CN108026614A

CN108026614A - 铁基烧结体及其制造方法

Info

Publication number: CN108026614A
Application number: CN201680053028.9A
Authority: CN
Inventors: 高下拓也; 小林聪雄; 中村尚道; 佐藤伊都也
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP6428909B2; KR20180031749A; JPWO2017047101A1; SE542547C2; US20180178291A1; CA2990561A1; CN108026614B; SE1850423A1; CA2990561C; WO2017047101A1

Abstract

本发明提供机械特性优良的铁基烧结体。烧结体中，使气孔的面积百分率为15％以下且气孔的面积基准的中位直径D50为20μm以下。

Description

铁基烧结体及其制造方法

技术领域

本发明涉及铁基烧结体，特别是涉及适合于汽车用高强度烧结部件的制造的、烧结密度高、而且对烧结体进行渗碳、淬火和回火的处理后的拉伸强度和韧性(冲击值)可靠地提高的铁基烧结体。另外，本发明涉及该铁基烧结体的制造方法。并且涉及其制造方法。

粉末冶金技术为如下的技术：能够按照极其接近产品形状的形状(所谓的近净形状)并且以高尺寸精度制造复杂形状的部件，因此能够大幅削减切削成本的。因此，粉末冶金产品作为各种机械、部件而被用于多个领域。

最近，对于粉末冶金产品强烈期望用于部件的小型化及轻量化的强度提高、从安全性的观点出发的韧性提高。特别是，对于齿轮等中频繁使用的粉末冶金产品(铁基烧结体)，在高强度化和高韧性化的基础上，从耐磨损性的观点出发，高硬度化的要求也高。铁基烧结体的强度和韧性根据其成分、组织和密度等而多样地变化，因此，为了应对上述期望，需要开发出适当地控制了上述因素的铁基烧结体。

通常，烧结前的成形体通过在铁基粉末中混合铜粉、石墨粉等合金用粉末和硬脂酸、硬脂酸锂等润滑剂而制成混合粉并将其填充至模具中进行加压成形来制造。

利用通常的粉末冶金工序得到的成形体的密度一般为约6.6Mg/m³～约7.1Mg/m³。成形体在之后进行烧结处理而制成烧结体，进一步根据需要进行精整、切削加工，制成粉末冶金产品。另外，在需要更高的强度的情况下，有时在烧结后进行渗碳热处理、光亮热处理。

在此使用的铁基粉末根据成分被分类为铁粉(例如纯铁粉等)和合金钢粉。另外，作为基于铁基粉末的制法的分类，有雾化铁粉和还原铁粉。该基于制法的分类的铁粉以除了纯铁粉以外还包含合金钢粉的广泛含义来使用。

而且，为了得到高强度和高韧性的烧结体，尤其是在作为主要成分的铁基粉末中，兼顾合金化的促进和高压缩性的维持是有利的。

首先，作为铁基粉末的合金化手段，已知：

(1)在纯铁粉中配合各合金元素粉末而得到的混合粉、

(2)将各合金元素完全合金化而得到的预合金钢粉、

(3)使各合金元素粉末部分地附着扩散于纯铁粉或预合金钢粉的表面而得到的部分扩散合金钢粉(也称为复合合金钢粉)等。

上述(1)的混合粉具有具备与纯铁粉匹敌的高压缩性的优点。但是，在烧结时，各合金元素在Fe中未充分扩散而形成不均质组织，其结果，有时最终得到的烧结体的强度差。另外，在使用Mn、Cr、V和Si等作为合金元素的情况下，由于这些元素与Fe相比更容易被氧化，因此在烧结时受到氧化，存在最终得到的烧结体的强度降低的问题。为了抑制上述氧化、使烧结体低氧量化，需要严格地控制烧结时的气氛，在烧结后进行渗碳的情况下需要严格地控制渗碳气氛中的CO₂浓度和露点。因此，上述(1)的混合粉无法应对近年来的高强度化的要求，处于不可使用的状态。

另一方面，若使用上述(2)的使各元素完全合金化而得到的预合金钢粉，则能够完全防止合金元素的偏析而使烧结体的组织均匀化，因此机械特性稳定化。此外，具有在使用Mn、Cr、V和Si等作为合金元素的情况下也可以通过限定合金元素的种类和量而使烧结体低氧量化的优点。但是，在利用雾化法由钢水制造预合金钢粉的情况下，容易发生钢水的雾化工序中的氧化和完全合金化所致的钢粉的固溶硬化，因此存在难以提高加压成形后的成形体的密度的问题。成形体的密度低时，将该成形体烧结时的烧结体的韧性降低。因此，在使用预合金钢粉的情况下，也无法因对近年来的高强度化和高韧性化的要求。

上述(3)的部分扩散合金钢粉通过在纯铁粉、预合金钢粉中配合各合金元素的粉末并在非氧化性或还原性的气氛下进行加热而使各合金元素粉末在纯铁粉、预合金钢粉的粒子表面部分地扩散接合来制造。因此，能够获得上述(1)的铁基混合粉和上述(2)的预合金钢粉的优点。

因此，通过使用部分扩散预合金钢粉，能够得到烧结体中的低氧量化和与纯铁粉匹敌的成形体中的高压缩性，因此，烧结体形成由完全合金相和部分富集相构成的复合组织，烧结体的强度提高。

作为该部分扩散合金钢粉中使用的基本的合金成分，多使用Ni和Mo。

Ni具有提高烧结体的韧性的效果。这是因为，通过Ni的添加，奥氏体被稳定化，其结果，更多的奥氏体在淬火后也不会相变成马氏体而是以残余奥氏体的形式残留。另外，Ni具有通过固溶强化而对烧结体的基体进行强化的作用。

