KR20180037004A

KR20180037004A - 질화 처리 강 부품 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20180037004A
Application number: KR1020187005947A
Authority: KR
Inventors: 다카히데 우메하라; 마사토 유야; 요시히로 다이토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-04-10
Also published as: KR102125804B1; EP3348664A1; JP6521079B2; CN107923028B; EP3348664A4; WO2017043609A1; CN107923028A; US10837096B2; EP3348664B1; JPWO2017043609A1; US20180251883A1; BR112018003454A2

Abstract

부품의 소형 경량화 혹은 높은 부하 용량의 요구에 부응할 수 있는, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품이며, 질량％로, C : 0.2 내지 0.6％, Si : 0.05 내지 1.5％, Mn : 0.2 내지 2.5％, P : 0.025％ 이하, S : 0.003 내지 0.05％, Cr : 0.05 내지 0.5％, Al : 0.01 내지 0.05％, 및 N : 0.003 내지 0.025％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, 강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소로 이루어지는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층 아래에 형성된 경화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인 것을 특징으로 한다.

Description

질화 처리 강 부품 및 그의 제조 방법

본 발명은 질화 처리가 실시된 강 부품, 특히 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 크랭크축 등의 질화 처리 강 부품, 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차나 각종 산업 기계 등에 사용되는 강 부품에는, 피로 강도, 내마모성 및 내시징성 등의 기계적 성질을 향상시키기 위해, 침탄 ??칭, 고주파 ??칭, 질화 및 연질화 등의 표면 경화 열처리가 실시된다.

질화 처리 및 연질화 처리는, A₁점 이하의 페라이트 영역에서 행해지며, 처리 중에 상 변태가 없기 때문에, 열처리 변형을 작게 할 수 있다. 그 때문에, 질화 처리 및 연질화 처리는, 높은 치수 정밀도를 갖는 부품이나 대형의 부품에 사용되는 경우가 많고, 예를 들어 자동차의 트랜스미션 부품에 사용되는 기어나, 엔진에 사용되는 크랭크축에 적용되고 있다.

질화 처리는, 강재 표면에 질소를 침입시키는 처리 방법이다. 질화 처리에 사용하는 매체에는, 가스, 염욕, 플라즈마 등이 있다. 자동차의 트랜스미션 부품에는, 주로, 생산성이 우수한 가스 질화 처리가 적용되고 있다. 가스 질화 처리에 의해, 강재 표면에는, 두께가 10㎛ 이상인 화합물층이 형성되고, 또한, 화합물층의 하측의 강재 표층에는 질소 확산층인 경화층이 형성된다. 화합물층은 주로 Fe₂ _{내지 3}N과 Fe₄N으로 구성되고, 화합물층의 경도는 모재가 되는 강과 비교하여 매우 높다. 그 때문에, 화합물층은, 사용 초기에 있어서, 강 부품의 내마모성 및 내피팅성을 향상시킨다.

그러나, 화합물층은 저인성이며, 또한 변형능이 낮기 때문에, 사용 중에 화합물층과 모층의 계면이 박리되어, 부품의 강도가 저하되는 경우가 있다. 그 때문에, 가스 질화 부품을, 충격적인 응력이나 큰 굽힘 응력이 부하되는 부품으로서 사용하는 것은 어렵다.

따라서, 충격적인 응력이나 큰 굽힘 응력이 부하되는 부품으로서 사용하기 위해서는, 화합물층의 두께를 얇게 하고, 나아가 화합물층을 없앨 것이 요구되고 있다. 그런데, 화합물층의 두께는, 질화 처리의 처리 온도와, NH₃ 분압 및 H₂ 분압으로부터 다음 식에 의해 구해지는 질화 포텐셜 K_N에 의해 제어할 수 있는 것이 알려져 있다.

K_N=(NH₃ 분압)/[(H₂ 분압)^3/2]

질화 포텐셜 K_N을 낮게 하면, 화합물층을 얇게 하고, 나아가 화합물층을 없애는 것도 가능하다. 그러나, 질화 포텐셜 K_N을 낮게 하면, 강 중에 질소가 침입하기 어려워진다. 이 경우, 경화층의 경도가 낮아지고, 또한, 그 깊이가 얕아진다. 그 결과, 질화 부품의 피로 강도, 내마모성 및 내시징성이 저하된다. 이 성능 저하에 대처하기 위해, 가스 질화 처리 후의 질화 부품에 대하여 기계 연마 또는 쇼트 블라스트 등을 실시하여, 화합물층을 제거하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법에서는 제조 비용이 높아진다.

특허문헌 1에는, 이와 같은 문제에 대하여, 가스 질화 처리의 분위기를, 상기의 질화 포텐셜과는 상이한 질화 파라미터 K_N ^'=(NH₃ 분압)/[(H₂ 분압)^1/2]에 의해 제어하여, 경화층 깊이의 변동을 작게 하는 방법이 제안되어 있다.

특허문헌 2에는, 화합물층을 형성시키지 않고, 경화층(질화층)을 형성시킬 수 있는 가스 질화 방법이 제안되어 있다. 특허문헌 2의 방법은, 처음에 불화 처리에 의해 부품의 산화 피막을 제거하고, 그 후에 질화 처리를 행하는 것이며, 처리로 내에 피처리물을 배치하기 위한 지그로서 비질화성 재료가 필요하다.

그러나, 특허문헌 1에 의해 제안된 질화 파라미터가 경화층 깊이의 제어에 유용하다고 해도, 부품으로서의 기능을 향상시키는 것은 아니다.

특허문헌 2에서 제안되어 있는 바와 같이, 비질화성의 지그를 준비하고, 처음에 불화 처리를 행하는 방법의 경우, 지그의 선택 및 작업 공정수의 증가라는 문제가 발생한다.

일본 특허 공개 제2006-28588호 공보 일본 특허 공개 제2007-31759호 공보

본 발명의 목적은, 저인성 또한 저변형능의 화합물층을 박층화하고, 또한 경화층 깊이를 크게 한다는, 양립이 어려운 과제를 해결하고, 부품의 소형 경량화 혹은 높은 부하 용량의 요구에 부응할 수 있는, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품 및 그의 질화 처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 질화 처리에 의해 강재의 표면에 형성되는 화합물층을 얇게 하고, 또한, 깊은 경화층을 얻는 방법에 대하여 검토를 행하였다. 또한, 질화 처리 시(특히 높은 K_N값으로의 처리 시)에 있어서, 강재의 표면 근방에, 질소가 가스화되어 공극이 형성되는 것을 억제하는 방법도 아울러 검토하였다. 게다가, 질화 처리 조건과 굽힘 교정성, 및 굽힘 피로 특성의 관계를 조사하였다. 그 결과, 본 발명자들은 하기 (a) 내지 (d)의 지견을 얻었다.

(a) 가스 질화 처리에 있어서의 K_N값에 대하여

일반적으로, K_N값은, 가스 질화 처리를 행하는 노 내의 분위기(이하 「질화 처리 분위기」, 또는 간단히 「분위기」라 함)의 NH₃ 분압 및 H₂ 분압을 사용하여, 하기 식에 의해 정의된다.

K_N=(NH₃ 분압)/[(H₂ 분압)^3/2]

K_N값은 가스 유량에 의해 제어할 수 있다. 그러나, 가스 유량을 설정한 후, 질화 처리 분위기가 평형 상태에 도달할 때까지는 일정한 시간이 필요하다. 그 때문에, K_N값이 평형 상태에 도달할 때까지의 동안에도 K_N값은 시시각각 변화되고 있다. 또한, 가스 질화 처리의 도중에 K_N값을 변경하는 경우도, 평형 상태에 도달할 때까지의 동안에 K_N값은 변동된다.

상술한 바와 같이 K_N값의 변동은, 화합물층, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 그 때문에, K_N값의 목표값뿐만 아니라, 가스 질화 처리 중의 K_N값의 변동의 범위도 소정 범위 내로 제어할 필요가 있다.

(b) 화합물층 생성의 억제와 표면 경도 및 경화층 깊이의 확보의 양립에 대하여

본 발명자들의 다양한 실험에서는, 질화 부품의 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성에는, 화합물층의 두께, 화합물층 중의 공극, 표면 경도 및 경화층 깊이가 관여하고 있었다. 화합물층이 두껍고, 또한 화합물층 중의 공극이 많으면, 화합물층을 기점으로 하여 깨짐이 발생하기 쉬워, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 강도가 저하되었다.

