CN1598027A - 粉末冶金用合金钢粉 - Google Patents

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Abstract

一种粉末冶金用合金钢粉，在作为预合金元素含有Mn含量：0.5质量％以下，并作为预合金元素含有Mo含量[Mo] P：0.2～1.5质量％的铁基粉末表面，扩散附着含Mo合金粉末，其中，通过使用Mo的平均含量[Mo] T (质量％)满足[Mo] T－[Mo] P≤0.8的粉末冶金用合金钢粉，使用此合金钢粉得到的烧结体，可以保持高的密度，同时可以提高面压疲劳强度。

Description

粉末冶金用合金钢粉
技术领域
本发明涉及适合用于粉末冶金的合金钢粉。
背景技术
粉末冶金技术可以使要求高尺寸精度和复杂形状的部件生产出非常接近产品形状(近终形)，可以大幅度减少切削成本。因此，粉末冶金产品广泛用作各种机械和装置的部件。
最近为了使部件小型化和轻量化，强烈要求铁基粉末冶金产品的物理性质中有高的面压疲劳强度。
一般是在铁基粉末中混合铜粉、石墨粉等合金用粉末、再混合硬脂酸、硬脂酸锂等润滑剂粉末，制成铁基粉末混合粉后，把它填充到模具中加压成形制造粉末冶金用铁基粉末成形体。
其中铁基粉末根据成分的不同分为铁粉(纯铁粉等)、合金钢粉等。此外根据制造方法的不同分类有雾化铁粉、还原铁粉等，这种情况下铁粉是指包括合金钢粉在内的广义的铁粉。
用常用粉末冶金工艺得到的成形体密度一般为6.6～7.1Mg/m3。这些铁基粉末成形体再进行烧结处理作成烧结体，再根据需要进行量尺寸和切削加工，成为粉末冶金制品。在需要高面压疲劳强度的情况下，有时还在烧结后进行渗碳淬火处理或光亮淬火处理。
为了提高粉末冶金制品的拉伸强度等考虑采用高合金化的方法，但是作为原材料的合金钢粉硬度高而且压缩特性低，存在有增加压力成形中设备负荷的问题。此外合金钢粉的压缩特性降低使烧结体密度低，抵消了强度的增加。因此要求具有尽量抑制压缩特性的降低而且使烧结体的强度提高的技术。
保持压缩特性而且使烧结体强度提高的技术一般采用在铁基粉末中添加改善淬透性的Ni、Cu、Mo等合金元素。
例如在特公昭63-66362号公报中，作为达到此目的的有效元素，以Mo作为预合金元素，添加在不损失压缩特性范围(Mo：0.1～1.0质量％)内的Mo，把Cu和Ni以粉末的方式通过扩散附着在该铁粉颗粒表面，可以兼顾粉末压力成形时的压缩特性和烧结后部件的强度。
在特开昭61-130401号公报中发表了高强度烧结体用粉末冶金用合金钢粉，此合金钢粉是在钢铁粉末表面扩散附着2种以上合金元素，特别是Mo和Ni或再加上Cu。在此技术中提出对于各扩散附着元素控制在对粒径44μm以下的微细粉的扩散附着浓度为对整个钢铁粉扩散附着浓度的0.9～1.9倍的范围内，通过限定在该比较宽的范围可以确保烧结体的冲击韧性。
可是近年来从环境保护和再循环性的观点考虑，Ni和Cu是不利的元素，希望尽量避免使用。
在此之前也提出了以Mo为主要合金元素、不含Ni和Cu的Mo系合金钢粉。例如特公平6-89365号公报发表了以形成Fe自扩散速度快的α单相来促进烧结为目的，把含1.5～20质量％范围的铁素体稳定元素的Mo作为预合金的合金钢粉。此合金钢粉通过在加压烧结工序种使粒径分布等适当，可以得到高密度的烧结体，此外由于没有使用扩散附着型的合金元素，可以得到材质均匀而且稳定的组织。可是由于Mo添加量比较高，实际发表的是1.8质量％以上，压缩特性差，所以存在有不能得到高成形密度的缺点。因此用于一般的烧结工序(不加压，一次烧结)的情况只能得到低烧结密度的烧结体。
同样在特开2002-146403号公报发表了以Mo为主要合金元素的粉末冶金用合金钢粉的技术。此技术提出在含1.0质量％的Mn或再含小于0.2％Mo的预合金的铁基粉末表面，使Mo：0.2～10.0质量％扩散附着的合金钢粉。此合金钢粉可以得到压缩特性优良、密度高而且强度高的烧结制品。可是此钢粉适用于包括烧结体的再压缩和再烧结的粉末冶金工艺。因此用一般烧结法上述效果不能发挥到这种程度。
另一方面特公平7-51721号公报发表了在铁粉中添加0.2～1.5质量％的Mo、0.05～0.25质量％的Mn作为预合金的合金铁粉(合金钢粉)。此合金铁粉是低合金，加压成形时的压缩特性比较高，此外可以得到高强度的烧结体。
可是上述例举的技术都是没有考虑面压疲劳强度的合金设计，因此在一般烧结工艺中生产的烧结金属制品都难以得到近年来要求要得到满足高面压疲劳强度的烧结金属制品。
例如上述特公开7-51721的合金铁粉的情况下，本发明人新发现有如下问题。在一般粉末冶金用的网带炉的烧结温度(一般为1120～1140℃)下，不能充分促进颗粒之间的烧结，烧结颈口部分(烧结反应开始部分：后面说明)的强化不充分，所以不能得到足够高的面压疲劳强度。
例如特开平6-81001号公报和特开2003-147405号公报分别发表了关注到面压缩强度的技术。
特开2003-147405号公报发表的技术是在含0.5～2.5质量％的Ni、0.3～2.5％的Mo作为预合金的钢粉表面，使Mo：0.5～1.5质量％扩散附着的合金钢粉，渗碳淬火处理后用森式面压疲劳试验机测得的值可以得到最大2.5Gpa左右的疲劳强度。可是近年来要求更高水平的面压疲劳强度。
特开平6-81001号公报发表的技术是在铁基粉末中含Mo：0.05～2.5质量％同时含少量V、Ti、Nb作为预合金，在其上扩散附着Ni和(或)Cu的合金钢粉，同样在渗碳淬火处理后得到的面压疲劳强度在森式试验中为最大260kg/mm2左右。
发明内容
本发明要解决上述现有技术中的问题，目的是提供要保持高的烧结体密度(也就是合金钢粉的压缩特性)，同时即使在比较低的温度下烧结也能提高面压疲劳强度的粉末冶金用合金钢粉。
