CN107849679A - 氮化处理钢部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够满足部件的小型轻量化或高负载容量的要求的耐点蚀性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.05～0.25％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：大于0.5％且小于等于2.0％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。

Description

氮化处理钢部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及实施了气体氮化处理的钢部件、特别是耐点蚀性及弯曲疲劳特性优异的齿轮、CVT滑轮等氮化处理钢部件及其制造方法。
背景技术
对于在汽车和各种产业机械等中使用的钢部件，为了提高疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性等机械性质，要实施渗碳淬火、高频淬火、氮化及软氮化等表面硬化热处理。
氮化处理和软氮化处理由于是在A1点以下的铁素体区域内进行，处理中无相变，因此能够减小热处理应变。因此，氮化处理和软氮化处理大多被用于具有高尺寸精度的部件和大型的部件，例如，适用于在汽车的传动部件中所使用的齿轮、在引擎中所使用的曲轴。
氮化处理是使钢材表面渗入氮的处理方法。在用于氮化处理的介质中有气体、盐浴、等离子体等。对汽车的传动部件主要应用生产率优异的气体氮化处理。通过气体氮化处理，使得在钢材表面形成厚度为10μm以上的化合物层，进而在化合物层下侧的钢材表层形成作为氮扩散层的硬化层。化合物层主要由Fe2～3N和Fe4N构成，与作为母材的钢相比，化合物层的硬度极高。因此，化合物层在使用的初期使钢部件的耐磨性和耐点蚀性得以提高。
但是，化合物层由于韧性低并且变形能力低，因此有可能在使用中化合物层与母层的界面剥离，部件的强度下降。因此，难以将气体氮化部件作为承受冲击应力、大弯曲应力的部件来使用。
因此，为了作为承受冲击应力、大弯曲应力的部件使用，就要求减薄化合物层的厚度、进而消除化合物层。另外，已知化合物层的厚度可以通过氮化处理的处理温度和下述氮势KN来控制，上述氮势KN由NH3分压及H2分压按照下式求出。
KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]
如果降低氮势KN，则能够减薄化合物层，进而也能够消除化合物层。但是，如果降低氮势KN，则氮变得难以侵入钢中。在此情况下，硬化层的硬度变低，并且其深度变浅。其结果是，氮化部件的疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性下降。为了应对该性能下降，有下述方法：对气体氮化处理后的氮化部件实施机械研磨或喷丸等，以除去化合物层。但是，该方法的制造成本变高。
在专利文献1中，针对上述这样的问题提出了下述方法：利用与上述的氮势不同的氮化参数KN′＝(NH3分压)/[(H2分压)1/2]来控制气体氮化处理的气氛，从而减小硬化层深度的不均。
在专利文献2中，提出了不形成化合物层就能够形成硬化层(氮化层)的气体氮化方法。专利文献2的方法是最初通过氟化处理除去部件的氧化皮膜，然后进行氮化处理，在处理炉内需要非氮化性材料作为用于放置被处理物的夹具。
但是，由专利文献1所提出的氮化参数即使对硬化层深度的控制有用，也不会提高作为部件的功能。
如专利文献2中所提出的那样，在准备非氮化性的夹具并最初进行氟化处理的方法的情况下，会产生夹具的选择和作业工时的增加的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-28588号公报
专利文献2：日本特开2007-31759号公报
发明内容
本发明的目的是解决难以兼顾使低韧性且低变形能力的化合物层薄层化并且使硬化层深度增大的课题，并提供能够满足部件的小型轻量化或高的负载容量的要求的耐点蚀性及弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件及其氮化处理方法。
用于解决课题的手段
本发明的发明者们对于将通过氮化处理而在钢材表面形成的化合物层减薄并且得到深的硬化层的方法进行了研究。进一步，还一并研究了在氮化处理时(特别是以高KN值进行的处理时)，抑制氮在钢材的表面附近气体化而形成空隙的方法。此外，调查了氮化处理条件与耐点蚀性和弯曲疲劳特性的关系。其结果是，本发明的发明者们得到了下述(a)～(d)的认识。
(a)有关气体氮化处理中的KN值
一般来说，KN值是使用进行气体氮化处理的炉内的气氛(以下称作“氮化处理气氛”或仅称作“气氛”)的NH3分压和H2分压，由下述式子来定义的。
KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]
KN值可以通过气体流量来控制。但是，设定气体流量后，氮化处理气氛达到平衡状态需要一定的时间。因此，在KN值达到平衡状态之前这段期间，KN值也是时时刻刻变化的。另外，在气体氮化处理的过程中变更KN值的情况下，在达到平衡状态之前这段期间KN值也是变动的。
上述那样的KN值的变动会影响化合物层、表面硬度和硬化层深度。因此，不仅KN值的目标值需要控制在规定范围内，气体氮化处理中的KN值的偏差的范围也需要控制在规定范围内。
(b)有关化合物层生成的抑制与表面硬度和硬化层深度的确保的兼顾
在本发明的发明者们的各种实验中，氮化部件的耐点蚀性和弯曲疲劳特性与化合物层的厚度、化合物层中的空隙、表面硬度和硬化层深度相关。如果化合物层较厚、而且化合物层中的空隙较多，则容易以化合物层为起点产生裂纹，点蚀强度和弯曲疲劳强度下降。
另外，表面硬度越低，硬化层深度越浅，则越会以扩散层为起点发生龟裂、裂纹，点蚀强度和弯曲疲劳强度越下降。即，本发明的发明者们发现了：化合物层越薄、化合物层中的空隙越少、表面硬度越高、而且硬化层深度越深，则耐点蚀性越优异。
由以上内容可知，为了兼顾耐点蚀性和弯曲疲劳特性，尽量不要生成化合物层，并且增大表面硬度和硬化层深度是重要的。
为了抑制化合物层的生成，确保硬化层深度，在暂时生成化合物层后，将生成的化合物层分解而利用作为对硬化层的氮供给源是高效的。具体而言，在气体氮化处理的前半段，实施提高了氮势的气体氮化处理(高KN值处理)来形成化合物层。然后，在气体氮化处理的后半段，实施氮势比高KN值处理降低了的气体氮化处理(低KN值处理)。其结果是，在高KN值处理中形成的化合物层被分解成Fe和N，通过N扩散来促进氮扩散层(硬化层)的形成。最终，能够在氮化部件上减薄化合物层，并且提高表面硬度，加深硬化层深度。
(c)有关空隙的生成的抑制
