(57)【要約】【課題】幅広い形状や大量の鋼製部品に対して深く均一な硬化層を得ることができる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法を提供する。【解決手段】表面改質装置１００は、クロム、モリブデンおよびアルミニウムなどの窒化物形成元素を少なくとも１種類以上添加した合金鋼材からなる合金鋼製部品９０に対して表面改質処理を行う処理炉１０１を備えている。表面改質装置１００は、処理炉１０１内をアンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６２０℃の雰囲気に維持した状態で合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上曝して表面に化合物層を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、
アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理手段を備えていることを特徴とする合金鋼製部品の表面改質装置。
【請求項２】
請求項１に記載した合金鋼製部品の表面改質装置において、
前記表面改質処理手段は、
前記温度が６２０℃であることを特徴する合金鋼製部品の表面改質装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した合金鋼製部品の表面改質装置において、
前記合金鋼製部品は、
尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質装置。
【請求項４】
窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質方法であって、
アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質方法。
【請求項５】
請求項４に記載した合金鋼製部品の表面改質方法において、
前記表面改質処理工程は、
前記温度が６２０℃であることを特徴する合金鋼製部品の表面改質方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載した合金鋼製部品の表面改質方法において、
前記合金鋼製部品は、
尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする合金鋼製部品の表面改質方法。
の表面改質方法。
【請求項７】
窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の製造方法であって、
アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に前記合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むことを特徴とする合金鋼製部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、四輪車や二輪車などの車両を構成する合金鋼製の各種機械部品においては、機械的に摺動する部分における耐摩耗性を向上させる目的で表面改質処理が施されている。例えば、下記特許文献１には、所謂イオン窒化処理（「プラズマ窒化処理」ともいう）によって鋼部品の表面を改質して耐摩耗性や耐衝撃性を向上させる熱処理方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１２５２２５号公報
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された表面改質方法においては、鋼製部品の表面改質をイオン窒化処理によって行っているため、ホロカソード効果やエッジ効果によって表面改質層（硬化層）を均一に生成することが困難であるとともに表面改質可能な部品が限定されるという問題があった。ここで、ホロカソード効果とは、合金鋼製部品に直径の小さな孔部が形成されている場合、この孔部内での放電が行われ難く表面改質層が不均一となる現象である。また、エッジ効果とは、合金鋼製部品に鋭角、直角または鈍角からなる角部が形成されている場合、この角部で放電が集中して表面改質層が不均一となる現象である。また、イオン窒化処理は、処理炉内において処理対象となる鋼製部品同士を離して配置しなければならないため、大量の鋼製部品の表面改質処理には不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、幅広い形状や大量の鋼製部品に対して深く均一な硬化層を得ることができる合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法を提供することにある。