本发明是在含0.5质量％以下Mn的预合金元素和0.2～1.5质量％Mo的预合金元素的铁基粉末表面，附着含Mo合金粉的粉末冶金用合金钢粉，是Mo平均含量[Mo]T(质量％)满足下述(1)式的粉末冶金用合金钢粉。
0.05≤[Mo]T-[Mo]P≤0.8             ……(1)
其中[Mo]P是作为预合金含在上述铁基粉末中的Mo含量(质量％)。
其中含Mo合金粉末附着在铁基粉末表面上时希望是扩散附着或用粘结附着。特别是扩散附着，也就是希望通过在含Mo合金粉末和铁基粉末之间的部分扩散结合进行附着。
进行扩散附着的情况下，上述含Mo合金粉末希望是利用把含Mo的化合物在与上述铁基粉末混合的状态下还原生成的含Mo合金粉末。也就是利用在与铁基粉末混合的状态下还原，含Mo的化合物在铁基粉末的表面被还原，变成含Mo的合金粉末，同时在此铁基粉末表面有效低扩散附着。
含Mo的合金粉末可以使用纯Mo金属粉末或把市售的钼铁制成粉末使用。
在上述粉末冶金用合金钢粉末和所有适合的方式中，希望含在粒径在45μm以下的粉末冶金用合金钢粉(称为细颗粒合金钢粉)中的Mo平均含量[Mo]S(质量％)满足下述(2)式。
[Mo]S≤1.5[Mo]T                      ……(2)
[Mo]S相对于[Mo]T的比，也就是[Mo]S/[Mo]T，在铁基粉末上实际附着的含Mo合金粉末的比率越高，其比值越小，是在1附近的值。下面把此值称为Mo附着度。希望Mo附着度在1.2以下。另外下限希望为0.9，最好为1.0。
希望铁基粉末除了上述预合金元素以外，其余实际上是铁和不可避免的夹杂物。
此外附着的粉末原则上只是含Mo合金粉末，但是在加压成形前也可以进行用粘结剂等再附着其他合金用粉末、润滑剂等的处理。
本发明的粉末冶金用合金钢粉是适用于作为烧结体的密度高的高密度烧结部件的原料的粉末冶金用合金钢粉。特别是用网带炉烧结的情况等，即使在比较低的烧结温度下进行处理，在烧结体上也能得到高的面压疲劳强度。
附图说明
图1为示意表示本发明的粉末冶金用合金钢粉示例的断面图。
图2为表示本发明的粉末冶金用合金钢粉制造工艺示例的框图。
图3为示意表示烧结体典型的网状组织示例的断面图。
图4为示意表示烧结体典型的高Mo浓度相粗大化的组织示例的断面图。
图5为示意表示烧结颈口部分的断面图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的粉末冶金用合金钢粉进行详细说明。
如图1示意表示的那样，本发明的粉末冶金用合金钢粉4的颗粒在含Mo合金粉末2的颗粒与铁基粉末1的颗粒接触的部位3上，含Mo合金粉末2的颗粒中的一部分Mo扩散(称为局部扩散)到铁基粉末1的颗粒中，附着(以下称为扩散附着)在铁基粉末1的颗粒表面。
下面没有特别声明的话，铁基粉末是指图1定义的含Mo合金粉末的附着对象的铁基粉末，和作为其原料的铁基粉末，两者根据需要加以区别。此外没有特别声明的话，合金钢粉末是指图1定义的实质上由在铁基粉末颗粒中附着含Mo合金粉末颗粒的合金钢粉颗粒构成的本发明的粉末。
下面说明制造本发明的粉末冶金用合金钢粉方法的一个示例。
如图2制造工艺示例(框图)所示，首先准备以含规定量的Mo和Mn作为预合金成分(也就是作为预合金)的铁基粉末(a)(作为原料的铁基粉末)和含Mo合金粉末的原料Mo的原料粉末(b)。
铁基粉末(a)希望是所谓的雾化铁粉。所谓雾化铁粉是把根据需要调整合金成分的钢水用水或气体喷雾得到的铁基粉末。雾化铁粉一般在雾化后在还原性气氛(例如氢气的气氛)中加热，进行减少铁粉中的C和O的处理。可是本发明的原料在铁基粉末(a)中不进行这样的热处理，可以使用所谓“雾化的原始状态”的铁粉。
此外无论所谓还原铁粉和电解铁粉、破碎铁粉等，只要成分合适都可以使用，没有任何问题。
作为Mo原料粉末(b)也可以使用作为目的的含Mo合金粉末，或可以还原成含Mo合金粉末的含Mo化合物。但是任一个都要除了Mo、Fe以外实质上不含其他元素。
作为Mo原料粉末(b)的含Mo合金粉末可以使用纯Mo金属粉末或把市售的钼铁制成粉末来使用。
此外作为含Mo化合物可以使用Mo的氧化物、Mo的碳化物、Mo的硫化物、Mo的氮化物或它们的复合化合物等。从容易得到和容易进行还原反应的观点，希望使用Mo的氧化物。此外含Mo的化合物要在粉末或经与铁基粉末混合和还原等处理粉末化的形态下使用。把含Mo化合物还原后得到的含Mo合金粉末的主要成分是Mo或Mo-Fe。
各种情况下把Mo原料粉末化的方法也可以使用粉碎、雾化处理等各种方法。
然后把上述铁基粉末(a)和Mo原料粉末(b)按规定比例混合(c)。混合(c)可以使用任何方法(例如亨舍尔混合机和圆锥形混合机)。
使Mo原料粉末(b)扩散附着的情况下，为了改善铁基粉末(a)和Mo原料粉末(b)的附着性能，也可以添加0.1质量％以下(相对于混合粉)范围的锭子油等。为了发挥锭子油的效果，希望添加0.005质量％以上。
进行扩散附着的情况下，使此混合物保持在高温下，利用在铁基粉末(a)和Mo原料粉末(b)的接触面使Mo扩散到铁中结合(热处理(d))，可以得到本发明的粉末冶金用合金钢粉(e)。
热处理(d)的气氛适合于还原性气氛，特别适合于含氢气的气氛、特别是氢气气氛。也可以在真空条件下进行热处理。此外适宜的热处理(d)温度为800～1000℃范围。
在把雾化铁粉直接作为铁基粉末(a)使用的情况下，由于C和O含量高，希望在热处理(d)中在还原性气氛下使C和O降低。利用此降低的作用使铁基粉末表面活化，这样即使在低温(800～900℃左右)也可靠地发生因含Mo合金粉末的扩散造成的附着。因此直接用雾化铁粉与预先进行降低C和O处理的雾化铁粉等相比，适合作为本发明合金钢粉原料的铁基粉末(a)使用。对于合金钢粉中适宜的C、O含量将在后面与其他成分一起叙述。
