されている。内輪３ｃおよび内輪３ｄはドライブピニオン２０（図１（ａ））に嵌合されて配置されている。玉４ｃおよび玉４ｄは、保持器５ｃおよび保持器５ｄにより転動自在に保持されて、外輪２ｃおよび外輪２ｄと内輪３ｃおよび内輪３ｄとの間に固定されている。

なお、これ以外の構成については図１（ａ）、（ｂ）に示す実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび玉６ａ〜６ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にある。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび玉６ａ〜６ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である。

本実施の形態においては、デファレンシャルの支持構造１を構成している内輪３ａ〜３ｄ、外輪２ａ〜２ｄおよび玉６ａ〜６ｄのうち少なくとも１つの部材が窒素富化層を有し、その部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である。

次に本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用いて、本発明の実施例１を行なった。表１に示した各試料の製造履歴を以下に示す。

（試料Ａ〜Ｄ；本発明例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。図２に示す熱処理パターンにおいて、浸炭窒化処理温度８５０℃から１次焼入れを行ない、次いで浸炭窒化処理温度より低い温度域７８０℃〜８３０℃に加熱して２次焼入れを行なった。ただし、２次焼入温度７８０℃の試料Ａは焼入不足のため試験の対象から外した。
（試料Ｅ、Ｆ；比較例）：浸炭窒化処理は、本発明例Ａ〜Ｄと同じ履歴で行ない、２次焼入れ温度を浸炭窒素処理温度８５０℃以上の８５０℃〜８７０℃で行なった。
（従来浸炭窒化処理品；比較例）：浸炭窒化処理８５０℃、保持時間１５０分間。雰囲気は、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合ガスとした。浸炭窒化処理温度からそのまま焼入れを行ない、２次焼入れは行なわなかった。
（普通焼入れ品；比較例）：浸炭窒化処理を行なわずに、８５０℃に加熱して焼入れた。２次焼入れは行なわなかった。

上記の試料に対して、（１）水素量の測定、（２）結晶粒度の測定、（３）シャルピー衝撃試験、（４）破壊応力値の測定、（５）転動疲労試験、の各試験を行なった。次にこれらの試験方法について説明する。

Ｉ 実施例１の試験方法
（１）水素量の測定
水素量は、ＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置により、鋼中の非拡散性水素量を分析した。拡散性水素量は測定してない。このＬＥＣＯ社製ＤＨ−１０３型水素分析装置の仕様を下記に示す。

分析範囲：０．０１〜５０．００ｐｐｍ
分析精度：±０．１ｐｐｍまたは±３％Ｈ（いずれか大なる方）
分析感度：０．０１ｐｐｍ
検出方式：熱伝導度法
試料重量サイス゛：１０ｍｇ〜３５ｇ（最大：直径１２ｍｍ×長さ１００ｍｍ）
加熱炉温度範囲：５０℃〜１１００℃
試薬：アンハイドロン Ｍｇ（ＣｌＯ₄）₂ 、 アスカライト ＮａＯＨ
キャリアガス：窒素ガス、ガスドージングガス：水素ガス、いずれのガスも純度９９．９９％以上、圧力４０ＰＳＩ（２．８ｋｇｆ／ｃｍ²）である。

測定手順の概要は以下のとおりである。専用のサンプラーで採取した試料をサンプラーごと上記の水素分析装置に挿入する。内部の拡散性水素は窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導かれる。この拡散性性水素は本実施例では測定しない。次に、サンプラーから試料を取出し抵抗加熱炉内で加熱し、非拡散性水素を窒素キャリアガスによって熱伝導度検出器に導く。熱伝導度検出器において熱伝導度を測定することによって非拡散性水素量を知ることができる。
（２）結晶粒度の測定
結晶粒度の測定は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の鋼のオーステナイト結晶粒度試験方法に基づいて行なった。
（３）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２の金属材料のシャルピー衝撃試験方法に基づいて行なった。試験片は、ＪＩＳ Ｚ ２２０２に示されたＵノッチ試験片（ＪＩＳ３号試験片）を用いた。なお、シャルピー衝撃値は、次式の吸収エネルギーＥを断面積（０．８ｃｍ²）で除した値である。

