(57)【要約】【課題】余分な工程や設備を設けなくても密着性の高い窒化層を迅速に形成することができ、耐摩耗性に優れた窒化部材の提供。【解決手段】クレードル９、ピストン６、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材である鋼に対して窒化処理を施し、これらの母材の表面に窒化層が形成された窒化部材において、窒化層は、最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層と、このγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成され、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間の範囲にあるε−Ｆｅ３Ｎ層とから成る。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材である鋼に対して窒化処理を施し、前記母材の表面に窒化層が形成された窒化部材において、
前記窒化層は、
最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層と、
このγ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記母材との間に形成され、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記母材との間の範囲にあるε−Ｆｅ３Ｎ層とから成ることを特徴とする窒化部材。
【請求項２】
請求項１に記載の窒化部材において、
前記母材は、成分組成として、Ｃ：０．２５〜０．６０重量％、Ｍｎ：７．０〜１２．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物元素を含有することを特徴とする窒化部材。
【請求項３】
請求項２に記載の窒化部材において、
前記母材は、成分組成として、Ｓ：０．０３重量％以下を含有することを特徴とする窒化部材。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化部材において、
前記窒化層の前記γ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記ε−Ｆｅ３Ｎ層との構成配分として、前記ε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％〜３０％としたことを特徴とする窒化部材。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化部材において、
斜板と、この斜板を揺動可能に支持するクレードルとを備えた液圧回転機に適用され、
前記母材は前記クレードルから成り、前記クレードルの表面のうち前記斜板と摺動する面に前記窒化層が形成されたことを特徴とする窒化部材。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化部材において、
回転軸と、この回転軸の回転に伴って回転するシリンダブロックと、このシリンダブロックのシリンダに収容されるピストンとを備えた液圧回転機に適用され、
前記母材は前記ピストンから成り、前記ピストンの表面のうち前記シリンダと摺動する面に前記窒化層が形成されたことを特徴とする窒化部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材である鋼の表面に窒化層が形成された窒化部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、油圧ショベル等の建設機械は、油圧によって駆動するピストンやロータ等の油圧部品を備えている。このような油圧部品は、母材として鋼が用いられており、各部品の表面同士が互いに摺動することから高負荷がかかった状態となっている。そのため、各部品の表面が摩耗するので、これを防止するために各部品の表面に対して、例えば窒化処理や軟窒化処理を施すことにより、窒化層を形成して耐摩耗性を向上させている。
【０００３】
具体的には、母材である鋼の表面に窒化処理が施されると、通常、窒化層として最表面にε−Ｆｅ３Ｎ層、このε−Ｆｅ３Ｎ層と母材との間にγ’−Ｆｅ４Ｎ層が形成される。ここで、窒化層の窒化組織のうち最表面に形成される層は、できる限り窒素濃度及び硬度が高く、ヤング率が低いことが望まれる。しかし、最表面に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層は比較的高硬度であるが、ポーラス層が生成し易く、また結晶粒が粗い等の問題点が挙げられ、窒化層の窒化組織の適正化が求められている。
【０００４】