利用上述方法可以得到如图1所示的本发明的粉末冶金用合金钢粉。
不用说作为Mo原料粉末使用含Mo合金粉末的情况下，在含Mo合金粉末2和铁基粉末1之间发生扩散附着。
另一方面，使用含Mo的化合物的情况下，在含Mo化合物被还原后生成的含Mo合金粉末2和铁基粉末1之间发生扩散附着。以使用Mo的氧化物粉为具体例的情况下，在此热处理工序中Mo的氧化物在铁基粉末1表面上被还原成含Mo合金粉末2(Mo金属粉末)的形态。其结果，与把含Mo合金粉末2作为Mo原料粉末使用的情况相同，在还原生成的含Mo合金粉末2和铁基粉末1之间发生扩散附着。
从附着度的观点看，与作为Mo原料粉末使用含Mo合金粉末相比，更适于使用含Mo的化合物。原因是在热处理工序中被还原的含Mo合金粉末2的表面对于扩散反应是处于活性状态，所以向铁基粉末1的附着度好。
如图2中的分支所示，不进行利用热处理(d)的扩散附着，也可以采用粘结剂使含Mo合金粉末2附着在铁基粉末1表面(下面称为粘结附着(f))。
对粘结剂的材质没有特别的限定，可以使用硬脂酸锌、硬脂酸钙等的金属皂、亚乙基双硬脂酰胺、硬脂酸单酰胺等的酰胺类蜡等以前了解的粘结剂。特别是上述粘结剂也具有润滑的功能，适于使用，也可以使用像PVA(聚乙烯醇)、醋酸乙烯-乙烯共聚物、酚醛树脂那样的润滑功能不太高的粘结剂。其中所谓的润滑功能是指加压成形时的功能，是通过促进粉末再排列造成成形体密度提高和拔出性能改善的功能。
这些粘结剂通过加热到融点以上(包括共融点)熔融，可以使含Mo合金粉末附着在铁基粉末表面，但用粘结剂的附着并不限定此方法。例如也可以使用把粘结剂成分溶解到溶剂中，涂敷到铁基粉末和含Mo合金粉末上，使两者附着，此后使溶剂挥发的方法。
在使用金属皂等上述粘结剂的情况下，希望使用包括融点在80～150℃左右的粘结剂，加热到它们的融点以上，使含Mo合金粉末附着。
如上所述进行热处理(d)(包括扩散附着处理)的话，由于一般铁基粉末1和含Mo合金粉末2烧结成固态，所以要粉碎、分级成所需要的粒径，根据需要再进行退火，制成粉末冶金用合金钢粉(e)的产品。把粉末冶金用合金钢粉加压成形、烧结后得到的面压疲劳强度大多数情况下用扩散附着制造的方法优于把此合金钢粉用粘结附着制造的方法。
另一方面，用粘结附着制造的粉末冶金用合金钢粉(e)无须粉碎、分级。因此在制造成本上，用粘结附着制造的方法具有低成本的优点。
在铁基粉末1表面附着含Mo合金粉末2的方法要根据粉末冶金用合金钢粉的用途和规格，可以适当选择扩散附着或粘结附着中的某种方法。
从后面要详细说明的Mo附着度概念可以看出，以附着为目的添加或生成的含Mo合金粉末的一部分有时以不附着在铁基粉末表面的状态(所谓的游离状态)残留在合金钢粉中。希望这样的游离状态的含Mo合金粉末的量要少，如此前所述，其量的多少限定在不好的影响在一般附着处理生成的量的程度。
附着方法无须限定在上述的方法上，可以使用能得到与上述方法相当的Mo附着度的方法。
下面对本发明的粉末冶金用合金钢粉4中合金元素含量限定的原因进行说明。
在本发明的粉末冶金用合金钢粉4中，作为预合金(也就是预合金成分)在铁基粉末1中Mo含量[Mo]P为粉末冶金用合金钢粉4质量的0.2～1.5质量％。作为预合金的Mo含量即使超过1.5质量％，提高淬透性的效果不变，而且由于粉末冶金用合金钢粉4的颗粒硬化，使压缩特性降低，这是不希望的。从经济的观点看也是不利的。另一方面作为预合金的Mo含量小于0.2质量％的粉末冶金用合金钢粉4经成形、烧结后成为烧结体的情况下，此后即使进行淬火处理(例如渗碳处理和淬火)，在烧结体中也容易析出铁素体相。因此难以用对烧结体进行热处理来实现提高强度和提高面压疲劳强度。
作为预合金含在铁基粉末1中的Mn，在粉末冶金用合金钢粉4质量的0.5质量％以下。作为预合金的Mn含量超过0.5质量％的话，铁基粉末1的颗粒变硬，成形时密度难以提高。此外由于Mn与氧的亲和力强，造成烧结时氧化或气体渗碳时颗粒边界氧化，使面压疲劳强度降低。因此作为预合金含在铁基粉末1中Mn必须在0.5质量％。优选0.3质量％以下。
由于Mn有一定的强化作用，即使在上述范围内也可以，从材质上的原因看没必要设置下限。考虑工业上的制造成本，下限定为0.04质量％，但下限值也可以定为0.02质量％。
这样铁基粉末1成为含有以Mo和Mn预合金化的粉末，在此铁基粉末1表面扩散附着含Mo合金粉末2的、或用粘结附着的粉末是粉末冶金用合金钢粉4。本发明的粉末冶金用合金钢粉4还需要使作为预合金的Mo含量[Mo]P(质量％)和Mo的平均含量[Mo]T(质量％)满足下述(1)式。
0.05≤[Mo]T-[Mo]P≤0.8           ……(1)
式中[Mo]T-[Mo]P的实际含义是在铁基粉末1表面扩散附着或用粘结附着的Mo含量(忽略因游离状态的含Mo合金粉末的损失)，在扩散附着的情况下，以[Mo]T-[Mo]P表示扩散附着量，在粘结附着的情况下，以[Mo]T-[Mo]P表示添加量。下面在实施例之前也包括粘结附着的情况，把[Mo]T-[Mo]P作为扩散附着量进行说明。
使预合金成分在上述范围，再使Mo扩散附着量在(1)式范围的话，烧结体的面压疲劳强度提高。对于其原因发明人认为如下。
图3为示意表示用本发明的粉末冶金用合金钢粉制造的烧结体经常可以看到的组织特征的图示，下面把它称为“网状组织”。
也就是所谓的网状组织是如图3所示高Mo浓度相5在低Mo浓度6周围形成网状的组织。此低Mo浓度相6是以Mo、Mn预合金化的铁基粉末1为基础的烧结体的母相(所谓的基体)，为了区别于高Mo浓度相而称为低Mo浓度相。
