(57)【要約】【課題】一定の硬化層深さを確保し、低靭性である化合物層の生成を抑制し得る、低合金鋼のガス軟窒化方法を提供する。【解決手段】低合金鋼を５５０〜６２０℃に加熱し、処理時間Ａを１．５〜１０時間とするガス軟窒化処理を行うに際し、窒化ポテンシャルＫｎXが０．１０〜１．００、平均値ＫｎXaveが０．２０〜０．５５であり、処理時間をＸ時間とする高Ｋｎ値処理の後、窒化ポテンシャルＫｎYが０．０１〜０．２０の範囲内であり、平均値ＫｎYaveが０．０２〜０．１５であり、処理時間をＹ時間とする低Ｋｎ値処理を行い、前記平均値ＫｎXaveと、前記平均値ＫｎYaveと、前記処理時間Ａと、前記高Ｋｎ値処理及び前記低Ｋｎ値処理の処理時間Ｘ及びＹとから、軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveが０．０５〜０．２０であることを特徴とする低合金鋼のガス軟窒化処理方法。【選択図】図２
2015175009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低合金鋼を５５０〜６２０℃に加熱し、全体の処理時間Ａを１．５〜１０時間とするガス軟窒化処理を行うに際し、
下記（式１）によって求められる窒化ポテンシャルＫｎXが０．１０〜１．００の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルＫｎXの平均値ＫｎXaveが０．２０〜０．５５であり、処理時間をＸ時間とする高Ｋｎ値処理の後、
下記（式１）によって求められる窒化ポテンシャルＫｎYが０．０１〜０．２０の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルＫｎYの平均値ＫｎYaveが０．０２〜０．１５であり、処理時間をＹ時間とする低Ｋｎ値処理を行い、
前記高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎXaveと、
前記低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎYaveと、
前記処理時間Ａと、
前記高Ｋｎ値処理の処理時間Ｘと、
前記低Ｋｎ値処理の処理時間Ｙと
から、下記（式２）によって求められる軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveが０．０５〜０．２０であることを特徴とする低合金鋼のガス軟窒化処理方法。
Ｋｎ＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）3/2］    ・・・  （式１）
Ｋｎave＝（Ｘ×ＫｎXave＋Ｙ×ＫｎYave｝／Ａ  ・・・  （式２）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低合金鋼のガス軟窒化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や各種産業機械などに使用される鋼部品には、疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などの機械的性質を向上させるために、浸炭焼き入れ、高周波焼き入れ、窒化、軟窒化などの表面硬化熱処理が施される。窒化処理や軟窒化処理は、加熱温度がＡ1点以下のフェライト域で熱処理し、相変態を利用しないため、熱処理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に適用されている。特に軟窒化処理は、窒化処理と比較して、鋼中にＣも侵入させるため、表層脱炭の抑制に有効であることが特徴である。
【０００３】
軟窒化処理には、ガス軟窒化処理、塩浴軟窒化処理などがあるが、自動車用の部品等には、主に、生産性に優れるガス軟窒化処理が用いられる。ガス軟窒化処理によって、鋼材表面には、Ｆｅ2~3（Ｎ、Ｃ）やＦｅ4（Ｎ、Ｃ）などの炭窒化物が含まれる、厚さ１０μｍ以上の化合物層が生成する。化合物層は鋼材に較べて硬さが極めて高く、使用の初期には耐摩耗性や面疲労強度を向上させる。
