JP7415154B2 - 窒化処理鋼部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化処理鋼部品およびその製造方法に関する。

鋼材の窒化処理及び軟窒化処理は、Ａ_１点以下のフェライト域で行われ、処理中に相変態がないため、熱処理によるひずみを小さくすることができる。そのため、窒化処理及び軟窒化処理は、高い寸法精度を有する部品や大型の部品に用いられることが多く、例えば自動車のトランスミッション部品に用いられる歯車や、エンジンに用いられるクランク軸に適用されている。

窒化処理は、鋼材表面に窒素を侵入させる処理方法である。窒化処理に用いる媒体には、ガス、塩浴、プラズマなどがある。自動車のトランスミッション部品には、主に、生産性に優れるガス窒化処理が適用されている。ガス窒化処理によって、鋼材表面には、厚さが１０μｍ以上の化合物層（Ｆｅ_３Ｎ等の窒化物が析出した層）が形成され、さらに、化合物層の下側の鋼材表層には窒素拡散層である硬化層が形成される。化合物層は主にＦｅ_2～3Ｎ（ε）とＦｅ₄Ｎ（γ’）で構成され、化合物層の硬さは非窒化層である母層と比較して極めて高い。そのため、化合物層は、使用の初期において、鋼部品の耐摩耗性及び耐摩耗性を向上させる。

化合物層の相構造は、窒化の処理温度と、次式で求められる窒化ポテンシャルＫ_Ｎとにより制御できることが知られている。
Ｋ_Ｎ＝（ＮＨ₃分圧）／［（Ｈ₂分圧）^3/2］

図１、図２、図３に、Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ２０１６ｂ（熱力学データベース：ＴＣＦＥ ｖｅｒ．８．１）により計算した、Ｆｅ－０．０１質量％Ｃ－Ｎ三元系、Ｆｅ－０．２質量％Ｃ－Ｎ、およびＦｅ－０．８質量％Ｃ－Ｎ三元系のＬｅｈｒｅｒ線図を示す。これらの図から、高温、高窒化ポテンシャル、および高Ｃ（炭素）濃度ではε相が安定相、低温および低窒化ポテンシャルではγ’相が安定相であることがわかる。近年、窒化処理雰囲気を制御し化合物層中のγ’相比率を高めることで、歯車の疲労強度を改善できることが判ってきている。

しかしながら、γ’相の成長速度はε相の成長速度に比べ小さいことから、γ’相を厚く形成させるには処理に時間を要する。そこで、窒化の工程を前半と後半に分け、各工程のＮＨ_３流量もしくは窒化ポテンシャルＫ_Ｎ（以下、窒化ポテンシャルをＫ_Ｎだけで示す場合がある。）を制御することにより、短時間で厚いγ’相を形成させる手法が用いられている。具体的には、窒化の前半ではＮＨ_３流量を大きくするか、もしくはＫ_Ｎを高くして成長速度の速いε相主体の化合物層を厚く形成させ、窒化の後半ではＮＨ_３流量を小さくするか、もしくはＫ_Ｎを低くしてε相をγ’相へ変態させることにより、厚いγ’相を形成させる手法がある。

例えば、特許文献１には、窒化処理前半、および後半のＫ_Ｎを規定することで、安定的に化合物層中のγ’相比率を高める窒化処理方法が開示されている。

例えば、特許文献２には、窒化後、化合物層が成長しない非窒化性ガス雰囲気中に一定時間通過させることで、化合物層中のγ’相比率を高める窒化処理方法が開示されている。

国際公開第２０１５／０４６５９３号 国際公開第２０１６／１５９２３５号

窒化処理鋼部品の面疲労強度や曲げ強度を確保するには、化合物層厚さおよび化合物層中の組織の最適化が求められている。
特許文献１の窒化処理方法では、窒化処理工程の前半と後半の温度差が無いため、処理後半におけるε相からγ’相への変態の駆動力が小さく、γ’相面積比率が小さくなる可能性がある。
また、特許文献２の窒化処理方法では、非窒化性雰囲気中で一定時間通過させる工程中に化合物層中からα相が生成する可能性があり、結果としてγ’相の面積比率が小さくなる。

本発明は、窒化処理鋼部品において、化合物層が適正な厚さを有しつつ、γ’相面積比率が高く、α相面積比率が低い化合物層を有する鋼部品を得ることを課題とする。

本発明者らは、鋼材成分と窒化処理条件が、化合物層の厚さおよび構成相に及ぼす影響について種々調査し、以下を知見した。

（ア）
Ｌｅｈｒｅｒ線図におけるε相と（γ’＋ε）相との境界は、母材のＣ量が高くなるほど低温、低Ｋ_Ｎ側にシフトする。そのため、窒化処理前半で化合物層を狙いの厚さに安定させるために、母材のＣ量および窒化温度に応じてＫ_Ｎを設定する必要がある。

