JP2018123423A

JP2018123423A - 粉末冶金用混合粉、焼結体、および焼結体の製造方法

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Publication number: JP2018123423A
Application number: JP2017251991A
Authority: JP
Inventors: 小林　聡雄; Satoo Kobayashi; 聡雄小林; 中村　尚道; Naomichi Nakamura; 尚道中村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: CA3051387A1; JP6627856B2; US11414731B2; CA3051387C; CN110234448B; CN110234448A; KR102250915B1; SE543167C2; US20190390308A1; KR20190104571A; SE1950951A1

Abstract

【課題】部分拡散合金鋼粉よりも高い圧縮性を有し、高成形密度を得ることができる粉末冶金用混合粉を提供する。【解決手段】粉末冶金用混合粉であって、（ａ）Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鉄基粉末、および（ｂ）Ｍｏ：０．３〜４．５質量％、Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である合金鋼粉、を含有し、前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対する（ｂ）合金鋼粉の比率が５０〜９０質量％であり、前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対するＭｏの比率が０．２０質量％以上、２．２０質量％未満である、粉末冶金用混合粉。【選択図】なし

Description

本発明は、粉末冶金用混合粉（mixed powder for powder metallurgy）に関し、特に圧縮性（compressibility）に優れた粉末冶金用混合粉に関する。また、本発明は、前記粉末冶金用混合粉を用いた焼結体（sintered body）、および焼結体の製造方法に関する。

粉末冶金技術は、複雑な形状の部品を、製品形状に極めて近い形状に成形（いわゆるニアネットシェイプ成形）でき、しかも高い寸法精度で製造できる手法であり、粉末冶金技術によれば切削コストを大幅に低減することができる。そのため、粉末冶金製品が各種の機械や部品として、多方面に利用されている。

さらに、最近では、部品の小型化、軽量化のために、粉末冶金製品の強度の向上が強く要望されており、特に、鉄基粉末プレス成形製品や鉄基粉末焼結製品に対する高強度化の要求が強い。

この高強度化の要求に応じるため、鉄基粉末に対して焼入れ性向上などの効果を有する合金元素を添加することが行われている。例えば、原料粉の段階で合金元素を加えた粉末として、（１）予合金鋼粉（pre-alloyed steel powder）や（２）部分拡散合金鋼粉（partially diffusion-alloyed steel powder）が知られている。

（１）予合金鋼粉は、予め合金元素を完全に合金化した粉末である。この予合金鋼粉を用いることにより、合金元素の偏析が完全に防止できるため、焼結体の組織が均一となる。そしてその結果、プレス成形製品や焼結製品としたときの機械的特性を安定化させることができる。しかしながら、完全合金化は粉末の粒全体にわたって固溶硬化を生じさせるため、粉末の圧縮性が低く、その結果、プレス成形の際に成形密度が上がりにくいという問題があった。

（２）部分拡散合金鋼粉は、純鉄粉や予合金鋼粉の表面に各合金元素粉末を部分的に付着拡散させた粉末である。部分拡散合金鋼粉は、合金元素の金属粉末またはその酸化物等を、純鉄粉や予合金鋼粉と混合し、非酸化性または還元性の雰囲気の下で加熱して、前記純鉄粉や予合金鋼粉の表面に合金元素粉末を拡散接合することにより製造される。部分拡散合金鋼粉によれば、組織を比較的均一とすることができるため、上記（１）予合金鋼粉を用いた場合と同様に製品の機械的特性を安定化させることができる。さらに、部分拡散合金鋼粉は、その内部には合金元素を含まないかまたは合金元素の量が少ない部分を有しているため、（１）予合金鋼粉に比べてプレス成形の際の圧縮性に優れている。

上記予合金鋼粉や部分拡散合金鋼粉で使われる基本的な合金成分としては、焼入れ性を向上させる効果を有するＭｏが広く用いられている。焼入れ性向上効果を有する合金元素としては、Ｍｏ以外にも、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ等が知られているが、これらの元素の中ではＭｏが比較的酸化しにくいため、合金鋼粉の製造が容易であるからである。例えば、Ｍｏを合金元素として添加した溶鋼を水アトマイズ法で粉末とし、通常の水素雰囲気での仕上げ還元を施せば、容易に予合金鋼粉を製造できる。また、Ｍｏ酸化物を純鉄粉や合金鋼粉と混合して、通常の水素雰囲気での仕上げ還元を施せば、容易に部分拡散合金鋼粉を製造できる。