此网状组织认为是由下述机理形成。即，通过用以Mo、Mn预合金化的铁基粉末1表面上扩散附着有含Mo合金粉末2的粉末冶金用合金钢粉4的成形体进行烧结，在铁基粉末1颗粒之间的烧结颈口部分，Mo变成高浓度。因此，烧结颈口部分为单相的α相，其结果，促进烧结，烧结颈口部分被强化。利用控制Mo扩散附着量在本发明的范围内，在烧结体中形成强韧性好的网状组织，此强韧化的网状组织使烧结体的面压疲劳强度提高。
所谓烧结颈口是烧结反应在烧结初期开始的部分，具体说是加压成形的粉末冶金用合金钢粉4之间靠近的部分。图5为示意表示烧结颈口部分7的断面图。在图5中仅表示了图中心的粉末冶金用合金钢粉4的烧结颈口部分。
可是用本发明的粉末冶金用合金钢粉得到的面压疲劳强度高的烧结体，也有时出现不能认为是网状组织的组织。即使在这种情况下，实际物体还是由与网状组织等效(高面压疲劳强度)的、由高Mo浓度层和低Mo浓度层构成的复合组织。这样的复合组织是网状组织微细化、不完整、或局部的，从外观看成为难以认为是网状组织的示例，对此没有必要限定。
下面也包括从外观上不能认为是网状组织，但高面压疲劳强度得到改善的情况，称为具有代表性组织的“网状组织”。
在Mo扩散附着量小于0.05质量％的情况下，认为没有充分生成高Mo浓度相5。另一方面，超过0.8质量％的话，即使强度高，面压疲劳强度也降低，认为这是由于高Mo浓度相5变脆所致。因此，Mo扩散附着量必须满足在粉末冶金用合金钢粉4的0.05～0.8质量％的范围内。特别适于在0.4质量％以下。
接着，含Mo合金粉末2的微细颗粒，优选均匀扩散附着(或用粘结剂附着)在铁基粉末1表面。没有均匀附着的情况下，在把粉末冶金用合金钢粉4科学扩散附着处理后粉碎时或搬运时，由于容易从铁基粉末1表面脱落，特别是游离形态的含Mo合金粉末容易增加。用这样状态的合金钢粉烧结成形体的情况下，如图4所示，脱落的含Mo合金粉末2聚积，形成粗大的高Mo浓度相8，存在有向从图3所代表的网状组织脱离的组织转移的倾向。因此为了提高烧结体的面压疲劳强度，要使含Mo合金粉末2均匀附着在铁基粉末1表面，希望减少因脱落产生的游离状态的含Mo合金粉末。
在本发明中，作为评价含Mo合金粉末2均匀附着特性的指标，引入Mo附着度的概念。计算Mo附着度时，以含在粒径45μm以下的粉末冶金用合金钢粉(下面称为细颗粒合金钢粉)中的Mo平均含量设为[Mo]S。[Mo]S是含在把粉末冶金用合金钢粉4筛分后分级的粒径在45μm以下的细颗粒合金钢粉的铁基粉末1和含Mo合金粉末2中的合计的Mo含量(质量％)，是相对于粉末冶金用合金钢粉4质量(整个细颗粒合金钢粉的质量)的比率。在本发明中筛分粉末时使用JIS Z 8801-1(2000年版)规定的标准筛。
用这样得到的[Mo]S和上述的Mo平均含量[Mo]T，用[Mo]S/[Mo]T计算的值为Mo附着度。
本发明人发现，对Mo附着度(＝[Mo]S/[Mo]T)超过1.5的粉末冶金用合金钢粉4进行烧结后，相当数量的含Mo合金粉末2脱落而聚积，形成高Mo浓度相8的可能性增加。因此，为了在烧结体上形成网状组织，提高面压疲劳强度，希望用下述(5)式表示的Mo附着度在1.5以下。最好在1.2以下。
[Mo]S/[Mo]T≤1.5       ……(5)
从(5)式可以导出(2)式。
[Mo]S≤1.5[Mo]T        ……(2)
其中，Mo附着度[Mo]S/[Mo]T高表示在筛分分级的粒径45μm以下的细颗粒合金钢粉中已经存在相当数量的游离状态的含Mo合金粉末。相反Mo附着度越接近1，游离状态的含Mo合金粉末越少，被评价为铁基粉末表面没有完全被附着。Mo附着度的下限值对应于实际上不存在游离状态的含Mo合金粉末，应该大体为1，由于测定上的误差和分布上的偏离，也可以使实际的下限值定为大约0.9。但是由于不希望Mo分布的偏离过大，更希望Mo附着度在1.0以上。
Mo附着度在1.2以下的情况下上述(2)式替换成下述(3)式，再使附着度在1.0以上的情况下替换成下述(4)式。
[Mo]S≤1.2[Mo]T                 ……(3)
1.0[Mo]T≤[Mo]S≤1.2[Mo]T       ……(4)
使含Mo合金粉末2的粒径平均在20μm以下的话，面压疲劳特性变得良好。认为这是因为含Mo合金粉末2的粒径平均超过20μm的话，如图4所示，非常容易生成粗大高Mo浓度相8，与网状组织最合适的状态相比有所恶化。因此，希望含Mo合金粉末2的粒径平均在20μm以下。另一方面，从操作的观点看，希望含Mo合金粉末2的粒径平均在1μm以上。再有含Mo粉末的平均粒径用JIS R 1629(1997年版)标准的激光衍射-散射法测定了粒径分布，使用体积基准的积分比例为50％的直径值。
即使形成网状组织的情况下，作为基体的铁基粉末中的Mn含量和Mo含量等不在本发明范围内的话，不用说会带来压缩特性降低、烧结体的面压疲劳强度降低等。
另一方面，在铁基粉末中添加Ni、V、Cu、Cr等的话，由于压缩特性显著降低，烧结体密度降低，所以面压疲劳强度显著恶化，是不希望的。
在现有技术中已经知道使含有与Mo类似的强化元素Ni的粉末和含Cu粉末在铁基粉末中扩散附着，用这些扩散附着中不能充分改善面压疲劳强度。在本发明人的调查中，认为这是因为用这些元素即使形成高Ni浓度层或高Cu浓度层的网状组织，从疲劳的观点看，这些高浓度层的强韧性都明显不足。
由于上述原因，当然希望要避免Ni和Cu向铁基粉末附着，避免在加压成形时作为合金元素添加。
另一方面，石墨(或也可以是其他含碳粉末)对于提高强度和提高疲劳强度是有效的，希望在加压成形前预先添加，添加混合换算成碳为0.1～1.0质量％左右(相对于混合后的合金钢粉的质量比，以下相同)左右的石墨粉末。此外可以添加约0.1～1质量％的MnS等作为在加压成形前混合的合金粉末。为了防止这些合金粉末的偏析，也可以附着在铁基粉末表面，但从成本的观点看不适于扩散结合，希望使用粘结剂。所述的成分范围是相对于混合后的合金钢粉和合金用粉末的合计质量的质量％。结果作为扩散附着的合金希望仅含Mo粉末。