そこで、窒化層の窒化組織の適正化を図る従来技術の１つとして、母材を窒化処理した後に、母材の最表面に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層を研削し、最表面に現れた残りのγ’−Ｆｅ４Ｎ層上にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層を形成するＤＬＣコーティングを施すことにより、潤滑性に優れたＤＬＣ層の存在によって下地である母材同士の接触を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、他の従来技術の１つとして、窒化工程の前に母材の表面の酸化膜をフッ化膜に置き換える表面活性化処理を行った後、母材の表面に窒化処理を施すニューガス窒化処理（ＮＶ窒化処理）方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このニューガス窒化処理（ＮＶ窒化処理）方法を用いることにより、窒化処理を行う際の窒化温度を下げて母材の表面に窒化層として微細なγ’−Ｆｅ４Ｎ層だけを生成させることが従来より行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３１１４４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】三菱重工技報  ＶＯＬ．４５  ＮＯ．３：２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示された従来技術のＤＬＣコーティングを施す方法では、上述したように母材に窒化処理を行うと、窒化層の最表面に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層の研削工程、及びＤＬＣコーティング工程等の余分な工程が必要となるので、コストが上昇することが問題になっている。また、仮に油圧部品の母材に窒化処理を行った後、ε−Ｆｅ３Ｎ層の研削工程及びＤＬＣコーティング工程が実施されても、ＤＬＣコーティングによりγ’−Ｆｅ４Ｎ層上に形成されたＤＬＣ被膜は、基材との密着性が低いので、油圧部品の使用時に表面のＤＬＣ被膜がγ’−Ｆｅ４Ｎ被膜と共に母材から容易に剥がれることが懸念されている。
【０００９】
非特許文献１に開示された従来技術のニューガス窒化処理（ＮＶ窒化処理）方法では、高価な前洗浄設備が必要な上、母材の表面にγ’−Ｆｅ４Ｎ層だけを生成させるためには、窒化処理の処理温度を下げる必要があるので、窒化処理にかかる時間が長くなることが問題になっている。また、このような通常の処理温度よりも低温で生成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層は窒素濃度が低くなる傾向があるので、これに伴って表面の硬度も低くなる虞がある。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、余分な工程や設備を設けなくても密着性の高い窒化層を迅速に形成することができ、耐摩耗性に優れた窒化部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の窒化部材は、母材である鋼に対して窒化処理を施し、前記母材の表面に窒化層が形成された窒化部材において、前記窒化層は、最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層と、このγ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記母材との間に形成され、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記母材との間の範囲にあるε−Ｆｅ３Ｎ層とから成ることを特徴としている。
【００１２】
このように構成した本発明は、母材である鋼に対して窒化処理を施して形成された窒化層がγ’−Ｆｅ４Ｎ層とε−Ｆｅ３Ｎ層とから成っており、このε−Ｆｅ３Ｎ層よりも窒素濃度及び硬度が高く、ヤング率が低いγ’−Ｆｅ４Ｎ層が最表面に現れるので、耐摩耗性を十分に向上させることができる。特に、本発明は、γ’−Ｆｅ４Ｎ層だけを生成させる必要がなく、処理温度を下げて窒化処理を行わなくても良いので、母材に窒化層を迅速に形成することができ、しかも窒化層のγ’−Ｆｅ４Ｎ層の窒素濃度及び硬度を高く維持することができる。
【００１３】
さらに、γ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成されるε−Ｆｅ３Ｎ層は、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間の範囲にあるので、γ’−Ｆｅ４Ｎ層が母材上に直接形成されるよりも、ε−Ｆｅ３Ｎ層が中間層として介在することで窒化層と母材との密着性を高めることができる。
