(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-11
(45)【発行日】2024-03-19
(54)【発明の名称】金属材の表面処理方法
(51)【国際特許分類】
C23C 8/26 20060101AFI20240312BHJP
C23C 8/32 20060101ALI20240312BHJP
【ＦＩ】
C23C8/26
C23C8/32
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2019206260
(22)【出願日】2019-11-14
(65)【公開番号】P2021080487
(43)【公開日】2021-05-27
【審査請求日】2022-09-15
(73)【特許権者】
【識別番号】000003713
【氏名又は名称】大同特殊鋼株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002158
【氏名又は名称】弁理士法人上野特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】辻井 健太
【審査官】池ノ谷 秀行
(56)【参考文献】
【文献】特開昭４９－０２６１３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１３１９３３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０８２２７５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ２３Ｃ ８／００－８／８０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯ、Ｏ２を含む雰囲気中で、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を行うに際し、前記雰囲気において、ＮＨ３の分圧Ｐ（ＮＨ３）、Ｈ２の分圧Ｐ（Ｈ２）、ＣＯの分圧Ｐ（ＣＯ）、Ｏ２の分圧Ｐ（Ｏ２）をそれぞれ計測するとともに、該計測値に基づいて、Ｋｎ＝Ａ・Ｐ（ＮＨ３）／Ｐ（Ｈ２）３／２として、窒化ポテンシャルＫｎを見積もり、
前記金属材の表層部のＮ濃度と前記窒化ポテンシャルＫｎとの関係に基づいて、所望のＮ濃度に対応付けられる前記窒化ポテンシャルＫｎを目標値として、前記雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、前記窒化ポテンシャルＫｎを制御する、金属材の表面処理方法。
ここで、Ａは窒素操業係数であり、Ａ０、Ａ１、Ａ２を定数として、前記カーボンポテンシャルＣＰを用いて、Ａ＝Ａ０＋Ａ１・ＣＰ＋Ａ２・ＣＰ２と表される。前記カーボンポテンシャルＣＰは、以下の式（Ａ）によって求められる。式（Ａ）中、Ａｃｍは純鉄のＡｃｍ変態点であり、Ｋ２は前記金属材の表層部における式（Ｂ）の反応の平衡定数である。
【化1】
【請求項2】
ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２を含む雰囲気中で、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を行うに際し、前記雰囲気において、ＮＨ３の分圧Ｐ（ＮＨ３）、Ｈ２の分圧Ｐ（Ｈ２）、ＣＯの分圧Ｐ（ＣＯ）、ＣＯ２の分圧Ｐ（ＣＯ２）をそれぞれ計測するとともに、該計測値に基づいて、Ｋｎ＝Ａ・Ｐ（ＮＨ３）／Ｐ（Ｈ２）３／２として、窒化ポテンシャルＫｎを見積もり、
前記金属材の表層部のＮ濃度と前記窒化ポテンシャルＫｎとの関係に基づいて、所望のＮ濃度に対応付けられる前記窒化ポテンシャルＫｎを目標値として、前記雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、前記窒化ポテンシャルＫｎを制御する、金属材の表面処理方法。
ここで、Ａは窒素操業係数であり、Ａ０、Ａ１、Ａ２を定数として、前記カーボンポテンシャルＣＰを用いて、Ａ＝Ａ０＋Ａ１・ＣＰ＋Ａ２・ＣＰ２と表される。前記カーボンポテンシャルＣＰは、以下の式（Ｃ）によって求められる。式（Ｃ）中、Ａｃｍは純鉄のＡｃｍ変態点であり、Ｋ１は前記金属材の表層部における式（Ｄ）の反応の平衡定数である。
【化2】
【請求項3】
前記表面処理は、７００℃以上の温度で行う、請求項１または請求項２に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項4】
前記定数Ａ０、Ａ１、Ａ２は、前記カーボンポテンシャルＣＰの異なる雰囲気で、前記窒化ポテンシャルＫｎを変化させながら、前記Ｎ濃度を計測した予備試験によって定められる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項5】
前記金属材は、Ｆｅ基合金よりなり、前記Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項6】
前記金属材の表層部のＣ濃度と前記カーボンポテンシャルＣＰとの関係に基づいて、所望のＣ濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルＣＰを目標値として、前記雰囲気中のＣＯの分圧、および前記Ｏ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、前記カーボンポテンシャルＣＰを制御する、請求項１、または請求項１を引用する請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項7】
前記金属材の表層部のＣ濃度と前記カーボンポテンシャルＣＰとの関係に基づいて、所望のＣ濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルＣＰを目標値として、前記雰囲気中のＣＯの分圧、および前記ＣＯ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、前記カーボンポテンシャルＣＰを制御する、請求項２、または請求項２を引用する請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項8】
前記窒化ポテンシャルＫｎによる前記Ｃ濃度への影響が存在しない場合の前記カーボンポテンシャルＣＰを、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０として、ＣＰ＊＝Ｂ・ＣＰ０と表した操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、前記カーボンポテンシャルＣＰとして用いる、請求項６または請求項７に記載の金属材の表面処理方法。
ここで、Ｂは炭素操業係数であり、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を定数として、前記窒化ポテンシャルＫｎを用いて、Ｂ＝Ｂ０＋Ｂ１・Ｋｎ＋Ｂ２・Ｋｎ２と表される。
【請求項9】
前記定数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は、前記窒化ポテンシャルＫｎの異なる雰囲気で、前記カーボンポテンシャルＣＰを変化させながら、前記Ｃ濃度を計測した予備試験によって定められる、請求項８に記載の金属材の表面処理方法。
【請求項10】
前記金属材は、Ｆｅ基合金よりなり、前記Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２である、請求項８または請求項９に記載の金属材の表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属材の表面処理方法に関し、さらに詳しくは、鋼材等の金属材に対して、浸窒焼入れまたは浸炭窒化によって表面処理を行う方法に関する。
【背景技術】
【0002】
鋼材等の金属材において、表面の硬化等、特性の向上を図る表面処理として、アンモニアを含む雰囲気中で金属材を熱処理し、金属材の表層部にＮ原子を導入する浸窒焼入れ処理が行われている。また、炭素と窒素を両方含む雰囲気中で金属材を熱処理して、金属材表層部にＮ原子とＣ原子とを導入し、その後焼入れを行う浸炭窒化処理も行われている。浸炭窒化処理により、金属材の疲労強度や耐摩耗性を向上させることができる。
【0003】
金属材の浸窒焼入れ処理や浸炭窒化処理においては、所望の特性を得るために、金属材表層部のＮ濃度を制御することが重要となる。浸窒（窒化）処理における雰囲気制御の例が、特許文献１，２に開示されている。さらに、浸炭窒化処理における雰囲気制御の例が、特許文献３，４に開示されている。
【0004】
上記特許文献１～４は、いずれも、アンモニアを含む雰囲気中で、鋼材に対して、浸窒処理または浸炭窒化処理を行っている。アンモニアは、鋼材表面において、下記式（１）のように分解して、金属材の表層部にＮ原子を導入するものとなる。ここで、［Ｎ］は、金属材に取り込まれたＮ原子を意味する。
【化1】
【0005】
式（１）に表れているように、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の分圧が、金属材の表面におけるＮ原子の濃度に影響することになる。上記特許文献１～４では、それぞれ、ＮＨ３またはＨ２の分圧を計測し、その測定値に基づいて、熱処理炉内の雰囲気の制御を図っている。具体的には、熱処理炉内の雰囲気の制御において、特許文献１では、雰囲気中のアンモニアガス分圧を計測している。特許文献３でも、熱処理炉内の未分解アンモニア濃度を制御している。一方、特許文献２では、処理炉内の水素濃度またはアンモニア濃度を検出している。特許文献４では、炉内ガスの水素濃度を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００７－１３１９３３号公報
【文献】特開２０１９－１４９５６号公報
【文献】特開２００７－１６９７２３号公報
【文献】特開２０１４－１４５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上記式（１）のように、ＮＨ３の分解を経て金属材の表面にＮ原子が導入される場合に、金属材表層部におけるＮ濃度は、ＮＨ３とＨ２の両方の分圧に影響を受けるはずである。しかし、上記のように、特許文献１～４はいずれも、炉内雰囲気を制御する際の指標として、ＮＨ３とＨ２のいずれか一方の分圧しか監視していない。雰囲気の構成成分やそれらの分圧、熱処理温度、処理対象の金属材の成分組成、使用する熱処理炉の形態等、表面処理にかかる条件が狭い範囲に限られている場合には、ＮＨ３とＨ２のいずれか一方の分圧のみに基づいて雰囲気制御を行う形態でも、十分な精度で、金属材表面のＮ濃度の制御を行える可能性がある。
【0008】