또한, 표면 경도가 낮고, 경화층 깊이가 얕을수록, 확산층을 기점으로 하여 균열이나 깨짐이 발생하여, 굽힘 피로 강도가 저하되었다. 또한, 표면 경도가 너무 높으면, 굽힘 교정성이 악화되었다. 즉, 본 발명자들은, 화합물층이 얇고, 화합물층 중의 공극이 적고, 표면 경도 일정의 범위 내에 있는 것에 더하여, 경화층 깊이가 깊을수록, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 것을 알아냈다.

이상으로부터, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성을 양립시키기 위해서는, 화합물층을 최대한 생성시키지 않고, 또한 표면 경도를 일정한 범위로 제어하고, 또한, 경화층 깊이를 크게 하는 것이 중요하다.

최종적으로 화합물층의 생성을 억제하고, 경화층 깊이를 확보하기 위해서는, 일단 화합물층을 생성시킨 후, 생성한 화합물층을 분해하여 경화층으로의 질소 공급원으로서 이용하는 것이 효율적이다. 구체적으로는, 가스 질화 처리의 전반에서는, 질화 포텐셜을 높게 한 가스 질화 처리(고K_N값 처리)를 실시하여 화합물층을 형성시킨다. 그리고, 가스 질화 처리 후반에서는, 고K_N값 처리보다도 질화 포텐셜을 낮게 한 가스 질화 처리(저K_N값 처리)를 실시한다. 이 결과, 고K_N값 처리에서 형성된 화합물층은, Fe와 N으로 분해되고, N이 확산됨으로써 질소 확산층(경화층)의 형성을 촉진한다. 최종적으로, 질화 부품에 있어서 화합물층을 얇게 하고, 또한 표면 경도를 높이고, 경화층 깊이를 깊게 할 수 있다.

(c) 공극의 생성의 억제에 대하여

가스 질화 처리의 전반에 고K_N값으로 질화 처리할 때에, 화합물층 중에 공극을 포함하는 층(다공성층)이 생성되는 경우가 있다(도 1의 (a)). 이 경우, 질화물이 분해되어 질소 확산층(경화층)이 형성된 후에도, 질소 확산층 내에 공극이 그대로 잔존한다. 질소 확산층 내에 공극이 잔존하면, 질화 부품의 피로 강도가 저하된다. 고K_N값 처리에 있어서 화합물층을 생성시킬 때에 K_N값의 상한을 제한하면, 다공성층 및 공극의 생성을 억제할 수 있다(도 1의 (b)).

(d) 강재 성분과 화합물층 및 질소 확산층의 관계에 대하여

강재에, C가 존재하면, 화합물층 두께가 두꺼워지기 쉽고, 또한, Mn이나 Cr 등의 질화물 형성 원소가 존재하면, 질소 확산층의 경도나 확산층 깊이가 변화된다. 굽힘 교정성은, 화합물층 두께가 얇을수록, 또한 표면 경도가 낮을수록 향상되고, 굽힘 피로 특성은, 표면 경도가 높을수록, 또한 확산층이 깊을수록 향상되기 때문에, 강재 성분의 최적 범위를 설정하는 것이 필요해진다.

본 발명은 상기의 지견에 기초하여 완성된 것이며, 그 요지는 이하와 같다.

[1] 질량％로, C : 0.2 내지 0.6％, Si : 0.05 내지 1.5％, Mn : 0.2 내지 2.5％, P : 0.025％ 이하, S : 0.003 내지 0.05％, Cr : 0.05 내지 0.5％, Al : 0.01 내지 0.05％, 및 N : 0.003 내지 0.025％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, 강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소로 이루어지는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층 아래에 형성된 경화층을 갖고, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.

[2] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo : 0.01 내지 0.50％ 미만, V : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1]의 질화 처리 강 부품.

[3] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu : 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 또는 [2]의 질화 처리 강 부품.

[4] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti : 0.005 내지 0.05％ 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 하나의 질화 처리 부품.

[5] 질량％로, C : 0.2 내지 0.6％, Si : 0.05 내지 1.5％, Mn : 0.2 내지 2.5％, P : 0.025％ 이하, S : 0.003 내지 0.05％, Cr : 0.05 내지 0.5％, Al : 0.01 내지 0.05％, 및 N : 0.003 내지 0.025％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고, NH₃, H₂ 및 N₂를 포함하는 가스 분위기에서 상기 강재를 550 내지 620℃에서 가열하고, 전체의 처리 시간 A를 1.5 내지 10시간으로 하는 가스 질화 처리를 실시하는 공정을 구비하고, 상기 가스 질화 처리는, 처리 시간을 X시간으로 하는 고K_N값 처리와, 고K_N값 처리에 계속되는 처리 시간을 Y시간으로 하는 저K_N값 처리로 이루어지고, 상기 고K_N값 처리는, 식 (1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 K_NX가 0.15 내지 1.50이고, 식 (2)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 K_NX의 평균값 K_NXave가 0.30 내지 0.80이며, 상기 저K_N값 처리는, 식 (3)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 K_NY가 0.02 내지 0.25이고, 식 (4)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 K_NY의 평균값 K_NYave가 0.03 내지 0.20이며, 식 (5)에 의해 구해지는 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30인 것을 특징으로 하는 질화 처리 방법.

여기서, 식 (2) 및 식 (4)에 있어서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정 회를 나타내는 수이고, X₀은 질화 포텐셜 K_NX의 측정 간격(시간), Y₀은 질화 포텐셜 K_NY의 측정 간격(시간), K_NXi는 고K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, K_NYi는 저K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다.

[6] 상기 가스 분위기는, NH₃, H₂ 및 N₂를 합계로 99.5체적％ 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 [5]의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.

[7] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo : 0.01 내지 0.50％ 미만, V : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 또는 [6]의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.

[8] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu : 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 내지 [7] 중 어느 하나의 질화 처리 강 부품의 제조 방법.

[9] 상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti : 0.005 내지 0.05％ 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [5] 내지 [8] 중 어느 하나의 질화 처리 부품의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 화합물층이 얇고, 공극(다공성층)의 생성이 억제되고, 또한, 일정한 표면 경도 및 깊은 경화층을 갖고, 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 특성이 우수한 질화 처리 강 부품을 얻을 수 있다.

도 1은 질화 처리 후의 화합물층을 도시하는 도면이며, (a)는 화합물층 중에 공극을 포함하는 다공성층이 생성된 예, (b)는 다공성층 및 공극의 생성이 억제된 예이다.
도 2는 고K_N값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 K_NXave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 저K_N값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 K_NYave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 굽힘 교정성을 평가하기 위해 사용한 정적 굽힘 시험용의 각형 시험편의 형상이다.
도 6은 굽힘 피로 특성을 평가하기 위한 원기둥 시험편의 형상이다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대하여 상세하게 설명한다. 처음에, 소재가 되는 강재의 화학 조성에 대하여 설명한다. 이하, 각 성분 원소의 함유량 및 부품 표면에 있어서의 원소 농도를 나타내는 「％」는 「질량％」를 의미한다.

[C : 0.2 내지 0.6％]

C는 부품의 코어부 경도를 확보하기 위해 필요한 원소이다. C의 함유량이 0.2％ 미만에서는, 코어부 강도가 너무 낮아지기 때문에, 굽힘 피로 강도가 크게 저하된다. 또한, C의 함유량이 0.6％를 초과하면, 고K_N값 처리 중에 화합물층 두께가 커지기 쉽고, 또한 저K_N값 처리 중에 화합물층이 분해되기 어려워진다. 그 때문에, 질화 처리 후의 화합물층 두께를 작게 하는 것이 어려워져, 굽힘 교정성이나 굽힘 피로 강도가 크게 저하된다. C 함유량의 바람직한 범위는 0.25 내지 0.55％이다.

[Si : 0.05 내지 1.5％]

Si는, 고용 강화에 의해, 코어부 경도를 높인다. 또한, 탈산 원소이기도 하다. 이들 효과를 발휘시키기 위해, 0.05％ 이상을 함유시킨다. 한편, Si의 함유량이 1.5％를 초과하면, 봉강, 선재나 열간 단조 후의 강도가 너무 높아지기 때문에, 절삭 가공성이 크게 저하되는 것 외에, 굽힘 교정성이 저하된다. Si 함유량의 바람직한 범위는 0.08 내지 1.3％이다.