含在铁基粉末和合金钢粉中的夹杂物可以例举的有C：约0.02质量％以下、O：约0.2质量％以下、N：约0.004质量％以下、Si：约0.03质量％以下、P：约0.03质量％以下、S：约0.03质量％以下、Al：约0.03质量％以下。夹杂物中本来不需要下限值，在工业上减低的界限(大体的值)如下。C：0.001质量％、O：0.02质量％、N：0.0001质量％、Si：0.005质量％、P：0.001质量％、S：0.001质量％、Al：0.001质量％。
此外，要规定上述不希望添加的Ni、V、Cu、Cr等元素夹杂物水平。具体说希望Ni：0.03质量％以下、V：0.03质量％以下、Cu：0.03质量％以下、Cr：0.02质量％以下。最好是在Ni：0.02质量％以下、V：0.02质量％以下、Cu：0.02质量％以下、Cr：0.01质量％以下。
希望除了以上所述的成分外，其余为铁。
下面对使用本发明的粉末冶金用合金钢粉制造烧结体时适合的条件进行说明。
首先，由于对添加的合金用粉末已经介绍过，所以不再进行详细说明，含碳粉末等是主要起强化作用的粉末，MnS等是主要起改善切削性能用的粉末。
加压成形时，也可以混合其他粉末状的润滑剂。此外，也希望在模具上涂敷或附着润滑剂。作为润滑剂无论什么目的都可以适当使用硬脂酸锌等的金属皂、亚乙基双硬脂酰胺等的酰胺类蜡等。混合润滑剂的情况下，相对粉末冶金用合金钢粉和合金用粉末合计重量100份，优选0.4～1.2重量份左右。
希望加压成形在400～1000MPa左右的压力下、在常温(约20℃)～约160℃的温度下进行。加压成形时模具也可以润滑。
希望烧结在1100～1300℃左右进行，特别是用费用低、可批量生产的网带炉希望尽可能在1160℃以下烧结。烧结温度最好在1140℃以下。此外，还希望在1120℃以上的温度下烧结。当然也可以用其他炉，例如也可以用盘形推进式的烧结炉。
得到的烧结体可以根据需要进行渗碳淬火(CQT)、光亮淬火(BQT)、高频淬火、渗碳氮化处理等的强化处理，即使不进行强化处理的情况下，与现有的烧结体(不进行强化处理的烧结体)相比，面压疲劳强度得到改善。进行淬火等的情况下，也可以再进行回火处理。
各种强化处理按通常做法进行。渗碳淬火的情况希望在碳势：0.6～1.2％左右、温度：800～950℃左右条件下渗碳后，淬火到约60℃以下(水淬或油淬均可)。所谓碳势表示在加热钢的气氛中的渗碳能力，是在渗碳温度下达到与渗碳用气体氛围平衡时的钢表面的碳浓度(质量％)。
另外，光亮淬火中，例如适合采用特开2001-181701号公报的段落[0031]中所述的方法和条件。
在高频淬火中，希望在高频感应加热到表层部约850～1100℃后，淬火到约60℃以下(水淬或油淬均可)。
在渗碳氮化处理中，希望使碳势为0.6～1.2％左右，在含氨气3～10％(体积比例)左右的气氛中，在750～950℃左右条件下渗碳氮化后，淬火到约60℃以下(水淬或油淬均可)。
得到的烧结体的成分，希望为C：0.6～1.2质量％、O：0.02～0.15质量％、N：0.001～0.7质量％。C、O、N以外的成分与加压成形前的混合粉末(粉末冶金用合金钢粉和混在其中的合金用粉末)的组成几乎相同。
如上所述，众所周知以使烧结体得到高强度为目的，单独添加Mo或与Ni等一起添加的技术。特别是从压缩特性的观点提出了以各种量的Mo为预合金或扩散附着，或一起使用的方案。可是没有提出像本发明这样单独添加Mo而不与Ni等一起添加使用，而且利用适当量的预合金和扩散附着进行组合，改善所得烧结体的面压疲劳特性的技术。
例如，特开2002-146403号公报中发表的技术在通常工艺(1次烧结、不进行加压烧结)的情况下，基体强度不足的坏影响超出了改善压缩特性的效果，改善面压疲劳强度不能达到本发明程度。
另一方面，特开2003-147405号公报等发表的技术中，由于添加Ni造成压缩特性降低，同时也引起面压疲劳强度恶化，不能得到足够的面压疲劳强度。
另外，在上述特公平7-51721号公报等发表的技术中，预合金仅用Mo，由于它的含量也不足以在设想网带炉的1120～1140℃左右的烧结温度下，使烧结颈口形成单相的α相，所以不能促进颗粒之间进行烧结。因此，烧结颈口部分不能被强化，不能得到高的面压疲劳强度。
[实施例]
下面用实施例进一步对本发明进行详细的说明，但本发明的粉末冶金用合金钢粉和它的用途不限定为下述的示例。
[实施例1]
把含规定量的Mo和Mn的钢水用水喷雾法喷雾，制成喷雾状态的铁基粉末。作为Mo原料粉末的MoO3粉末(平均粒径2.5μm)按规定比例添加到此铁基粉末中，用V型混合器混合15分钟。
把此混合粉末在露点为25℃氢气气氛中进行热处理(保持温度900℃，但是为了变更Mo附着度，No.13为800℃、No.14为700℃，保温时间都是1hr)，把MoO3粉末还原成Mo的金属粉末，同时在铁基粉末表面上扩散附着，制成粉末冶金用合金钢粉。从该粉末冶金用合金钢粉中取样，测定了所含的Mo量[Mo]T。其结果如表1所示。所有粉末冶金用合金钢粉的平均粒径都在70～90μm范围。
其中铁基粉末和粒径按照JIS Z 8815(1994版)记载的筛分试验方法求出粒径分布，积分筛下百分率(以质量为基准)50％的粒径为平均直径。
得到的合金钢残余成分是铁和不可避免的夹杂物(O：0.001～0.006质量％、Si：0.008～0.015质量％、P：0.006～0.010质量％、S：0.008～0.012质量％、Al：0.010～0.015质量％、N：0.0006～0.0018质量％、O：0.09～0.15质量％)。
[表1]
