CN107923028B - 氮化处理钢部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能够满足部件的小型轻量化或高负载容量的要求的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。

Description

氮化处理钢部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及实施了氮化处理的钢部件、特别是弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的曲轴等氮化处理钢部件及其制造方法。
背景技术
对于在汽车、各种产业机器等中所使用的钢部件，为了提高疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性等机械性质，实施渗碳淬火、高频淬火、氮化和软氮化等表面硬化热处理。
氮化处理和软氮化处理在A1点以下的铁素体区域中进行，由于在处理中没有相变，因此能够减小热处理应变。因此，氮化处理和软氮化处理多用于具有高尺寸精度的部件和大型部件，例如已应用于汽车的传动部件中使用的齿轮和发动机中使用的曲轴。
氮化处理是使氮侵入钢材表面的处理方法。对于用于氮化处理的介质来说，有气体、盐浴、等离子体等。对汽车的传动部件主要应用生产率优异的气体氮化处理。通过气体氮化处理，使得在钢材表面形成厚度为10μm以上的化合物层，此外，在化合物层下侧的钢材表层形成作为氮扩散层的硬化层。化合物层主要由Fe2～3N和Fe4N构成，与成为母材的钢相比，化合物层的硬度极高。因此，化合物层在使用的初期使钢部件的耐磨性和耐点蚀性得以提高。
但是，化合物层由于韧性低并且变形能力低，因此有可能在使用中化合物层与母层的界面剥离，部件的强度降低。因此，难以将气体氮化部件用作承受冲击应力、大弯曲应力的部件。
因此，为了用作承受冲击应力、大弯曲应力的部件，需要减薄化合物层的厚度、进而消除化合物层。另外，已知化合物层的厚度可以通过氮化处理的处理温度和氮势KN来控制，上述氮势KN由NH3分压和H2分压按照下式求出。
KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]
如果降低氮势KN，则能够减薄化合物层，进而也能够消除化合物层。但是，如果降低氮势KN，则氮变得难以侵入钢中。这种情况下，硬化层的硬度变低，并且其深度变浅。其结果是，氮化部件的疲劳强度、耐磨性和耐烧粘性降低。为了应对该性能降低，有下述方法：对气体氮化处理后的氮化部件实施机械研磨或喷丸等，从而除去化合物层。但是，对于该方法而言，制造成本升高。
在专利文献1中，针对上述这样的问题提出了下述方法：利用与上述的氮势不同的氮化参数KN′＝(NH3分压)/[(H2分压)1/2]来控制气体氮化处理的气氛，减小硬化层深度的不均。
在专利文献2中，提出了不形成化合物层就能够形成硬化层(氮化层)的气体氮化方法。专利文献2的方法是首先通过氟化处理除去部件的氧化皮膜，然后进行氮化处理，在处理炉内需要非氮化性材料作为用于配置被处理物的夹具。
但是，由专利文献1所提出的氮化参数即使对硬化层深度的控制有用，也不会提高作为部件的功能。
如专利文献2中所提出的那样，在准备非氮化性的夹具并首先进行氟化处理的方法的情况下，会产生夹具的选择和作业工时的增加的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-28588号公报
专利文献2：日本特开2007-31759号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的在于解决难以兼顾使低韧性且低变形能力的化合物层薄层化并且使硬化层深度变大的课题，并提供能够满足部件的小型轻量化或高负载容量的要求的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异的氮化处理钢部件及其氮化处理方法。
用于解决课题的手段
本发明的发明者们对于将通过氮化处理而在钢材表面所形成的化合物层减薄并且得到深的硬化层的方法进行了研究。进一步，也一并研究了在氮化处理时(特别是以高KN值进行的处理时)，抑制氮在钢材的表面附近气体化而形成空隙的方法。此外，考察了氮化处理条件与弯曲矫正性和弯曲疲劳特性的关系。其结果是，本发明的发明者们获得了下述(a)～(d)的认识。
(a)关于气体氮化处理中的KN值
一般来说，KN值是使用进行气体氮化处理的炉内的气氛(以下称为“氮化处理气氛”或仅称作“气氛”)的NH3分压和H2分压，由下述式子来定义的。
KN＝(NH3分压)/[(H2分压)3/2]
KN值能够通过气体流量来控制。但是，设定气体流量后，氮化处理气氛达到平衡状态需要一定的时间。因此，在KN值达到平衡状态为止的这段期间，KN值也是时时刻刻变化的。另外，在气体氮化处理的过程中改变KN值的情况下，在达到平衡状态为止的这段期间KN值也是变动的。
上述这样的KN值的变动会影响化合物层、表面硬度和硬化层深度。因此，不仅KN值的目标值需要控制在规定范围内，气体氮化处理中的KN值的偏差的范围也需要控制在规定范围内。
(b)关于化合物层生成的抑制与表面硬度和硬化层深度的确保的兼顾
在本发明的发明者们的各种实验中，氮化部件的弯曲矫正性和弯曲疲劳特性与化合物层的厚度、化合物层中的空隙、表面硬度和硬化层深度相关。如果化合物层较厚、而且化合物层中的空隙较多，则容易以化合物层为起点产生裂纹，弯曲矫正性和弯曲疲劳强度降低。
另外，表面硬度越低、硬化层深度越浅，则越会以扩散层为起点产生龟裂、裂纹，弯曲疲劳强度降低。进而，如果表面硬度过高，则弯曲矫正性变差。即，本发明的发明者们发现了：除了化合物层薄、化合物层中的空隙少、表面硬度在一定的范围内以外，硬化层深度越深，则弯曲矫正性和弯曲疲劳特性越优异。
由以上内容可知，为了兼顾弯曲矫正性和弯曲疲劳特性，尽量不要生成化合物层，并且将表面硬度控制在一定的范围，进而增大硬化层深度是重要的。
为了最终抑制化合物层的生成，确保硬化层深度，在暂时生成化合物层后，将生成的化合物层分解而利用作为向硬化层的氮供给源是有效率的。具体而言，在气体氮化处理的前半段，实施提高了氮势的气体氮化处理(高KN值处理)来形成化合物层。然后，在气体氮化处理的后半段，实施氮势比高KN值处理降低了的气体氮化处理(低KN值处理)。其结果是，在高KN值处理中形成的化合物层被分解为Fe和N，通过N扩散从而促进氮扩散层(硬化层)的形成。最终，能够对于氮化部件减薄化合物层，并且提高表面硬度，加深硬化层深度。
