JP6428909B2 - 鉄基焼結体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄基焼結体に関し、特に自動車用高強度焼結部品の製造に好適な鉄基焼結体であって、焼結密度が高く、しかも焼結体に浸炭・焼入れ・焼戻しの処理を行った後の引張強さおよび靭性（衝撃値）が確実に向上する、鉄基焼結体に関する。また、本発明は、該鉄基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（いわゆるニアネット形状）でしかも高い寸法精度で製造できることから、大幅な切削コストの低減を可能とする技術である。このため、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。

最近では、部品の小型化や軽量化のための強度の向上や、安全性の観点からの靭性の向上が、粉末冶金製品に強く要望されている。特に、歯車などに頻繁に用いられる粉末冶金製品（鉄基焼結体）に対しては、高強度化および高靭性化に加えて、耐摩耗性の観点から高硬度化の要求も強い。鉄基焼結体における強度および靭性は、その成分、組織および密度などによって多様に変化するため、前記の要望に応えるために、これらを適切に制御した鉄基焼結体の開発が必要である。

一般に、焼結前の成形体は、鉄基粉末に、銅粉や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とを混合して混合粉とし、これを金型に充填して、加圧成形することにより製造される。
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。成形体は、その後に焼結処理が行われて焼結体とされ、さらに必要に応じてサイジングや切削加工が行われて、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行われることもある。

ここで用いる鉄基粉末は、成分に応じて、鉄粉（たとえば純鉄粉等）と合金鋼粉とに分類される。また、鉄基粉末の製法による分類としては、アトマイズ鉄粉と還元鉄粉とがある。この製法による分類での鉄粉は、純鉄粉のほか、合金鋼粉を含む広い意味で使用されている。

そして、高強度および高靭性の焼結体を得るためには、とりわけ主成分となる鉄基粉末において、合金化の促進と高圧縮性の維持とが両立することが有利である。
まず、鉄基粉末の合金化手段としては、
(1) 純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉、
(2) 各合金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)の混合粉は、純鉄粉並みの高圧縮性を有するという利点を有している。しかし、焼結時に、各合金元素がＦｅ中に十分に拡散せずに不均質組織となり、その結果、最終的に得られる焼結体の強度が劣る場合があった。また、合金元素としてＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、およびＳｉなどを用いる場合、これらの元素はＦｅに比べてより容易に酸化されるため、焼結時に酸化を受けて、最終的に得られる焼結体の強度が低下するという問題があった。前記酸化を抑制し、焼結体を低酸素量化するためには、焼結時の雰囲気や、焼結後に浸炭を行う場合には浸炭雰囲気中のＣＯ₂濃度や露点を、厳密に制御する必要がある。このために、上記(1)の混合粉は、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)の、各元素を完全に合金化した予合金鋼粉を用いれば、合金元素の偏析が完全に防止されて焼結体の組織を均一化できるため、機械特性が安定化する。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焼結体の低酸素量化できる利点がある。しかしながら、予合金鋼粉を、溶鋼からアトマイズ法で製造する場合、溶鋼のアトマイズ工程での酸化と完全合金化による鋼粉の固溶硬化とを生じ易いため、加圧成形後の成形体の密度を高めることが難しいという問題があった。成形体の密度が低いと、該成形体を焼結した際の、焼結体での靭性が低くなる。そのため、予合金鋼粉を用いる場合も、近年の高強度化および高靭性化の要求に対応できない。

上記(3)の部分拡散合金鋼粉は、純鉄粉や予合金鋼粉に各合金元素の粉末を配合し、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粒子表面に各合金元素粉末を部分的に拡散接合して製造される。そのため、上記(1)の鉄基混合粉および上記(2)の予合金鋼粉の利点を得ることができる。

したがって、部分拡散予合金鋼粉を用いることによって、焼結体での低酸素量化と純鉄粉並みの成形体での高圧縮性とが得られるため、焼結体は完全合金相と部分的な濃化相からなる複合組織となって焼結体の強度は高まることになる。

