TW202100757A - 氮化鋼構件、以及氮化鋼構件之製造方法及製造裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種改善了表層區域之耐摩耗性之氮化鋼構件、以及用於製造此種氮化鋼構件之製造方法及製造裝置。 本發明係一種氮化鋼構件，其特徵在於：以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～50 μm之厚度。

Description

氮化鋼構件、以及氮化鋼構件之製造方法及製造裝置
本發明係關於一種氮化鋼構件、以及氮化鋼構件之製造方法及製造裝置。更詳細而言，本發明係關於一種對汽車用之變速機用之齒輪及曲軸等有用之耐摩耗性優異之氮化鋼構件、以及該氮化鋼構件之製造方法及製造裝置。
於鋼材之表面硬化處理中，尤以作為低熱處理應變處理之氮化處理之需求較高，最近尤其對氣體氮化處理之氣體氛圍控制技術之關注高漲。
於藉由氣體氮化處理而獲得之基本組織構成中，表面形成有作為鐵氮化物之化合物層，內部形成有被稱為擴散層之硬化層。該硬化層通常由母材成分之Si或Cr等合金氮化物構成。
為了控制該等2層各自之厚度(深度)及/或表面之鐵氮化物之類型等，除了氣體氮化處理之溫度與時間以外，氣體氮化處理爐內之氣體氛圍亦要適當加以控制。具體而言，適當控制氣體氮化爐內之氮勢(KN )。
而且，經由該控制，而控制於鋼材之表面生成之化合物層中之γ'相(Fe4 N)與ε相(Fe2-3 N)之體積分率(鐵氮化物之類型)。
例如，已知藉由形成γ'相，較藉由形成ε相更能改善耐疲勞性(非專利文獻1)。
進而，亦提供有藉由γ'相之形成而改善了彎曲疲勞強度及面疲勞之氮化鋼構件(專利文獻1)。
或者，關於本發明所關注之耐摩耗性，據報告藉由增加ε相能得到改善(非專利文獻2)。而且，作為使包含較多ε相之化合物層形成於表面之氮化法，已知使少量滲碳性氣體混合於氨氣氛圍中而實施之軟氮化處理。
另一方面，若於Fe-N二元合金之共析變態點(約590℃)以上之溫度下進行氮化處理，則表面形成化合物層，其後若加以急冷，則其下部形成具有含氮麻田散體組織之硬化層。該溫度區域內之氮化處理為了與先前之氮化處理(Nitriding)加以區分，而被稱為滲氮處理(Austenitic Nitriding)。
但於該滲氮處理中，表面附近之組織(表面之化合物層除外)之沃斯田體穩定化，其後即便加以急冷，亦會有大部分沃斯田體殘留。因此，熱處理後之應變與氮化處理程度相同。此外，該已穩定化之沃斯田體藉由被再加熱至250～300℃之溫度而變態成硬質之麻田散體組織。
例如，藉由在640℃下對STKM-13C(JIS G 3445中規定之機械結構碳鋼鋼管)進行90 min滲氮處理，進而於660℃下進行40 min滲氮處理，然後加以急冷，其後於280℃下進行90 min再加熱處理，而使表面附近之沃斯田體硬化至800～900 HV。
進而，即便於700℃下對JIS-SPCC(一種冷間壓延鋼板)進行滲氮處理，亦會於表面形成化合物層，並會因其後之急冷而於其下部形成氮麻田散體組織之硬化層(非專利文獻3)。據報告，此時表面之化合物層為ε相。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-221203號公報 [專利文獻2]日本專利特開2014-25161號公報 [非專利文獻1]平岡泰、渡邊陽一、石田曉丈：熱處理，55卷，1號，1-2頁 [非專利文獻2]Dieter、Liedtke等：鐵之氮化與軟氮化，AGEN技術中心，2013年，84頁 [非專利文獻3]河田一喜、本立徹：日本熱處理技術協會，第81次春季演講大會概要集，29-30頁
[發明所欲解決之問題]
機械零件例如汽車用之引擎內部之凸輪軸、活塞環、曲軸等中之摩擦損耗高達10%以上。一部分機械零件已被應用氮化處理等表面處理，但希望能進一步降低摩擦損耗。
作為用以降低鋼零件之摩耗損失之一個方策，可考慮增加鋼零件之「硬度」。如上所述，已知藉由在滲氮處理及急冷後進行再加熱處理，能提高表面化合物層之硬度。
然而，於非專利文獻3所揭示之處理中，氮化溫度為700℃，相對較高，因此有導致母材及擴散層之硬度降低之虞。
進而，對於專利文獻2所揭示之處理，嘗試了再現實驗，但未能再現該文獻中所記載之硬化組織(具體而言，為於γ'相內析出α''相所成之混相)(推測該文獻之記述內容中存在某些錯誤)。
另一方面，藉由軟氮化處理而形成之化合物層之表面硬度不充分(參照下述圖11之比較例)，耐摩耗性亦不充分(參照下述表1之比較例)。
本案發明者反覆展開銳意之研究及各種實驗後發現，藉由在限定處理爐之構成之基礎上高精度地控制氮化處理之溫度及氮勢，能製造出一面維持了充分之硬度一面改善了耐摩耗性之氮化鋼構件。
本發明係基於以上發現而創作者。本發明之目的在於，提供一種改善了表層區域之耐摩耗性之氮化鋼構件、以及用於製造此種氮化鋼構件之製造方法及製造裝置。 [解決問題之技術手段]
本發明係一種氮化鋼構件，其特徵在於：以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～50 μm之厚度。
根據本發明，表面之氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈，且具有5 μm～50 μm之厚度，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上(此種構成係藉由下述氮化方法首次實現者)，藉此能一面提供作為氮化鋼構件充分之硬度一面改善耐摩耗性。
再者，將氮化化合物層之厚度之上限值設定為50 μm之原因在於，該值係本案申請前夕本案發明者所確認到之最大厚度(經確認其係藉由如下方法而獲得：使用下述循環型處理爐，將S50C鋼作為母相，採用處理溫度：640℃，氮勢：0.6，處理時間：2小時之滲氮處理條件)。