しかし、表面処理にかかる条件が、広い範囲にわたって変化する場合には、ＮＨ３とＨ２のいずれか一方の分圧のみに基づく制御では、金属材表層部のＮ濃度を十分に制御できない可能性がある。まず、Ｈ２の分圧のみを測定し、制御に用いる場合には、ＮＨ３→１／２Ｎ２＋３／２Ｈ２とのガス分解反応に基づいて、ＮＨ３の分圧を推定することになるが、このガス分解反応と並行して、式（１）のような反応が、処理対象の金属材の表面、また炉壁や治具の表面で起こるため、ＮＨ３濃度を正確に推定することが難しい。特に、７００℃以上のような高温で熱処理が行われる場合には、浸炭窒化や浸窒焼入れで用いられるＮＨ３濃度は、典型的には全体の１％以下であるうえ、炉壁や治具の表面におけるＮＨ３の分解も起こりやすいため、Ｈ２濃度に基づくＮＨ３濃度の推定の精度が低くなり、得られる金属材の表面におけるＮ濃度のばらつきとして、大きく影響しやすい。このように、雰囲気中のＨ２の分圧に基づいて、金属材表層部のＮ濃度を高精度に制御することは、かなり難しい。
【0009】
また、ＮＨ３の分圧に基づいて制御を行う場合にも、Ｈ２の分圧を考慮しなければ、金属材表層部のＮ濃度を、正確に制御できない可能性がある。例えば、図１に、Ｆｅに対して浸窒焼入れ処理を行うに際し、炉内のＨ２濃度が異なる条件で、ＮＨ３分圧（残留ＮＨ３濃度）を変化させながら、平衡状態における表層部のＮ濃度を調べた結果を示す。この図によると、ＮＨ３分圧が同じでも、Ｈ２濃度が異なる２つの場合で、Ｎ濃度に２倍以上の差が生じている。このように、炉内のＨ２濃度等、浸窒焼入れ処理や浸炭窒化処理にかかる条件が広い範囲で変化しうる場合には、ＮＨ３とＨ２のうち、ＮＨ３のみの分圧に基づいて雰囲気制御を行ったのでは、金属材表層部のＮ濃度を、所望の値に正確に制御することは、難しい。
【0010】
さらに、１種のガスの分圧にのみ着目して、金属材表層部のＮ濃度の制御を行う場合には、表面処理にかかる条件が変化した際に、正確な制御を行えなく可能性がある。例えば、少量の金属材に対してテスト処理を行い、表面処理にかかる条件検討したうえで、量産工程において、多量、また多数の金属材に対して表面処理を行う場合に、テスト処理においては、量産工程よりも、Ｈ２濃度が低くなりやすく、テスト処理において採用した制御条件を、そのまま量産工程に適用すると、得られる金属材のＮ濃度に、ずれが生じる場合がある。
【0011】
本発明が解決しようとする課題は、浸窒焼入れまたは浸炭窒化により、金属材の表面処理を行う際に、表面処理にかかる条件が変化しても、金属材の表層部におけるＮ原子の濃度を正確に制御することができる金属材の表面処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記課題を解決するため、本発明にかかる金属材の表面処理方法は、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯを含む雰囲気中で、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を行うに際し、前記雰囲気において、ＮＨ３の分圧Ｐ（ＮＨ３）およびＨ２の分圧Ｐ（Ｈ２）をそれぞれ計測するとともに、該計測値に基づいて、Ｋｎ＝Ｐ（ＮＨ３）／Ｐ（Ｈ２）３／２として、窒化ポテンシャルＫｎを見積もり、前記金属材の表層部のＮ濃度と前記窒化ポテンシャルＫｎとの関係に基づいて、所望のＮ濃度に対応付けられる前記窒化ポテンシャルＫｎを目標値として、前記雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、前記窒化ポテンシャルＫｎを制御するものである。
【0013】
ここで、前記表面処理は、７００℃以上の温度で行うことが、想定される。温度の上限は、特に定められないが、１０００℃程度である。
【0014】
前記雰囲気のカーボンポテンシャルＣＰによる前記Ｎ濃度への影響を、前記窒化ポテンシャルＫｎに取り込んだ、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、前記窒化ポテンシャルＫｎとして用いるとよい。
【0015】
この場合に、前記カーボンポテンシャルＣＰによる前記Ｎ濃度への影響が存在しない場合の前記窒化ポテンシャルＫｎを、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０として、前記操業窒化ポテンシャルＫｎ＊は、窒素操業係数Ａを用いて、Ｋｎ＊＝Ａ・Ｋｎ０と表され、前記窒素操業係数Ａは、Ａ０、Ａ１、Ａ２を定数として、前記カーボンポテンシャルＣＰを用いて、Ａ＝Ａ０＋Ａ１・ＣＰ＋Ａ２・ＣＰ２と表されるとよい。前記係数Ａ０、Ａ１、Ａ２は、前記カーボンポテンシャルＣＰの異なる雰囲気で、前記窒化ポテンシャルＫｎを変化させながら、前記Ｎ濃度を計測した予備試験によって定められるとよい。さらに、前記金属材は、Ｆｅ基合金よりなり、前記Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４であるとよい。
【0016】
また、前記雰囲気において、前記ＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧をそれぞれ計測し、前記金属材の表層部のＣ濃度と前記雰囲気のカーボンポテンシャルＣＰとの関係に基づいて、所望のＣ濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルＣＰを目標値として、前記雰囲気中のＣＯの分圧、および前記ＣＯ２またはＯ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、前記カーボンポテンシャルＣＰを制御するとよい。
【0017】
この場合に、前記窒化ポテンシャルＫｎによる前記Ｃ濃度への影響を、前記カーボンポテンシャルＣＰに取り込んだ、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、前記カーボンポテンシャルＣＰとして用いるとよい。前記窒化ポテンシャルＫｎによる前記Ｃ濃度への影響が存在しない場合の前記カーボンポテンシャルＣＰを、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０として、前記操業カーボンポテンシャルＣＰ＊は、炭素操業係数Ｂを用いて、ＣＰ＊＝Ｂ・ＣＰ０と表され、前記炭素操業係数Ｂは、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を定数として、前記窒化ポテンシャルＫｎを用いて、Ｂ＝Ｂ０＋Ｂ１・Ｋｎ＋Ｂ２・Ｋｎ２と表されるとよい。前記係数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は、前記窒化ポテンシャルＫｎの異なる雰囲気で、前記カーボンポテンシャルＣＰを変化させながら、前記Ｃ濃度を計測した予備試験によって定められるとよい。さらに、前記金属材は、Ｆｅ基合金よりなり、前記Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２であるとよい。
【発明の効果】
【0018】
上記発明にかかる金属材の表面処理方法においては、浸窒焼入れ処理または浸窒焼入れ処理を行う際に、ＮＨ３およびＨ２の分圧を、両方測定したうえで、それらＮＨ３とＨ２の両方の分圧を含むパラメータである窒化ポテンシャルＫｎを見積もる。そして、その窒化ポテンシャルＫｎを、所望のＮ濃度に対応付けられる目標値に一致させるべく、雰囲気制御を行う。そのため、上記式（１）のように、Ｈ２の放出を伴うＮＨ３の分解を経て進行する金属材表層部へのＮ原子の導入過程において、金属材表層部におけるＮ原子の平衡濃度を、正確に雰囲気の組成と対応付け、制御することができる。また、ＮＨ３やＨ２の分圧等、表面処理にかかる条件が変化することがあっても、さらに、処理する金属材の規模等、表面処理の条件が大幅に変更されることがあっても、同様にして、Ｎ原子の濃度の制御を、実行することができる。
【0019】
ここで、表面処理を、７００℃以上の温度で行う場合には、高温により、ＮＨ３が、気相中等、金属材の表面以外の箇所でも多量に分解するようになる。すると、雰囲気の組成の変化に伴い、金属材表層部へのＮ原子の導入にかかる条件が、大きく変化する場合があるが、そのような場合でも、ＮＨ３およびＨ２の分圧を両方監視しながら、窒化ポテンシャルＫｎに基づく雰囲気制御を行うことで、金属材表面におけるＮ原子の濃度を、高い精度で制御することができる。
【0020】
雰囲気のカーボンポテンシャルＣＰによるＮ濃度への影響を、窒化ポテンシャルＫｎに取り込んだ、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、窒化ポテンシャルＫｎとして用いる場合には、金属材表層部のＮ濃度は、窒化ポテンシャルＫｎのみならず、金属材表層部に存在するＣ原子の影響によっても変化しうるが、その場合でも、Ｃ原子の影響を、窒化ポテンシャルＫｎの値の変化として取り込むことで、窒化ポテンシャルＫｎに基づく雰囲気制御をそのまま利用して、金属材表面のＮ濃度を、精度良く制御することが可能となる。
【0021】
この場合に、カーボンポテンシャルＣＰによるＮ濃度への影響が存在しない場合の窒化ポテンシャルＫｎを、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０として、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊が、窒素操業係数Ａを用いて、Ｋｎ＊＝Ａ・Ｋｎ０と表され、窒素操業係数Ａが、Ａ０、Ａ１、Ａ２を定数として、カーボンポテンシャルＣＰを用いて、Ａ＝Ａ０＋Ａ１・ＣＰ＋Ａ２・ＣＰ２と表される形態によれば、簡素な演算により、雰囲気の組成や加熱温度等の表面処理条件が変化した際にも適用可能な、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を得ることができる。
【0022】
係数Ａ０、Ａ１、Ａ２が、カーボンポテンシャルＣＰの異なる雰囲気で、窒化ポテンシャルＫｎを変化させながら、Ｎ濃度を計測した予備試験によって定められる場合、またさらに、金属材が、Ｆｅ基合金よりなり、Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４である場合には、実際の表面処理の条件に即して、精度の高い操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を求めることができる。
【0023】