[Mn : 0.2 내지 2.5％]

Mn은 고용 강화에 의해, 코어부 경도를 높인다. 또한, Mn은, 질화 처리 시에는 경화층 중에 미세한 질화물(Mn₃N₂)을 형성하고, 석출 강화에 의해 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해, Mn은 0.2％ 이상이 필요하다. 한편, Mn의 함유량이 2.5％를 초과하면, 굽힘 피로 강도를 높이는 효과가 포화된다. 또한, 유효 경화층 깊이가 얕아지기 때문에, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하된다. 또한, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 크게 저하된다. Mn 함유량의 바람직한 범위는 0.4 내지 2.3％이다.

[P : 0.025％ 이하]

P는 불순물이며, 입계 편석되어 부품을 취화시키므로, 함유량은 적은 편이 바람직하다. P의 함유량이 0.025％를 초과하면, 굽힘 교정성이나 굽힘 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 굽힘 교정성이나 굽힘 피로 강도의 저하를 방지하기 위한 P 함유량의 바람직한 상한은 0.018％이다. 함유량을 완전히 0으로 하는 것은 어렵고, 현실적인 하한은 0.001％이다.

[S : 0.003 내지 0.05％]

S는, Mn과 결합하여 MnS를 형성하여, 절삭 가공성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해, S는 0.003％ 이상이 필요하다. 그러나, S의 함유량이 0.05％를 초과하면, 조대한 MnS를 생성하기 쉬워져, 굽힘 교정성이나 굽힘 피로 강도가 크게 저하된다. S 함유량의 바람직한 범위는 0.005 내지 0.03％이다.

[Cr : 0.05 내지 0.5％]

Cr은, 질화 처리 시에, 미세한 질화물(CrN)을 경화층 중에 형성하고, 석출 강화에 의해 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해, Cr은 0.5％ 이상이 필요하다. 한편, Cr의 함유량이 0.5％를 초과하면, 석출 강화능이 포화된다. 또한, 유효 경화층 깊이가 얕아지기 때문에, 피팅 강도 및 굽힘 피로 강도가 저하된다. 또한, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 현저하게 저하된다. Cr 함유량의 바람직한 범위는 0.07 내지 0.4％이다.

[Al : 0.01 내지 0.05％]

Al은, 탈산 원소이며, 충분한 탈산을 위해 0.01％ 이상이 필요하다. 한편, Al은 경질의 산화물계 개재물을 형성하기 쉽고, Al의 함유량이 0.05％를 초과하면, 굽힘 피로 강도의 저하가 현저해져, 다른 요건을 만족시키고 있어도 원하는 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않게 된다. Al 함유량의 바람직한 범위는 0.02 내지 0.04％이다.

[N : 0.003 내지 0.025％]

N은 Al, V, Ti와 결합하여 AlN, VN, TiN을 형성한다. AlN, VN, TiN은 오스테나이트 입자의 피닝 작용에 의해, 질화 처리 전의 강재 조직을 미세화하여, 질화 처리 강 부품의 기계적 특성의 변동을 저감하는 효과를 갖는다. N의 함유량이 0.003％ 미만에서는 이 효과는 얻기 어렵다. 한편, N의 함유량이 0.025％를 초과하면, 조대한 AlN이 형성되기 쉬워지기 때문에, 상기의 효과는 얻기 어려워진다. N 함유량의 바람직한 범위는 0.005 내지 0.020％이다.

본 발명의 질화 처리 강 부품의 소재가 되는 강은, 상기의 원소 외에, 이하에 나타내는 원소를 함유해도 된다.

[Mo : 0.01 내지 0.50％ 미만]

Mo는, 질화 시에 미세한 질화물(Mo₂N)을 경화층 중에 형성하고, 석출 강화에 의해 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 또한, Mo는 질화 시에 시효 경화 작용을 발휘하여 코어부 경도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위한 Mo 함유량은 0.01％ 이상이 필요하다. 한편, Mo의 함유량이 0.50％ 이상에서는, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.40％ 미만이다.

[V : 0.01 내지 0.50％ 미만]

V는, 질화 시에 미세한 질화물(VN)을 형성하고, 석출 강화에 의해 굽힘 피로 강도를 향상시킨다. 또한, V는, 질화 시에 시효 경화 작용을 발휘하여 코어부 경도를 향상시킨다. 또한, 오스테나이트 입자의 피닝 작용에 의해, 질화 처리 전의 강재의 조직을 미세화시키는 효과도 갖는다. 이들 작용을 얻기 위해, V는 0.01％ 이상이 필요하다. 한편, V의 함유량이 0.50％ 이상에서는, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. V 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.

[Cu : 0.01 내지 0.50％]

Cu는, 고용 강화 원소로서 부품의 코어부 경도 및 질소 확산층의 경도를 향상시킨다. Cu의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, Cu의 함유량이 0.50％를 초과하면, 소재가 되는 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 열간 연성이 저하되기 때문에, 열간 압연 시, 열간 단조 시에 표면 흠집 발생의 원인이 된다. Cu 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.

[Ni : 0.01 내지 0.50％]

Ni는, 고용 강화에 의해 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시킨다. Ni의 고용 강화의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, Ni의 함유량이 0.50％를 초과하면, 봉강, 선재나 열간 단조 후의 경도가 너무 높아지기 때문에, 굽힘 교정성이나 절삭 가공성이 현저하게 저하되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. Ni 함유량의 바람직한 범위는 0.40％ 미만이다.

[Ti : 0.005 내지 0.05％]

Ti는, N과 결합하여 TiN을 형성하여, 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시킨다. 이 작용을 얻기 위해, Ti는 0.005％ 이상이 필요하다. 한편, Ti의 함유량이 0.05％ 이상에서는, 코어부 경도 및 표층 경도를 향상시키는 효과가 포화되는 것 외에, 합금 비용이 증대된다. Ti 함유량의 바람직한 범위는 0.007 내지 0.04％ 미만이다.

강의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 불순물이란, 원재료에 포함되거나, 혹은 제조의 과정에서 혼입되는 성분이며, 의도적으로 강에 함유시킨 것이 아닌 성분을 말한다. 상기의 임의의 첨가 원소, Mo, V, Cu, Ni 및 Ti가 상술한 하한 미만의 양 혼입되는 경우도 있지만, 이 경우, 상술한 각 원소의 효과가 충분히 얻어지지 않을 뿐이며, 본 발명의 내피팅성 및 굽힘 피로 특성 향상의 효과는 얻어지므로, 문제는 없다.

이하, 본 발명의 질화 처리 강 부품의 제조 방법을 설명한다. 이하에 설명하는 제조 방법은 일례이며, 본 발명의 질화 처리 강 부품은, 화합물층의 두께가 3㎛ 이하, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛이면 되고, 이하의 제조 방법에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 질화 처리 강 부품의 제조 방법에서는, 상술한 성분을 갖는 강에 대하여 가스 질화 처리를 실시한다. 가스 질화 처리의 처리 온도는 550 내지 620℃이고, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 1.5 내지 10시간이다.

[처리 온도: 550 내지 620℃]

가스 질화 처리의 온도(질화 처리 온도)는, 주로, 질소의 확산 속도와 상관이 있으며, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 질화 처리 온도가 너무 낮으면, 질소의 확산 속도가 느려, 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 한편, 질화 처리 온도가 A_C1점을 초과하면, 페라이트상(α상)보다도 질소의 확산 속도가 작은 오스테나이트상(γ상)이 강 중에 생성되어, 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 질화 처리 온도는 페라이트 온도 영역 주위인 550 내지 620℃이다. 이 경우, 표면 경도가 낮아지는 것을 억제할 수 있고, 또한, 경화층 깊이가 얕아지는 것을 억제할 수 있다.

[가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A : 1.5 내지 10시간]

가스 질화 처리는, NH₃, H₂, N₂를 포함하는 분위기에서 실시한다. 질화 처리 전체의 시간, 즉, 질화 처리의 개시부터 종료까지의 시간(처리 시간 A)은 화합물층의 형성 및 분해와 질소의 침투와 상관이 있고, 표면 경도 및 경화층 깊이에 영향을 미친다. 처리 시간 A가 너무 짧으면 표면 경도가 낮아지고, 경화층 깊이가 얕아진다. 한편, 처리 시간 A가 너무 길면, 탈질소가 발생하여 강의 표면 경도가 저하된다. 처리 시간 A가 너무 길면 또한, 제조 비용이 높아진다. 따라서, 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 1.5 내지 10시간이다.