【発明の概要】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理手段を備えていることにある。この場合、窒化物形成元素とは、窒素が浸透拡散することによって硬い窒化物を生成する元素であり、具体的には、クロム、モリブデンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１つである。また、窒化物形成元素を含む合金鋼材は、炭素鋼に対して前記窒化物形成元素をＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上添加したものであり、具体的には、クロムは０.３ｗｔ％以上、モリブデンは０.０８ｗｔ％以上、アルミニウムは０.１ｗｔ％以上である。
【０００７】
このように構成した本発明の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質装置は、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上の間曝す表面改質処理手段を含んで構成されている。これにより、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品の表面に対して２５μｍ以上の厚さの化合物層を安定的に形成することができることを確認した。すなわち、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によれば、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が漂う雰囲気中で表面改質処理が行われるため、幅広い形状の合金鋼製部品に対して深く均一な硬化層を形成することができる。また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置によれば、処理炉内において処理対象となる合金鋼製部品同士はアンモニアガスが行き渡る程度の間隔を介して配置すればよいため、イオン窒化処理に比べても大量の合金鋼製部品に対して効率的に表面改質処理を行うことができる。なお、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品に対する表面改質処理中においてはアンモニアガス濃度が一定であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の他の特徴は、前記合金鋼製部品の表面改質装置において、表面改質処理手段は、前記温度が６２０℃であることにある。
【０００９】
このように構成した本発明の他の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質装置は、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度が６２０℃に設定されているため、本発明者らの実験によれば、より安定的に硬化層を形成することができる。なお、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、６１０℃以上ないし６３０℃以下であればよいが、６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、さらには６２０℃が最も好適である。そして、これらの場合、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、処理中一定に保つことが望ましい。
【００１０】
また、本発明の他の特徴は、前記合金鋼製部品の表面改質装置において、合金鋼製部品は、尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むことにある。この場合、角部としては、例えば、鋭角、直角または鈍角で構成された部分や錘状に尖った形状が想定される。
【００１１】
このように構成した本発明の他の特徴によれば、合金鋼製部品の表面改質方法は、合金鋼製部品に尖った形状の角部または直径が８ｍｍ以下の孔部を含んで構成されている場合であっても均一な硬化層を形成することができる。
【００１２】
また、本発明は、合金鋼製部品の表面改質装置の発明として実施できるばかりでなく、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法の発明としても実施できるものである。
【００１３】
具体的には、合金鋼製部品の表面改質方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の表面改質を行う合金鋼製部品の表面改質装置であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むようにすればよい。
【００１４】
この場合、表面改質処理工程は、前記温度が６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、さらには６２０℃が最も好適である。
【００１５】
また、これらの場合、合金鋼製部品は、尖った形状の角部および直径が８ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含むとよい。
【００１６】