また、雰囲気において、ＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧をそれぞれ計測し、金属材の表層部のＣ濃度と雰囲気のカーボンポテンシャルＣＰとの関係に基づいて、所望のＣ濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルＣＰを目標値として、雰囲気中のＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、カーボンポテンシャルＣＰを制御する場合には、浸窒焼入れ工程や浸炭窒化工程において、金属材の表層部のＮ濃度と合わせて、Ｃ濃度についても、制御することができる。金属材の表層部のＣ濃度は、ＣＯの分圧と、ＣＯ２またはＯ２の分圧によって定まるカーボンポテンシャルＣＰに依存するので、ＣＯの分圧と、ＣＯ２またはＯ２の分圧を両方測定したうえで、カーボンポテンシャルＣＰに基づく雰囲気の制御を行うことで、それら各ガスの分圧等、表面処理にかかる条件が変化することがあっても、金属材表層部におけるＣ濃度の制御を、実行することができる。
【0024】
この場合に、窒化ポテンシャルＫｎによるＣ濃度への影響を、カーボンポテンシャルＣＰに取り込んだ、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、カーボンポテンシャルＣＰとして用いる形態によれば、金属材表層部のＣ濃度は、カーボンポテンシャルＣＰのみならず、金属材表層部に存在するＮ原子の影響によっても変化しうるが、その場合でも、Ｎ原子の影響を、カーボンポテンシャルＣＰの値の変化として取り込むことで、カーボンポテンシャルＣＰに基づく雰囲気制御をそのまま利用して、金属材表面のＣ濃度を、精度良く制御することが可能となる。
【0025】
窒化ポテンシャルＫｎによるＣ濃度への影響が存在しない場合のカーボンポテンシャルＣＰを、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０として、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊が、炭素操業係数Ｂを用いて、ＣＰ＊＝Ｂ・ＣＰ０と表され、炭素操業係数Ｂが、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を定数として、窒化ポテンシャルＫｎを用いて、Ｂ＝Ｂ０＋Ｂ１・Ｋｎ＋Ｂ２・Ｋｎ２と表される場合には、簡素な演算により、雰囲気の組成や加熱温度等の表面処理条件が変化した際にも適用可能な、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を得ることができる。なお、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０は、浸炭を伴わない通常の浸炭処理を行う場合のカーボンポテンシャルに相当する。
【0026】
係数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２が、窒化ポテンシャルＫｎの異なる雰囲気で、カーボンポテンシャルＣＰを変化させながら、Ｃ濃度を計測した予備試験によって定められる場合、またさらに、金属材が、Ｆｅ基合金よりなり、Ｆｅ基合金がオーステナイト相をとる領域において、Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２である場合には、実際の表面処理の条件に即して、精度の高い操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】Ｆｅ材に対する浸炭窒化処理（ＣＰ＝０．６％）について、雰囲気中のＮＨ３分圧と表層Ｎ濃度の関係を、２とおりのＨ２濃度について示す実験結果である。
【図2】Ｆｅ材に対する浸炭窒化工程について、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度の関係を示すシミュレーション結果である。（ａ）～（ｄ）においては、図中に表示するように、温度を異ならせている。いずれにおいても、カーボンポテンシャルは０．６％としている。
【図3】種々の条件における浸炭窒化処理について、窒化ポテンシャルと表層Ｎ濃度の関係を示す実験結果である。（ａ）はＦｅに対して８５０℃で処理を行った場合、（ｂ）はＦｅ材に対して９００℃で処理を行った場合、（ｃ）はＳＣｒ４２０材に対して８５０℃で処理を行った場合について、それぞれ３とおりのカーボンポテンシャルＣＰにおいて得られた結果を示している。各図では、左側に、実際の分圧値から算出された窒化ポテンシャルＫｎ（操業窒化ポテンシャルＫｎ＊）と表層Ｎ濃度の関係を示し、右側に、カーボンポテンシャルＣＰの影響を除いた窒化ポテンシャルＫｎ（無影響窒化ポテンシャルＫｎ０）と表層Ｎ濃度の関係を示している。
【図4】種々の条件における浸炭窒化処理について、カーボンポテンシャルと表層Ｃ濃度の関係を示す実験結果である。（ａ）はＦｅに対して８５０℃で処理を行った場合、（ｂ）はＦｅ材に対して９００℃で処理を行った場合、（ｃ）はＳＣｒ４２０材に対して８５０℃で処理を行った場合について、それぞれ３とおりの窒化ポテンシャルＫｎにおいて得られた結果を示している。各図では、左側に、実際の分圧値から算出されたカーボンポテンシャルＣＰ（操業カーボンポテンシャルＣＰ＊）と表層Ｃ濃度の関係を示し、右側に、窒化ポテンシャルＫｎの影響を除いたカーボンポテンシャルＣＰ（無影響カーボンポテンシャルＣＰ０）と表層Ｃ濃度の関係を示している。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下に、本発明の一実施形態にかかる金属材料の表面処理方法について、詳細に説明する。
【0029】
［表面処理方法の概略］
本実施形態にかかる表面処理方法においては、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を実行する。表面処理の対象とする金属材は、浸窒焼入れまたは浸炭窒化を行いうるものであれば、特に限定されるものではないが、鋼に代表されるＦｅ基合金（Ｆｅを含む）を、好適な対象とすることができる。以下でも、Ｆｅ基合金を主に想定して説明を行う。金属材は、棒状、板状等、加工素材の状態にあっても、所定の部材形状に加工された機械部品の状態にあってもよい。
本実施形態にかかる表面処理方法においては、金属材に対して、表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を実行する。表面処理の対象とする金属材は、浸窒焼入れまたは浸炭窒化を行いうるものであれば、特に限定されるものではないが、鋼に代表されるＦｅ基合金（Ｆｅを含む）を、好適な対象とすることができる。以下でも、Ｆｅ基合金を主に想定して説明を行う。金属材は、棒状、板状等、加工素材の状態にあっても、所定の部材形状に加工された機械部品の状態にあってもよい。
【0030】
表面処理として、浸窒焼入れ処理または浸炭窒化処理を行うに際し、金属材を、アンモニア（ＮＨ３）と水素ガス（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）を含む雰囲気中で加熱する。雰囲気中には、さらに、二酸化炭素（ＣＯ２）および酸素ガス（Ｏ２）も含まれる。表面処理を行う間、金属材の表層部において、Ｎ原子およびＣ原子の濃度が、所望の濃度となるように、雰囲気ガスの組成を制御する。
【0031】
具体的には、処理対象の金属材を熱処理炉に収容し、加熱しながら、熱処理炉に、ＮＨ３ガスとともに、変成炉で調製した変成ガス（ＣＯガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスを含み、さらに微量のＣＯ２やＯ２を含む）を導入する。例えば、プロパン等のエンリッチガスを熱処理炉内に導入し、分解によってＣＯ２の分圧を調整することで、炉内雰囲気のカーボンポテンシャル（ＣＰ）を調整することができる。熱処理炉には、ＮＨ３と、ＮＨ３の分解によって生じたＮ２およびＨ２に加え、ＣＯ、さらにＣＯ２およびＯ２を含む雰囲気が満たされることになる。熱処理炉には、分圧計測手段を設けておき、熱処理炉内の雰囲気に対して、ＮＨ３およびＨ２の分圧に加えて、ＣＯの分圧、さらにＣＯ２またはＯ２の分圧をそれぞれ計測する。
【0032】
表面処理中、後に詳しく説明するように、ＮＨ３およびＨ２の分圧の計測値に基づいて、窒化ポテンシャルＫｎを見積もる。そして、金属材表層部において所望されるＮ濃度に対応付けられる窒化ポテンシャルＫｎを、目標値として設定したうえで、その目標値に窒化ポテンシャルＫｎを一致させるべく、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、窒化ポテンシャルＫｎを制御する。さらに、ＣＯの分圧と、ＣＯ２またはＯ２の分圧に基づいて、カーボンポテンシャルＣＰを見積もることが好ましい。そして、金属材表層部において所望されるＣ濃度に対応付けられるカーボンポテンシャルＣＰを、目標値として設定したうえで、その目標値にカーボンポテンシャルＣＰを一致させるべく、雰囲気中のＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、カーボンポテンシャルＣＰを制御することが好ましい。熱処理として浸窒焼入れを行う場合も、浸炭窒化を行う場合も、そのようにして、所定の雰囲気中での加熱を完了した後、適宜、焼入れを行う。なお、本明細書において、金属材の表層部とは、おおむね、金属材の最表面から、深さ５０μｍ程度までの領域を指す。
【0033】
本実施形態においては、上記のように、表面処理として、浸窒焼入れと浸炭窒化のいずれを行ってもよい。浸窒焼入れは、処理前の状態から、金属材におけるＣ濃度を実質的に変化させることなく、金属材表層部のＮ濃度を増大させるのに対し、浸炭窒化は、金属材表層部において、Ｃ濃度およびＮ濃度の両方を増大させる点において、浸窒焼入れと浸炭窒化は異なる。しかし、浸窒焼入れを行う場合にも、処理前のＣ濃度を維持するために、ＣＯを含有する雰囲気を用いる。また、所定のＣ濃度を維持すべく、雰囲気中のカーボンポテンシャルＣＰを制御することが好ましい。浸窒焼入れ工程においても、加熱中の脱炭反応によるＣ濃度の低下や、炉内の煤（すす）等に由来するＣ濃度の上昇が、意図せずに起こる場合があるが、カーボンポテンシャルＣＰを制御することで、それらの事態を抑制し、金属材において、処理前から規定された所定のＣ濃度を、維持しやすくなる。例えば、後の実施例でも用いているＳＣｒ４２０材は、０．２質量％のＣを含有するが、カーボンポテンシャルＣＰを０．２％に制御することで、そのＣ濃度を維持しやすくなる。金属材の表層部におけるＮ濃度とＣ濃度を、相互の干渉も考慮しながら、同時に、多様な組み合わせで制御することができる点では、表面処理として浸炭窒化を行う形態の方が好ましい。以下では、浸炭窒化を行う形態を中心として、説明を行う。
【0034】
［窒化ポテンシャルＫｎに基づくＮ濃度制御］