【００１４】
このように、窒化層としてγ’−Ｆｅ４Ｎ層の他にε−Ｆｅ３Ｎ層を有効に活用することにより、窒化層組織の適正化を図るために他の処理に費やす余分な工程や設備を設けなくて済むので、窒化部材の製造を効率良く行うことができ、製造コストを抑えることができる。
【００１５】
また、本発明に係る窒化部材は、前記発明において、前記母材は、成分組成として、Ｃ：０．２５〜０．６０重量％、Ｍｎ：７．０〜１２．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物元素を含有することを特徴としている。
【００１６】
このように構成した本発明は、母材に含まれるＭｎの含有量を７．０〜１２．０重量％に調整して窒化処理を施すことにより、窒化部材における耐摩耗性と窒素濃度との関係、窒化層のε−Ｆｅ３Ｎ層とγ’−Ｆｅ４Ｎ層の機械的物性及び結晶学的性質を考慮した上で、表面側からγ’−Ｆｅ４Ｎ層、ε−Ｆｅ３Ｎ層の順に所望の層を容易に形成することができる。
【００１７】
また、本発明に係る窒化部材は、前記発明において、前記母材は、成分組成として、Ｓ：０．０３重量％以下を含有することを特徴としている。このように構成すると、通常、母材へのＭｎの添加量が増大するにつれて靭性が低下することになるが、母材の成分に含まれるＳの含有量を０．０３重量％以下に制限することにより、仮にＭｎの添加量が増えても靭性の低下を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明に係る窒化部材は、前記発明において、前記窒化層の前記γ’−Ｆｅ４Ｎ層と前記ε−Ｆｅ３Ｎ層との構成配分として、前記ε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％〜３０％としたことを特徴としている。
【００１９】
このように構成した本発明は、ε−Ｆｅ３Ｎ層はγ’−Ｆｅ４Ｎ層と比較してポーラス層が生成され易いので、窒化層のうちε−Ｆｅ３Ｎ層の割合が高い程、硬度が低くなり、窒化層のうちε−Ｆｅ３Ｎ層の割合が低い程、窒化層と母材との密着性が低くなる。そのため、本発明は、窒化層のγ’−Ｆｅ４Ｎ層とε−Ｆｅ３Ｎ層との構成配分として、ε−Ｆｅ３Ｎ層の割合が２０％〜３０％の範囲に収まるように調整することにより、ポーラス層が過剰に生成されることを抑制して窒化層全体での硬度を高く維持しつつ、窒化層と母材との密着性も十分に確保することができる。
【００２０】
また、本発明に係る窒化部材は、前記発明において、斜板と、この斜板を揺動可能に支持するクレードルとを備えた液圧回転機に適用され、前記母材は前記クレードルから成り、前記クレードルの表面のうち前記斜板と摺動する面に前記窒化層が形成されたことを特徴としている。
【００２１】
このように構成した本発明は、斜板がその傾きを変化させることにより、液圧回転機の容量を変化させることができるが、斜板はクレードルに揺動可能に支持されているので、液圧回転機の容量を変える度に斜板がクレードルに摺動することになり、斜板とクレードルの摺動面に高負荷がかかった状態となる。このような状態であっても、クレードルの表面のうち斜板と摺動する面には窒化層が形成されているので、この窒化層が緩衝剤として機能することにより、斜板及びクレードルが互いに及ぼす力の影響を緩和することができる。これにより、斜板及びクレードルの寿命を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明に係る窒化部材は、前記発明において、回転軸と、この回転軸の回転に伴って回転するシリンダブロックと、このシリンダブロックのシリンダに収容されるピストンとを備えた液圧回転機に適用され、前記母材は前記ピストンから成り、前記ピストンの表面のうち前記シリンダと摺動する面に前記窒化層が形成されたことを特徴としている。
【００２３】
このように構成した本発明は、シリンダブロックが回転軸と共に回転することにより、ピストンがシリンダ内で回転軸に沿って往復移動を繰返すので、ピストンがシリンダに摺動し、ピストンとシリンダの摺動面に高負荷がかかった状態となる。このような状態であっても、ピストンの表面のうちシリンダと摺動する面には窒化層が形成されているので、この窒化層が緩衝剤として機能することにより、ピストン及びシリンダが互いに及ぼす力の影響を緩和することができる。これにより、ピストン及びシリンダの寿命を向上させることができる。特に、本発明はピストンの表面に窒化層を形成するようにしたので、シリンダブロックのシリンダの内側に窒化処理を施して窒化層を形成するよりも、窒化処理の作業を容易に進めることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の窒化部材によれば、その窒化層がγ’−Ｆｅ４Ｎ層及びε−Ｆｅ３Ｎ層の２層を含み、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間の範囲にあるε−Ｆｅ３Ｎ層を、γ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成して有効に活用しているので、余分な工程や設備を設けなくても密着性の高い窒化層を迅速に形成することができる。