（イ）
一方、Ｌｅｈｒｅｒ線図における（γ’＋ε）相とα相の境界は、母材のＣ量が変化してもシフトしない。そのため、窒化処理後半で化合物層のε相からγ’相へ変態させるためには、窒化温度に応じてＫ_Ｎを設定すればよい。

（ウ）
窒化処理前半における温度と、窒化処理後半における温度差が大きい程、ε相からγ’相への変態の駆動力が増大する。
本発明は、上記知見を基に、さらに検討を重ねてなされたものであって、その要旨は以下の通りである。

［１］
ＮＨ_３、Ｈ_２及びＮ_２を含む雰囲気で鋼部品を窒化処理する窒化処理鋼部品の製造方法において、
予め成形した鋼部品を、窒化処理温度Ｔ_Ａが５２０～６５０℃であり、窒化処理時間ｔ_Ａが０．２～５．０時間であって、式（１）および式（２）によって求められる窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}が、式（３）および式（４）を満たす条件下で窒化処理する工程Ａと、
工程Ａで窒化処理した鋼部品を、窒化処理温度Ｔ_Ｂが４００～５９０℃であり、窒化処理時間ｔ_Ｂが０．２～５．０時間であって、式（１）および式（２）によって求められる窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}が、式（５）および式（６）を満たす条件下で窒化処理する工程Ｂとを含み、
工程Ａの窒化処理温度Ｔ_Ａと工程Ｂの窒化処理温度Ｔ_Ｂが式（７）を満たし、窒化処理した鋼部品を得る、窒化処理鋼部品の製造方法。
Ｋ_ＮＸ＝（ＮＨ_３分圧）／［（Ｈ_２分圧）^3/2］（ａｔｍ^－１／２） ・・・式（１）

Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}＝１２５０×ＥＸＰ［－０．０１２×Ｔ_Ａ］－０．３５×Ｃ_ｍ
・・・式（３）
０．９×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ} ・・・式（４）
Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}＝－０．７６０×１０^－７×Ｔ_Ｂ ^３＋０．１４１×１０^－３×Ｔ_Ｂ ^２
－８．７４１×１０^－２×Ｔ_Ｂ＋１８．２７４ ・・・式（５）
０．９×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ} ・・・式（６）
Ｔ_Ａ－Ｔ_Ｂ≧５０ ・・・式（７）
ただし、式（１）、（２）における添字Ｘは工程Ａの場合はＡ、工程Ｂの場合はＢとする。式（２）におけるｔ_Ｘ０は窒化ポテンシャルＫ_ＮＸの測定間隔（時間）を示し、添字ｉは測定回を示し、Ｋ_ＮＸｉは窒化処理中のｉ回目の測定における窒化ポテンシャルＫ_ＮＸを示す。また、式（３）におけるＣｍは鋼に含有されるＣ（炭素）量（質量％）を示す。
［２］
前記窒化処理により鋼部品の表面に形成される化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下であり、前記化合物層の表面に垂直な断面において、γ’相の面積比率が６０％以上であって、α相の面積比率が５％以下であり、残部がε相である、［１］に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。
［３］
前記工程Ａの窒化処理時間ｔ_Ａと前記工程Ｂの窒化処理時間ｔ_Ｂの合計が０．５～５．０時間である、［１］または［２］に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。
［４］
窒化処理における前記雰囲気が、ＮＨ₃、Ｈ₂及びＮ₂を合計で９９．５％（体積％）以上含有する雰囲気である、［１］～［３］のいずれか１項に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。
［５］
部品表面の化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下であり、前記化合物層の表面に垂直な断面において、γ’相の面積比率が６０％以上であって、α相の面積比率が５％以下であり、残部がε相である、窒化処理鋼部品。

本発明によれば、γ’相比率が高く、α相比率が低い化合物層の厚い窒化処理鋼部品を短時間で得ることができる。

図１は、Ｆｅ－０．０１質量％Ｃ－Ｎ三元系における計算Ｌｅｈｒｅｒ線図を示す概要図である。 図２は、Ｆｅ－０．２質量％Ｃ－Ｎ三元系における計算Ｌｅｈｒｅｒ線図を示す概要図である。 図３は、Ｆｅ－０．８質量％Ｃ－Ｎ三元系における計算Ｌｅｈｒｅｒ線図を示す概要図である。 化合物層のＳＥＭ－ＥＢＳＤ解析結果の一例を示す図である。図４（ａ）は本発明の実施例の一例であり、図４（ｂ）は比較例の一例を示す。