또한, 본 실시 형태의 가스 질화 처리의 분위기는, NH₃, H₂ 및 N₂ 외에, 불가피적으로 산소, 이산화탄소 등의 불순물을 포함한다. 바람직한 분위기는, NH₃, H₂ 및 N₂를 합계로 99.5％(체적％) 이상이다. 후술하는 K_N값은, 분위기 중의 NH₃ 및 H₂ 분압의 비율로부터 산출되기 때문에, N₂ 분압의 대소에 영향을 받지 않는다. 그러나, K_N 제어의 안정성을 높이기 위해, N₂ 분압은 0.2 내지 0.5atm인 것이 바람직하다.

[고K_N값 처리 및 저K_N값 처리]

상술한 가스 질화 처리는, 고K_N값 처리를 실시하는 공정과, 저K_N값 처리를 실시하는 공정을 포함한다. 고K_N값 처리에서는, 저K_N값 처리보다도 높은 질화 포텐셜 K_NX로 가스 질화 처리를 실시한다. 또한 고K_N값 처리 후에 저K_N값 처리를 실시한다. 저K_N값 처리에서는, 고K_N값 처리보다도 낮은 질화 포텐셜 K_NY로 가스 질화 처리를 실시한다.

이와 같이, 본 질화 처리 방법에서는, 2단계의 가스 질화 처리(고K_N값 처리, 저K_N값 처리)를 실시한다. 가스 질화 처리의 전반(고K_N값 처리)에서 질화 포텐셜 K_N값을 높게 함으로써, 강의 표면에 화합물층을 생성시킨다. 그 후, 가스 질화 처리의 후반(저K_N값 처리)에서 질화 포텐셜 K_N값을 내림으로써, 강의 표면에 형성된 화합물층을 Fe와 N으로 분해하고, 강 중에 질소(N)를 침투 확산시킨다. 2단계의 가스 질화 처리로 함으로써, 고K_N값 처리에서 생성된 화합물층의 두께를 저감하면서, 화합물층의 분해에 의해 얻어진 질소를 사용하여 충분한 경화층 깊이를 얻는다.

고K_N값 처리의 질화 포텐셜을 K_NX라 하고, 저K_N값 처리의 질화 포텐셜을 K_NY라 한다. 이때, 질화 포텐셜 K_NX 및 K_NY는, 하기 식에 의해 정의된다.

K_NX=(NH₃ 분압)_X/[(H₂ 분압)^3/2]_X

K_NY=(NH₃ 분압)_Y/[(H₂ 분압)^3/2]_Y

가스 질화 처리의 분위기의 NH₃ 및 H₂의 분압은, 가스의 유량을 조정함으로써 제어할 수 있다.

고K_N값 처리로부터 저K_N값 처리로 이행할 때, K_N값을 저하시키기 위해 가스 유량을 조정하면, 노 내의 NH₃ 및 H₂의 분압이 안정화될 때까지, 어느 정도의 시간을 요한다. K_N값을 변경하기 위한 가스 유량 조정은 1회여도 되고, 필요에 따라서 복수회여도 된다. K_N값의 저하량을 보다 크게 하기 위해, NH₃ 유량을 내리고, H₂ 유량을 올리는 방법이 효과적이다. 고K_N값 처리 후의 K_Ni값이, 최후에 0.25 이하가 된 시점을, 저K_N값 처리의 개시 시기로 정의한다.

고K_N값 처리의 처리 시간을 「X」(시간)라 하고, 저K_N값 처리의 처리 시간을 「Y」(시간)라 한다. 처리 시간 X와 처리 시간 Y의 합계는, 질화 처리 전체의 처리 시간 A 이내이며, 바람직하게는 처리 시간 A이다.

[고K_N값 처리 및 저K_N값 처리에서의 여러 조건]

상술한 바와 같이, 고K_N값 처리 중의 질화 포텐셜을 K_NX, 저K_N값 처리 중의 질화 포텐셜을 K_NY라 한다. 또한, 고K_N값 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값을 「K_NXave」라 하고, 저K_N값 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값을 「K_NYave」라 한다. K_NXave와 K_NYave는 하기 식에 의해 정의한다.

여기서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정회를 나타내는 수이고, X₀은 질화 포텐셜 K_NX의 측정 간격(시간), Y₀은 질화 포텐셜 K_NY의 측정 간격(시간), K_NXi는 고K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, K_NYi는 저K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다.

예를 들어, X₀을 15분으로 하고, 처리 개시부터 15분 후를 1회째(i=1)라 하고, 이후 15분 간격으로 2회째(i=2), 3회째(i=3)로 측정하고, 처리 시간까지 측정 가능한 n회를 측정하여 K_NXave를 계산한다. K_NYave도 마찬가지로 계산한다.

또한, 질화 처리 전체의 질화 포텐셜의 평균값을 「K_Nave」라 한다. 평균값 K_Nave는 하기 식에 의해 정의된다.

K_Nave=(X×K_NXave+Y×K_NYave)/A

본 발명의 질화 처리 방법에서는, 고K_N값 처리의 질화 포텐셜 K_NX, 평균값 K_NXave, 처리 시간 X, 저K_N값 처리의 질화 포텐셜 K_NX, 평균값 K_NYave, 처리 시간 Y 및 평균값 K_Nave가 다음 조건 (I) 내지 (IV)를 만족시킨다.

(I) 평균값 K_NXave : 0.30 내지 0.80

(II) 평균값 K_NYave : 0.03 내지 0.20

(III) K_NX : 0.15 내지 1.50, 및, K_NY : 0.02 내지 0.25

(IV) 평균값 K_Nave : 0.07 내지 0.30

이하, 조건 (I) 내지 (IV)에 대하여 설명한다.

[(I) 고K_N 처리에서의 질화 포텐셜의 평균값 K_NXave]

고K_N값 처리에 있어서, 질화 포텐셜의 평균값 K_NXave는, 충분한 두께의 화합물층을 형성시키기 위해, 0.30 내지 0.80이 필요하다.

도 2는 평균값 K_NXave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다. 도 2는 다음 실험에 의해 얻어졌다.

본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강 a(표 1 참조. 이하, 공시재라 부름)를 사용하여, NH₃, H₂ 및 N₂를 포함하는 가스 분위기에서 가스 질화 처리를 실시하였다. 가스 질화 처리에서는, 소정의 온도로 가열한 분위기의 제어가 가능한 열처리로 내에 공시재를 삽입하고, NH₃, N₂ 및 H₂의 가스를 유입시켰다. 이때, 가스 질화 처리의 분위기 NH₃ 및 H₂의 분압을 측정하면서 가스의 유량을 조정하여, 질화 포텐셜 K_N값을 제어하였다. K_N값은 NH₃ 분압 및 H₂ 분압에 의해 구하였다.

가스 질화 처리 중의 H₂ 분압은, 가스 질화 노체에 직접 장착한 열전도식 H₂ 센서를 사용하여, 표준 가스와 측정 가스의 열전도도의 차이를 가스 농도로 환산하여 측정하였다. H₂ 분압은, 가스 질화 처리의 동안, 계속해서 측정하였다. 가스 질화 처리 중의 NH₃ 분압은, 노 외부에 수동 유리관식 NH₃ 분석계를 설치하여 측정하고, 15분마다 잔류 NH₃의 분압을 산출하여 구하였다. NH₃ 분압을 측정하는 15분마다 질화 포텐셜 K_N값을 산출하고, 목표값에 수렴하도록, NH₃ 유량 및 N₂ 유량을 조정하였다.

가스 질화 처리에서는, 분위기의 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, K_NYave를 0.05로 일정하게 하고, K_NXave를 0.10 내지 1.00까지 변화시켜 행하였다. 전체의 처리 시간 A는 3.0시간으로 하였다.

다양한 평균값 K_NXave로 가스 질화 처리된 공시재에 대하여, 다음 측정 시험을 실시하였다.

[화합물층의 두께 측정]

가스 질화 처리 후, 공시재의 단면을 연마하고, 에칭하여 광학 현미경으로 관찰하였다. 에칭은 3％ 나이탈 용액으로 20 내지 30초간 행하였다. 화합물층은, 강의 표층에 존재하고, 흰 미부식의 층으로서 관찰된다. 광학 현미경에 의해 500배로 촬영한 조직 사진 5시야(시야 면적 : 2.2×10⁴㎛²)로부터, 각각 30㎛마다 4점의 화합물층의 두께를 측정하였다. 측정된 20점의 값의 평균값을, 화합물 두께(㎛)로 정의하였다. 화합물층 두께가 3㎛ 이하일 때, 박리나 깨짐의 발생이 크게 억제된다. 따라서, 본 발명 형태에 있어서는, 화합물층 두께를 3㎛ 이하로 할 필요가 있다. 화합물층 두께는 0이어도 된다.

