(57)【要約】  表層を硬化させて耐摩耗性を高めた金属材とその表層硬化処理方法を提供する。  母材に浸窒処理を行うことでその表層を硬化させた金属材（４０）であって、母材の表層には窒素化合物層（４０Ｃ）が形成されておらず、かつ、母材の表面より７８μｍの深さまでのビッカース硬度が母材に比べて５％以上高い。
2014104085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に浸窒処理を行うことでその表層を硬化させた金属材であって、
前記母材の前記表層には窒素化合物層が形成されておらず、
かつ、前記母材の表面より７８μｍの深さまでのビッカース硬度が前記母材に比べて５％以上高いことを特徴とする表層を硬化させた金属材。
【請求項２】
前記表層の硬度変化が連続的に推移することを特徴とする請求項１記載の金属材。
【請求項３】
弾性体を金属材の表面に衝突させるショットブラスト処理による前処理工程と、
前記前処理工程を経た前処理済み金属材を処理槽内に配し、前記処理槽内に導入した窒素ガスに対して電子ビームを照射することで発生する窒素プラズマによって、前記前処理済み金属材の表層に窒素拡散層を形成する窒化処理工程とを有することを特徴とする表層硬化処理方法。
【請求項４】
前記窒化処理工程は、前記窒素プラズマのうち、窒素イオンの前記前処理済み金属材の前記表面への入射を遮蔽し、窒素原子のみを前記表面に入射させて前記表層に前記窒素拡散層を形成することを特徴とする請求項３記載の表層硬化処理方法。
【請求項５】
前記窒化処理工程は、前記前処理済み金属材を包囲した遮蔽部材が設けられ、この遮蔽部材によって、前記窒素イオンの前記前処理済み金属材の前記表面への入射が遮蔽されることを特徴とする請求項４記載の表層硬化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表層を硬化させた金属材及びその表層硬化処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に金属材の表層に窒素拡散層を形成し、その表層の硬化を図る手法が知られており、浸窒処理と称されている。そして、より低温で金属材の表層に窒素拡散層を形成可能な浸窒処理方法として、窒素プラズマを用いたプラズマ窒化処理がある。しかしながら、従来のプラズマ窒化処理（イオン窒化処理と称されている）では、金属材の表面に対して窒素プラズマ中の窒素イオンが過剰に供給される為、金属材の表層には窒素拡散層のみならず、脆い窒素化合物層が形成されてしまう問題点があった（下記、特許文献１参照）。【０００３】
この窒素化合物層の形成を抑制するプラズマ窒化処理方法として、窒素プラズマ中の窒素イオンが金属材へ入射しないように遮蔽し、窒素原子のみを窒素拡散層の形成に寄与させるニュートラル窒化処理が考案されている（下記、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５６７６４号公報
【特許文献２】特開２０１１−０５２３１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、金属材の表層への窒素拡散速度を速め、かつ、より深くまで窒素拡散層を形成することが求められていた。【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、金属材の表層に窒素化合物層を形成することなく、かつより深くまで窒素拡散層を形成することで表層を硬化させた金属材とその表層硬化処理方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明の表層を硬化させた金属材は、
母材に浸窒処理を行うことでその表層を硬化させた金属材であって、