進而，作為用以將氮化化合物層形成於氮化鋼構件之整個表面(不存在局部未形成氮化化合物層之情形)之條件，將氮化化合物層之厚度之下限值設定為5 μm。
又，本發明係一種氮化鋼構件，其特徵在於：以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～30 μm之厚度。
根據本發明，表面之氮化化合物層具有γ'相、ε相之順序之相分佈，且具有5 μm～30 μm之厚度，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%以上(此種構成係藉由下述氮化方法首次實現者)，藉此作為氮化鋼構件，能一面提供充分之硬度一面改善耐摩耗性。
於本發明中，將氮化化合物層之厚度之上限值設定為30 μm，其原因在於，該值係本案申請前夕本案發明者所確認到之最大厚度(經確認其係藉由如下方法而獲得：使用下述循環型處理爐，將S15C作為母相，採用處理溫度：650℃，氮勢：0.2，處理時間：2小時之滲氮處理條件)。
進而，於本發明中，作為用以將氮化化合物層形成於氮化鋼構件之整個表面(不存在局部未形成氮化化合物層之情形)之條件，將氮化化合物層之厚度之下限值設定為5 μm。
於以上各發明中，例如，可將碳含量以質量%計為0.1%以上之碳鋼作為母相。
又，本發明亦可作為氮化鋼構件之製造方法來認識。即，本發明係一種氮化鋼構件之製造方法，其特徵在於：使用具備引導筒與攪拌翼之循環型處理爐，製造以碳鋼或低合金鋼為母相之氮化鋼構件，且於氮化處理時，將上述循環型處理爐內之溫度範圍控制為610℃～660℃，於上述氮化處理時，將上述循環型處理爐內之氮勢控制於0.15～0.6之範圍內，於上述氮化處理後，進行急冷，進而進行再加熱處理。
根據本發明之氮化鋼構件之製造方法，能製造出具有如下特徵之氮化鋼構件： 以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～50 μm之厚度。
或者，根據本發明之氮化鋼構件之製造方法，能製造出具有如下特徵之氮化鋼構件： 以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～30 μm之厚度。
又，本發明亦可作為氮化鋼構件之製造裝置來認識。即，本發明係一種氮化鋼構件之製造裝置，其特徵在於：包含具有引導筒與攪拌翼之循環型處理爐，於氮化處理時，將上述循環型處理爐內之溫度範圍控制為610℃～660℃，於上述氮化處理時，為了控制上述循環型處理爐內之氮勢，而將氨氣與氨分解氣體導入至上述循環型處理爐內，上述循環型處理爐內之氮勢係藉由使上述氨分解氣體之爐內導入量固定且使上述氨氣之爐內導入量變化，而被控制為0.15～0.6之範圍內之目標氮勢。
根據本發明之氮化鋼構件之製造裝置，能製造出具有如下特徵之氮化鋼構件： 以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～50 μm之厚度。
或者，根據本發明之氮化鋼構件之製造裝置，能製造出具有如下特徵之氮化鋼構件： 以碳鋼或低合金鋼為母相，且於表面具備氮化化合物層，於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層，於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層，上述氮化化合物層具有γ'相、ε相之順序之相分佈，上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%以上，上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～30 μm之厚度。 [發明之效果]
根據本發明之氮化鋼構件，能一面提供作為氮化鋼構件充分之硬度一面改善耐摩耗性。
又，根據本發明之氮化鋼構件之製造方法，能製造出具有充分之硬度及耐摩耗性之氮化鋼構件。
又，根據本發明之氮化鋼構件之製造裝置，能製造出具有充分之硬度及耐摩耗性之氮化鋼構件。
以下，對本發明之較佳之實施形態進行說明，但本發明並不限定於以下實施形態。
(氮化鋼構件之第1實施形態之構成、製法及效果) 圖1係本發明之第1實施形態之氮化鋼構件110之剖面顯微鏡照片。如圖1所示，本實施形態之氮化鋼構件110於表面形成有氮化化合物層111，於該氮化化合物層111之下方包含具有如下所述之沃斯田體組織之硬化層112，於該硬化層112之下方具備母相內擴散有氮之擴散層113。本實施形態之母相(母材)係碳含量以質量%計為0.45%之碳鋼。
於圖1中，氮化化合物層111之下部及硬化層112呈黑色之原因在於，被組織觀察用之腐蝕液強烈腐蝕。又，表面之更上方所見為研磨用之板，而非氮化鋼構件之構成要素。
氮化鋼構件110之相分佈可藉由將EBSD法與X射線繞射併用而加以解析。具體而言，如圖2所示，藉由EBSD法，可知自表面側起ε相、γ'相(fcc結晶相)、ε相之順序之相分佈。而且，藉由併用X射線繞射，確認到硬化層112之fcc結晶相為沃斯田體相(γ相)。
氮化化合物層111具有自氮化鋼構件110之表面起算約30 μm之厚度，其為5 μm～50 μm之範圍內之厚度。表面之ε相之厚度為數μm。
又，氮化化合物層111中之γ'相之體積比率可基於採用SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)/EBSD法所獲得之分析範圍(氮化化合物層111之寬度約為120 μm)中所占之γ'相與ε相之計數而測定。或者，亦可根據所獲得之圖2之圖像，藉由圖像解析而進行計算。於本實施形態之氮化化合物層111之情形時，為41%。