   试样No.                                     粉末冶金用合金钢粉             烧结体    备注
           铁基粉末    Mo扩散附着量*(质量％)    [Mo]T(质量％)   [Mo]S(质量％)     Mo附着度[Mo]S/[Mo]T     密度(Mg/m3)   面压疲劳强度(GPa)
[Mo]P(质量％) Mn预合金量(质量％)
    1     0.62     0.21     0     0.62      -      -     7.37     2.9   比较例
    2     0.62     0.21     0.2     0.82     0.83     1.01     7.36     3.9   发明例
    3     0.62     0.21     0.6     1.22     1.24     1.02     7.34     3.8
    4     0.62     0.21     0.8     1.42     1.46     1.03     7.34     3.8
    5     0.62     0.21     1.2     1.82     1.85     1.02     7.32     2.9   比较例
    6     0.21     0.19     0.4     0.61     0.66     1.08     7.38     3.9 发明例
    7     0.62     0.2     0.4     1.02     1.11     1.09     7.35     3.8
    8     1.03     0.21     0.4     1.43     1.56     1.09     7.34     3.6
    9     1.45     0.2     0.4     1.85     2.06     1.11     7.33     3.5
    10     1.79     0.19     0.4     2.19     2.50     1.14     7.26     2.9 比较例
    11     0.59     0.56     0.4     0.99     1.05     1.06     7.22     2.5
    12     0.31     0.20     0.2     0.51     0.52     1.02     7.36     3.9   发明例
    13     0.31     0.20     0.2     0.51     0.68     1.33     7.35     3.3
    14     0.31     0.20     0.2     0.51     0.81     1.59     7.32     3.1
    20     0.10     0.20     0.2     0.30     0.31     1.03     7.38     2.9   比较例
    21     0.62     0.45     0.15     0.77     0.80     1.04     7.33     3.5   发明例
*Mo扩散附着量＝[Mo]T-[Mo]P
表1中所示的Mo预合金量[Mo]P(质量％)、Mn预合金量(质量％)、Mo扩散附着量([Mo]T-[Mo]P)(质量％)都是相对于粉末冶金用合金钢粉质量的值。
把这些粉末冶金用合金钢粉筛分，分级出粒径45μm以下的细颗粒合金钢粉，从此细颗粒合金钢粉取样，测定了含在细合金钢粉中的Mo含量，记作[Mo]S。
试样No.2～4、6～9、12～14、21为Mo预合金量、Mn预合金量、Mo扩散附着量满足本发明的示例。试样No.1、5为Mo扩散附着量(＝[Mo]T-[Mo]P)脱离本发明范围的示例，试样No.10、20为Mo预合金量脱离本发明范围的示例，试样No.11为Mn预合金量脱离本发明范围的示例。
接着把加压成形用的模具加热到130℃之后，使用特开2002-327204号公报发表的诺信(ノ-ドソン)公司制造的装置，向模具喷雾硬脂酸锂，使模具内表面带电荷。
进而在No.1～14、20、21的粉末冶金用合金钢粉中，再添加0.5质量％的石墨和0.2重量份的硬脂酸锂，在V型混合机中混合15分钟。然后加热到130℃，填充到模具内，以686MPa的压力加压成形，制成直径60mm、厚6mm的小平板状成形体。
把此小平板状成形体进行烧结，制成烧结体。在烧结处理中，使气氛为RX气氛(N2-32体积％、H2-24体积％、CO-0.3体积％的CO2)，烧结温度为1130℃，烧结时间为20分钟。得到的烧结体在碳势为O.8％的气体中渗碳(保持温度870℃，保温时间60分钟)后，进行淬火(60℃的油淬火)和回火(200℃-60分钟)。关于烧结体的成分，表层的碳为0.75～0.8质量％，整体的C含量有一些增加。此外O含量稍稍减少，在0.05～0.12质量％范围，此外N含量有些增加，为0.01～0.02质量％范围。其他成分大体与原料组成相同。
测定了这些烧结体的密度(Mg/m3)和面压疲劳强度(GPa)。其结果一并示于表1。面压疲劳强度是进行6球式面压疲劳试验，从107次不产生凹痕的负荷中计算出最大接触应力，作为面压疲劳强度。凹痕是用加速度型振动监视器确认，加速度超过0.7G时判定产生凹痕。
6球式面压疲劳试验使用外径60mm、厚6mm的圆盘形试验片，用承载负荷的6个钢球在试验片表面转动的6球式转动疲劳试验机(所谓森式面压缩试验机)进行试验。把重复数为107次中的负荷作为疲劳负荷的载荷，按(6)式计算出最大接触应力，作为面压疲劳强度。烧结体的杨氏模量按(7)式根据密度确定。