前記母材の前記表層には窒素化合物層が形成されておらず、
かつ、前記母材の表面より７８μｍの深さまでのビッカース硬度が前記母材に比べて５％以上高いことを特徴とする。【０００８】
この金属材は、表層に脆い窒素化合物層を形成することなく、浸窒処理によって表面より７８μｍの深さまでのビッカース硬度が母材に比べて５％以上高められた金属材が得られる。よって、窒素化合物層を浸窒処理後に研磨等により除去することなく、耐摩耗性の高い硬質な金属材を得ることができる。【０００９】
第２発明の表層硬化処理方法は、
弾性体を金属材の表面に衝突させるショットブラスト処理による前処理工程と、
前記前処理工程を経た前処理済み金属材を処理槽内に配し、前記処理槽内に導入した窒素ガスに対して電子ビームを照射することで発生する窒素プラズマによって、前記金属材の表層に窒素拡散層を形成する窒化処理工程とを有することを特徴とする。【００１０】
この表層硬化処理方法は、弾性体を金属材の表面に衝突させるショットブラスト処理を施す前処理工程を経た後に、窒素プラズマによって前処理済み金属材の表層に窒素拡散層を形成する窒化処理を行うことによって、窒素拡散層をより深くまで形成して、金属材の表層硬化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ショットブラスト処理の模式図である。
【図２】ショット材の模式図である。
【図３】プラズマ窒化処理装置の概略図である。
【図４】サンプルＮ２とサンプルＮ’の断面金属顕微鏡写真である。
【図５】ニュートラル窒化を行ったサンプルの断面金属顕微鏡写真である。
【図６】ニュートラル窒化を行ったサンプルの深さ方向のビッカース硬度プロファイルの処理時間依存性を示すグラフである。
【図７】イオン窒化を行ったサンプルの断面金属顕微鏡写真である。
【図８】イオン窒化を行ったサンプルの深さ方向のビッカース硬度プロファイルの処理時間依存性を示すグラフである。
【図９】処理時間に対する表面窒素濃度と表面析出材質との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１発明及び第２発明における好ましい実施の形態を説明する。
【００１３】
第１発明の金属材において、前記表層の硬度変化が連続的に推移し得る。この場合、硬化された表層において、応力集中や疲労等による破壊が起こり難い。
【００１４】
第２発明の表面硬化処理方法において、前記窒化処理工程は、前記窒素プラズマのうち、窒素イオンの前記前処理済み金属材の前記表面への入射を遮蔽し、窒素原子のみを前記表面に入射させて前記表層に前記窒素拡散層を形成し得る。この場合、窒素イオンが前処理済み金属材の表面に入射するのを遮蔽できる為、窒素イオンの供給過剰に起因する窒素化合物層の表層析出を抑制できる。
【００１５】
第２発明の表面硬化処理方法において、前記窒化処理工程は、前記前処理済み金属材を包囲した遮蔽部材が設けられ、この遮蔽部材によって、前記窒素イオンの前記前処理済み金属材の前記表面への入射が遮蔽され得る。この場合、遮蔽部材を用いることで窒素イオンが前処理済み金属材の表面に入射するのを容易に遮蔽できる。
【００１６】
次に、第１発明の表層を硬化した金属材及び第２発明の表層硬化処理方法を具体化した実施例について、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
＜実施例＞
表層を硬化させるサンプル（金属材）４０として、金属や工具に使用される工具鋼ＳＫＤ６１を用いた。サンプル４０は円板状であり、直径は２０ｍｍであり、厚さは２ｍｍである。
【００１８】
表層硬化処理方法は、サンプル４０の表面にショット材（弾性体）２を衝突させるショットブラスト処理を施す前処理工程と、プラズマ窒化処理装置９にて窒素プラズマにより前処理済みサンプル４０の表層に窒素拡散層４０Ｄを形成する窒化処理工程の２工程からなっている。