(c)关于空隙的生成的抑制
在气体氮化处理的前半段以高KN值进行氮化处理时，有时在化合物层中会生成含有空隙的层(多孔层)(图1(a))。这种情况下，在氮化物分解而形成了氮扩散层(硬化层)后，空隙也会原样地残存于氮扩散层内。如果氮扩散层内残存空隙，则氮化部件的疲劳强度降低。在高KN值处理中，生成化合物层时如果限制KN值的上限，则能够抑制多孔层和空隙的生成(图1(b))。
(d)关于钢材成分与化合物层和氮扩散层的关系
如果钢材中存在C，则化合物层厚度容易变厚，另外，如果存在Mn、Cr等氮化物形成元素，则氮扩散层的硬度和扩散层深度会变化。化合物层厚度越薄，另外表面硬度越低，则弯曲矫正性越提高，表面硬度越高；另外扩散层越深，则弯曲疲劳特性越提高，因此需要设定钢材成分的最佳范围。
本发明是根据上述的认识而完成的，其要旨如下。
[1]一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％、和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，有效硬化层深度为160～410μm。
[2]根据上述[1]所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[3]根据上述[1]或[2]所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项所述的氮化处理钢部件，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
[5]一种氮化处理方法，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：C：0.2～0.6％、Si：0.05～1.5％、Mn：0.2～2.5％、P：0.025％以下、S：0.003～0.05％、Cr：0.05～0.5％、Al：0.01～0.05％和N：0.003～0.025％，并且剩余部分为Fe和杂质，所述氮化处理方法具备实施气体氮化处理的工序，在该工序中，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中将所述钢材加热至550～620℃，整个处理时间A设定为1.5～10小时，所述气体氮化处理包含将处理时间设定为X小时的高KN值处理和在高KN值处理之后接着进行的将处理时间设定为Y小时的低KN值处理，在所述高KN值处理中，由式(1)求出的氮势KNX为0.15～1.50，由式(2)求出的所述氮势KNX的平均值KNXave为0.30～0.80，在所述低KN值处理中，由式(3)求出的氮势KNY为0.02～0.25，由式(4)求出的所述氮势KNY的平均值KNYave为0.03～0.20，由式(5)求出的氮势的平均值KNave为0.07～0.30。
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X (1)
[数学式1]
Figure BDA0001579458100000051
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分爪)3/2]Y (3)
[数学式2]
Figure BDA0001579458100000052
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A (5)
其中，在式(2)和式(4)中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字，X0为氮势KNX的测定间隔(小时)，Y0为氮势KNY的测定间隔(小时)，KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势，KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
[6]根据上述[5]所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述气体气氛含有合计为99.5体积％以上的NH3、H2和N2。
[7]根据上述[5]或[6]所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[8]根据上述[5]～[7]中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％中的1种或2种来代替一部分Fe。
[9]根据上述[5]～[8]中任一项所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述钢材含有Ti：0.005％以上且低于0.05％来代替一部分Fe。
发明效果
根据本发明，能够得到下述的氮化处理钢部件：化合物层较薄、空隙(多孔层)的生成得到了抑制、进而具有一定的表面硬度和深的硬化层、弯曲矫正性和弯曲疲劳特性优异。
附图说明
图1是表示氮化处理后的化合物层的图，(a)是在化合物层中生成了含有空隙的多孔层的例子，(b)是多孔层和空隙的生成得到了抑制的例子。
图2是表示高KN值处理的氮势的平均值KNXave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图3是表示低KN值处理的氮势的平均值KNYave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图4是表示氮势的平均值KNave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。
图5是用于评价弯曲矫正性的静态弯曲试验用方形试验片的形状。
图6是用于评价弯曲疲劳特性的圆柱试验片的形状。
具体实施方式
以下，对本发明的各要件进行详细说明。首先，对成为原材料的钢材的化学组成进行说明。以下，表示各成分元素的含量和部件表面的元素浓度的“％”是指“质量％”。
[C：0.2～0.6％]
C是为了确保部件的芯部硬度所需的元素。如果C的含量低于0.2％，则芯部强度变得过低，因此弯曲疲劳强度大幅地降低。另外，如果C的含量超过0.6％，则在高KN值处理中化合物层厚度容易变大，而且在低KN值处理中化合物层变得难以分解。因此，难以使氮化处理后的化合物层厚度变小，弯曲矫正性、弯曲疲劳强度大幅降低。C含量的优选范围为0.25～0.55％。
[Si：0.05～1.5％]