σw＝0.62[P(EE’)2/r2(E+E’)2]1/3           ……(6)
σw：最大接触应力(GPa)
P ：试验钢球的负荷载荷(N)
R ：试验钢球的半径(4.7625mm)
E ：试验钢球的杨氏模量(210GPa)
E’：烧结体的杨氏模量(GPa)
E’＝-342+69.2ρ                            ……(7)
ρ：烧结体的密度(Mg/m3)
把发明例(试样No.2～4、6～9、12～14、21)和比较例(试样No.1、5、10、11、20)的面压疲劳强度进行对比，发明例为3.1～3.9GPa，而比较例为2.5～2.9GPa。因此，采用本发明的粉末冶金用合金钢粉的话，可以提高烧结体的面压疲劳强度。
发明例中Mo附着度(也就是[Mo]S/[Mo]T)超过1.5的试样No.14和Mo附着度在1.5以下的试样No.2～4、6～9、12～13、21的面压疲劳强度相比，试样No.14为3.1GPa，而试样No.2～4、6～9、12～13、21为3.3～3.9GPa。因此，通过使Mo附着度在1.5以下(也就是满足(2)式的范围)，可以使面压疲劳强度保持在高水平。进而，Mo附着度在1.2以下的试样No.12与同一组成的超过1.2的No.13相比，使面压疲劳强度得到大幅度改善。此外即使考虑成分的变动，根据表1，Mo附着度在大约1.1以下可以得到3.5GPa以上的面压疲劳强度(参照No.9)。
[实施例2]
把含规定量的Mo和Mn的钢水用水喷雾法喷雾，然后在氢气气氛中进行还原处理，再破碎制成铁基粉末。将作为含Mo合金粉末的Mo金属粉末(纯度99.9％，平均粒径5μm)按规定比例添加到此铁基粉末中，再添加1.0质量％的作为粘结剂的硬脂酸锌，加热到140℃的同时混合15分钟，把Mo金属粉末粘结附着在铁基金属表面，制成粉末冶金用合金钢粉。其中，硬脂酸锌的添加量(质量％)是相对于铁基粉末和Mo金属粉末合计质量(也就是粉末冶金用合金钢粉的质量)的比例。
得到的合金钢粉的其余组成与实施例1相同。
使用此粉末冶金用合金钢粉，进行与实施例1相同的从加压成形到回火的工序，制成烧结体，测定了密度和面压疲劳强度。其结果如表2所示。
[表2]
  试样No.                                  粉末冶金用合金钢粉           烧结体    备注
         铁基粉末   Mo金属粉末添加量**(质量％)     [Mo]T(质量％)     [Mo]S(质量％)     Mo附着度[Mo]s/[Mo]T      密度(Mg/m3)   面压疲劳强度(GPa)
[Mo]P(质量％) Mn预合金量(质量％)
    15     0.82     0.2     0     0.82     -     -     7.35     2.8   比较例
    16     0.82     0.2     0.2     1.02     1.04     1.02     7.35     3.7   发明例
    17     0.82     0.2     0.6     1.42     1.43     1.02     7.33     3.6
    18     0.82     0.2     0.8     1.62     1.69     1.04     7.32     3.5
    19     0.82     0.2     1.2     2.02     2.12     1.05     7.31     2.6   比较例
**Mo金属粉末添加量＝[Mo]T-[Mo]P
试样No.16～18为Mo预合金量、Mn预合金量、Mo金属粉末添加量满足本发明的示例。试样No.15、19为Mo金属粉末添加量(＝[Mo]T-[Mo]P)脱离本发明的示例。
对比发明例(试样No.16～18)和比较例(试样No.15、19)，烧结体密度显示同等水平的值，而面压疲劳强度为本发明的示例好。
但是以同等的Mo附着度相比的情况下，实施例1所示的扩散附着的发明例(No.2～4)得到的烧结体面压疲劳强度比实施例2所示的粘结附着的发明例高。
[实施例3]
用与实施例1相同的方法制造了表3所示的粉末冶金用合金钢粉，用同样的方法进行加压成形、烧结和随后的强化处理，用同样的方法对烧结体的特性进行评价。结果也示于表3。各试样仅在以下各点发生变化。
试样No.22、23：用与实施例2相同的Mo金属粉末(No.22)和钼铁粉末(组成：实质上为60质量％Mo-Fe，粒径为3.5μm)(No.23)替代作为Mo原料粉末的MoO3粉末。No.22和23不还原，但都在与实施例1相同的条件下进行附着处理。
试样No.24：在填充到模具内之前在以下条件下混合。在粉末冶金用合金钢粉中再添加0.3质量％的石墨、0.5质量％的改善切削性能的MnS和作为润滑剂的0.6重量份的亚乙基双硬脂酰胺，用V型混合机混合15分钟。此外，试样No.24省略了模具润滑。
对于No.22～24，得到的合金钢粉的粒径为80～90μm。相同粉末含有的夹杂物水平与实施例1相同。此外烧结体的组成除了在No.24添加的成分(添加量大体相同)以外，与实施例1相同。
试样No.25：在烧结后在以下条件下进行光亮淬火，来替代渗碳淬火处理。也就是在氩气中进行900℃-60分钟的加热处理，然后在60℃进行油淬火。此后，进行180℃-60分钟的回火。在填充到模具内前混合的石墨为0.8质量％，润滑条件(混合的润滑剂、模具润滑)与No.24相同。