【００１９】
前処理工程におけるショットブラスト処理の模式図を図１に示す。ブラスト装置１は機械式ショットブラスト加工装置ＳＭＡＰ（東洋研磨材工業株式会社製）である。ブラスト装置１は回転しつつショット材２を投射する投射部３と、ノズル径が５ｍｍの噴射ノズル４と、噴射ノズル４までショット材２を導出するキャビネット部５とを有している。サンプル４０と、噴射ノズル４との角度（噴射角度θ）は４０°であり、噴射ノズル４の先端からサンプル４０までの距離は４０ｍｍである。
【００２０】
図２にショット材２の模式図を示す。ショット材２は直径が０．４ｍｍの樹脂製の球体６であり、その全周は１μｍ以下の粒径のダイヤモンド砥粒７にて覆われている。ショット材２は内部が樹脂製である為、弾性を有している。尚、ショット材２の質量は約４．５５×１Ｅ−８ｋｇである。
【００２１】
次にショットブラスト処理の手順について説明する。
【００２２】
ショット材２は回転速度１Ｈｚにて回転するブラスト装置１の投射部３から投射される。投射部３から投射されたショット材２は、キャビネット部５を通過し、キャビネット部５よりも幅狭に形成された噴射ノズル４からサンプル４０に対して噴射される。そして、投射部３より投射された時の運動エネルギーを維持したショット材２がサンプル４０に衝突する。この衝突エネルギーは約７．１×１Ｅ−９Ｊである。また、ショット材２の噴射時間は１分間であり、ショット材の噴射量は５００ｇである。
【００２３】
この弾性を有したショット材２をサンプル４０の表面に衝突させるショットブラスト処理は、従来の金属粒子（スチールショット）を用いるショットブラスト処理に比べて衝突エネルギーが非常に低い。このため、ショットブラスト処理後のサンプル４０の表面硬化はスチールショットに比較して低い値しか観測されない。すなわち、サンプル４０はショットブラスト処理後の硬度変化がビッカース硬度で１００Ｈｖ以下である。
【００２４】
次に窒化処理工程について説明する。
【００２５】
窒化処理工程で使用するプラズマ窒化装置９は、図３に示すように、電子ビームガン１０及び処理槽２０を有する。電子ビームガン１０は放電領域１１と加速領域１２とを有している。放電領域１１は中央部に小孔を有する中間電極Ｓ１によって第１放電領域１１Ａと第２放電領域１１Ｂとに区画されている。第１放電領域１１Ａはフィラメント１３と陰極Ｓ０とを収納している。また、第１放電領域１１Ａはアルゴンガスの供給源に連通した第１ガス配管１４が連通している。第１ガス配管１４は第１マスフローコントローラー１４Ａを介装している。また、第１ガス配管１４は第１マスフローコントローラー１４Ａの上流側及び下流側に開閉弁１４Ｂを介装している。
【００２６】
第２放電領域１１Ｂは放電陽極Ｓ２によって加速領域１２と区切られている。加速領域１２は、放電陽極Ｓ２と、放電陽極Ｓ２に対して加速電圧Ｖａが印加された加速電極ＳＡとに挟まれて形成されている。
【００２７】
このように構成された電子ビームガン１０は、放電領域１１内に第１ガス配管１４からアルゴンガスを導入し、陰極Ｓ０と中間電極Ｓ１との間に直流電圧を印加することで放電を開始する。すると、アルゴンがイオン化されて放電領域１１内に大量の電子が発生する。このプラズマ空間中から放電陽極Ｓ２と加速電極ＳＡとの間の加速電圧Ｖａにより電子のみを加速させて電子ビームを生成する。生成された電子ビームは処理槽２０内に照射される。
【００２８】