与此相对，Mo具有提高淬透性的效果。因此，Mo在淬火处理时抑制铁素体的生成，容易生成贝氏体或马氏体，由此对烧结体的基体进行强化。另外，Mo具备固溶于基体中而进行固溶强化的作用和形成微细碳化物而对基体进行析出强化的作用这两种作用。

作为使用上述的部分扩散合金钢粉的高强度烧结部件用的混合粉的示例，例如在专利文献1中公开了在将Ni：0.5～4质量％、Mo：0.5～5质量％部分合金化而成的合金钢粉中进一步混合Ni：1～5质量％、Cu：0.5～4质量％、石墨粉：0.2～0.9质量％而得到的高强度烧结部件用混合粉。专利文献1中记载的烧结材料最少含有1.5质量％的Ni，从其实施例来看，实质上含有3质量％以上的Ni。即，这意味着，为了在烧结体中得到800MPa以上的高强度，需要3质量％以上的大量的Ni。为了进一步对烧结体进行渗碳、淬火和回火处理而得到1000MPa以上的高强度材料，同样需要3质量％或4质量％的大量的Ni。

但是，从近年来的应对环境问题和再循环的观点来看，Ni是不利的元素，期望尽量避免使用。在成本的方面，数质量％的Ni的添加也是极其不利的。此外，使用Ni作为合金元素时，还存在为了使Ni充分扩散至铁粉、钢粉中而需要进行长时间的烧结的问题。此外，在作为奥氏体相稳定化元素的Ni的扩散不充分的情况下，高Ni区域以奥氏体相(以下也表示为γ相)的形式稳定化，Ni稀薄的区域以除此以外的相稳定化，结果，烧结体的金属组织变得不均匀。

作为不含Ni的技术，在专利文献2中公开了涉及不含Ni的Mo的部分扩散合金钢粉的技术。即，通过优化Mo量，能够得到可耐受烧结后的再加压、具有高的延展性和韧性的烧结体。

另外，关于不含Ni的高密度的烧结体，在专利文献3中公开了在平均粒径为1～18μm的铁系粉末中以100:(0.2～5)的重量比混合平均粒径为1～18μm的铜粉并进行成形、烧结的技术。专利文献3记载的技术中，通过使用与通常相比平均粒径极小的铁系粉末，能够得到烧结体密度为7.42g/cm³以上的极高密度的烧结体。

在专利文献4中记载了：通过使用使Mo扩散附着于铁基粉末的表面且使比表面积为0.1m²/g以上的不含Ni的粉末，得到高强度且高韧性的烧结体。

此外，在专利文献5中记载了：通过使用使Mo扩散附着于含有还原铁粉的铁基粉末而成的粉末，得到高强度且高韧性的烧结体。

在专利文献6中记载了：向粒度细的铁粉中添加Fe-Mn-Si粉，在模具润滑下进行温热成形，由此减小烧结体的最大气孔长度，得到高强度且高韧性的烧结体。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3663929号公报

专利文献2：日本专利第3651420号公报

专利文献3：日本特开平4-285141号公报

专利文献4：WO 2015/045273 A1

专利文献5：日本特开2015-14048号公报

专利文献6：日本特开2015-4098号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，可知根据上述专利文献2、专利文献3、专利文献4、专利文献5和专利文献6的记载得到的烧结材料分别存在如下的问题。

对于专利文献2记载的技术而言，假设通过烧结后的再压缩而得到高强度，在利用通常的粉末冶金工艺进行制造的情况下，难以兼顾充分的强度和韧性。

另外，专利文献3记载的烧结材料中，所使用的铁系粉末的平均粒径比通常小，为1～18μm。粒径这样小时，混合粉的流动性变差，模具填充时的粉末的疏密会诱发成形体的裂纹、缺损等，结果难以得到充分强度和韧性的烧结体。

另外，专利文献4记载的粉末的比表面积极大，因此，在使用这样的粉末的情况下，粉末的流动性降低，模具填充时的粉末的疏密会诱发成形体的裂纹、缺损等，结果难以得到充分强度和韧性的烧结体。

专利文献5记载的烧结体中也与专利文献4记载的技术同样，由于使用比表面积大的还原铁粉，因此粉末的流动性降低，模具填充时的粉末的疏密会诱发成形体的裂纹、缺损等，结果难以得到充分强度和韧性的烧结体。

专利文献6记载的烧结体通过限制最大气孔长度而主要提高了韧性，但仅通过限制最大气孔长度难以兼顾强度和韧性，要求进一步的改善。

本发明的目的在于提供机械特性优良的铁基烧结体及其制造方法。

用于解决问题的方法

本发明人为了达到上述目的而反复进行了用于得到高强度且高韧性的烧结体的各种研究。其结果，得到了如下所述的见解。

即，发现了：在将由铁基粉末和添加材料构成的混合粉末加压成形后进行烧结而得到的铁基烧结体中，控制气孔的平均直径有助于通过组织中的应力集中部的分散而提高冲击值。

本发明是基于该见解进一步进行研究而完成的。即，本发明的主旨如下所述。

1.一种铁基烧结体，其特征在于，气孔的面积百分率为15％以下且气孔的面积基准的中位直径D50为20μm以下。

2.如上述1所述的铁基烧结体，其特征在于，包含Mo、Cu和C。

3.如上述2所述的铁基烧结体，其特征在于，含有Mo：0.2～1.5质量％、Cu：0.5～4.0质量％和C：0.1～1.0质量％。

4.一种铁基烧结体，其通过对上述1至3中任一项所述的铁基烧结体进行渗碳、淬火和回火而成。

5.一种铁基烧结体的制造方法，其特征在于，在使Mo扩散附着于铁基粉末的粒子表面而得到的部分扩散合金钢粉中至少混合Cu粉和石墨粉而得到粉末冶金用混合粉，将该粉末冶金用混合粉以400MPa以上的压力进行成形后，进行1000℃以上且10分钟以上的烧结。

