JP6222189B2 - 粉末冶金用合金鋼粉および焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、部分合金鋼粉を用いたNiを含まない粉末冶金用合金鋼粉に関し、自動車用高強度焼結部品の製造に好適な粉末冶金用合金鋼粉であって、焼結したときに焼結密度が上がりやすく、浸炭・焼入れ・焼戻しの処理の後の引張強さと靭性（衝撃値）、さらには疲労強度が従来よりも向上しやすい粉末冶金用合金鋼粉およびそれを用いた焼結体に関する。特に、浸炭・焼入れ・焼戻し処理後の引張強さで1000MPa以上が得られる焼結体を対象とする。

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（いわゆるニアネット形状）で、しかも高い寸法精度で製造することができる。よって、粉末冶金技術を用いて部品を作成すると、大幅な切削コストの低減が可能となる。このため、粉末冶金技術を適用した粉末冶金製品は、各種の機械用部品として、多方面に利用されている。

かかる粉末冶金技術には、鉄基粉末が主に用いられる。鉄基粉末は、成分に応じて、鉄粉（例えば純鉄粉等）や、合金鋼粉等に分類される。また、鉄基粉末は、その製法から見た分類もあって、アトマイズ鉄粉や、還元鉄粉等と称される。そして、この分類を用いる場合、鉄粉は、純鉄粉のみならず合金鋼粉を含む広い意味で用いられる。

そして、この鉄基粉末を用いて、成形体を作製する。成形体は、一般に、鉄基粉末に、Cu粉・黒鉛粉などの合金用粉末と、ステアリン酸、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤を混合して鉄基粉末混合粉としたのち、これを金型に充填して、加圧成形することによって製造される。

ここで、通常の粉末冶金工程で得られる成形体の密度は、6.6〜7.1 Mg/m³程度が一般的である。これら成形体は、その後に焼結処理が施されて焼結体となり、さらに必要に応じてサイジングや切削加工が施されて、粉末冶金製品とされる。
また、さらに高い強度が必要な場合は、焼結後に浸炭熱処理や光輝熱処理が施されることもある。

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いる。特に、鉄基粉末から造られる鉄基粉末製品（鉄基焼結体）に対する高強度化の要求が強い。

ここで、鉄基粉末は、原料粉の段階で、合金元素を加えた粉末として、
(1) 純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉、
(2) 各元素を完全に合金化した予合金鋼粉、
(3) 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部分拡散合金鋼粉（複合合金鋼粉ともいう）
等が知られている。

上記(1)に記載された、純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉は、純鉄粉並みの高圧縮性を確保できるという利点がある。
しかしながら、焼結に際し、各合金元素がFe中に十分に拡散せずに不均質組織のままとなって、高強度化に必要な基地強化を達成できない場合があった。また、Feよりも活性の金属であるMn，Cr，ＶおよびSiなどを混合する場合は、焼結雰囲気や浸炭雰囲気中におけるCO₂濃度や露点を低く厳密に制御しないと、焼結体が酸化して、高強度化に必要な低酸素量化を図れないという問題があった。
このために、上記(1)に記載された純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉は、近年の高強度化の要求に対応できず、使用されない状態に至っている。

他方、上記(2)に記載された各元素を完全に合金化した予合金鋼粉は、合金元素の偏析が完全に防止できるため組織が均一化できる。そのため、機械的特性が安定化するのに加えて、Mn，Cr，ＶおよびSiなどを合金元素として使用する場合も合金元素の種類と量を限定することによって、低酸素量化を達成できる利点がある。
しかしながら、予合金鋼粉は、溶鋼をアトマイズして製造するために、溶鋼のアトマイズ工程での酸化と完全合金化による固溶硬化を生じ易く、プレス成形の際に圧粉体密度が上がりにくいという問題があった。

上記(3)に記載された部分拡散合金鋼粉は、純鉄粉や予合金鋼粉に各元素の金属粉末を配合し、非酸化性または還元性の雰囲気の下で加熱して、純鉄粉や予合金鋼粉の表面に各金属粉末を部分的に拡散接合して製造することから、上記(1)の鉄基混合粉や上記(2)の予合金鋼粉の問題を回避しつつ、上記(1)の鉄基混合粉および上記(2)の予合金鋼粉の良い点を組み合わせることができる。