そして、ε−Ｆｅ３Ｎ層よりも窒素濃度及び硬度が高く、ヤング率が低いγ’−Ｆｅ４Ｎ層が窒化層の最表面に現れるので、耐摩耗性を向上させることができる。これにより、従来よりも優れた実用性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る窒化部材の一実施形態が適用される液圧回転機の一例として挙げた可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプの構成を示す図である。
【図２】（ａ）図は従来技術の窒化部材の構成を示す図、（ｂ）図は本発明に係る窒化部材の一実施形態の構成を示す図である。
【図３】窒化処理における窒化温度が５７０℃におけるＦｅ−Ｍｎ−Ｎの３元状態図である。
【図４】窒化処理における窒化温度が４００℃におけるＦｅ−Ｍｎ−Ｎの３元状態図である。
【図５】左図は従来技術の窒化部材の各層とヤング率及び硬度との関係を示す図、右図は本実施形態に係る各層とヤング率及び硬度との関係を示す図である。
【図６】従来技術の窒化部材及び本実施形態に係る窒化部材の応力振幅Ｓと繰返し回数Ｎとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る窒化部材を実施するための形態を図に基づいて説明する。
【００２７】
本発明に係る窒化部材の一実施形態は、例えば建設機械に備えられる油圧ポンプ及び油圧モータ等の液圧回転機に適用される。本実施形態では、この液圧回転機は、例えば図１に示すように可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプ（以下、便宜的に斜板式ポンプ１と呼ぶ）から成っている。
【００２８】
この斜板式ポンプ１は、例えば外殻を形成するケーシング２と、このケーシング２の中央部において軸線周りに回転可能に設けられた回転軸３と、この回転軸３の回転に伴って回転するシリンダブロック４と、このシリンダブロック４のシリンダ５に収容されるピストン６と、このピストン６の端部に摺動可能に保持され、シリンダブロック４と共に回転するシュー７と、このシュー７が摺接する斜板８と、この斜板８を揺動可能に支持するクレードル９とを備えている。
【００２９】
ケーシング２は、回転軸３及びシリンダブロック４等の各部材を覆う筒状のケーシング本体２Ａと、このケーシング本体２Ａの両端側を閉塞するフロントケーシング２Ｂ及びリヤケーシング２Ｃとから成っている。さらに、リヤケーシング２Ｃは、シリンダブロック４内に作動油を供給あるいは排出する一対の給排通路１５Ａ，１５Ｂを有している。これらの給排通路１５Ａ，１５Ｂは、作動油の吸込側及び吐出側に設けられた配管等（図示せず）に接続されている。そして、リヤケーシング２Ｃとシリンダブロック４との間には、作動油の出入りを規制する弁板１６が介装されている。
【００３０】
また、斜板式ポンプ１は、シュー７とピストン６のフロントケーシング２Ｂ側の端部との間に位置して回転軸３に挿通され、シュー７を挿通して斜板８の摺動面に押圧する挿通穴を有する環状平板のリテーナ１７と、このリテーナ１７とシリンダブロック４との間に位置して回転軸３に挿嵌され、外周面によってリテーナ１７を斜板８に向けて押圧するリテーナガイド（図示せず）とを備えている。
【００３１】
回転軸３は、フロントケーシング２Ｂとリヤケーシング２Ｃとの間に軸受２０Ａ，２０Ｂ等を介して回転可能に支持されている。また、回転軸３は、フロントケーシング２Ｂから軸線方向に突出する突出端３Ａが形成されており、この突出端３Ａ側が、例えばエンジン等の原動機（図示せず）によって回転駆動されるようになっている。
【００３２】
シリンダブロック４は、回転軸３の外周側にスプライン結合されると共に、両端面のうちフロントケーシング２Ｂ側の一端が斜板８に対向して配置され、両端面のうちリヤケーシング２Ｃ側の他端は弁板１６に摺接するようになっている。これにより、シリンダブロック４は、回転軸３の軸線方向に対して位置が固定され、回転軸３の軸線周りに回転可能になっている。
【００３３】
そして、斜板式ポンプ１は、エンジン等の原動機が駆動することで回転軸３がシリンダブロック４と共に一体に回転することにより、リテーナガイド及びリテーナ１７によってシュー７が斜板８側へ押し付けられた状態で斜板８上を回転軸３の軸線周りに摺動しながら、ピストン６がシリンダ５内で回転軸３の軸線方向に沿って往復移動を繰返し、吸込側の給排通路１５Ｂから弁板１６を介してシリンダブロック４内へ流入した作動油を高圧の圧油として吐出側の給排通路１５Ａへ吐出するようにしている。また、斜板式ポンプ１は、斜板８がクレードル９に摺動しながらその傾転角を変化させることにより、作動油の吐出量を増減するようにしている。