吸収エネルギー：Ｅ＝ＷｇＲ（ｃｏｓβ−ｃｏｓα）
Ｗ：ハンマー重量（＝２５．４３８ｋｇ）
ｇ：重力加速度（＝９．８０６６５ｍ／ｓｅｃ²）
Ｒ：ハンマー回転軸中心から重心までの距離（＝０．６５６９ｍ）
α：ハンマー持ち上げ角度（＝１４６°）、β：ハンマー降り上がり角度
（４）破壊応力値の測定
図７は、静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。図中のＰ方向に荷重を負荷して破壊されるまでの荷重を測定する。その後、得られた破壊荷重を、下記に示す曲がり梁の応力計算式により応力値に換算する。なお、試験片は図７に示す試験片に限られず、他の形状の試験片を用いてもよい。

図７の試験片の凸表面における繊維応力をσ₁、凹表面における繊維応力をσ₂とすると、σ₁およびσ₂は下記の式によって求められる（機械工学便覧Ａ４編材料力学Ａ４−４０）。ここで、Ｎは円環状試験片の軸を含む断面の軸力、Ａは横断面積、ｅ₁は外半径、ｅ₂は内半径を表す。また、κは曲がり梁の断面係数である。

σ₁＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_o）｝［１＋ｅ1／｛κ（ρ_o＋ｅ₁）｝］
σ₂＝（Ｎ／Ａ）＋｛Ｍ／（Ａρ_o）｝［１−ｅ2／｛κ（ρ_o−ｅ₂）｝］
κ＝−（１／Ａ）∫_A｛η／（ρo＋η）｝ｄＡ
（５）転動疲労試験
転動疲労寿命試験の試験条件を表２に示す。また、図８は、転動疲労寿命試験機の概略図である。図８(ａ)は正面図であり、図８(ｂ)は側面図である。

図８（ａ）および（ｂ）を参照して、転動疲労寿命試験片２１は、駆動ロール１１によって駆動され、ボール１３と接触して回転している。ボール１３は、（3/4）”のボールであり、案内ロール１２にガイドされて、転動疲労寿命試験片２１との間で高い面圧を及ぼし合いながら転動する。

ＩＩ 実施例１の試験結果
（１）水素量
浸炭窒化処理したままの従来浸炭窒化処理品は、０．７２ｐｐｍと非常に高い値となっている。これは、浸炭窒化処理の雰囲気に含まれるアンモニア（ＮＨ₃）が分解して水素が鋼中に侵入したためと考えられる。これに対して、試料Ｂ〜Ｄは、水素量は０．３７〜０．４０ｐｐｍと半分近くにまで減少している。この水素量は普通焼入れ品と同じレベルである。

上記の水素量の低減により、水素の固溶に起因する鋼の脆化を軽減することができる。すなわち、水素量の低減により、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は大きく改善されている。
（２）結晶粒度
結晶粒度は２次焼入れ温度が、浸炭窒化処理時の焼入れ（１次焼入れ）の温度より低い場合、すなわち試料Ｂ〜Ｄの場合、オーステナイト粒は、結晶粒度番号１１〜１２と顕著に微細化されている。試料ＥおよびＦならびに従来浸炭窒化処理品および普通焼入品のオーステナイト粒は、結晶粒度番号１０であり、本発明例の試料Ｂ〜Ｄより粗大な結晶粒となっている。
（３）シャルピー衝撃試験
表１によれば、従来浸炭窒化処理品のシャルピー衝撃値は５．３３Ｊ／ｃｍ²であるのに比して、本発明例の試料Ｂ〜Ｄのシャルピー衝撃値は６．３０〜６．６５Ｊ／ｃｍ²と高い値が得られている。この中でも、２次焼入れ温度が低いほうがシャルピー衝撃値が高くなる傾向を示す。普通焼入品のシャルピー衝撃値は６．７０Ｊ／ｃｍ²と高い。
（４）破壊応力値の測定
上記破壊応力値は、耐割れ強度に相当する。表１によれば、従来浸炭窒化処理品は２３３０ＭＰａの破壊応力値となっている。これに比して、試料Ｂ〜Ｄの破壊応力値は２６５０〜２８４０ＭＰａと改善された値が得られる。普通焼入品の破壊応力値は２７７０ＭＰａであり、試料Ｂ〜Ｆの破壊応力値と同等である。このような、試料Ｂ〜Ｄの改良された耐割れ強度は、オーステナイト結晶粒の微細化と並んで、水素含有率の低減による効果が大きいと推定される。
（５）転動疲労試験
表１によれば、普通焼入品は窒素富化層を表層部に有しないことを反映して、転動疲労寿命Ｌ₁₀は最も低い。これに比して従来浸炭窒化処理品の転動疲労寿命は３．１倍となる。試料Ｂ〜Ｄの転動疲労寿命は従来浸炭窒化処理品より大幅に向上する。本発明の試料Ｅ，Ｆは、従来浸炭窒化処理品とほぼ同等である。