こ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、NiおよびMoが多用されている。
Niは、焼結体の靭性を向上させる効果を有している。これは、Niの添加により、オーステナイトが安定化され、その結果、より多くのオーステナイトが焼入れ後もマルテンサイトへ変態せずに残留オーステナイトとして残るためである。また、Niは、固溶強化によって焼結体のマトリックスを強化する作用を有している。

これに対して、Moは焼入れ性を向上させる効果を有している。したがって、Moは、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、焼結体のマトリックスを強化する。また、Moは、マトリックスに固溶して固溶強化する作用と、微細炭化物を形成してマトリックスを析出強化する作用の両者を備えている。

上記した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、例えば、特許文献１には、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：0.2〜0.9 mass％を混合した高強度焼結部品用混合粉が開示されている。特許文献１に記載された焼結材料は、最低でも1.5mass％のNiを含んでおり、その実施例をみると、実質的には３mass％以上のNiを含んでいる。すなわち、焼結体で800MPa以上の高強度を得るためには、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、焼結体に、浸炭・焼入れ・焼戻し処理を行って1000MPa以上の高強度材を得るためには、同様に３mass％あるいは４mass％といった多量のNiが必要である。

しかしながら、Niは近年の環境問題への対応やリサイクル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。コストの点でも、数mass％のNiの添加は極めて不利である。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るという問題もある。さらには、オーステナイト相安定化元素であるNiの拡散が不十分な場合、高Ni領域はオーステナイト相（以下、γ相とも示す）として安定化し、Niが希薄な領域はそれ以外の相で安定化する結果、焼結体の金属組織が不均一になる。

Niを含まない技術として、特許文献２には、Niを含まないMoの部分拡散合金鋼粉に関する技術が開示されている。すなわち、Mo量を適正化することで、焼結後の再加圧に耐え得る、高い延性と靭性を有する焼結体が得られる、としている。

また、Niを含まない高密度の焼結体について、特許文献３には、平均粒径が１〜18μmの鉄系粉末に、平均粒径が1〜18μmの銅粉を100：(0.2〜5)の重量比で混合して成型、焼結することが開示されている。特許文献３に記載の技術では、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以上という極めて高い密度の焼結体を得ることを可能にしている。

特許文献４には、鉄基粉末の表面にMoを拡散付着させ比表面積を0.1ｍ²／ｇ以上とした、Niを含まない粉末を用いることにより、高強度かつ高靭性の焼結体を得ることが記載されている。

更に、特許文献５には、還元鉄粉を含む鉄基粉末にMoを拡散付着させた粉末を用いることにより、高強度かつ高靭性の焼結体を得ることが記載されている。

特許文献６には、粒度の細かい鉄粉へFe-Mn-Si粉を添加し、金型潤滑下で温間成形を行うことによって、焼結体の最大気孔長を減少させて高強度かつ高靭性の焼結体を得ることが記載されている。

特許第３６６３９２９号公報 特許第３６５１４２０号公報 特開平４−２８５１４１号公報 ＷＯ ２０１５／０４５２７３ Ａ１ 特開２０１５−１４０４８号公報 特開２０１５−４０９８号公報

しかしながら、上記した特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６の記載に従って得られる焼結材料には、それぞれ次のような問題点があることが分かった。

特許文献２に記載の技術は、焼結後の再圧縮によって高強度を得ることを想定しており、通常の粉末冶金プロセスで製造した場合には、十分な強度および靭性の両立は難しい。

また、特許文献３に記載の焼結材料では、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、混合粉の流動性が悪くなり、金型充填時の粉末の粗密が成形体の割れや欠けなどを誘発する結果、十分な強度および靭性の焼結体を得ることが難しい。

また、特許文献４に記載の粉末は、極めて比表面積が大きいため、このような粉末を用いた場合、粉末の流動性が低下してしまい、金型充填時の粉末の粗密が成形体の割れや欠けなどを誘発する結果、十分な強度および靭性の焼結体を得ることが難しい。