Si通过固溶强化来提高芯部硬度。另外，也是脱氧元素。为了发挥这些效果，需含有0.05％以上Si。另一方面，如果Si的含量超过1.5％，则棒钢、线材以及热锻造后的强度变得过高，因此切削加工性大幅降低，此外，弯曲矫正性降低。Si含量的优选范围为0.08～1.3％。
[Mn：0.2～2.5％]
Mn通过固溶强化来提高芯部硬度。进而，在氮化处理时，Mn在硬化层中形成微细的氮化物(Mn3N2)，通过析出强化而提高弯曲疲劳强度。为了获得这些效果，Mn需要为0.2％以上。另一方面，如果Mn的含量超过2.5％，则提高弯曲疲劳强度的效果饱和。进而，由于有效硬化层深度变浅，因此点蚀强度和弯曲疲劳强度降低。另外，由于成为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性大幅降低。Mn含量的优选范围为0.4～2.3％。
[P：0.025％以下]
P是杂质，晶界偏析而使部件脆化，因此含量优选为较少。如果P的含量超过0.025％，则弯曲矫正性、弯曲疲劳强度有可能降低。用于防止弯曲矫正性、弯曲疲劳强度降低的P含量的优选上限为0.018％。将含量完全设定为0是困难的，现实的下限为0.001％。
[S：0.003～0.05％]
S与Mn结合而形成MnS，提高切削加工性。为了获得该效果，S需要为0.003％以上。但是，如果S的含量超过0.05％，则变得容易生成粗大的MnS，弯曲矫正性、弯曲疲劳强度大幅降低。S含量的优选范围为0.005～0.03％。
[Cr：0.05～0.5％]
氮化处理时，Cr在硬化层中形成微细的氮化物(CrN)，通过析出强化而提高弯曲疲劳强度。为了获得这些效果，Cr需要为0.5％以上。另一方面，如果Cr的含量超过0.5％，则析出强化能力饱和。进而，由于有效硬化层深度变浅，因此点蚀强度和弯曲疲劳强度降低。另外，由于成为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性显著降低。Cr含量的优选范围为0.07～0.4％。
[Al：0.01～0.05％]
Al为脱氧元素，为了充分脱氧，需要为0.01％以上。另一方面，Al容易形成硬质的氧化物系夹杂物，如果Al的含量超过0.05％，则弯曲疲劳强度的降低变得显著，即使满足其他的要件，也无法获得所期望的弯曲疲劳强度。Al含量的优选范围为0.02～0.04％。
[N：0.003～0.025％]
N与Al、V、Ti结合而形成AlN、VN、TiN。AlN、VN、TiN通过奥氏体晶粒的钉扎作用，从而具有下述效果：使氮化处理前的钢材的组织微细化，减小氮化处理钢部件的机械特性的偏差。如果N的含量低于0.003％，则难以获得该效果。另一方面，如果N的含量超过0.025％，则变得容易形成粗大的AlN，因此变得难以获得上述的效果。N含量的优选范围为0.005～0.020％。
成为本发明的氮化处理钢部件的原材料的钢除了含有上述元素以外，还可以含有以下所示的元素。
[Mo：0.01％以上且低于0.50％]
Mo在氮化时在硬化层中形成微细的氮化物(Mo2N)，通过析出强化来提高弯曲疲劳强度。另外，Mo在氮化时发挥时效硬化作用而使芯部硬度提高。用于获得这些效果的Mo含量需要为0.01％以上。另一方面，如果Mo的含量为0.50％以上，则成为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性显著降低，此外合金成本增大。Mo含量的优选上限为低于0.40％。
[V：0.01％以上且低于0.50％]
V在氮化时形成微细的氮化物(VN)，通过析出强化使弯曲疲劳强度提高。另外，V在氮化时发挥时效硬化作用而使芯部硬度提高。进而，通过奥氏体晶粒的钉扎作用还具有使氮化处理前的钢材的组织微细化的效果。为了获得这些作用，V需要为0.01％以上。另一方面，如果V的含量为0.50％以上，则成为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性显著降低，此外合金成本增大。V含量的优选范围为低于0.40％。
[Cu：0.01～0.50％]
Cu作为固溶强化元素使部件的芯部硬度和氮扩散层的硬度提高。为了发挥Cu的固溶强化的作用，需要含有0.01％以上Cu。另一方面，如果Cu的含量超过0.50％，则成为原材料的棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性显著降低，此外热延展性降低，因此在热轧时、在热锻造时会成为表面损伤产生的原因。Cu含量的优选范围为低于0.40％。
[Ni：0.01～0.50％]
Ni通过固溶强化而使芯部硬度和表层硬度提高。为了发挥Ni的固溶强化的作用，需要含有0.01％以上Ni。另一方面，如果Ni的含量超过0.50％，则棒钢、线材以及热锻造后的硬度变得过高，因此弯曲矫正性、切削加工性显著降低，此外合金成本增大。Ni含量的优选范围为低于0.40％。
[Ti：0.005～0.05％]
Ti与N结合而形成TiN，使芯部硬度和表层硬度提高。为了获得该作用，Ti需要为0.005％以上。另一方面，如果Ti的含量为0.05％以上，则使芯部硬度和表层硬度提高的效果会饱和，此外合金成本增大。Ti含量的优选范围为0.007％以上且低于0.04％。
钢的剩余部分为Fe和杂质。杂质是指在原材料中所含的成分或者在制造的过程中混入的成分，而非有意地使钢中含有的成分。上述的任意的添加元素、Mo、V、Cu、Ni和Ti也有时以低于上述的下限的量混入，在这种情况下，只是无法充分获得上述的各元素的效果，但可以获得本发明的耐点蚀性和弯曲疲劳特性提高的效果，因此没有问题。
以下，对本发明的氮化处理钢部件的制造方法进行说明。以下说明的制造方法是一个例子，本发明的氮化处理钢部件只要化合物层的厚度为3μm以下、有效硬化层深度为160～410μm即可，并不限于以下的制造方法。
在本发明的氮化处理钢部件的制造方法中，对具有上述的成分的钢实施气体氮化处理。气体氮化处理的处理温度为550～620℃，整个气体氮化处理的处理时间A为1.5～10小时。
[处理温度：550～620℃]
气体氮化处理的温度(氮化处理温度)主要与氮的扩散速度有关，对表面硬度和硬化层深度产生影响。如果氮化处理温度过低，则氮的扩散速度慢，表面硬度降低，硬化层深度变浅。另一方面，如果氮化处理温度超过AC1点，则在钢中生成氮的扩散速度比铁素体相(α相)小的奥氏体相(γ相)，表面硬度降低，硬化层深度变浅。因此，在本实施方式中，氮化处理温度为铁素体温度区域附近即550～620℃。这种情况下，能够抑制表面硬度降低，并且能够抑制硬化层深度变浅。
[整个气体氮化处理的处理时间A：1.5～10小时]