【０００４】
しかし、化合物層は変形能が低いため、使用中に剥離や割れが発生しやすく、衝撃的な応力や大きな曲げ応力が負荷される部品に用いることは難しい。また、ガス軟軟窒化処理は熱処理ひずみが小さいものの、シャフトやクランクなどの長尺部品では、矯正が必要になる場合がある。化合物層の厚みによっては、矯正時に割れが発生し、部品の疲労強度が低下することがある。
【０００５】
したがって、ガス軟窒化処理では、化合物層の厚さを薄くする、更には化合物層を無くすことが求められている。ところで、化合物層は、軟窒化処理の処理温度と、ＮＨ3分圧及びＨ2分圧から下記（式１）で求められる窒化ポテンシャル（Ｋｎ）で制御できることが知られている。
【０００６】
Ｋｎ＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）3/2］  ・・・  （式１）
【０００７】
窒化ポテンシャルＫｎを低くすれば、化合物層を薄くし、更には無くすことも可能である。しかし、単にＫｎを低くすると、鋼中に窒素が侵入し難くなり、窒素拡散層と呼ばれる硬化層の硬さが低く、深さが浅くなって、疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などが向上しない。また、ガス軟窒化処理後に機械研磨やショットブラストによって化合物層を除去する方法もあるが、コストが高くなる。
【０００８】
このような問題に対して、ガス軟窒化処理の雰囲気を、上記の窒化ポテンシャルとは異なる窒化パラメータＫｎ´＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）1/2］によって制御し、硬化層深さを均一にする方法が提案されている（例えば、特許文献１、参照）。また、浸窒処理において、窒化処理物を処理炉内に配置する際に、表面が非窒化性材料から構成された治具を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献２、参照）。
【０００９】
特許文献１によって提案された窒化パラメータを用いると、短時間で、最表面に生成する化合物層を抑制することが可能である。しかし、要求特性によっては、硬化層深さを十分に担保できない可能性がある。また、特許文献２で提案されているように、非窒化性の治具を用意し、フッ化処理を行う場合は、治具の選択及び作業工数の増加という新たな問題が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−２８５８８号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、一定の硬化層深さを確保し、低靭性である化合物層の生成を抑制し得る、低合金鋼のガス軟窒化方法の提供を課題とするものである。具体的には、ＮＨ3、Ｈ2分及びＮ2を含むガス雰囲気で行うガス軟窒化処理後の鋼材表面の化合物層の平均厚さを５μｍ以下とし、しかも、硬化層深さを確保することができる低合金鋼のガス軟窒化処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、ガス軟窒化処理によって低合金鋼の表面に形成される化合物層を薄くし、深い硬化層を得るために、検討を行った。ガス軟窒化処理の雰囲気には浸炭性のガスも含まれるが、化合物層の形成には窒化ポテンシャルが大きく影響することがわかった。そこで、ガス軟窒化処理の前半には窒化ポテンシャル（以下、Ｋｎ値ともいう。）を高くして化合物層を生成させ、後半にＫｎ値を下げて化合物層を分解させ、窒素を鋼中に浸透拡散させる方法を指向し、検討を重ねた。更に、Ｋｎ値を高くした場合、低合金鋼の表面近傍に、窒素がガス化して空隙が生成した層（以下、ポーラス層ともいう。）が形成されないように、併せて検討を行った。その結果、下記（ａ）〜（ｃ）の知見を得た。
【００１３】
（ａ）ガス軟窒化処理におけるＫｎ値について
一般に、Ｋｎ値は、ガス軟窒化処理を行う炉内の雰囲気（軟窒化処理雰囲気、又は、単に雰囲気ということがある。）のＮＨ3分圧、Ｈ2分圧を用いて、下記（式１）で定義される。