処理槽２０はプラズマ領域２１を形成している。プラズマ領域２１は窒素ガスの供給源に連通した第２ガス配管２２を連通している。第２ガス配管２２は第２マスフローコントローラー２２Ａを介装している。また、第２ガス配管２２は第２マスフローコントローラー２２Ａの上流側及び下流側に開閉弁２２Ｂを介装している。また、プラズマ領域２１はゲートバルブ２４を介して減圧するための真空ポンプ２３を連通している。処理槽２０は中間部の周囲に電熱ヒーター２５を設けている。
【００２９】
プラズマ領域２１内に第２ガス配管２２から窒素ガスが導入され、電子ビームガン１０から電子ビームが照射されることにより、窒素分子が解離・電離して処理槽２０内に窒素プラズマが生成される。
【００３０】
また、プラズマ窒化処理装置９はプラズマ領域２１内に石英製の試料台２６が備えられている。さらに、プラズマ窒化処理装置９は、試料台２６の上に取り付けられ、処理槽２０と電気的に絶縁された金属製の網目状のケージ（遮蔽部材）３０を備えている。ケージ３０は、ステンレス製の金網３１を円柱状に形成し、その両端にステンレス製のリング状のフレーム３２が取り付けられている。また、ケージ３０はフレーム３２により形成された両端部に円形状の金網３１が取り付けられている。金網３１は、直径０．１６ｍｍの線材から作られ、１インチ当たり４０メッシュの間隔でメッシュ状に編まれたものである。ケージ３０は内部に前処理を施したサンプル４０を配置可能である。
【００３１】
プラズマ窒化処理装置９はサンプル４０が配置される位置におけるプラズマ電位よりも高い正電位バイアス電圧をサンプル４０に印加可能な第１直流電源装置４１を備えている。また、プラズマ窒化処理装置９はケージ３０に負電位のバイアス電圧を印加可能な第２直流電源装置３１を備えている。さらに、プラズマ窒化処理装置９は処理物４０の温度を測定可能な熱電対４２を備えている。
【００３２】
次に、プラズマ窒化装置９を用いた２つの窒化処理方法について説明する。
【００３３】
電子ビームが照射されると、サンプル４０の周辺に窒素プラズマが生成する。また、第２直流電源装置３１がケージ３０に対して負バイアス電圧を印加する。これによって、窒素プラズマ中における窒素イオンはケージ３０に向かって加速する。ケージ３０を構成する金網３１はメッシュ状であるため、ケージ３０に到達した窒素イオンは網目を通過する。そして、金網３１を構成する線材に入射した一部の窒素イオンは線材から電子を受け取って窒素原子になり、その加速性を維持しつつサンプル４０の表面に対して入射する。すなわち、窒素原子のみがサンプル４０の表面に入射することになる。
【００３４】
サンプル４０は第１直流電源装置４１よってプラズマ電位よりも高い正バイアス電圧が印加されている。このため、ケージ３０内に侵入した窒素イオンはサンプル４０の電界によって跳ね返され、サンプル４０の表面への入射が遮蔽される。このように、窒素プラズマの窒素原子のみを選択的にサンプル４０の表面に入射させ、サンプル４０の表層に窒素拡散層４０Ｄを形成する方法を「ニュートラル窒化」という。
【００３５】
一方、ケージ３０を用いず、第１直流電源装置４１よって負バイアス電圧をサンプルに印加することで窒素イオンを積極的にサンプル４０の表面に入射させて、サンプル４０の表層に窒素拡散層４０Ｄを形成する従来の窒化処理方法を「イオン窒化」という。
【００３６】
次に、プラズマ窒化装置９の窒化処理条件について説明する。
【００３７】
第１マスフローコントローラー１４Ａを用いて、アルゴンガスの流量を２０ｓｃｃｍに制御する。また、第２マスフローコントローラー２２Ａを用いて、窒素ガスの流量を４０ｓｃｃｍに制御する。加速電圧Ｖａは８０Ｖとし、電子ビームのビーム電流は８．０Ａとした。処理槽２０内の窒素圧力は０．４Ｐａとし、電熱ヒーター２５を加熱してサンプル４０の温度を５００℃とした。以上の条件にて、サンプル４０の表面をニュートラル窒化処理もしくはイオン窒化処理した。
【００３８】