このように焼入れ性向上効果を有するＭｏを添加することにより、焼入れ処理の際にフェライトの生成が抑制され、ベイナイトまたはマルテンサイトが生成し、母相が変態強化される。さらに、Ｍｏは、母相に分配して母相を固溶強化するとともに、母相中で微細炭化物を形成して母相を析出強化する。また、Ｍｏは、ガス浸炭性が良く非粒界酸化元素であるため、浸炭強化する作用も有している。

Ｍｏを使用した合金鋼粉の例としては、例えば、特許文献１および２が挙げられる。

特許文献１では、合金元素としてＭｏを含有する予合金鋼粉の表面に、さらにＭｏを拡散付着させた合金鋼粉が提案されている。

特許文献２では、Ｍｏ予合金鋼粉を用いる際に、焼結体強度をさらに向上させるために、２回成形２回焼結法を適用することが提案されている。２回成形−２回焼結法では、合金鋼粉を一旦成形、予備焼結した後、再度、成形と本焼結が行われる。

特許第４３７１００３号公報特開平０４−２３１４０４号公報

しかしながら、鉄基粉末プレス成形製品や鉄基粉末焼結製品に対する高強度化の要求はますます強くなっており、上記した特許文献１や特許文献２で提案されている方法では、この高強度化の要求に十分に応えることができない。その理由は次の通りである。

鉄基粉末プレス成形製品や鉄基粉末焼結製品を高強度化するための一つの方策は高密度化である。高密度化することにより、鉄粉粒の再配列が進んで成形品内部の空孔体積率が減少し、鉄粉粒同士が接触して絡み合う面積が増加するため、鉄基粉末プレス成形品や鉄基粉末焼結品の引張強さ、衝撃値、疲れ強さなどの機械的特性が向上する。そして、鉄基粉末焼結品や鉄基粉末プレス成形品を高密度化するためには、プレス成形の原料となる合金鋼粉の圧縮性を上げて、成形密度が上がりやすくすればよい。

そこで、特許文献１では、部分拡散合金鋼粉が用いられている。先に述べたように、部分拡散合金鋼粉は、その粒子の内部に合金元素を含まないかまたは合金元素の量が少ない部分（以下、「低合金部分」という）を有しているため、予合金鋼粉に比べてプレス成形の際の圧縮性に優れている。前記低合金部分の割合を高めれば圧縮性をさらに向上させることができると考えられるが、焼入れ性などの特性を所望の範囲とするためにはある程度の量の合金元素を拡散付着させる必要があるため、低合金部分の割合を一定以上増やすことはできず、したがって、十分な圧縮性を確保することができない。

さらに、特許文献１の部分拡散合金鋼粉に対して特許文献２の２回成形−２回焼結法を適用したとしても、１回目の焼結で合金元素の拡散が進んでしまうため、２回目の成形での圧縮性が不十分となるため、やはり十分な圧縮性を得ることができない。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、従来の部分拡散合金鋼粉よりも高い圧縮性を有し、高成形密度を得ることができる粉末冶金用混合粉を提供することを目的とする。また、本発明は、前記粉末冶金用混合粉を用いた焼結体およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために検討を行った結果、以下の知見を得た。

部分拡散合金鋼粉において高圧縮性が発現する根源は、該部分拡散合金鋼粉を構成する粒子の内部に存在する低合金部分、すなわち、合金元素を含まないまたは合金元素が少ない部分である。前記低合金部分では、合金元素による固溶強化が小さく、プレス成形の際に変形が容易である。逆に、粒子の表面には合金元素が拡散付着しているため、合金元素濃度が高く、変形しにくい。