上記のように、表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧にから見積もられる窒化ポテンシャルＫｎに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるＮ濃度（表層Ｎ濃度）として、所望の値が得られるようにする。以下、この窒化ポテンシャルＫｎに基づく雰囲気制御について説明する。
上記のように、表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧にから見積もられる窒化ポテンシャルＫｎに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるＮ濃度（表層Ｎ濃度）として、所望の値が得られるようにする。以下、この窒化ポテンシャルＫｎに基づく雰囲気制御について説明する。
【0035】
ＮＨ３を用いた金属材の表層部における浸窒は、下の式（１）の平衡反応を経て進行する。［Ｎ］は、金属材の表層部に取り込まれたＮ原子を表す。
【化2】
【0036】
そして、この反応の右辺側への進行しやすさを示す指標として、窒化ポテンシャルＫｎを利用することができる。窒化ポテンシャルＫｎは、雰囲気中のＮＨ３の分圧Ｐ（ＮＨ３）およびＨ２の分圧Ｐ（Ｈ２）を用いて、式（２）のように表現される。
【数1】
【0037】
雰囲気中において、ＮＨ３分圧が上昇し、あるいはＨ２分圧が低下し、窒化ポテンシャルＫｎが大きくなると、式（１）の反応が右辺側に進行しやすくなり、金属材の表層Ｎ濃度が上昇する。一方、雰囲気中において、ＮＨ３分圧が低下し、あるいはＨ２分圧が上昇し、窒化ポテンシャルＫｎが小さくなると、式（１）の反応が右辺側に進行しにくくなり、金属材の表層Ｎ濃度が低下する。後に、実施例について、図２を参照しながら説明するように、表層Ｎ濃度と窒化ポテンシャルＫｎとの間には、良い正の相関が存在する。
【0038】
そこで、金属材の特性等の観点から所望される表層Ｎ濃度に対して、対応する窒化ポテンシャルＫｎの値、つまりその所望の表層Ｎ濃度を与える窒化ポテンシャルＫｎの値を、窒化ポテンシャルＫｎの目標値として設定する。そして、その目標値を達成すべく、つまり、実際の窒化ポテンシャルＫｎの値をその目標値に可及的に近づけるべく、窒化ポテンシャルＫｎの制御を行う。この窒化ポテンシャルＫｎの制御は、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、行う。ここで、ＮＨ３の分圧の制御により、窒化ポテンシャルＫｎの制御を行う形態が、特に好ましい。具体的には、熱処理炉に導入するＮＨ３の流量を制御すればよい。
【0039】
実際の窒化ポテンシャルＫｎが目標値より小さい場合には、ＮＨ３の分圧を上昇させることにより、あるいはＨ２の分圧を低下させることにより、窒化ポテンシャルＫｎを増大させて目標値に近づける制御を行えばよい。一方、実際の窒化ポテンシャルＫｎが目標値より大きい場合には、ＮＨ３の分圧を低下させることにより、あるいはＨ２の分圧を上昇させることにより、窒化ポテンシャルＫｎを減少させて目標値に近づける制御を行えばよい。このようにして、許容される誤差範囲内で、窒化ポテンシャルＫｎを目標値に維持した状態を、平衡に達するのに十分な時間にわたって保持することで、設定した所望の表層Ｎ濃度を達成することができる。
【0040】
表層Ｎ濃度の所望値と窒化ポテンシャルＫｎの目標値との対応付けは、予備試験のデータを用いて行うことができる。つまり、適宜ＮＨ３の分圧を変化させることで、窒化ポテンシャルＫｎを変化させながら、表層Ｎ濃度を計測し、両者の関係性に関するデータを取得しておけばよい。この際、加熱温度等、予備試験にかかる条件は、できるだけ、実際の表面処理工程に合わせておくことが好ましい。あるいは、実験の代わりに、後に図２について説明するように、コンピュータシミュレーションによって、表層Ｎ濃度と窒化ポテンシャルＫｎとの関係を見積もっておいてもよい。
【0041】
表層Ｎ濃度の制御は、窒化ポテンシャルＫｎの代わりに、金属材の表層部におけるＮ原子の活量ａＮに基づいて、行うこともできる。活量ａＮを用いて、上記式（１）の反応の平衡定数Ｋｅｑを、以下の式（３）のように表記することができる。そして、活量ａＮは、式（４）のようになる。平衡定数Ｋｅｑは、データベース等より既知である。
【数2】
【0042】
以上のように、雰囲気中のＮＨ３とＨ２の両方の分圧をそれぞれ計測し、それらの計測値に基づいて窒化ポテンシャルＫｎを見積もったうえで、窒化ポテンシャルＫｎの目標値を達成すべく、雰囲気制御を行うことで、金属材において、所望される表層Ｎ濃度を得ることができる。ＮＨ３やＨ２の濃度、また加熱温度等、金属材の表層部へのＮ原子の導入にかかる条件が、大きく変化しなければ、ＮＨ３またはＨ２のいずれか一方のみの分圧を測定し、その分圧に基づいて雰囲気制御を行う方法でも、ある程度の正確性をもって、表層Ｎ濃度を制御することも可能ではあるが、反応にかかる条件が大きく変化する場合には、正確な表層Ｎ濃度の制御を行うことは、難しくなる。しかし、ＮＨ３とＨ２の分圧をともに監視し、窒化ポテンシャルＫｎに基づいて雰囲気制御を行うことにより、反応にかかる条件が大きく変化する場合でも、表層Ｎ濃度を、高い正確性をもって、制御することができる。用いる熱処理炉や、熱処理を行う被処理材の規模の変更のような、大幅な熱処理条件の変更にも、対応することができる。
【0043】
例えば、後の実施例において、図１に基づいて説明するように、雰囲気中のＨ２分圧が大きく変化すると、ＮＨ３分圧を同じにしていても、表層Ｎ濃度が大きく変化しうる。このような場合に、ＮＨ３のみの分圧を監視するのではなく、Ｈ２の分圧もともに監視し、窒化ポテンシャルＫｎによって両者の分圧を関連付けて制御することにより、Ｈ２の分圧が大きく変化することがあっても、表層Ｎ濃度を高精度に制御することが可能となる。Ｈ２分圧は、用いる熱処理炉の形式が変わると、大きく変化しうるパラメータである。例えば、メタノール滴注式の炉においては、Ｈ２濃度が６０％程度となり、プロパン変性炉においては、Ｈ２濃度が３０％程度となる。このように、本実施形態にかかる表面処理方法によれば、異なる形態の熱処理炉を用いる場合や、テスト処理から量産処理へと被処理材の規模が変更される場合等、表面処理にかかる条件が大きく変化しても、同一の方式により、表層Ｎ濃度の制御を実行することができる。
【0044】
別の例として、７００℃以上のような高温では、金属材の表面だけでなく、気相中等、他の箇所でもＮＨ３の分解が起こりやすくなり、それらの分解反応も、金属材の表層Ｎ濃度に影響を与えるようになる。しかし、ＮＨ３とＨ２の両方の分圧を監視し、しかも、窒化ポテンシャルＫｎによって、両者の分圧を相互に関連付けて制御に用いることで、そのように高温の環境でも、表層Ｎ濃度を、高い正確性をもって、制御することができる。なお、金属材がＦｅ基合金である場合には、７００℃以上では、合金はオーステナイト相をとりやすい。
【0045】
［カーボンポテンシャルＣＰに基づくＣ濃度制御］
表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、上記のように、ＮＨ３およびＨ２の分圧の計測値と、それらから見積もられる窒化ポテンシャルＫｎに基づいて、表層Ｎ濃度の制御を行うのに加え、カーボンポテンシャルＣＰに基づいて、表層Ｃ濃度の制御を行うことが好ましい。つまり、ＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧から見積もられるカーボンポテンシャルＣＰに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるＣ濃度（表層Ｃ濃度）として、所望の値が得られるようにする。以下、このカーボンポテンシャルＣＰに基づく雰囲気制御について説明する。
表面処理として、浸窒焼入れを行う場合にも、浸炭窒化を行う場合にも、上記のように、ＮＨ３およびＨ２の分圧の計測値と、それらから見積もられる窒化ポテンシャルＫｎに基づいて、表層Ｎ濃度の制御を行うのに加え、カーボンポテンシャルＣＰに基づいて、表層Ｃ濃度の制御を行うことが好ましい。つまり、ＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧をそれぞれ測定しながら、それらの分圧から見積もられるカーボンポテンシャルＣＰに基づいて、雰囲気制御を行い、金属材の表層部におけるＣ濃度（表層Ｃ濃度）として、所望の値が得られるようにする。以下、このカーボンポテンシャルＣＰに基づく雰囲気制御について説明する。
【0046】
ＣＯを用いた金属材の表層部における浸炭は、下の式（５）の平衡反応（ブードア反応）によって制御することができる。［Ｃ］は、金属材の表層部に取り込まれたＣ原子を表す。
【化3】
【0047】
ここで、上記式（５）の反応にかかるプロセスパラメータＫ１および金属材の表層部におけるＣの活量ａｃを、ＣＯの分圧Ｐ（ＣＯ）およびＣＯ２の分圧Ｐ（ＣＯ２）を用いて、式（６）のように表すことができる。そして、それらを用いて、カーボンポテンシャルＣＰは、式（７）のように表される。ここで、Ａｃｍとは、純鉄のＡｃｍ変態点を示す。
【数3】
【0048】
雰囲気中において、ＣＯ分圧が上昇し、あるいはＣＯ２分圧が低下し、カーボンポテンシャルＣＰが大きくなると、式（５）の反応が右辺側に進行しやすくなり、金属材の表層Ｃ濃度が上昇する。一方、雰囲気中において、ＣＯ分圧が低下し、あるいはＣＯ２分圧が上昇し、カーボンポテンシャルＣＰが小さくなると、式（５）の反応が右辺側に進行しにくくなり、金属材の表層Ｃ濃度が低下する。そこで、金属材の特性等の観点から所望される表層Ｃ濃度に対して、対応するカーボンポテンシャルＣＰの値、つまりその表層Ｃ濃度を与えるカーボンポテンシャルＣＰの値を、カーボンポテンシャルＣＰの目標値として設定する。そして、その目標値を達成すべく、つまり、実際のカーボンポテンシャルＣＰの値をその目標値に可及的に近づけるべく、カーボンポテンシャルＣＰの制御を行う。このカーボンポテンシャルＣＰの制御は、雰囲気中のＣＯおよびＣＯ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、行う。具体的には、例えば、プロパン等のエンリッチガスを添加してＣＯ２濃度を低下させたり、空気を導入してＣＯ２濃度を上昇させたりして、ＣＯ２の分圧を変化させればよい。
【0049】
実際のカーボンポテンシャルＣＰが目標値より小さい場合には、ＣＯ２の分圧を低下させることにより、カーボンポテンシャルＣＰを増大させて目標値に近づける制御を行えばよい。一方、実際のカーボンポテンシャルＣＰが目標値より大きい場合には、ＣＯ２の分圧を上昇させることにより、カーボンポテンシャルＣＰを減少させて目標値に近づける制御を行えばよい。なお、カーボンポテンシャルＣＰの制御は、通常は、ＣＯ２の分圧の制御によって行われるが、ＣＯの分圧によって、カーボンポテンシャルＣＰを制御する形態としてもよい。
【0050】
