特開 2024-178700 球状黒鉛鋳鉄部材及び球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024178700

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】球状黒鉛鋳鉄部材及び球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 8/26 20060101AFI20241218BHJP

   C22C 37/04 20060101ALI20241218BHJP

   C21D 5/00 20060101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

C23C8/26

C22C37/04 Z

C21D5/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097040

(22)【出願日】2023-06-13

(71)【出願人】

【識別番号】000111845

【氏名又は名称】パーカー熱処理工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】599158649

【氏名又は名称】青梅鋳造 株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100107537

【弁理士】

【氏名又は名称】磯貝 克臣

(72)【発明者】

【氏名】石田 暁丈

(72)【発明者】

【氏名】平岡 泰

(72)【発明者】

【氏名】野崎 精彦

【テーマコード（参考）】

4K028

【Ｆターム（参考）】

4K028AA02

4K028AB01

4K028AC04

4K028AC07

4K028AC08

(57)【要約】

【課題】 静粛性に優れ実用に足りる疲労限度を実現することができる球状黒鉛鋳鉄部材を提供すること。
【解決手段】 本発明は、球状黒鉛鋳鉄を母材とし、表面側に鉄窒素化合物層が形成された球状黒鉛鋳鉄部材であって、前記鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであり、前記鉄窒素化合物層中に占めるγ’相の体積割合をＶａγ’とし、前記鉄窒素化合物層中に占めるε相の体積割合をＶａεとし、前記鉄窒素化合物層中に占めるα相の体積割合をＶａαとした時、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であり、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材である。
【選択図】 図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

球状黒鉛鋳鉄を母材とし、表面側に鉄窒素化合物層が形成された球状黒鉛鋳鉄部材であって、
前記鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであり、
前記鉄窒素化合物層中に占めるγ’相の体積割合をＶａγ’とし、前記鉄窒素化合物層中に占めるε相の体積割合をＶａεとし、前記鉄窒素化合物層中に占めるα相の体積割合をＶａαとした時、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であり、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下である
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材。

【請求項2】

前記球状黒鉛鋳鉄は、
Ｃ ：質量％で２．０～４．０％
Ｓｉ：質量％で１．６～３．７％
Ｍｎ：質量％で０．１～２．０％
Ｐ ：質量％で０．０８％以下
Ｓ ：質量％で０．０３％以下
Ｃｕ：質量％で０．１～４．０％
Ｓｎ：質量％で０．０８％以下、及び、
Ｍｇ：質量％で０．０２～０．１％
を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

【請求項3】

前記球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｖ ：質量％で０．０５～０．６％、及び／または、
Ｍｏ：質量％で０．７％以下
を含んでいる
ことを特徴とする請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

【請求項4】

前記球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｃｒ：質量％で１．０％以下、及び／または、
Ａｌ：質量％で０．５％以下
を含んでいる
ことを特徴とする請求項２に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

【請求項5】

前記鉄窒素化合物層の厚さは、７．５μｍ～２５μｍである
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化鋼部材。

【請求項6】

Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．８以上である
ことを特徴とする請求項５に記載の球状黒鉛鋳鉄部材。

【請求項7】

球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法であって、
５００℃～６００℃の炉内で第１窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で球状黒鉛鋳鉄をガス窒化する窒化工程を備え、
前記第１窒化ポテンシャルは、０．５～３．０である
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法。

【請求項8】

少なくとも２段階の窒化処理工程を備えた球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法であって、
第１窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で球状黒鉛鋳鉄部材を窒化処理する第１窒化処理工程と、
前記第１窒化処理工程後に、前記第１窒化ポテンシャルよりも低い第２窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で前記球状黒鉛鋳鉄部材を更に窒化処理する第２窒化処理工程と、を備え、
前記第１窒化処理工程は、５００℃～６００℃の温度下で実施され、
前記第２窒化処理工程も、５００℃～６００℃の温度下で実施され、
前記第２窒化ポテンシャルは、０．５～３．０の範囲内の値であり、
前記第１窒化処理工程の時間は、前記第２窒化処理工程の時間よりも長い
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、静粛性に優れる球状黒鉛鋳鉄部材に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道用の駆動装置に用いられる歯車には、乗客や沿線住民に過度な不快感を与えないように、静粛性が求められる。

【0003】

非特許文献１によれば、球状黒鉛鋳鉄は、内在する黒鉛が振動を減衰することによって優れた材料減衰特性（ひいては静粛性）を示すため、鉄道用歯車の新しい材料として期待されている。また、当該非特許文献１によれば、窒化処理を施した球状黒鉛鋳鉄が従来材料の約９０％程度までの疲労限度を実現できる旨も報告されている。

【0004】

また、非特許文献２によれば、球状黒鉛鋳鉄に窒化処理を施した窒化材の窒化物層について、γ’相（Ｆｅ₄Ｎ）が主体である旨が報告されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】「高強度球状黒鉛鋳鉄の疲労強度特性に及ぼす窒化処理の影響」菅原暁、白木尚人、野崎精彦、笹倉実、２０１９年９月１日発行、日本鋳造工学会第１７３回全国講演大会講演概要集第４頁（公益社団法人日本鋳造工学会）