6.一种铁基烧结体的制造方法，其特征在于，对利用上述5的方法制造的铁基烧结体进行渗碳、淬火和回火。

7.如上述5或6所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，上述粉末冶金用混合粉具有含有Mo：0.2～1.5质量％且余量为Fe和不可避免的杂质的成分。

8.如上述5至7中任一项所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，上述部分扩散合金钢粉的平均粒径为30～120μm且比表面积小于0.10m²/g，直径处于50～100μm的范围的粒子的圆形度为0.65以下。

9.如上述5至8中任一项所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，上述Cu粉的混合量为上述粉末冶金用混合粉的0.5～4.0质量％。

发明效果

根据本发明，能够提供兼具高强度和高韧性的铁基烧结体。

具体实施方式

以下，具体地对本发明进行说明。

本发明的铁基烧结体的特征在于，该烧结体中的气孔的面积百分率为15％以下且气孔的面积基准的中位直径D50为20μm以下。

对将粉末冶金用合金钢粉加压成形而得到的成形体进行烧结而成的铁基烧结体不可避免地生成气孔，限制该气孔对于提高烧结体的强度和韧性很重要。即，孔径小的气孔不易成为裂纹的起点，因此面积基准的中位直径D50为20μm以下是关键的。进一步优选为15μm以下。该中位直径D50大于20μm时，韧性显著降低。

在此，气孔的中位直径D50可以按照下述方法进行测定。

首先，将烧结体嵌入热固性树脂中。然后，对截面进行镜面研磨，利用光学显微镜以100倍的倍率进行每一视野843μm×629μm的拍摄。通过图像分析由所得到的截面照片求出任意提取的20个视野中的全部气孔的截面积A。按照下述式(I)求出具有与所得到的截面积相同的面积的圆的直径、即等效圆直径d_c。接着，按照等效圆直径从小到大的顺序对面积进行累计，将累计值相对于总气孔面积达到50％时的等效圆直径作为面积基准中位直径D50。

如上所述使烧结体中的气孔的中位直径D50为20μm以下的原因在于，中位直径D50大于20μm时，不定形的空穴增加，这样的空穴成为施加变形时的应力集中点，强度、韧性降低。

在此，为了使烧结体中的气孔的面积百分率为15％以下且使气孔的中位直径D50为20μm以下，通过使用平均粒径为30～120μm且比表面积小于0.10m²/g、直径处于50～100μm的范围的粒子的圆形度为0.65以下粉末的圆形度为0.65以下、使Mo附着于铁基粉末表面而成的部分扩散合金钢粉作为成为烧结体原料的粉末冶金用混合粉的部分扩散合金钢粉，在后述的烧结体的制造中可促进烧结，结果可得到所期望的烧结体。

需要说明的是，由于气孔越少越好，因此烧结体中的气孔的面积百分率限制为15％以下。这是因为，气孔以面积百分率计大于15％时，烧结体中含有的金属成分减少，因此，即便减小空穴直径，也无法得到充分的强度和韧性。需要说明的是，为了使烧结体中的空穴为0％，需要庞大的劳力，是不现实的。利用后述的方法得到的烧结体的空穴为至少约5％。

在此，烧结体中的气孔的面积百分率可以利用下述方法求出。

与上述同样地求出20个视野中的全部气孔的截面积A，将它们相加，由此得到所观察的全部视野中的总气孔面积A_t。将该A_t除以所观察的全部视野的面积的总和，由此得到气孔的面积百分率。

此外，烧结体中含有的气孔的长度越小越优选。作为气孔长度的指标的“平均最大气孔长度”如下算出。首先，通过图像分析求出位于上述截面照片的视野中含有的各气孔的周缘上的两点间距离的最大值，将其作为各气孔的“气孔长度”。“最大气孔长度”设定为截面照片的一个视野中含有的全部气孔的“气孔长度”中最大的气孔长度。进而，“平均最大气孔长度”设定为任意提取的20个视野中分别测定的最大气孔长度的算数平均值。需要说明的是，为了得到充分的机械特性，优选使平均最大气孔长度小于100μm。

另外，上述的烧结体优选含有Mo、Cu和C。即，Mo具有提高淬透性的效果。Cu具有促进铁基粉末的固溶强化和淬透性提高的效果。C具有通过固溶于铁中或以微细碳化物的形式析出而提高铁基烧结体的强度的效果。本发明的铁基烧结体中含有的各元素的优选范围为：Mo：0.2～1.5质量％、Cu：0.5～4.0质量％、C：0.1～1.0质量％。这是因为，任意一种元素少于上述范围时，均得不到充分的强度提高效果，在添加量多于上述范围时，组织过度硬化而损害韧性。

接着，对得到上述烧结体的方法进行记述。以下所述的方法为一例，也可以利用下述方法以外的方法得到本发明的铁基烧结体。

即，在对将粉末冶金用混合粉加压成形而得到的成形体进行烧结而制作烧结体时，在通过冲头的加压将混合粉制成成形体时，利用一边以加压方向为轴对该冲头施加旋转一边成形的方法来进行。利用该方法，对混合粉末施加比通常的成形更强的剪切应变，混合粉的塑性变形变得容易，能够实现烧结体中的气孔直径的微细化。