Ｋｎ＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）3/2］  ・・・  （式１）
Ｋｎ値は、ガス流量によって制御することができるが、ガス軟窒化処理雰囲気のＫｎ値が平衡状態に達するまでには、流量を設定してから一定の時間が必要であり、その間にもＫｎ値は時々刻々と変化している。また、ガス軟窒化処理の途中で、Ｋｎ値を変更する場合、平衡状態に達するまでの間にＫｎ値は変動している。本発明者らは、Ｋｎ値の変動が、化合物層や硬化層深さに影響を及ぼすため、Ｋｎ値の平均値だけでなく、ばらつきの範囲も重要であり、ガス軟窒化処理中のＮＨ3分圧、Ｈ2分圧を測定し、Ｋｎ値を算出して、精度良く制御する必要があることを見出した。
【００１４】
（ｂ）化合物層の生成の抑制と硬化層深さの確保との両立について
硬化層を形成するためには、化合物層を窒素の供給源に利用した方が、効率的である。即ち、化合物層の生成を抑制し、硬化層深さを確保するためには、ガス軟窒化処理の前半に化合物層を形成し、後半に化合物層を分解させ、ガス軟窒化処理の終了時に、化合物層がほぼ無くなるように、Ｋｎ値を制御すると良い。
【００１５】
（ｃ）ポーラス層の生成の抑制について
ガス軟窒化処理の前半に化合物層を生成させる場合、ポーラス層が生じると、炭窒化物が分解して炭窒素拡散層（硬化層）が形成された後も、空隙がそのまま残存し、疲労強度や曲げ矯正性（曲げ矯正による硬化層の割れの有無）が低下する。そのため、ガス軟窒化処理の前半に化合物層を生成させる場合には、ポーラス層が極力生成しないように、Ｋｎ値の上限を制限することが必要である。
【００１６】
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
【００１７】
（１）低合金鋼を５５０〜６２０℃に加熱し、全体の処理時間Ａを１．５〜１０時間とするガス軟窒化処理を行うに際し、
下記（式１）によって求められる窒化ポテンシャルＫｎXが０．１０〜１．００の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルＫｎXの平均値ＫｎXaveが０．２０〜０．５５であり、処理時間をＸ時間とする高Ｋｎ値処理の後、
下記（式１）によって求められる窒化ポテンシャルＫｎYが０．０１〜０．２０の範囲内であり、前記窒化ポテンシャルＫｎYの平均値ＫｎYaveが０．０２〜０．１５であり、処理時間をＹ時間とする低Ｋｎ値処理を行い、
前記高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎXaveと、
前記低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎYaveと、
前記処理時間Ａと、
前記高Ｋｎ値処理の処理時間Ｘと、
前記低Ｋｎ値処理の処理時間Ｙと
から、下記（式２）によって求められる軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveが０．０５〜０．２０であることを特徴とする低合金鋼のガス軟窒化処理方法。
Ｋｎ＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）3/2］    ・・・  （式１）
Ｋｎave＝（Ｘ×ＫｎXave＋Ｙ×ＫｎYave｝／Ａ  ・・・  （式２）
【発明の効果】
【００１８】
本発明のガス軟窒化処理方法によれば、低合金鋼の表面に形成される化合物層を薄くし、且つポーラス層の生成を抑制し、深い硬化層を得ることが可能になる。そして、本発明によれば、低合金鋼製部品の疲労強度、耐摩耗性、耐焼付き性などの機械的性質を向上させたり、曲げ矯正性を向上させることができるなど、産業上の貢献が極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値に対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。