上記をまとめると、本発明例の試料Ｂ〜Ｄは、水素含有率が低下し、オーステナイト結晶粒度が１１番以上に微細化され、シャルピー衝撃値、耐割れ強度および転動疲労寿命も改善される。

（実施例２）
次に実施例２について説明する。下記のＸ材、Ｙ材およびＺ材について、一連の試験を行なった。熱処理用素材には、ＪＩＳ規格ＳＵＪ２材（１．０重量％Ｃ−０．２５重量％Ｓｉ−０．４重量％Ｍｎ−１．５重量％Ｃｒ）を用い、Ｘ材〜Ｚ材に共通とした。Ｘ材〜Ｚ材の製造履歴は次のとおりである。
（Ｘ材：比較例）：普通焼入れのみ（浸炭窒化処理せず）。
（Ｙ材：比較例）：浸炭窒化処理後にそのまま焼き入れる（従来の浸炭窒化焼入れ）。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。
（Ｚ材：本発明例）：図３の熱処理パターンを施した軸受鋼。浸炭窒化処理温度８４５℃、保持時間１５０分間。浸炭窒化処理の雰囲気は、ＲＸガス＋アンモニアガスとした。最終焼入れ温度は８００℃とした。
（１）転動疲労寿命
転動疲労寿命試験の試験条件および試験装置は、上述したように、表２および図８に示すとおりである。この転動疲労寿命試験結果を表３に示す。

表３によれば、比較例のＹ材は、同じく比較例で普通焼入れのみを施したＸ材のＬ₁₀寿命（試験片１０個中１個が破損する寿命）の３．１倍を示し、浸炭窒化処理による長寿命化の効果が認められる。これに対して、本発明例のＺ材は、Ｙ材の１．７４倍、またＸ材の５．４倍の長寿命を示している。この改良の主因はミクロ組織の微細化によるものと考えられる。
（２）シャルピー衝撃試験
シャルピー衝撃試験は、Ｕノッチ試験片を用いて、上述のＪＩＳＺ２２４２に準じた方法により行なった。試験結果を表４に示す。

浸炭窒化処理を行なったＹ材（比較例）のシャルピー衝撃値は、普通焼入れのＸ材（比較例）より高くないが、Ｚ材はＸ材と同等の値が得られた。
（３）静的破壊靭性値の試験
図９は、静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。この試験片のノッチ部に、予き裂を約１ｍｍ導入した後に、３点曲げによる静的荷重を加え、破壊荷重Ｐを求めた。破壊靭性値（Ｋ_Ic値）の算出には次に示す（Ｉ）式を用いた。また、試験結果を表５に示す。
Ｋ_Ic＝（ＰＬ√ａ／ＢＷ²）｛５．８−９．２（ａ／Ｗ）＋４３．６（ａ／Ｗ）²−７５．３（ａ／Ｗ）³＋７７．５（ａ／Ｗ）⁴｝…（Ｉ）

予め導入した亀裂深さが窒素富化層深さよりも大きくなったため、比較例のＸ材とＹ材とに違いはない。しかし、本発明例のＺ材は比較例に対して約１．２倍の値を得ることができた。
（４）静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）
静圧壊強度試験片は、上述のように図７に示す形状のものを用いた。図中、Ｐ方向に荷重を負荷して、静圧壊強度試験を行なった。試験結果を表６に示す。

浸炭窒化処理を行なっているＹ材は普通焼入れのＸ材よりもやや低い値である。しかしながら、本発明のＺ材は、Ｙ材よりも静圧壊強度が向上し、Ｘ材と遜色ないレベルが得られている。
（５）経年寸法変化率
保持温度１３０℃、保持時間５００時間における経年寸法変化率の測定結果を、表面硬度、残留オーステナイト量（０．１ｍｍ深さ）と併せて表７に示す。

残留オーステナイト量の多いＹ材の寸法変化率に比べて、本発明例のＺ材は２分の１以下に抑制されていることがわかる。
（６）異物混入潤滑下における寿命試験
玉軸受６２０６を用い、標準異物を所定量混入させた異物混入潤滑下での転動疲労寿命を評価した。試験条件を表８に、また試験結果を表９に示す。

Ｘ材に比べ、従来の浸炭窒化処理を施したＹ材は約２．５倍の長寿命が得られた。また、本発明例のＺ材は約３．７倍の長寿命が得られた。本発明例のＺ材は、比較例のＹ材に比べて残留オーステナイトが少ないものの、窒素の侵入と微細化されたミクロ組織の影響で長寿命が得られている。