接着，对特别适合于烧结体含有Mo、Cu和C的情况的烧结体的制造方法进行说明。

即，利用常规方法的加压成形将含有铁基粉末和添加材料的粉末冶金用混合粉制成成形体，进一步进行常规方法的烧结，由此得到铁基烧结体。此时，下述情况在提高烧结体的密度的方面是优选的：在成形体中在铁基粉末的粒子间的烧结颈部形成Mo的富集部；增强使用圆形度低的铁基粉末进行成形时的粉末彼此的缠结，促进烧结；而且，抑制Cu膨胀而促进烧结。烧结体密度提高时，强度和韧性均提高，但与现有材料那样使用Ni的烧结体不同，利用该制法得到的烧结体的机械特性由于金属组织均匀，因而不均小且稳定。

为了得到这样的烧结体，优选将上述粉末冶金用混合粉的铁基粉末制成以下所示的部分扩散合金钢粉而进行烧结体的制造。

即，本发明中优选使用的粉末冶金用混合粉是在具有适当的平均粒径、圆形度和比表面积的使Mo扩散附着于铁基粉末的表面而得到的部分扩散合金钢粉(以下也称为部分合金钢粉)中与具有后述的平均粒径的范围的适量的Cu粉一同混合石墨粉而得到的。

以下，具体地对本发明的粉末冶金用混合粉进行说明。需要说明的是，只要没有特别声明，则以下所示的“％”是指“质量％”，Mo量、Cu量和石墨粉量表示它们各自在粉末冶金用混合粉整体(100质量％)中的比率。

(铁基粉末)

如上所述，部分扩散合金钢粉是使Mo扩散附着于铁基粉末的表面而得到的，优选：平均粒径为30～120μm且比表面积小于0.10m²/g，并且直径处于50～100μm的范围的粉末的圆形度(截面圆形度)为0.65以下。在此，对铁基粉末实施部分合金化时，粒径和圆形度几乎没有变化。因此，使用与部分扩散合金钢粉的平均粒径和圆形度为相同范围内的铁基粉末。

首先，铁基粉末优选平均粒径为30～120μm且直径处于50～100μm的范围的粉末的圆形度(截面圆形度)为0.65以下。即，基于后述的理由，需要使部分合金钢粉的平均粒径为30～120μm且使直径处于50～100μm的范围的粉末的圆形度为0.65以下，为此，铁基粉末也需要满足这些条件。

在此，铁基粉末和部分合金钢粉的平均粒径为重量累积分布的中位直径D50，是使用JIS Z 8801-1所规定的筛测定粒度分布并由所得到的粒度分布制作累积粒度分布时筛上和筛下的重量达到50％时的粒径。

另外，铁基粉末和部分合金钢粉的圆形度可以按照下述方法求出。需要说明的是，以下，以铁基粉末为例进行说明，但在部分合金钢粉的情况下也按照同样的步骤求出圆形度。

首先，将铁基粉末嵌入热固性树脂中。此时，以0.5mm以上的厚度将铁基粉末均匀地嵌入热固性树脂中，以便在对嵌入树脂进行研磨而显现出的观察面中能够观察到充分量的铁基粉末截面。然后，通过研磨使铁基粉末的截面显现出来，对该截面进行镜面研磨，利用光学显微镜将该截面放大并拍摄照片。通过图像分析由所得到的截面照片求出该截面照片中的各铁基粉末的截面积A和外周长度Lp。作为可进行这样的图像分析的软件，例如有Image J(开放源代码，美国国立卫生研究院)等。由所求出的截面积A算出等效圆直径dc。在此，dc利用与气孔的情况同样的式(I)求出。

接着，将粒径dc乘以圆周率π，由此算出圆近似外周Lc。由所得到的Lc和铁基粉末截面的外周长度Lp算出圆形度C。在此，圆形度C为由下述式(II)定义的值。

在该圆形度C为1的情况下，截面形状为正圆形，随着值C变小，成为不定形的截面。

C＝L_c/L_p···(II)

需要说明的是，铁基粉末是指Fe含量为50％以上的粉末。作为铁基粉末，可以列举例如雾化生粉(雾化状态的雾化铁粉)、雾化铁粉(将雾化生粉在还原性气氛下还原而得到的铁粉)和还原铁粉等。特别地，本发明中使用的铁基粉末优选雾化生粉或雾化铁粉。这是因为，还原铁粉在粒子中含有大量的空穴，因此在加压成形时可能得不到充分的密度。另外，还原铁粉在粒子中比雾化铁粉更多地含有作为破坏起点的夹杂物，有可能使作为烧结体的重要机械特性的疲劳强度降低。

即，本发明中使用的优选的铁基粉末为：将钢水雾化、干燥、分级而未施加用于脱氧处理(还原处理)、脱碳处理等的热处理的雾化生粉或者将雾化生粉在还原气氛下还原而得到的雾化铁粉中的任意一种。

符合上述圆形度的铁基粉末可以通过适当调节雾化时的喷雾条件、喷雾后进行的补充加工的条件而得到。另外，也可以将圆形度不同的铁基粉末混合，按照使粒径处于50～100μm的范围的铁基粉末的圆形度落入上述范围内的方式进行调节。

(部分扩散合金钢粉)

部分扩散合金钢粉是使Mo扩散附着于上述铁基粉末的表面而得到的钢粉，其需要平均粒径为30～120μm且比表面积小于0.10m²/g，并且直径处于50～100μm的范围的粉末的圆形度为0.65以下。