【図２】低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値に対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。
【図３】平均の窒化ポテンシャルに対する、表面硬さと化合物層厚さとの関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明者らは、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３の機械構造用合金鋼鋼材であるＳＣｒ４２０を用いて、ＮＨ3、Ｈ2、Ｎ2、ＣＯ2、ＣＯ及びＨ2Ｏからなる雰囲気でガス軟窒化処理を行った。ガス軟窒化処理は、所定の温度に加熱した雰囲気の制御が可能な熱処理炉内に、ＮＨ3、Ｎ2、Ｈ2及びＣＯ2のガスを流入させて行い、軟窒化処理雰囲気のＮＨ3及びＨ2の分圧を測定しながらガスの流量を調整し、窒化ポテンシャルＫｎ値を制御した。なお、雰囲気に含まれるＣＯ、Ｈ2ＯはＣＯ2とＨ2の化学反応により生じる。Ｋｎ値は、ＮＨ3分圧及びＨ2分圧によって下記（式１）から求めた。
Ｋｎ＝（ＮＨ3分圧）／［（Ｈ2分圧）3/2］  ・・・  （式１）
【００２１】
Ｈ2分圧は、軟窒化炉体に直接装着した熱伝導式Ｈ2センサを用い、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。Ｈ2分圧は、ガス軟窒化処理の間、継続して測定した。また、ＮＨ3分圧は、炉外に手動ガラス管式ＮＨ3分析計を取り付けて測定し、１５分毎に残留ＮＨ3の分圧を算出して求めた。ＮＨ3分圧を測定する１５分毎に窒化ポテンシャルＫｎ値を算出し、目標値に収束するように、ＮＨ3流量及びＮ2流量を調整した。またＣＯ2添加量は、総ガス投入量に対するＣＯ2添加割合[％]を表示単位とし、ガス軟窒化処理中のＣＯ2添加量が一定となるように、ＣＯ2のガスの流入を調整した。
【００２２】
ガス軟窒化処理後、試料の断面を研磨し、エッチングして光学顕微鏡で観察した。エッチングは、３％ナイタール溶液で２０〜３０秒間行った。化合物層は、低合金鋼の表層に存在し、白い未腐食の層として観察される。光学顕微鏡により５００倍で撮影した組織写真５視野（視野面積：２．２×１０4μｍ2）から、それぞれ３０μｍ毎に４点の化合物層の厚さを測定し、２０点の平均値を取ったものを化合物厚さと定義した。化合物層厚さが５μｍ以下の時、剥離や割れが大きく抑制されるため、本発明においては、化合物層厚さを５μｍ以下にすることを目標にした。
【００２３】
更に、光学顕微鏡観察によって、空隙の評価を行った。倍率１０００倍にて５視野測定（視野面積：５．６×１０3μｍ2）して、各視野について最表面から５μｍ深さの範囲の面積２５μｍ2中に占める空隙の割合を算出した。空隙が１０％以上の場合、表面粗さが粗くなり、また化合物層が脆化し、疲労強度の低下に影響を及ぼすため、本発明においては、空隙が１０％未満であることを目標とした。
【００２４】
次に、試料の表面から深さ方向のビッカース硬さをＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠し、試験力１．９６Ｎで測定した。また、表面から５０μｍ位置におけるビッカース硬さの３点の平均値を表面硬さと定義した。５μｍ超の化合物層が残存する一般的なガス軟窒化処理の場合、表面硬さは、Ｓ４５Ｃで２７０〜３１０ＨＶ、ＳＣｒ４２０で５５０〜５９０ＨＶである。そのため、本発明における表面硬さは、Ｓ４５Ｃで２９０ＨＶ以上、ＳＣｒ４２０で５７０以上を目標とした。更に、ビッカース硬さがＳ４５Ｃについては２５０ＨＶ、ＳＣｒ４２０については３００ＨＶを満たす表面からの深さを有効硬化層深さと定義した。
【００２５】
処理温度５７０〜５９０℃において、化合物層が１０μｍ以上生成される一般的なガス軟窒化処理の場合、有効硬化層深さは、式（Ａ）で求められる値±２０μｍになる。
有効硬化層深さ（μｍ）＝１３０×｛処理時間（時間）｝1/2  ・・・  式（Ａ）
そこで本発明における有効硬化層深さは、式（Ｂ）を目標とした。
有効硬化層深さ（μｍ）≧１３０×｛処理時間（時間）｝1/2  ・・・  式（Ｂ）
【００２６】