このようにして、許容される誤差範囲内で、カーボンポテンシャルＣＰを目標値に維持した状態を、平衡に達するのに十分な時間にわたって保持することで、設定した目標値の表層Ｃ濃度を達成することができる。表層Ｃ濃度の所望値とカーボンポテンシャルＣＰの目標値の対応付けは、上記で表層Ｎと窒化ポテンシャルＫｎの間の対応付けについて説明したのと同様の方法で、実験に基づく予備試験、あるいはコンピュータシミュレーションによって得られたデータを用いて、行うことができる。
【0051】
ＣＯを用いた金属材の表層部における浸炭の制御は、上記式（５）の反応の代わりに、あるいは式（５）の反応に加えて、下の式（８）の平衡反応によっても、制御することができる。
【化4】
【0052】
ここで、上記式（８）の反応のプロセスパラメータＫ２および金属材表面におけるＣの活量ａｃを、ＣＯの分圧Ｐ（ＣＯ）およびＯ２の分圧Ｐ（Ｏ２）を用いて、式（９）のように表すことができる。そして、それらを用いて、カーボンポテンシャルＣＰは、式（１０）のように表される。
【数4】
【0053】
詳細な説明は省略するが、この場合にも、上記式（５）の反応を利用する場合と同様に、所望される表層Ｃ濃度に対して、対応するカーボンポテンシャルＣＰの値を、カーボンポテンシャルＣＰの目標値として設定し、その目標値を達成すべくカーボンポテンシャルＣＰの制御を行う。このカーボンポテンシャルＣＰの制御は、雰囲気中のＣＯおよびＯ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、行う。ここでも、表層Ｃ濃度の所望値とカーボンポテンシャルＣＰの目標値との対応付けは、実験に基づく予備試験、あるいはコンピュータシミュレーションによって得られたデータを用いて、行うことができる。
【0054】
カーボンポテンシャルＣＰに基づく表層Ｃ濃度の制御として、上記式（５）の反応を利用した、ＣＯ分圧とＣＯ２分圧に基づく制御と、上記式（８）の反応を利用した、ＣＯ分圧とＯ２分圧に基づく制御のいずれを用いてもよく、両者を併用してもよい。以下では、式（８）の反応を利用した、ＣＯ分圧とＯ２分圧に基づく制御を主に想定して、説明を行う。
【0055】
以上のように、雰囲気中のＣＯとＯ２（またはＣＯ２；以下においても同じ）の両方の分圧をそれぞれ計測し、それらの計測値に基づいてカーボンポテンシャルＣＰを見積もったうえで、カーボンポテンシャルＣＰの目標値を達成すべく、雰囲気制御を行うことで、金属材において、所望される表層Ｃ濃度を得ることができる。ＣＯとＯ２の分圧をともに監視し、カーボンポテンシャルＣＰに基づいて雰囲気制御を行うことにより、ＣＯやＯ２の濃度、また加熱温度等、金属材の表層部における浸炭反応にかかる条件が大きく変化する場合でも、表層Ｃ濃度を、高い正確性をもって、制御することができる。
【0056】
金属材に対して、浸炭処理のみを行うとすれば、炉内のＣＯの分圧は、大きくは変化しないため、例えば、キャリアガスとしてＣＯをほぼ一定速度で供給しながら、Ｏ２分圧のみを計測し、そのＯ２濃度を所定の目標値に保持すべく、エンリッチガスの供給量の制御を行う程度で、表層Ｃ濃度を、十分正確に制御することができる。しかし、本実施形態のように、表面処理として、単なる浸炭ではなく、ＮＨ３による窒化を伴う浸炭窒化処理または浸窒焼入れ処理を行う場合には、雰囲気中へのＮＨ３の添加により、ＣＯの濃度が大幅に低下し、さらに、ＮＨ３の濃度の変化に伴って、ＣＯ濃度も大きく変化する可能性がある。そこで、Ｏ２分圧だけでなく、ＣＯ分圧も直接監視し、両者の分圧を、カーボンポテンシャルＣＰによって関連付けて制御することにより、そのように、炉内の雰囲気の組成が大きく変化しうる場合であっても、高い正確性をもって、金属材の表層Ｃ濃度を制御することが可能となる。
【0057】
［ＣとＮの相互作用］
ここまでは、窒化ポテンシャルＫｎに基づく表層Ｎ濃度の評価および制御と、カーボンポテンシャルＣＰに基づく表層Ｃ濃度の評価および制御とを、独立に行う形態について説明した。しかし、ＣとＮの間の相互作用（干渉）を考慮することにより、表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度の評価および制御を、さらに正確に行うことが可能となる。特に、雰囲気中の各成分ガスの分圧が広い範囲で変化しうる場合等、浸窒反応や浸炭窒化反応にかかる条件が大きく変化する場合には、ＣとＮの相互作用を考慮することが好ましい。
ここまでは、窒化ポテンシャルＫｎに基づく表層Ｎ濃度の評価および制御と、カーボンポテンシャルＣＰに基づく表層Ｃ濃度の評価および制御とを、独立に行う形態について説明した。しかし、ＣとＮの間の相互作用（干渉）を考慮することにより、表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度の評価および制御を、さらに正確に行うことが可能となる。特に、雰囲気中の各成分ガスの分圧が広い範囲で変化しうる場合等、浸窒反応や浸炭窒化反応にかかる条件が大きく変化する場合には、ＣとＮの相互作用を考慮することが好ましい。
【0058】
金属材の表面におけるＣの活量ａＣおよびＮの活量ａＮは、それぞれ下記の式（１１）よび式（１２）によって表される。ここで、γｃおよびγＮは、それぞれ、金属材表面におけるＣおよびＮの活量係数である。ＣＣおよびＣＮは、それぞれ、金属材表面におけるＣおよびＮの濃度（単位：質量％）を表す。
【数5】
【0059】
活量ａｃおよびａＮは、金属材の表面における組成によらず、つまり、ＣやＮ等、金属材の表面に存在する原子の種類や量によらず、一定である。一方、活量係数γｃおよびγＮは、金属材の表面における組成に依存する量であり、共存する原子の種類や状態による影響を受ける。つまり、Ｎの活量係数γＮは、金属材表面におけるＣの影響を受け、Ｃの活量係数γＣは、金属材表面におけるＮの影響を受ける。よって、金属材表面における濃度ＣＣおよびＣＮは、金属材の表面における組成に依存して、変化しうる。例えば、共存する原子の種類や状態に依存して、変化しうる。つまり、金属材表面におけるＮの濃度ＣＮは、金属材表面におけるＣの濃度ＣＣによって変化する可能性があり、金属材表面におけるＣの濃度ＣＣは、金属材表面におけるＮの濃度ＣＮによって変化する可能性がある。換言すると、金属材表面におけるＮ濃度ＣＮは、金属材表面にＣが共存する場合に、共存しない場合の濃度から変化する可能性があり、金属材表面におけるＣ濃度ＣＣは、金属材表面にＮが共存する場合に、共存しない場合の濃度から変化する可能性がある。すると、ＮとＣのそれぞれについて、そのような共存元素の影響による変化を考慮せずに、気相と固相の間の平衡のみを考慮して導出された、式（２）の窒化ポテンシャルＫｎや式（１０）（または式（７））のカーボンポテンシャルＣＰを用いたのでは、表層Ｎ濃度（ＣＮ）や表層Ｎ濃度（ＣＣ）を、正しく評価できないことになる。
【0060】
そこで、上記のようなＣとＮの間の相互作用を、窒化ポテンシャルＫｎおよびカーボンポテンシャルＣＰに取り込むことにより、浸炭窒化における表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度の評価や制御を、より正確に行うことが可能となる。つまり、カーボンポテンシャルＣＰによるＮ濃度への影響を窒化ポテンシャルＫｎに取り込んだものを、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊として求め、上記で説明した「窒化ポテンシャルＫｎに基づくＮ濃度制御」において、その操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を窒化ポテンシャルＫｎの代わりに用いればよい。具体的には、所望の表層Ｎ濃度に対応付けて、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊の目標値を設定したうえで、その目標値を達成すべく、雰囲気中のＮＨ３およびＨ２の少なくとも一方の分圧を制御することにより、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を制御すればよい。また、窒化ポテンシャルＫｎによるＣ濃度への影響をカーボンポテンシャルＣＰに取り込んだものを、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊として求め、上記で説明した「カーボンポテンシャルＣＰに基づくＣ濃度制御」において、その操業カーボンポテンシャルＣＰ＊をカーボンポテンシャルＣＰの代わりに用いればよい。具体的には、所望の表層Ｃ濃度に対応付けて、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊の目標値を設定したうえで、その目標値を達成すべく、雰囲気中のＣＯの分圧、およびＣＯ２またはＯ２の分圧の少なくとも一方を制御することにより、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を制御すればよい。
【0061】
具体的に、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊および操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を求める方法として、係数を使用して、窒化ポテンシャルＫｎおよびカーボンポテンシャルＣＰの値に変更を加える方法を、例示することができる。上記のようなカーボンポテンシャルＣＰによるＮ濃度への影響を排除した場合の窒化ポテンシャルＫｎ、つまり、カーボンポテンシャルＣＰによるＮ濃度への影響が存在しない場合、あるいは無視できる程度に小さい場合に、式（２）に従って、雰囲気中のＮＨ３の分圧とＨ２の分圧から算出される窒化ポテンシャルＫｎを、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０とする。この場合に、実際の操業において生じるカーボンポテンシャルＣＰの影響を取り込んだ操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、下の式（１３）のように表記することができる。
【数6】
【0062】
式（１３）において、Ａは、無次元の係数であり、窒素操業係数と称するものとする。窒素操業係数Ａは、Ａ＞１であり、下記の式（１４）のように表現することができる。式（１４）において、Ａ０、Ａ１、Ａ２は、定数である。
ここで、Ａ０、Ａ１、Ａ２は無次元の量であり、カーボンポテンシャルＣＰとしては％を単位とする数値から、単位の「％」を外した無次元の量を用いる。
【数7】
【0063】