特許文献５に記載の焼結体においても、特許文献４に記載の技術と同様に、比表面積の大きい還元鉄粉を用いるため、粉末の流動性が低下してしまい、金型充填時の粉末の粗密が成形体の割れや欠けなどを誘発する結果、十分な強度および靭性の焼結体を得ることが難しい。

特許文献６に記載の焼結体は、最大気孔長を規制することによって主に靭性を高めているが、強度および靭性の両立は最大気孔長の規制のみでは実現することが難しく、更なる改善が求められている。

本発明の目的は、機械特性に優れる鉄基焼結体を、その製造方法に併せて提供することにある。

さて、発明者等は上記の目的を達成するために、高強度かつ高靭性な焼結体を得るための種々の検討を重ねた。その結果、以下に述べる知見を得た。
すなわち、鉄基粉末および添加材からなる混合粉末を加圧成形した後に焼結して得られる鉄基焼結体において、気孔の平均径を制御することが組織中の応力集中部の分散による衝撃値の向上に寄与することを見出すに到った。

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
１．気孔の面積分率が15％以下かつ気孔の面積基準のメジアン径Ｄ50が20μm以下であることを特徴とする鉄基焼結体。

２．Mo、CuおよびＣを含むことを特徴とする前記１に記載の鉄基焼結体。

３．Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有することを特徴とする前記２に記載の鉄基焼結体。

４．前記１から３のいずれかに記載の鉄基焼結体を浸炭、焼入れおよび焼戻してなる鉄基焼結体。

５．鉄基粉末の粒子表面にMoを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉に、少なくともCu粉および黒鉛粉を混合した粉末冶金用混合粉を、400MPa以上の圧力で成形した後に、1000℃以上および10min以上の焼結を行うことを特徴とする鉄基焼結体の製造方法。

６．前記５の方法で製造された鉄基焼結体に、浸炭、焼入れおよび焼戻しを行うことを特徴とする鉄基焼結体の製造方法。

７．前記粉末冶金用混合粉は、Mo：0.2〜1.5mass％を含み、残部がFeおよび不可避的不純物の成分を有することを特徴とする前記５または６に記載の鉄基焼結体の製造方法。

８．前記部分拡散合金鋼粉は、平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であり、径が50〜100μｍの範囲にある粒子の円形度が0.65以下であることを特徴とする前記５から７のいずれかに記載の鉄基焼結体の製造方法。

９．前記Cu粉の混合量が、前記粉末冶金用混合粉の0.5〜4.0mass％であることを特徴とする前記５から８のいずれかに記載の鉄基焼結体の製造方法。

本発明によれば、高強度および高靭性を兼ね備えた鉄基焼結体を提供することができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の鉄基焼結体は、該焼結体中の気孔の面積分率が15％以下かつ気孔の面積基準のメジアン径D50が20μm以下であることを特徴とする。

粉末冶金用合金鋼粉を加圧成形した成形体を焼結してなる鉄基焼結体は、気孔の生成が不可避であり、この気孔を規制することが焼結体における強度および靭性を向上するのに重要である。すなわち、気孔は径の小さい方が亀裂の起点となり難いため、面積基準のメジアン径Ｄ50が20μm以下であることが肝要である。更に好ましくは15μm以下である。このメジアン径Ｄ50が20μmを超えると、靭性が著しく低下することになる。

ここで、気孔のメジアン径Ｄ50は、以下に従って測定することができる。
まずは、焼結体を熱硬化性樹脂に埋め込む。その後、断面を鏡面研磨し、光学顕微鏡にて１００倍の倍率で、１視野あたり８４３μｍ×６２９μｍの撮影を行う。得られた断面写真から画像解析により任意に抽出した２０視野中の全ての気孔の断面積Ａを求める。得られた断面積と同一の面積を有する円の直径である円相当径ｄ_cを以下の式(Ｉ)に従って求める。次に、円相当径の小さい順に面積を積算していき、積算値が総気孔面積に対して50％となる円相当径を面積基準メジアン径Ｄ50とする。