前処理を行った後に、ニュートラル窒化処理を３、６、１２時間の３水準の処理時間にて行ったサンプルＮ１、Ｎ２、Ｎ３を用意した。
【００３９】
また、比較例として、前処理は行わず、ニュートラル窒化処理のみを６時間行ったサンプルＮ’と、前処理は行わず、イオン窒化処理のみを１．５、３、６時間の３水準の処理時間にて行ったサンプルＩ１、Ｉ２、Ｉ３を用意した。そして、すべてのサンプル４０について金属顕微鏡による断面観察と深さ方向のビッカース硬度評価を行った。
【００４０】
金属顕微鏡によるサンプル４０の断面観察を行う際の手順は以下の通りである。まず、処理したサンプル４０をダイヤモンドカッターで切断し、樹脂に埋め込んだ後に、その断面を粒度０．０５μｍのアルミナにて研磨する。その後、硝酸濃度３％のナイタール液に３０秒間浸漬させることで、窒素拡散層４０Ｄのみを黒色に変色させた。
【００４１】
図４（ａ）に前処理は行わず、ニュートラル窒化のみを６時間行ったサンプルＮ’の断面金属顕微鏡写真を、図４（ｂ）に前処理及びニュートラル窒化処理を６時間行ったサンプルＮ２の断面金属顕微鏡写真を示す。上述の通り、図４において黒色に変色している領域が窒素拡散層４０Ｄに対応している。図４から前処理及びニュートラル窒化処理を行ったサンプルＮ２はニュートラル窒化のみを行ったサンプルＮ’に比べて、黒色に変色した層が広がっており、窒素拡散層４０Ｄがより深くまで形成されていることがわかる。よって、前処理を行わなかった場合に比べて、前処理を行った方がその後のプラズマ窒化処理により、サンプル４０の表面により深くまで窒素拡散層４０Ｄを形成できることがわかる。
【００４２】
図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に前処理及びニュートラル窒化処理を３、６、１２時間行ったサンプルＮ１〜Ｎ３の断面金属顕微鏡写真をそれぞれ示す。また、図６に前処理及びニュートラル窒化処理を行ったサンプルＮ１〜Ｎ３のビッカース硬度の深さ方向プロファイルの処理時間依存性のグラフを示す。また、図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にイオン窒化処理を１．５、３、６時間行ったサンプルＩ１〜Ｉ３の断面金属顕微鏡写真をそれぞれ示す。また、図８にイオン窒化処理を行ったサンプルＩ１〜Ｉ３のビッカース硬度の深さ方向プロファイルの処理時間依存性のグラフを示す。
【００４３】
図５、７からイオン窒化処理及びニュートラル窒化処理を行ったいずれのサンプルＮ１〜Ｎ３についても処理時間を増やすことで、黒色に変色した層が広がっていることから、処理時間を長くすることで窒素拡散層４０Ｄがより深くまで形成されていることがわかる。また、図６及び図８からニュートラル窒化処理及びイオン窒化処理を行ったいずれのサンプル４０についても処理時間を長くすることでサンプル４０の表層のビッカース硬度が増加し、表層硬化が促進されていることがわかる。
【００４４】
サンプル４０であるＳＫＤ６１の窒化処理前のビッカース硬度は約６３０Ｈｖである。そして、窒化処理前のサンプル４０よりもビッカース硬度が５％高くなる（約６６０Ｈｖ）深さを「窒素拡散深さ」と定義する。図６からニュートラル窒化処理を行った３つのサンプル（サンプルＮ１〜Ｎ３）の窒素拡散深さはそれぞれ、約４５μｍ、約６７μｍ、約９２μｍと見積もられる。また、図８からイオン窒化処理を行った３つのサンプル（サンプルＩ１〜３）の窒素拡散深さは、それぞれ約４８μｍ、約８０μｍ、約１２８μｍと見積もられる。ニュートラル窒化処理及びイオン窒化処理を行ったいずれのサンプル４０についても処理時間を長くする事で窒素拡散深さが深くなることがわかる。また、イオン窒化処理を行ったサンプル４０の方がニュートラル窒化処理を行ったサンプル４０よりも窒素拡散層４０Ｄの形成速度が速く、窒素拡散深さが深くなることがわかる。