【非特許文献2】「窒化処理した球状黒鉛鋳鉄の疲労特性に及ぼす合金元素の影響」河崎裕介、隅岡純一、旗手稔、信木関、浜坂直治、山口泰文、２０１５年１月２５日発行、日本鋳造工学会誌鋳造工学 Ｖｏｌ．８７ Ｎｏ．１ 第３～８頁（公益社団法人日本鋳造工学会）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前述のように、非特許文献１には、窒化処理を施した球状黒鉛鋳鉄が従来材料の約９０％程度までの疲労限度を実現できる旨が報告されているが、更なる疲労強度の向上が望まれている。

【0007】

また、前述のように、非特許文献２には、γ’相（Ｆｅ₄Ｎ）が主体である窒化物層を備えた窒化材を製造した旨の記載があるが、窒化物層の相分布の詳細については分析されていない。

【0008】

一方で、本件発明者は、後述する実施例と比較例との検証結果に基づいて、球状黒鉛鋳鉄を窒化して得られる鉄窒素化合物層について、当該鉄窒素化合物層中に占めるγ’相の体積割合をＶａγ’とし、当該鉄窒素化合物層中に占めるε相の体積割合をＶａεとし、当該鉄窒素化合物層中に占めるα相の体積割合をＶａαとした時、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することを見出した。

【0009】

また、本件発明者は、そのような条件を満たす球状黒鉛鋳鉄を製造するための窒化処理の制御において用いられる窒化ポテンシャルについて、一般的な低合金鋼においてγ’相の体積割合を高めることを目的とした窒化処理において選択されてきた窒化ポテンシャル範囲よりもやや高いことを見出した。

【0010】

本発明は、以上の知見に基づいて創案されたものである。本発明の目的は、静粛性に優れ実用に足りる疲労限度を実現することができる球状黒鉛鋳鉄部材を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、
球状黒鉛鋳鉄を母材とし、表面側に鉄窒素化合物層が形成された球状黒鉛鋳鉄部材であって、
前記鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであり、
前記鉄窒素化合物層中に占めるγ’相の体積割合をＶａγ’とし、前記鉄窒素化合物層中に占めるε相の体積割合をＶａεとし、前記鉄窒素化合物層中に占めるα相の体積割合をＶａαとした時、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であり、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であることを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材
である。

【0012】

本発明によれば、２μｍ～２５μｍの範囲の厚さの鉄窒素化合物層が設けられ、当該鉄窒素化合物層中においてＶａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であり、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であるようにγ’相が形成されているため、球状黒鉛鋳鉄部材の疲労限度を改善することができる。

【0013】

Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）及びＶａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）は、鉄窒素化合物層の断面の電子顕微鏡写真から評価することができ、当該比についての０．６及び０．０３という閾値は、後述する実施例と比較例とを比較検討することによって導出されたものである。

【0014】

ここで、前記球状黒鉛鋳鉄は、一般的には、
Ｃ ：質量％で２．０～４．０％
Ｓｉ：質量％で１．６～３．７％
Ｍｎ：質量％で０．１～２．０％
Ｐ ：質量％で０．０８％以下
Ｓ ：質量％で０．０３％以下
Ｃｕ：質量％で０．１～４．０％
Ｓｎ：質量％で０．０８％以下、及び、
Ｍｇ：質量％で０．０２～０．１％
を含んでいる。

【0015】

前記球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｖ ：質量％で０．０５～０．６％、及び／または、
Ｍｏ：質量％で０．７％以下
を含んでいてもよい。

【0016】

前記球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｃｒ：質量％で１．０％以下、及び／または、
Ａｌ：質量％で０．５％以下
を含んでいてもよい。

【0017】

また、本件発明者は、前記鉄窒素化合物層の厚さについて、７．５μｍ～２５μｍであることがより好ましいことを知見した。

【0018】

更に、本件発明者は、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比について、０．８以上であることがより好ましいことを知見した。

【0019】

また、本発明は、
球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法であって、
５００℃～６００℃の炉内で第１窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で球状黒鉛鋳鉄をガス窒化する窒化工程
を備え、
前記第１窒化ポテンシャルは、０．５～３．０である
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法である。

【0020】

本件発明者は、このように、比較的高い窒化ポテンシャルを用いて、前述のようなパラメータ条件を満たす球状黒鉛鋳鉄部材を製造できることを確認した。

【0021】

また、本発明は、
少なくとも２段階の窒化処理工程を備えた球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法であって、
第１窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で球状黒鉛鋳鉄部材を窒化処理する第１窒化処理工程と、
前記第１窒化処理工程後に、前記第１窒化ポテンシャルよりも低い第２窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中で前記球状黒鉛鋳鉄部材を更に窒化処理する第２窒化処理工程と、を備え、
前記第１窒化処理工程は、５００℃～６００℃の温度下で実施され、
前記第２窒化処理工程も、５００℃～６００℃の温度下で実施され、
前記第２窒化ポテンシャルは、０．５～３．０の範囲内の値であり、
前記第１窒化処理工程の時間は、前記第２窒化処理工程の時間よりも長い
ことを特徴とする球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法
である。

【0022】

本件発明者は、このように、比較的高い窒化ポテンシャルを用いて、前述のようなパラメータ条件を満たす球状黒鉛鋳鉄部材を製造できることを確認した。

【発明の効果】

【0023】

本発明の一態様によれば、２μｍ～２５μｍの範囲の厚さの鉄窒素化合物層が設けられ、当該鉄窒素化合物層中においてＶａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であり、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であるようにγ’相が形成されているため、球状黒鉛鋳鉄部材の疲労限度を改善することができる。