气体氮化处理在含有NH3、H2、N2的气氛中实施。整个氮化处理的时间、即从氮化处理的开始到结束为止的时间(处理时间A)与化合物层的形成和分解以及氮的渗透有关，对表面硬度和硬化层深度产生影响。如果处理时间A过短，则表面硬度降低，硬化层深度变浅。另一方面，如果处理时间A过长，则会发生脱氮，钢的表面硬度降低。如果处理时间A过长，则会进一步使制造成本升高。因此，整个氮化处理的处理时间A为1.5～10小时。
应当指出的是，本实施方式的气体氮化处理的气氛除了NH3、H2和N2以外，不可避免地还含有氧、二氧化碳等杂质。优选的气氛为合计99.5％(体积％)以上的NH3、H2和N2。后述的KN值由于是由气氛中的NH3和H2分压的比率算出，因此不受N2分压大小的影响。但是，为了提高KN控制的稳定性，N2分压优选为0.2～0.5atm。
[高KN值处理和低KN值处理]
上述的气体氮化处理包含实施高KN值处理的工序和实施低KN值处理的工序。高KN值处理是在比低KN值处理更高的氮势KNX下实施气体氮化处理。进而在高KN值处理后实施低KN值处理。低KN值处理是在比高KN值处理更低的氮势KNY下实施气体氮化处理。
这样一来，在本氮化处理方法中，实施2个阶段的气体氮化处理(高KN值处理、低KN值处理)。在气体氮化处理的前半段(高KN值处理)，通过提高氮势KN值而使钢的表面生成化合物层。然后，在气体氮化处理的后半段(低KN值处理)，通过降低氮势KN值而使在钢表面形成的化合物层分解为Fe和N，使氮(N)渗透扩散至钢中。通过实施2个阶段的气体氮化处理，从而在降低高KN值处理中生成的化合物层的厚度的同时，使用由化合物层的分解而得到的氮来获得充分的硬化层深度。
将高KN值处理的氮势设定为KNX，将低KN值处理的氮势设定为KNY。此时，氮势KNX和KNY由下式定义。
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分压)3/2]Y
气体氮化处理的气氛的NH3和H2的分压能够通过调整气体流量来控制。
从高KN值处理向低KN值处理转移时，如果为了降低KN值而调整气体流量，则炉内的NH3和H2的分压需要一定程度的时间达到稳定化。用于变更KN值的气体流量的调整可以是1次，根据需要也可以是多次。为了进一步增大KN值的下降量，降低NH3流量、提高H2流量的方法是有效的。将高KN值处理后的KNi值最后成为0.25以下的时间点定义为低KN值处理的开始时期。
将高KN值处理的处理时间设定为“X”(小时)，将低KN值处理的处理时间设定为“Y”(小时)。处理时间X与处理时间Y的合计为整个氮化处理的处理时间A以内，优选为处理时间A。
[高KN值处理和低KN值处理中的各条件]
如上所述，将高KN值处理中的氮势设定为KNX，将低KN值处理中的氮势设定为KNY。进而，将高KN值处理中的氮势的平均值设定为“KNXave”，将低KN值处理中的氮势的平均值设定为“KNYave”。KNXave和KNYave由下式定义。
[数学式3]
Figure BDA0001579458100000121
[数学式4]
Figure BDA0001579458100000122
其中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字，X0为氮势KNX的测定间隔(小时)，Y0为氮势KNY的测定间隔(小时)，，KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势，KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
例如，将X0设定为15分钟，将从处理开始15分钟后设定为第1次(i＝1)，以后每隔15分钟测定为第2次(i＝2)、第3次(i＝3)，测定直至处理时间为止所能够测定的n次来计算KNXave。KNYave也同样地计算。
进一步地，将整个氮化处理的氮势的平均值设定为“KNave”。平均值KNave由下式定义。
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A
在本发明的氮化处理方法中，高KN值处理的氮势KNX、平均值KNXave、处理时间X、低KN值处理的氮势KNX、平均值KNYave、处理时间Y和平均值KNave满足以下的条件(I)～(IV)。
(I)平均值KNXave：0.30～0.80
(II)平均值KNYave：0.03～0.20
(III)KNX：0.15～1.50和KNY：0.02～0.25
(IV)平均值KNave：0.07～0.30
以下，对条件(I)～(IV)进行说明。
[(I)高KN处理中的氮势的平均值KNXave]
在高KN值处理中，为了形成足够厚度的化合物层，氮势的平均值KNXave需要为0.30～0.80。
图2是表示平均值KNXave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。图2由以下的实验得到。
使用具有本发明规定的化学成分的钢a(参照表1。以下称为供试材料)，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中实施了气体氮化处理。在气体氮化处理中，将供试材料***至能够控制加热到规定温度的气氛的热处理炉内，使NH3、N2和H2气体流入。此时，一边测定气体氮化处理的气氛的NH3和H2的分压，一边调整气体的流量，控制氮势KN值。KN值由NH3分压和H2分压求出。
气体氮化处理中的H2分压如下测定：使用直接安装于气体氮化炉体的热传导式H2传感器，将标准气体与测定气体的热传导率的差异换算为气体浓度。H2分压是在气体氮化处理期间持续地测定的。气体氮化处理中的NH3分压如下求出：在炉外安装手动玻璃管式NH3分析仪来测定，每15分钟算出残留NH3的分压。在测定NH3分压的每15分钟算出氮势KN值，按照向目标值收敛的方式调整了NH3流量和N2流量。
气体氮化处理如下进行：将气氛的温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、KNYave设定为恒定的0.05，使KNXave从0.10变化至1.00。整个处理时间A设定为3.0小时。
对以各种平均值KNXave进行了气体氮化处理的供试材料实施了以下的测定试验。
[化合物层的厚度测定]