硬化層112按照預想，會藉由再加熱處理而變態成麻田散體組織，但本案發明者應用了藉由如上所述之X射線繞射法而進行之結晶結構解析後得出結果，硬化層112之大部分為沃斯田體相(γ相)。因此，本案發明者認為硬化層112並非嚴格為沃斯田體與麻田散體之混合組織。本來，根據滲氮處理後之鋼材尺寸、冷卻條件或再加熱條件，並不排除進而包含複數種微細組織如變韌鐵組織或布勞奈鐵組織等之可能性。
本實施形態之氮化鋼構件110可藉由如下方法製造而成：使用下述循環型處理爐，於處理溫度：640℃，氮勢：0.4，處理時間：2小時之處理條件下進行滲氮處理，然後加以急冷，進而於處理溫度：250℃，處理時間：2小時之處理條件下進行再加熱。
如上之氮化鋼構件110藉由氮化化合物層111中之γ'相之體積比率為41%(20%以上)，能提供足以實用之充分之硬度(參照下述圖11之實施例1-30)，並且耐摩耗性亦得到改善(參照下述表1之實施例1-30)。
作為參考，氮化鋼構件110之再加熱處理前之狀態之剖面顯微鏡照片見圖3所示。又，圖4係表示圖3之氮化鋼構件160之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。
如圖3及圖4所示，於再加熱處理前之狀態下，相當於氮化化合物層111之區域161之大部分為ε相。因此，無法獲得充分之硬度(參照下述圖11之參考例1)。
(氮化鋼構件之第2實施形態之構成、製法及效果) 圖5係本發明之第2實施形態之氮化鋼構件120之剖面顯微鏡照片。如圖5所示，本實施形態之氮化鋼構件120於表面形成有氮化化合物層121，於該氮化化合物層121之下方包含具有如下所述之沃斯田體組織之硬化層122，於該硬化層122之下方，具備母相內擴散有氮之擴散層123。本實施形態之母相(母材)係碳含量以質量%計為0.45%之碳鋼。
於圖5中，氮化化合物層121之下部及硬化層122呈黑色之原因在於，被組織觀察用之腐蝕液強烈腐蝕。又，表面之更上方所見為研磨用之板，而非氮化鋼構件之構成要素。
氮化鋼構件120之相分佈可藉由將EBSD法與X射線繞射併用而加以解析。具體而言，如圖6所示，藉由EBSD法，可知自表面側起γ'相(fcc結晶相)、ε相之順序之相分佈。而且，藉由併用X射線繞射，確認到硬化層122之fcc結晶相為沃斯田體相(γ相)。
氮化化合物層121具有自氮化鋼構件120之表面起算約12 μm之厚度，其為5 μm～30 μm之範圍內之厚度。表面之γ'相之厚度為數μm。
又，氮化化合物層121中之γ'相之體積比率可基於採用SEM/EBSD法所獲得之分析範圍(氮化化合物層121之寬度約為120 μm)中所占之γ'相與ε相之計數而測定。或者，亦可根據所獲得之圖2之圖像，藉由圖像解析而進行計算。於本實施形態之氮化化合物層121之情形時，為52%。
硬化層122按照預想，會藉由再加熱處理而變態成麻田散體組織，但藉由圖6所示之EBSD之結果、及藉由如上所述之X射線繞射法而進行之結晶結構解析，於硬化層122中，確認到部分殘留有大量沃斯田體。本來，根據滲氮處理後之鋼材尺寸、冷卻條件或再加熱條件，並不排除進而包含複數種微細組織如變韌鐵組織或布勞奈鐵組織等之可能性。
本實施形態之氮化鋼構件120可藉由如下方法製造而成：使用下述循環型處理爐，於處理溫度：640℃，氮勢：0.2，處理時間：2小時之處理條件下進行滲氮處理，然後加以急冷，進而於處理溫度：250℃，處理時間：2小時之處理條件下進行再加熱。
如上之氮化鋼構件120藉由氮化化合物層121中之γ'相之體積比率為52%(30%以上)，能提供足以實用之充分之硬度(參照下述圖11之實施例2-12)，並且耐摩耗性亦得到改善(參照下述表1之實施例2-12)。
作為參考，氮化鋼構件120之再加熱處理前之狀態之剖面顯微鏡照片示於圖7。又，圖8係表示圖7之氮化鋼構件170之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。
如圖7及圖8所示，於再加熱處理前之狀態下，相當於氮化化合物層121之區域171之大部分為ε相。因此，無法獲得充分之硬度。
(氮化鋼構件之比較例) 圖9係比較例之氮化鋼構件300之剖面顯微鏡照片。如圖9所示，比較例之氮化鋼構件300於表面形成有氮化化合物層301，於該氮化化合物層301之下方具備母相內擴散有氮之擴散層303。比較例之母相(母材)亦係碳含量以質量%計為0.45%之碳鋼。
先前之普通氮化處理中所獲得之化合物層之表面側為多孔質。於圖9中，氮化化合物層301之上部呈黑色之原因在於，該區域存在多個微細之孔隙。又，表面之更上方所見為研磨用之板，而非氮化鋼構件之構成要素。
氮化鋼構件300之相分佈亦可藉由將EBSD法與X射線繞射併用而加以解析。具體而言，如圖10所示，藉由EBSD法，可知氮化化合物層301之大部分為ε相。
氮化化合物層301具有自氮化鋼構件300之表面起算約17 μm之厚度。
該比較例之氮化鋼構件300可藉由如下方法製造而成：使用下述循環型處理爐，於處理溫度：580℃，氮勢2.5，處理時間：2小時之處理條件下進行軟氮化處理(氛圍氣體為氨氣、氮氣及碳酸氣體)，然後加以急冷。再者，該比較例之氮化化合物層301經確認，即便實施再加熱處理亦不會硬化(認為其原因在於軟氮化處理時之溫度相對較低)。
如上之氮化鋼構件300之氮化化合物層301之大部分為ε相，先前即係利用該較硬之ε相來提高耐摩耗性。但與本發明之採用滲氮處理而獲得之ε化合物層相比，表面硬度不充分(參照下述圖11之比較例)，此對耐摩耗性亦有不利影響，耐摩耗性亦不充分(參照下述表1之比較例)。
進而，關於比較例之氮化鋼構件300，還被指出氮化化合物層301之表面側形成有大量孔隙(於圖9中呈黑色)之缺點。該孔隙(孔洞)有可能成為龜裂發生之起點，因此其存在欠佳。