このように、カーボンポテンシャルＣＰの関数として定まる窒素操業係数Ａを無影響窒化ポテンシャルＫｎ０に乗じることにより、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を簡便に求めることができる。換言すると、実際の操業において計測された分圧を式（２）に当てはめて得られる操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、窒素操業係数Ａで除すことで、カーボンポテンシャルＣＰの影響を排除した無影響窒化ポテンシャルＫｎ０を得ることができる（Kn0=Kn*/A）。後の実施例において、図３を参照しながら説明するように、このようにして実際の操業窒化ポテンシャルＫｎ＊から算出した無影響窒化ポテンシャルＫｎ０は、表層Ｎ濃度との間に高い相関性を示すことが、実験によって確認されている。また、カーボンポテンシャルＣＰの値や加熱温度等、熱処理にかかる条件が変化した場合でも、共通の窒素操業係数Ａを用いて算出した無影響窒化ポテンシャルＫｎ０と、表層Ｎ濃度との間に、高い相関性が見られる。このことは、カーボンポテンシャルＣＰの値や加熱温度等、熱処理にかかる条件が変化することがあっても、カーボンポテンシャルＣＰの関数として表現される窒素操業係数Ａを共通に用いて、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０から操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を求めたうえで、その操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を目標とした雰囲気制御を行うことで、表層Ｎ濃度の制御を高精度に行いうることを、意味している。
【0064】
窒素操業係数Ａを与える３つの定数Ａ０、Ａ１、Ａ２は、実験に基づいて定めることができる。例えば、カーボンポテンシャルＣＰの値や加熱温度が異なる複数の条件において、ＮＨ３とＨ２の分圧比を変化させながら、表層Ｎ濃度を評価すればよい。この際、分圧比の実測値に基づいて、式（２）から得られる窒化ポテンシャルＫｎが、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊となる。そして、複数の条件における測定結果に対して重回帰解析を行い、カーボンポテンシャルＣＰの差を超えて、Ｋｎ＊／Ａとして算出される無影響窒化ポテンシャルＫｎ０を、表層Ｎ濃度に一対一に対応づけることができる、共通の定数Ａ０、Ａ１、Ａ２を見出せばよい。後の実施例に示すように、金属材がＦｅ基合金であり、炭化物が析出しない場合に、少なくとも、カーボンポテンシャルＣＰが０．２％以上１．０％以下、また加熱温度が８５０℃以上９００℃以下の条件において、Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４とすれば、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０と表層Ｎ濃度の間に、カーボンポテンシャルＣＰによらず、高い相関性が得られる。
【0065】
一旦、このように、予備試験によって、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０と表面Ｎ濃度との対応関係を得るとともに、定数Ａ０、Ａ１、Ａ２を定めることができれば、実際の操業において、任意の条件で熱処理を行う際に、式（１４）によって求められる窒素操業係数Ａを、所望の表面Ｎ濃度に対応する無影響窒化ポテンシャルＫｎ０の値に乗じることで、制御の目標となる操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を得ることができる。なお、式（１４）では、カーボンポテンシャルＣＰの２次の項まで考慮しているが、窒化ポテンシャルＫｎへのカーボンポテンシャルＣＰの影響の程度等によっては、１次の項までとしても、逆に３次以上の項を設定してもよい。また、式（１４）において、カーボンポテンシャルＣＰとしては、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊の実測値または目標値を用いれば十分である。
【0066】
操業カーボンポテンシャルＣＰ＊についても、同様に、係数を使用して、窒化ポテンシャルＫｎによる影響を取り込むことができる。窒化ポテンシャルＫｎによるＣ濃度への影響を排除した場合のカーボンポテンシャルＣＰ、つまり、窒化ポテンシャルＫｎによるＣ濃度への影響が存在しない場合、あるいは無視できる程度に小さい場合に、式（１０）（または式（７））に従って、雰囲気中のＣＯの分圧とＯ２（またはＣＯ２）の分圧から算出されるカーボンポテンシャルＣＰを、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０とする。この場合に、実際の操業において生じる窒化ポテンシャルＫｎの影響を取り込んだ操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、下の式（１５）のように表記することができる。なお、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０は、浸炭を伴わない通常の浸炭処理を行う場合のカーボンポテンシャルに相当する。
【数8】
【0067】
式（１５）において、Ｂは、無次元の係数であり、炭素操業係数と称するものとする。炭素操業係数Ｂは、Ｂ＞１であり、下記の式（１６）のように表現することができる。式（１６）において、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は、定数である。
ここで、Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は無次元の量であり、窒化ポテンシャルＫｎとしては、ａｔｍ－１／２を単位とする数値から、単位の「ａｔｍ－１／２」を外した無次元の量を用いる。
【数9】
【0068】
このように、窒化ポテンシャルＫｎの関数として定まる炭素操業係数Ｂを無影響カーボンポテンシャルＣＰ０に乗じることにより、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を簡便に求めることができる。換言すると、実際の操業において計測された分圧を式（１０）（または式（７））に当てはめて得られる操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、炭素操業係数Ｂで除すことで、窒化ポテンシャルＫｎの影響を排除した無影響カーボンポテンシャルＣＰ０を得ることができる（CP0=CP*/B）。後の実施例において、図４を参照しながら説明するように、このようにして実際の操業カーボンポテンシャルＣＰ＊から算出した無影響カーボンポテンシャルＣＰ０は、表層Ｃ濃度との間に高い相関性を示すことが、実験によって確認されている。また、窒化ポテンシャルＫｎの値や加熱温度等、熱処理にかかる条件が変化した場合でも、共通の炭素操業係数Ｂを用いて算出した無影響カーボンポテンシャルＣＰ０と、表層Ｃ濃度との間に、高い相関性が見られる。このことは、窒化ポテンシャルＫｎの値や加熱温度等、熱処理にかかる条件が変化することがあっても、窒化ポテンシャルＫｎの関数として表現される炭素操業係数Ｂを共通に用いて、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０から操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を求めたうえで、その操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を目標とした雰囲気制御を行うことで、表層Ｃ濃度の制御を高精度に行いうることを、意味している。
【0069】
炭素操業係数Ｂを与える３つの定数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２は、実験に基づいて定めることができる。例えば、窒化ポテンシャルＫｎの値や加熱温度が異なる複数の条件において、ＣＯとＯ２（またはＣＯ２）の分圧比を変化させながら、表層Ｃ濃度を評価すればよい。この際、分圧比の実測値に基づいて、式（１０）（または式（７））から得られるカーボンポテンシャルＣＰが、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊となる。そして、複数の条件における測定結果に対して重回帰解析を行い、窒化ポテンシャルＫｎの差を超えて、ＣＰ＊／Ｂとして算出される無影響カーボンポテンシャルＣＰ０を、表層Ｃ濃度に一対一に対応づけることができる共通の定数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を見出せばよい。後の実施例に示すように、金属材がＦｅ基合金であり、炭化物が析出しない場合に、少なくとも、窒化ポテンシャルＫｎが０．０００１以上０．０１１以下、また加熱温度が８５０℃以上９００℃以下の条件において、Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２とすれば、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０と表層Ｃ濃度の間に、窒化ポテンシャルＫｎによらず、高い相関性が得られる。
【0070】
一旦、このように、予備試験によって、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０と表面Ｃ濃度との対応関係を得るとともに、定数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を定めることができれば、実際の操業において、任意の条件で熱処理を行う際に、式（１６）によって求められる炭素操業係数Ｂを、所望の表面Ｃ濃度に対応する無影響カーボンポテンシャルＣＰ０の値に乗じることで、制御の目標となる操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を得ることができる。なお、式（１６）では、窒化ポテンシャルＫｎの２次の項まで考慮しているが、カーボンポテンシャルＣＰへの窒化ポテンシャルＫｎの影響の程度等によっては、１次の項までとしても、逆に３次以上の項を設定してもよい。また、式（１６）において、窒化ポテンシャルＫｎとしては、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊の実測値または目標値を用いれば十分である。
【0071】