上記のように、焼結体における気孔のメジアン径Ｄ50を20μm以下とするのは、メジアン径Ｄ50が20μm を超えると不定形な空孔が増加し、このような空孔は変形が加わった際の応力集中点となり、強度や靭性が低下するためである。
ここで、焼結体における気孔の面積分率を15％以下かつ気孔のメジアン径Ｄ50を20μm以下とするには、焼結体の原料である粉末冶金用混合粉の部分拡散合金鋼粉に、平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であり、径が50〜100μｍの範囲にある粒子の円形度が0.65以下粉末の円形度を0.65以下とし、Moを鉄基粉末表面に付着させたものを用いることにより、後述の焼結体の製造において焼結が促進される結果、所期した焼結体が得られる。

なお、気孔は、少ない方がよいため、焼結体中の気孔は面積分率を15％以下に制限する。なぜなら、気孔が面積分率で15％を超えると、焼結体中に含まれる金属分が減ってしまうために、たとえ空孔径を小さくしたとしても、十分な強度と靭性を得ることができないためである。なお、焼結体中の空孔を０％にするには多大な労力が必要となり現実的でない。後述の方法で得られる焼結体の空孔は、少なくとも５％程度となる。

ここで、焼結体中の気孔の面積分率は以下の手法で求めることができる。
上記と同様に、２０視野中の全ての気孔の断面積Ａを求め、それらを足し合わせることで、観察した全ての視野中の総気孔面積Ａ_tを得る。このＡ_tを、観察した全ての視野の面積の総和で割ることにより、気孔の面積分率が得られる。

さらに、焼結体に含まれる気孔の長さは小さい方がより好ましい。気孔の長さの指標である「平均最大気孔長」は、以下のように算出される。まず、上記断面写真の視野に含まれる各気孔の周縁上にある２点間距離の最大値を画像解析により求め、これを各気孔の「気孔長」とする。「最大気孔長」は、断面写真１視野に含まれる全気孔の「気孔長」のうち、最大のものとする。さらに「平均最大気孔長」は、任意に抽出した２０視野で、それぞれ測定された最大気孔長の相加平均値とする。なお、十分な機械特性を得るためには、平均最大気孔長を100μm未満とすることが好ましい。

また、上記した焼結体は、Mo、CuおよびＣを含有することが好ましい。すなわち、Moは焼入れ性向上効果を有する。Cuは鉄基粉末の固溶強化および焼入れ性向上を促す効果を有する。Ｃは鉄中に固溶もしくは微細炭化物として析出することで鉄基焼結体の強度を高める効果を有する。本発明の鉄基焼結体に含まれるそれぞれの元素の好適範囲は、Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％、Ｃ：0.1〜1.0mass％である。いずれの元素も、前記範囲より少ない場合は十分な強度上昇効果が得られず、前記範囲より多く添加した場合は、過度に組織が硬化し靭性を損なうためである。

次に、上記の焼結体を得る方法について述べる。以下に述べる方法は一例であって、以下の方法以外の方法により、本発明の鉄基焼結体を得ても構わない。
すなわち、粉末冶金用混合粉を加圧成形して得られる成形体を焼結して焼結体を作製するに当たり、混合粉をパンチの加圧によって成形体とする際に、該パンチに加圧方向を軸とする回転を加えながら成形する手法にて行う。この手法によって、混合粉末に対して通常の成形よりも多くのせん断歪が与えられ、混合粉の塑性変形が容易となり、焼結体における気孔径の微細化を実現できる。

次に、焼結体がMo、CuおよびＣを含有する場合に、特に適した焼結体の製造方法について説明する。
すなわち、鉄基粉末および添加材を含む粉末冶金用混合粉を、常法の加圧成形により成形体とし、さらに常法の焼結を行うことによって、鉄基焼結体は得られる。このとき、成形体において鉄基粉末の粒子間の焼結ネック部に、Moの濃化部が形成されること、および円形度の低い鉄基粉末を用いて成形時の粉末同士の絡み合いを強くして焼結を促進すること、しかも焼結をCu膨張が抑制されて進めること、が焼結体の密度を高くする上で好ましい。焼結体密度が高くなると、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、この製法で得られる焼結体の機械特性は、金属組織が均一なために、ばらつきが小さくかつ安定したものとなる。