上記の結果より、本発明例のＺ材、すなわち本発明の熱処理方法によって製造された軸受部品は、従来の浸炭窒化処理では困難であった転動疲労寿命の長寿命化、割れ強度の向上、経年寸法変化率の低減の３項目を同時に満足することができることがわかった。

なお、本実施の形態１および２においては、デファレンシャルの支持構造１として円すいころ軸受１ａ〜１ｄまたは深溝玉軸受７ａ〜７ｄが用いられる場合について示したが、本発明はこのような場合に限らず、たとえばアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受が用いられてもよい。

本実施の形態１においては、外輪２ａ（２ｂ）が外周部分１９ａ（１９ｂ）とと別体である場合について示したが、本発明はこのような場合に限らず、外輪２ａ（２ｂ）が外周部分１９ａ（１９ｂ）と一体化していてもよい。また、本実施の形態１においては、内輪３ａ（３ｂ）が外周部分１９ａ（１９ｂ）とと別体である場合について示したが、本発明はこのような場合に限らず、外輪３ａ（３ｂ）が外周部分１９ａ（１９ｂ）と一体化していてもよい。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるデファレンシャルの支持構造を示す概略断面図である。（ｂ）本発明の実施の形態１におけるデファレンシャルの支持構造である円すいころ軸受を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態１における熱処理方法を説明する図である。 本発明の実施の形態１における熱処理方法の変形例を説明する図である。 デファレンシャルの支持構造における部材のミクロ組織、とくにオーステナイト粒を示す図である。(ａ)は本発明例の軸受部品であり、（ｂ）は従来の軸受部品である。 （ａ）は図４（ａ）を図解したオーステナイト粒界を示し、（ｂ）は図４（ｂ）を図解したオーステナイト粒界を示す。 本発明の実施の形態２におけるデファレンシャルの支持構造である深溝玉軸受を示す概略断面図である。 静圧壊強度試験（破壊応力値の測定）の試験片を示す図である。 転動疲労寿命試験機の概略図である。(ａ)は正面図であり、(ｂ)は側面図である。 静的破壊靭性試験の試験片を示す図である。

符号の説明

１ デファレンシャルの支持構造、１ａ〜１ｄ 円すいころ軸受、２ａ〜２ｄ 外輪、３ａ〜３ｄ 内輪、４ａ〜４ｄ 円すいころ、５ａ〜５ｄ 保持器、６ａ〜６ｄ 玉、７ａ〜７ｄ 深溝玉軸受、８ リングギヤ、９ａ，９ｂ サイドギヤ、１０ デファレンシャル、１１ 駆動ロール、１２ 案内ロール、１３ （3/4）”ボール、１４ａ，１４ｂ ピニオンギヤ、１５ デファレンシャルケース、１６ ボルト、１７ａ，１７ｂ アクスルシャフト、１８ ピニオンシャフト、１９ａ，１９ｂ 外周部分、２０ ドライブピニオン、２０ａ ドライブピニオンギヤ、２１ 転動疲労寿命試験片、Ｔ₁ 浸炭窒化処理温度、Ｔ₂ 焼入れ加熱温度。

Claims (6)

1. デファレンシャルを回転自在に支持する支持構造であって、
   前記デファレンシャルに配置された内輪と、
   前記デファレンシャルの周囲に形成された外周部分に配置された外輪と、
   前記内輪と前記外輪との間を転動する転動体とを備え、
   前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの部材が窒素富化層を有し、その部材のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、軸受鋼からなっており、
   前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの前記部材の破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である、デファレンシャルの支持構造。
2. 前記内輪、前記外輪、および前記転動体のうち少なくともいずれか１つの前記部材の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である、請求項１に記載のデファレンシャルの支持構造。
3. 前記デファレンシャルは円すいころ軸受により回転自在に支持されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のデファレンシャルの支持構造。
4. 前記デファレンシャルは深溝玉軸受により回転自在に支持されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のデファレンシャルの支持構造。
5. ２つの車輪の各々を差動させるための歯車と、前記歯車に連結した軸とを備えたデファレンシャルに組み込まれたデファレンシャルの構成部品であって、
   前記構成部品が窒素富化層を有し、その構成部品のオーステナイト結晶粒の粒度番号が１０番を超える範囲にあり、軸受鋼からなっており、
   前記構成部品の破壊応力値が２６５０ＭＰａ以上である、デファレンシャルの構成部品。
6. 前記構成部品が窒素富化層を有し、その構成部品の水素含有率が０．５ｐｐｍ以下である、請求項５に記載のデファレンシャルの構成部品。

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