即，部分扩散合金钢粉通过使Mo扩散附着于上述铁基粉末上而制作。此时的Mo量在粉末冶金用混合粉整体(100％)中设定为0.2～1.5％的比率。Mo量低于0.2％时，对于使用粉末冶金用混合粉制作的烧结体而言淬透性提高效果小，强度提高效果也减小。另一方面，超过1.5％时，烧结体的淬透性提高效果饱和，反而使烧结体组织的不均匀性变高，因此无法在烧结体中得到高强度、高韧性。因此，进行扩散附着的Mo量设定为0.2～1.5％。优选为0.3～1.0％，进一步优选为0.4～0.8％。

在此，作为Mo的供给源，可以列举含Mo粉末。含Mo粉末以Mo的纯金属粉末为代表，还可以例示氧化Mo粉末或Fe-Mo(铁钼)粉末等Mo合金粉末。另外，作为Mo的化合物，可以使用Mo碳化物、Mo硫化物和Mo氮化物等作为优选的含Mo粉末。这些含Mo粉末可以单独使用，也可以将多种物质混合使用。

具体而言，将上述铁基粉末和含Mo粉末以上述比率(粉末冶金用混合粉整体(100％)中的Mo量为0.2～1.5％)进行混合。关于混合方法，没有特别限制，可以使用例如亨舍尔混合机、锥型混合机等按照常规方法进行。

接着，将上述铁基粉末与含Mo粉末的混合粉加热，经由铁基粉末与含Mo粉末的接触面使Mo扩散至铁基粉末中，将Mo与铁基粉末接合。通过该热处理，得到含有Mo的部分合金钢粉。

作为上述热处理的气氛，优选还原性气氛或含氢气氛，尤其适合的是含氢气氛。或者，也可以在真空下施加热处理。

另外，关于热处理的温度，例如在使用氧化Mo粉末等Mo化合物作为含Mo粉末的情况下，优选800～1100℃的范围。热处理的温度低于800℃时，Mo化合物的分解变得不充分，Mo不会扩散至铁基粉末中，Mo的附着变得困难。另外，超过1100℃时，热处理中的铁基粉末彼此的烧结进行，铁基粉末的圆形度超出规定的范围。另一方面，在使用Mo纯金属、Fe-Mo等金属和合金作为含Mo粉末的情况下，优选的热处理温度为600～1100℃的范围。热处理的温度低于600℃时，Mo向铁基粉末的扩散变得不充分，Mo的附着变得困难。另一方面，超过1100℃时，热处理中的铁基粉末彼此的烧结进行，部分合金钢粉的圆形度超出规定的范围。

在如上所述进行热处理即扩散附着处理的情况下，通常形成部分合金钢粉相互烧结而成块的状态，因此，进行粉碎、分级至以下所示的规定粒径。即，根据需要通过粉碎条件的强化或者利用规定网眼的筛的分级进行粗粉的除去，以达到规定的粒径。此外，可以根据需要进行退火。

即，使部分合金钢粉的平均粒径为30～120μm的范围是很关键的。上述平均粒径的下限优选为40μm，进一步优选为50μm。另一方面，上述平均粒径的上限为100μm，进一步优选为80μm。

需要说明的是，如上所述，部分合金钢粉的平均粒径为重量累积分布的中位直径D50，是使用JIS Z 8801-1所规定的筛测定粒度分布并由所得到的粒度分布制作累积粒度分布时筛上和筛下的重量达到50％时的粒径。

在此，部分合金钢粉的平均粒径小于30μm时，部分合金钢粉的流动性变差，在利用模具的压缩成形时的制造效率等方面带来障碍。另一方面，部分合金钢粉的平均粒径超过120μm时，烧结时的驱动力减弱，烧结工序中在粗大的部分合金钢粉的周围形成粗大的空穴，导致烧结密度的降低，成为使烧结体或对该烧结体实施渗碳、淬火和回火后的强度、韧性降低的原因。需要说明的是，部分合金钢粉的最大粒径优选为180μm以下。

另外，从压缩性的观点出发，使部分合金钢粉的比表面积小于0.10m²/g。在此，部分合金钢粉的比表面积是指除了添加剂(Cu粉、石墨粉、润滑剂)以外的部分合金钢粉的粉末的比表面积。

部分合金钢粉的比表面积超过0.10m²/g时，粉末冶金用混合粉的流动性降低。需要说明的是，虽然没有特别的下限，但0.010m²/g左右是工业上可得到的极限。对于比表面积，可以通过利用筛分调节扩散附着处理后的超过100μm的粗粒和小于50μm的微粒的粒度来任意地进行控制。即，通过减小微粒的比率或增大粗粒的比率来降低比表面积。

此外，需要使部分合金钢粉的直径处于50～100μm的粒子的圆形度为0.65以下。该圆形度优选为0.60以下、进一步优选为0.58以下为宜。即，通过减小圆形度，加压成形时的粉末彼此的缠结增强，并且粉末冶金用混合粉的压缩性提高，因此，成形体和烧结体中的粗大的空穴减少。另一方面，过度使圆形度减小时，会导致粉末冶金用混合粉的压缩性的降低，因此，圆形度优选为0.40以上。

在此，部分合金钢粉的直径处于50～100μm的粒子的圆形度可以如下测定。首先，将与上述铁基粉末同样算出的部分合金钢粉的粒径设为dc，提取出该dc处于50～100μm的范围的部分合金钢粉。此时，进行足以能够至少提取出150个处于50～100μm的范围的部分合金钢粉的粒子的光学显微镜拍摄。然后，对于提取出的部分合金钢粉，与上述铁基粉末的情况同样地进行圆形度的计算。

需要说明的是，将部分合金钢粉的粒径限定为50～100μm的理由在于，降低上述范围的粉末的圆形度对于促进烧结是最有效的。即，小于50μm的粒子为微粒，因此，原本烧结促进效果高，即使降低小于50μm的粒子的圆形度，其烧结促进效果也小。另外，粒径超过100μm的粒子极为粗大，因此，即使降低圆形度，烧结促进效果也小。