また、合金鋼製部品の製造方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材からなる合金鋼製部品の製造方法であって、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下の雰囲気中に合金鋼製部品を少なくとも１８０分以上曝して表面を改質する表面改質処理工程を含むようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法に用いられる合金鋼製部品の表面改質装置の装置構成の概略を示す模式図である。
【図２】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法が施される合金鋼製部品の構成の概略を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る合金鋼製部品の表面改質方法による合金鋼製部品の製造工程を示す流れ図である。
【図４】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって合金鋼製部品の表層に形成された硬化層の硬さと深さとの関係を示したグラフである。
【図５】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって表面改質処理を行う試料Ａ〜Ｅの化学成分値を示した表である。
【図６】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法によって試料Ａ〜Ｅの各表層に形成された化合物層の硬さを示したグラフである。
【図７】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｂの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。
【図８】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｃの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。
【図９】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｄの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。
【図１０】本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法を含む互いに異なる処理条件ごとに試料Ｅの表層に形成された化合物層の厚さを相対的に示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置、合金鋼製部品の表面改質方法および合金鋼製部品の製造方法の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法に用いられる合金鋼製部品の表面改質装置１００の装置構成の概略を示した模式図である。なお、本明細書において参照する各図は、本発明の理解を容易にするために一部の構成要素を誇張して表わすなど模式的に表している。このため、各構成要素間の寸法や比率などは異なっていることがある。この表面改質装置１００は、四輪車や二輪車などの車両を構成する合金鋼製の各種機械部品、例えば、クラッチなどの動力伝達装置を構成する円筒状のボス部品などの合金鋼製部品９０の表層に硬化層を形成して耐摩耗性を向上させるための表面改質処理を行う熱処理装置である。
【００１９】
まず、本発明に係る表面改質装置１００によって成形される合金鋼製部品９０について説明しておく。この合金鋼製部品９０は、車両におけるクラッチなどの動力伝達装置を構成する部品であり、炭素鋼に窒化物形成元素を添加した合金鋼材によって構成されている。この場合、炭素鋼に対して添加される窒化物形成元素は、窒素と結びついて窒化物を生成する少なくとも１種の元素であり、例えば、クロム、モリブデンおよびアルミニウムなどが相当する。また、これらの窒化物形成元素の添加量は、ＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上であり、具体的には、クロムであれば０.３ｗｔ％以上、モリブデンであれば０.０８ｗｔ％以上、アルミニウムであれば０.１ｗｔ％以上である。
【００２０】
この合金鋼製部品９０は、詳しくは図２に示すように、略円筒状に形成された本体部９１によって構成されている。本体部９１は、動力伝達装置を構成する他の部材が摺動する円筒状の摺動部９２と、この摺動部９２における一方（図示右側）の端部側から径方向外側に円板状に張り出したフランジ部９３によって構成されている。本体部９１における摺動部９２には、本体部９１の径方向に貫通した状態で貫通孔９４が形成されている。この貫通孔９４は、直径が８ｍｍに形成されている。
【００２１】