[화합물층의 상 구조]

화합물층의 상 구조는, 면적률로 γ'(Fe₄N)가 50％ 이상으로 되는 것이 바람직하다. 잔부는 ε(Fe_{2 내지 3}N)이다. 일반적인 연질화 처리에 의하면 화합물층은 ε(Fe_{2 내지 3}N)이 주체가 되지만, 본 발명의 질화 처리에 의하면, γ'(Fe₄N)의 비율이 커진다. 화합물층의 상 구조는 SEM-EBSD법에 의해 조사할 수 있다.

[공극 면적률의 측정]

또한, 광학 현미경 관찰에 의해, 공시재의 단면에 있어서의 표층 조직의 공극의 면적률을 측정하였다. 배율 1000배로 5시야 측정(시야 면적 : 5.6×10³㎛²)하고, 각 시야에 대하여 최표면으로부터 5㎛ 깊이의 범위의 면적 25㎛² 중에 차지하는 공극의 비율(이하, 공극 면적률이라 함)을 산출하였다. 공극 면적률이 10％ 이상인 경우, 가스 질화 처리 후의 질화 부품의 표면 조도가 거칠어지고, 또한, 화합물층이 취화되기 때문에, 질화 부품의 피로 강도가 저하된다. 따라서, 본 발명 형태에 있어서는, 공극 면적률이 10％ 미만인 것이 필요하다. 공극 면적률은, 바람직하게는 8％ 미만, 보다 바람직하게는 6％ 미만이다.

[표면 경도의 측정]

또한, 가스 질화 처리 후의 공시재의 표면 경도 및 유효 경화층 깊이를 다음 방법에 의해 구하였다. 시료 표면으로부터 깊이 방향의 비커스 경도를, JIS Z 2244에 준거하여, 시험력 1.96N으로 측정하였다. 그리고, 표면으로부터 50㎛ 깊이 위치에 있어서의 비커스 경도의 3점의 평균값을, 표면 경도(HV)로 정의하였다. 본 발명에서는, 3㎛ 초과의 화합물층이 잔존하는 일반적인 가스 질화 처리의 경우와 동등의 표면 경도로서 350HV 이상 내지 500HV 이하를 목표로 한다.

[유효 경화층 깊이의 측정]

본 발명에 있어서, 유효 경화층 깊이(㎛)는, 상기의 비커스 경도 시험에서 얻어진 깊이 방향의 경도 분포를 사용하여, 공시재 표면으로부터 깊이 방향으로 측정된 비커스 경도의 분포 중 250HV 이상이 되는 범위의 깊이로 정의한다.

처리 온도 570 내지 590℃에 있어서, 화합물층이 10㎛ 이상 생성되는 일반적인 가스 질화 처리의 경우, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간을 A(시간)라 하면, 유효 경화층 깊이는, 하기 식 (A)에 의해 구해지는 값±20㎛가 된다.

본 발명의 질화 처리 강 부품에서는, 유효 경화층 깊이는 130×{처리 시간 A(시간)}^1/2로 한다. 본 실시 형태에 있어서는, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간 A는, 상술한 바와 같이 1.5 내지 10시간이므로, 유효 경화층 깊이는 160 내지 410㎛가 되는 것을 목표로 한다.

상술한 측정 시험의 결과, 평균값 K_NYave가 0.20 이상이면, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛를 만족시켰다(A=3일 때, 유효 경화층 깊이 225㎛). 또한, 측정 시험 결과 중, 각 평균값 K_NXave로의 가스 질화 처리에 의해 얻어진 공시재의 표면 경도 및 화합물층의 두께에 기초하여, 도 2를 작성하였다.

도 2 중의 실선은 평균값 K_NXave와 표면 경도(HV)의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2 중의 파선은 평균값 K_NXave와 화합물층의 두께(㎛)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2의 실선의 그래프를 참조하여, 저K_N값 처리에서의 평균값 K_NYave가 일정한 경우, 고K_N값 처리에서의 평균값 K_NXave가 높아짐에 따라, 질화 부품의 표면 경도가 현저하게 증대된다. 그리고, 평균값 K_NXave가 0.30 이상으로 되었을 때, 표면 경도는 목표로 한 350HV 이상이 된다. 한편, 평균값 K_NXave가 0.30보다도 높은 경우, 평균값 K_NXave가 더욱 높아져도, 표면 경도는 거의 일정한 상태 그대로이다. 즉, 평균값 K_NXave와 표면 경도의 그래프(도 2 중의 실선)에서는, K_NXave=0.30 부근에 변곡점이 존재한다.

또한, 도 2의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 K_NXave가 1.00으로부터 저하됨에 따라, 화합물 두께가 현저하게 감소된다. 그리고, 평균값 K_NXave가 0.80이 되었을 때, 화합물층의 두께는 3㎛ 이하가 된다. 한편, 평균값 K_NXave가 0.80 이하에서는, 평균값 K_NXave가 저하됨에 따라, 화합물층의 두께가 감소하지만, 평균값 K_NXave가 0.80보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소량은 작다. 즉, 평균값 K_NXave와 표면 경도의 그래프(도 2 중의 실선)에서는, K_NXave=0.80 부근에 변곡점이 존재한다.

이상의 결과로부터, 본 발명 형태에서는, 고K_N값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 K_NXave는 0.30 내지 0.80으로 한다. 이 범위로 제어함으로써, 질화 처리된 강의 표면 경도를 높이고, 또한, 화합물층의 두께를 억제할 수 있다. 또한, 충분한 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 평균값 K_NXave가 0.30 미만이면, 화합물의 생성이 불충분하여, 표면 경도가 저하되고, 충분한 유효 효과층 깊이가 얻어지지 않는다. 평균값 K_NXave가 0.80을 초과하면, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과하고, 또한, 공극 면적률이 10％ 이상이 되는 경우가 있다. 평균값 K_NXave의 바람직한 하한은 0.35이다. 또한, 평균값 K_NXave의 바람직한 상한은 0.70이다.

[(II) 저K_N값 처리에서의 질화 포텐셜의 평균값 K_NYave]

저K_N값 처리의 질화 포텐셜의 평균값 K_NYave는 0.03 내지 0.20이다.

도 3은 평균값 K_NYave와, 표면 경도 및 화합물층 두께의 관계를 도시하는 도면이다. 도 3은 다음 시험에 의해 얻어졌다.

질화 처리 분위기의 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, 평균값 K_NXave를 0.40으로 일정하게 하고, 평균값 K_NYave를 0.01 내지 0.30까지 변화시켜, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강 a에 대하여 가스 질화 처리를 행하였다. 전체의 처리 시간 A는 3.0시간이었다.

질화 처리 후, 상술한 방법에 의해, 각 평균값 K_NYave에 있어서의 표면 경도(HV), 유효 경화층 깊이(㎛) 및 화합물층 두께(㎛)를 측정하였다. 유효 경화층 깊이를 측정한 결과, 평균값 K_NYave가 0.02 이상이면, 유효 경화층 깊이가 225㎛ 이상이 되었다. 또한, 측정 시험에 의해 얻어진 표면 경도 및 화합물 두께를 플롯하여, 도 3을 작성하였다.

도 3 중의 실선은, 평균값 K_NYave와 표면 경도의 관계를 나타내는 그래프이며, 파선은, 평균값 K_NYave와 화합물층의 깊이의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 3의 실선의 그래프를 참조하여, 평균값 K_NYave가 0으로부터 높아짐에 따라, 표면 경도는 현저하게 증대된다. 그리고, K_NYave가 0.03이 되었을 때, 표면 경도는 570HV 이상이 된다. 또한, K_NYave가 0.03 이상인 경우, K_NYave가 높아져도, 표면 경도는 거의 일정하다. 이상으로부터, 평균값 K_NYave와 표면 경도의 그래프에서는, 평균값 K_NYave=0.03 부근에 변곡점이 존재한다.