本発明の一実施形態に係る窒化処理鋼部品の製造方法について説明する。
以下、本発明の各要件について解説する。なお、特に断りのない限り、鋼の成分元素の含有量を表す「％」は「質量％」を意味するものとする。

［対象鋼材］
初めに、本実施形態の対象となる鋼材を準備する。当該鋼材は、質量％で９３％以上のＦｅを含有し、さらに好ましくは９５％以上のＦｅを含有する鋼であるとよい。質量％で９３％以上のＦｅを含有していれば、化合物層中の組織に対する合金の影響はない。例えば、ＪＩＳ Ｇ ４０５１：２０１６に規定される機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５２：２０１６に規定される焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材、ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６に規定される機械構造用合金鋼鋼材であるとよい。鋼材中の合金元素の含有量は、上述のＪＩＳ規格の規定から逸脱してもよい。鋼材はさらに、ガス窒化処理による硬化層の硬さの向上に有効なＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｂ等や、これら以外の元素を適宜含有してもよい。
対象鋼材（母材）となる鋼成分の一例を以下に示す。
質量％で、
Ｃ ：０．０８～０．６１％
Ｓｉ：０．１５～０．３５％
Ｍｎ：０．３０～３．０％
Ｐ ：０．０３０％以下
Ｓ ：０．０３５％以下
Ｎ ：０．０１００％以下
Ｏ ：０．００４０％以下
残部がＦｅおよび不純物からなる鋼材であって、
また、Ｆｅに代えて
Ｃｒ：３．５０％以下
Ａｌ：０．２００％以下
Ｍｏ：０．７０％以下
Ｎｉ：４．５％以下
のいずれか1種以上を含有してもよく、
さらに、Ｆｅに代えてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｂ等を適宜含有してもよい。

［ガス窒化処理の工程］
化合物層を短時間で厚く形成させるためには、高温、および高窒化ポテンシャルＫ_Ｎ下で窒化処理することで、γ’相よりも成長速度が大きいε相を形成させると良い。また、γ’相比率が高く、α相比率が低い化合物層形成させるためには、化合物層が形成される領域内で、低温、低窒化ポテンシャルＫ_Ｎ下の窒化処理を行うと良い。そのため、本発明におけるガス窒化処理は、まず高温、高Ｋ_Ｎ下でガス窒化処理を行う工程Ａと、その後工程Ａよりも低温、低Ｋ_Ｎ下でガス窒化処理を行う工程Ｂを行うとよい。

［ガス窒化処理の雰囲気］
本実施形態のガス窒化処理の雰囲気は、ＮＨ₃、Ｈ₂及びＮ₂を含み、その他不可避的に酸素、二酸化炭素などの不純物を含んでいてよい。好ましくは、ＮＨ₃、Ｈ₂及びＮ₂を合計で９９．０％以上、さらに好ましくは９９．５％（体積％）以上、より好ましくは９９．７％以上含有するとよい。
一般に、窒化ポテンシャルＫ_Ｎは、ガス窒化処理を行う炉内の雰囲気（窒化処理雰囲気、又は、単に雰囲気ということがある。）中のＮＨ₃分圧、及び、Ｈ₂分圧を用いて、下記式で定義される。
Ｋ_Ｎ＝（ＮＨ₃分圧）／（Ｈ₂分圧）^3/2 （ａｔｍ^－１／２）
そこで、本発明においては、工程Ａにおける窒化ポテンシャルをＫ_ＮＡとし、工程Ｂにおける窒化ポテンシャルをＫ_ＮＢとする。そして、便宜的に窒化ポテンシャルＫ_ＮＡとＫ_ＮＢを合わせて窒化ポテンシャルＫ_ＮＸ（添字ＸはＡまたはＢ）と表し、これを式（１）で定義する。
Ｋ_ＮＸ＝（ＮＨ₃分圧）／（Ｈ₂分圧）^3/2 （ａｔｍ^－１／２） ・・・式（１）
ここで、添字Ｘは工程Ａの場合はＡに、工程Ｂの場合はＢを示すものとする。即ち、工程Ａの窒化ポテンシャルはＫ_ＮＡ、工程Ｂの窒化ポテンシャルはＫ_ＮＢとなる。

ガス窒化処理の雰囲気のＮＨ₃及びＨ₂の分圧は、窒化処理装置に供給される雰囲気ガスの流量を調整することにより制御することができる。したがって、窒化ポテンシャルをＫ_Ｎはガス流量により調整可能である。
Ｋ_Ｎを制御するためのガス流量の調整は１回でもよいし、必要に応じて複数回（２回以上）行っても良い。ＰＩＤ制御等で目標のＫ_Ｎと実測のＫ_Ｎとの乖離度合いに応じて、都度流量を自動調整する方法でも良い。