この表面改質装置１００は、処理炉１０１を備えている。処理炉１０１は、合金鋼製部品９０の表面改質処理を行うために気密的に形成された略円筒状の容器であり、合金鋼製部品９０の処理温度である６２０℃に耐えられる材料、例えば、セラミック材で構成されている。この処理炉１０１は、主として、主室１０１ａと待機室１０１ｂとで構成されている。
【００２２】
これらのうち、主室１０１ａは合金鋼製部品９０の表面改質処理を行うための空間であり、待機室１０１ｂは主室１０１ａに合金鋼製部品９０を出し入れする際に合金鋼製部品９０を待機させておくための空間であり外部に向かって開閉する解放扉１０１ｃを備えて構成されている。そして、これらの主室１０１ａと待機室１０１ｂとの間には、両部屋間を開閉自在仕切る仕切り壁１０１ｄが設けられている。また、これらの主室１０１ａと待機室１０１ｂとの間には、後述する制御装置１１１による作動制御によって待機室１０１ｂと主室１０１ａ内との間で合金鋼製部品９０を相互に搬送する搬送機構１０１ｅを備えている。なお、図１においては、仕切り壁１０１ｃを破線で示すとともに、待機室１０１ｂ内の搬送機構１０１ｅおよび合金鋼製部品９０をそれぞれ二点鎖線で示している。
【００２３】
処理炉１０１の外周面の外側には、加熱器１０２が設けられている。加熱器１０２は、処理炉１０１における主室１０１ａ内を前記処理温度である６２０℃まで加熱するとともに同温度を維持するための電気ヒータである。この加熱器１０２は、制御装置１１１によって作動が制御される。
【００２４】
また、処理炉１０１には、メインガス供給管１０３、サブガス供給管１０６および排気管１０９がそれぞれ接続されている。メインガス供給管１０３は、処理炉１０１内にアンモニアガス（図示せず）を導くための配管である。このメインガス供給管１０３の上流側には、流量調整器１０４を介してメインガスボンベ１０５に接続されている。流量調整器１０４は、処理炉１０１内に導入するアンモニアガスの流量を調整するための機器であり、液体アンモニアを気化する気化器（図示せず）および気化したアンモニアガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）などを備えて構成されている。この流量調整器１０４は、制御装置１１１によって作動が制御される。メインガスボンベ１０５は、液体のアンモニアを貯留するための容器である。
【００２５】
サブガス供給管１０６は、処理炉１０１内に窒素ガス（図示せず）を導くための配管である。このサブガス供給管１０６の上流側には、流量調整器１０７を介してサブガスボンベ１０８が接続されている。流量調整器１０７は、前記流量調整器１０４と同様に、処理炉１０１内に導入する窒素ガスの流量を調整するための機器であり、液体窒素を気化する気化器（図示せず）および気化した窒素ガスの流量を調整する流量調整弁（図示せず）などを備えて構成されている。この流量調整器１０７は、制御装置１１１によって作動が制御される。サブガスボンベ１０８は、液体の窒素を貯留するための容器である。
【００２６】
排気管１０９は、処理炉１０１内のガスを処理炉１０１の外に導くための配管である。この排気管１０９の下流側には、処理炉１０１内から導かれた排気ガスを脱臭および燃焼処理する排ガス処理装置１１０が接続されている。
【００２７】
制御装置１１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどからなるマイクロコンピュータによって構成されているとともに、作業者からの指示を入力するための入力装置（図示せず）および作業者に対して表面改質装置１００の作動状況を表示するための表示装置（図示せず）を備えている。この制御装置１１１は、作業者の指示に従ってＲＯＭなどの記憶装置に予め記憶されたプログラムを実行することにより、表面改質装置１００の各種作動を制御する。具体的には、制御装置１００は、作業者からの指示に従って加熱器１０２、流量調整装置１０４，１０７および排ガス処理装置１１０の各作動を制御する。また、この表面改質装置１００には、処理炉１０１内の温度およびアンモニアガスの濃度を測定して制御装置１１１に出力する温度センサ１１２ａおよび濃度センサ１１２ｂをそれぞれ備えている。
【００２８】
（表面改質装置１００の作動）
次に、上記のように構成した表面改質装置１００を用いた合金鋼製部品９０への表面改質処理について図３に示す工程流れ図を参照しながら説明する。ここで図３は、合金鋼製部品９０を製造する製造工程を示す流れ図である。
【００２９】
合金鋼製部品９０を製造する作業者は、まず、第１工程として、合金鋼製部品９０を成形する。具体的には、作業者は、図示しない工作機械などの機械加工設備を用いて合金鋼材を切削加工、溶接加工および研削加工を通じて本体部９１、摺動部９２、フランジ部９３および貫通孔９４の成形をそれぞれ行う。この場合、本実施形態においては、合金鋼製部品９０に対して焼き入れ処理などの熱処理は行なわないが、本発明に係る表面改質処理の前または後の工程において焼き入れ処理などの熱処理を行うことも可能である。
【００３０】