在气体氮化处理后，对供试材料的断面进行研磨、蚀刻，用光学显微镜进行了观察。蚀刻是在3％硝酸乙醇溶液中进行了20～30秒。化合物层存在于钢的表层，是作为白色的未腐蚀的层被观察到的。从使用光学显微镜以500倍拍摄的组织照片的5个视场(视场面积：2.2×104μm2)中，分别每隔30μm测定了4个点的化合物层的厚度。将所测定的20个点的值的平均值定义为化合物厚度(μm)。在化合物层厚度为3μm以下时，剥离、裂纹的发生被大幅抑制。因此，在本发明方案中，需要将化合物层厚度设定为3μm以下。化合物层厚度也可以为0。
[化合物层的相结构]
化合物层的相结构优选以面积率计γ’(Fe4N)成为50％以上。剩余部分为ε(Fe2～ 3N)。根据一般的软氮化处理，化合物层中ε(Fe2～3N)成为主体，但根据本发明的氮化处理，γ’(Fe4N)的比例变大。化合物层的相结构能够通过SEM-EBSD法来考察。
[空隙面积率的测定]
此外，采用光学显微镜观察测定了供试材料的断面中的表层组织的空隙的面积率。以1000倍的倍率进行5个视场测定(视场面积：5.6×103μm2)，对各视场算出了在距离最表面为5μm深度范围的25μm2面积中空隙所占的比例(以下称为空隙面积率)。在空隙面积率为10％以上的情况下，气体氮化处理后的氮化部件的表面粗糙度***，此外，化合物层脆化，因此氮化部件的疲劳强度降低。因此，在本发明方案中，空隙面积率需要低于10％。空隙面积率优选为低于8％，更优选为低于6％。
[表面硬度的测定]
进一步地，采用以下方法求出了气体氮化处理后的供试材料的表面硬度和有效硬化层深度。按照JIS Z 2244，以1.96N的试验力测定了由试样表面沿深度方向的维氏硬度。然后，将距离表面50μm深度位置处的维氏硬度的3个点的平均值定义为表面硬度(HV)。在本发明中，作为与残存超过3μm的化合物层的一般的气体氮化处理的情形同等的表面硬度，将350HV以上～500HV以下作为目标。
[有效硬化层深度的测定]
本发明中，有效硬化层深度(μm)定义为使用在上述的维氏硬度试验中得到的深度方向的硬度分布、在由供试材料表面沿深度方向测定的维氏硬度的分布之中处于250HV以上的范围的深度。
在570～590℃的处理温度下生成10μm以上的化合物层的一般的气体氮化处理的情况下，如果将整个气体氮化处理的处理时间设定为A(小时)，则有效硬化层深度成为由下述式(A)求出的值±20μm。
有效硬化层深度(μm)＝130×{处理时间A(小时)}1/2 (A)
本发明的氮化处理钢部件的有效硬化层深度设定为130×{处理时间A(小时)}1/2。本实施方式中，由于整个气体氮化处理的处理时间A如上述那样为1.5～10小时，因此有效硬化层深度以成为160～410μm为目标。
上述的测定试验的结果是：如果平均值KNYave为0.20以上，则有效硬化层深度满足160～410μm(A＝3时，有效硬化层深度为225μm)。此外，根据在测定试验结果中由以各平均值KNXave进行的气体氮化处理所得到的供试材料的表面硬度和化合物层的厚度作成了图2。
图2中的实线是表示平均值KNXave与表面硬度(HV)的关系的曲线图。图2中的虚线是表示平均值KNXave与化合物层的厚度(μm)的关系的曲线图。
参照图2的实线的曲线图，在低KN值处理中的平均值KNYave为恒定的情况下，随着高KN值处理中的平均值KNXave升高，氮化部件的表面硬度显著增大。于是，当平均值KNXave达到0.30以上时，表面硬度达到作为目标的350HV以上。另一方面，在平均值KNXave比0.30高的情况下，即使平均值KNXave进一步升高，表面硬度也大体上保持恒定的状态。即，就平均值KNXave与表面硬度的曲线图(图2中的实线)而言，在KNXave＝0.30附近存在拐点。
此外，参照图2的虚线的曲线图，随着平均值KNXave从1.00开始降低，化合物厚度显著减少。于是，在平均值KNXave达到0.80时，化合物层的厚度达到3μm以下。另一方面，平均值KNXave为0.80以下时，随着平均值KNXave降低，虽然化合物层的厚度减小，但与平均值KNXave高于0.80的情形相比，化合物层的厚度的减少程度较小。即，就平均值KNXave与表面硬度的曲线图(图2中的实线)而言，在KNXave＝0.80附近存在拐点。
根据以上的结果，在本发明方案中，高KN值处理的氮势的平均值KNXave设定为0.30～0.80。通过控制在该范围，从而能够提高被氮化处理过的钢的表面硬度，并且能够抑制化合物层的厚度。进而，能够得到充分的有效硬化层深度。如果平均值KNXave为低于0.30，则化合物的生成不充分，表面硬度降低，不能获得充分的有效硬化层深度。如果平均值KNXave超过0.80，则化合物层的厚度超过3μm，进而空隙面积率有可能成为10％以上。平均值KNXave的优选的下限为0.35。另外，平均值KNXave的优选的上限为0.70。
[(II)低KN值处理中的氮势的平均值KNYave]
低KN值处理的氮势的平均值KNYave为0.03～0.20。
图3是表示平均值KNYave与表面硬度和化合物层厚度的关系的图。图3由以下的试验得到。
将氮化处理气氛的温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、平均值KNXave设定为恒定的0.40，使平均值KNYave从0.01变化到0.30，对具有本发明规定的化学成分的钢a进行了气体氮化处理。整个处理时间A为3.0小时。
氮化处理后，采用上述的方法测定了各平均值KNYave下的表面硬度(HV)、有效硬化层深度(μm)和化合物层厚度(μm)。有效硬化层深度的测定结果是，如果平均值KNYave为0.02以上，则有效硬化层深度达到225μm以上。进而，将通过测定试验得到的表面硬度和化合物厚度进行绘图，作成了图3。
图3中的实线是表示平均值KNYave与表面硬度的关系的曲线图，虚线是表示平均值KNYave与化合物层的深度的关系的曲线图。参照图3的实线的曲线图，随着平均值KNYave从0开始升高，表面硬度显著增大。于是，在KNYave达到0.03时，表面硬度达到570HV以上。进而，在KNYave为0.03以上的情况下，即使KNYave升高，表面硬度也大体上恒定。根据以上内容，就平均值KNYave与表面硬度的曲线图而言，在平均值KNYave＝0.03附近存在拐点。
另一方面，参照图3中的虚线的曲线图，在平均值KNYave从0.30降低至0.25的期间，化合物层的厚度大体上为恒定。但是，随着平均值KNYave从0.25开始降低，化合物层的厚度显著减少。于是，在平均值KNYave达到0.20时，化合物层的厚度成为3μm以下。进而，在平均值KNYave为0.20以下的情况下，随着平均值KNYave的降低，虽然化合物层的厚度减小，但与平均值KNYave高于0.20的情形相比，化合物层的厚度的减少程度较小。根据以上内容，就平均值KNYave与化合物层的厚度的曲线图而言，在平均值KNYave＝0.20附近存在拐点。