Ｋ_Ｎの変動は、化合物層の厚さや構成相のバラつきに影響を及ぼす。そのため、実測したＫ_Ｎの平均値を所定の範囲内になるように制御すれば、化合物層の厚さや構成される相の面積比率のバラつきを抑制することができる。

そこで、工程Ａにおける窒化ポテンシャルの平均値をＫ_{ＮＡ＿ａｖｅ}とし、工程Ｂにおける窒化ポテンシャルの平均値をＫ_{ＮＢ＿ａｖｅ}とする。便宜的に窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}とＫ_{ＮＢ＿ａｖｅ}を合わせて窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＸ＿ａｖｅ}（添字ＸはＡまたはＢ）と表し、これを式（２）で定義する。

ここで、添字Ｘは工程Ａの場合はＡに、工程Ｂの場合はＢを示すものとする。即ち、工程Ａの窒化ポテンシャルの平均値はＫ_{ＮＡ＿ａｖｅ}、工程Ｂの窒化ポテンシャルの平均値はＫ_{ＮＢ＿ａｖｅ}となる。窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＸ＿ａｖｅ}を算出するための測定回数ｎは多いほどよく、少なくとも２０分に１回以上の間隔で測定するとよい。

また、式（２）において、添字ｉは一定時間間隔毎の測定回を表し、ｔ_Ｘ０は行程ＡまたはＢの窒化ポテンシャルＫ_Ｎの測定間隔（時間）を、Ｋ_ＮＸｉは行程Ａまたは工程Ｂの窒化処理中のｉ回目の測定における窒化ポテンシャルＫ_Ｎを、ｔ_Ｘ（添字ＸはＡまたはＢ）は工程Ａまたは工程Ｂの合計の窒化処理時間を示す。例えば、工程Ａをｔ_Ａ０の等間隔で測定した場合はｔ_Ａ０×ｉ＝ｔ_Ａになる。

［工程Ａの処理時間ｔ_Ａ：０．２～５．０時間］
工程Ａにおけるガス窒化処理の時間（処理時間）ｔ_Ａは、主に、化合物層の厚さに影響を及ぼす。処理時間が短すぎると化合物層が薄くなり、十分な面疲労強度や曲げ疲労強度が得られない場合がある。したがって、工程Ａにおけるガス窒化処理の時間（処理時間）ｔ_Ａは０．２時間以上であるとよい。処理時間ｔ_Ａの下限は、好ましくは０．５時間、さらに好ましくは１．０時間にするとよい。一方、処理時間の上限は特に限定しないが、長すぎると化合物層の成長が飽和し製造コストが高くなる。そのため、処理時間ｔ_Ａの上限は５．０時間にするとよく、好ましくは４．０時間にするとよい。

［工程Ａの処理温度Ｔ_Ａ：５２０～６５０℃］
工程Ａにおけるガス窒化処理の温度（処理温度）Ｔ_Ａは、主に、窒素の拡散速度（化合物層の成長速度）や化合物層の構成相に影響を及ぼす。処理温度が低すぎると、窒素の拡散速度が小さくなることに加え、ε相よりも成長速度の小さいγ’相が多く生成させるため、化合物層が薄くなる。一方、処理温度が高すぎると、フェライト相（α相）よりも窒素の拡散速度が小さいオーステナイト相（γ相）が化合物層と母相の間に多量に生成され、化合物層の成長が抑制される場合がある。本発明者らは、工程Ａにおける処理温度Ｔ_Ａを５２０～６５０℃とするとよいことを確認した。この範囲内で窒化処理すれば、化合物層が薄くなりすぎることを抑制できる。

［工程Ａの目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}］
前述した通り、Ｌｅｈｒｅｒ線図におけるε相と（γ’＋ε）相の境界は、母材のＣ量が高くなるほど低温、低窒化ポテンシャルＫ_Ｎ側にシフトする。そのため、本発明者らは、工程Ａにおいて化合物層を狙いの厚さに安定させるための条件を種々検討した結果、工程Ａの目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}を、窒化処理温度Ｔ_Ａ、処理する鋼に含有されるＣ（炭素）量Ｃ_ｍ（質量％）を用いて式（３）で設定すればよいことを見出した。
Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}＝１２５０×ＥＸＰ［－０．０１２×Ｔ_Ａ］－０．３５×Ｃ_ｍ
・・・式（３）
鋼材のＣ量は特に限定されないが、高いほど低窒化ポテンシャル側にシフトするため、母材のＣ量は低い方が好ましい。そのため、母材のＣ量は、好ましくは１．０％以下、さらに好ましくは０．９％以下、より好ましくは０．８％以下にするとよい。