在气体氮化处理的前半段以高KN值进行氮化处理时，有时在化合物层中会生成含有空隙的层(多孔层)(图1(a))。在该情况下，即使在氮化物分解而形成了氮扩散层(硬化层)后，空隙仍会原样残存于氮扩散层内。如果氮扩散层内残存空隙，则氮化部件的疲劳强度下降。在高KN值处理中，生成化合物层时如果限制KN值的上限，则能够抑制多孔层和空隙的生成(图1(b))。
(d)有关钢材成分与化合物层和氮扩散层的关系
钢材中如果存在C，则化合物层的耐弯曲特性恶化。另外，如果存在Mn、Cr等氮化物形成元素，则氮扩散层的硬度和扩散层深度会变化。耐点蚀性和弯曲疲劳特性由于扩散层硬度越高，而且扩散层越深，则越会提高，因此需要设定钢材成分的最佳范围。
本发明是根据上述的认识而完成的，其要旨如下。
[1]一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.05～0.25％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：大于0.5％且小于等于2.0％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。
[2]根据上述[1]所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[3]根据上述[1]或[2]所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
[5]一种氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.05～0.25％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：大于0.5％且小于等于2.0％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述制造方法具备实施气体氮化处理的工序，在该工序中，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中将所述钢材加热至550～620℃，整个处理时间A设定为1.5～10小时，所述气体氮化处理包含将处理时间设定为X小时的高KN值处理和将紧接着高KN值处理的处理时间设定为Y小时的低KN值处理，在所述高KN值处理中，由式(1)求出的氮势KNX为0.15～1.50，由式(2)求出的所述氮势KNX的平均值KNXave为0.30～0.80，在所述低KN值处理中，由式(3)求出的氮势KNY为0.02～0.25，由式(4)求出的所述氮势KNY的平均值KNYave为0.03～0.20，由式(5)求出的氮势的平均值KNave为0.07～0.30。
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X (1)
[数学式1]
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分压)3/2]Y (3)
[数学式2]
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A (5)
其中，在式(2)和式(4)中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字，X0为氮势KNX的测定间隔(小时)，Y0为氮势KNY的测定间隔(小时)，KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势，KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
[6]根据上述[5]所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述气体气氛含有合计为99.5体积％以上的NH3、H2和N2。
[7]根据上述[5]或[6]所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[8]根据上述[5]～[7]中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[9]根据上述[5]～[8]中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
发明效果
根据本发明，可以得到化合物层较薄、空隙(多孔层)的生成得到了抑制、进而具有高表面硬度和深的硬化层、耐点蚀性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件。
附图说明
图1是表示氮化处理后的化合物层的图，(a)是在化合物层中生成了含空隙的多孔层的例子，(b)是多孔层和空隙的生成得到了抑制的例子。
图2是表示高KN值处理的氮势的平均值KNXave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图3是表示低KN值处理的氮势的平均值KNYave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图4是表示氮势的平均值KNave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图5是用于评价耐点蚀性的滚轴点蚀试验用的小滚轴的形状。
图6是用于评价耐点蚀性的滚轴点蚀试验用的大滚轴的形状。
图7是用于评价耐弯曲疲劳特性的圆柱试验片。
具体实施方式
以下，对本发明的各要件进行详细说明。首先，对作为原材料的钢材的化学组成进行说明。以下，表示各成分元素的含量和部件表面的元素浓度的“％”是指“质量％”。
[C：0.05～0.25％]
C是为了确保部件的芯部硬度所需的元素。C的含量低于0.05％时，芯部强度变得过低，因此点蚀强度、弯曲疲劳强度大幅下降。另外，C的含量如果超过0.25％，则在高KN值处理中化合物层厚度容易变大，而且在低KN值处理中化合物层变得难以分解。因此，难以使氮化处理后的化合物层厚度变小，点蚀强度、弯曲疲劳强度有可能下降。另外，热锻造后的强度由于变得过高，因此切削加工性大幅下降。C含量的优选范围是0.08～0.20％。
[Si：0.05～1.5％]
Si通过固溶强化来提高芯部硬度。另外，也是脱氧元素。为了发挥这些效果，需含有0.05％以上Si。另一方面，Si的含量如果超过1.5％，则棒钢、线材以及热锻造后的强度变得过高，因此切削加工性大幅下降。Si含量的优选范围是0.08～1.3％。
[Mn：0.2～2.5％]