すなわち、上記(3)に記載された部分拡散合金鋼粉は、低酸素量化と純鉄粉並みの高圧縮性とを確保することができ、さらには、完全合金相と部分的な濃化相とからなる複合組織となるため基地強化が可能となる。それ故、部分拡散合金鋼粉は、近年の部品の高強度化の要求に対応することが可能であり、その開発が広く行われている。

ここに、上記の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、NiおよびMoが挙げられる。
Niは、焼入れ処理を施しても焼入れ組織にはならない未変態のオーステナイト相を金属組織中に多く残留させることによって、部品の靭性を改善するとともに、母相を固溶強化する効果を持つことが知られている。

これに対して、Moは、焼入れ性を上げる効果をもつため、焼入れ処理の際にフェライトの生成を抑制し、ベイナイトまたはマルテンサイトを生成しやすくすることによって母相を変態強化するだけでなく、母相に分散して母相を固溶強化し、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、非粒界酸化元素なので浸炭強化する作用もある。

これらの合金成分を含む部分拡散合金鋼粉を使用した高強度焼結部品用の混合粉の例としては、例えば、特許文献１に、Ni：0.5〜４mass％、Mo：0.5〜５mass％を部分合金化した合金鋼粉にさらに、Ni：１〜５mass％、Cu：0.5〜４mass％、黒鉛粉：0.2〜0.9mass％を混合した高強度焼結部品用混合粉が示されている。

また、Niを含まず、かつ高密度の鉄系焼結体として、特許文献２には、平均粒径が１〜18μmの鉄系粉末に、平均粒径が１〜18μmのCu粉を100：(0.2〜５)の重量比で混合して成型、焼結する鉄系焼結体の製造方法が開示されている。

この技術では、通常よりも極端に小さい平均粒径の鉄系粉末を使用することによって、焼結体密度が7.42g/cm³以上という通常ではあり得ないほど高い焼結体密度を得ることを可能にしている。

特許第３６６３９２９号公報 特開平４−２８５１４１号公報

しかしながら、発明者らの考察の結果、上記した特許文献１に記載の混合粉を使用した焼結材料や特許文献２に記載の方法により得られる焼結材料は、いずれにおいても次のような問題点があることが分かった。
すなわち、特許文献１に記載の焼結材料では、最低でも1.5mass％のNiを含んでおり、その実施例から分かるとおり、実質的には３mass％以上のNiを含んでいる。それ故、特許文献１に記載の焼結材料で800MPa以上の高強度を得るためには、このように３mass％以上といった多量のNiが必要となることを意味する。

さらに、浸炭・焼入れ・焼戻し処理後で1000MPa以上の高強度材を得ようとした場合にも同様に３mass％あるいは４mass％といった多量のNiが必要であると考えられる。しかしながら、Niは、近年の環境対応やリサイクル性の観点からは不利な元素であり、できるだけ使用を避けることが望ましい。そればかりか、数mass％のNiの添加はコストの点でも極めて不利である。

さらに、Niを合金元素として使用すると、鉄粉や鋼粉にNiを十分に拡散させるために長時間の焼結が必要となり、金属組織の不均一を生じる原因となるという問題がある。

他方、特許文献２に記載の焼結材料では、Niの添加はないものの、使用している鉄系粉末の平均粒径が１〜18μmと通常よりも小さい。このように粒径が小さいと、粉末の流動性が悪くなり、プレス成型に際して、粉末を金型充填するときの作業効率が低くなるといった問題がある。

さらに、近年では、安全性向上の観点から、高い疲労強度が求められてきている。しかしながら、上記した従来技術では、十分な疲労強度を得ることが難しい。

本発明では、上記した現状に鑑み、金属組織の不均一を生じる原因となるNiを一切使用しないNiを含まない成分系でありながら、その粉末のプレス成形品を焼結し、さらに浸炭・焼入れ・焼戻しした部品の機械的特性がNi添加品と同等以上の引張強さや靭性、疲労強度、焼結密度をもつ粉末冶金用合金鋼粉を、その合金鋼粉を用いた焼結体と共に提供することを目的とする。