ガス軟窒化処理では、前半の窒化ポテンシャルＫｎ値を高くし、化合物層を生成させた後、後半の窒化ポテンシャルＫｎ値を下げて化合物層を分解させ、鋼中に窒素及び炭素を浸透拡散させた。窒化ポテンシャルＫｎ値が相対的に高いガス軟窒化処理を高Ｋｎ値処理、窒化ポテンシャルＫｎ値が相対的に低いガス軟窒化処理を低Ｋｎ値処理という。
【００２７】
Ｋｎ値を低下させるためにガス流量を調整すると、炉内のＮＨ3及びＨ2の分圧が安定化するまでに、ある程度の時間を要する。Ｋｎ値を変更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２回以上でもよい。高Ｋｎ値処理の後、低Ｋｎ値処理の前に、一旦、Ｋｎ値を低下させた後、上昇させることもできる。高Ｋｎ値処理と低Ｋｎ値処理との境界は、Ｋｎが一番最後に０．１５を下回った点とした。
【００２８】
高Ｋｎ値処理の処理時間Ｘ（以下、処理時間Ｘと示す場合がある。）と低Ｋｎ値処理の処理時間Ｙ（以下、処理時間Ｙと示す場合がある。）との合計は、好ましくは、ガス軟窒化処理の全体の処理時間Ａである。そして、高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルをＫｎX、その平均値をＫｎXave、低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルをＫｎY、平均値をＫｎYaveと称する。
【００２９】
まず、本発明者らは、ＳＣｒ４２０を供試材として、窒化ポテンシャルの平均値ＫｎXave及びＫｎYaveについて検討を行った。ガス軟窒化処理は、雰囲気の温度を５９０℃、ＣＯ2添加量を５％、処理時間Ｘを１．０時間、処理時間Ｙを２．０時間、ＫｎYaveを０．０３とし、ＫｎXaveを０．１０〜０．７０まで変化させて行った。全体の処理時間Ａは３．０時間である。ＫｎXaveを０．１５以上にすることにより、有効硬化層深さが目標とする２２５μｍ以上になることがわかった。
【００３０】
図１は、ＫｎXaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。ＫｎXaveが０．２０未満では、表面硬さが目標とする５７０ＨＶに達しない。また、ＫｎXaveが０．５５を超えると、化合物層厚さが５μｍより大きくなる。したがって、高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎXaveが０．２０〜０．５５の範囲とする必要がある。更に、ＫｎXaveの下限は０．２５以上、上限は０．５０以下が好ましい。
【００３１】
次に、軟窒化処理雰囲気の温度を５９０℃、ＣＯ2添加量を５％、処理時間Ｘを１．０時間、処理時間Ｙを２．０時間、ＫｎXaveを０．３０とし、ＫｎYaveを０．０１〜０．２０まで変化させて、ガス軟窒化処理を行った。全体の処理時間Ａは３．０時間である。ＫｎYaveを０．０２以上にすることにより、有効硬化層深さが目標とする２２５μｍ以上になることがわかった。
【００３２】
図２は、ＫｎYaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。ＫｎYaveが０．０２未満では、表面硬さが５７０ＨＶに達していない。一方、ＫｎYaveが０．１５を超えると、化合物層厚さが５μｍより大きくなる。したがって、低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値ＫｎYaveが０．０２〜０．１５の範囲とする必要がある。更に、ＫｎYaveの下限は０．０２以上、上限は０．１３以下が好ましい。
【００３３】
次に、本発明者らは、窒化ポテンシャルＫｎX及びＫｎYの範囲について検討を行った。ガス軟窒化処理は、雰囲気の温度を５９０℃、ＣＯ2添加量を５％、処理時間Ｘを１．０時間、処理時間Ｙを２．０時間、ＫｎXaveを０．３０、ＫｎYaveを０．０３とし、表１に示すように、ＫｎX、ＫｎYの最小値ＫｎXmin、ＫｎYmin、最大値ＫｎXmax、ＫｎYmaxを変化させて行った。全体の処理時間Ａは３．０時間である。化合物層厚さ、空隙、有効硬化層深さ及び表面硬さを表１に示す。