【００３４】
従って、このように構成される斜板式ポンプ１は、少なくともピストン６とシリンダ５、斜板８とクレードル９、リテーナ１７とリテーナガイド、及びリテーナ１７とシュー７との間でその表面同士が互いに摺動することから、これらの各摺動面に対して高負荷がかかった状態となっている。
【００３５】
そこで、本実施形態は、斜板式ポンプ１が建設機械に組み込まれる前に予めクレードル９、ピストン６、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材の鋼に対して窒化処理を施すことにより、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、リテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に窒化層を形成させるようにしている。
【００３６】
以下、上述したように本実施形態に係る母材の成分組成、この母材の表面に形成される窒化層の構成、及び窒化処理を図２〜６に基づいて詳細に説明する。
【００３７】
本実施形態に係る母材は、成分組成として、例えばＣ：０．２５〜０．６０重量％、Ｍｎ：７．０〜１２．０重量％、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物元素を含有している。
【００３８】
また、上述した窒化処理は、母材が炉内に配置された後、炉内の温度範囲、炉内の残留ＮＨ３濃度、及び処理時間が定められた窒化条件の下、実施される。本実施形態では、窒化条件として、例えば炉内の温度範囲は４００℃より大きく６００℃未満、炉内の残留ＮＨ３濃度は４０％より大きく８０％未満に設定されており、処理時間は目標有効硬化深さに応じて適宜に設定される。
【００３９】
そして、このように設定された窒化条件の下で作製された本実施形態に係る窒化層は、最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層と、このγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成され、窒素濃度、硬度、及びヤング率（図５参照）がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間の範囲にあるε−Ｆｅ３Ｎ層とから成っている。
【００４０】
すなわち、図２（ａ）に示すように従来技術の窒化部材は、表面側からε−Ｆｅ３Ｎ層（窒化層）、γ’−Ｆｅ４Ｎ層（窒化層）、母材（拡散層）の順に窒化条件に応じた体積比率で各層が形成されているのに対して、図２（ｂ）に示すように本実施形態に係る窒化部材は、表面側からγ’−Ｆｅ４Ｎ層（窒化層）、ε−Ｆｅ３Ｎ層（窒化層）、母材（拡散層）の順に窒化条件に応じた体積比率で各層が形成されている。
【００４１】
また、本実施形態では、窒化層のγ’−Ｆｅ４Ｎ層とε−Ｆｅ３Ｎ層との構成配分として、例えばε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％〜３０％としており、γ’−Ｆｅ４Ｎ層の量がε−Ｆｅ３Ｎ層の量よりも大きくなっている。
【００４２】
次に、上述したように本実施形態に係る母材の成分組成であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓの含有量の範囲を規定した理由、窒化条件を設定した理由、及び窒化層の構成配分を設定した理由を説明する。
【００４３】
［Ｃ：０．２５〜０．６０重量％］
Ｃは強度を確保するために必要な元素であり、この観点からＣの含有量を０．２５重量％以上としている。一方、Ｃの含有量が０．６０重量％を超えると靭性が低下するので、Ｃの含有量を０．６０重量％以下としている。
【００４４】
［Ｓｉ：０．０５〜１．０重量％］
Ｓｉは脱酸に必要な元素であると共に、強度を確保するために必要な元素であり、Ｓｉの含有量が０．０５重量％未満では所望の効果を得ることができないので、Ｓｉの含有量を０．０５重量％以上としている。一方、Ｓｉの含有量が１．０重量％を超えると、靭性が低下するので、Ｓｉの含有量を０．０５〜１．０重量％以下としている。
【００４５】
［Ｍｎ：７．０〜１２．０重量％］
Ｍｎは強度を確保するために必要な元素であり、Ｍｎの含有量を７．０重量％以上とすることにより、本実施形態に係る窒化層においてγ’−Ｆｅ４Ｎ層を最表面に形成し、ε−Ｆｅ３Ｎ層をγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成することができる。