さて、発明者等は、上記の目的を達成するために、Niを含まない粉末冶金用合金鋼粉の合金成分およびその添加手段について種々検討を重ねた。その結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、粉末冶金用合金鋼粉を、Niを一切使用しない代わりに、Moを部分合金化した鉄粉を使用するとともに、平均粒径等を制御したCu粉を黒鉛粉と共に混合した粉末冶金用合金鋼粉とした。すると、その合金鋼粉のプレス成形品を焼結し、さらには浸炭・焼入れ・焼戻しした部品の機械的特性は、Ni添加品と同等以上の、引張強さや、靭性、疲労強度が発現することが分かった。

ここで、Moは、焼結熱処理の際にはフェライト安定化元素として働き、Moが多い部分の近傍ではフェライト相を生じて鉄粉どうしの焼結を進め、焼結体の焼結密度を上げる働きを担う。

また、Cuは、焼結処理の際に溶融して鉄粉粒の間に浸透して、鉄粉の粒子間距離を押し広げるため、成形体のサイズに比べて焼結体のサイズが大きくなる（Cu膨張）。このCu膨張が発現すると焼結体密度は低下することになる。このCu膨張による密度低下が大きいと、焼結体の強度や靭性の低下につながる不利がある。
しかしながら、発明者らは、このときに使用するCu粉について、その平均粒径を25μm以下に小さくするなど、特定の形状に制限すると、上記Cu膨張が効果的に抑制されて、焼結体密度の低下が抑制されるだけでなく、むしろ焼結体密度が向上する場合があることを見出した。

そして、同時に、使用する鉄基粉末の平均粒径を30μm以上に制御すると、合金鋼粉の流動性が向上こと、また、アトマイズ法により製造された鉄基粉末を用いると、疲労強度の向上が、併せて実現できること、が分った。
本発明は、上記の知見に基づくものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鉄基粉末にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉と、Cu粉および黒鉛粉とを含むFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉であって、
Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記鉄基粉末の平均粒径が30〜120μmであって、かつ前記Cu粉の平均粒径が25μm以下である、ことを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。

２．鉄基粉末にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉と、Cu粉および黒鉛粉とを含むFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉であって、
Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記鉄基粉末の平均粒径が30〜120μmであって、かつ前記Cu粉は扁平形状をしたCu粉であって該Cu粉の厚さをｄ（μm）、長径をL（μm）とした時、L≦−2ｄ＋50 の関係を満足する、ことを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。

３．鉄基粉末にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉と、Cu粉および黒鉛粉とを含むFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉であって、
Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
前記鉄基粉末の平均粒径が30〜120μmであって、かつ前記Cu粉は、平均粒径：25μm以下のCu粉と、扁平形状をしたCu粉で粉体の厚さをｄ（μm）、長径をL（μm）とした時、L≦−2ｄ＋50の関係を満足するCu粉との混合である、ことを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。

４．前記１〜３のいずれかに記載の粉末冶金用合金鋼粉を用いた焼結体。

本発明によれば、Niを一切使用しない成分系でありながら、その粉末のプレス成形品を焼結し、さらに浸炭・焼入れ・焼戻しした部品の機械的特性が、Ni添加品と同等以上の引張強さや靭性、疲労強度、さらには焼結密度をもつ焼結体を製造できる、粉末冶金用合金鋼粉が得られる。
また、本発明によれば、通常の焼結法であっても安価で高強度と高靭性を兼ね備えた焼結体（鉄基焼結体）を得ることができる。
さらに、本発明によれば、合金鋼粉の流動性に優れるので、プレス成型に際して、粉末を金型充填するときの作業効率が向上するという効果が得られる。

本発明に従う扁平形状Cu粉末を模式的に示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、適正な平均粒径をもつ鉄基粉末の表面にMo含有粉末を拡散付着させた部分拡散合金鋼粉（以下、部分合金鋼粉ともいう）に対し、後述する平均粒径の範囲等、所定の形状を持つ適量のCu粉と共に、黒鉛粉を混合してなる粉末冶金用合金鋼粉である。