上記のように、部分拡散合金鋼粉は、表面が変形しにくく内部が変形しやすい性質を有している。このような粒子の内部構造を有していることで、部分拡散合金鋼粉は予合金粉よりも粒子の再配列が起こりやすいので、成形密度が上がりやすい。しかし、実際に合金鋼粉を成形する際の状態を考えれば分かるように、粒子間の隙間を埋めて粒子を再配列させるためには、粒子の内部よりも表面が、周囲に存在する粒子の形状に合わせて変形できることが望ましい。

しかしながら、予合金鋼粉および部分拡散合金鋼粉のいずれにおいても、粒子表面には合金成分が含まれるため、上記のような粒子表面が柔らかい状態を実現することはできない。

そこで、本発明者らは、粒子表面を柔らかくすることに代えて、Ｍｏを含有しない鉄基粉末と、Ｍｏを含有する合金鋼粉を混合して使用することに想到した。硬度の低い、Ｍｏを含有しない鉄基粉末を併用することにより、通常の１回成形においてもプレス成形の際の圧縮性が上がり、さらに２回成形−２回焼結法においても、１回目の焼結で合金元素が拡散してもＭｏを含まない部分が十分残るため、２回目の成形においても高圧縮性が維持される。しかし、Ｍｏを含有しない鉄基粉末の配合量が少なすぎるとこのような効果が不十分となり、逆に多すぎると機械的特性が低下する。

以上の知見に基づき、圧縮性と機械的特性を両立できる条件について種々検討を重ねた結果、本発明に想到した。すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。

１．粉末冶金用混合粉であって、
（ａ）Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鉄基粉末、および
（ｂ）Ｍｏ：０．３〜４．５質量％、Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である合金鋼粉、
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対する（ｂ）合金鋼粉の比率が５０〜９０質量％であり、
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対するＭｏの比率が０．２０質量％以上、２．２０質量％未満である、粉末冶金用混合粉。

２．前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対する（ｂ）合金鋼粉の比率が７０〜９０質量％である、上記１に記載の粉末冶金用混合粉。
３．さらに、
（ｃ）Ｃｕ粉、および
（ｄ）黒鉛粉、
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｃ）Ｃｕ粉の比率が０．５〜４．０質量％であり、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｄ）黒鉛粉の比率が０．２〜１．０質量％である、
上記１または２に記載の粉末冶金用混合粉。

４．さらに、
（ｅ）潤滑剤
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｅ）潤滑剤の比率が０．２〜１．５質量％である、
上記３に記載の粉末冶金用混合粉。

５．上記１〜４のいずれか一項に記載の粉末冶金用混合粉を成形、焼結した焼結体。

６．上記１〜４のいずれか一項に記載の粉末冶金用混合粉を成形し、焼結して焼結体とする、焼結体の製造方法。

本発明の粉末冶金用混合粉は、従来の部分拡散合金鋼粉よりも圧縮性に優れており、通常の１回成形−１回焼結法だけでなく２回成形−２回焼結法においても高い成形密度を有するプレス成形品を得ることができる。また、本発明によれば、高い強度を有する焼結体を得ることができる。

本発明を実施する方法について具体的に説明する。なお、以下の説明における「％」表記は、特に断らない限り「質量％」を表す。

本発明の一実施形態における粉末冶金用混合粉（以下、単に「混合粉」と言う場合がある）は、（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉を必須成分として含有する。

（ａ）鉄基粉末
上記鉄基粉末としては、Ｓｉ：０〜０．２％およびＭｎ：０〜０．４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鉄基金属粉末を使用する。前記鉄基粉末は、（ｂ）合金鋼粉と混合することによってプレス成形時の圧縮性を確保する作用を有している。そのため、前記鉄基粉末はできるかぎり柔らかいことが望ましい。鉄基粉末中にＦｅ以外の元素が含まれていると圧縮性低下の原因となるため、前記鉄基粉末としては、Ｆｅおよび不可避不純物からなる鉄粉（「純鉄粉」ともいう）を用いることが好ましい。

なお、一般的な鉄基粉末には不純物としてＳｉおよびＭｎが含有される。ＳｉおよびＭｎは固溶強化により強度を向上させる効果に加え、焼入れ性向上効果を有する元素である。そのため、ＳｉおよびＭｎが含まれている場合、プレス成形品を焼結する際の冷却条件や焼入れ・焼き戻しなどの条件によっては、焼結体の強度が向上し、逆に有利に働く場合がある。以上の理由から、前記鉄基粉末は、ＳｉおよびＭｎの一方または両方を、以下に述べる範囲で含有することが許容される。