【0024】

本発明の別の一態様によれば、比較的高い窒化ポテンシャルを用いて、前述のようなパラメータ条件を満たす球状黒鉛鋳鉄部材を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施形態による球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法に用いられるピット型（１室型）の熱処理炉の構成概略図ある。

【図2】図１の熱処理炉において採用され得る窒化処理方法の一実施形態の工程図である。

【図3】本発明の一実施形態による球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法に用いられるバッチ型の熱処理炉の構成概略図である。

【図4】図３の熱処理炉において採用され得る窒化処理方法の一実施形態の工程図である。

【図5】本発明の一実施形態による球状黒鉛鋳鉄部材の断面光学顕微鏡写真である。

【図6】本発明の各実施例の母材成分を示す表である。

【図7】本発明の各実施例について、窒化条件と、窒化後特性及び疲労試験結果と、を示す表である。

【図8】各比較例の母材成分を示す表である。

【図9】各比較例について、窒化条件と、窒化後特性及び疲労試験結果と、を示す表である。

【図10】小野式回転曲げ疲労試験片の形状を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

【0027】

［被処理体（ワーク）］
被処理体（ワーク）は、球状黒鉛鋳鉄からなる。窒化処理後の球状黒鉛鋳鉄部材の用途は、鉄道の駆動装置に用いられる歯車等が想定されているが、本実施形態では疲労限度の評価試験のため、図１０に示すような形状の棒材とされた。

【0028】

被処理体（ワーク）は、窒化処理の前に、汚れや油を除去するための前洗浄が実施されることが好ましい。前洗浄は、例えば、炭化水素系の洗浄液で油などを溶解置換させて蒸発させることで脱脂乾燥させる真空洗浄、アルカリ系の洗浄液で脱脂処理するアルカリ洗浄、などが好ましい。

【0029】

［ピット型の熱処理炉の構成例］
図１は、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法に用いられるピット型の熱処理炉５の構成概略図である。

【0030】

図１に示すように、ピット型の熱処理炉５は、有底筒状の炉壁６と、炉蓋７と、を備えている。

【0031】

炉蓋７の下側（内側）には、ファン８が設けられており、当該ファン８の回転軸が炉蓋７を貫通して、炉蓋７の上側（外側）に設けられたファンモータ９に接続されている。

【0032】

炉壁６の内側には、レトルト１０が設けられており、当該レトルト１０の更に内側に、ガス案内筒１１が設けられている。レトルト１０の外周部がヒータ（不図示）で加熱されることで炉内（レトルト１０内）の温度が所定の温度に制御されるようになっている。そして、ガス案内筒１１内にケース１２が置かれるようになっており、当該ケース１２内に、被処理体（ワーク）としての球状黒鉛鋳鉄が収納されるようになっている。処理重量は、最大でグロス７００ｋｇである。

【0033】

また、レトルト１０内に、窒化処理のための複数種のガスが、後述するように制御されながら導入されるようになっている。更に、レトルト１０の外周部はブロワ（不図示）により冷却する機能をも有しており、冷却時はレトルト１０自体の温度を低下させることで炉内のワークが冷却される（炉冷）。

【0034】

［ピット型の熱処理炉の動作例］
以上のような構成の熱処理炉５において、炉蓋７が開放され、球状黒鉛鋳鉄が収納されたケース１２がガス案内筒１１内に搬入される。そして、球状黒鉛鋳鉄（が収納されたケース１２）がガス案内筒１１内に搬入された後、ガス案内筒１１内に処理ガスが導入され、当該処理ガスがヒータで所定の温度に加熱され、更にファン８（例えば１５００ｒｐｍで回転する）で攪拌されながら、ガス案内筒１１内に搬入された球状黒鉛鋳鉄部材の窒化処理が行われる。

【0035】

図２は、図１の熱処理炉５において採用され得る窒化処理方法の一実施形態の工程図である。

【0036】

図２の例では、球状黒鉛鋳鉄（ワーク）がガス案内筒１１内に装入されてから、レトルト１０内が５５０℃に加熱される。この加熱工程の前半（加熱（１）工程）に、Ｎ₂ガスが４０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入され、この加熱工程の後半（加熱（２）工程）に、ＮＨ₃ガス及びＡＸガスが４０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される。

【0037】

その後、２段階の窒化処理工程が実施される。具体的には、まず、第１窒化ポテンシャルとして例えば１．５の値が採用され、５５０℃の温度下で、第１窒化処理工程が実施される。

【0038】

窒化ポテンシャルＫ_Nは、ＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）とＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）とにより、以下の式で表されることが知られている。
Ｋ_N ＝ Ｐ（ＮＨ₃）／Ｐ（Ｈ₂）^3/2

【0039】

第１窒化処理工程において、例えば熱電動式のＨ₂センサ１３を介して（図１参照）、ガス案内筒１１内または排ガス内のＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）またはＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が測定され、当該測定値から演算される窒化ポテンシャルの値が目標とする第１窒化ポテンシャルの近傍範囲内となるように、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。当該フィードバック制御は、例えば、ＰＬＣ及びＫ_N調節器によって、各処理ガスの導入路に設けられたガス流量調節計ＭＦＣ１４を介して行われる。