次に、作業者は、第２工程として、合金鋼製部品９０に対して表面改質処理を行う。この場合、表面改質処理は、合金鋼製部品９０の表層に窒化物で構成される硬化層を形成する処理である。具体的には、作業者は、制御装置１１１を操作して処理炉１０１における仕切り壁１０１ｄを閉じて主室１０１ａ内を気密室とした後、前記機械加工によって成形された合金鋼製部品９０を待機室１０１ｂ内に開閉扉１０１ｃを介して合金鋼製部品９０を配置する。この場合、作業者は、複数の合金鋼製部品９０を配置する場合には、各合金鋼製部品９０をアンモニアガスが行き渡る間隔を介して配置する。
【００３１】
次いで、作業者は、制御装置１１１を操作することにより、処理炉１０１における主室１０１ａ内にアンモニアガスおよび窒素ガスを導入するとともに処理炉１０１を加熱する。この場合、作業者は、処理炉１０１の主室１０１ａ内を占めるガスのうち、８０％以上をアンモニアガスが占めるとともに残余を窒素ガスが占めるように主室１０１ａ内にアンモニアガスおよび窒素ガスを導入させる。また、作業者は、処理炉１０１の主室１０１ａ内の温度を６２０℃になるように加熱させる。
【００３２】
次に、作業者は、処理炉１０１における主室１０１ａ内におけるアンモニアガスの濃度が８０％かつ主室１０１ａ内の温度が６２０℃以上の雰囲気になった場合には、制御装置１１１を操作することによって待機室１０１ｂ内の合金鋼製部品９０を主室１０１ａ内に移動させる。この後、作業者は、制御装置１１１を操作することにより処理炉１０１における主室１０１ａ内の雰囲気を維持、具体的には、主室１０１ａ内におけるアンモニアガスの濃度を８０％かつ主室１０１ａ内の温度を６２０℃の一定にそれぞれ維持した雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分の間曝す。すなわち、この処理炉１０１が、本発明に係る表面改質処理手段に相当する。
【００３３】
これにより、処理炉１０１における主室１０１ａ内においては、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が合金鋼部品９０の表層に浸透して硬化層を生成する。具体的には、合金鋼製部品９０の表層には、最表面から順に化合物層および拡散層からなる硬化層が生成される。この場合、合金鋼製部品９０に対する表面改質処理は、主室１０１ａを漂う窒素が合金鋼製部品９０に接触することによって行われるため、貫通孔９４の内部やフランジ部９２などの角部に対してもムラなく均一な硬化層の生成が行われる。
【００３４】
処理炉１０１の主室１０１ａ内における前記雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上曝した後において作業者は、制御装置１１１を操作することにより処理炉１０１へのアンモニアガスおよび窒素ガスの供給をそれぞれ停止するとともに同処理炉１０１内の加熱を停止させる。そして、作業者は、処理炉１０１内の温度が所定の温度（例えば、１５０℃）未満にまで低下した後、処理炉１０１内から合金鋼製部品９０を取り出す。
【００３５】
ここで、処理炉１０１から取り出した合金鋼製部品９０の表層における硬度状態について説明しておく。図４は、所謂窒化物形成元素を含む合金鋼製部品９０の表層からの距離に対する硬度変化の一例を示したグラフである。この図４によれば、合金鋼製部品９０は、表面から約２５μｍまでの厚さにおいて６６０ＨｍＶから８８０ＨｍＶを経て７８０ＨｍＶの硬さの化合物層が形成されるとともに、この化合物層から下層に向かって０.２ｍｍまでの深さにおいて拡散層が形成されていることを確認できる。これは、合金鋼製部品９０の表面に対してＪＩＳ（日本工業規格）に規定されるクロムめっきと同等以上の硬度（７５０ＨｍＶ以上）を有する化合物層を形成できたことになる。
【００３６】
次に、作業者は、第３工程として、仕上げ加工を行う。具体的には、作業者は、処理炉１０１から取り出した合金鋼製部品９０を所定の寸法または表面粗さに成形するために外表面に対して研削加工を行う。この場合、合金鋼製部品９０の表面には２５μｍ以上の厚さの化合物層が形成されているため、作業者は充分な加工取り代によって容易に所定の寸法または表面粗さに加工することができる。
【００３７】
ここで、本発明者らによる実験結果について説明しておく。図５は、本実験に用いた試料Ａ〜Ｅの化学成分値を示したものである。また、図６は、前記図５に示す各試料Ａ〜Ｅに対して前記実施形態と同様の表面改質処理を施した場合における各試料Ａ〜Ｅの表面硬度の測定結果を示している。この図６においては、合金鋼製部品９０が部品の仕様として必要とされる硬度を満たした試料Ｂの硬度を１００％として他の試料Ａ，Ｃ〜Ｅの硬度を表している。この図６に示す実験結果によれば、化合物層が必要な硬度を得るためには、合金鋼製部品０９は窒化物形成元素を含む合金鋼材で構成される必要があることを確認できる。
【００３８】
次に、図７〜図１０は、前記図５に示す各試料Ａ〜Ｅのうち、試料Ｂ〜Ｅに対して従来条件、温度変更条件、時間変更条件、濃度変更条件および本発明条件によって表面改質処理をそれぞれ行った場合における各試料Ｂ〜Ｅの化合物層厚さの測定結果を示している。この図７〜図１０においては、試料Ｂに対して従来条件の表面改質処理を行った場合における化合物層厚さに対して６０％増の化合物層厚さを目標値（達成率１００％）として他の試料Ｃ〜Ｅの化合物層厚さを表している。