Ｓｉ：０〜０．２％
Ｓｉは、焼入性向上、固溶強化などによって、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、鉄基粉末におけるＳｉ含有量が０．２％を超えると酸化物の生成が多くなり、圧縮性が低下するとともに、前記酸化物が焼結体での破壊の起点となって、疲労強度および靱性を低下させる。したがって、鉄基粉末のＳｉ含有量は０．２％以下とする。一方、上述したように、圧縮性の観点からはＳｉ含有量が低い方がよく、したがって、Ｓｉ含有量は０％であってもよい。よって、鉄基粉末のＳｉ含有量は０％以上とする。

Ｍｎ：０〜０．４％
Ｍｎも、Ｓｉと同様、焼入性向上、固溶強化などによって、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、鉄基粉末におけるＭｎ含有量が０．４％を超えると酸化物の生成が多くなり、圧縮性が低下するとともに、前記酸化物が焼結体での破壊の起点となって、疲労強度および靱性を低下させる。したがって、鉄基粉末のＭｎ含有量は０．４％以下とする。一方、上述したように、圧縮性の観点からはＭｎ含有量が低い方がよく、したがって、Ｍｎ含有量は０％であってよい。よって、鉄基粉末のＭｎ含有量は０％以上とする。

上記鉄基粉末に含まれる不可避的不純物（Ｓｉ、Ｍｎを除く）の量は特に限定されないが、合計で１．０質量％以下とすることが好ましく、０．５質量％以下とすることがより好ましく、０．３質量％以下とすることがさらに好ましい。不可避的不純物として含まれる元素のうち、Ｐの含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量は、０．０１０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は、０．２０％以下とすることが好ましい。Ｎ含有量は、０．００１５％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．００１％以下とすることが好ましい。Ｍｏ含有量は、０．０１０％以下とすることが好ましい。

（ｂ）合金鋼粉
上記合金鋼粉としては、Ｍｏ：０．３〜４．５％、Ｓｉ：０〜０．２％およびＭｎ：０〜０．４％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である合金鋼粉を使用する。前記合金鋼粉は、合金元素であるＭｏを供給する役割を有している。このＭｏを含有する（ｂ）合金鋼粉と、Ｍｏを含まない（ａ）鉄基粉末とを混合して用いることにより、粉末の優れた圧縮性と、焼結体の高い機械的強度とを高い水準で両立させることができる。

Ｍｏ：０．３〜４．５％
先に述べたように、Ｍｏは酸化しにくく、Ｆｅと同程度に還元しやすいため、比較的容易にＭｏを含有する合金鋼粉を製造できる。Ｍｏは、焼入れ性向上効果によって焼入れ処理の際に母相を変態強化する作用に加えて、母相に分配して母相を固溶強化する作用、および母相中で微細炭化物を形成して母相を析出強化する作用を有している。また、Ｍｏは浸炭性が良く非粒界酸化元素であるため、浸炭強化する作用も有している。そのため、Ｍｏは強化元素として非常に有用である。

ただし、本発明では、鉄基粉末と合金鋼粉とが混合して用いられるため、粉末冶金用混合粉全体としてのＭｏ含有量は元の合金鋼粉よりも低くなる。例えば、粉末冶金用混合粉が鉄基粉末および合金用粉末のみからなる場合、後述するように合金鋼粉の比率が５０〜９０％であるため、混合粉全体のＭｏ含有量は合金鋼粉におけるＭｏ含有量の１／２〜９／１０となる。このことを考慮し、合金鋼粉のＭｏ含有量は０．３％以上とする。Ｍｏ含有量が０．３％未満であると上記のようなＭｏの強化元素としての効果を十分に得ることができない。一方、合金鋼粉のＭｏ含有量が４．５％を超えると靭性が低下する。そのため、合金鋼粉のＭｏ含有量は４．５％以下とする。