【0040】

図２の例では、排ガス内のＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が熱伝導度式のＨ₂センサ１３によって測定され、当該測定値をオンラインで分析しながら（当該測定値から窒化ポテンシャルを演算しながら）、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。具体的には、ＡＸガスが２０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される一方、ＮＨ₃ガスが増減される。総流量も変動することになる。

【0041】

図２の例では、このような第１窒化処理工程は、２４０分間実施される。これにより、球状黒鉛鋳鉄部材に、主として、γ’相、ε相、または、γ’相とε相とが混在、の鉄窒素化合物層が生成される。

【0042】

引き続いて、第２窒化ポテンシャルとして例えば０．６の値が採用され、５５０℃の温度下で第２窒化処理工程が実施される。

【0043】

第２窒化処理工程においても、例えば熱電動式のＨ₂センサ１３を介して（図１参照）、ガス案内筒１１内または排ガス内のＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）またはＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が測定され、当該測定値から演算される窒化ポテンシャルの値が目標とする第２窒化ポテンシャルの近傍範囲内となるように、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。

【0044】

図２の例では、排ガス内のＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が熱伝導度式のＨ₂センサ１３によって測定され、当該測定値をオンラインで分析しながら（当該測定値から窒化ポテンシャルを演算しながら）、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。具体的には、ＡＸガスが３０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される一方、ＮＨ₃ガスが増減される。総流量も変動することになる。

【0045】

図２の例では、このような第２窒化処理工程は、６０分間実施される。これにより、鉄窒素化合物層に主としてγ’相が析出される。

【0046】

第２窒化処理工程が終了すると、冷却工程が行われる。図２の例では、冷却工程の前半（４００℃程度まで：冷却（１）工程）、第２窒化処理工程と同様の処理ガス導入量制御がなされる。すなわち、ＡＸガスが３０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される一方、ＮＨ₃ガスが増減される。冷却工程の後半（４００℃～１００℃程度：冷却（２）工程）には、Ｎ₂ガスが２０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される。冷却工程が終了すると、炉蓋７が開放され、球状黒鉛鋳鉄部材が収納されたケース１２がガス案内筒１１から搬出される。

【0047】

［バッチ型の熱処理炉の構成例］
図３は、本発明の球状黒鉛鋳鉄部材の製造方法に用いられるバッチ型の熱処理炉１５の構成概略図である。

【0048】

図３に示すように、バッチ型の熱処理炉１５は、搬入部１６、加熱室１７、搬送室１８、及び、搬出部１９を備えている。搬入部１６には、ケース２０が置かれるようになっており、当該ケース２０内に、被処理体（ワーク）としての球状黒鉛鋳鉄部材が収納されるようになっている。処理重量は、最大でグロス７００ｋｇである。

【0049】

加熱室１７の入口側（図３において右側）には、開閉自在な扉２１が取り付けられている。加熱室１７は、レトルト構造となっており、レトルト外周部がヒータ（不図示）で加熱されることで、炉内温度が所定の温度に制御されるようになっている。そして、加熱室１７内に、窒化処理のための複数種のガスが、後述するように制御されながら導入されるようになっている。

【0050】

また、加熱室１７の天井には、加熱室１７内に導入されたガスを攪拌して球状黒鉛鋳鉄の加熱温度を均一化させるファン２２が装着されている。そして、加熱室１７の出口側（図４において左側）には、開閉自在な中間扉２３が取り付けられている。

【0051】

搬送室１８には、球状黒鉛鋳鉄が収納されたケース２０を昇降させるエレベータ（詳細は不図示）が設けられている。搬送室１８の下部には、冷却用の油を溜めた冷却室（油槽）２４が設けられており、油撹拌用の撹拌機２５が取り付けられている。そして、搬送室１８の出口側（図４において左側）に、開閉自在な扉２６が取り付けられている。

【0052】

なお、加熱室１７と搬送室１８とを同一空間の処理室とし、窒化処理後の球状黒鉛鋳鉄部材を気体によって空冷する構成を採用しても良い。また、加熱室１７を２つに分けて、後述する２段階の窒化処理工程を各々の加熱室で行っても良い。

【0053】

［バッチ型の熱処理炉の動作例］
以上のような構成の熱処理炉１５において、球状黒鉛鋳鉄が収納されたケース２０が、プッシャー等により、搬入部１６から加熱室１７内に搬入される。そして、球状黒鉛鋳鉄部材（が収納されたケース２０）が加熱室１７内に搬入された後、加熱室１７内に処理ガスが導入され、当該処理ガスがヒータで所定の温度に加熱され、更にファン２２（例えば１５００ｒｐｍで回転する）で攪拌されながら、加熱室１７内に搬入された球状黒鉛鋳鉄の窒化処理が行われる。

【0054】

図４は、図３の熱処理炉１５において採用され得る窒化処理方法の一実施形態の工程図である。

【0055】

図４の例では、球状黒鉛鋳鉄（ワーク）が装入される前に、加熱室１７内が予め５５０℃に加熱される。また、この加熱工程時に、Ｎ₂ガスが７０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入され、且つ、ＮＨ₃ガスが９０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される。総流量は７０（Ｌ／ｍｉｎ）＋９０（Ｌ／ｍｉｎ）＝１６０（Ｌ／ｍｉｎ）である。