上記した粉末冶金用合金鋼粉を、常法のプレス成形により成形体とし、さらに常法の焼結を施すことによって、本発明に従う焼結体は得られる。この際、成形体の鉄基粉末粒子間の焼結ネック部に、Moの濃化部が形成されることで焼結が促進し、しかも焼結は、Cu膨張が抑制された上で進むため、焼結体の密度は増加する。

この様に焼結体密度が増加すると、強度と靭性はともに向上するが、従来材のようなNiを使用した焼結体とは異なり、本発明の焼結体は、金属組織が均一なために、強度や靭性のばらつきが小さい機械的特性が得られる。

以下、本発明における限定理由について説明する。なお、以下に示す「％」は質量％を意味し、Mo量、Cu量、および黒鉛粉量は、粉末冶金用合金鋼粉に対するそれぞれの含有比率を意味するものとする。

鉄基粉末の平均粒径は30〜120μmとする。平均粒径が30μmを下回ると、鉄基粉末そのものや、これを使用して作製した混合粉の流動性が悪くなって、製造効率などの点に支障をきたす。一方、120μmを超えると、焼結の際の駆動力が弱くなって、粗大な鉄粉粒の周囲に粗大な空孔が形成されてしまい、焼結密度の低下をもたらし、焼結体や浸炭・焼入れ・焼戻し後の強度や靭性を低下させる原因となる。
したがって、本発明において、鉄基粉末の適正な平均粒径の範囲は30〜120μmに限定する。好ましくは40〜100μmの範囲であり、さらに好ましくは50〜80μmの範囲である。なお、本発明において平均粒径とは、メジアン径（いわゆるd₅₀、体積基準）のことである。

ここで、鉄基粉末には、アトマイズ生粉、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉などが挙げられるが、本発明に用いる鉄基粉末は、アトマイズ法により製造された鉄基粉末、すなわち、アトマイズ生粉および／またはアトマイズ鉄粉が好ましい。

本発明に用いる鉄基粉末は、溶鋼をアトマイズし、乾燥、分級し、脱酸処理（還元処理）や脱炭処理などのための熱処理を加えていないアトマイズ生粉、アトマイズ生粉を還元雰囲気下で還元したアトマイズ鉄粉のいずれでもよい。アトマイズ生粉やアトマイズ鉄粉の見掛密度としては、2.0Mg/m³から3.5Mg/m³程度であればよい。より好ましくは、2.5〜3.2Mg/m³である。また、アトマイズ生粉やアトマイズ鉄粉の比表面積としては、0.005m²/g程度以上であればよい。より好ましくは、0.01m²/g以上である。
ここで、見掛密度とは、JIS Z 2504の試験方法で測定され、求められるものである。

本発明において、拡散付着させるMo量は、粉末冶金用合金鋼粉に対し0.2〜1.5％の比率とする。0.2％を下回ると、焼入れ性向上効果が少なく、強度向上効果も少ない。一方、1.5％を超えると、焼入れ性向上効果は飽和し、むしろ焼結体の組織の不均一性が高まるため、高強度や高靭性が得られなくなる。したがって、拡散付着させるMo量は0.2〜1.5％とする。好ましくは0.3〜1.0％であり、さらに好ましくは0.4〜0.8％である。

Mo原料粉末としては、Mo含有粉末そのものを用いても良いし、あるいはMo含有粉末に還元可能なMoの化合物を用いてもよく、Moの純金属粉末をはじめとして、酸化Mo粉末、あるいはFe-Mo（フェロモリブデン）粉末などのMo合金粉末が有利に適合する。また、Moの化合物としては、Mo炭化物、Mo硫化物およびMo窒化物などが好適である。

ついで、上記した鉄基粉末とMo原料粉末を、前述した比率、すなわち、粉末冶金用合金鋼粉に対して、Mo量が0.2〜1.5％となるように混合する。混合方法については、特に制限はなく、例えばヘンシェルミキサーやコーン型ミキサーなどを用いて、常法に従い行うことができる。