Ｍｏ以外の合金元素は基本的には使用しないので、合金鋼粉のＭｏ以外の残部はＦｅおよび不可避的不純物とすることができる。なお、一般的な合金鋼粉には不純物としてＳｉおよびＭｎが含有される。先にも述べたように、ＳｉおよびＭｎは固溶強化により強度を向上させる効果に加え、焼入れ性向上効果を有する元素である。そのため、ＳｉおよびＭｎが含まれている場合、プレス成形品を焼結する際の冷却条件や焼入れ・焼き戻しなどの条件によっては、焼結体の強度が向上し、逆に有利に働く場合がある。以上の理由から、前記合金鋼粉は、ＳｉおよびＭｎの一方または両方を、以下に述べる範囲で含有することが許容される。

Ｓｉ：０〜０．２％
Ｓｉは、焼入性向上、固溶強化などによって、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、合金鋼粉におけるＳｉ含有量が０．２％を超えると酸化物の生成が多くなり、圧縮性が低下するとともに、前記酸化物が焼結体での破壊の起点となって、疲労強度および靱性を低下させる。そのため、合金鋼粉のＳｉ含有量は０．２％以下とする。一方、上述したように、圧縮性の観点からはＳｉ含有量が低い方がよく、したがって、Ｓｉ含有量は０％であってもよい。よって、合金鋼粉のＳｉ含有量は０％以上とする。

Ｍｎ：０〜０．４％
Ｍｎも、Ｓｉと同様、焼入性向上、固溶強化などによって、鋼の強度を向上させる効果を有する元素である。しかし、合金鋼粉におけるＭｎ含有量が０．４％を超えると酸化物の生成が多くなり、圧縮性が低下するとともに、前記酸化物が焼結体での破壊の起点となって、疲労強度および靱性を低下させる。そのため、合金鋼粉のＭｎ含有量は０．４％以下とする。一方、上述したように、圧縮性の観点からはＭｎ含有量が低い方がよく、したがって、Ｍｎ含有量は０％であってよい。よって、合金鋼粉のＭｎ含有量は０％以上とする。

上記合金鋼粉に含まれる不可避的不純物（Ｓｉ、Ｍｎを除く）の量は特に限定されないが、合計で１．０質量％以下とすることが好ましく、０．５質量％以下とすることがより好ましく、０．３質量％以下とすることがさらに好ましい。不可避的不純物として含まれる元素のうち、Ｐの含有量は０．０２０％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量は、０．０１０％以下とすることが好ましい。Ｏ含有量は、０．２０％以下とすることが好ましい。Ｎ含有量は、０．００１５％以下とすることが好ましい。Ａｌ含有量は０．００１％以下とすることが好ましい。

上記合金鋼粉としては、特に限定されることなく、上記成分組成を有するものであれば任意のものを用いることができる。例えば、前記合金鋼粉は、予合金鋼粉および部分拡散合金鋼粉の一方または両方とすることができる。また、前記部分拡散合金鋼粉としては、鉄粉（純鉄粉）の表面に合金元素を拡散付着させたもの、および予合金鋼粉の表面に合金元素を拡散付着させたものの一方または両方を用いることができる。

合金鋼粉の比率：５０〜９０％
（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計質量に対する（ｂ）合金鋼粉の質量の比率（以下、単に「合金鋼粉の比率」という）は、５０〜９０％とする。合金鋼粉の比率が５０％未満、すなわち鉄基粉末の比率が５０％を超えると、焼結体内部で強度の低い鉄基粉末部分がつながり、焼結体が応力を受けたときに強度の低い部分を亀裂が進展し、破断に至りやすくなる。そのため、合金鋼粉の比率を５０％以上とする。一方、合金鋼粉の比率が９０％を超える、すなわち鉄基粉末の比率が１０％未満になると、圧縮性に寄与する軟らかい部分が少なくなってしまうことになり、混合粉全体の圧縮性が不足する。したがって、合金鋼粉の比率を９０％以下とする。さらに、前記合金鋼粉の比率が８０％程度のときに焼結体の引張強さが最大になる傾向があることから、前記合金鋼粉の比率は７０〜９０％とすることが好ましい。