【００３４】
【表１】
2015175009.tif 000003
【００３５】
表１に示したように、ＫｎXminが０．０９未満であると、Ｘ時間中に化合物層が十分に生成されず、処理後の有効硬化層深さが目標とする２２５μｍに届かない。また、ＫｎXminが０．１０未満であると、表面硬さが５７０ＨＶに届かない。一方、ＫｎXmaxが１．１０を超えると化合物層厚さが５μｍより大きくなり、ＫｎXmaxが１．００を超えると空隙が１０％以上になった。したがって、高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルＫｎXの範囲は０．１０〜１．００の範囲とする必要がある。更に、ＫｎXの下限は０．２０以上、上限は０．８０以下が好ましい。
【００３６】
また、表１に示したように、ＫｎYminが０．０１未満であると、低Ｋｎ値処理によって化合物層が消失するだけでなく、表層から脱窒及び脱炭が生じてしまい、表面硬さが５７０ＨＶに届かない。一方、ＫｎYmaxが０．２０を超えると、十分に化合物層の分解が起こらず、化合物層の厚さが５μｍを超えてしまう。したがって、低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルＫｎYの範囲は０．０１〜０．２０の範囲とすること必要がある。更に、ＫｎYの下限は０．０２以上、上限は０．１８以下が好ましい。
【００３７】
次に、本発明者らは、ガス軟窒化処理工程の窒化ポテンシャルＫｎaveについて検討を行った。軟窒化処理雰囲気の温度を５９０℃とし、処理時間Ｘ、処理時間Ｙ、窒化ポテンシャルの範囲及び平均値（ＫｎX、ＫｎY、ＫｎXave、ＫｎYave）を変化させてガス軟窒化処理を行った。そして、下記（式２）によって窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveを求めて、化合物層厚さ、有効硬化層深さ及び表面硬さとの関係について調査した。
Ｋｎave＝（Ｘ×ＫｎXave＋Ｙ×ＫｎYave｝／Ａ  ・・・  （式２）
Ｋｎaveが０．０４以上になると、有効硬化層深さが、下式（Ａ）によって算出される目標に到達することがわかった。
有効硬化層深さ（μｍ）＝１３０×｛処理時間（時間）｝1/2  ・・・  式（Ａ）
【００３８】
また、図３は、Ｋｎaveと表面硬さ及び化合物層厚さの関係である。Ｋｎaveが０．０５未満であると、表面硬さが５７０ＨＶに達しない。一方、Ｋｎaveが０．２０を超えると、化合物層が５μｍより大きくなる。したがって、Ｋｎaveは０．０５〜０．２０の範囲とする必要がある。更に、Ｋｎaveの下限は０．０６以上、上限は０．１８以下が好ましい。
【００３９】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のガス軟窒化処理方法の対象となる金属材料は低合金鋼である。本発明における低合金鋼とは、Ｆｅが９３％以上、好ましくは９５％以上を占める鋼と定義する。例えば、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１に規定される機械構造用炭素鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５２に規定される焼入れ性を保証した構造用鋼鋼材、ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３に規定される機械構造用合金鋼鋼材などに好適に適用することができる。合金元素の含有量は、これらの規格の規定から逸脱してもよく、更に、ガス軟窒化処理による表層部の硬さの向上に有効なＴｉ、Ｖ、Ａｌ、Ｎｂなどや、これら以外の元素も、適宜、含有させることができる。
【００４０】
（イ）ガス軟窒化処理温度
ガス軟窒化処理の温度（軟窒化処理温度）は、主に、窒素の拡散速度と相関があり、硬化層深さに影響を及ぼす。処理温度が低すぎると、窒素の拡散速度が遅く、硬化層深さを深くすることが困難になる。また、ＡC1点を超える温度でガス軟窒化処理を行うと、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）が生成され、硬化層深さを深くすることが困難になる。本発明では、ガス軟窒化処理の処理温度を５５０〜６２０℃とする。