根据以上的结果，在本发明中，将低KN值处理的平均值KNYave限定为0.03～0.20。这种情况下，被气体氮化处理过的钢的表面硬度升高，并且能够抑制化合物层的厚度。进而，能够得到充分的有效硬化层深度。如果平均值KNYave低于0.03，则会由表面产生脱氮，表面硬度降低。另一方面，如果平均值KNYave超过0.20，则化合物的分解不充分，有效硬化层深度较浅，表面硬度降低。平均值KNYave的优选的下限为0.05。平均值KNYave的优选的上限为0.18。
[(III)氮化处理中的氮势KNX和KNY的范围]
在气体氮化处理中，对于直到气氛中的KNi值达到平衡状态为止而言，在设定气体流量之后需要一定的时间。因此，在KNi值达到平行状态为止的这段期间，KNi值也在时时刻刻地变化。此外，从高KN值处理向低KN值处理转移时，在气体氮化处理的过程中要变更KNi值的设定。这种情况下，在达到平衡状态为止的这段期间KNi值也在变动。
这样的KNi值的变动会对化合物层、硬化层深度产生影响。因此，在高KN值处理和低KN值处理中，不仅要将上述的平均值KNXave和平均值KNYave设定为上述范围，还要将高KN值处理中的氮势KNx和低KN值处理中的氮势KNY控制在规定范围内。
具体而言，本发明中，为了形成充分的化合物层，将高KN值处理中的氮势KNX设定为0.15～1.50，为了使化合物层变薄并且使硬化层深度变大，将低KN值处理中的氮势KNY设定为0.02～0.25。
表1示出了在对含有C：0.45％、Si：0.70％、Mn：1.01％、P：0.015％、S：0.015％、Cr：0.25％、Al：0.028％、N：0.009％、剩余部分为Fe和杂质的钢(以下称为“钢a”)以各种氮势KNX和KNY实施了氮化处理情况下的氮化部件的化合物层厚度(μm)、空隙面积率(％)、有效硬化层深度(μm)和表面硬度(HV)。表1由以下的试验得到。
表1
将钢a作为供试材料，实施了表1中所示的气体氮化处理(高KN值处理和低KN值处理)而制造了氮化部件。具体而言，将各试验番号中的气体氮化处理的气氛温度设定为590℃、处理时间X设定为1.0小时、处理时间Y设定为2.0小时、KNXave设定为恒定的0.40、KNYave设定为恒定的0.10。然后，在气体氮化处理中，使KNX、KNY的最小值KNXmin、KNYmin、最大值KNXmax、KNYmax变化，实施了高KN值处理和低KN值处理。将整个氮化处理的处理时间A设定为3.0小时。
在570～590℃的处理温度下生成10μm以上的化合物层的一般的气体氮化处理的情况下，如果将整个气体氮化处理的处理时间设定为3.0小时，则有效硬化层深度达到225μm±20μm。对气体氮化处理后的氮化部件采用上述的测定方法测定了化合物层厚度、空隙面积率、有效硬化层深度和表面硬度，得到了表1。
参照表1，就试验番号3～6、10～15而言，最小值KNXmin和最大值KNXmax为0.15～1.50，并且最小值KNYmin和最大值KNYmax为0.02～0.25。其结果是，化合物厚度薄达3μm以下，空隙被抑制在低于10％。此外，有效硬化层深度为225μm以上，表面硬度为350HV以上。
另一方面，就试验番号1和2而言，由于KNXmin低于0.15，因此表面硬度低于570HV。由于试验番号1的KNXmin还低于0.14，因此有效硬化层深度低于225μm。
就试验番号7和8而言，由于KNXmax超过了1.5，因此化合物层中的空隙达到了10％以上。由于试验番号8的KNXmax还超过了1.55，因此化合物层的厚度超过了3μm。
就试验番号9而言，由于KNYmin低于0.02，因此表面硬度低于350HV。这可以认为原因如下：由于通过低KN值处理不仅导致化合物层消失，而且由表层还发生了脱氮。此外，试验番号16的KNYmax超过了0.25。因此，化合物层的厚度超过了3μm。由于KNYmax超过了0.25，因此可以认为没有充分发生化合物层的分解。
根据以上的结果，将高KN值处理中的氮势KNX设定为0.15～1.50，并且将低KN值处理中的氮势KNY设定为0.02～0.25。这种情况下，对于氮化处理后的部件，能够充分减薄化合物层的厚度，也能够抑制空隙。进而，能够充分加深有效硬化层深度，并且得到高表面硬度。
如果氮势KNX低于0.15，则有效硬化层过浅、表面硬度过低。如果氮势KNX超过1.50，则化合物层变得过厚、空隙过量残存。
另外，如果氮势KNY低于0.02，则会产生脱氮，表面硬度降低。另一方面，如果氮势KNY超过0.20，则化合物层变得过厚。因此，就本实施方式而言，在高KN值处理中的氮势KNX为0.15～1.50，并且在低KN值处理中的氮势KNY为0.02～0.25。
氮势KNX的优选的下限为0.25。KNX的优选的上限为1.40。KNY的优选的下限为0.03。KNY的优选的上限为0.22。
[(IV)氮化处理中的氮势的平均值KNave]
就本实施方式的气体氮化处理而言，进一步地，由式(2)所定义的氮势的平均值KNave为0.07～0.30。
KNave＝(X×KNXave+Y×KNYave)/A (2)
图4是表示平均值KNave与表面硬度(HV)和化合物层深度(μm)的关系的图。图4是通过实施以下的试验而得到的。将钢a作为供试材料，实施了气体氮化处理。气体氮化处理中的气氛温度设定为590℃。然后，使处理时间X、处理时间Y、氮势的范围和平均值(KNX、KNY、KNXave、KNYave)变化而实施了气体氮化处理(高KN值处理和低KN值处理)。
对各试验条件的气体氮化处理后的供试材料采用上述方法测定了化合物层厚度和表面硬度。测定所得到的化合物层厚度和表面硬度，作成了图4。
图4中的实线是表示氮势的平均值KNave与表面硬度(HV)的关系的曲线图。图4中的虚线是表示平均值KNave与化合物层的厚度(μm)的关系的曲线图。
参照图4的实线的曲线图，随着平均值KNave从0开始升高，表面硬度显著提高，在平均值KNave达到0.07时，表面硬度达到350HV以上。然后，在平均值KNave达到0.07以上的情况下，即使平均值KNave升高，表面硬度也大体上恒定。即，平均值KNave与表面硬度(HV)的曲线图在平均值KNave＝0.07附近存在拐点。