(硬度之評價) 圖11係表示硬度之測定結果之曲線圖。關於第1實施形態之氮化鋼構件110(實施例1-30)、第2實施形態之氮化鋼構件120(實施例2-12)、參考例之氮化鋼構件160(參考例1-30)及比較例之氮化鋼構件300，分別繪製出了測定距表面特定深度下之硬度所得之結果。
於第1實施形態之氮化鋼構件110(實施例1-30)中，遍及氮化化合物層111之整個厚度(30 μm)，獲得1000 HV以上之較高硬度。尤其是心部側之與ε相對應之部分之硬度較大。
與此相對地，於參考例之氮化鋼構件160(參考例1-30)中，表面附近之硬度略低於800 HV，不充分。
於第2實施形態之氮化鋼構件120(實施例2-12)中，越靠內部硬度越低，但表面附近之硬度充分高。
此外，於比較例之氮化鋼構件300中，表面附近之硬度為600 HV左右，不充分。
(第1實施形態之氮化鋼構件110之氮化化合物層111之厚度) 關於第1實施形態之氮化鋼構件110之氮化化合物層111之厚度，一般而言，越厚則摩耗容許量越大，因此其可謂較佳。
本案發明者確認到在一般用於軸類之碳鋼中碳量較多(具體而言，例如S50C鋼)之情形時，氮化化合物層111容易變厚之傾向。而且，具體而言，將S50C鋼按處理溫度：640℃，氮勢：0.6，處理時間：2小時進行滲氮處理，然後加以急冷，進而按處理溫度：250℃，處理時間：2小時進行再加熱時，氮化化合物層111之厚度為50 μm(參照下述表1之實施例1-50)。因此，將可讓業者認識到能解決本發明之課題之氮化化合物層111之厚度之最大值設定為50 μm。
此外，本案發明者確認到於滲氮處理時之氮勢較高之情形時氮化化合物層111之厚度變厚之傾向。
(第2實施形態之氮化鋼構件120之氮化化合物層121之厚度) 關於第2實施形態之氮化鋼構件120之氮化化合物層121之厚度，同樣一般而言，越厚則摩耗容許量越大，因此其可謂較佳。
本案發明者確認到在一般用於齒輪之碳鋼中碳量較少(具體而言，例如S15C鋼)之情形時，氮化化合物層121容易變厚之傾向。而且，具體而言，將S15C鋼按處理溫度：650℃，氮勢：0.2，處理時間：2小時進行滲氮處理，然後加以急冷，進而按處理溫度：250℃，處理時間：2小時進行再加熱時，氮化化合物層121之厚度為30 μm(參照下述表1之實施例2-30)。因此，將可讓業者認識到能解決本發明之課題之氮化化合物層111之厚度之最大值設定為30 μm。
此外，本案發明者確認到於滲氮處理時之氮勢較高之情形時氮化化合物層121之厚度亦變厚之傾向。
(第1實施形態之氮化鋼構件110之氮化化合物層111中之γ'相之體積比率) 關於氮化化合物層111中之γ'相之體積比率，本案發明者確認到越大則硬度越高，因此其可謂較佳。關於最小值，具體而言，將S50C鋼按處理溫度：640℃，氮勢：0.6，處理時間：2小時進行滲氮處理，然後加以急冷，進而按處理溫度：250℃，處理時間：2小時進行再加熱時，氮化化合物層111中之γ'相之體積比率為20%(參照下述表1之實施例1-50)。因此，將可讓業者認識到能解決本發明之課題之氮化化合物層111中之γ'相之體積比率之最小值設定為20%。
(第2實施形態之氮化鋼構件120之氮化化合物層121中之γ'相之體積比率) 關於氮化化合物層121中之γ'相之體積比率，同樣本案發明者確認到越大則硬度越高，因此其可謂較佳。關於最小值，具體而言，將S15C鋼按處理溫度：650℃，氮勢：0.2，處理時間：2小時進行滲氮處理，然後加以急冷，進而按處理溫度：250℃，處理時間：2小時進行再加熱時，氮化化合物層121中之γ'相之體積比率為30%(參照下述表1之實施例2-30)。因此，將可讓業者認識到能解決本發明之課題之氮化化合物層121中之γ'相之體積比率之最小值設定為30%。
(氮化鋼構件之製造裝置之構成) 繼而，對氮化鋼構件之製造裝置進行說明。首先，自化學方面說明氣體氮化處理之基本事項，於氣體氮化處理中，配置有被處理品之處理爐(氣體氮化爐)內會發生以下式(1)所示之氮化反應。 NH3 →[N]+3/2H2 (1)
此時，氮勢KN 藉由以下式(2)來定義。 KN ＝PNH3 /PH2 3/2 (2) 此處，PNH3 係爐內氨氣分壓，PH2 係爐內氫氣分壓。氮勢KN 係公知之表示氣體氮化爐內之氣體氛圍所具有之氮化能力之指標。
另一方面，於氣體氮化處理中之爐內，導入至該爐內之氨氣之一部分按照式(3)之反應，熱分解成氫氣與氮氣。 NH3 →1/2N2 +3/2H2 (3)
於爐內，主要發生式(3)之反應，式(1)之氮化反應就量而言幾乎可忽略不計。因此，若已知因式(3)之反應而消耗之爐內氨氣濃度或因式(3)之反應而產生之氫氣濃度，則可算出氮勢。即，根據由1莫耳氨氣分別產生1.5莫耳氫氣及0.5莫耳氮氣，只要測定出爐內氨氣濃度即可得知爐內氫氣濃度，從而可算出氮勢。或者，只要測定出爐內氫氣濃度即可得知爐內氨氣濃度，從而仍可算出氮勢。
再者，流入至氣體氮化爐內之氨氣於爐內循環後向爐外排出。即，於氣體氮化處理中，針對爐內之既有氣體，藉由使新鮮(新)之氨氣不斷流入至爐內，而將該既有氣體持續地向爐外排出(利用供給壓將其擠出)。
此處，若向爐內導入之氨氣之流量較少，則氣體於爐內之滯留時間變長，故而被分解之氨氣之量增加，藉由該分解反應而產生之氮氣+氫氣之量增加。另一方面，若向爐內導入之氨氣之流量較多，則未被分解而向爐外排出之氨氣之量增加，爐內產生之氮氣+氫氣之量減少。
且說，圖12係表示用以製造本發明之一實施形態之氮化鋼構件之製造裝置之概略圖。如圖12所示，本實施形態之製造裝置1具備循環型處理爐2，作為向該循環型處理爐2內導入之氣體，僅使用氨氣與氨分解氣體兩種。所謂氨分解氣體，係指亦被稱為AX氣體之氣體，為以1：3之比率包含氮氣與氫氣之混合氣體。原本，作為導入氣體，可選自(1)僅氨氣、(2)僅氨氣與氨分解氣體兩種、(3)僅氨氣與氮氣兩種、或(4)僅氨氣、氨分解氣體與氮氣三種。