さらに、上記（鉄基粉末＋Mo原料粉末）の混合粉を高温で保持し、鉄基粉末とMo原料粉末との接触面において、Moを鉄中に拡散させて接合する熱処理を施すことによって、Moの部分合金鋼粉が得られる。
上記熱処理の雰囲気としては、還元性雰囲気や水素含有雰囲気が好適であり、とりわけ水素雰囲気が適している。なお、上記熱処理は、大気圧で行っても構わないし、減圧下または真空下としても良い。また、好適な熱処理の温度は800〜1000℃の範囲である。

上述のようにして、熱処理すなわち拡散付着処理を行った場合、通常は、鉄基粉末とMo含有粉末が焼結して固まった状態となっているので、所望の粒径に粉砕・分級を行う。すなわち、所望の粒径になるように、必要に応じて粉砕条件の強化、あるいは、所定の目開きの篩での分級による粗粉の除去を行う。さらに、必要に応じて、さらに焼鈍を施してもよい。なお、部分合金鋼粉の最大粒径は、180μm以下が好ましい。
というのは、180μmを超える粗大粒は、浸炭焼入れ時に粒子中心までＣが到達するのに時間が掛かるため、浸炭焼入-焼戻後の組織を不均一にしてしまうためである。

本発明において、部分合金鋼粉の残部は、鉄および不可避不純物である。部分合金鋼粉に含有される不純物としては、Ｃ、Ｏ、ＮおよびＳ等が挙げられるが、これらの含有量は、部分合金鋼粉に対しそれぞれ、Ｃ：0.02％以下、Ｏ：0.3％以下、Ｎ：0.004％以下、Ｓ：0.03％以下であれば特に問題はないが、Ｏは0.25％以下がより好ましい。なお、不可避不純物量がこれらの範囲を超えると、部分合金鋼粉の圧縮性が低下してしまい、十分な密度を有する予備成形体に圧縮成形することが困難となる。

本発明では、焼結体を浸炭・焼入れ・焼戻した後に1000MPa以上の引張強さを得る目的で、上記で得られた部分合金鋼粉にCu粉および黒鉛粉（黒鉛などの炭素粉末）を添加する。

Cuは、鉄基粉末の固溶強化、焼入れ性向上を促し、焼結部品の強度を高める有用元素である。しかし、その一方で、使用するCu粉の粒度について言えば、鉄基系の粉末冶金で用いられるものとして一般的な平均粒径である28〜50μm程度のものを使用すると、溶融したCuが鉄粉の粒子間に溶浸して焼結後の部品の体積を膨張させ、焼結体密度を低下させてしまう。このような焼結体密度の低下を抑制するには、平均粒径：25μm以下のCu粉を使用する必要がある。好ましくは、10μm以下であり、さらに好ましくは５μm以下の平均粒径のCu粉を使用するのがよい。また、Cu粉の平均粒径の下限に特に制限はないが、Cu粉の製造コストを無用に上げないために0.5μm程度が好ましい。
なお、本発明で、Cu粉の平均粒子径とはCu粉の一次粒子のメジアン径のことを指す。

本発明におけるCu粉の平均粒子径は、以下の手法によって求めることができる。
本発明のように平均粒子径が45μm以下の粉末は、篩分けによる平均粒子径の測定が困難なため、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置による粒子径の測定を行う。かかる測定装置としては堀場製作所製：LA-950V2などがある。もちろん、他のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を使用しても構わないが、正確な測定を行うために、測定可能粒子径の範囲の下限が0.1μm以下、上限が45μm以上のものを用いるのが好ましい。

前記測定装置では、Cu粉を分散させた溶媒に対してレーザー光を照射して、レーザー光の回折、散乱強度からCu粉の粒度分布および平均粒子径を測定する。Cu粉を分散させる溶媒としては、粒子の分散性が良く、扱いが容易であるエタノールを用いるのが好ましい。なお、水などのファンデルワールス力が高く、分散性の低い溶媒を用いると、測定中に粒子が凝集し、本来の平均粒子径よりも粗い測定結果が得られるので好ましくない。