【００３９】
また、この本実験において、従来技術とは、従来のガス窒化処理であり、具体的には、温度が５３０〜５８０℃、処理時間が６０〜１８０分および炉内におけるアンモニアガス濃度が３０〜５０％の雰囲気で合金鋼製部品９０を所謂ガス軟窒化処理するものである。この従来技術における硬度は一般的に３５０ＨｍＶ以上、化合物層の厚さは８μｍ〜１５μｍ程度である。
【００４０】
また、温度変更条件とは、従来条件に対して温度条件のみ本発明における温度条件である６２０℃に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、時間変更条件とは、従来条件に対して時間条件のみ本発明における時間条件である１８０分以上に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、濃度変更条件とは、従来条件に対して主室１０１ａ内を閉めるガスの濃度条件のみ本発明におけるガスの濃度条件であるアンモニアガスが８０％以上に変更した処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。また、本発明条件とは、前記実施形態における処理条件、すなわち、温度が６２０℃、処理時間が１８０分以上およびアンモニア濃度が８０％以上の処理条件で合金鋼製部品９０を処理するものである。
【００４１】
これらの図７〜図１０に示す各実験結果によれば、本発明における処理条件によって形成した化合物層の厚さは、本発明における処理条件における温度条件、時間条件およびアンモニア濃度条件をそれぞれ部分的に採用した各処理条件によって形成された化合物層の厚さに比べて明らかに厚く形成できることが確認できる。すなわち、本発明によって形成される化合物層の厚さは、本発明における処理条件を部分的に採用した処理条件では実現することができず、本発明における温度条件、時間条件およびアンモニア濃度条件のすべての条件を含んだ処理条件を実行することによって始めて達成されるものである。
【００４２】
また、本発明に係る表面改質処理によって形成される硬化層の厚さの従来比は前記試料Ｂ〜Ｅの試料に対する実験結果によれば、化合物層の増加率は１.９倍〜２.５倍であり、拡散層の増加率は１.２倍〜１.６倍である。この場合、化合物層と拡散層とは、化合物層の増加に伴って拡散層も増加するが、増加率自体の大きさは化合物層の増加率に比べて拡散層の増加率は小さい。すなわち、本発明に係る表面改質処理によれば、合金鋼製部品９０の内部の母材、より具体的にはじん性を有する部分の改質を抑えつつ表面に形成される化合物層の厚さを増加させることができる。したがって、本発明に係る表面改質処理は、内部にじん性を有しつつ表面に耐摩耗性が求められる機械部品に特に有用である。
【００４３】
なお、本発明に係る表面改質処理によって前記試料Ｂ〜Ｅの試料の表面に形成された化合物層の厚さは２５μｍ〜３３μｍであり、これは、従来のガス窒化処理による化合物層の厚さに比べて従来のクロムモリブデン鋼材に対する浸炭焼入れおよびクロムメッキ処理を施した熱処理品や、中炭素鋼材に対する高周波焼入れおよびクロムメッキ処理を施した熱処理品における各硬化層の深さにそれぞれ迫る厚い層である。
【００４４】
上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、合金鋼製部品の表面改質装置１００は、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６２０℃の雰囲気中に合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分以上の間曝す処理炉１０１を備えて構成されている。これにより、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品９０の表面に対して２５μｍ以上の厚さの化合物層を安定的に形成することができることを確認した。すなわち、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００によれば、アンモニアガスの熱分解によって生じた窒素が漂う雰囲気中で表面改質処理が行われるため、幅広い形状の合金鋼製部品９０に対して深く均一な硬化層を形成することができる。また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質装置９０によれば、処理炉１０１内において処理対象となる合金鋼製部品９０同士はアンモニアガスが行き渡る程度の間隔を介して配置すればよいため、イオン窒化処理に比べても大量の合金鋼製部品９０に対して効率的に表面改質処理を行うことができる。
【００４５】
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００４６】