浸炭窒化工程や浸窒焼入れ工程において、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊と操業カーボンポテンシャルＣＰ＊の両方に基づいて、雰囲気制御を行うことで、金属材表層部において、表層Ｎ濃度と表層Ｃ濃度の両方を、相互作用も加味したうえで、所望の値に近づけることができる。所望の表層Ｎ濃度に対応する操業窒化ポテンシャルＫｎ＊の目標値を定めるとともに、所望の表層Ｃ濃度に対応する操業カーボンポテンシャルＣＰ＊の目標値を定めたうえで、それらＫｎ＊およびＣＰ＊の目標値を達成すべく、雰囲気制御を行う。具体的な雰囲気制御の手順としては、例えば、ある時点での炉内の雰囲気に対して見積もられる操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、設定した目標値に近づけるべく、ＮＨ３とＨ２の少なくとも一方の分圧を調整するＫｎ調整工程を実施する。次に、そのＫｎ調整工程を実施した後の雰囲気に対して見積もられる操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を、設定した目標値に近づけるべく、ＣＯとＯ２（またはＣＯ２）の少なくとも一方の分圧を調整するＣＰ調整工程を実施する。さらに、そのＣＰ調整工程を実施した後の雰囲気に対して見積もられる操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を、設定した目標値に近づけるべく、Ｋｎ調整工程を再度実施する。このように、Ｋｎ調整工程およびＣＰ調整工程を実施すると、炉内の雰囲気が変化し、それぞれ、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊および操業窒化ポテンシャルＫｎ＊の値を変化させることになるが、それらの変化を反映させながら、Ｋｎ調整工程とＣＰ調整工程を交互に実施するサイクルを、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊および操業カーボンポテンシャルＣＰ＊の両方が、それぞれの目標値に、許容される誤差の範囲内で一致するまで、繰り返せばよい。
【0072】
［表面処理における他の条件］
本実施形態にかかる表面処理方法においては、窒化ポテンシャルＫｎに基づいて金属材の表層Ｎ濃度を制御することにより、さらに、適宜ＮとＣの間の相互作用を取り込んで、カーボンポテンシャルＣＰに基づく表層Ｃ濃度の制御も併用することにより、加熱温度や炉内の雰囲気の具体的な組成等、詳細な反応条件に依存することなく、表層Ｎ濃度、また表層Ｃ濃度を、高い正確性をもって制御することができる。よって、本実施形態にかかる表面処理方法を実行するに際し、表面処理にかかる各種反応条件は、特に限定されるものではない。
本実施形態にかかる表面処理方法においては、窒化ポテンシャルＫｎに基づいて金属材の表層Ｎ濃度を制御することにより、さらに、適宜ＮとＣの間の相互作用を取り込んで、カーボンポテンシャルＣＰに基づく表層Ｃ濃度の制御も併用することにより、加熱温度や炉内の雰囲気の具体的な組成等、詳細な反応条件に依存することなく、表層Ｎ濃度、また表層Ｃ濃度を、高い正確性をもって制御することができる。よって、本実施形態にかかる表面処理方法を実行するに際し、表面処理にかかる各種反応条件は、特に限定されるものではない。
【0073】
しかし、表面処理時の加熱温度は、７００℃以上のように、高温であることが好ましい。上記でも説明したとおり、高温で表面処理を行う場合ほど、表層Ｎ濃度や表層Ｃ濃度の制御が難しくなるが、窒化ポテンシャルＫｎやカーボンポテンシャルＣＰに基づく本実施形態の制御を適用することで、それら濃度の制御における精度および簡便性が、効果的に向上するからである。加熱温度の上限は、特に定められないが、１０００℃程度が想定される。また、炉内の雰囲気の圧力（全圧）は、特に限定されるものではないが、大気圧程度としておくことが好ましい。
【0074】
窒化ポテンシャルＫｎは、０．０００１以上、また０．０２以下であることが好ましい。また、カーボンポテンシャルＣＰは、０．１以上、また１．４以下であることが好ましい。上記のとおり、表面処理の対象とする金属材の具体的な成分組成も特に限定されるものではないが、鋼材を表面処理の対象とする場合に、表面処理を行う前の鋼中のＣ濃度は、０．６質量％以下であることが好ましい。
【実施例】
【0075】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【0076】
［１］雰囲気中のＨ２濃度と表層Ｎ濃度の関係
まず、浸炭窒化工程において、金属材表層部のＮ濃度が、雰囲気中のＨ２濃度にどのように影響されるのかについて、確認した。
まず、浸炭窒化工程において、金属材表層部のＮ濃度が、雰囲気中のＨ２濃度にどのように影響されるのかについて、確認した。
【0077】
［試験方法］
Ｆｅ材（Ｃ：０質量％）を熱処理炉内に収容し、浸炭窒化処理を行った。この際、炉内の雰囲気は、ＮＨ３とＨ２、ＣＯ、Ｏ２を含むものとした。炉内の温度は、８５０℃とし、雰囲気の全圧は、１気圧とした。カーボンポテンシャル（ＣＰ）は、０．６％とした。
Ｆｅ材（Ｃ：０質量％）を熱処理炉内に収容し、浸炭窒化処理を行った。この際、炉内の雰囲気は、ＮＨ３とＨ２、ＣＯ、Ｏ２を含むものとした。炉内の温度は、８５０℃とし、雰囲気の全圧は、１気圧とした。カーボンポテンシャル（ＣＰ）は、０．６％とした。
【0078】
Ｈ２の濃度を、体積％で、３０％と６０％の２通りとなる条件とし、それぞれの場合について、炉内へのＮＨ３の導入量を制御することで、分解されていないＮＨ３（残留ＮＨ３）の濃度を変化させた。この間、残留ＮＨ３の濃度（分圧）を、熱処理炉に取り付けた分圧計で計測するとともに、表層Ｎ濃度（平衡Ｎ濃度）を見積もった。表層Ｎ濃度の見積もりは、純Ｆｅに近い組成を有する鋼箔を熱処理炉内に配置して、浸炭窒化処理を実施し、その鋼箔を化学分析することによって行った。鋼箔としては、厚さ５０μｍのものを用いており、試料全域を表層とみなすことができるので、鋼箔全体に対して分析したＮ濃度を、表層Ｎ濃度として用いることができる。
【0079】
［試験結果］
図１に、それぞれのＨ２濃度について計測された、残留ＮＨ３濃度と、平衡Ｎ濃度の関係を示す。
図１に、それぞれのＨ２濃度について計測された、残留ＮＨ３濃度と、平衡Ｎ濃度の関係を示す。
【0080】
図１によると、いずれのＨ２濃度についても、ＮＨ３濃度の増大に伴って、平衡Ｎ濃度が単調増加している。つまり、ＮＨ３濃度が増大するほど、式（１）の反応が右辺側に進行し、Ｆｅ表面において浸窒が進行する。ここで、Ｈ２濃度が異なっている場合に、ＮＨ３濃度と平衡Ｎ濃度の関係は、同一ではなく、Ｈ２濃度が高いほど、各ＮＨ３濃度における平衡Ｎ濃度が低くなっている。具体的には、Ｈ２濃度が６０％の場合に、各ＮＨ３濃度における平衡Ｎ濃度は、Ｈ２濃度が３０％の場合に対して、１／２以下となっている。さらに、ＮＨ３濃度が高い領域ほど、Ｈ２濃度による平衡Ｎ濃度の差が大きくなっており、ＮＨ３濃度が２０００ｐｐｍの場合には、Ｈ２濃度が６０％の時に、３０％の時と比較して、平衡Ｎ濃度が、１／２．５以下となっている。
【0081】
このように、金属材表層部のＮ濃度は、雰囲気中のＮＨ３濃度だけでなく、Ｈ２濃度にも大きく依存する。よって、Ｎ濃度を制御するにあたり、ＮＨ３濃度だけを計測し、制御するのでは不十分であり、Ｈ２濃度についても、計測と制御を行うことが、Ｎ濃度の正確な制御に必要であると言える。
【0082】
［２］窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度の関係
次に、浸炭窒化工程における窒化ポテンシャルＫｎと金属材表層部のＮ濃度の関係について、調べた。
次に、浸炭窒化工程における窒化ポテンシャルＫｎと金属材表層部のＮ濃度の関係について、調べた。
【0083】
［試験方法］
ここでは、コンピュータシミュレーションを用いて、所定のカーボンポテンシャルＣＰを想定した際に、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度がどのような相関性を示すかを調べた。具体的には、Ｆｅに対する浸炭窒化工程における平衡状態を、ＣＡＬＰＨＡＤ法により再現し（使用ソフトウェア：Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ）、雰囲気の組成を変化させながら、Ｆｅ材の表層部における平衡Ｎ濃度を見積もった。
ここでは、コンピュータシミュレーションを用いて、所定のカーボンポテンシャルＣＰを想定した際に、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度がどのような相関性を示すかを調べた。具体的には、Ｆｅに対する浸炭窒化工程における平衡状態を、ＣＡＬＰＨＡＤ法により再現し（使用ソフトウェア：Ｔｈｅｒｍｏ－Ｃａｌｃ）、雰囲気の組成を変化させながら、Ｆｅ材の表層部における平衡Ｎ濃度を見積もった。
【0084】
［試験結果］
図２に、カーボンポテンシャルＣＰが０．６％である場合について、シミュレーションによって得られた窒化ポテンシャルＫｎ（単位：ａｔｍ－１／２）と表層Ｎ濃度（単位：質量％）との関係を示す。温度は、（ａ）で７５０℃、（ｂ）で８００℃、（ｃ）で８５０℃、（ｄ）で９００℃とした。
図２に、カーボンポテンシャルＣＰが０．６％である場合について、シミュレーションによって得られた窒化ポテンシャルＫｎ（単位：ａｔｍ－１／２）と表層Ｎ濃度（単位：質量％）との関係を示す。温度は、（ａ）で７５０℃、（ｂ）で８００℃、（ｃ）で８５０℃、（ｄ）で９００℃とした。
【0085】
（ｃ）の８５０℃および（ｄ）の９００℃の場合については、対応する実験結果が、それぞれ図３(ａ)，（ｂ）の左図に存在している。図２（ｃ），（ｄ）のシミュレーション結果と、図３（ａ），（ｂ）の白抜きの丸印（○）で示す実験結果は、よく一致している。このことから、シミュレーションの妥当性が確認される。
【0086】
図２（ａ）～（ｄ）によると、いずれの温度においても、表層Ｎ濃度が、窒化ポテンシャルＫｎに対して、単調増加の傾向を示している。また、同一の窒化ポテンシャルＫｎに対して、異なる温度での結果を比較すると、温度の上昇に伴い、表層Ｎ濃度が高くなっている。結果の掲載は省略するが、カーボンポテンシャルＣＰとして別の値を採用した場合にも、同様の傾向が確認された。
【0087】
以上の結果より、窒化ポテンシャルＫｎと、表層Ｎ濃度との間には、高い相関性が存在することが示される。つまり、窒化ポテンシャルＫｎを制御することで、所望の表層Ｎ濃度を安定して得ることができると言える。
【0088】
［３］ＮとＣの相互作用
最後に、浸炭窒化工程におけるＮとＣの間の相互作用について、検討した。
最後に、浸炭窒化工程におけるＮとＣの間の相互作用について、検討した。
【0089】
［試験方法］