한편, 도 3 중의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 K_NYave가 0.30으로부터 0.25로 저하될 때까지의 동안은, 화합물층의 두께는 거의 일정하다. 그러나, 평균값 K_NYave가 0.25로부터 저하됨에 따라, 화합물층의 두께는 현저하게 감소한다. 그리고, 평균값 K_NYave가 0.20이 되었을 때, 화합물층의 두께는 3㎛ 이하가 된다. 또한, 평균값 K_NYave가 0.20 이하인 경우, 평균값 K_NYave의 저하에 수반하여, 화합물층의 두께는 감소하지만, 평균값 K_NYave가 0.20보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소량은 적다. 이상으로부터, 평균값 K_NYave와 화합물층의 두께의 그래프에서는, 평균값 K_NYave=0.20 부근에 변곡점이 존재한다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 있어서, 저K_N값 처리의 평균값 K_NYave는 0.03 내지 0.20으로 한정된다. 이 경우, 가스 질화 처리된 강의 표면 경도가 높아지고, 또한, 화합물층의 두께를 억제할 수 있다. 또한, 충분한 유효 경화층 깊이를 얻을 수 있다. 평균값 K_NYave가 0.03 미만이면, 표면으로부터 탈질소가 발생하여 표면 경도가 저하된다. 한편, 평균값 K_NYave가 0.20을 초과하면, 화합물의 분해가 불충분하여, 유효 경화층 깊이가 얕고, 표면 경도가 저하된다. 평균값 K_NYave의 바람직한 하한은 0.05이다. 평균값 K_NYave의 바람직한 상한은 0.18이다.

[(III) 질화 처리 중의 질화 포텐셜 K_NX 및 K_NY의 범위]

가스 질화 처리에 있어서, 분위기 중의 K_Ni값이 평형 상태에 도달할 때까지는, 가스 유량을 설정하고 나서 일정한 시간이 필요하다. 그 때문에, K_Ni값이 평행 상태에 도달할 때까지의 동안에도 K_Ni값은 시시각각 변화되고 있다. 또한, 고K_N값처치로부터 저K_N값 처리로 이행할 때, 가스 질화 처리의 도중에 K_Ni값의 설정을 변경하게 된다. 이 경우도, 평형 상태에 도달할 때까지의 동안에 K_Ni값은 변동된다.

이와 같은 K_Ni값의 변동은, 화합물층이나 경화층 깊이에 영향을 미친다. 따라서, 고K_N값 처리 및 저K_N값 처치에 있어서, 상술한 평균값 K_NXave 및 평균값 K_NYave를 상기 범위로 할 뿐만 아니라, 고K_N값 처리 중의 질화 포텐셜 K_Nx 및 저K_N값 처리 중의 질화 포텐셜 K_NY도 소정 범위 내로 제어한다.

구체적으로는, 본 발명에서는, 충분한 화합물층을 형성하기 위해, 고K_N값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 K_NX를 0.15 내지 1.50으로 하고, 화합물층을 얇게, 또한, 경화층 깊이를 크게 하기 위해, 저K_N값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 K_NY를 0.02 내지 0.25로 한다.

표 1은 C : 0.45％, Si : 0.70％, Mn : 1.01％, P : 0.015％, S : 0.015％, Cr : 0.25％, Al : 0.028％, N : 0.009％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강(이하 「강 a」라 함)을 다양한 질화 포텐셜 K_NX 및 K_NY로 질화 처리를 실시한 경우의, 질화 부품의 화합물층 두께(㎛), 공극 면적률(％), 유효 경화층 깊이(㎛) 및 표면 경도(HV)를 나타낸다. 표 1은 다음 시험에 의해 얻어졌다.

강 a를 공시재로 하여, 표 1에 나타내는 가스 질화 처리(고K_N값 처리 및 저K_N값 처리)를 실시하여 질화 부품을 제조하였다. 구체적으로는, 각 시험 번호에서의 가스 질화 처리의 분위기 온도를 590℃, 처리 시간 X를 1.0시간, 처리 시간 Y를 2.0시간, K_NXave를 0.40, K_NYave를 0.10으로 일정하게 하였다. 그리고, 가스 질화 처리 중에 있어서, K_NX, K_NY의 최솟값 K_NXmin, K_NYmin, 최댓값 K_NXmax, K_NYmax를 변화시켜, 고K_N값 처리 및 저K_N값 처리를 실시하였다. 질화 처리 전체의 처리 시간 A는 3.0시간으로 하였다.

처리 온도 570 내지 590℃에서, 화합물층이 10㎛ 이상 생성되는 일반적인 가스 질화 처리의 경우, 가스 질화 처리 전체의 처리 시간을 3.0시간으로 하면, 유효 경화층 깊이는 225㎛±20㎛가 된다. 가스 질화 처리 후의 질화 부품에 대하여, 상술한 측정 방법에 의해, 화합물층 두께, 공극 면적률, 유효 경화층 깊이 및 표면 경도를 측정하여, 표 1을 얻었다.

표 1을 참조하여, 시험 번호 3 내지 6, 10 내지 15에서는, 최솟값 K_NXmin 및 최댓값 K_NXmax가 0.15 내지 1.50이고, 또한, 최솟값 K_NYmin 및 최댓값 K_NYmax가 0.02 내지 0.25였다. 그 결과, 화합물 두께가 3㎛ 이하로 얇고, 공극은 10％ 미만으로 억제되었다. 또한, 유효 경화층 깊이는 225㎛ 이상이며, 표면 경도는 350HV 이상이었다.

한편, 시험 번호 1 및 2에서는, K_NXmin이 0.15 미만이기 때문에, 표면 경도가 570HV 미만이었다. 시험 번호 1에서는 또한, K_NXmin이 0.14 미만이기 때문에, 유효 경화층 깊이가 225㎛ 미만이었다.

시험 번호 7 및 8에서는, K_NXmax가 1.5를 초과하였기 때문에, 화합물층 중의 공극이 10％ 이상이 되었다. 시험 번호 8에서는 또한, K_NXmax가 1.55를 초과하였기 때문에, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과하였다.

시험 번호 9에서는, K_NYmin이 0.02 미만이었기 때문에, 표면 경도가 350HV 미만이었다. 이것은, 저K_N값 처리에 의해 화합물층이 소실될 뿐만 아니라, 표층으로부터 탈질소가 발생하였기 때문으로 생각된다. 또한, 시험 번호 16에서는, K_NYmax가 0.25를 초과하였다. 그 때문에, 화합물층의 두께가 3㎛를 초과하였다. K_NYmax가 0.25를 초과하였기 때문에, 충분히 화합물층의 분해가 일어나지 않았다고 생각된다.

이상의 결과로부터, 고K_N값 처리에서의 질화 포텐셜 K_NX를 0.15 내지 1.50으로 하고, 또한, 저K_N값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 K_NY를 0.02 내지 0.25로 한다. 이 경우, 질화 처리 후의 부품에 있어서, 화합물층의 두께를 충분히 얇게 할 수 있고, 공극도 억제할 수 있다. 또한, 유효 경화층 깊이를 충분히 깊게 할 수 있고, 또한, 높은 표면 경도가 얻어진다.

질화 포텐셜 K_NX가 0.15 미만이면, 유효 경화층이 너무 얕거나, 표면 경도가 너무 낮거나 한다. 질화 포텐셜 K_NX가 1.50을 초과하면, 화합물층이 너무 두꺼워지거나, 공극이 과잉으로 잔존하거나 한다.

또한, 질화 포텐셜 K_NY가 0.02 미만이면, 탈질소가 발생하여 표면 경도가 저하된다. 한편, 질화 포텐셜 K_NY가 0.20을 초과하면, 화합물층이 너무 두꺼워진다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 고K_N값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 K_NX가 0.15 내지 1.50이고, 또한, 저K_N값 처리 중에 있어서의 질화 포텐셜 K_NY가 0.02 내지 0.25이다.

질화 포텐셜 K_NX의 바람직한 하한은 0.25이다. K_NX의 바람직한 상한은 1.40이다. K_NY의 바람직한 하한은 0.03이다. K_NY의 바람직한 상한은 0.22이다.

[(IV) 질화 처리 중의 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave]

본 실시 형태의 가스 질화 처리에서는 또한, 식 (2)에 의해 정의되는 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30이다.

도 4는 평균값 K_Nave와, 표면 경도(HV)와, 화합물층 깊이(㎛)의 관계를 도시하는 도면이다. 도 4는 다음 시험을 실시하여 얻어졌다. 강 a를 공시재로 하여, 가스 질화 처리를 실시하였다. 가스 질화 처리에서의 분위기 온도는 590℃로 하였다. 그리고, 처리 시간 X, 처리 시간 Y, 질화 포텐셜의 범위 및 평균값(K_NX, K_NY, K_NXave, K_NYave)을 변화시켜 가스 질화 처리(고K_N값 처리 및 저K_N값 처리)를 실시하였다.

각 시험 조건의 가스 질화 처리 후의 공시재에 대하여, 상술한 방법에 의해, 화합물층 두께와, 표면 경도를 측정하였다. 얻어진 화합물층 두께 및 표면 경도를 측정하고, 도 4를 작성하였다.