Ｍｏの比率：０．２０％以上、２．２０％未満
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計質量に対するＭｏの質量の比率（以下、単に「Ｍｏの比率」という）が０．２０％未満であると、Ｍｏが有する強化元素としての効果が不十分となる。そのため、Ｍｏの比率は０．２０％以上とする。一方、Ｍｏの過度の添加は合金コストの上昇を招くため、Ｍｏの比率は２．２０％未満とする。

本発明の一実施形態における粉末冶金用混合粉は、（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉のみからなるもの（鉄基粉末＋合金鋼粉：１００％）とすることができるが、任意の他の成分を含有することもできる。しかし、混合粉全体の質量に対する（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計質量の比率が過度に低くなると、焼結体の機械的特性が低下する。そのため、混合粉全体の質量に対する（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計質量の比率は９０％以上とすることが好ましく、９５％以上とすることが好ましい。

本発明の一実施形態においては、上記粉末冶金用混合粉に、さらに（ｃ）Ｃｕ粉および（ｄ）黒鉛粉を添加することができる。Ｃｕ粉および黒鉛粉を添加することにより、焼結体の強度をさらに向上させることができる。

（ｃ）Ｃｕ粉
Ｃｕは、鉄基粉末の固溶強化および焼入れ性向上を促し、焼結体の強度を高める作用を有する元素である。Ｃｕ粉の添加量が０．５％未満では、前記作用を十分に得ることができないため、Ｃｕ粉の添加量を０．５％以上とする。Ｃｕ粉の添加量は１．０％以上とすることが好ましい。一方、Ｃｕ粉の添加量が４．０％を超えると、焼結部品の強度向上効果が飽和するばかりでなく、かえって焼結密度の低下を招く。そのため、Ｃｕ粉の添加量を４．０％以下とする。Ｃｕ粉の添加量は３．０％以下とすることが好ましい。なお、ここで「Ｃｕ粉の添加量」とは、（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計質量に対する（ｃ）Ｃｕ粉の質量の比率とする。

（ｄ）黒鉛粉
黒鉛（グラファイト）は、強度を高めるために有効な成分である。黒鉛粉の添加量が０．２％未満では、前記効果を十分に得ることができない。そのため、黒鉛粉の添加量を０．２％以上とする。黒鉛粉の添加量は０．３％以上とすることが好ましい。一方、黒鉛粉の添加量が１．０％を超えると、過共析によるセメンタイトの析出量が増加して強度の低下を招く。そのため、黒鉛粉の添加量を１．０％以下とする。黒鉛粉の添加量は０．８％以下とすることが好ましい。なお、ここで「黒鉛粉の添加量」とは、（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計質量に対する（ｄ）黒鉛粉の質量の比率とする。

本発明の一実施形態においては、上記粉末冶金用混合粉に、さらに（ｅ）潤滑剤を添加することができる。潤滑剤を添加することにより、粉末冶金用混合粉をプレス成形する際の摩擦を低減して金型の寿命を延ばしたり、成形体の密度をさらに高めたりすることができる。

（ｅ）潤滑剤
潤滑剤の添加量が０．２％未満では、上記効果が表れにくい。そのため、潤滑剤の添加量を０．２％以上とする。潤滑剤の添加量は０．３％以上とすることが好ましい。一方、潤滑剤の添加量が１．５％を超えると、混合粉の中の非金属部分が増えて成形密度が上がりにくくなり、強度が低下する。そのため、潤滑剤の添加量を１．５％以下とする。潤滑剤の添加量は１．２％以下とすることが好ましい。なお、ここで「潤滑剤の添加量」とは、（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計質量に対する（ｅ）潤滑剤の質量の比率とする。

前記潤滑剤としては、特に限定されることなく任意のものを用いることができる。前記潤滑剤としては、例えば、脂肪酸、脂肪酸アミド、脂肪酸ビスアミド、および金属石鹸からなる群より選択される１または２以上を用いることができる。中でも、ステアリン酸リチウム、ステアリン酸亜鉛などの金属石鹸、またはエチレンビスステアロアミドなどのアミド系潤滑剤を用いることが好ましい。