【００４５】
図７に再度着目すると、イオン窒化処理を行ったサンプルＩ１〜Ｉ３はすべて表面に白色の窒素化合物層４０Ｃが確認される。また、図５に着目するとニュートラル窒化処理を行ったサンプルＮ１〜Ｎ３については、窒素化合物層４０Ｃは目視では確認されない。
【００４６】
図９に処理時間に対する表面窒素濃度と表面析出材質との関係について示す。ＳＫＤ６１内の窒素濃度が６ｗｔ％（生成閾値）を超えると、ＳＫＤ６１内に含まれる元素の窒素化合物層ε（４０Ｃ）が表面に析出してくることを図９は示している。イオン窒化処理の場合、処理時間が約数十分で生成閾値を超えてしまう。それに比べてニュートラル窒化処理の場合、処理時間に対する表面窒素濃度のカーブが緩やかであり、９時間以上窒化処理を行わない限り、窒素化合物層ε（４０Ｃ）は表面に析出しない。
【００４７】
すなわち、窒素拡散層４０Ｄの形成速度はイオン窒化処理の方がニュートラル窒化処理に比べて早いが、表面に窒素化合物層４０Ｃを形成せずに窒素拡散層４０Ｄを深く形成することは原理上不可能である。なお、ニュートラル窒化処理を１２時間行ったサンプルＮ３については生成閾値を超えている為、図５（ｃ）の断面金属顕微鏡写真からは確認できない程度の薄い窒素化合物層４０Ｃがサンプル４０の表面に形成されていることが推測される。
【００４８】
以上から、窒素化合物層４０Ｃを表層に析出させる事なく、より深くまで窒素拡散層４０Ｄを形成するためには、弾性を有するショット材２をサンプル４０の表面に衝突させるショットブラスト処理を行い、その後に、ニュートラル窒化処理を９時間行えばよい。
【００４９】
窒素拡散深さと処理時間は線形の関係にあるため、ニュートラル窒化を行ったサンプルＮ１〜Ｎ３のデータを直線近似することによって、９時間のニュートラル窒化処理時間における窒素拡散深さは約７８μｍと求めることができる。
【００５０】
以上、本実施例によれば、弾性を有するショット材２を金属材４０の表面に衝突させるショットブラスト処理を前処理として行った後に、窒素原子のみが窒素拡散層４０Ｄの形成に寄与するニュートラル窒化処理を行うことによって、金属材４０の表層に窒素化合物層４０Ｃを析出させることなく、表面から７８μｍ程度の深さまで高い硬度を有する金属材４０を作製することができる。
【００５１】
このように、浸窒処理を行った金属材４０は耐摩耗性に優れ、加工して工具などに使用する際には使用寿命を長くすることができる。また、金属材４０の表層には脆い窒素化合物層４０Ｃが形成されないので、それを研磨等により除去する必要がなくなり作業コストを低減することができる。
【００５２】
また、金属材４０に対して更にＴｉＮ（窒化チタン）膜などをコーティングする複合硬化処理を行う際に、窒素化合物層４０Ｃが表層に形成されているとコーティングしたＴｉＮ膜が剥離してしまう虞がある。これに対し、ニュートラル窒化処理を行った金属材４０は、窒素化合物層４０Ｃが金属材４０の表層に形成されないので、複合硬化処理を行う際にも有効である。
【００５３】
更に、図６と図８を比較すると、以下のことが分かる。図６に示すように、ニュートラル窒化処理の場合、表面から５０μｍ程度までの硬度変化率は、１２時間処理において−２０６／４０［０．０１Ｈｖ／μｍ］、すなわち−５．１［０．０１Ｈｖ／μｍ］であった。一方、図８に示すように、イオン窒化処理の場合、表面から７０μｍ程度までの硬度変化率は、６時間処理において−８０／４０［０．０１Ｈｖ／μｍ］、すなわち−２［０．０１Ｈｖ／μｍ］であった。
【００５４】