【0056】

次いで、球状黒鉛鋳鉄（ワーク）が加熱室１７内に装入される。この時、扉２１が開放されることにより、図４に示すように、一時的に加熱室１７内の温度が低下する。その後、扉２１が閉じられ、加熱室１７内の温度が再び５５０℃にまで加熱される。

【0057】

このような球状黒鉛鋳鉄部材装入中においても、図４の例では、Ｎ₂ガスが７０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入され、且つ、ＮＨ₃ガスが９０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入され、総流量は７０（Ｌ／ｍｉｎ）＋９０（Ｌ／ｍｉｎ）＝１６０（Ｌ／ｍｉｎ）である。

【0058】

その後、２段階の窒化処理工程が実施される。具体的には、まず、第１窒化ポテンシャルとして例えば１．５の値が採用され、５５０℃の温度下で第１窒化処理工程が実施される。

【0059】

前述のように窒化ポテンシャルＫ_Nは、ＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）とＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）とにより、以下の式で表されることが知られている。
Ｋ_N ＝ Ｐ（ＮＨ₃）／Ｐ（Ｈ₂）^3/2

【0060】

第１窒化処理工程において、例えば熱電動式のＨ₂センサ２７を介して（図３参照）、加熱室１７内のＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）またはＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が測定され、当該測定値から演算される窒化ポテンシャルの値が目標とする第１窒化ポテンシャルの近傍範囲内となるように、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。当該フィードバック制御は、例えば、ＰＬＣ及びＫ_N調節器によって、各処理ガスの導入路に設けられたガス流量調節計ＭＦＣ２８を介して行われる。

【0061】

図４の例では、加熱室１７内のＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が熱伝導度式のＨ₂センサ２７によって測定され、当該測定値をオンラインで分析しながら（当該測定値から窒化ポテンシャルを演算しながら）、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。具体的には、具体的には、Ｎ₂ガスが７０（Ｌ／ｍｉｎ）の一定流量で導入される一方、ＮＨ₃ガス及びＡＸガスの各々が合計流量９０（Ｌ／ｍｉｎ）という条件下で増減される。総流量は、７０（Ｌ／ｍｉｎ）＋９０（Ｌ／ｍｉｎ）＝１６０（Ｌ／ｍｉｎ）に維持される。

【0062】

図４の例では、このような第１窒化処理工程は、２４０分間実施される。これにより、球状黒鉛鋳鉄部材に、主として、γ’相、ε相、または、γ’相とε相とが混在、の鉄窒素化合物層が生成される。

【0063】

引き続いて、第２窒化ポテンシャルとして例えば０．６の値が採用され、５５０℃の温度下で第２窒化処理工程が実施される。

【0064】

第２窒化処理工程においても、例えば熱電動式のＨ₂センサ２７を介して（図３参照）、加熱室１７内のＮＨ₃ガスの分圧Ｐ（ＮＨ₃）またはＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が測定され、当該測定値から演算される窒化ポテンシャルの値が目標とする第２窒化ポテンシャルの近傍範囲内となるように、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。

【0065】

図４の例では、加熱室１７内のＨ₂ガスの分圧Ｐ（Ｈ₂）が熱伝導度式のＨ₂センサ２７によって測定され、当該測定値をオンラインで分析しながら（当該測定値から窒化ポテンシャルを演算しながら）、処理ガスの導入量がフィードバック制御される。具体的には、ＮＨ₃ガス及びＡＸガスの各々が合計流量１６０（Ｌ／ｍｉｎ）という条件下で増減される。

【0066】

図２の例では、このような第２窒化処理工程は、６０分間実施される。これにより、鉄窒素化合物層に主としてγ’相が析出される。

【0067】

第２窒化処理工程が終了すると、冷却工程が行われる。図４の例では、冷却工程は１５分間行われる（攪拌機付の油槽内で、１５分油中（１００℃）に保持される）。当該冷却工程が終了すると、窒化処理が完了した球状黒鉛鋳鉄部材が収納されたケース２０が、搬出部１９（例えば搬出コンベヤ）に搬出される。

【0068】

［球状黒鉛鋳鉄部材の一実施形態の断面顕微鏡写真］
図５は、本発明の一実施形態の球状黒鉛鋳鉄部材１の断面顕微鏡写真である。図５に示すように、本実施形態の球状黒鉛鋳鉄部材１は、表面に鉄窒素化合物層２が形成されており、当該鉄窒素化合物層２の下方に、母相内に窒素が拡散されている拡散層３を備えている。

【0069】

図５の例では、鉄窒素化合物層２は、１０～１５μｍの厚みを有している。拡散層３は、鉄窒素化合物層２の直下において、約２５０μｍの深さまで存在しており、５００ＨＶ～７００ＨＶの硬さを有している。

【0070】

球状黒鉛鋳鉄部材１の母相（母材）は、球状黒鉛鋳鉄であり、当該母相内部に球状黒鉛４が認められる。当該球状黒鉛鋳鉄から図１０に示す疲労試験片を製造し、これに前述の窒化処理（図２または図４）を実施したものが、球状黒鉛鋳鉄部材１である。

【0071】

［実施例及び比較例の詳細］
以下、本発明の実施例及び比較例について具体的に説明する。もっとも、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