本发明中，部分合金钢粉中的余量组成为铁和不可避免的杂质。在此，作为部分合金钢粉中含有的杂质，可以列举C(不包括石墨成分)、O、N和S等，它们的含量在部分合金钢粉中若分别为C：0.02％以下、O：0.3％以下、N：0.004％以下、S：0.03％以下、Si：0.2％以下、Mn：0.5％以下、P：0.1％以下则没有特别的问题，但O更优选为0.25％以下。需要说明的是，不可避免的杂质量超过这些范围时，使用部分合金钢粉的成形中的压缩性降低，难以成形为具有充分密度的成形体。

本发明中，为了在对使用粉末冶金用混合粉制作的烧结体进一步进行渗碳、淬火和回火后得到1000MPa以上的拉伸强度，向上述得到的部分合金钢粉中添加Cu粉和石墨粉。

(Cu粉)

Cu是促进铁基粉末的固溶强化和淬透性提高、提高烧结部件的强度的有用元素，以0.5％以上且4.0％以下进行添加。即，Cu粉的添加量小于0.5％时，难以显现出上述Cu添加的有用效果，另一方面，超过4.0％时，不仅烧结部件的强度提高效果饱和，而且导致烧结体密度的降低。因此，将Cu粉的添加量限定为0.5～4.0％的范围。优选为1.0～3.0％的范围。

另外，若使用粒度粗的Cu粉，则在对粉末冶金用混合粉的成形体进行烧结时，熔融的Cu会渗入至部分合金钢粉的粒子间而使烧结后的烧结体的体积膨胀，有可能使烧结体密度降低。为了抑制这样的烧结体密度的降低，优选使Cu粉的平均粒径为50μm以下。更优选为40μm以下，进一步优选为30μm以下。需要说明的是，Cu粉的平均粒径的下限没有特别限制，但为了避免不必要地提高Cu粉的制造成本，优选为约0.5μm。

在此，Cu粉的平均粒径可以利用下述方法求出。

平均粒径为45μm以下的粉末难以通过筛分进行平均粒径的测定，因此，利用激光衍射/散射式粒度分布测定装置进行粒径的测定。作为激光衍射/散射式粒度分布测定装置，有堀场制作所制造的LA-950V2等。当然也可以使用其他激光衍射/散射式粒度分布测定装置，但为了进行准确的测定，优选使用可测定的粒径范围的下限为0.1μm以下、上限为45μm以上的测定装置。在上述装置中，对分散有Cu粉的溶剂照射激光，由激光的衍射、散射强度测定Cu粉的粒度分布和平均粒径。作为使Cu粉分散的溶剂，优选使用粒子的分散性好、容易操作的乙醇。若使用水等范德华力高、分散性低的溶剂，则在测定中粒子会发生凝聚，得到比原本的平均粒径粗的测定结果，因此不优选。因此，对于投入有Cu粉的乙醇溶液，优选在测定前实施利用超声波的分散处理。

需要说明的是，根据作为对象的粉末，适当的分散处理时间有所不同，因此在0～60分钟之间以10分钟间隔的7个阶段来实施上述分散处理时间，在各分散处理后进行Cu粉的平均粒径的测定。各测定中，为了防止粒子的凝聚，在搅拌溶剂的同时进行测定。然后，使用以10分钟间隔变更分散处理时间而进行的7次测定中得到的粒径中的最小值作为Cu粉的平均粒径。

(石墨粉)

石墨粉对于提高强度以及疲劳强度有效，因此在0.1～1.0％的范围内添加至部分合金钢粉中并进行混合。石墨粉的添加量小于0.1％时，无法得到上述效果。另一方面，超过1.0％时，发生过共析，渗碳体析出而导致强度的降低。因此，将石墨粉的添加量限定为0.1～1.0％的范围。优选为0.2～0.8％。需要说明的是，添加的石墨粉的平均粒径优选为约1μm～约50μm的范围。

另外，本发明中，向扩散附着有Mo的部分扩散合金钢粉中混合上述Cu粉和石墨粉而制成Fe-Mo-Cu-C系的粉末冶金用混合粉，但其混合方法按照粉体混合的常规方法进行即可。

此外，在烧结体的阶段，在需要利用切削加工等进一步改善部件形状的情况下，可以按照常规方法向粉末冶金用混合粉中适当进行MnS等切削性改善用粉末的添加。

接着，对适合于使用本发明的粉末冶金用混合粉的烧结体的制造的成形条件和烧结条件进行说明。

在使用上述粉末冶金用混合粉的加压成形中，可以进一步混合粉末状的润滑剂。另外，也可以在模具上涂布或附着润滑剂而进行成形。在任何一种情况下，均可以适当使用硬脂酸锌、硬脂酸锂等金属皂、亚乙基双硬脂酸酰胺等酰胺类蜡及其他公知的润滑剂中的任意一种作为润滑剂。需要说明的是，在混合润滑剂的情况下，相对于粉末冶金用混合粉100质量份，优选为约0.1质量份～约1.2质量份。

在对本发明的粉末冶金用混合粉进行加压成形而制造成形体时，优选以400～1000MPa的加压力进行加压成形。加压力小于400MPa时，所得到的成形体的密度降低，烧结体的特性降低。另一方面，超过1000MPa时，模具的寿命变得极短，在经济方面变得不利。需要说明的是，加压成形的温度优选为常温(约20℃)～约160℃的范围。