【００４１】
（ロ）軟窒化処理全体の処理時間Ａ
ＮＨ3、Ｈ2、Ｎ2、ＣＯ2、ＣＯおよびＨ2Ｏを含むガス雰囲気で行うガス軟窒化処理の開始から終了までの時間（軟窒化処理時間）は、化合物層の形成及び分解と窒素の浸透と相間があり、硬化層深さに影響を及ぼす。処理時間が短すぎると硬化層深さを深くすることができず、長すぎると脱窒及び脱炭により表面硬さが低下する恐れがある。また、処理時間の拡大は製造コストの増大を招く。そのため、処理時間（全体の処理時間Ａ）は１．５〜１０時間とする。なお、ガス軟窒化処理を行う雰囲気は、不可避的に酸素などの不純物を含むことがあり、ＮＨ3、Ｈ2、Ｎ2、ＣＯ2、ＣＯおよびＨ2Ｏの合計を９９．５％以上（体積％）にすることが好ましい。
【００４２】
（ハ）炭素の供給方法
炭素の供給源については、一酸化炭素、二酸化炭素或いは炭化水素などが利用される。本発明においては特に制限しないが、ＣＯ2によって添加することが好ましい。さらにＣＯ2によって添加する場合の添加量については特に制限しないが、ＣＯ2添加量が多すぎると、鋼表面に炭化物が形成され、鋼中への窒素の侵入が妨げられる。そのため、ＣＯ2添加量は８％以下とすることが好ましい。より好ましくは５％以下である。
【００４３】
（ニ）高Ｋｎ値処理
高Ｋｎ値処理は、低合金鋼の表面に炭窒化物を含む化合物層を形成する工程であり、窒化ポテンシャルＫｎXの範囲を０．１０〜１．００、平均値ＫｎXaveを０．２０〜０．５５とする。更に、ＫｎXの下限は０．２０以上、上限は０．８０以下、ＫｎXaveの下限は０．２５以上、上限は０．５０以下が好ましい。処理時間Ｘは、０．５０時間以上とすることが好ましい。窒化ポテンシャルの最小値ＫｎXminが０．１０未満であったり、平均値ＫｎXaveが０．２０未満であると、化合物層の形成が不十分で、硬化層深さが得られず、表面硬さが低下する。一方、窒化ポテンシャルの最大値ＫｎXmaxが１．００を超えたり、平均値ＫｎXaveが０．５５を超えると、厚い化合物層が形成され、ガス軟窒化処理の終了後に残存する化合物層厚さが５μｍより大きくなり、１０％以上の空隙を含むポーラス層が生成することがある。
【００４４】
（ホ）低Ｋｎ値処理
低Ｋｎ値処理は、低合金鋼の表面に形成された化合物層を分解する工程であり、窒化ポテンシャルＫｎYの範囲を０．０１〜０．２０、平均値ＫｎYaveを０．０２〜０．１５とする。更に、ＫｎYの下限は０．０１以上、上限は０．１８以下、ＫｎYaveの下限は０．０２以上、上限は０．１３以下が好ましい。処理時間Ｙは、０．５０時間以上とすることが好ましい。窒化ポテンシャルの最小値ＫｎYminが０．０１未満であったり、平均値ＫｎYaveが０．０２未満であると、表層から脱窒が生じて表面硬さが低下する。一方、窒化ポテンシャルの最大値ＫｎYmaxが０．２０を超えたり、平均値ＫｎYaveが０．１５を超えると、化合物層の分解が不十分になり、硬化層深さ及び表面硬さが低下する。
【００４５】
（ヘ）ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎave
本発明のガス軟窒化処理は、ＮＨ3、Ｈ2、Ｎ2、ＣＯ2、ＣＯ及びＨ2Ｏを含むガス雰囲気で低合金鋼を加熱し、ガス軟窒化処理する工程であり、高Ｋｎ値処理の後、低Ｋｎ値処理が行われる。低Ｋｎ値処理の後は、窒化ポテンシャルを上昇させることなく終了する。ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveは、処理時間Ｘ、処理時間Ｙ、窒化ポテンシャルの範囲及び平均値（ＫｎX、ＫｎYＫｎXave、ＫｎYave）から、下記（式２）によって求める。
Ｋｎave＝（Ｘ×ＫｎXave＋Ｙ×ＫｎYave｝／Ａ  ・・・  （式２）
【００４６】
ガス軟窒化処理の窒化ポテンシャルの平均値Ｋｎaveは、０．０５〜０．２０とする。更に、Ｋｎaveの下限は０．０６以上、上限は０．１８以下が好ましい。Ｋｎaveが０．０５未満では、硬化層深さが得られず、表面硬さが低下する。一方、Ｋｎaveが０．２０を超えると、化合物層が５μｍより厚くなる。