【0072】

図６は、実施例１－１～１－２７の各々の母材（球状黒鉛鋳鉄）の鋼材成分を示す表であり、残部は鉄（Ｆｅ）及び不可避的な不純物である。また、表中の「－－－」は、添加が無かったか、極微量なため定量分析不可であったことを示す。

【0073】

図７は、比較例１－１～１－１０の各々の母材（球状黒鉛鋳鉄）の鋼材成分を示す表であり、残部は鉄（Ｆｅ）である。比較例１－１～１－１０の各々の母材（球状黒鉛鋳鉄）の鋼材成分は、実施例１－１～１－１０の各々の母材（球状黒鉛鋳鉄）の鋼材成分と、それぞれ同一である。

【0074】

以下、各成分に関して、当業者の一般的な知見を説明しておく。

【0075】

Ｃ（炭素）は、球状黒鉛の晶出量、パーライト中の層状セメンタイト量及びＭＣ炭化物の析出量、並びに、溶湯の流動性や白銑化に影響する重要な元素である。Ｃ含有量が２．０％未満であると、黒鉛量が不足し、白銑化が促進されるともに、流動性が不足し、所望の高強度・高延性を確保する球状黒鉛鋳鉄とすることが難しくなる。一方、Ｃ含有量が４．０％を超えると、黒鉛量が過多となり、強度が低下する。このため、Ｃ含有量は、２．０％～４．０％が好適である。

【0076】

Ｓｉ（ケイ素）は、溶湯の流動性と白銑化に影響を及ぼす元素である。Ｓｉ含有量が１．６％未満であると、流動性が低下して、薄肉部への溶湯の充填が困難になるとともに、白銑化も発生する。一方、Ｓｉ含有量が３．７％を超えると、基地中にフェライトが析出しやすくなり、高強度化が困難になる。このため、Ｓｉ含有量は、１．６％～３．７％が好適である。

【0077】

Ｍｎ（マンガン）は、原料から不可避的に混入する元素であるが、パーライト組織の安定化元素であり、パーライト組織を析出させる作用を有する。そのような効果を十分に得つつ、所定の硬度を確保するために、Ｍｎ含有量は、少なくとも０．１％であることが好ましい。Ｍｎ含有量は、２．０％以下であれば、球状黒鉛鋳鉄の被削性及び靱性が向上する。一方、Ｍｎ含有量が２．０％を超えると、鋳鉄の組織がチル化する傾向がある。従って、Ｍｎ含有量は、０．１％～２．０％が好適である。

【0078】

Ｐ（りん）は、ザク巣を増加させ、凝固セルの粒界に偏析して材質を脆化させる作用を有する元素であり、いわゆる不純物である。従って、できるだけ低減することが望ましい。Ｐ含有量が０．０８％を超えると、前記した悪影響が顕著となる。すなわち、Ｐ含有量は、０．０８％以下が好適である。（下限は特に定められないが、例えば検出限界以下に低減することまでは不要であるし経済的でない。この意味では、下限は０．００５％程度であると言える。）

【0079】

Ｓ（硫黄）は、原料から不可避的に混入する元素であるが、黒鉛の球状化阻害元素であり、Ｓ含有量が０．０３％を超えると、黒鉛の球状化が低下される。一方、Ｓ含有量が０．００５％未満であると、球状黒鉛が晶出する際の核となる硫化物が少なくなり、球状黒鉛の晶出量が減少し、球状化率が低下する。従って、Ｓ含有量は、０．００５％～０．０３％が好適である。

【0080】

Ｃｕ（銅）は、パーライト組織を緻密化するとともに、基地中に微細析出して基地を高強度化する作用を有する。そのような効果を十分に得つつ、所定の硬度を確保するために、Ｃｕ含有量は、少なくとも０．１％であることが好ましい。一方、Ｃｕ含有量が４．０％を超えると、Ｃｕが凝固セルの粒界に多量に偏析して強度の低下を招く。従って、Ｃｕ含有量は、０．１％～４．０％が好適である。

【0081】

Ｓｎ（スズ）は、パーライト組織を綿密化するとともに、Ｃｕの添加による球状化阻害を防止し、Ｃｕとの相乗効果で高強度化を促進する。一方、Ｓｎ含有量が０．０８％を超えると、脆化作用が強くなって、強度が大幅に低下する。従って、Ｓｎ含有量は、０．０８％以下が好適である。

【0082】

Ｍｇ（マグネシウム）は、黒鉛を球状化する作用を有し、球状黒鉛鋳鉄では必須元素である。そのような効果を得るためには、Ｍｇ含有量は、０．０２％以上であることが必要である。一方、Ｍｇ含有量が０．１％を超えると、Ｍｇの酸化物が多量のドロスを発生させ、表面欠陥を増加させる。従って、Ｍｇ含有量は、０．０２％～０．１％が好適である。

【0083】

Ｃｒ（クロム）は、炭化物形成元素であり、フェライトの析出を抑え、パーライトの析出を助長かつ促進して、機械的性質を向上させる。一方、Ｃｒ添加量が１．０％を超えると、チル化が促進される。従って、Ｃｒ含有量は、１．０％以下が好適である。

【0084】

Ｍｏ（モリブデン）は、Ｃｒと略同様に、パーライトを緻密化して機械的性質を向上させる。一方、Ｍｏ含有量が０．７％を超えると、ＭｏとＣが結合して炭化物が生成し、硬さが上昇して延性が低下する。従って、Ｍｏ含有量は、０．７％以下が好適である。