ここでは、実験により、浸炭窒化工程において、表層Ｎ濃度がいかにカーボンポテンシャルＣＰに影響されるか、また表層Ｃ濃度がいかに窒化ポテンシャルＫｎに影響されるかについて調べた。具体的には、Ｆｅ材およびＳＣｒ４２０材について、熱処理炉内にＮＨ３およびＣＯ、Ｏ２を導入し、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯ、Ｏ２の分圧をそれぞれ計測しながら、８５０℃または９００℃で浸炭窒化処理を行った。その間、各分圧値から、それぞれ式（２）および式（１０）によって算出される窒化ポテンシャルＫｎおよびカーボンポテンシャルＣＰと、上記試験［１］と同様に、Ｆｅの鋼箔およびＳＣｒ４２０の鋼箔を用いた化学分析によって計測される表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度との関係を記録した。雰囲気の全圧は、１気圧とした。
ここでは、実験により、浸炭窒化工程において、表層Ｎ濃度がいかにカーボンポテンシャルＣＰに影響されるか、また表層Ｃ濃度がいかに窒化ポテンシャルＫｎに影響されるかについて調べた。具体的には、Ｆｅ材およびＳＣｒ４２０材について、熱処理炉内にＮＨ３およびＣＯ、Ｏ２を導入し、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＯ、Ｏ２の分圧をそれぞれ計測しながら、８５０℃または９００℃で浸炭窒化処理を行った。その間、各分圧値から、それぞれ式（２）および式（１０）によって算出される窒化ポテンシャルＫｎおよびカーボンポテンシャルＣＰと、上記試験［１］と同様に、Ｆｅの鋼箔およびＳＣｒ４２０の鋼箔を用いた化学分析によって計測される表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度との関係を記録した。雰囲気の全圧は、１気圧とした。
【0090】
［試験結果］
図３に、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度との関係を示す。（ａ）が８５０℃でのＦｅ、（ｂ）が９００℃でのＦｅ、（ｃ）が８５０℃でのＳＣｒ４２０についての結果である。それぞれ、カーボンポテンシャルＣＰが異なる場合についての結果を、同一のグラフ上に表示している。
図３に、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度との関係を示す。（ａ）が８５０℃でのＦｅ、（ｂ）が９００℃でのＦｅ、（ｃ）が８５０℃でのＳＣｒ４２０についての結果である。それぞれ、カーボンポテンシャルＣＰが異なる場合についての結果を、同一のグラフ上に表示している。
【0091】
図３（ａ）～（ｃ）のそれぞれにおいて、左側の図が、実測された分圧値から計算された窒化ポテンシャルＫｎの値（つまり操業窒化ポテンシャルＫｎ＊；単位 ａｔｍ－１／２）と、表層Ｎ濃度（単位 質量％）との関係を示している。（ａ）～（ｃ）のいずれにおいても、図２のシミュレーションで確認されたのと同様に、窒化ポテンシャルＫｎに対して、表層Ｎ濃度が単調増加する傾向が見られている。しかし、カーボンポテンシャルＣＰの値が異なっていると、窒化ポテンシャルＫｎが同じでも、異なるＮ濃度が観測されている。具体的には、カーボンポテンシャルＣＰが大きいほど、Ｎ濃度が小さくなっている。このことは、表層Ｎ濃度が、窒化ポテンシャルＫｎだけに依存するのではなく、カーボンポテンシャルＣＰにも依存すること、つまり浸炭窒化工程において、ＮとＣの間に相互作用が存在することを示している。
【0092】
そこで、カーボンポテンシャルＣＰによる表層Ｎ濃度への影響を、窒化ポテンシャルＫｎから排除することを考える。実測された分圧値から計算された窒化ポテンシャルＫｎの値を操業窒化ポテンシャルＫｎ＊とし、窒素操業係数Ａを用いて、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０を、Ｋｎ０＝Ｋｎ＊／Ａと表現する。Ａ＝Ａ０＋Ａ１・ＣＰ＋Ａ２・ＣＰ２として、図３（ａ）～（ｃ）のそれぞれにおいて、カーボンポテンシャルＣＰの値によらず、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０と表層Ｎ濃度を一対一に対応づけられるように、つまり、共通の曲線上に全ＣＰ値のデータ点が乗るように、係数Ａ０、Ａ１、Ａ２を求める。図３（ａ）～（ｃ）の全てに共通して適用しうる係数Ａ０、Ａ１、Ａ２を、重回帰によって求めると、以下の値が得られる。
Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４
Ａ０＝０．９９７、Ａ１＝０．３２４、Ａ２＝－０．０１６４
【0093】
図３（ａ）～（ｃ）のそれぞれの右側に、上記係数Ａ０～Ａ２とＣＰ値から算出される窒素操業係数Ａで除すことで、カーボンポテンシャルＣＰの影響を排除した窒化ポテンシャルＫｎ（つまり無影響窒化ポテンシャルＫｎ０）を横軸として、表層Ｎ濃度との関係を示す。それによると、（ａ）～（ｃ）のいずれにおいても、カーボンポテンシャルＣＰによらず、無影響窒化ポテンシャルＫｎ０に対して、表層Ｎ濃度が、共通の単調増加曲線に乗っている。つまり、上記のように、カーボンポテンシャルＣＰを二次まで考慮した係数Ａで、窒化ポテンシャルＫｎの値を除すことにより、表層Ｎ濃度に対するＣの影響を排除することができている。しかも、その係数Ａを定めるのに、熱処理時の温度や、金属材の種類によらず、共通の係数Ａ０、Ａ１、Ａ２を用いることができる。換言すると、得られた無影響窒化ポテンシャルＫｎ０に、係数Ａを乗じて得られる操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を用いることで、ＣとＮの相互作用を、適切に、また簡便に取り込んで、表層Ｎ濃度を制御することができると言える。
【0094】
さらに、図４に、カーボンポテンシャルＣＰと表層Ｃ濃度との関係を示す。（ａ）が８５０℃でのＦｅ、（ｂ）が９００℃でのＦｅ、（ｃ）が８５０℃でのＳＣｒ４２０についての結果である。それぞれ、窒化ポテンシャルＫｎが異なる場合についての結果を、同一のグラフ上に表示している。
【0095】
図４（ａ）～（ｃ）のそれぞれにおいて、左側の図が、実測された分圧値から計算されたカーボンポテンシャルＣＰの値（つまり操業カーボンポテンシャルＣＰ＊；単位 ％）と、表層Ｃ濃度（単位 質量％）との関係を示している。図中、炭化物の析出が起こる境界を、右上部に実線にて表示しており、それよりもＣ濃度が大きい領域が、炭化物析出域となるが、以下では、その境界よりもＣ濃度が小さい領域、つまり炭化物の析出が起こらない領域について取り扱う。
【0096】
図４（ａ）～（ｃ）のいずれにおいても、カーボンポテンシャルＣＰに対して、表層Ｃ濃度が単調増加する傾向が見られている。しかし、窒化ポテンシャルＫｎの値が異なっていると、カーボンポテンシャルＣＰが同じでも、異なるＣ濃度が観測されている。具体的には、窒化ポテンシャルＫｎが大きいほど、Ｃ濃度が小さくなっている。このことは、表層Ｃ濃度は、カーボンポテンシャルＣＰだけに依存するのではなく、窒化ポテンシャルＫｎにも依存すること、つまり、ＮとＣの間に相互作用が存在することを示している。図３の表層Ｎ濃度と窒化ポテンシャルＫｎとの関係から、ＮとＣとの相互作用が、表層Ｎ濃度に対して影響を与えることが示されているが、その相互作用は、表層Ｃ濃度に対しても影響を与える。
【0097】
そこで、窒化ポテンシャルＫｎによる表層Ｃ濃度への影響を、カーボンポテンシャルＣＰから排除することを考える。実測された分圧値から計算されたカーボンポテンシャルＣＰの値を操業カーボンポテンシャルＣＰ＊とし、炭素操業係数Ｂで除すことで、窒化ポテンシャルＫｎの影響を排除したカーボンポテンシャルＣＰ（つまり無影響カーボンポテンシャルＣＰ０）を、ＣＰ０＝１／Ｂ・ＣＰ＊と表現する。Ｂ＝Ｂ０＋Ｂ１・Ｋｎ＋Ｂ２・Ｋｎ２として、図４（ａ）～（ｃ）のそれぞれのデータにおいて、窒化ポテンシャルＫｎの値によらず、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０と表層Ｃ濃度を一対一に対応づけられるように、つまり、共通の曲線上に全Ｋｎのデータ点が乗るように、係数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を求める。図４（ａ）～（ｃ）の全てに共通して適用しうる係数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を、重回帰によって求めると、以下の値が得られる。
Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２
Ｂ０＝０．９９７、Ｂ１＝３５．８、Ｂ２＝－７４２
【0098】
図４（ａ）～（ｃ）のそれぞれの右側に、上記係数Ｂ０～Ｂ２とＫｎ値から算出される炭素操業係数Ｂで除すことで、窒化ポテンシャルＫｎの影響を排除したカーボンポテンシャルＣＰ（つまり無影響カーボンポテンシャルＣＰ０）を横軸として、表層Ｃ濃度との関係を示す。それによると、（ａ）～（ｃ）のいずれにおいても、窒化ポテンシャルＫｎの値によらず、無影響カーボンポテンシャルＣＰ０に対して、表層Ｃ濃度が、共通の単調増加曲線に乗っている。つまり、上記のように、窒化ポテンシャルＫｎを二次まで考慮した係数Ｂで、カーボンポテンシャルＣＰの値を除すことにより、表層Ｃ濃度に対するＮの影響を排除することができている。しかも、その係数Ｂを定めるのに、熱処理時の温度によらず、共通の係数Ｂ０、Ｂ１、Ｂ２を用いることができる。換言すると、得られた無影響カーボンポテンシャルＣＰに、係数Ｂを乗じて得られる操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を用いることで、ＣとＮの相互作用を、適切に、また簡便に取り込んで、表層Ｃ濃度を制御することができると言える。
【0099】
以上に示されるように、表層Ｎ濃度については、カーボンポテンシャルＣＰの関数として求められる窒素操業係数Ａを無影響窒化ポテンシャルＫｎ０に乗じて、操業窒化ポテンシャルＫｎ＊を求めることにより、また、表層Ｃ濃度については、窒化ポテンシャルＫｎの関数として求められる炭素操業係数Ｂを無影響窒化ポテンシャルＣＰ０に乗じて、操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を求めることにより、ＣとＮとの相互作用を取り込んで、窒化ポテンシャルＫｎと表層Ｎ濃度の関係、またカーボンポテンシャルＣＰと表層Ｃ濃度の関係を、正確に評価することができる。また、そのようにＣとＮの相互作用を取り込んだ操業窒化ポテンシャルＫｎ＊および操業カーボンポテンシャルＣＰ＊を用いて、雰囲気を制御することにより、熱処理にかかる条件が変化することがあっても、表層Ｎ濃度および表層Ｃ濃度を、正確に、また簡便に制御することができると言える。
【0100】
以上、本発明の実施形態および実施例について説明した。本発明は、これらの実施形態および実施例に特に限定されることなく、種々の改変を行うことが可能である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】