循環型處理爐2之剖面構造例見圖13所示。如圖13所示，於爐壁(亦被稱為鐘罩(bell))201中配置有被稱為筒罐之圓筒202，進而於其內側配置有被稱為內部筒罐之圓筒204。如圖中之箭頭所示，自氣體導入管205供給之導入氣體於通過被處理品之周圍後，在攪拌扇203之作用下，通過兩個圓筒202、204之間之空間而循環。206為附喇叭管之氣罩，207為熱電偶，208為冷卻作業用蓋，209為冷卻作業用翼。該循環型處理爐2亦被稱為橫置式氣體氮化爐，其構造本身公知。
被處理品S為碳鋼或低合金鋼，例如為作為汽車零件之曲軸或齒輪等。
又，如圖12所示，於本實施形態之表面硬化處理裝置1之處理爐2，設置有爐開閉蓋7、攪拌翼8、攪拌翼驅動馬達9、氛圍氣體濃度檢測裝置3、氮勢調節計4、可程式化邏輯控制器30及爐內導入氣體供給部20。
攪拌翼8配置於處理爐2內，於處理爐2內旋轉，對處理爐2內之氛圍氣體進行攪拌。攪拌翼驅動馬達9連結於攪拌翼8，使攪拌翼8以任意之旋轉速度旋轉。
氛圍氣體濃度檢測裝置3由可檢測處理爐2內之氫氣濃度或氨氣濃度作為爐內氛圍氣體濃度之感測器構成。該感測器之檢測本體部經由氛圍氣體配管12與處理爐2之內部連通。於本實施形態中，氛圍氣體配管12由使氛圍氣體濃度檢測裝置3之感測器本體部與處理爐2直接連通之路徑形成，且中途連接有與廢氣燃燒分解裝置41相連之爐內氣體廢棄配管40。藉此，氛圍氣體被分配成被廢棄之氣體與向氛圍氣體濃度檢測裝置3供給之氣體。
又，氛圍氣體濃度檢測裝置3於檢測出爐內氛圍氣體濃度後，將包含該檢測濃度之資訊信號輸出至氮勢調節計4。
氮勢調節計4具有爐內氮勢運算裝置13及氣體流量輸出調整裝置30。又，可程式化邏輯控制器31具有氣體導入量控制裝置14及參數設定裝置15。
爐內氮勢運算裝置13基於藉由爐內氛圍氣體濃度檢測裝置3而檢測出之氫氣濃度或氨氣濃度，計算處理爐2內之氮勢。具體而言，編入有根據實際之爐內導入氣體而程式化之氮勢之算式，從而根據爐內氛圍氣體濃度之值計算氮勢。
參數設定裝置15例如由觸控面板構成，可分別設定輸入爐內導入氣體之總流量、氣體種類、處理溫度、目標氮勢等。所設定輸入之各設定參數值被傳送至氣體流量輸出調整裝置30。
然後，氣體流量輸出調整裝置30實施以藉由爐內氮勢運算裝置13而算出之氮勢作為輸出值、以目標氮勢(所設定之氮勢)作為目標值、以氨氣與氨分解氣體各自之導入量作為輸入值之控制。更具體而言，可實施使氨分解氣體之爐內導入量固定且使氨氣之爐內導入量變化之控制。氣體流量輸出調整裝置30之輸出值被傳送至氣體導入量控制裝置14。
氣體導入量控制裝置14為了實現各氣體之導入量，而分別向氨氣用第1供給量控制裝置22與氨分解氣體用第2供給量控制裝置26發送控制信號。
本實施形態之爐內導入氣體供給部20具有氨氣用第1爐內導入氣體供給部21、第1供給量控制裝置22、第1供給閥23及第1流量計24。又，本實施形態之爐內導入氣體供給部20具有氨分解氣體(AX氣體)用第2爐內導入氣體供給部25、第2供給量控制裝置26、第2供給閥27及第2流量計28。
於本實施形態中，氨氣與氨分解氣體進入至處理爐2內之前，於爐內導入氣體導入配管29內混合。
第1爐內導入氣體供給部21例如由填充有第1爐內導入氣體(於本例中為氨氣)之筒罐形成。
第1供給量控制裝置22由質量流量控制器形成，介裝於第1爐內導入氣體供給部21與第1供給閥23之間。第1供給量控制裝置22之開度根據自氣體導入量控制裝置14輸出之控制信號而變化。又，第1供給量控制裝置22檢測自第1爐內導入氣體供給部21向第1供給閥23之供給量，並將包含所檢測出之供給量之資訊信號輸出至氣體導入量控制裝置14。該控制信號可用於對氣體導入量控制裝置14之控制實施修正等。
第1供給閥23由根據氣體導入量控制裝置14所輸出之控制信號而切換開閉狀態之電磁閥形成，介裝於第1供給量控制裝置22與第1流量計24之間。
第2爐內導入氣體供給部25例如由充填有第2爐內導入氣體(於本例中為氨分解氣體)之筒罐形成。
第2供給量控制裝置26由質量流量控制器形成，介裝於第2爐內導入氣體供給部25與第2供給閥27之間。第2供給量控制裝置26之開度根據自氣體導入量控制裝置14輸出之控制信號而變化。又，第2供給量控制裝置26檢測自第2爐內導入氣體供給部25向第2供給閥27之供給量，並將包含所檢測出之供給量之資訊信號輸出至氣體導入量控制裝置14。該控制信號可用於對氣體導入量控制裝置14之控制實施修正等。
第2供給閥27由根據氣體導入量控制裝置14輸出之控制信號而切換開閉狀態之電磁閥形成，介裝於第2供給量控制裝置26與第2流量計28之間。
(氮化鋼構件之製造裝置之作用(製造方法)) 其次，對本實施形態之製造裝置1之作用進行說明。首先，向循環型處理爐2內投入被處理品S，並將循環型處理爐2加熱至所期望之處理溫度。其後，自爐內導入氣體供給部20以初始設定流量向處理爐2內導入氨氣與氨分解氣體之混合氣體或僅氨氣。該初始設定流量亦可於參數設定裝置15中設定輸入，並由第1供給量控制裝置22及第2供給量控制裝置26(均為質量流量控制器)加以控制。又，驅動攪拌翼驅動馬達9而使攪拌翼8旋轉，來攪拌處理爐2內之氛圍氣體。
氮勢調節計4之爐內氮勢運算裝置13計算爐內之氮勢(最初值極高(原因在於爐內不存在氫氣)，但隨著氨氣之分解(產生氫氣)進展而降低)，判定是否低於目標氮勢與基準偏差值之和。該基準偏差值亦可於參數設定裝置15中設定輸入。
當判定為爐內氮勢之計算值低於目標氮勢與基準偏差值之和時，氮勢調節計4經由氣體導入量控制裝置14開始控制爐內導入氣體之導入量。