【0085】

Ｖ（バナジウム）は、基地中に微細な炭化物として析出することで、高温における引張強さ・耐力を向上させる元素である。そのような効果を得るためには、Ｖ含有量は、０．０５％以上であることが必要である。一方、Ｖ含有量が０．６％を超えると、鋳鉄の延性を損なうことに加え、炭化物生成傾向が強いために黒鉛の球状化を妨げる。従って、Ｖ含有量は、０．０５％～０．６％が好適である。

【0086】

Ａｌ（アルミニウム）は、黒鉛化促進元素であり、耐酸化性を向上させる作用を持つが、Ａｌ含有量が０．５％を超えると、鋳造性が悪化する。このため、Ａｌ含有量は、０．５％以下が好適である。

【0087】

本件発明者は、図６及び図７に示す様々な球状黒鉛鋳鉄が母材である図１０に示す形状の切欠き試験片に対して、本発明の実施例として、あるいは、本発明の比較例として、図８及び図９に示す様々な窒化処理を施して球状黒鉛鋳鉄部材を得た。そして、これらの球状黒鉛鋳鉄部材について、鉄窒素化合物層の厚さ、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、及び、疲労特性、が評価された。

【0088】

（１）鉄窒素化合物層の厚さ
鉄窒素化合物層２の厚さは、窒化処理された球状黒鉛鋳鉄部材１を深さ方向に切断し、断面の顕微鏡写真を用いて評価した。具体的には、最表面を含む１００μｍ×１００μｍの領域を１視野として、５視野の平均値に基づいて評価した。

【0089】

（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）
相構造は、窒化処理された球状黒鉛鋳鉄部材１を深さ方向に切断し、断面を機械的に鏡面研磨した後、走査型電子顕微鏡（ＦＥＩ社製Ｓｉｒｉｏｎ）に装着された後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ）装置（Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製、Ｉｎｃａ Ｃｒｙｓｔａｌ）を用いて「Ｐｈａｓｅ Ｍａｐ」（解析図）を得ることで分析された（ＥＥＳ測定）。この「Ｐｈａｓｅ Ｍａｐ」から、公知の画像解析手法により、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、及び、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）を得ることができる。具体的には、鉄窒素化合物層２の厚さに応じて、例えば球状黒鉛鋳鉄部材１の最表面から２０μｍ深さ、幅３０μｍとなる面積６００μｍ²についてＥＢＳＤ測定を行い、γ’相とε相とα相とを判別する「Ｐｈａｓｅ Ｍａｐ」を作成する。そして、得られた「Ｐｈａｓｅ Ｍａｐ」について、画像解析アプリケーションを用いて、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、及び、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）を得る。ＥＢＳＤ測定では、鉄窒素化合物層２の厚さに応じて３０００倍前後の倍率で１０視野測定して平均化する。

【0090】

（４）疲労特性
疲労特性は、小野式回転曲げ疲労試験（ＪＩＳ Ｚ ２２７４）によって評価された。具体的には、小野式回転曲げ疲労試験機（島津製作所、Ｈ７型）を用いて、試験荷重は、公称応力４７０ＭＰａと公称応力５１７ＭＰａとされ、回転数は、３０００ｒｐｍで共通とされた。試験結果の評価は、公称応力４７０ＭＰａにて１０⁷回転を迎えたものを良（「○」で表示）とし、更に公称応力５１７ＭＰａにて１０⁷回転を迎えたものを最良（「◎」で表示）とし、公称応力４７０ＭＰａにて１０⁷回転未満で破断したものを不良（「×」で表示）とした。

【0091】

（採用された熱処理炉及び窒化処理工程）
図８及び図９に、実施例及び比較例の各々について、使用された熱処理炉と窒化処理工程の窒化条件とが記載されている。

【0092】

「ピット型」が、図１及び図２を用いて説明した熱処理炉５に対応し、「バッチ型」が、図３及び図４を用いて説明した熱処理炉１５に対応している。

【0093】

「Ｋ_N１」の欄が、第１窒化処理工程の（目標）第１窒化ポテンシャルの値であり、その右隣の「時間」の欄が、第１窒化処理工程の処理時間であり、「Ｋ_N２」の欄が、第２窒化処理工程の（目標）第２窒化ポテンシャルの値であり、その右隣の「時間」の欄が、第２窒化処理工程の処理時間である。

【0094】

「Ｋ_M２」の欄及びその右隣の「時間」の欄が「－」となっている場合は、第２窒化処理工程が行われず、第１窒化処理工程のみが行われたことを意味している。

【0095】

比較例２－２において、「制御なし」とあるのは、フィードバック制御が行われず、ＮＨ₃ガス及びＡＸガスの各流量が一定とされたことを意味している。

【0096】

そして、図８及び図９に、実施例及び比較例の各々について、鉄窒素化合物層の厚さ、Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）、及び、疲労特性、が記載されている。

【0097】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ）
図８及び図９に示される実施例１－１～１－５／比較例１－１～１－４は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎを有するグループである。

【0098】

実施例１－１～１－５／比較例１－１～１－４の結果から、当該グループにおいて、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0099】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ａｌ）
図８及び図９に示される実施例２－１～２－１０／比較例２－１～２－３は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｃｒ、Ａｌを有するグループである。