도 4 중의 실선은 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave와 표면 경도(HV)의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 4 중의 파선은 평균값 K_Nave와 화합물층의 두께(㎛)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4의 실선의 그래프를 참조하여, 평균값 K_Nave가 0으로부터 높아짐에 따라, 표면 경도는 현저하게 높아지고, 평균값 K_Nave가 0.07이 되었을 때에, 350HV 이상이 된다. 그리고, 평균값 K_Nave가 0.07 이상이 된 경우, 평균값 K_Nave가 높아져도, 표면 경도는 거의 일정하다. 즉, 평균값 K_Nave와 표면 경도(HV)의 그래프에서는, 평균값 K_Nave=0.07 부근에 변곡점이 존재한다.

또한, 도 4의 파선의 그래프를 참조하여, 평균값 K_Nave가 0.35로부터 저하됨에 따라, 화합물 두께는 현저하게 얇아지고, 평균값 K_Nave가 0.30이 되었을 때에, 3㎛ 이하가 된다. 그리고, 평균값 K_Nave가 0.30 미만이 된 경우, 평균값 K_Nave가 낮아짐에 따라, 화합물 두께는 서서히 얇아지지만, 평균값 K_Nave가 0.30보다도 높은 경우와 비교하여, 화합물층의 두께의 감소량은 적다. 이상으로부터, 평균값 K_Nave와 화합물층의 두께의 그래프에서는, 평균값 K_Nave=0.30 부근에 변곡점이 존재한다.

이상의 결과로부터, 본 실시 형태의 가스 질화 처리에서는, 식 (2)에 의해 정의되는 평균값 K_Nave를 0.07 내지 0.30으로 한다. 이 경우, 가스 질화 처리 후의 부품에서는, 화합물층을 충분히 얇게 할 수 있다. 또한, 높은 표면 경도가 얻어진다. 평균값 K_Nave가 0.07 미만이면, 표면 경도가 낮다. 한편, 평균값 K_Nave가 0.30을 초과하면, 화합물층이 3㎛를 초과한다. 평균값 K_Nave의 바람직한 하한은 0.08이다. 평균값 K_Nave의 바람직한 상한은 0.27이다.

[고K_N값 처리 및 저K_N값 처리의 처리 시간]

고K_N값 처리의 처리 시간 X 및 저K_N값 처리의 처리 시간 Y는, 식 (2)에 의해 정의되는 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30이면, 특별히 제한되지 않는다. 바람직하게는, 처리 시간 X는 0.50시간 이상이고, 처리 시간 Y는 0.50시간 이상이다.

이상의 여러 조건에 의해, 가스 질화 처리를 실시한다. 구체적으로는, 상기 조건에서 고K_N값 처리를 실시하고, 그 후, 상기 조건에서 저K_N값 처리를 실시한다. 저K_N값 처리 후, 질화 포텐셜을 상승시키지 않고 가스 질화 처리를 종료한다.

본 발명에서 규정한 성분을 갖는 강에 대해, 상기 가스 질화 처리를 실시함으로써, 질화 부품을 제조한다. 제조된 질화 부품에서는, 표면 경도가 충분히 깊고, 화합물층이 충분히 얇다. 또한, 유효 경화층 깊이가 충분히 깊고, 화합물층 중의 공극도 억제할 수 있다. 바람직하게는, 본 실시 형태의 질화 처리를 실시하여 제조된 질화 부품에서는, 표면 경도가 비커스 경도로 350HV 이상, 화합물층 깊이가 3㎛ 이하가 된다. 또한, 공극 면적률이 10％ 미만이 된다. 또한, 식 (B)를 만족시킨다. 또한, 유효 경화층 깊이는 160 내지 410㎛가 된다.

실시예

표 2에 나타내는 화학 성분을 갖는 강 a 내지 z를, 50㎏ 진공 용해로에서 용해하여 용강을 제조하였다. 용강을 주조하여 잉곳을 제조하였다. 또한, 표 2 중의 a 내지 q는, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강이다. 한편, 강 r 내지 z는, 적어도 1원소 이상, 본 발명에서 규정하는 화학 성분으로부터 벗어난 비교예의 강이다.

이 잉곳을 열간 단조하여 직경 35㎜의 환봉으로 하였다. 계속해서, 각 환봉을 어닐링한 후, 절삭 가공을 실시하여, 화합물층의 두께, 공극의 체적률, 유효 경화층 깊이 및 표면 경도를 평가하기 위한 판상 시험편을 제작하였다. 판상 시험편은, 세로 20㎜, 가로 20㎜, 두께 2㎜로 하였다. 또한, 굽힘 교정성을 평가하기 위한 4점 굽힘 시험용의 각형 시험편을 제작하였다(도 5). 또한, 굽힘 피로 특성을 평가하기 위한 원기둥형 시험편을 제작하였다(도 6).

채취된 시험편에 대하여, 다음 조건에서 가스 질화 처리를 실시하였다. 시험편을 가스 질화로에 장입하고, 노 내에 NH₃, H₂, N₂의 각 가스를 도입하였다. 그 후, 표 3, 표 4에 나타내는 조건에서 고K_N값 처리를 실시하고, 그 후, 저K_N값 처리를 실시하였다. 가스 질화 처리 후의 시험편에 대하여, 80℃의 오일을 사용하여 유랭을 실시하였다.

[화합물층의 두께 및 공극 면적률의 측정 시험]

가스 질화 처리 후의 시험편, 길이 방향에 수직인 방향의 단면을 경면 연마하고, 에칭하였다. 광학 현미경을 사용하여 에칭된 단면을 관찰하고, 화합물층 두께의 측정 및 표층부의 공극의 유무의 확인을 행하였다. 에칭은 3％ 나이탈 용액으로 20 내지 30초간 행하였다.

화합물층은, 표층에 존재하는 흰 미부식의 층으로서 확인 가능하다. 500배로 촬영한 조직 사진 5시야(시야 면적 : 2.2×10⁴㎛²)로부터, 화합물층을 관찰하고, 각각 30㎛마다 4점의 화합물층의 두께를 측정하였다. 그리고, 측정된 20점의 평균값을, 화합물 두께(㎛)로 정의하였다.

또한, 에칭된 단면에 대하여 1000배로 5시야 관찰하고, 최표면으로부터 5㎛ 깊이의 범위의 면적 25㎛² 중에 차지하는 공극의 총 면적의 비(공극 면적률, 단위는 ％)를 구하였다.

[표면 경도 및 유효 경화층 측정 시험]

가스 질화 처리 후의 각 시험 번호의 봉강에 대하여, JIS Z 2244에 준거하여, 시험력 1.96N으로, 표면으로부터 50㎛, 100㎛, 이후 50㎛마다 깊이 1000㎛까지, 비커스 경도를 측정하였다. 비커스 경도(HV)는 각 5점씩 측정하고, 평균값을 구하였다. 표면 경도는, 표면으로부터 50㎛ 위치의 5점의 평균값으로 하였다.

표면으로부터 깊이 방향으로 측정된 비커스 경도의 분포 중, 250HV 이상이 되는 범위의 깊이를, 유효 경화층 깊이(㎛)로 정의하였다.

화합물층의 두께는 3㎛ 이하, 공극의 비율은 10％ 미만, 표면 경도는 350 내지 500HV이면 양호로 판정하였다. 또한, 유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛를 만족시키면, 양호로 판정하였다.

이하, 양호 및 불량인 시험편을 사용하여, 굽힘 교정성, 회전 굽힘 피로 특성의 평가를 행하였다.

[굽힘 교정성 평가 시험]

가스 질화 처리에 제공한 각형 시험편에 대해, 정적 굽힘 시험을 실시하였다. 각형 시험편의 형상을 도 5에 도시한다. 또한, 도 5에 있어서의 치수의 단위는 「㎜」이다. 정적 굽힘 시험은, 내측 지점간 거리 30㎜, 외측 지점간 거리 80㎜의 4점 굽힘에 의해 행하고, 변형 속도는 2㎜/min으로 하였다. 각형 시험편 긴 변 방향의 R부에 변형 게이지를 설치하고, R부에 균열이 발생하여, 변형 게이지의 측정을 할 수 없게 되었을 때의 최대 변형량(％)을 굽힘 교정성으로서 구하였다.

본 발명 부품에 있어서는, 굽힘 교정성이 1.3％ 이상인 것을 목표로 하였다.