このような焼結体を得るには、上記の粉末冶金用混合粉の鉄基粉末を以下に示す部分拡散合金鋼粉として、焼結体の製造を行うことが好ましい。
すなわち、本発明で好適に用いる粉末冶金用混合粉は、適正な平均粒径、円形度および比表面積をもつ鉄基粉末の表面にMo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を持つ適量のCu粉と共に、黒鉛粉を混合したものである。

以下、本発明の粉末冶金用混合粉について具体的に説明する。なお、以下に示す「％」は特に断らない限り「mass％」を意味し、Mo量、Cu量および黒鉛粉量は、粉末冶金用混合粉全体（100 mass％）における、それぞれの比率を示している。

（鉄基粉末）
上記のとおり、部分拡散合金鋼粉は、鉄基粉末の表面にMoが拡散付着したものであり、平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であること並びに径が50〜100μｍの範囲にある粉末の円形度(断面円形度)が0.65以下であること、が好ましい。ここで、鉄基粉末に部分合金化を施した際、粒径および円形度はほとんど変化しない。従って、部分拡散合金鋼粉の平均粒径および円形度と同じ範囲内の鉄基粉末を用いる。

まず、鉄基粉末は、平均粒径が30〜120μmおよび径が50〜100μｍの範囲にある粉末の円形度（断面円形度）が0.65以下であることが好ましい。すなわち、後述する理由から、部分合金鋼粉の平均粒径を30〜120μmおよび径が50〜100μｍの範囲にある粉末の円形度を0.65以下とする必要があり、そのためには、鉄基粉末もこれら条件を満足することが必要である。

ここで、鉄基粉末および部分合金鋼粉の平均粒径は、重量累積分布のメジアン径Ｄ50のことであって、JIS Ｚ 8801−1に規定される篩を用いて粒度分布を測定し、得られた粒度分布から積算粒度分布を作成したときに、篩上および篩下の重量が50％となる粒子径のことである。

また、鉄基粉末および部分合金鋼粉の円形度は以下に従って求めることができる。なお、以下では鉄基粉末を例にして説明するが、部分合金鋼粉の場合も同様の手順で円形度を求める。
まずは、鉄基粉末を熱硬化性樹脂に埋め込む。このとき、埋込樹脂を研磨して現出させる観察面において、十分な量の鉄基粉末断面が観察できるように、0.5mm以上の厚みで満遍なく鉄基粉末を熱硬化性樹脂に埋め込む。その後、研磨により鉄基粉末の断面を現出させ、その断面を鏡面研磨し、該断面を光学顕微鏡で拡大して写真撮影する。得られた断面写真から画像解析により該断面写真における各鉄基粉末の断面積Ａおよび外周長さＬｐを求める。このような画像解析が可能なソフトとしては、例えばＩｍａｇｅ Ｊ（オープンソース，アメリカ国立衛生研究所）などがある。求めた断面積Ａより円相当径ｄｃを算出する。ここで、dcは気孔の場合と同様の式(Ｉ)によって求められる。

次に、粒子径ｄｃに円周率πをかけることで円近似外周Ｌｃを算出する。得られたＬｃと鉄基粉末断面の外周長さＬｐより円形度Ｃを算出する。ここで、円形度Ｃは以下の式(II)で定義される値とする。
この円形度Ｃが１の場合、断面形状は真円となり、値Ｃが小さくなるにつれて不定形な断面となる。