例えば、上記実施形態においては、処理炉１０１の主室１０１ａ内のガスの濃度についてアンモニアガスが８０％以上を占めるとともに残余を窒素ガスが占めるように構成した。しかし、主室１０１ａ内のガスの濃度は、アンモニアガスが少なくとも８０％以上占めれば、必ずしも上記実施形態に限定されるものではない。したがって、主室１０１ａ内をアンモニアガスのみで占めるように構成してもよい。また、主室１０１ａ内のガスの濃度の８０％以上をアンモニアガスで占めるとともに、残余を窒素ガスに代えてまたは加えて他のガス、例えば、炭素ガスや水素ガスで占めるように構成してもよい。これらの場合、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品９０に対する表面改質処理中においてはアンモニアガス濃度を一定に維持することが好ましい。
【００４７】
また、上記実施形態においては、処理炉１０１における主室１０１ａ内を６２０℃に加熱し維持した状態で合金鋼製部品９０の表面改質処理を行った。しかし、本発明者らの実験によれば、本発明における表面改質処理の温度条件は、６２０℃に対して±１０℃の範囲内、すなわち、６１０℃以上かつ６３０℃以下の範囲であれば本発明の効果を発揮することを確認するとともにこれらの温度範囲外では本発明の効果を十分に発揮することができないことを確認した。そして、本発明者らによる実験によれば、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、６１５℃以上ないし６２５℃以下の温度がより好適であり、最も効果的な温度条件は６２０℃であることを確認した。そして、これらの場合、合金鋼製部品を曝す雰囲気の温度は、処理中一定に保つことが望ましことも確認した。
【００４８】
また、上記実施形態においては、合金鋼製部品９０は、自走式車両におけるクラッチなどの動力伝達装置の構成部品とした。しかし、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００は、合金鋼で構成される機械部品に広く適用できるものである。この場合、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００は、先端部が先細りの尖った形状、例えば、錐状のほか鋭角、直角または鈍角で構成される角部および直径が８ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは４ｍｍ以下の孔部のうちの少なくとも一方を含む合金鋼製部品９０に対しても厚く均一な化合物層を形成することができ好適である。また、合金鋼製部品９０の全部または一部に機械的に摺動する部分が存在する合金鋼製部品９０に対しては、本発明に係る合金鋼製部品９０の表面改質装置１００によって形成される硬化層（化合物層）が従来の硬化層形成処理による硬化層、具体的には、高周波焼き入れまたは浸炭焼き入れ後の硬質クロムメッキ処理による硬化層に比べて簡単かつ短時間に形成することができ有効である。
【００４９】
また、上記実施形態においては、表面改質装置１００は、合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分の間アンモニアガスの濃度を８０％かつ主室１０１ａ内の温度を６２０℃の一定にそれぞれ維持した雰囲気中に曝した。これは、本発明者らの実験によれば、合金鋼製部品９０への表面改質処理が１８０分未満では、本発明の効果を十分に発揮することができないことを確認したことによる。したがって、表面改質装置１００は、合金鋼製部品９０を少なくとも１８０分間、アンモニアガスの濃度が８０％以上かつ温度が６１０℃以上ないし６３０℃以下に維持した雰囲気中に曝す必要がある。
【００５０】
また、本発明に係る合金鋼製部品の表面改質方法は、窒化物形成元素を含む合金鋼材に広く適用できるものである。この場合、窒化物形成元素を含む合金鋼材としては、クロム、モリブデンおよびアルミニウムのうちの少なくとも１種をＪＩＳ規格（日本工業規格）で定める最少量以上含む鋼材であり、例えば、クロム合金鋼、クロムモリブデン鋼、窒化鋼の他、アルミニウムを０.１〜０.３ｗｔ％含んだ炭素鋼、クロム合金鋼またはクロムモリブデン鋼がある。
【符号の説明】
【００５１】
９０…合金鋼製部品、９１…本体部、９２…摺動部、９３…フランジ部、９４…貫通孔、
１００…表面改質装置、
１０１…処理炉、１０１ａ…主室、１０１ｂ…待機室、１０１ｃ…開閉扉、１０１ｄ…仕切り壁、１０１ｅ…搬送機構、１０２…加熱器、１０３…メインガス供給管、１０４…流量調整器、１０５…メインガスボンベ、１０６…サブガス供給管、１０７…流量調整器、１０８…サブガスボンベ、１０９…排気管、１１０…排ガス処理装置、１１１…制御装置、１１２ａ…温度センサ、１１２ｂ…濃度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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