Cu粉を投入したエタノール溶液に対しては、測定前に超音波による分散処理を実施するのが好ましい。対象とする粉末によって、適正な分散処理時間が異なるため、測定は分散処理時間を0〜60minの間で種々に変更して数回実施する。
測定中は粒子の凝集を防ぐために、溶媒を撹拌しながら測定を行う。種々に分散処理時間を変更して測定を行った結果のうち、最も低い値をCu粉の平均粒子径として用いる。

また、上記Cu粉は、上記平均粒径が25μmを超えるものであっても、所定の扁平形状をしていれば、前記した焼結体密度の低下を抑制し得る。すなわち、扁平形状をした粉末の厚さをｄ（μm）、長径をL（μm）とした時、L≦−2ｄ＋50の関係を満足するものであれば良い。なお、上記ｄの下限に特に制限はないが、Cu粉の製造コストを無用に上げないために0.05μm程度が好ましい。また、上記ｄの上限に特に制限はないが、12.5μm程度が好ましい。

さらに、上記した平均粒径25μm以下のCu粉と、上記所定の扁平形状をしたCu粉、すなわち、L≦−2ｄ＋50の関係を満足するCu粉とを混合した混合Cu粉であっても良い。なお、混合Cu粉における、それぞれのCu粉の混合比率は特に限定されることはない。

ここで、本発明における扁平形状をした粉末とは、厚さ方向（最も扁平率が小さい（真円に近い）面に垂直な方向）の径（長さ）が、拡がり方向（最も扁平率が小さい面方向）の径に比べて小さい平板状の粒子からなる粉末のことである。本発明では、図１に示すように、一次粒子の厚さ方向の径（長さ）を厚さ：dと、拡がり方向の径のうち最も長い部分の長さを長径：Lと定義する。

また、本発明における扁平形状をした粉末の厚さと長径は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によってCu粒子を観察し、ランダムに選択した100個以上の粒子に対して粒子の厚さdと長径Lを計測すれば代表値と評価できる。これらdとLには分布があるので、それぞれの平均値をもって改めて本発明に用いる厚さdと長径Lを算出する。

以上述べた形状にCu粉を制限すると、Cu膨張が抑制されて、焼結体密度の低下が小さくなるか、むしろ焼結体密度が向上する。

さらに、Cu粉の添加量が0.5％に満たないと、上述したCu添加の有用な効果が現れにくい。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、焼結体密度の低下を招く。したがって、Cu粉の添加量は0.5〜4.0％の範囲に限定する。好ましくは1.0〜3.0％の範囲である。

黒鉛粉は、高強度化および高疲労強度化に有効であるので、前記した部分合金鋼粉に含有される不純物としてのＣとは別に、0.1〜1.0％を合金鋼粉に添加して混合する。添加量が0.1％に満たないと上述の高強度化等の効果を得ることができない。一方、添加量が1.0％を超えると過共析になるため、セメンタイトが析出して強度の低下を招く。したがって、黒鉛粉の添加量は0.1〜1.0％の範囲に限定する。なお、添加する黒鉛粉の平均粒径は、１〜50μm程度の範囲が好ましい。

また、本発明では、Moを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉に、上記したCu粉および黒鉛粉を混合してFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉とするのであるが、その混合方法は、粉体混合の常法に従って行えばよい。