なお、鉄基粉末とは、Fe含有量が50％以上である粉末を意味する。鉄基粉末としては、例えば、アトマイズ生粉（アトマイズままのアトマイズ鉄粉）、アトマイズ鉄粉（アトマイズ生粉を還元性雰囲気化で還元したもの）および還元鉄粉などが挙げられる。特に、本発明で用いる鉄基粉末は、アトマイズ生粉またはアトマイズ鉄粉が好ましい。なぜなら、還元鉄粉は粒子中に多くの空孔を含む為、加圧成形時に十分な密度が得られない可能性があるからである。また、還元鉄粉は、粒子中に破壊の起点となる介在物をアトマイズ鉄粉よりも多く含み、焼結体の重要な機械特性である疲労強度を低下させる虞がある。

すなわち、本発明に用いられる好適な鉄基粉末は、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か、または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かである。
上記した円形度に従う鉄基粉末は、アトマイズ時の噴霧条件や噴霧後に行う追加工の条件を適宜に調整することによって得ることが出来る。また、円形度の異なる鉄基粉末を混合し、粒子径が50〜100μmの範囲にある鉄基粉末の円形度が上記の範囲内に納まるように調整しても構わない。

（部分拡散合金鋼粉）
部分拡散合金鋼粉は、上記した鉄基粉末の表面にMoが拡散付着したものであり、平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であること並びに径が50〜100μｍの範囲にある粉末の円形度が0.65以下である、必要がある。

すなわち、部分拡散合金鋼粉は、上記した鉄基粉末にMoを拡散付着して作製する。その際のMo量は、粉末冶金用混合粉全体（100％）において0.2〜1.5％の比率とする。Mo量が0.2％を下回ると、粉末冶金用混合粉を用いて作製する焼結体において、焼入れ性向上効果が少なく、強度向上効果も少なくなる。一方、1.5％を超えると、焼結体における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、焼結体で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。

ここで、Moの供給源としては、Mo含有粉末を挙げることができる。Mo含有粉末は、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合金粉末が例示される。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Mo含有粉末として使用できる。これらは、単独で使用しても、複数の物質を混合して使用してもよい。

具体的には、上記した鉄基粉末とMo含有粉末を、前述した比率（粉末冶金用混合粉全体（100％）における、Mo量が0.2〜1.5％）で混合する。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。

次いで、上記した鉄基粉末とMo含有粉末との混合粉を加熱し、鉄基粉末とMo含有粉末との接触面を介してMoを鉄基粉末中に拡散させてMoを鉄基粉末に接合する。この熱処理によって、Moを含有する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、とりわけ水素含有雰囲気が適している。或いは、真空下で熱処理を加えても良い。
また、熱処理の温度は、例えば、Mo含有粉末として酸化Mo粉末等のMo化合物を用いた場合、800〜1100℃の範囲が好適である。熱処理の温度が800℃未満であると、Mo化合物の分解が不十分になってMoが鉄基粉末中へ拡散せず、Moの付着が困難となる。また、1100℃超えると、熱処理中の鉄基粉末同士の焼結が進み、鉄基粉末の円形度が規定の範囲を超えてしまう。一方、Mo含有粉末として、Mo純金属やFe-Moなどの金属および合金を用いる場合、好適な熱処理温度は600〜1100℃の範囲である。熱処理の温度が600℃未満であると、鉄基粉末へのMoの拡散が不十分となりMoの付着が困難となる。一方、1100℃を超えると、熱処理中の鉄基粉末同士の焼結が進み、部分合金鋼粉の円形度が規定の範囲を超えてしまう。

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、部分合金鋼粉相互が焼結して固まった状態となっているため、以下に示す規定の粒径に粉砕・分級を行う。すなわち、規定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、焼鈍を行ってもよい。