试样No.26：烧结后在以下条件下进行高频淬火，来替代渗碳淬火处理。也就是以10kHz频率加热到900℃后淬入室温的水中。然后进行180℃-60分钟的回火。在填充到模具内前混合的石墨为0.8质量％，润滑条件(混合的润滑剂、模具润滑)与No.24相同。
试样No.27：烧结后在以下条件下进行渗碳氮化处理，来替代渗碳淬火处理。在碳势为0.8％、5体积％氨气的气氛条件下进行860℃-60分钟的加热处理，然后在60℃进行油淬火。此后，进行180℃-60分钟的回火。在填充到模具内前混合的石墨为0.15质量％，润滑条件(混合的润滑剂、模具润滑)与No.24相同。
关于No.25、26、27，得到的合金钢粉的粒径为80～90μm。另外，相同粉末含有的夹杂物水平与实施例1相同。关于烧结体的组成，No.25、26的C含量为0.7～0.75质量％，No.27的N含量为0.45～0.5质量％。另外，No.27随表层的C增加到0.15～0.8％，整体的C含量有一定增加。对于上述以外的成分，与实施例1相同。
[表3]
  试样No.                                    粉末冶金用合金钢粉            烧结体    备注
         铁基粉末    Mo扩散附着量**(质量％)    [Mo]T(质量％)     [Mo]S(质量％)     Mo附着度[Mo]s/[Mo]T     密度(Mg/m3)  面压疲劳强度(GPa)
[Mo]P(质量％) Mn预合金量(质量％)
    22     0.70     0.2     0.2     0.9     1.01     1.12     7.35     3.5 发明例
    23     0.51     0.08     0.6     1.11     1.22     1.10     7.37     3.7
    24     0.42     0.10     0.4     0.82     0.83     1.01     7.32     3.5
    25     1.20     0.08     0.3     1.50     1.53     1.02     7.33     3.2
    26     0.84     0.32     0.5     1.34     1.40     1.04     7.33     3.2
27 0.60 0.10 0.3 0.9 0.91 1.01 7.34 3.5
**Mo扩散附着量＝[Mo]T-[Mo]P
在省略了模具润滑，代之以增加混合润滑剂的No.24～27中，烧结体密度有所降低。此外，进行光亮淬火和高频淬火的No.25、26的面压疲劳强度，与渗碳淬火和渗碳氮化处理的情况相比，绝对值有一些下降。可是各种情况下通过适用本发明的合金钢粉，与现有技术相比可以看出明显的改善效果。

Claims (9)

1.一种粉末冶金用合金钢粉，在作为预合金元素含有0.5质量％以下的Mn，并作为预合金元素含有0.2～1.5质量％的Mo的铁基粉末表面，附着含Mo合金粉末，其中，Mo的平均含量[Mo]T(质量％)满足下述(1)式，
0.05≤[Mo]T-[Mo]P≤0.8        ……(1)
其中[Mo]P为作为预合金含在所述铁基粉末中的Mo含量(质量％)。
2.一种粉末冶金用合金钢粉，在作为预合金元素含有0.5质量％以下的Mn，并作为预合金元素含有0.2～1.5质量％的Mo的铁基粉末表面，扩散附着含Mo合金粉末，其中，Mo的平均含量[Mo]T(质量％)满足下述(1)式，
0.05≤[Mo]T-[Mo]P≤0.8        ……(1)
其中[Mo]P为作为预合金含在所述铁基粉末中的Mo含量(质量％)。
3.如权利要求2所述的粉末冶金用合金钢粉，其特征在于，所述含Mo合金粉末，是把含Mo的化合物在与所述铁基粉末混合的状态下还原而生成的。
4.一种粉末冶金用合金钢粉，在作为预合金元素含有0.5质量％以下的Mn，并作为预合金元素含有0.2～1.5质量％的Mo的铁基粉末表面，粘结附着含Mo合金粉末，其中，Mo的平均含量[Mo]T(质量％)满足下述(1)式，
0.05≤[Mo]T-[Mo]P≤0.8        ……(1)
其中[Mo]P为作为预合金含在所述铁基粉末中的Mo含量(质量％)。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的粉末冶金用合金钢粉，其中粒径在45μm以下的粉末冶金用合金钢粉中含有的Mo平均含量[Mo]S(质量％)满足下述(2)式，
[Mo]S≤1.5[Mo]T             ……(2)。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的粉末冶金用合金钢粉，其中粒径在45μm以下的粉末冶金用合金钢粉中含有的Mo平均含量[Mo]S(质量％)满足下述(3)式，
[Mo]S≤1.2[Mo]T          ……(3)。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的粉末冶金用合金钢粉，其中粒径在45μm以下的粉末冶金用合金钢粉中含有的Mo平均含量[Mo]S(质量％)满足下述(4)式，
1.0[Mo]T≤[Mo]S≤1.2[Mo]T  ……(4)。
8.如权利要求1～4中任一项所述的粉末冶金用合金钢粉，所述铁基粉末含有0.02质量％以上的作为预合金元素的Mn。
9.如权利要求5所述的粉末冶金用合金钢粉，所述铁基粉末含有0.02质量％以上的作为预合金元素的Mn。
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