なお、混合粉に潤滑剤を添加・混合する方法以外に、金型に直接潤滑剤を塗布する方法も用いることができ、また、両者を組み合わせる方法も用いることができる。

本発明の一実施形態においては、上記粉末冶金用混合粉を用いて焼結体を製造することができる。前記焼結体の製造方法は特に限定されず、任意の方法で製造することができるが、通常は、粉末冶金における常法に従って、粉末冶金用混合粉をプレス成形して成形体とし、次いで、焼結すればよい。

上記成形体の密度（「成形密度」と言う場合がある）は、特に限定されないが、十分な機械的特性（靭性など）を確保するという観点からは、７．００Ｍｇ／ｍ³以上とすることが好ましい。また、焼結体に求められる引張強さはその用途などによっても異なるが、引張強さ：５００ＭＰａ以上であることが好ましい。

（実施例１）
ＳｉおよびＭｎを、不可避不純物としてのみ含有する鉄基粉末および合金鋼粉を用いて粉末冶金用混合粉を製造し、その性能を評価した。具体的な手順は以下のとおりである。

（ａ）鉄基粉末は、水アトマイズ法で製造した鉄粉に対して、脱炭および脱酸のために、水素雰囲気にて９００℃で６０分間の仕上還元処理を施し、得られたケーキを解砕することにより製造した。得られた鉄基粉末の成分組成を表１に示す。なお、表１に示した各元素は、いずれも鉄基粉末中に不可避不純物として含有されているものである。

（ｂ）合金鋼粉としては、予合金鋼粉と複合型合金鋼粉の２種類を用いた。予合金鋼粉は、水アトマイズに供する溶湯としてＭｏを含有するものを用いた点以外は上記鉄基粉末と同様の方法で製造した。これにより、合金元素としてのＭｏがすべて予合金として添加された合金鋼粉を得た。得られた合金鋼粉の成分組成を表１に示した。

複合型合金鋼粉は、上記予合金鋼粉と同様の方法により、１．５質量％のＭｏを含有する予合金鋼粉を製造し、得られた予合金鋼粉の表面にさらにＭｏを拡散付着させることによって製造した。前記拡散付着においては、前記予合金鋼粉を、０．４質量％、０．７質量％、１．０質量％、１．４質量％、２．３質量％、５．４質量％のＭｏ含有量に相当するＭｏＯ₃粉と、それぞれ混合し、水素雰囲気にて９００℃で６０分間熱処理した。前記熱処理により、予合金鋼粉を脱炭・脱酸するとともに、ＭｏＯ₃の還元により生じるＭｏを予合金鋼粉に拡散付着させた。前記処理によって得たケーキを解砕することにより、予合金鋼粉の表面にＭｏが拡散付着した複合型合金鋼粉とした。得られた複合型合金鋼粉の成分組成を表１に合わせて示した。

次に、得られた（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉を、表２に示す組み合わせと割合で、Ｖ型ミキサーにより１５分間混合し、鉄基粉末と合金鋼粉の混合粉を得た。なお、（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の混合割合は、前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対するＭｏの比率が０．３質量％および２．０質量％になることを狙ったものであり、Ｍｏの比率の計算値を表２に合わせて示している。

次いで、上記鉄基粉末と合金鋼粉の混合粉に、さらに、Ｃｕ粉、黒鉛粉、Ｗａｘ系潤滑剤粉末を、表２に示した割合で添加し、Ｖ型ミキサーにより１５分間混合し粉末冶金用混合粉を得た。なお、Ｎｏ．１〜３においては、Ｃｕ粉および黒鉛粉を用いず、潤滑剤のみを添加した。

得られた粉末冶金用混合粉の特性を、以下の手順で評価した。

・プレス成形体の密度
粉末冶金用混合粉のそれぞれを用いて、試験片としてのプレス成形体を作成し、その密度を評価した。前記プレス成形体は、外径３８ｍｍφ×内径２５ｍｍφ×高さ１０ｍｍのリング状とし、成形圧力は６８６ＭＰａとした。得られた成形体の重量を測定し、寸法から算出される体積で除することによって密度を求めた。結果は表２に示したとおりであった。

・焼結体の引張強さ
粉末冶金用混合粉のそれぞれから引張試験片としての焼結体を作成し、引張強さを測定した。前記引張試験片は、粉末冶金用混合粉を、幅５．８ｍｍ×高さ５ｍｍの平行部を有する引張試験片に成形し、ＲＸガス雰囲気で１１３０℃にて２０分間の焼結処理を行って作製した。結果を表２に合わせて示した。