[굽힘 피로 특성 평가 시험]

가스 질화 처리에 제공한 원기둥 시험편에 대해, 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시하였다. 회전수는 3000rpm, 시험 중단 횟수는 일반적인 강의 피로 한도를 나타내는 10⁷회로 하고, 회전 굽힘 피로 시험편에 있어서, 파단이 발생하지 않고 10⁷회에 도달하였을 때의 최대의 응력 진폭을 회전 굽힘 피로 시험편의 피로 한도로 하였다. 시험편의 형상을 도 6에 도시한다.

본 발명 부품에 있어서는, 피로 한도에 있어서의 최대 응력이 500㎫ 이상인 것을 목표로 하였다.

[시험 결과]

결과를 표 3, 표 4에 나타낸다. 표 3 중의 「유효 경화층 깊이(목표)」란에는, 식 (A)에 의해 산출된 값(목표값)이 기재되어 있고, 「유효 경화층 깊이(실적)」에는 유효 경화층의 측정값(㎛)이 기재되어 있다.

표 3, 표 4를 참조하여, 시험 번호 17 내지 41에서는, 가스 질화 처리에서의 처리 온도가 550 내지 620℃이고, 처리 시간 A가 1.5 내지 10시간이었다. 또한, 고K_N값 처리에 있어서의 K_NX가 0.15 내지 1.50이고, 평균값 K_NXave가 0.30 내지 0.80이었다. 또한, 저K_N값 처리에 있어서의 K_NY가 0.02 내지 0.25이고, 평균값 K_NYave가 0.03 내지 0.20이었다. 또한, (식 2)에 의해 구해지는 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30이었다. 그 때문에, 어느 시험 번호에 있어서도, 질화 처리 후의 화합물층의 두께는 3㎛ 이하이고, 공극 면적률은 10％ 미만이었다.

또한, 유효 경화층은 160 내지 410㎛를 만족시키고, 표면 경도가 350 내지 500HV이었다. 굽힘 교정성 및 굽힘 피로 강도도, 각각 목표인 1.3％, 500㎫ 이상을 만족시키고 있었다. 또한, 화합물층이 존재하는 시험편의 표층 단면에 대하여, SEM-EBSD법에 의해 화합물층의 상 구조를 조사한바, 면적 비율로 γ'(Fe₄N)가 50％ 이상, 잔부가 ε(Fe_{2 내지 3}N)이었다.

한편, 시험 번호 42에서는, 고K_N값 처리에 있어서의 K_NX의 최솟값이 0.15 미만이었다. 그 때문에, 고K_N값 처리 중에 화합물층이 안정 정기에 형성되지 않았기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 43에서는, 고K_N값 처리에 있어서의 K_NX의 최댓값이 1.50을 초과하였다. 그 때문에, 공극 면적률이 10％ 이상으로 되고, 굽힘 교정성이 1.3％ 미만 또한 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 44에서는, 고K_N값 처리에 있어서의 평균값 K_NXave가 0.30 미만이었다. 그 때문에, 고K_N값 처리 중에 충분한 두께의 화합물층이 형성되지 않고, 저K_N값 처리 중 조기에 화합물층이 분해되어 버렸기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 350HV 미만이었기 때문에, 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 45에서는, 고K_N값 처리에 있어서의 평균값 K_NXave가 0.80을 초과하였다. 그 때문에, 화합물층 두께가 3㎛를 초과하고, 또한 공극 면적률이 10％ 이상이 되고, 굽힘 교정성이 1.3％ 미만 또한 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 46에서는, 저K_N값 처리에 있어서의 K_NY의 최솟값이 0.02 미만이었다. 그 때문에, 저K_N값 처리 중 조기에 화합물층이 분해되어 버렸기 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 350HV 미만이었기 때문에, 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 47에서는, 저K_N값 처리에 있어서의 K_NY의 최솟값이 0.02 미만이고, 또한 저K_N값 처리에 있어서의 평균값 K_Yave가 0.03 미만이었다. 그 때문에, 유효 경화층 깊이가 160㎛ 미만이 되고, 표면 경도도 350HV 미만이었기 때문에, 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 48에서는, 평균값 K_Nave가 0.07 미만이었다. 그 때문에, 표면 경도가 350HV 미만이었기 때문에, 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 49에서는, 저K_N값 처리에 있어서의 평균값 K_Yave가 0.20을 초과하였다. 그 때문에, 화합물층 두께가 3㎛를 초과하였기 때문에, 굽힘 교정성이 1.3％ 미만 또한 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 50에서는, 평균값 K_Nave가 0.30을 초과하였다. 그 때문에, 화합물층 두께가 3㎛를 초과하였기 때문에, 굽힘 교정성이 1.3％ 미만 또한 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이었다.

시험 번호 51에서는, 고K_N 저K_N값 처리를 행하지 않고, 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30이 되는 제어를 행하였다. 그 결과, 화합물층 두께가 3㎛를 초과하고, 굽힘 교정성이 1.3％ 미만 또한 굽힘 피로 강도가 500㎫ 미만이 되었다.

시험 번호 52 내지 60에서는, 본 발명에서 규정하는 범위 외의 성분을 갖는 강 r 내지 z를 사용하여, 본 발명에서 규정한 질화 처리를 행하였다. 그 결과, 굽힘 교정성, 굽힘 피로 강도 중 적어도 한쪽이 목표값을 만족시키지 않았다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였다. 그러나, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

1 : 다공성층
2 : 화합물층
3 : 질소 확산층

Claims

질량％로,
C : 0.2 내지 0.6％,
Si : 0.05 내지 1.5％,
Mn : 0.2 내지 2.5％,
P : 0.025％ 이하,
S : 0.003 내지 0.05％,
Cr : 0.05 내지 0.5％,
Al : 0.01 내지 0.05％, 및
N : 0.003 내지 0.025％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고,
강 표면에 형성된, 철, 질소 및 탄소로 이루어지는 두께 3㎛ 이하의 화합물층과, 화합물층 아래에 형성된 경화층을 갖고,
유효 경화층 깊이가 160 내지 410㎛인 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.
제1항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo : 0.01 내지 0.50％ 미만, V : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu : 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti : 0.005 내지 0.05％ 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품.
질량％로,
C : 0.2 내지 0.6％,
Si : 0.05 내지 1.5％,
Mn : 0.2 내지 2.5％,
P : 0.025％ 이하,
S : 0.003 내지 0.05％,
Cr : 0.05 내지 0.5％,
Al : 0.01 내지 0.05％, 및
N : 0.003 내지 0.025％
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물인 강재를 소재로 하고,
NH₃, H₂ 및 N₂를 포함하는 가스 분위기에서 상기 강재를 550 내지 620℃로 가열하고, 전체의 처리 시간 A를 1.5 내지 10시간으로 하는 가스 질화 처리를 실시하는 공정을 구비하고,
상기 가스 질화 처리는, 처리 시간을 X시간으로 하는 고K_N값 처리와, 고K_N값 처리에 계속되는 처리 시간을 Y시간으로 하는 저K_N값 처리로 이루어지고,
상기 고K_N값 처리는, 식 (1)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 K_NX가 0.15 내지 1.50이고, 식 (2)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 K_NX의 평균값 K_NXave가 0.30 내지 0.80이며,
상기 저K_N값 처리는, 식 (3)에 의해 구해지는 질화 포텐셜 K_NY가 0.02 내지 0.25이고, 식 (4)에 의해 구해지는 상기 질화 포텐셜 K_NY의 평균값 K_NYave가 0.03 내지 0.20이며, 식 (5)에 의해 구해지는 질화 포텐셜의 평균값 K_Nave가 0.07 내지 0.30인 것을 특징으로 하는 질화 처리 방법.

여기서, 식 (2) 및 식 (4)에 있어서, 첨자 i는 일정 시간 간격마다의 측정 회를 나타내는 수이고, X₀은 질화 포텐셜 K_NX의 측정 간격(시간), Y₀은 질화 포텐셜 K_NY의 측정 간격(시간), K_NXi는 고K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜, K_NYi는 저K_N값 처리 중의 i회째의 측정에 있어서의 질화 포텐셜이다.
제5항에 있어서,
상기 가스 분위기는, NH₃, H₂ 및 N₂를 합계로 99.5체적％ 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Mo : 0.01 내지 0.50％ 미만, V : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Cu : 0.01 내지 0.50％ 미만, Ni : 0.01 내지 0.50％ 미만 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 강 부품의 제조 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강재가 Fe의 일부 대신에, Ti : 0.005 내지 0.05％ 미만을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리 부품의 제조 방법.