【００４６】
具体的には、図３に示すように本実施形態に係る窒化条件の下では、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎの３元状態図において母材（母相）とγ’−Ｆｅ４Ｎ層の境界線と、母材（母相）とε−Ｆｅ３Ｎ層の境界線とがＭｎ濃度が７．０％になる地点で交差しており、Ｍｎ濃度が７．０％未満ではγ’−Ｆｅ４Ｎ層はε−Ｆｅ３Ｎ層よりも低窒素濃度側にあるが、Ｍｎ濃度が７．０％以上ではγ’−Ｆｅ４Ｎ層はε−Ｆｅ３Ｎ層よりも高窒素濃度側にある。
【００４７】
そのため、Ｍｎの含有量が７．０重量％未満では窒素濃度が高い最表面にε−Ｆｅ３Ｎ層が形成され、本実施形態に係る窒化層を得ることができないが、Ｍｎの含有量が７．０重量％以上であれば、本実施形態に係る窒化層を得ることができるので、Ｍｎの含有量を７．０重量％以上としている。一方、Ｍｎを多量に添加すると、靭性が低下するので、Ｍｎの含有量を１２．０％以下としている。
【００４８】
［Ｓ：０．０３重量％以下］
Ｍｎの含有量を７．０重量％以上としていることに伴い、Ｓの含有量を極力低下させることが必要となるので、Ｓの含有量を０．０３重量％以下としている。
【００４９】
［炉内の温度範囲：４００℃より大きく６００℃未満］
炉内の温度が４００℃以下であれば、窒素の拡散速度は急激に低下する。例えば、図４に示すように炉内の温度が４００℃のときの窒化条件の下では、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｎの３元状態図においてγ’−Ｆｅ４Ｎ層及びε−Ｆｅ３Ｎ層は高窒素濃度側にあり、Ｍｎを添加しても母材に対する窒化層の生成促進効果が極めて小さくなっている。一方、炉内の温度が６００℃以上であれば、母材のα→γ変態が起こり、窒化層の生成が抑制される。従って、本実施形態に係る窒化条件の下では、炉内の温度範囲を４００℃より大きく６００℃未満としている。
【００５０】
［炉内の残留ＮＨ３濃度：４０％より大きく８０％未満］
炉内の残留ＮＨ３濃度が４０％以下であれば、状態図上、窒化層が形成されず、炉内の残留ＮＨ３濃度が８０％以上であれば、ポーラス層が生成され易くなるので、炉内の残留ＮＨ３濃度を４０％より大きく８０％未満としている。
【００５１】
［窒化層の構成配分：ε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％〜３０％］
本実施形態に係る窒化層のうちε−Ｆｅ３Ｎ層は、γ’−Ｆｅ４Ｎ層に比べてポーラス層が生成され易いので、ポーラス層の生成を抑制するためにε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を３０％以下にする必要がある。また、本実施形態に係る窒化層のうちε−Ｆｅ３Ｎ層は、γ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成されるので、後述するように窒化層と母材との間の密着性を良くするためにε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％以上にする必要がある。従って、窒化層の構成配分として、ε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％〜３０％としている。
【００５２】
ここで、一般的に硬度と耐摩耗性の間には線形関係があり、硬度が高くなるに従って耐摩耗性が良くなる傾向があるので、高負荷がかかった状態で使用される建設機械の斜板式ポンプ１に形成される窒化層の最表面は、できる限り硬度が高い層が最表面に現れるのが望ましい。また、一般的にヤング率が低い程、表面が受ける衝撃を吸収し易く、耐摩耗性が良くなる傾向があるので、建設機械の斜板式ポンプ１に形成される窒化層の最表面は、できる限りヤング率が低い層が現れるのが望ましい。
【００５３】
本実施形態の窒化層において最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層は、結晶粒がε−Ｆｅ３Ｎ層の結晶粒に比べて細かく、ポーラス層の生成が抑制されるので、図５右図に示すように最表面のγ’−Ｆｅ４Ｎ層の硬度は、図５左図に示す従来技術の窒化部材の窒化層において最表面に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層の硬度よりも高くなっている。
【００５４】
さらに、図５右図に示すように本実施形態の窒化層において最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層は、図５左図に示す従来技術の窒化部材の窒化層において最表面に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層のヤング率よりも低くなっている。従って、本実施形態に係る窒化部材は、従来技術の窒化部材よりも耐摩耗性に優れ、高負荷がかかった状態での使用に適していることが分かる。