Mn通过固溶强化来提高芯部硬度。进而，在氮化处理时，Mn在硬化层中形成微细的氮化物(Mn3N2)，通过析出强化而提高点蚀强度和弯曲疲劳强度。为了获得这些效果，Mn需要为0.2％以上。另一方面，Mn的含量如果超过2.5％，则析出强化能力饱和。进而，由于有效硬化层深度变浅，因此点蚀强度和弯曲疲劳强度下降。另外，由于作为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性大幅下降。Mn含量的优选范围是0.4～2.3％。
[P：0.025％以下]
P是杂质，晶界偏析而使部件脆化，因此含量优选为较少。P的含量如果超过0.025％，则弯曲矫正性、弯曲疲劳强度有可能下降。用于防止弯曲疲劳强度下降的P含量的优选上限为0.018％。将含量完全设定为0是困难的，现实的下限是0.001％。
[S：0.003～0.05％]
S与Mn结合而形成MnS，提高切削加工性。为了获得该效果，S需要为0.003％以上。但是，S的含量如果超过0.05％，则变得容易生成粗大的MnS，点蚀强度和弯曲疲劳强度大幅下降。S含量的优选范围是0.005～0.03％。
[Cr：大于0.5％且小于等于2.0％]
氮化处理时，Cr在硬化层中形成微细的氮化物(Cr2N)，通过析出强化而提高点蚀强度和弯曲疲劳强度。为了获得这些效果，Cr需要超过0.5％。另一方面，Cr的含量如果超过2.0％，则析出强化能力饱和。进而，由于有效硬化层深度变浅，因此点蚀强度和弯曲疲劳强度下降。另外，由于作为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性显著下降。Cr含量的优选范围是0.6～1.8％。
[Al：0.01～0.05％]
Al是脱氧元素，为了充分脱氧，需要为0.01％以上。另一方面，Al容易形成硬质的氧化物系夹杂物，Al的含量如果超过0.05％，则弯曲疲劳强度的下降变得显著，即使满足其它的要件，也变得无法获得所期望的弯曲疲劳强度。Al含量的优选范围是0.02～0.04％。
[N：0.003～0.025％]
N与Al、V、Ti结合而形成AlN、VN、TiN。AlN、VN、TiN通过奥氏体晶粒的钉扎作用，从而具有下述效果：使氮化处理前的钢材的组织微细化，减少氮化处理钢部件的机械特性的偏差。N的含量低于0.003％时，难以获得该效果。另一方面，N的含量如果超过0.025％，则容易形成粗大的AlN，因此难以获得上述的效果。N含量的优选范围是0.005～0.020％。
作为本发明的氮化处理钢部件的原材料的钢除了含有上述元素以外，还可以含有以下所示的元素。
[Mo：0.01％以上且低于0.50％]
Mo在氮化时在硬化层中形成微细的氮化物(Mo2N)，通过析出强化而提高点蚀强度和弯曲疲劳强度。另外，Mo在氮化时发挥时效硬化作用而使芯部硬度提高。为了获得这些效果，Mo含量需要为0.01％以上。另一方面，Mo的含量为0.50％以上时，由于作为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性显著下降，此外合金成本也会增大。为了确保切削加工性，Mo含量的优选上限为低于0.40％。
[V：0.01％以上且低于0.50％]
V在氮化和软氮化时形成微细的氮化物(VN)，通过析出强化而提高点蚀强度和弯曲疲劳强度。另外，V在氮化时发挥时效硬化作用而使芯部硬度提高。进而，通过奥氏体晶粒的钉扎作用还具有使氮化处理前的钢材的组织微细化的效果。为了获得这些作用，V需要为0.01％以上。另一方面，V的含量为0.50％以上时，由于作为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性显著下降，此外合金成本也会增大。用于确保切削加工性的V含量的优选范围为低于0.40％
[Cu：0.01～0.50％]
Cu作为固溶强化元素可提高部件的芯部硬度和氮扩散层的硬度。为了发挥Cu的固溶强化的作用，需要含有0.01％以上Cu。另一方面，Cu的含量如果超过0.50％，则由于作为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性显著下降，此外热延展性也会下降，因此在热轧时、在热锻造时会成为表面损伤发生的原因。用于热延展性维持的Cu含量的优选范围为低于0.40％。
[Ni：0.01～0.50％]
Ni通过固溶强化而提高芯部硬度和表层硬度。为了发挥Ni的固溶强化的作用，需要含有0.01％以上Ni。另一方面，Ni的含量如果超过0.50％，则由于棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此切削加工性显著下降，此外合金成本也会增大。用于获得充分的切削加工性的Ni含量的优选范围为低于0.40％。
[Ti：0.005～0.05％]
Ti与N结合而形成TiN，提高芯部硬度和表层硬度。为了获得该作用，Ti需要为0.005％以上。另一方面，Ti的含量为0.05％以上时，提高芯部硬度和表层硬度的效果会饱和，此外合金成本也会增大。Ti含量的优选范围是0.007％以上且低于0.04％。
钢的剩余部分是Fe和杂质。杂质是指在原材料中所含的成分或者在制造的过程中混入的成分，不是有意地使钢含有的成分。上述的任意的添加元素、Mo、V、Cu、Ni和Ti也有时以低于上述的下限的量混入，但在这种情况下，只是不能充分获得上述的各元素的效果，但可以得到本发明的耐点蚀性和弯曲疲劳特性提高的效果，因此没有问题。
以下，对本发明的氮化处理钢部件的制造方法的一个例子进行说明。以下说明的制造方法是一个例子，本发明的氮化处理钢部件只要化合物层的厚度为3μm以下、有效硬化层深度为160～410μm即可，并不限于以下的制造方法。
在本发明的氮化处理钢部件的制造方法中，对具有上述的成分的钢实施气体氮化处理。气体氮化处理的处理温度为550～620℃，整个气体氮化处理的处理时间A为1.5～10小时。
[处理温度：550～620℃]
气体氮化处理的温度(氮化处理温度)主要与氮的扩散速度相关，影响表面硬度和硬化层深度。氮化处理温度如果过低，则氮的扩散速度慢，表面硬度变低，硬化层深度变浅。另一方面，氮化处理温度如果超过AC1点，则氮的扩散速度比铁素体相(α相)小的奥氏体相(γ相)在钢中生成，表面硬度变低，硬化层深度变浅。因此，本实施方式中，氮化处理温度为铁素体温度区域附近的550～620℃。在该情况下，能够抑制表面硬度变低，并且能够抑制硬化层深度变浅。
[整个气体氮化处理的处理时间A：1.5～10小时]
气体氮化处理在含有NH3、H2、N2的气氛下实施。整个氮化处理的时间，即从氮化处理的开始至结束为止的时间(处理时间A)与化合物层的形成与分解以及氮的渗透相关，对表面硬度和硬化层深度产生影响。处理时间A如果过短，则表面硬度变低，硬化层深度变浅。另一方面，处理时间A如果过长，则会发生脱氮，钢的表面硬度下降。处理时间A如果过长，进而会使制造成本变高。因此，整个氮化处理的处理时间A为1.5～10小时。