一般に窒素拡散層４０Ｄが表面から１２０μｍ〜２００μｍ程度の限られた深さで一定であるとすると、金属材４０内部の硬度変化は、表面硬度の１４００Ｈｖ程度から金属材４０の硬度６３０Ｈｖまでこの間に連続的に推移することが好ましい。図８に示すように、イオン窒化処理の場合、６時間処理において、表面から７０μｍ程度の深さまでの硬度変化率は−２[０．０１Ｈｖ／μｍ]であったものが、表面から７０μｍ程度より深い部位では、−２２．３[０．０１Ｈｖ／μｍ]と大きく変化する。その変化比は、−２２．３／−２≒１１．２である。ここで、変化比とは、窒素拡散層４０Ｄ中の硬度変化率の不連続的に変化する点（以下では屈折点と称する）前後の硬度変化率の比であり、表面からこの屈折点までの硬度変化率を分母とするものである。図６に示すように、ニュートラル窒化処理の場合、１２時間処理において、表面から５０μｍ程度の深さまでの硬度変化率が−５．１［０．０１Ｈｖ／μｍ］が、−１４．６［０．０１Ｈｖ／μｍ］と変化し、変化比は、−１４．６／−５．１≒２．９である。
【００５５】
イオン窒化処理では、表面から７０μｍ程度の深さで硬度変化率が大きく変わり（変化比＝１１．２）、あたかも表面から７０μｍ程度の深さまで疑似被膜が存在すると見立てられる。この状態で、素材表面に様々な方向から外力が加わると、この疑似被膜とそれよりも更に深い部位では、挙動が異なってくることが推測される。具体的に、疑似被膜とそれよりも更に深い部位では、境界付近において応力集中や疲労等により破壊が起こることが示唆されるのである。一方、ニュートラル窒化処理では、この変化比がイオン窒化処理の１／４程度でほぼ連続的に硬度変化が推移するため、上記のような応力集中や疲労等による破壊が起こり難い。
【００５６】
ニュートラル窒化処理は、単に高い表面硬度を得ることができるだけでなく、素材内部においても硬度変化が連続的に推移する（理想的には変化比が１で、屈折点が存在しない）特徴を有し、応力集中や疲労等の破壊に対し高い耐性を素材に付与することが可能となるのである。一般的に窒化処理においては、当該変化比が１〜３であることが好ましい。
【００５７】
このような効果は、鏡面仕上げのために弾性体２を金属材４０の表面に衝突させるショットブラスト処理を施す前処理工程と、ニュートラル窒化処理工程との結合により達成されると考えられる。鏡面仕上げのための弾性体２による前処理を行った金属材４０では、その内部に弾性体２の衝突により励起された転位が数多く存在することから上述した効果が生起すると考えられる。この転位は、通常の金属材料にも存在するものであるが、当該弾性体２の衝突により、通常の金属材料に存在するよりも多くの転位が発生し、単位面積当たりの転位（転位密度）が増加するのである。
【００５８】
従来の窒化処理法では、金属材４０の表面に注入される窒素原子がいずれ飽和し、窒素原子の存在余地が減少して行き、表面には窒素化合物層４０Ｃが形成されるに至る。弾性体２による前処理を行うことで転位密度が高くなった金属材４０では、表面より侵入を開始した窒素原子は、次々に転位線を伝わって金属材４０内部へと拡散していく。これにより、前処理を行った金属材４０では、より深く、またより早く窒素原子が内部に浸透していくことにより、前処理を行わない従来の窒化方法と比較して、非常に短時間で所望の硬度を得ることが可能になるのである。また、従来法に比較して、より深くまで窒素原子が浸透し、窒素拡散層４０Ｄをより厚く形成できるのである。
【００５９】
また、転位密度が高い状態は、従来法に比較して、低い処理温度環境においても窒素原子を金属材４０内部まで運び得るので、処理温度の低温化にも貢献できる。更には、従来法が難しいとされてきたステンレス材料に対しても、転位導入の効果を利用することにより、不動態層にダメージを与えることなく、窒素原子の浸透を図ることができる。これに伴って、耐食性と高い表面硬度が得られる。更には、腐食雰囲気下においても、高い耐摩耗性を発揮される。
【００６０】