［工程Ａの窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}の条件］
工程Ａの目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}となるようにガス窒化処理し、所望の化合物層厚さを得るためには、工程Ａにおける窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}が目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}から乖離しないことが望ましい。例えば、Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}がＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}より低すぎると、十分な厚さの化合物層が得られない。また、Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}がＫ_{ＮＡ＿ａｉｍ}より高すぎると、ε相主体の化合物層が厚く形成されるため、後続の工程Ｂにおいて、γ’相の比率が低くなることがある。そこで本発明者らは、所望の化合物層が得られるＫ_{ＮＡ＿ａｖｅ}の上下限を明らかにすべく、種々条件にて検討した結果、Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}が式（４）を満たせばよいことを見出した。
０．９×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ} ・・・式（４）
Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}の下限は、Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}の係数が好ましくは０．９２さらに好ましくは０．９４であるとよい。また、Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}の上限は、Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}の係数が好ましくは１．０８、さらに好ましくは１．０５であるとよい。

［工程Ｂの処理時間ｔ_Ｂ：０．２～５．０時間］
工程Ｂにおけるガス窒化処理の時間（処理時間）ｔ_Ｂは、主に、化合物層のγ’相比率に影響を及ぼす。処理時間が短すぎると、工程Ａで生成した化合物層中のε相がγ’相に変態せず、十分な面疲労強度や回転曲げ疲労強度が得られない場合がある。したがって、工程Ｂにおけるガス窒化処理の時間（処理時間）ｔ_Ｂは０．２時間以上であるとよい。処理時間ｔ_Ｂの下限は、好ましくは０．５時間、さらに好ましくは１．０時間にするとよい。一方、処理時間が長すぎると、化合物層中のε相からγ’相への変態が飽和し、製造コストが高くなる。そのため、処理時間ｔ_Ｂの上限は５．０時間にするとよく、好ましくは４．０時間にするとよい。

［工程Ｂの処理温度Ｔ_Ｂ：４００～５９０℃］
工程Ｂにおけるガス窒化処理の温度（処理温度）Ｔ_Ｂは、主に、化合物層の構成相や窒素の拡散速度に影響を及ぼす。処理温度が高すぎると、ε相からγ’相への変態が起こりにくくなる。一方、処理温度が低すぎると、窒素の拡散速度が小さくなり、化合物層直下の拡散層を深くすることができないことから、十分な面疲労強度や回転曲げ疲労強度が得られない場合がある。本発明者らは、工程Ｂにおける処理温度Ｔ_Ｂを４００～５９０℃とするとよいことを確認した。この範囲内で窒化処理すれば、化合物層を厚くしつつ、工程Ａで生成した化合物層中のε相をγ’相に変態させることができる。

［工程Ｂの目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}］
Ｌｅｈｒｅｒ線図における（γ’＋ε）相とα相の境界は、母材のＣ量が変化してもシフトしない。そのため、本発明者らは、工程Ｂにおいて化合物層中のγ’相比率を高めるための条件を種々検討した結果、工程Ｂの目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}を、窒化処理温度Ｔ_Ｂを用いて式（５）で設定すればよいことを見出した。
Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}＝－０．７６０×１０^－７×Ｔ_Ｂ ^３＋０．１４１×１０^－３×Ｔ_Ｂ ^２
－８．７４１×１０^－２×Ｔ_Ｂ＋１８．２７４ ・・・式（５）

［工程Ｂの窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}の条件］
工程Ｂの窒化ポテンシャルＫ_Ｂが目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}となるようにガス窒化処理し、所望の相構造の化合物層を得るためには、工程Ｂにおける窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}が目標窒化ポテンシャルＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}から乖離しないことが望ましい。例えば、Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}がＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}より低すぎると、化合物層中にα相が多量に生成することがある。また、Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}がＫ_{ＮＢ＿ａｉｍ}より高すぎると、化合物層中のε相からγ’相への変態が十分に起こらない場合がある。そこで本発明者らは、所望の化合物層が得られるＫ_{ＮＢ＿ａｖｅ}の上下限を明らかにすべく、種々条件にて検討した結果、Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}が式（６）を満たせばよいことを見出した。
０．９×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ} ・・・式（６）
Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}の下限は、Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}の係数が好ましくは０．９２、さらに好ましくは０．９４であるとよい。また、Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}の上限は、Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}の係数が好ましくは１．０８、さらに好ましくは１．０５であるとよい。

［窒化処理全体の時間ｔ_Ａ＋ｔ_Ｂ：０．５～１０時間］
窒化処理全体の時間、つまり、窒化処理の開始から終了までのガス窒化処理の時間（工程Ａと工程Ｂの合計の処理時間：ｔ_Ａ＋ｔ_Ｂ）は、化合物層の厚さや相構造に影響を及ぼす。処理時間が短すぎると、化合物層が薄くなる。一方、処理時間が長すぎれば、製造コストが高くなる。したがって、窒化処理全体の処理時間ｔ_Ａ＋ｔ_Ｂは０．５～１０時間であるとよい。