表２に示した結果から、鉄基粉末の混合割合が増えるとともに、成形密度は増加し、引張強さは一旦増加した後減少する傾向が認められる。そして、本発明の条件を満たす実施例では、７．００Ｍｇ／ｍ³以上の成形密度および５００ＭＰａ以上の引張強さが得られている。これに対して、鉄基粉末の混合割合が０質量％の場合、混合粉Ｍｏ含有量が０．３０質量％のときでは引張強さが５００ＭＰａに到達しておらず、混合粉Ｍｏ含有量が１．９１質量％のときでは成形密度が７．００Ｍｇ／ｍ³に到達していない。また、純鉄粉の混合割合が７０質量％以上の場合、混合粉Ｍｏ含有量が０．３１質量％および２．０６質量％いずれのときも引張強さが５００ＭＰａに到達していない。

（実施例２）
Ｍｎを含有する鉄基粉末および合金鋼粉を用いた点以外は実施例１と同様の方法で粉末冶金用混合粉を製造し、その性能を評価した。使用した鉄基粉末および合金鋼粉の組成を表３に、各成分の配合割合と評価結果を表４に示す。

表４に示した結果から分かるように、実施例１の場合と同様、鉄基粉末の混合割合が増えるとともに、成形密度が増加し、引張強さは一旦増加した後減少する。そして、本発明の条件を満たす実施例では、７．００Ｍｇ／ｍ³以上の成形密度および５００ＭＰａ以上の引張強さが得られている。

（実施例３）
ＳｉおよびＭｎを含有する鉄基粉末および合金鋼粉を用いた点以外は実施例１と同様の方法で粉末冶金用混合粉を製造し、その性能を評価した。使用した鉄基粉末および合金鋼粉の組成を表５に、各成分の配合割合と評価結果を表６に示す。

表６に示した結果から分かるように、実施例１、２の場合と同様、鉄基粉末の混合割合が増えるとともに、成形密度が増加し、引張強さは一旦増加した後減少する。そして、本発明の条件を満たす実施例では、７．００Ｍｇ／ｍ³以上の成形密度および５００ＭＰａ以上の引張強さが得られている。また、ＳｉおよびＭｎの一方または両方を含有する原料粉末を用いた実施例２、３では、高い成形体の密度を維持したまま、実施例１に比べて焼結体の引張強さが向上していることが分かる。このことから、強度を重視する場合には、ＳｉおよびＭｎの一方または両方を添加することが好ましいといえる。

Claims

粉末冶金用混合粉であって、
（ａ）Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である鉄基粉末、および
（ｂ）Ｍｏ：０．３〜４．５質量％、Ｓｉ：０〜０．２質量％およびＭｎ：０〜０．４質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物である合金鋼粉、
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対する（ｂ）合金鋼粉の比率が５０〜９０質量％であり、
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対するＭｏの比率が０．２０質量％以上、２．２０質量％未満である、粉末冶金用混合粉。
前記（ａ）鉄基粉末および（ｂ）合金鋼粉の合計に対する（ｂ）合金鋼粉の比率が７０〜９０質量％である、請求項１に記載の粉末冶金用混合粉。
さらに、
（ｃ）Ｃｕ粉、および
（ｄ）黒鉛粉、
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｃ）Ｃｕ粉の比率が０．５〜４．０質量％であり、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｄ）黒鉛粉の比率が０．２〜１．０質量％である、
請求項１または２に記載の粉末冶金用混合粉。
さらに、
（ｅ）潤滑剤
を含有し、
前記（ａ）鉄基粉末、（ｂ）合金鋼粉、（ｃ）Ｃｕ粉、および（ｄ）黒鉛粉の合計に対する（ｅ）潤滑剤の比率が０．２〜１．５質量％である、
請求項３に記載の粉末冶金用混合粉。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の粉末冶金用混合粉を成形、焼結した焼結体。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の粉末冶金用混合粉を成形し、焼結して焼結体とする、焼結体の製造方法。