氮勢調節計4之爐內氮勢運算裝置13基於所輸入之氫氣濃度信號或氨氣濃度信號，計算爐內氮勢。然後，氣體流量輸出調整裝置30實施以藉由爐內氮勢運算裝置13而算出之氮勢作為輸出值、以目標氮勢(所設定之氮勢)作為目標值、以爐內導入氣體之導入量作為輸入值之PID控制(Proportional-Integral-Differential Control，比例-積分-微分控制)。具體而言，於該PID控制中，實施使氨分解氣體之爐內導入量固定且使氨氣之爐內導入量變化之控制。於該PID控制中，使用在參數設定裝置15中設定輸入之各設定參數值。關於該設定參數值，例如根據目標氮勢之值而準備不同之值。
然後，作為PID控制之結果，氣體流量輸出調整裝置30控制爐內導入氣體各自之導入量。具體而言，氣體流量輸出調整裝置30決定各氣體之流量，該輸出值被傳送至氣體導入量控制裝置14。
氣體導入量控制裝置14為了實現各氣體之導入量，而分別向氨氣用第1供給量控制裝置22與氨分解氣體用第2供給量控制裝置26發送控制信號。
藉由如上控制，能將爐內氮勢穩定地控制於目標氮勢之附近。藉此，能極高品質地進行被處理品S之滲氮處理。
如上控制之一例示於圖14。氨分解氣體之爐內導入量固定，氨氣之爐內導入量被細微地反饋控制於40(l/min)之附近。其結果，氮勢被高精度地控制為0.17。
進而，視被處理品S之材料種類或形狀不同，亦可於該製造裝置1中實施滲氮處理後之冷卻步驟。但於以該製造裝置1之冷卻速度處理後仍無法獲得充分硬度之情形時，必須於利用該製造裝置1進行滲氮處理後，在保持加熱溫度之狀態下，將被處理品S搬送至爐外之急冷裝置(例如油槽)，其後加以急冷。或者，必須將於製造裝置1中冷卻後之被處理品S自製造裝置1取出，在具備急冷裝置之另一加熱爐中再次升溫至加熱溫度，其後加以急冷。
根據本案發明者之研究，已利用1.0%以上之氮加以穩定化之沃斯田體組織有當冷卻速度緩慢時變為布勞奈鐵(鐵氧體相與γ'相之層狀組織)從而導致硬度或疲勞強度降低之虞。因此，於採用氣體冷卻或空氣冷卻之情形時，針對每個零件逐一優化其冷卻速度誠屬重要。另一方面，於採用油冷之情形時，若為普通零件，則能充分地保持沃斯田體組織。
(關於引導筒(內部筒罐)之重要性) 又，根據本案發明者之實驗，於自製造裝置1卸除引導筒5(內部筒罐)而實施氮化處理之情形時，確認到氮勢之爐內均勻性降低，處理之均勻性降低。
(硬度及疲勞強度之驗證) 將如圖15所示之形狀(尺寸為ϕ25×8 mm)之S45C鋼(試驗片)作為對象，於下述表1所示之各條件下進行處理，並使用如圖16所示之摩擦摩耗試驗機(德國之Optimol公司製造：振動摩擦摩耗試驗機SRV4)，評價耐摩耗性。
使用ϕ10之氮化矽(硬度：約1600 HV)球作為滑動子，於乾式(室溫25℃，濕度30%，無潤滑油)之條件下，一面施加10 N之負荷荷重一面反覆往返滑動(振幅1 mm，50 Hz，10分鐘)，測定最大摩耗量(於與滑動方向垂直之剖面上測定)。
於圖16中，401為振盪塊頂板，402a為扭轉感測器，402b為試驗片固定具，403a為上部試驗片固持器，404為垂直荷重軸。
[表1]
   氮化處理條件 再加熱 化合物層 適用鋼材 摩耗試驗 最大摩耗量 硬度
溫度 時間 氣體 氛圍 層厚度 相分佈 γ'比率
實施例1-15 620℃ 2 h KN=0.4 有 15 μm ε+γ'+ε 37% S45C 4.2 μm ○
實施例1-30 640℃ 2 h KN=0.4 有 30 μm ε+γ'+ε 41% S45C 4.6 μm ○
實施例1-36 640℃ 2 h KN=0.5 有 36 μm ε+γ'+ε 33% S45C 4.4 μm ○
實施例1-40 640℃ 2 h KN=0.6 有 40 μm ε+γ'+ε 24% S45C 4.4 μm ○
實施例1-50 640℃ 2 h KN=0.6 有 50 μm ε+γ'+ε 20% S50C 4.2 μm ○
實施例2-7 640℃ 2 h KN=0.18 有 7 μm γ'+ε 60% S45C 3.9 μm ○
實施例2-12 640℃ 2 h KN=0.2 有 12 μm γ'+ε 52% S45C 3.1 μm ○
實施例2-16 630℃ 2 h KN=0.25 有 16 μm γ'+ε 45% S45C 2.7 μm ○
實施例2-30 650℃ 2 h KN=0.2 有 30 μm γ'+ε 30% S15C 3.5 μm ○
參考例1-30 640℃ 2 h KN=0.4 無 30 μm ε - S45C 6.3 μm ○
參考例1-36 640℃ 2 h KN=0.5 無 36 μm ε - S45C 6.2 μm ×
參考例1-40 640℃ 2 h KN=0.6 無 40 μm ε - S45C 6.0 μm ×
參考例2-7 640℃ 2 h KN=0.18 無 8 μm ε - S45C 8.5 μm ×
參考例2-12 640℃ 2 h KN=0.2 無 13 μm ε - S45C 7.1 μm ×
參考例2-16 630℃ 2 h KN=0.25 無 17 μm ε - S45C 7.6 μm ×
比較例 580℃ 2 h 軟氮化 無 17 μm ε - S45C 12.5 μm ○
(實施例1-30) 表1中之實施例1-30相當於已使用圖1及圖2進行過說明之第1實施形態之氮化鋼構件110。該實施例1-30係藉由如下方法製造而成：使用上述循環型處理爐2，於處理溫度：640℃，氮勢：0.4，處理時間：2小時之處理條件下進行滲氮處理，然後加以急冷，進而於處理溫度：250℃，處理時間：2小時之處理條件下進行再加熱(母相為S45C鋼)。
氮化化合物層之相分佈為ε相、γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約30 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為41%。