【００５５】
また、図６に示すように本実施形態に係る窒化部材のＳ（応力振幅）−Ｎ（繰返し回数）曲線は、従来技術に係る窒化部材のＳ−Ｎ曲線よりも高応力振幅側にあり、疲労限度も増大している。従って、本実施形態に係る窒化部材は、従来技術の窒化部材よりも耐疲労性にも優れ、高負荷がかかった状態での使用に適していることが分かる。
【００５６】
このように構成した本実施形態によれば、建設機械の斜板式ポンプ１におけるピストン６、クレードル９、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材である鋼に対して上述のように設定された窒化条件の下、窒化処理を施すことにより、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、リテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に、γ’−Ｆｅ４Ｎ層及びε−Ｆｅ３Ｎ層から成る窒化層を形成させることができる。
【００５７】
そして、この窒化層の最表面にはγ’−Ｆｅ４Ｎ層が形成され、このγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間にε−Ｆｅ３Ｎ層が形成される。最表面に形成されたγ’−Ｆｅ４Ｎ層は、その下部に形成されたε−Ｆｅ３Ｎ層よりも窒素濃度及び硬度が高く、ヤング率が低いので、斜板８とクレードル９、シリンダ５とピストン６、リテーナ１７とリテーナガイド、及びリテーナ１７とシュー７がそれぞれ相互に摺動しても表面が受ける影響を緩和することができる。これにより、耐摩耗性を十分に向上させることができる。
【００５８】
また、本実施形態は、窒化層としてγ’−Ｆｅ４Ｎ層だけを生成させるものではなく、炉内の温度範囲を４００℃より大きく６００℃未満に維持してγ’−Ｆｅ４Ｎ層とε−Ｆｅ３Ｎ層の２層を生成させるものであるので、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に窒化層を迅速に形成させることができ、しかも図５右図に示すように窒化層のγ’−Ｆｅ４Ｎ層の窒素濃度及び硬度を高く維持することができる。
【００５９】
さらに、γ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成されるε−Ｆｅ３Ｎ層は、窒素濃度、硬度、及びヤング率がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間の範囲にあるので、γ’−Ｆｅ４Ｎ層が母材上に直接形成されるよりも、ε−Ｆｅ３Ｎ層が中間層として介在することで窒化層と母材との密着性を高めることができる。これにより、斜板８とクレードル９、シリンダ５とピストン６、リテーナ１７とリテーナガイド、及びリテーナ１７とシュー７がそれぞれ相互に摺動しても窒化層の被膜が母材から剥離するのを抑制することができる。
【００６０】
このように、窒化層としてγ’−Ｆｅ４Ｎ層の他にε−Ｆｅ３Ｎ層を有効に活用することにより、本実施形態は高負荷がかかった状態での使用に適しているので、例えばＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）層を形成するためのε−Ｆｅ３Ｎ層の研削工程やＤＬＣコーティング工程等の余分な工程や母材の前洗浄のための設備を設けなくて済む。そのため、本実施形態に係る窒化部材の製造を効率良く行うことができ、製造コストを抑えることができる。従って、優れた実用性を達成することができる。
【００６１】
また、本実施形態は、炉内の温度範囲が４００℃より大きく６００℃未満の窒化条件下のＦｅ−Ｍｎ−Ｎの３元状態図においてＭｎ濃度と各層との状態に着目し、Ｍｎの含有量を７．０重量％以上にすることにより、ピストン６、クレードル９、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材に対して表面側からγ’−Ｆｅ４Ｎ層、ε−Ｆｅ３Ｎ層の順に窒化層を上手く形成させることができる。さらに、これらの母材の成分としてＭｎの含有量を１２．０重量％以下に調整することにより、Ｍｎの多量添加によって靭性が低下するのを抑制することができる。これにより、耐摩耗性及び耐疲労性に優れた窒化部材を容易に得ることができる。
【００６２】
また、本実施形態は、上述したようにピストン６、クレードル９、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材の成分としてＭｎの含有量を７．０〜１２．０重量％としており、このようにＭｎの含有量が増大しても母材の成分に含まれるＳの含有量を０．０３重量％以下に制限することにより、靭性が低下するのを効果的に抑制することができる。これにより、斜板８、クレードル９、シリンダ５、ピストン６、リテーナ１７、リテーナガイド、及びシュー７の高寿命化を図ることができ、これらの部品の交換作業の頻度を減少させることができる。