【実施例】
【００４７】
ＪＩＳ規格でのＳＣｒ４２０（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５３  機械構造用合金鋼鋼材）、及びＳ４５Ｃ（ＪＩＳ  Ｇ  ４０５１  機械構造用炭素鋼鋼材）を、５０ｋｇ真空溶解炉で溶解した後、インゴットに鋳造し、熱間鍛造して直径２０ｍｍの棒鋼を製造した。ＳＣｒ４２０については、組織を均一化させるため、９２０℃に加熱して３０分間保持した後、空冷（焼準）し、更に、９００℃に加熱し、３０分間保持して水冷（焼入れ処理）し、続いて６００℃で１時間保持（焼戻し処理）した。Ｓ４５Ｃについては、８７０℃に加熱して３０分保持した後、空冷した。
【００４８】
得られた棒鋼から、機械加工によって１５ｍｍ×８０ｍｍ×５ｍｍの試験片を採取し、ガス軟窒化炉の炉内にＮＨ3、Ｈ2、Ｎ2、ＣＯ2の各ガスを導入することによって、表２に示す条件の軟窒化処理を施した後、８０℃の油を用いて油冷を行った。ガス軟窒化処理後、試験片の、長さ方向に垂直な方向の断面を鏡面研磨し、エッチングして、光学顕微鏡によって、化合物層厚さ及び空隙の測定を行った。エッチングは、３％ナイタール溶液で２０〜３０秒間行った。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
化合物層は、５００倍で撮影した組織写真５視野（視野面積：２．２×１０4μｍ2）から、表層に存在する白い未腐食の層として観察され、それぞれ３０μｍ毎に４点の化合物層の厚さを測定し、２０点の平均値を化合物厚さとして求めた。更に、１０００倍で５視野観察し、最表面から５μｍ深さの範囲の面積２５μｍ2中に占める空隙の割合を算出した。
【００５１】
また、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４４に準拠し、試験力１．９６Ｎで、表面から５０μｍ、１００μｍ、以降５０μｍ毎に深さ１０００μｍまで、ビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さ（ＨＶ）は、各３点ずつ測定し、平均値を求めた。表面硬さは、表面から５０μｍ位置の３点の平均値である。有効硬化層深さは、ＳＣｒ４２０については３００ＨＶ、Ｓ４５Ｃについては２５０ＨＶとなる表面からの深さであり、表面からの距離に対して、ＨＶ硬さをプロットして求めた。
【００５２】
化合物層の厚さは５μｍ以下、空隙の割合は１０％未満、表面硬さは、Ｓ４５Ｃでは２９０ＨＶ以上、ＳＣｒ４２０では５７０ＨＶ以上、有効硬化層深さは下式、以上をすべてを満たすとき、良好と判定した。
有効硬化層深さ（μｍ）≧１３０×｛処理時間（時間）｝1/2  ・・・  式（Ｂ）
【００５３】
結果を表２に示す。表２から、本発明で規定する条件をすべて満たす試験番号２１〜２３及び試験番号２６〜２８は、良好な特性が得られていることが明らかである。一方、本発明で規定する条件から外れた試験番号２４、試験番号２５、試験番号２９、試験番号３０は比較例である。試験番号２４は高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの最大値が高すぎて、空隙が生じている。試験番号２５は高Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの最小値及び平均値が低く、有効硬化層深さが浅く、且つ表面硬さが低下している。試験番号２９は低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの平均値が高く、厚い化合物層が残存している。試験番号３０は低Ｋｎ値処理の窒化ポテンシャルの最小値及び平均値が低く、表面硬さが低下している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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