应当指出的是，本实施方式的气体氮化处理的气氛除NH3、H2和N2以外，不可避免地还含有氧、二氧化碳等杂质。优选的气氛是合计为99.5％(体积％)以上的NH3、H2和N2。后述的KN值由于是由气氛中的NH3和H2分压的比率算出的，因此不受N2分压大小的影响。但是，为了提高KN控制的稳定性，N2分压优选为0.2～0.5atm。
[高KN值处理和低KN值处理]
上述的气体氮化处理包含实施高KN值处理的工序和实施低KN值处理的工序。高KN值处理是在比低KN值处理更高的氮势KNX下实施气体氮化处理的。进而在高KN值处理后实施低KN值处理。低KN值处理是在比高KN值处理更低的氮势KNY下实施气体氮化处理的。
如上所述，在本氮化处理方法中，实施2个阶段的气体氮化处理(高KN值处理、低KN值处理)。在气体氮化处理的前半段(高KN值处理)，通过提高氮势KN值来使钢的表面生成化合物层。然后，在气体氮化处理的后半段(低KN值处理)，通过降低氮势KN值来使钢的表面形成的化合物层分解成Fe和N，并使氮(N)渗透扩散至钢中。通过实施2个阶段的气体氮化处理，能够在降低高KN值处理中生成的化合物层的厚度的同时，使用由化合物层的分解而得到的氮来获得充分的硬化层深度。
将高KN值处理的氮势设定为KNX，将低KN值处理的氮势设定为KNY。此时，氮势KNX和KNY由下式定义。
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分压)3/2]Y
气体氮化处理的气氛的NH3和H2的分压可以通过调整气体流量来控制。
从高KN值处理向低KN值处理转移时，如果为了降低KN值而调整气体流量，则炉内的NH3和H2的分压需要一定的时间达到稳定化。用于变更KN的气体流量的调整可以是1次，根据需要也可以是多次。为了进一步增大KN值的下降量，降低NH3流量、增加H2流量的方法是有效的。将高KN值处理后的KN值最后成为0.25以下的时间点定义为低KN值处理的开始时间。
将高KN值处理的处理时间设定为“X”(小时)，将低KN值处理的处理时间设定为“Y”(小时)。处理时间X与处理时间Y的合计为整个氮化处理的处理时间A以内，优选为处理时间A。
[高KN值处理和低KN值处理中的诸条件]
如上所述，将高KN值处理中的氮势设定为KNX，将低KN值处理中的氮势设定为KNY。进而，将高KN值处理中的氮势的平均值设定为“KNXave”，将低KN值处理中的氮势的平均值设定为“KNYave”。KNXave和KNYave由下式定义。
[数学式3]
[数学式4]
其中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字，X0为氮势KNX的测定间隔(小时)，Y0为氮势KNY的测定间隔(小时)，KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势，KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
例如，将X0设定为15分钟，将从处理开始15分钟后设定为第1次(i＝1)，以后每隔15分钟测定为第2次(i＝2)、第3次(i＝3)，测定直至处理时间为止能够测定的n次来计算KNXave。KNYave也同样地计算。
进一步地，将整个氮化处理的氮势的平均值设定为“KNave”。平均值KNave由下式定义。
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A
在本发明的氮化处理方法中，高KN值处理的氮势KNX、平均值KNXave、处理时间X、低KN值处理的氮势KNX、平均值KNYave、处理时间Y和平均值KNave满足下面的条件(I)～(IV)。
(I)平均值KNXave：0.30～0.80
(II)平均值KNYave：0.03～0.20
(III)KNX：0.15～1.50和KNY：0.02～0.25
(IV)平均值KNave：0.07～0.30
以下，对条件(I)～(IV)进行说明。
[(I)高KN处理中的氮势的平均值KNXave]
在高KN值处理中，为了形成足够厚度的化合物层，氮势的平均值KNXave需要为0.30～0.80。
图2是表示平均值KNXave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。图2由下述实验获得。
使用具有本发明规定的化学成分的钢a(参照表1。以下称作“试验材料”)，在含有NH3、H2和N2的气体气氛下实施气体氮化处理。在气体氮化处理中，将试验材料插入至能够控制加热到规定温度的气氛的热处理炉内，使NH3、N2和H2气体流入。此时，一边测定气体氮化处理的气氛的NH3和H2的分压，一边调整气体的流量，对氮势KN值进行了控制。KN值是根据前述的式子通过NH3分压和H2分压来求出的。
气体氮化处理中的H2分压如下测定：使用直接安装于气体氮化炉体的热传导式H2传感器，将标准气体与测定气体的热传导率的差异换算为气体浓度。H2分压是在气体氮化处理期间持续地测定的。气体氮化处理中的NH3分压如下求出：在炉外安装手动玻璃管式NH3分析仪来测定，每15分钟计算残留NH3的分压。在测定NH3分压的每15分钟算出氮势KN值，按照向目标值收敛的方式调整了NH3流量和N2流量。
气体氮化处理如下进行：将气氛的温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、KNYave设定为恒定的0.05，使KNXave从0.10变化至1.00。整个处理时间A设定为3.0小时。
对以各种平均值KNXave进行了气体氮化处理的试验材料实施了下述的测定试验。
[化合物层的厚度测定]
气体氮化处理后，研磨试验材料的断面，蚀刻后用光学显微镜进行了观察。蚀刻是在3％硝酸乙醇溶液中进行了20～30秒。化合物层存在于钢的表层，是作为白色的未腐蚀的层观察到的。从使用光学显微镜以500倍拍摄的组织照片的5个视场(视场面积：2.2×104μm2)中，分别每隔30μm测定了4个点的化合物层的厚度。将所测定的20个点的值的平均值定义为化合物层厚度(μm)。化合物层厚度为3μm以下时，剥离、裂纹的发生被大幅抑制。因此，在本发明中，需要将化合物层厚度设定为3μm以下。化合物层厚度也可以为0。
[化合物层的相结构]
化合物层的相结构优选以面积率计γ’(Fe4N)成为50％以上。剩余部分为ε(Fe2～ 3N)。根据一般的软氮化处理，化合物层中ε(Fe2～3N)成为主体，但根据本发明的氮化处理，γ’(Fe4N)的比例变大。化合物层的相结构可以通过SEM-EBSD法来研究。
[空隙面积率的测定]
此外，采用光学显微镜观察测定了试验材料断面的表层组织的空隙的面积率。在1000倍的倍率下进行5个视场测定(视场面积：5.6×103μm2)，对各视场算出了在距离最表面为5μm深度范围的25μm2面积中空隙所占的比例(以下称作空隙面积率)。在空隙面积率为10％以上的情况下，气体氮化处理后的氮化部件的表面粗糙度变粗，此外，由于化合物层脆化，因此氮化部件的疲劳强度下降。因此，在本发明中，空隙面积率需要低于10％。空隙面积率优选为低于8％，更优选为低于6％。