［工程Ａと工程Ｂの処理温度差：Ｔ_Ａ－Ｔ_Ｂ≧５０］
工程Ａにおける窒化処理の処理温度Ｔ_Ａと、工程Ｂにおける窒化処理の処理温度Ｔ_Ｂとの差（Ｔ_Ａ－Ｔ_Ｂ）は、化合物層の相構造に影響を及ぼす。処理温度の差が小さすぎると、γ’相の面積比率が低くなることがある。本発明者らは、γ’相の面積比率を高めることが可能な処理温度差を明らかにすべく、種々の条件にて検討した結果、処理温度の差が式（７）を満たせばよいことを見出した。
Ｔ_Ａ－Ｔ_Ｂ≧５０（℃） ・・・式（７）

なお、工程Ａの後、工程Ｂに移行する際、温度を下げや雰囲気を変化させても良い。本実施形態では、工程Ａの後の温度が、Ｔ_Ａ－５０℃に達した時点を、工程Ｂの開始時期とするとよい。

［窒化処理鋼部品］
次に、本発明の窒化処理方法で形成された窒化処理鋼部品が有する化合物層について説明する。なお、化合物層とは、窒化処理により鋼に侵入した窒素原子と、素材に含まれる鉄原子とが結合して形成した鉄窒化物を主として含む層である。化合物層は主として鉄窒化物により構成されるが、鉄及び窒素のほかに、外気から混入する酸素、および、素材の鋼材に含有されている各元素（すなわち、母材に含有される各元素）も化合物層に含まれる。一般に、化合物層に含まれる元素の９０％以上は窒素および鉄である。化合物層に含まれる鉄窒化物は、Ｆｅ_２～３Ｎ（ε）もしくはＦｅ_４Ｎ（γ’）である。

［化合物層厚さ：３μｍ以上２０μｍ以下］
化合物層の厚さは、ガス窒化処理部品の面疲労強度や曲げ強度に影響する。化合物層は拡散層に比べ変形能が小さいため、化合物層が厚すぎると、曲げによる破壊起点となりやすい。また、化合物層が薄すぎると、一部化合物層のない表面が存在する場合があり、面疲労強度や曲げ強度が低下する。上記の窒化処理方法で処理された鋼部品は、化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。これは面疲労強度や曲げ疲労強度の観点から望ましい厚さと考えられる。化合物層厚さは４μｍ、５μｍ、７μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１４μｍ、１８μｍの値を取り得る。

なお、化合物層の厚さは、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｎｉｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）によって測定することができる。ガス窒化処理した鋼部品の表面に垂直な断面を研磨し、３％ナイタール溶液で２０～３０秒間エッチングを行うと、化合物層は、鋼の表層に白い未腐食の層として観察される。４０００倍で撮影した組織写真１０視野（視野面積：６．６×１０^２μｍ^２）から化合物層を観察し、それぞれ水平方向に１０μｍ毎に３点で化合物層の厚さを測定する。そして、測定された３０点の平均値を化合物層厚さ（μｍ）と定義する。

［化合物層中のγ’相の面積率：６０％以上］
化合物層の構成相は、ガス窒化処理部品の面疲労強度や曲げ疲労強度に影響する。ε相はｈｃｐ構造であり、ｆｃｃ構造であるγ’相に比べ変形能が小さく、面疲労や曲げ疲労において破壊起点となりやすい。そのため、ε相の比率を低下させ、γ’相の比率を高くした化合物層を有する窒化鋼部材では、優れた疲労強度を示すことが多い。特に、γ’相の面積比率を６０％以上とすることで、化合物層そのものの変形能が大きく向上し、特に、優れた曲げ疲労強度を示す。本発明の窒化処理方法で処理された鋼部品は、γ’相の面積比率を６０％以上とすることができる。γ’相の面積比率は、好ましくは６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上であるとよい。上限は特に限定されず、全てγ’相（面積比率１００％）であってもよい。

［化合物層中のα相の面積比率：５％以下］
一度化合物層が形成される雰囲気で窒化処理し、その後化合物層が形成されない雰囲気下で窒化処理を継続すると、化合物層中からα相が生成する。α相と鉄窒化物とでは、硬さや靱性などの機械的特性が異なることから、α相を多く含む化合物層では、応力が負荷された際に化合物（γ’やε）相とα相との界面で歪みの不適合が生じる。その結果、界面に応力集中が発生し、例えγ’相の面積比率が高くても十分な面疲労強度や曲げ疲労強度が得られない場合がある。上記の窒化処理方法で処理することにより、鋼部品の化合物層中のα相の面積比率を低減し、化合物相とα相の界面での歪みの不適合を抑制することができる。具体的には、化合物層中のα相の面積比率を５％以下とすることができる。α相の面積比率は小さいほど好ましく、４％以下、３％以下、２％以下、１％以下であることが好ましい。