【００６３】
また、本実施形態は、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に形成される窒化層のε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を３０％以下に制限することにより、ε−Ｆｅ３Ｎ層をγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間に形成させてもポーラス層が過剰に生成されることを抑制することができ、窒化層全体での硬度を高く維持することができる。
【００６４】
さらに、本実施形態は、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に形成される窒化層のε−Ｆｅ３Ｎ層の割合を２０％以上にすることにより、γ’−Ｆｅ４Ｎ層の割合を増やしてもε−Ｆｅ３Ｎ層の形成量をある程度確保しているので、ε−Ｆｅ３Ｎ層がγ’−Ｆｅ４Ｎ層と母材との間で十分な密着力を発揮することができる。
【００６５】
このように、クレードル９の表面のうち斜板８と摺動する面、ピストン６の表面のうちシリンダ５と摺動する面、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方の摺動面、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の摺動面に形成される窒化層のγ’−Ｆｅ４Ｎ層とε−Ｆｅ３Ｎ層の構成配分を適切に設定することにより、窒化層の硬度と密着性の両面からバランスの取れた部材を実現することができる。従って、斜板８とクレードル９、シリンダ５とピストン６、リテーナ１７とリテーナガイド、及びリテーナ１７とシュー７がそれぞれ相互に摺動しても窒化層が安定しているので、これらの部品の高い信頼性を得ることができる。
【００６６】
また、本実施形態は、斜板８とクレードル９、シリンダ５とピストン６、リテーナ１７とリテーナガイド、及びリテーナ１７とシュー７がそれぞれ相互に摺動するが、互いに摺動する部品のいずれか一方だけを窒化処理して窒化層を形成するようにしているので、窒化層の摩耗を促進させず、窒化層が緩衝剤としての機能を長期に渡って果たすことができる。特に、本実施形態は、シリンダ５とピストン６のうち窒化層を形成させる表面としてピストン６を選択することにより、ピストン６の外側表面が窒化処理の対象となるので、窒化処理の作業を容易に進めることができ、優れた作業効率を実現することができる。
【００６７】
なお、上述した本実施形態は、建設機械の液圧回転機に適用され、クレードル９、ピストン６、リテーナ１７とリテーナガイドのうちいずれか一方、及びリテーナ１７とシュー７のうちいずれか一方の母材に対して、炉内の温度範囲を４００℃より大きく６００℃未満、炉内の残留ＮＨ３濃度を４０％より大きく８０％未満に設定した窒化条件の下で窒化処理して形成された場合について説明したが、この場合に限らず、母材として鋼が用いられていれば、例えば建設機械以外の部品に対して、適宜設定した窒化条件の下で窒化処理して形成されていても良い。
【００６８】
また、本実施形態は、液圧回転機が可変容量型斜板式アキシャルピストンポンプから成る場合について説明したが、この場合に限らず、液圧回転機は例えば可変容量型斜板式アキシャルピストンモータ、あるいは可変容量型斜軸式アキシャルピストンポンプ・モータから成っていても良いし、液圧回転機は可変容量型に限定されるものではなく、固定容量型であっても良い。
【００６９】
また、本実施形態では、母材の成分組成として、Ｃ：０．２５〜０．６０重量％、Ｍｎ：７．０〜１２．０重量％、Ｓ：０．０３重量％以下、Ｓｉ：０．０５〜１．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物元素を含有した場合について説明したが、この場合に限らず、例えばこれらのＣ、Ｍｎ、Ｓ、Ｓｉ以外の元素が母材に添加されていても良いし、Ｍｎの含有量が７％以上であれば、Ｃ、Ｓ、Ｓｉの含有量の範囲が限定されていなくても良い。
【符号の説明】
【００７０】
１  斜板式ポンプ（液圧回転機）
３  回転軸
４  シリンダブロック
５  シリンダ
６  ピストン
７  シュー
８  斜板
９  クレードル
１７  リテーナ
【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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