[表面硬度的测定]
进一步地，使用下述方法求出了气体氮化处理后的试验材料的表面硬度和有效硬化层深度。根据JIS Z 2244，以1.96N的试验力测定了由试样表面沿深度方向的维氏硬度。然后，将距离表面为50μm深度位置处的维氏硬度的3个点的平均值定义为表面硬度(HV)。在本发明中，作为与残存超过3μm的化合物层的一般的气体氮化处理的情况同等的表面硬度，以570HV以上为目标。
[有效硬化层深度的测定]
本发明中，有效硬化层深度(μm)定义为使用在上述的维氏硬度试验中得到的深度方向的硬度分布、在由试验材料表面沿深度方向测定的维氏硬度的分布之中成为300HV以上的范围的深度。
在570～590℃的处理温度下生成10μm以上的化合物层的一般的气体氮化处理的情况下，如果将整个气体氮化处理的处理时间设定为A(小时)，则有效硬化层深度成为由下述式(A)求出的值±20μm。
有效硬化层深度(μm)＝130×{处理时间A(小时)}1/2 (A)
本发明的氮化处理钢部件的有效硬化层深度设定为130×{处理时间A(小时)}1/2。本实施方式中，由于整个气体氮化处理的处理时间A如上所述为1.5～10小时，因此有效硬化层深度以达到160～410μm为目标。
上述的测定试验的结果是，平均值KNYave如果为0.20以上，则有效硬化层深度满足160～410μm(A＝3时，有效硬化层深度为225μm)。此外，根据测定试验结果中由以各平均值KNXave进行的气体氮化处理所得到的试验材料的表面硬度和化合物层的厚度作成了图2。
图2中的实线是表示平均值KNXave与表面硬度(HV)的关系的曲线图。图2中的虚线是表示平均值KNXave与化合物层的厚度(μm)的关系的曲线图。
参照图2的实线的曲线图，在低KN值处理中的平均值KNYave恒定的情况下，随着高KN值处理中的平均值KNXave变高，氮化部件的表面硬度显著增大。而且，当平均值KNXave达到0.30以上时，表面硬度达到目标的570HV以上。另一方面，在平均值KNXave高于0.30的情况下，平均值KNXave即使进一步变高，表面硬度也大致为恒定的状态。即，就平均值KNXave与表面硬度的曲线图(图2中的实线)而言，在KNXave＝0.30附近存在拐点。
此外，参照图2的虚线的曲线图，随着平均值KNXave从1.00开始降低，化合物厚度显著减少。于是，在平均值KNXave达到0.80时，化合物层的厚度达到3μm以下。另一方面，平均值KNXave为0.80以下时，随着平均值KNXave降低，虽然化合物层的厚度减少，但与平均值KNXave高于0.80的情况相比，化合物层的厚度的减少程度较小。即，就平均值KNXave与表面硬度的曲线图(图2中的实线)而言，在KNXave＝0.80附近存在拐点。
根据以上的结果，在本发明中，高KN值处理的氮势的平均值KNXave设定为0.30～0.80。通过控制在该范围，可以提高被氮化处理过的钢的表面硬度，并且能够抑制化合物层的厚度。进而，能够获得充分的有效硬化层深度。平均值KNXave如果低于0.30，则化合物的生成不充分，表面硬度下降，不能得到充分的有效硬化层深度。平均值KNXave如果超过0.80，则化合物层的厚度超过3μm，进而空隙面积率有可能达到10％以上。平均值KNXave的优选下限为0.35。另外，平均值KNXave的优选上限为0.70。
[(II)低KN值处理中的氮势的平均值KNYave]
低KN值处理的氮势的平均值KNYave为0.03～0.20。
图3是表示平均值KNYave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。图3由下述的试验得到。
将氮化处理气氛的温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、平均值KNXave设定为恒定的0.40，使平均值KNYave从0.01变化到0.30，对具有本发明规定的化学成分的钢a进行了气体氮化处理。整个处理时间A为3.0小时。
氮化处理后，使用上述的方法测定了各平均值KNYave下的表面硬度(HV)、有效硬化层深度(μm)和化合物层厚度(μm)。测定有效硬化层深度的结果是，平均值KNYave如果为0.02以上，则有效硬化层深度达到225μm以上。进而，将由测定试验得到的表面硬度和化合物厚度进行绘图，作成了图3。
图3中的实线是表示平均值KNYave与表面硬度的关系的曲线图，虚线是表示平均值KNYave与化合物层的深度的关系的曲线图。参照图3的实线的曲线图，随着平均值KNYave从0开始变高，表面硬度显著增大。于是，在KNYave达到0.03时，表面硬度达到570HV以上。进而，在KNYave为0.03以上的情况下，KNYave即使变高，表面硬度也大致恒定。根据以上内容，就平均值KNYave与表面硬度的曲线图而言，在平均值KNYave＝0.03附近存在拐点。
另一方面，参照图3中的虚线的曲线图，平均值KNYave在从0.30减小到0.25之间，化合物层的厚度大致恒定。但是，随着平均值KNYave从0.25开始降低，化合物层的厚度显著减少。于是，在平均值KNYave达到0.20时，化合物层的厚度变为3μm以下。进而，在平均值KNYave为0.20以下的情况下，随着平均值KNYave的降低，化合物层的厚度虽然减少，但与平均值KNYave高于0.20的情况相比，化合物层的厚度的减少程度较小。根据以上内容，就平均值KNYave与化合物层的厚度的曲线图而言，在平均值KNYave＝0.20附近存在拐点。
根据以上的结果，在本发明中，低KN值处理的平均值KNYave限定为0.03～0.20。在该情况下，被气体氮化处理过的钢的表面硬度变高，并且能够抑制化合物层的厚度。进而，能够得到充分的有效硬化层深度。平均值KNYave如果低于0.03，则会由表面发生脱氮，表面硬度下降。另一方面，平均值KNYave如果超过0.20，则化合物的分解不充分，有效硬化层深度较浅，表面硬度下降。平均值KNYave的优选下限为0.05。平均值KNYave的优选上限为0.18。
[(III)氮化处理中的氮势KNX和KNY的范围]
气体氮化处理中，设定气体流量之后，在气氛中的KN值达到平衡状态之前需要一定的时间。因此，在KN值达到平行状态之前这段期间，KN值也是时时刻刻变化的。此外，从高KN值处理向低KN值处理转移时，在气体氮化处理的过程中要变更KN值的设定。在该情况下，在达到平衡状态之前这段期间KN值也是变动的。
这样的KN值的变动会影响化合物层、硬化层深度。因此，在高KN值处理和低KN值处理中，不仅要将上述的平均值KNXave和平均值KNYave设定为上述范围，还要将高KN值处理中的氮势KNx和低KN值处理中的氮势KNY控制在规定范围内。