化合物層中におけるγ’相およびα相の面積比率は、組織写真を画像処理することにより求められる。具体的には、後方散乱電子回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ）により、４０００倍で撮影した窒化材表層の表面に垂直な断面の組織写真１０枚に対して、化合物層中のγ’相、α相、ε相を判別し、化合物層中に占めるγ’相およびα相の面積比率を画像処理により３値化して求める。そして、測定された１０視野のγ’相およびα相の面積比率の平均値を、γ’相およびα相の面積比率（％）とする。
このように、上記ガス窒化処理を鋼部材に実施することにより、化合物層の厚さを３～２０μｍ、化合物層中のγ’相の面積比率を６０％、化合物層中のα相の面積比率を５％以下にすることができる。

ＪＩＳ規格のＳＣｒ４２０およびＳＣＭ４３５（ＪＩＳ Ｇ ４０５３：２０１６ 機械構造用合金鋼鋼材）、Ｓ１０ＣおよびＳ５５Ｃ（ＪＩＳ Ｇ ４０５１：２０１６ 機械構造用炭素鋼鋼材）、および純鉄（０．０１％Ｃ含有）を５０ｋｇ真空溶解炉で溶解して溶鋼を製造した。次いで、溶鋼を鋳造してインゴットを製造した。その後、インゴットを熱間鍛造して直径２５ｍｍの棒鋼を製造した。

続いて、熱間鍛造後の鋼の組織を均一化させるため、ＪＩＳ Ｇ ０５６１：２０１１に準じて、ＳＣｒ４２０、Ｓ１０Ｃおよび純鉄の棒鋼については９２５℃、ＳＣＭ４３５については９００℃、Ｓ５５Ｃについては８７０℃で３０分加熱したあと空冷する焼ならしを実施した。
製造された棒鋼から、機械加工によって２０ｍｍ×１００ｍｍ×５ｍｍの試験片を採取した。

採取された試験片に対して、次の条件でガス窒化処理を実施した。
試験片をガス窒化炉に装入し、炉内にＮＨ₃、Ｈ₂、Ｎ₂の各ガスを導入した。その後、表１に示す温度、窒化ポテンシャル下で工程Ａを実施し、その後、工程Ｂを実施した。ガス窒化処理後、試験片を８０℃の油中に投入し冷却した。

雰囲気中のＨ_２分圧は、ガス窒化炉体に直接装着した熱伝導式Ｈ_２センサを用いて測定した。標準ガスと測定ガスとの熱伝導度の違いをガス濃度に換算して測定した。Ｈ_２分圧は、ガス窒化処理の間、継続して測定した。
また、ＮＨ_３分圧は、炉外に取り付けた赤外線吸収式ＮＨ_３センサを用いて測定した。ＮＨ_３分圧は、ガス窒化処理の間継続して測定した。

Ｋ_ＮＸ（添字ＸはＡまたはＢを示す。以下、同じ。）の測定間隔ｔ_Ｘ０を１分間の一定間隔として、窒化炉に設置されたＰＩＤ制御にて、実測値Ｋ_ＮＸｉが目標値Ｋ_{ＮＸ＿ａｉｍ}に収束するよう、都度ＮＨ_３、Ｈ_２、Ｎ_２流量を調整した。窒化後のＫ_ＮＸの履歴から、平均窒化ポテンシャルＫ_{ＮＸ＿ａｖｅ}を算出した。

ガス窒化処理後の各種試験片における化合物層厚さ、γ’相およびα相の面積比率を、以下の方法で測定した。

［化合物層厚さの測定試験］
ガス窒化処理後の試験片の、長さ方向に垂直な方向の断面を鏡面研磨し、エッチングした。エッチングは、３％ナイタール溶液で１０～２０秒間行った。走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｎｉｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ、日本電子製；ＪＳＭ－７１００Ｆ）を用いて、エッチングされた断面表層を観察し、化合物層厚さを測定した。
化合物層は、鋼の表層に白い未腐食の層として観察される。４０００倍で撮影した組織写真１０視野（視野面積：６．６×１０^２μｍ^２）から化合物層を観察し、それぞれ水平方向に１０μｍ毎に３点で化合物層の厚さを測定する。そして、測定された３０点の平均値を化合物層厚さ（μｍ）とした。