さらに、焼結体の段階で、切削加工などによりさらに部品形状を作り込む必要がある場合には、MnSなどの切削性改善用粉末の添加を常法に従い適宜行うことができる。

次に、本発明の粉末冶金用混合粉を用いて焼結体を製造する際に好適な成形条件、焼結条件について説明する。
本発明の粉末冶金用合金鋼粉を用いた加圧成形に際しては、他に、粉末状の潤滑剤を混合することができる。また、金型に潤滑剤を塗布あるいは付着させて成形することもできる。いずれの場合であっても、潤滑剤として、ステアリン酸亜鉛やステアリン酸リチウムなどの金属石鹸、エチレンビスステアリン酸アミドなどのアミド系ワックスおよびその他公知の潤滑剤のいずれもが好適に用いることができる。なお、潤滑剤を混合する場合は、粉末冶金用合金鋼粉：100質量部に対して、0.1〜1.2質量部程度とすることが好ましい。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉を加圧成形し成形体を製造するに際しては、400〜1000MPaの加圧力で行うことが好ましい。加圧力が400MPaに満たないと得られる成形体の密度が低くなって、焼結体の強度等、諸特性が低下する。一方、1000MPaを超えると金型の寿命が極端に短くなって、経済的に不利になる。なお、加圧成形の際の温度は、常温（約20℃）〜約160℃の範囲とすることが好ましい。

また、上記成形体の焼結は、1100〜1300℃の温度域で行うことが好ましい。焼結温度が1100℃に満たないと焼結が進行しなくなって、所望の引張強さ(1000MPa以上)が得られなくなる。一方、1300℃を超えると焼結炉の寿命が短くなって、経済的に不利になる。なお、焼結時間は10〜180分の範囲とすることが好ましい。

かかる手順に従い、本発明に従う合金鋼粉を用いて上記焼結条件で得られた焼結体は、同じ成形体密度であっても、高い焼結体密度が得られる。

また、得られた焼結体には、必要に応じて、浸炭焼入れや、光輝焼入れ、高周波焼入れ、浸炭窒化処理等の強化処理を施すことができるが、これら強化処理を施さない場合であっても、本発明に従う粉末冶金用合金鋼粉を用いた焼結体は、従来の強化処理を施さない焼結体に比べて強度および靭性が改善されている。なお、各強化処理は常法に従って施せば良い。

以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明するが、 本発明は、以下の例だけに限定されるものではない。
鉄基粉末には、見掛密度：2.50〜3.05Mg/m³のアトマイズ生粉および還元鉄粉を用いた。
この鉄基粉末に、酸化Mo粉末（平均粒径：10μm）を所定の比率で添加し、Ｖ型混合機で15分間混合したのち、露点：30℃の水素雰囲気中で熱処理（保持温度：880℃、保持時間：１ｈ）して、鉄基粉末の表面に表１に示す所定量のMoを拡散付着させた部分合金鋼粉を作製した。
ついで、これらの部分合金鋼粉に対して、表１に示す平均粒径と量のCu粉、同じく表１に示す量の黒鉛粉（平均粒径：５μm）を添加し、さらに、得られた粉末冶金用合金鋼粉：100質量部に対してエチレンビスステアリン酸アミドを0.6質量部添加したのち、Ｖ型混合機で15分間混合した。その後、密度7.0g/cm³に加圧成形して、長さ：55mm、幅：10mm、厚さ：10mmのタブレット状成形体（各々10個）、長さ：80mm、幅：15mm、厚さ：15mmのタブレット状成形体（各々10個）、および外径：38mm、内径：25mm、厚さ：10mmのリング状成形体を作製した。
このタブレット状成形体およびリング状成形体に焼結を施して、焼結体とした。この焼結は、プロパン変性ガス雰囲気中にて、焼結温度：1130℃、焼結時間：20分の条件で行った。
リング状焼結体については、外径、内径、厚さの測定および質量測定を行い、焼結体密度（Mg/m³）を算出した。
長さ：55mm、幅：10mm、厚さ：10mmのタブレット状焼結体については、各々５個をJIS Z 2241で規定される引張試験に供するため平行部径：５mmの丸棒引張試験片に加工し、また、各々５個をJIS Z 2242で規定されるシャルピー衝撃試験に供するため焼結したままのタブレット状形状とした。また、長さ：80mm、幅：15mm、厚さ：15mmのタブレット状成形体については、回転曲げ疲労試験に供するため平行部8mm、長さ15.4mmの平滑丸棒試験片に加工し、いずれもカーボンポテンシャル：0.8mass％のガス浸炭（保持温度：870℃、保持時間：60分）を行い、続いて焼入れ（60℃、油焼入れ）および焼戻し（保持温度：180℃、保持時間：60分）を行った。
これらの浸炭・焼入れ・焼戻し処理を施した丸棒引張試験片、平滑丸棒試験片およびシャルピー衝撃試験用タブレット状試験片を、JIS Z 2241で規定される引張試験およびJIS Z 2242で規定されるシャルピー衝撃試験および小野式回転曲げ疲労試験きによる疲労試験に供して、引張強さ（MPa）および衝撃値（J/cm²）を測定し、試験数ｎ＝５での平均値を求めた。
測定結果を表１に併記する。
なお、判定基準は以下のとおりである。
（１）粒子の厚さdと長径L
扁平形状をした粉末の厚さと長径は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）によってCu粒子を観察し、ランダムに選択した100個以上の粒子に対して粒子の厚さdと長径Lを計測した。これらdとLには分布があるので、それぞれの平均値をもって実施例の厚さdと長径Lとした。
（２）鉄粉流れ性（流動性）
試験粉：100gを径：５mmφのノズルを通して、停止することなく全量流れきったものを合格（○）、全量あるいは一部が停止して流れなかったものを不合格（×）と判定した。
（３）焼結体密度
焼結体密度は、6.89Mg/m³以上で合格（○）、6.89Mg/m³未満で不合格（×）と判定した。
（４）引張強さ
浸炭・焼入れ・焼戻し処理を施した丸棒引張試験片についての引張強さが1000MPa以上で合格（○）、1000MPa未満で不合格（×）と判定した。
（５）衝撃値
浸炭・焼入れ・焼戻し処理を施したシャルピー衝撃試験用タブレット状試験片についての衝撃値が14.5J/cm²以上で合格（○）、14.5J/cm²未満で不合格（×）と判定した。
（６）疲労試験
小野式回転曲げ疲労試験機による疲労試験を、回転数：3000rpm、応力比：R=-1の条件で実施し、繰り返し数10⁷回において破壊しない最大の応力を疲労強度とし、4Ni材と同等である350MPa以上を合格、それ以下を不合格と判定した。