具体而言，在本发明中，为了形成充分的化合物层，将高KN值处理中的氮势KNX设定为0.15～1.50，为了减薄化合物层并且增大硬化层深度，将低KN值处理中的氮势KNY设定为0.02～0.25。
表1表示在对含有C：0.15％、Si：0.51％、Mn：1.10％、P：0.015％、S：0.015％、Cr：1.20％、Al：0.028％、N：0.008％、剩余部分为Fe和杂质的钢(以下称作“钢a”)以各种氮势KNX和KNY实施了氮化处理情况下的氮化部件的化合物层厚度(μm)、空隙面积率(％)、有效硬化层深度(μm)和表面硬度(HV)。表1由下述的试验得到。
表1
以钢a作为试验材料，实施了表1所示的气体氮化处理(高KN值处理和低KN值处理)而制造了氮化部件。具体而言，将各试验番号的气体氮化处理的气氛温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、KNXave设定为恒定的0.40、KNYave设定为恒定的0.10。然后，在气体氮化处理中，使KNX、KNY的最小值KNXmin、KNYmin、最大值KNXmax、KNYmax变化，实施了高KN值处理和低KN值处理。整个氮化处理的处理时间A设定为3.0小时。
在570～590℃的处理温度下生成10μm以上的化合物层的一般的气体氮化处理的情况下，如果将整个气体氮化处理的处理时间设定为3.0小时，则有效硬化层深度达到225μm±20μm。对气体氮化处理后的氮化部件采用上述的测定方法测定了化合物层厚度、空隙面积率、有效硬化层深度和表面硬度，得到了表1。
参照表1，就试验番号3～6、10～15而言，最小值KNXmin和最大值KNXmax为0.15～1.50，并且最小值KNYmin和最大值KNYmax为0.02～0.25。其结果是，化合物厚度薄至3μm以下，空隙被抑制为低于10％。此外，有效硬化层深度为225μm以上，表面硬度为570HV以上。
另一方面，就试验番号1和2而言，由于KNXmin低于0.15，因此表面硬度低于570HV。由于试验番号1的KNXmin还低于0.14，因此有效硬化层深度低于225μm。
就试验番号7和8而言，由于KNXmax超过1.5，因此化合物层中的空隙达到了10％以上。由于试验番号8的KNXmax还超过了1.55，因此化合物层的厚度超过了3μm。
就试验番号9而言，由于KNYmin低于0.02，因此表面硬度低于570HV。这可以认为原因如下：由于通过低KN值处理不仅导致化合物层消失，而且由表层还发生了脱氮。此外，试验番号16的KNYmax超过了0.25。因此，化合物层的厚度超过了3μm。由于KNYmax超过了0.25，因此可以认为未充分发生化合物层的分解。
根据以上的结果，将高KN值处理中的氮势KNX设定为0.15～1.50，并且将低KN值处理中的氮势KNY设定为0.02～0.25。在该情况下，对于氮化处理后的部件，能够充分减薄化合物层的厚度，也能够抑制空隙。进而，能够充分加深有效硬化层深度，并且得到高表面硬度。
氮势KNX如果低于0.15，则有效硬化层过浅、表面硬度过低。氮势KNX如果超过1.50，则化合物层变得过厚、空隙过量残存。
另外，氮势KNY如果低于0.02，则会发生脱氮，表面硬度下降。另一方面，氮势KNY如果超过0.20，则化合物层变得过厚。因此，就本实施方式而言，在高KN值处理中的氮势KNX为0.15～1.50，并且在低KN值处理中的氮势KNY为0.02～0.25。
氮势KNX的优选下限为0.25。KNX的优选上限为1.40。KNY的优选下限为0.03。KNY的优选上限为0.22。
[(IV)氮化处理中的氮势的平均值KNave]
就本实施方式的气体氮化处理而言，进一步地，由式(2)定义的氮势的平均值KNave为0.07～0.30。
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A (2)
图4是表示平均值KNave与表面硬度(HV)与化合物层深度(μm)的关系的图。图4是通过实施下述的试验而得到的。以钢a作为试验材料实施了气体氮化处理。气体氮化处理中的气氛温度设定为590℃。然后，使处理时间X、处理时间Y、氮势的范围和平均值(KNX、KNY、KNXave、KNYave)变化来实施了气体氮化处理(高KN值处理和低KN值处理)。
对各试验条件的气体氮化处理后的试验材料采用上述方法测定了化合物层厚度和表面硬度。测定所得到的化合物层厚度和表面硬度，作成了图4。
图4中的实线是表示氮势的平均值KNave与表面硬度(HV)的关系的曲线图。图4中的虚线是表示平均值KNave与化合物层的厚度(μm)的关系的曲线图。
参照图4的实线的曲线图，随着平均值KNave从0开始变高，表面硬度显著提高，当平均值KNave达到0.07时，表面硬度达到570HV以上。然后，在平均值KNave达到0.07以上的情况下，平均值KNave即使变高，表面硬度也大致恒定。即，平均值KNave与表面硬度(HV)的曲线图在平均值KNave＝0.07附近存在拐点。
此外，参照图4的虚线的曲线图，随着平均值KNave从0.35开始下降，化合物厚度显著变薄，当平均值KNave达到0.30时，化合物厚度变为3μm以下。然后，在平均值KNave变为低于0.30的情况下，随着平均值KNave变低，虽然化合物厚度在慢慢变薄，但是与平均值KNave高于0.30的情况相比，化合物层的厚度的减少程度较少。根据以上内容，平均值KNave与化合物层厚度的曲线图在平均值KNave＝0.30附近存在拐点。
根据以上的结果，就本实施方式的气体氮化处理而言，由式(2)定义的平均值KNave设定为0.07～0.30。在该情况下，就气体氮化处理后的部件而言，能够使化合物层充分变薄。进而能够得到高表面硬度。平均值KNave如果低于0.07，则表面硬度低。另一方面，平均值KNave如果超过0.30，则化合物层会超过3μm。平均值KNave的优选下限为0.08。平均值KNave的优选上限为0.27。
[高KN值处理和低KN值处理的处理时间]
就高KN值处理的处理时间X和低KN值处理的处理时间Y而言，由式(2)定义的平均值KNave只要为0.07～0.30，则没有特别限制。优选的是，处理时间X为0.50小时以上，处理时间Y为0.50小时以上。
根据以上的诸条件来实施气体氮化处理。具体而言，在上述条件下实施高KN值处理，然后，在上述条件下实施低KN值处理。在低KN值处理之后，不使氮势上升地来结束气体氮化处理。
通过对具有本发明规定的成分的钢实施上述气体氮化处理，从而制造氮化部件。就制造的氮化部件而言，表面硬度足够深，化合物层足够薄。进而，有效硬化层深度足够深，也能够抑制化合物层中的空隙。优选的是，实施本实施方式的氮化处理而制造的氮化部件的表面硬度以维氏硬度计达到570HV以上、化合物层深度达到3μm以下。进而，空隙面积率达到低于10％。进而，有效硬化层深度达到160～410μm。