此種實施例1-30之氮化鋼構件經確認，提供如圖11中黑三角點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例1-36) 實施例1-36係藉由相對於實施例1-30將滲氮處理時之氮勢變更成0.5而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為ε相、γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約36 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為33%。
此種實施例1-36之氮化鋼構件同樣經確認，提供大致如圖11中黑三角點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例1-40) 實施例1-40係藉由相對於實施例1-30將滲氮處理時之氮勢變更成0.6而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為ε相、γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約40 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為24%。
此種實施例1-40之氮化鋼構件同樣經確認，提供大致如圖11中黑三角點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例1-50) 實施例1-50係藉由相對於實施例1-30將母相變更成S50C鋼，進而將滲氮處理時之氮勢變更成0.6而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為ε相、γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約50 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%。
此種實施例1-50之氮化鋼構件同樣經確認，提供大致如圖11中黑三角點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例1-15) 實施例1-15係藉由相對於實施例1-30將滲氮處理時之氮化溫度變更成620℃而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約15 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為37%。
此種實施例1-15之氮化鋼構件同樣經確認，提供大致如圖11中白圓點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(參考例1-30、參考例1-36、參考例1-40) 關於實施例1-30、實施例1-36、實施例1-40，分別將再加熱處理前之狀態作為參考例1-30、參考例1-36、參考例1-40，而評價硬度及最大摩耗量。
其結果，關於硬度，可知為如圖11中白三角點所示之不充分之硬度分佈，關於摩擦摩耗特性，亦可知為如表1所示之相對較高之最大摩耗量。
(實施例2-12) 表1中之實施例2-12相當於已使用圖5及圖6進行過說明之第2實施形態之氮化鋼構件120。該實施例2-12係藉由如下方法製造而成：使用上述循環型處理爐2，於處理溫度：640℃，氮勢：0.2，處理時間：2小時之處理條件下進行滲氮處理，然後加以急冷，進而於處理溫度：250℃，處理時間：2小時之處理條件下進行再加熱(母相為S45C鋼)。
氮化化合物層之相分佈為γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約12 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為52%。
此種實施例2-12之氮化鋼構件經確認，提供如圖11中白圓點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例2-7) 實施例2-7係藉由相對於實施例2-12將滲氮處理時之氮勢變更成0.18而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約7 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為60%。
此種實施例2-7之氮化鋼構件同樣經確認，提供如大致圖11中白圓點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例2-16) 實施例2-16係藉由相對於實施例2-12將滲氮處理時之氮化溫度變更成630℃，將氮勢變更成0.25而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約16 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為45%。
此種實施例2-16之氮化鋼構件同樣經確認，提供如大致圖11中白圓點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
(實施例2-30) 實施例2-30係藉由相對於實施例2-12將母相變更成S15C鋼，進而將滲氮處理時之氮化溫度變更成650℃，將氮勢變更成0.2而製造成之氮化鋼構件。