此外，参照图4的虚线的曲线图，随着平均值KNave从0.35开始降低，化合物厚度显著变薄，在平均值KNave达到0.30时，化合物厚度变为3μm以下。然后，在平均值KNave处于低于0.30的情况下，随着平均值KNave降低，虽然化合物厚度在慢慢变薄，但是与平均值KNave高于0.30的情况相比，化合物层的厚度的减少程度较小。根据以上内容，平均值KNave与化合物层厚度的曲线图在平均值KNave＝0.30附近存在拐点。
根据以上的结果，就本实施方式的气体氮化处理而言，由式(2)定义的平均值KNave设定为0.07～0.30。这种情况下，就气体氮化处理后的部件而言，能够使化合物层充分变薄。进而能够得到高表面硬度。如果平均值KNave低于0.07，则表面硬度低。另一方面，如果平均值KNave超过0.30，则化合物层会超过3μm。平均值KNave的优选的下限为0.08。平均值KNave的优选的上限为0.27。
[高KN值处理和低KN值处理的处理时间]
就高KN值处理的处理时间X和低KN值处理的处理时间Y而言，由式(2)定义的平均值KNave只要为0.07～0.30，则并无特别限制。优选的是，处理时间X为0.50小时以上，处理时间Y为0.50小时以上。
采用以上的各条件来实施气体氮化处理。具体而言，在上述条件下实施高KN值处理，然后，在上述条件下实施低KN值处理。在低KN值处理之后，以不使氮势上升的方式来结束气体氮化处理。
通过对具有本发明中规定的成分的钢实施上述气体氮化处理，从而制造氮化部件。就所制造的氮化部件而言，表面硬度足够深，化合物层足够薄。进而，有效硬化层深度足够深，也能够抑制化合物层中的空隙。优选的是，实施本实施方式的氮化处理而制造的氮化部件的表面硬度以维氏硬度计达到350HV以上，化合物层深度达到3μm以下。进而，空隙面积率达到低于10％。进而，满足式(B)。进而，有效硬化层深度达到160～410μm。
实施例
将具有表2中所示化学成分的钢a～z在50kg真空熔炼炉中进行熔炼，制造出钢水。对钢水进行铸造，制造出钢锭。应当指出的是，表2中的a～q是具有本发明中规定的化学成分的钢。另一方面，钢r～z是至少有1种元素以上超出了本发明中规定的化学成分的比较例的钢。
表2
对该钢锭进行热锻造，制成直径为35mm的圆棒。接着，将各圆棒退火后，实施切削加工，制作了用于评价化合物层的厚度、空隙的体积率、有效硬化层深度和表面硬度的板状试验片。板状试验片制成为长20mm、宽20mm、厚度2mm。另外，制作了用于评价弯曲矫正性的4点弯曲试验用的方形试验片(图5)。此外，制作了用于评价弯曲疲劳特性的圆柱型试验片(图6)。
对采取的试验片在以下的条件下实施了气体氮化处理。将试验片装入气体氮化炉，向炉内导入NH3、H2、N2的各气体。然后，在表3、4中所示的条件下实施高KN值处理，然后，实施了低KN值处理。对气体氮化处理后的试验片使用80℃的油实施了油冷。
表3
Figure BDA0001579458100000241
表4
Figure BDA0001579458100000251
[化合物层的厚度和空隙面积率的测定试验]
对气体氮化处理后的试验片的与长度方向垂直的方向的断面进行镜面研磨、并进行了蚀刻。使用光学显微镜观察了蚀刻后的断面，进行了化合物层厚度的测定和表层部空隙有无的确认。蚀刻是在3％硝酸乙醇溶液中进行了20～30秒。
化合物层可作为在表层存在的白色的未腐蚀的层来确认。从用500倍拍摄的组织照片的5个视场(视场面积：2.2×104μm2)中观察化合物层，分别每隔30μm测定了4个点的化合物层厚度。然后，将测定的20个点的平均值定义为化合物厚度(μm)。
进而，对蚀刻后的断面用1000倍进行5个视场观察，求出了距离最表面为5μm深度范围的25μm2面积中空隙所占的总面积之比值(空隙面积率，单位为％)。
[表面硬度和有效硬化层测定试验]
对气体氮化处理后的各试验番号的棒钢按照JIS Z 2244以1.96N的试验力测定了距离表面50μm、100μm、以后每隔50μm直至深度1000μm为止的维氏硬度。就维氏硬度(HV)而言，各测定5个点，求出了平均值。表面硬度设定为距离表面为50μm位置处的5点的平均值。
在从表面沿深度方向测定的维氏硬度的分布当中，将达到250HV以上的范围的深度定义为有效硬化层深度(μm)。
如果化合物层的厚度为3μm以下，空隙的比例低于10％，表面硬度为350～500HV，则判定为良好。进而，如果有效硬化层深度满足160～410μm，则判定为良好。
以下，使用良好和不良的试验片进行了弯曲矫正性、旋转弯曲疲劳特性的评价。
[弯曲矫正性评价试验]
对供于气体氮化处理的方形试验片实施了静态弯曲试验。将方形试验片的形状示于图5中。应当指出的是，图5中的尺寸的单位为“mm”。静态弯曲试验是通过内侧支点间距离为30mm、外侧支点间距离为80mm的4点弯曲来进行的，应变速度设定为2mm/min。在方形试验片长度方向的R部安装应变仪，求出了在R部产生龟裂而无法进行应变仪的测定时的最大应变量(％)作为弯曲矫正性。
对于本发明部件而言，以弯曲矫正性为1.3％以上作为目标。
[弯曲疲劳特性评价试验]
对供于气体氮化处理的圆柱试验片实施了小野式旋转弯曲疲劳试验。转速设定为3000rpm，试验结束次数设定为表示一般的钢的疲劳极限的107次，将在旋转弯曲疲劳试验片上没有产生断裂而达到了107次时的最大应力振幅设定为旋转弯曲疲劳试验片的疲劳极限。将试验片的形状示于图6中。
对于本发明部件而言，以疲劳极限下的最大应力为500MPa以上作为目标。
[试验结果]
将结果示于表3、4中。在表3中的“有效硬化层深度(目标)”栏中记载了由式(A)算出的值(目标值)，在“有效硬化层深度(实绩)”栏中记载了有效硬化层的测定值(μm)。
参照表3、4，就试验番号17～41而言，气体氮化处理中的处理温度为550～620℃，处理时间A为1.5～10小时。此外，高KN值处理中的KNX为0.15～1.50，平均值KNXave为0.30～0.80。此外，低KN值处理中的KNY为0.02～0.25，平均值KNYave为0.03～0.20。此外，由(式2)求出的平均值KNave为0.07～0.30。因此，无论哪个试验番号，氮化处理后的化合物层的厚度都为3μm以下，空隙面积率都低于10％。
此外，有效硬化层满足160～410μm，表面硬度为350～500HV。弯曲矫正性和弯曲疲劳强度也分别满足了作为其目标的1.3％、500MPa以上。此外，对于存在化合物层的试验片的表层断面，采用SEM-EBSD法考察了化合物层的相结构，其结果是，以面积比率计γ’(Fe4N)为50％以上，剩余部分为ε(Fe2～3N)。