また、鏡面仕上げのための弾性体２による前処理を行った金属材４０では、金属材４０の表面粗さが、文字通り鏡面仕上げの十点平均粗さＲｚで５０ｎｍ（ナノメータ）以下と成ることからも上記の効果が生起されると考えられる。なお、十点平均粗さＲｚとは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線から縦倍率の方向に測定した、最も高い山頂から５番目までの山頂の標高の絶対値の平均値と、最も低い谷底から５番目までの谷底の標高の絶対値の平均値との和を求め、この値を表したものである。
【００６１】
一方、未処理の金属材４０の十点平均粗さＲｚは通常μｍ（マイクロメータ）で表現される。この金属材４０に投射角度をつけて弾性体２を衝突させることで、表面が鏡面状態となる（併せて、上述のごとく転位密度を増加させることができる）。このように、実施例の表面硬化処理方法は、一般的に用いられる鉄球やセラミック粒子の様な非弾性体の投射物を衝突させて、金属材４０の表面に微細ながら凹部を形成する加工方法と大きく異なる特徴を有しているのである。
【００６２】
窒化処理において、窒素原子は金属材４０の表面から入射する。したがって、表面積が大きければ、それに伴って入射する窒素原子も増加する。そして、金属材４０に入射した窒素原子は、上述のごとく主に転位線に沿って金属材４０の内部に浸透・蓄積して行くが、その入射量が浸透量よりも多い場合には、表面付近に主に蓄積し、上述の変化比の増加に繋がってしまうため好ましくない。また、窒素原子の濃度が高まれば、いずれ窒素化合物層４０Ｃの生成にも繋がり、更に好ましくない状況に至ってしまう。
【００６３】
鏡面仕上げによって金属材４０を十点平均粗さＲｚで５０ｎｍ（ナノメータ）以下にまで平坦化することにより、金属材４０の表面積は、数十分の一から数百分の一にまで減少させることが可能となる。これにより、窒素原子の入射は制限され、窒素原子の入射量と窒素原子の浸透量とがバランスし、窒素原子が滞留せず、金属材４０の内部にまで浸透し、変化比の減少に寄与するのだと考えられる。すなわち、弾性体２による前処理において、金属材４０の十点平均粗さＲｚが５０ｎｍ以下であることが望ましく、更には３０ｎｍ以下であることがより好ましいのである。
【００６４】
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施例では、遮蔽部材に線材を編み込んで作製したケージを使用したが、ケージの直径や編み込みの間隔は適宜変更しても良い。
（２）プラズマ窒化装置の処理条件及び金属材及びケージに印加するバイアス電圧等は適宜変更しても良い。
（３）上記実施例では、金属材に工具鋼ＳＫＤ６１を使用したがその他の金属及び合金であっても良い。
（４）上記実施例では、弾性体の砥粒として１μｍ以下のダイヤモンド砥粒を使用したが、粒径は変更しても良く、また、炭化ケイ素やアルミナや窒化ホウ素等の砥粒を用いても良い。
（５）上記実施例では、弾性体の母材として樹脂を用いたが、これに限らず、ゴム等の弾性体を用いても良い。
（６）前処理工程におけるショットブラスト処理条件及び弾性体の投射速度、金属材への衝突エネルギーも適宜変更しても良い。
【符号の説明】
【００６５】
２…ショット材（弾性体）
１０…処理槽
３０…ケージ（遮蔽部材）
４０…サンプル（金属材、前処理済み金属材）
４０Ｃ…窒素化合物層
４０Ｄ…窒素拡散層
【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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【国際調査報告】
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