氮化化合物層之相分佈為γ'相、ε相之順序，氮化化合物層之厚度為距氮化鋼構件之表面約30 μm，氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%。
此種實施例2-30之氮化鋼構件同樣經確認，提供如大致圖11中白圓點所示之充分之硬度分佈，且提供如表1所示之較低之最大摩耗量(充分之摩擦摩耗特性)。
1:氮化鋼構件之製造裝置(表面硬化裝置) 2:循環型處理爐 3:氛圍氣體濃度檢測裝置 4:氮勢調節計 5:內部筒罐 6:筒罐 7:爐開閉蓋 8:攪拌翼 9:攪拌翼驅動馬達 12:氛圍氣體配管 13:爐內氮勢運算裝置 14:氣體導入量控制裝置 15:參數設定裝置(觸控面板) 20:爐內氣體供給部 21:第1爐內導入氣體供給部 22:第1爐內氣體供給控制裝置 23:第1供給閥 25:第2爐內導入氣體供給部 26:第2爐內氣體供給控制裝置 27:第2供給閥 29:爐內導入氣體導入配管 30:氣體流量輸出調整裝置 31:可程式化邏輯控制器 40:爐內氣體廢棄配管 41:廢氣燃燒分解裝置 110:氮化鋼構件(第1實施形態) 111:氮化化合物層 112:硬化層 113:擴散層 120:氮化鋼構件(第2實施形態) 121:氮化化合物層 122:硬化層 123:擴散層 160:氮化鋼構件(參考例1) 161:與氮化化合物層對應之區域 170:氮化鋼構件(參考例2) 171:與氮化化合物層對應之區域 201:爐壁或鐘罩 202:筒罐 203:攪拌扇 204:引導筒(內部筒罐) 205:氣體導入管 206:附喇叭管之排氣或氣罩 207:熱電偶 208:冷卻作業用蓋 209:冷卻作業用送風機 300:氮化鋼構件(比較例) 301:氮化化合物層 303:擴散層 401:振盪塊頂板 402a:扭轉感測器 402b:試驗片固定具 403a:上部試驗片固持器 404:垂直荷重軸
圖1係本發明之第1實施形態之氮化鋼構件之剖面顯微鏡照片。 圖2係表示圖1之氮化鋼構件之採用EBSD(Electron Back Scattered Diffraction Pattern，電子背向散射繞射)法而獲得之解析結果之圖。 圖3係本發明之第1實施形態之氮化鋼構件之再加熱處理前之狀態之剖面顯微鏡照片。 圖4係表示圖3之氮化鋼構件之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。 圖5係本發明之第2實施形態之氮化鋼構件之剖面顯微鏡照片。 圖6係表示圖5之氮化鋼構件之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。 圖7係本發明之第2實施形態之氮化鋼構件之再加熱處理前之狀態之剖面顯微鏡照片。 圖8係表示圖7之氮化鋼構件之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。 圖9係作為比較例之氮化鋼構件之剖面顯微鏡照片。 圖10係表示圖9之氮化鋼構件之採用EBSD法而獲得之解析結果之圖。 圖11係表示硬度之測定結果之曲線圖。 圖12係本發明之一實施形態之氮化鋼構件之製造裝置之概略圖。 圖13係循環型處理爐(橫置式氣體氮化爐)之概略剖視圖。 圖14係表示氣體導入控制之一例之曲線圖。 圖15係摩擦摩耗試驗中使用之試驗片之立體圖。 圖16係摩擦摩耗試驗中使用之SRV試驗機之立體圖。
110:氮化鋼構件(第1實施形態)
111:氮化化合物層
112:硬化層
113:擴散層

Claims (5)

  1. 一種氮化鋼構件，其特徵在於：以碳鋼或低合金鋼為母相，且 於表面具備氮化化合物層， 於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層， 於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層， 上述氮化化合物層具有ε相、γ'相、ε相之順序之相分佈， 上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為20%以上， 上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～50 μm之厚度。
  2. 一種氮化鋼構件，其特徵在於：以碳鋼或低合金鋼為母相，且 於表面具備氮化化合物層， 於上述氮化化合物層之下部包含具有沃斯田體組織之硬化層， 於上述硬化層之下部具備上述母相內擴散有氮之擴散層， 上述氮化化合物層具有γ'相、ε相之順序之相分佈， 上述氮化化合物層中之γ'相之體積比率為30%以上， 上述氮化化合物層具有自該氮化鋼構件之表面起算5 μm～30 μm之厚度。
  3. 如請求項1或2之氮化鋼構件，其中將碳含量以質量%計為0.1%以上之碳鋼作為母相。
  4. 一種氮化鋼構件之製造方法，其特徵在於：使用具備引導筒與攪拌翼之循環型處理爐，製造以碳鋼或低合金鋼為母相之氮化鋼構件，且 於氮化處理時，將上述循環型處理爐內之溫度範圍控制為610℃～660℃， 於上述氮化處理時，將上述循環型處理爐內之氮勢控制於0.15～0.6之範圍內， 於上述氮化處理後，進行急冷，進而進行再加熱處理。
  5. 一種氮化鋼構件之製造裝置，其特徵在於：包含具有引導筒與攪拌翼之循環型處理爐， 於氮化處理時，將上述循環型處理爐內之溫度範圍控制為610℃～660℃， 於上述氮化處理時，為了控制上述循環型處理爐內之氮勢，而將氨氣與氨分解氣體導入至上述循環型處理爐內， 上述循環型處理爐內之氮勢係藉由使上述氨分解氣體之爐內導入量固定且使上述氨氣之爐內導入量變化，而被控制為0.15～0.6之範圍內之目標氮勢。
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