实施例
将具有表2中所示化学成分的钢a～z在50kg真空熔炼炉中进行熔炼，制造出钢水。对钢水进行铸造，制造出钢锭。应当指出的是，表2中的a～q是具有本发明中规定的化学成分的钢。另一方面，钢r～z是至少有1种元素以上超出了本发明中规定的化学成分的比较例的钢。
表2
对该钢锭进行热锻造而制成直径为35mm的圆棒。接着，将各圆棒退火后，实施切削加工，制作了用于评价化合物层的厚度、空隙的体积率、有效硬化层深度和表面硬度的板状试验片。板状试验片制成为长20mm、宽20mm、厚度2mm。另外，制作了图5所示的用于评价耐点蚀性的滚轴点蚀试验用的小滚轴和图6所示的大滚轴。此外，制作了图7所示的用于评价耐弯曲疲劳特性的圆柱试验片。
对采取的试验片在下述的条件下实施了气体氮化处理。将试验片装入气体氮化炉，向炉内导入NH3、H2、N2的各气体。然后，在表3、4所示的条件下实施高KN值处理，然后实施低KN值处理。对气体氮化处理后的试验片使用80℃的油实施了油冷。
表3
表4
[化合物层的厚度和空隙面积率的测定试验]
对气体氮化处理后的试验片的与长度方向垂直的方向的断面进行镜面研磨，并进行了蚀刻。使用光学显微镜观察了蚀刻后的断面，进行了化合物层厚度的测定和表层部空隙有无的确认。蚀刻是在3％硝酸乙醇溶液中进行了20～30秒。
化合物层能够作为表层存在的白色的未腐蚀的层来确认。从以500倍的倍率拍摄的组织照片的5个视场(视场面积：2.2×104μm2)中观察化合物层，分别每隔30μm测定了4个点的化合物层厚度。然后，将测定的20个点的平均值定义为化合物厚度(μm)。
此外，对蚀刻后的断面以1000倍的倍率观察5个视场，求出了距离最表面为5μm深度范围的25μm2面积中空隙所占的总面积的比值(空隙面积率，单位为％)。
[表面硬度和有效硬化层测定试验]
对气体氮化处理后的各试验番号的棒钢根据JIS Z 2244以1.96N的试验力测定了距离表面50μm、100μm、以后每隔50μm直到深度1000μm为止的维氏硬度。就维氏硬度(HV)而言，各测定5个点，求出平均值。表面硬度设定为距离表面为50μm位置处的5个点的平均值。
在由表面沿深度方向测定的维氏硬度的分布当中，将达到300HV以上的范围的深度定义为有效硬化层深度(μm)。
如果化合物层的厚度为3μm以下、空隙的比例低于10％、表面硬度为570HV以上，则判定为良好。进而，有效硬化层深度如果满足160～410μm，则判定为良好。
以下，使用良好和不良的试验片进行了耐点蚀性、耐弯曲特性、耐旋转弯曲疲劳特性的评价。
[耐点蚀性评价试验]
以除去热处理应变为目的而对气体氮化处理后的各试验番号的滚轴点蚀试验用小滚轴进行了握持部的精整加工后，分别供于滚轴点蚀试验片。精整加工后的形状示于图5中。通过组合上述的滚轴点蚀试验用小滚轴和图6所示形状的滚轴点蚀试验用大滚轴来实施点蚀疲劳试验。此外，图5、6中的尺寸的单位为“mm”。
上述滚轴点蚀试验用大滚轴是使用满足JIS的SCM420的标准的钢并通过一般的制造工序即“正火→试验片加工→基于气体渗碳炉的共析渗碳→低温回火→研磨”的工序来制作的，距离表面为0.05mm的位置即深度为0.05mm的位置处的维氏硬度Hv为740～760，另外，维氏硬度Hv为550以上的深度在0.8～1.0mm的范围内。
表5中示出了点蚀疲劳试验的条件。试验结束次数设定为表示一般的钢的疲劳极限的107次，将在小滚轴试验片上不发生点蚀而达到了107次的最大表面压力设定为小滚轴试验片的疲劳极限。点蚀发生的检测通过试验机上安装的振动计来进行，振动发生后，停止小滚轴试验片和大滚轴试验片这两者的旋转，确认了点蚀发生和转速。就本发明部件而言，将疲劳极限下的最大表面压力为1800MPa以上作为目标。
表5
[耐弯曲疲劳特性评价试验]
对供于气体氮化处理的圆柱试验片实施了小野式旋转弯曲疲劳试验。转速设定为3000rpm，试验结束次数设定为表示一般的钢的疲劳极限的107次，将在旋转弯曲疲劳试验片上不发生断裂而达到了107次时的最大应力振幅设定为旋转弯曲疲劳试验片的疲劳极限。试验片的形状示于图7中。就本发明部件而言，将疲劳极限下的最大应力为550MPa以上作为目标。
[试验结果]
结果示于表3中。在表3、4中的“有效硬化层深度(目标)”栏中记载了由式(A)算出的值(目标值)，在“有效硬化层深度(实绩)”栏中记载了有效硬化层的测定值(μm)。
参照表3、4，就试验番号17～41而言，气体氮化处理中的处理温度为550～620℃，处理时间A为1.5～10小时。此外，高KN值处理中的KNX为0.15～1.50，平均值KNXave为0.30～0.80。此外，低KN值处理中的KNY为0.02～0.25，平均值KNYave为0.03～0.20。此外，由(式2)求出的平均值KNave为0.07～0.30。因此，无论哪个试验番号，氮化处理后的化合物层的厚度均为3μm以下，空隙面积率均低于10％。
此外，有效硬化层满足160～410μm，表面硬度为570HV以上。点蚀强度和弯曲疲劳强度也分别满足目标的1800MPa、550MPa以上。此外，对于存在化合物层的试验片的表层断面，使用SEM-EBSD法研究了化合物层的相结构，其结果是，以面积比率计γ’(Fe4N)为50％以上，剩余部分为ε(Fe2～3N)。
另一方面，就试验番号42而言，高KN值处理中的KNX的最小值低于0.15。因此，在高KN值处理中没有稳定地形成化合物层，因此有效硬化层深度低于160μm，点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号43而言，高KN值处理中的KNX的最大值超过1.50。因此，空隙面积率达到10％以上，点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号44而言，高KN值处理中的平均值KNXave低于0.30。因此，在高KN值处理中没有形成足够厚度的化合物层，在低KN值处理中化合物层在早期就被分解了，因此有效硬化层深度变为低于160μm，表面硬度也低于570HV，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号45而言，高KN值处理中的平均值KNXave超过0.80。因此，化合物层厚度超过3μm，并且空隙面积率达到10％以上，点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号46而言，低KN值处理中的KNY的最小值低于0.02。因此，在低KN值处理中化合物层在早期就被分解了，因此有效硬化层深度变为低于160μm，表面硬度也低于570HV，因而点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号47而言，低KN值处理中的KNY的最小值低于0.02，并且低KN值处理中的平均值KYave低于0.03。