另一方面，就试验番号42而言，高KN值处理中的KNX的最小值低于0.15。因此，在高KN值处理中没有稳定地形成化合物层，因此有效硬化层深度低于160μm，弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号43而言，高KN值处理中的KNX的最大值超过了1.50。因此，空隙面积率达到10％以上，弯曲矫正性低于1.3％且弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号44而言，高KN值处理中的平均值KNXave低于0.30。因此，在高KN值处理中没有形成足够厚度的化合物层，在低KN值处理中化合物层在早期就被分解了，因此有效硬化层深度成为低于160μm，表面硬度也低于350HV，因此弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号45而言，高KN值处理中的平均值KNXave超过了0.80。因此，化合物层厚度超过3μm，并且空隙面积率达到10％以上，弯曲矫正性低于1.3％且弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号46而言，低KN值处理中的KNY的最小值低于0.02。因此，在低KN值处理中化合物层在早期就被分解了，因此有效硬化层深度成为低于160μm，表面硬度也低于350HV，因此弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号47而言，低KN值处理中的KNY的最小值低于0.02，并且低KN值处理中的平均值KYave低于0.03。因此，有效硬化层深度成为低于160μm，表面硬度也低于350HV，因此弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号48而言，平均值KNave低于0.07。因此，表面硬度低于350HV，因此弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号49而言，低KN值处理中的平均值KYave超过了0.20。因此，化合物层厚度超过了3μm，因此弯曲矫正性低于1.3％且弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号50而言，平均值KNave超过了0.30。因此，化合物层厚度超过了3μm，因此弯曲矫正性低于1.3％且弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号51而言，没有进行高KN、低KN值处理，进行了平均值KNave成为0.07～0.30的控制。其结果是，化合物层厚度超过3μm，弯曲矫正性低于1.3％且弯曲疲劳强度低于500MPa。
就试验番号52～60而言，使用具有本发明中规定的范围外的成分的钢r～z，进行了本发明中规定的氮化处理。其结果是，弯曲矫正性、弯曲疲劳强度中的至少一者不满足目标值。
以上对本发明的实施方式进行了说明。但是，上述的实施方式只不过是用于实施本发明的例示。因此，本发明并不限于上述的实施方式，可以在不脱离其主旨的范围内适当变更上述的实施方式来实施。
1 多孔层
2 化合物层
3 氮扩散层

Claims (3)

1.一种氮化处理钢部件，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：
C：0.2～0.6％、
Si：0.05～1.5％、
Mn：0.2～2.5％、
P：0.025％以下、
S：0.003～0.05％、
Cr：0.05～0.5％、
Al：0.01～0.05％、和
N：0.003～0.025％，
作为任选的添加元素，含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％、Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％和Ti：0.005％以上且低于0.05％中的1种或2种以上，
并且剩余部分为Fe和杂质，
所述氮化处理钢部件具有形成于钢表面的含有铁、氮和碳的厚度为3μm以下的化合物层和形成于化合物层之下的硬化层，
被定义为在由钢表面沿深度方向测定的维氏硬度的分布之中处于250HV以上的范围的深度的有效硬化层深度为160～410μm。
2.一种氮化处理方法，其特征在于，以下述钢材作为原材料，所述钢材以质量％计含有：
C：0.2～0.6％、
Si：0.05～1.5％、
Mn：0.2～2.5％、
P：0.025％以下、
S：0.003～0.05％、
Cr：0.05～0.5％、
Al：0.01～0.05％、和
N：0.003～0.025％，
作为任选的添加元素，含有Mo：0.01％以上且低于0.50％、V：0.01％以上且低于0.50％、Cu：0.01％以上且低于0.50％、Ni：0.01％以上且低于0.50％和Ti：0.005％以上且低于0.05％中的1种或2种以上，
并且剩余部分为Fe和杂质，
所述氮化处理方法具备实施气体氮化处理的工序，在该工序中，在含有NH3、H2和N2的气体气氛中将所述钢材加热至550～620℃，整个处理时间A设定为1.5～10小时，
所述气体氮化处理包含将处理时间设定为X小时的高KN值处理和在高KN值处理之后接着进行的将处理时间设定为Y小时的低KN值处理，
在所述高KN值处理中，由式(1)求出的氮势KNX为0.15～1.50，由式(2)求出的所述氮势KNX的平均值KNXave为0.30～0.80，
在所述低KN值处理中，由式(3)求出的氮势KNY为0.02～0.25，由式(4)求出的所述氮势KNY的平均值KNYave为0.03～0.20，由式(5)求出的氮势的平均值KNave为0.07～0.30，
KNX＝(NH3分压)X/[(H2分压)3/2]X (1)
[数学式1]
Figure FDA0002227889040000021
KNY＝(NH3分压)Y/[(H2分压)3/2]Y (3)
[数学式2]
Figure FDA0002227889040000022
KNave＝(X×KNxave+Y×KNYave)/A (5)
其中，在式(2)和式(4)中，下标i是表示每一定时间间隔的测定次数的数字；X0为氮势KNX的测定间隔，单位为小时；Y0为氮势KNY的测定间隔，单位为小时；KNXi为高KN值处理中的第i次测定中的氮势；KNYi为低KN值处理中的第i次测定中的氮势。
3.根据权利要求2所述的氮化处理钢部件的制造方法，其特征在于，所述气体气氛含有合计为99.5体积％以上的NH3、H2和N2。
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