【0100】

実施例２－１～２－１０／比較例２－１～２－３の結果から、当該グループにおいても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0101】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ）
図８及び図９に示される実施例３－１～３－４／比較例３－１～３－３は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖを有するグループである。

【0102】

実施例３－１～３－４／比較例３－１～３－３の結果から、当該グループにおいても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0103】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｍｏ）
図８に示される実施例４－１～４－３は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｍｏを有するグループである。

【0104】

実施例４－１～４－３の結果から、当該グループにおいても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0105】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｍｏ）
図８に示される実施例５は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｍｏを有する。

【0106】

実施例５の結果から、この場合においても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0107】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｒ）
図８に示される実施例６は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｒを有する。

【0108】

実施例６の結果から、この場合においても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0109】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌ）
図８に示される実施例７及び実施例８は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ａｌを有する。

【0110】

実施例７及び実施例８の結果から、この場合においても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0111】

（Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ａｌ）
図８に示される実施例９は、母材成分として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｖ、Ａｌを有する。

【0112】

実施例９の結果から、この場合においても、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
（３）Ｖａα／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．０５以下であること
の３条件の全てを満たす場合に、疲労限度が有意に改善することが確認された。

【0113】

（より好適な条件）
実施例１－３、実施例１－５、実施例２－２、実施例２－３、実施例２－５、実施例３－２、実施例３－４、実施例５、実施例８、実施例９の結果から、
（１）鉄窒素化合物層の厚さが、２μｍ～２５μｍであること
という条件は、好ましくは、
（１’）鉄窒素化合物層の厚さが、７．５μｍ～２５μｍであること
であり、更に好ましくは、
（１”）鉄窒素化合物層の厚さが、１０μｍ～２５μｍであること
であると言うことができ、また、
（２）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．６以上であること
という条件は、好ましくは、
（２’）Ｖａγ’／（Ｖａγ’＋Ｖａε＋Ｖａα）で規定される比が０．８以上であること
であると言うことができる。

【0114】

（母材成分についての補足）
各実施例の成分組成により、本発明は、母材である球状黒鉛鋳鉄の成分組成について、
Ｃ ：質量％で２．０～４．０％
Ｓｉ：質量％で１．６～３．７％
Ｍｎ：質量％で０．１～２．０％
Ｐ ：質量％で０．０８％以下
Ｓ ：質量％で０．０３％以下
Ｃｕ：質量％で０．１～４．０％
Ｓｎ：質量％で０．０８％以下、及び、
Ｍｇ：質量％で０．０２～０．１％
を含んだ範囲に適用可能であることが分かる。

【0115】

球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｖ ：質量％で０．０５～０．６％、及び／または、
Ｍｏ：質量％で０．７％以下
を含んだ場合にも適用可能であることが分かる。

【0116】

球状黒鉛鋳鉄は、更に、
Ｃｒ：質量％で１．０％以下、及び／または、
Ａｌ：質量％で０．５％以下
を含んだ場合にも適用可能であることが分かる。

【0117】

（窒化処理工程についての補足）
各実施例の結果から、単一の窒化処理工程のみが実施される場合には、５００℃～６００℃の炉内での０．５～３．０の範囲の第１窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中での窒化処理工程によって、球状黒鉛鋳鉄が窒化されることが好ましいことが分かる。

【0118】

また、各実施例の結果から、二段階の窒化処理工程が実施される場合には、５００℃～６００℃の炉内での第１窒化処理工程後に、５００℃～６００℃の炉内での第１窒化ポテンシャルよりも低い０．５～３．０の範囲の第２窒化ポテンシャルの窒化ガス雰囲気中での第１窒化処理工程より短時間の第２窒化処理工程によって、球状黒鉛鋳鉄が窒化されることが好ましいことが分かる。

【0119】

より詳細には、
比較例１－１は、第１窒化ポテンシャル（Ｋ_M１）が低過ぎたと考えられ、
比較例１－２は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が低過ぎたと考えられ、
比較例１－３は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が高過ぎたと考えられ、
比較例１－４は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が低過ぎたと考えられ、
比較例２－１は、第１窒化ポテンシャル（Ｋ_M１）が高過ぎたと考えられ、
比較例２－２は、フィードバック制御が必要であったと考えられ、
比較例２－３は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が高過ぎたと考えられ、
比較例３－１は、第１窒化ポテンシャル（Ｋ_M１）が高過ぎたと考えられ、
比較例３－２は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が低過ぎたと考えられ、
比較例３－３は、第２窒化ポテンシャル（Ｋ_M２）が高過ぎたと考えられる。

【符号の説明】

【0120】

１ 球状黒鉛鋳鉄部材
２ 鉄窒素化合物層
３ 拡散層
４ 球状黒鉛
５ 熱処理炉
６ 炉壁
７ 炉蓋
８ ファン
９ ファンモータ
１０ レトルト
１１ ガス案内筒
１２ ケース
１３ Ｈ₂センサ
１４ ガス流量調節計ＭＦＣ
１５ 熱処理炉
１６ 搬入部
１７ 加熱室
１８ 搬送室
１９ 搬出部
２０ ケース
２１ 扉
２２ ファン
２３ 中間扉
２５ 撹拌機
２６ 扉
２７ Ｈ₂センサ
２８ ガス流量調節計ＭＦＣ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】