因此，有效硬化层深度变为低于160μm，表面硬度也低于570HV，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号48而言，平均值KNave低于0.07。因此，表面硬度低于570HV，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号49而言，低KN值处理中的平均值KYave超过0.20。因此，化合物层厚度超过3μm，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号50而言，平均值KNave超过0.30。因此，化合物层厚度超过3μm，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号51而言，没有进行高KN、低KN值处理，进行了平均值KNave成为0.07～0.30的控制。其结果是，化合物层厚度超过3μm，因此点蚀强度低于1800MPa，弯曲疲劳强度低于550MPa。
就试验番号52～60而言，使用具有本发明中规定的范围外的成分的钢r～z进行了本发明中规定的氮化处理。其结果是，点蚀强度、弯曲疲劳强度中的至少一个不满足目标值。
以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，上述的实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明不限于上述的实施方式，可以在不超出其宗旨的范围内适当变更上述的实施方式来实施。
符号说明
1 多孔层
2 化合物层
3 氮扩散层

Claims (10)

1.一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：
C：0.05～0.25％、
Si：0.05～1.5％、
Mn：0.2～2.5％、
P：0.025％以下、
S：0.003～0.05％、
Cr：大于0.5％且小于等于2.0％、
Al：0.01～0.05％、和
N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，
所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，
有效硬化层深度为160～410μm。
2.根据权利要求1所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
3.根据权利要求1或2所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的氮化处理钢部件，其特征在于，在所述钢材的距离最表面为5μm深度范围的25μm2面积中空隙所占的比例低于10％。
6.一种氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：
C：0.05～0.25％、
Si：0.05～1.5％、
Mn：0.2～2.5％、
P：0.025％以下、
S：0.003～0.05％、
Cr：大于0.5％且小于等于2.0％、
Al：0.01～0.05％、和
N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，
所述制造方法具备实施气体氮化处理的工序，在该工序中，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中将所述钢材加热至550～620℃，整个处理时间A设定为1.5～10小时，
所述气体氮化处理包含将处理时间设定为X小时的高KN值处理和将紧接着高KN值处理的处理时间设定为Y小时的低KN值处理，
在所述高KN值处理中，由式(1)求出的氮势KNX为0.15～1.50，由式(2)求出的所述氮势KNX的平均值KNXave为0.30～0.80，
在所述低KN值处理中，由式(3)求出的氮势KNY为0.02～0.25，由式(4)求出的所述氮势KNY的平均值KNYave为0.03～0.20，由式(5)求出的氮势的平均值KNave为0.07～0.30，
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X (1)
[数学式1]
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>X</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>X</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>X</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分压)3/2]Y (3)
[数学式2]
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>Y</mi> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>Y</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mi>Y</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A (5)
其中，在式(2)和式(4)中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字，X0为氮势KNX的测定间隔(小时)，Y0为氮势KNY的测定间隔(小时)，KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势，KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
7.根据权利要求6所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述气体气氛含有合计为99.5体积％以上的NH3、H2和N2。
8.根据权利要求6或7所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
9.根据权利要求6～8中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
10.根据权利要求6～9中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
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