［化合物層中におけるγ’相およびα相の面積比率の測定］
化合物層中におけるγ’相およびα相の面積比率は、組織写真を画像処理することにより求めた。具体的には、後方散乱電子回折法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ＢａｃｋＳｃａｔｔｅｒ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＥＢＳＤ、ＴＳＬソリューションズ社製；ＯＩＭ Ｄａｔａ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ７／Ａｎａｌｙｓｉｓ ７）により、４０００倍で撮影した窒化材表層の表面に垂直な断面の組織写真１０枚に対して、化合物層中のγ’相、α相、ε相を判別し、化合物層中に占めるγ’相およびα相の面積比率を画像処理により３値化して求めた。そして、測定された１０視野のγ’相およびα相の面積比率の平均値を、γ’相およびα相の面積比率（％）とした。

化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下、化合物層中のγ’相の面積比率が６０％以上、化合物層中のα相の面積比率が５％以下であれば良好と判定した。

［試験結果］
結果を表１に示す。試験番号１～２５はガス窒化処理の条件が本発明の範囲内であった。その結果、化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下、化合物層中のγ’相の面積比率が６０％以上、化合物層中のα相の面積比率が５％以下であった。
試験番号２６～３５は、ガス窒化処理の条件の一部が本発明の範囲外であった。その結果、化合物層の厚さ、γ’相の面積比率、α相の面積比率のうちいずれか、もしくは複数の特性が、本発明における目標値に届かなかった。

以上、本発明の実施の形態の一例を基に説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示にすぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

本発明は、産業機械、自動車部品等に広く用いられる窒化処理鋼部品の製造において利用することができる。

Claims (4)

1. ＮＨ_３、Ｈ_２及びＮ_２を含む雰囲気で鋼部品を窒化処理する窒化処理鋼部品の製造方法であって、
   予め成形した鋼部品を、窒化処理温度Ｔ_Ａが５２０～６５０℃であり、窒化処理時間ｔ_Ａが０．２～５．０時間であって、式（１）および式（２）によって求められる窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}が、式（３）および式（４）を満たす条件下で窒化処理する工程Ａと、
   工程Ａで窒化処理した鋼部品を、窒化処理温度Ｔ_Ｂが４００～５９０℃であり、窒化処理時間ｔ_Ｂが０．２～５．０時間であって、式（１）および式（２）によって求められる窒化ポテンシャルの平均値Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}が、式（５）および式（６）を満たす条件下で窒化処理する工程Ｂとを含み、
   工程Ａの窒化処理温度Ｔ_Ａと工程Ｂの窒化処理温度Ｔ_Ｂが式（７）を満たし、窒化処理した鋼部品を得る、窒化処理鋼部品の製造方法。
   Ｋ_ＮＸ＝（ＮＨ_３分圧）／［（Ｈ_２分圧）^３／２］（ａｔｍ^－１／２） ・・・式（１）
   Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}＝１２５０×ＥＸＰ［－０．０１２×Ｔ_Ａ］－０．３５×Ｃ_ｍ
   ・・・式（３）
   ０．９×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＡ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＡ＿ａｉｍ} ・・・式（４）
   Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}＝－０．７６０×１０^－７×Ｔ_Ｂ ^３＋０．１４１×１０^－３×Ｔ_Ｂ ^２
   －８．７４１×１０^－２×Ｔ_Ｂ＋１８．２７４ ・・・式（５）
   ０．９×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ}≦Ｋ_{ＮＢ＿ａｖｅ}≦１．１×Ｋ_{ＮＢ＿ａｉｍ} ・・・式（６）
   Ｔ_Ａ－Ｔ_Ｂ≧５０ ・・・式（７）
   
   ただし、式（１）、（２）における添字Ｘは工程Ａの場合はＡに、工程Ｂの場合はＢとする。式（２）におけるｔ_Ｘ０は窒化ポテンシャルＫ_ＮＸの測定間隔（時間）を示し、添字ｉは測定回を示し、Ｋ_ＮＸｉは窒化処理中のｉ回目の測定における窒化ポテンシャルＫ_ＮＸを示す。また、式（３）におけるＣｍは鋼に含有されるＣ（炭素）量（質量％）を示す。
2. 前記窒化処理により鋼部品の表面に形成される化合物層の厚さが３μｍ以上２０μｍ以下であり、前記化合物層の表面に垂直な断面において、γ’相の面積比率が６０％以上であって、α相の面積比率が５％以下であり、残部がε相である、請求項１に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。
3. 前記工程Ａの窒化処理時間ｔ_Ａと前記工程Ｂの窒化処理時間ｔ_Ｂの合計が０．５～５．０時間である、請求項１または２に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。
4. 窒化処理における前記雰囲気が、ＮＨ_３、Ｈ_２及びＮ_２を合計で９９．５％（体積％）以上含有する雰囲気である、請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化処理鋼部品の製造方法。