另外，上述成形体的烧结优选在1100～1300℃的温度范围内进行。烧结温度低于1100℃时，无法进行烧结，难以得到所期望的1000MPa以上的拉伸强度。另一方面，超过1300℃时，烧结炉的寿命缩短，在经济方面变得不利。需要说明的是，烧结时间优选为10～180分钟的范围。

按照该步骤使用本发明的粉末冶金用混合粉在上述烧结条件下得到的烧结体与使用上述范围外的合金钢粉的情况相比，即使是相同的成形体密度，在烧结后也能得到高的烧结体密度。

另外，可以根据需要对所得到的烧结体进行渗碳淬火、光亮淬火、高频淬火、渗碳氮化处理等强化处理，但即使在不进行这些强化处理的情况下，使用本发明的粉末冶金用混合粉的烧结体与未进行强化处理的现有的烧结体相比，强度和韧性也得到了改善。需要说明的是，各强化处理按照常规方法进行即可。

如此得到的本发明的铁基烧结体优选含有Mo：0.2～1.5质量％、Cu：0.5～4.0质量％和C：0.1～1.0质量％。即，C量优选为最大限度地显现出高强度化和高疲劳强度化的效果的0.1～1.0％的范围。即，C小于0.1％时，无法得到上述效果。另一方面，超过1.0％时，发生过共析，因此渗碳体析出而导致强度的降低。因此，将烧结体中含有的C量限定为0.1～1.0％的范围。优选为0.2～0.8％。另外，关于Mo和Cu的优选含量，与上述粉末冶金用混合粉中的理由同样。

需要说明的是，在制造烧结体时，在向上述粉末冶金用混合粉中混合润滑剂等的情况下，以烧结体中的Mo、Cu和C的含量为上述范围内的方式对粉末冶金用混合粉中的Mo、Cu和C的量进行调节。

另外，烧结体中含有的C量有时由于根据烧结条件(温度、时间、气氛等)添加的石墨量而有所变化。因此，通过根据烧结条件在上述范围内调节石墨粉的添加量，可以制造含有本发明的优选范围的C量(0.1～1.0％、进一步优选为0.2～0.8％)的铁基烧结体。

实施例

以下，利用实施例进一步详细地对本发明进行说明，但本发明并不仅限于以下的示例。

[实施例1]

铁基粉末使用圆形度不同的雾化生粉。通过利用高速混合器(深江POWTEC公司制造的LFS-GS-2J型)的粉碎加工，将雾化生粉的圆形度调节为各种不同的圆形度。

向该铁基粉末中以规定的比率添加氧化Mo粉末(平均粒径：10μm)，利用V型混合机混合15分钟后，在露点：30℃的氢气气氛中进行热处理(保持温度：880℃、保持时间：1小时)，制作在铁基粉末的粒子表面扩散附着有表1所示的规定量的Mo的部分合金钢粉。需要说明的是，如表1的试样No.1～8所示对Mo量进行各种变更。

将所制作的部分合金钢粉嵌入树脂，实施研磨以使部分合金钢粉的截面露出。需要说明的是，为了在该研磨面即观察面中能够观察到充分量的部分合金钢粉截面，将部分合金钢粉以0.5mm以上的厚度均匀地嵌入热固性树脂中。研磨后，利用光学显微镜将该研磨面放大进行照片拍摄，按照上述方法通过图像分析算出圆形度。

另外，利用BET法对部分合金钢粉实施比表面积测定。确认了：任意一种部分合金钢粉的比表面积均小于0.10m²/g。

接着，对这些部分合金钢粉添加表1所示的平均粒径和量的Cu粉、同样如表1所示的量的石墨粉(平均粒径：5μm)，进一步相对于所得到的粉末冶金用合金钢粉100质量份添加亚乙基双硬脂酸酰胺0.6质量份，然后利用V型混合机混合15分钟。

顺便说明的是，试样No.9～25使用与试样No.5同等的部分合金钢粉，对添加的Cu粉、石墨粉的量进行了各种变更。试样No.26～31以试样No.5的部分合金钢粉为基础，通过筛分对平均粒径进行了调节。另外，试样No.32～38的部分合金钢粉的圆形度各不相同。

然后，将混合粉以7.0g/cm³的密度进行加压成形，制作长度：55mm、宽度：10mm和厚度：10mm的棒状成形体(各10个)和外径：38mm、内径：25mm和厚度：10mm的环状成形体。此时的成形压力均为400MPa以上。

对该棒状成形体和环状成形体实施烧结，制成烧结体。该烧结在丙烷改性气体气氛中在烧结温度：1130℃、烧结时间：20分钟的条件下进行。

对于环状烧结体，进行外径、内径和厚度的测定以及质量测定，算出烧结体密度(Mg/m³)。进而，按照上述方法分别考察烧结体中的气孔的中位直径、面积百分率和平均最大气孔长度。

对于棒状烧结体，为了供于JIS Z2241中规定的拉伸试验，将各5个加工成平行部直径：5mm的圆棒拉伸试验片(JIS 2号)，另外，为了供于JIS Z2242中规定的夏比冲击试验，将各5个以JIS Z2242中规定的大小的烧结后的状态的棒形状(无缺口)均进行碳势为0.8质量％的气体渗碳(保持温度：870℃、保持时间：60分钟)，接着进行淬火(60℃、油淬火)和回火(保持温度：180℃、保持时间：60分钟)。

将这些实施了渗碳、淬火和回火处理的圆棒拉伸试验片和夏比冲击试验用棒状试验片供于JIS Z2241中规定的拉伸试验和JIS Z2242中规定的夏比冲击试验，测定拉伸强度(MPa)和冲击值(J/cm²)，以试验数n＝5求出平均值。