表１に示したように、発明例はいずれも、Niを一切使用しない成分系でありながら、それを原料粉として用いた部品の機械的特性が、Ni添加材と同等以上の引張強さと靭性をもつような粉末冶金用合金鋼粉が得られていることが分かる。
また、発明例では、通常の焼結法であっても、高密度であって、高強度と高靭性を兼ね備えた焼結体（鉄基焼結体）が得られている。
さらに、発明例では、合金鋼粉の流動性に優れていることも確認できる。
なお、表１には、従来例として４Ni材（4％Ni-1.5％Cu-0.5％Mo部分合金鋼粉：鉄基粉末（アトマイズ生粉、見掛密度：2.80Mg/m³、平均粒径：65μm）にNi粉末（平均粒径：８μm）、酸化Mo粉末（平均粒径：10μm）、およびCu粉末（平均粒径：28μm）を添加し、混合したのち、熱処理して、鉄基粉末の表面にNi、Mo、およびCuを拡散付着させた部分合金鋼粉）の結果を併せて示した。発明例は、従来の４Ni材以上の特性が得られることが分かる。

１ 長径：L
２ 厚さ：ｄ

Claims (3)

1. 鉄基粉末にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉と、Cu粉および黒鉛粉とを含むFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉であって、
   Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
   前記鉄基粉末の平均粒径が30〜120μmであって、かつ前記Cu粉は扁平形状をしたCu粉であって該Cu粉の厚さをｄ（μm）、長径をL（μm）とした時、L≦−2ｄ＋50 の関係を満足する、ことを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
2. 鉄基粉末にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉と、Cu粉および黒鉛粉とを含むFe−Mo−Cu−Ｃ系の粉末冶金用合金鋼粉であって、
   Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、
   前記鉄基粉末の平均粒径が30〜120μmであって、かつ前記Cu粉は、平均粒径：25μm以下のCu粉と、扁平形状をしたCu粉で粉体の厚さをｄ（μm）、長径をL（μm）とした時、L≦−2ｄ＋50の関係を満足するCu粉との混合である、ことを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
3. 請求項１または２に記載の粉末冶金用合金鋼粉を用いた焼結体。

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