将以上的测定结果合并记载于表1中。需要说明的是，判定基准如下所述。

(1)混合粉流动性

使粉末冶金用混合粉100g从直径2.5mmφ的喷嘴中通过，将全部量没有停止地在80s以内流净的情况判定为合格(○)，将需要80s以上的时间的情况、或者全部量或一部分停止而未流动的情况判定为不合格(×)。

(2)烧结体密度

将烧结体密度为与作为现有材料的4Ni材料(4Ni-1.5Cu-0.5Mo、原料粉的最大粒径：180μm)同等以上的、6.95Mg/m³以上的情况判定为合格。

(3)拉伸强度

将针对实施了渗碳、淬火和回火处理的圆棒拉伸试验片的拉伸强度为1000MPa以上的情况判定为合格。

(4)冲击值

将针对实施了渗碳、淬火和回火处理的夏比冲击试验用棒状试验片的冲击值为14.5J/cm²以上的情况判定为合格。需要说明的是，对于进行渗碳、淬火和回火处理之前的烧结体也进行了关于该冲击值的试验。

在此，试样No.1、8、9、14、19、26、38和38*为烧结体中的气孔的中位直径D50超过20μm的示例，它们均冲击值低、韧性不足，拉伸强度也降低。

此外，关于烧结体中的成分的影响，在试样No.1～8中对比了Mo量，在No.9～14中对比了Cu量，在No.15～19中对比了石墨量。同样地，No.20～25是对Cu粒径的影响进行研究而得到的结果，No.26～31是对合金成分粒径的影响进行研究而得到的结果，No.32～38是对部分合金钢粉的圆形度和平均粒径的影响进行研究而得到的结果。需要说明的是，表1中一并示出了作为现有材料的4Ni材料(4Ni-1.5Cu-0.5Mo、原料粉的最大粒径：180μm)的结果。可知发明例得到了现有的4Ni材料以上的特性。

如表1所示，发明例均为具有高的拉伸强度和韧性的烧结体。

[实施例2]

准备比表面积和圆形度不同的3种雾化铁粉。比表面积和圆形度的调节通过利用高速混合器(深江POWTEC公司制造的LFS-GS-2J型)对雾化铁粉实施粉碎加工和调节粒度100μm以上的粗粉与45μm以下的微粉的配合比例来进行。

向该铁基粉末中以规定的比率添加氧化Mo粉末(平均粒径：10μm)，利用V型混合机混合15分钟后，在露点：30℃的氢气气氛中进行热处理(保持温度：880℃、保持时间：1小时)，制作在铁基粉末的粒子表面扩散附着有表2所示的规定量的Mo的部分合金钢粉。将这些部分合金钢粉嵌入树脂中，实施研磨以使部分合金钢粉的截面露出后，利用光学显微镜放大后拍摄照片，通过图像分析算出圆形度。另外，利用BET法对部分合金钢粉实施比表面积的测定。

接着，对这些部分合金钢粉添加2质量％的平均粒径35μm的Cu粉和0.3质量％的石墨粉(平均粒径：5μm)，进一步相对于所得到的粉末冶金用合金钢粉100质量份添加亚乙基双硬脂酸酰胺0.6质量份，然后利用V型混合机混合15分钟。以686MPa的成形压力将这些混合粉末成形，制作长度：55mm、宽度：10mm和厚度：10mm的棒状成形体(各10个)和外径：38mm、内径：25mm和厚度：10mm的环状成形体。

对该棒状成形体和环状成形体进行烧结，制成烧结体。该烧结在丙烷改性气体气氛中在烧结温度：1130℃、烧结时间：20分钟的条件下进行。

对于棒状烧结体，为了供于JIS Z2241中规定的拉伸试验，将各5个加工成平行部直径：5mm的圆棒拉伸试验片(JIS 2号)，另外，为了供于JIS Z2242中规定的夏比冲击试验，将各5个以烧结后的状态的棒形状(无缺口)均进行碳势为0.8质量％的气体渗碳(保持温度：870℃、保持时间：60分钟)，接着进行淬火(60℃、油淬火)和回火(保持温度：180℃、保持时间：60分钟)。

将测定结果合并记载于表2中。另外，各种特性值的合格基准与实施例1的情况相同。

由表2可知，烧结体中的气孔的中位直径D50为20μm以下时，冲击值均高而韧性优良，并且拉伸强度也均提高。此外，使用圆形度和比表面积为发明的范围内的部分合金钢粉进行制造的结果是，烧结体密度、拉伸强度和冲击值达到了目标。

Claims

2.如权利要求1所述的铁基烧结体，其特征在于，包含Mo、Cu和C。

3.如权利要求2所述的铁基烧结体，其特征在于，含有Mo：0.2～1.5质量％、Cu：0.5～4.0质量％和C：0.1～1.0质量％。

4.一种铁基烧结体，其通过对权利要求1至3中任一项所述的铁基烧结体进行渗碳、淬火和回火而成。

6.一种铁基烧结体的制造方法，其特征在于，对利用权利要求5的方法制造的铁基烧结体进行渗碳、淬火和回火。

7.如权利要求5或6所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，所述粉末冶金用混合粉具有含有Mo：0.2～1.5质量％且余量为Fe和不可避免的杂质的成分。

8.如权利要求5至7中任一项所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，所述部分扩散合金钢粉的平均粒径为30～120μm且比表面积小于0.10m²/g，直径处于50～100μm的范围的粒子的圆形度为0.65以下。

9.如权利要求5至8中任一项所述的铁基烧结体的制造方法，其特征在于，所述Cu粉的混合量为所述粉末冶金用混合粉的0.5～4.0质量％。