すなわち、部分合金鋼粉の平均粒径を30〜120μmの範囲とすることが肝要である。好ましくは前記平均粒径の下限は40μmであり、さらに好ましくは50μmである。一方、前記平均粒径の上限は100μmであり、さらに好ましくは80μmである。
なお、部分合金鋼粉の平均粒径は、上述のとおり、重量累積分布のメジアン径Ｄ50のことであって、JIS Ｚ 8801−1に規定される篩を用いて粒度分布を測定し、得られた粒度分布から積算粒度分布を作成したときに、篩上および篩下の重量が50％となる粒子径のことである。
ここで、部分合金鋼粉の平均粒径が30μmを下回ると、部分合金鋼粉の流動性が悪くなって、金型での圧縮成形時の製造効率などの点に支障をきたす。一方、部分合金鋼粉の平均粒径が120μmを超えると、焼結の際の駆動力が弱くなって、焼結工程において粗大な部分合金鋼粉の周囲に粗大な空孔が形成され、焼結密度の低下をもたらし、焼結体やこの焼結体に浸炭・焼入れ・焼戻しを施した後の、強度や靭性を低下させる原因となる。なお、部分合金鋼粉の最大粒径は、180μm以下であることが好ましい。

また、圧縮性の観点から、部分合金鋼粉の比表面積を0.10m²/g未満とする。ここで、部分合金鋼粉の比表面積は、添加剤（Cu粉、黒鉛粉、潤滑剤）を除く、部分合金鋼粉の粉末の比表面積を指す。

部分合金鋼粉の比表面積が0.10m²/gを超えると、粉末冶金用混合粉の流動性が低下する。なお、下限は、特に無いが、0.010m²/g程度が工業的に得られる限界である。比表面積については、拡散付着処理後の100μmを超える粗粒および50μm未満の微粒の粒度を篩分けにより調整することにより、任意に制御することが可能である。すなわち、微粒の比率を小さくするもしくは粗粒の比率を大きくすることで、比表面積は低下する。

さらに、部分合金鋼粉の径が50〜100μmにある粒子の円形度を0.65以下にする必要がある。この円形度は、好ましくは0.60以下、更に好ましくは0.58以下とするのが良い。すなわち、円形度を小さくすることにより、加圧成形時の粉末同士の絡み合いが強くなるとともに、粉末冶金用混合粉の圧縮性が向上するため、成形体および焼結体中の粗大な空孔が減少する。一方で、過度に円形度を小さくすると粉末冶金用混合粉の圧縮性の低下を招くため、円形度は0.40以上とすることが好ましい。

ここで、部分合金鋼粉の径が50〜100μmにある粒子の円形度は、次のように測定することができる。まず、上記した鉄基粉末と同様に算出した、部分合金鋼粉の粒子径をｄｃとして、このｄｃが50〜100μmの範囲にある部分合金鋼粉を抽出する。このとき、少なくとも50〜100μmの範囲にある部分合金鋼粉の粒子が150個抽出できるに十分の光学顕微鏡撮影を行う。そして、抽出した部分合金鋼粉について、上記した鉄基粉末の場合と同様に円形度の算出を行う。
なお、部分合金鋼粉の粒子径を50〜100μmに限定する理由は、左記範囲の粉末の円形度を下げることが、焼結促進にはもっとも効果的であるためである。すなわち、50μm未満の粒子は微粒であることから元々焼結促進効果が高く、50μm未満の粒子の円形度を低下させたとしてもその焼結促進効果は小さい。また、粒子径100μm超の粒子は、きわめて粗大であり、例え円形度を低下させたとしても焼結促進効果は小さい。

本発明において、部分合金鋼粉における残部組成は、鉄および不可避不純物である。ここで、部分合金鋼粉に含有される不純物としては、Ｃ（黒鉛分を除く）、Ｏ、ＮおよびＳ等が挙げられるが、これらの含有量は、部分合金鋼粉においてそれぞれ、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、部分合金鋼粉を用いた成形における圧縮性が低下してしまい、十分な密度を有する成形体に成形することが困難となる。

本発明では、粉末冶金用混合粉を用いて作製した焼結体を、さらに浸炭・焼入れ・焼戻した後に1000MPa以上の引張強さを得る目的から、上記で得られた部分合金鋼粉にCu粉および黒鉛粉を添加する。

（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、焼結部品の強度を高める有用元素であり、0.5％以上4.0％以下で添加する。すなわち、Cu粉の添加量が0.5％に満たないと、上記したCu添加の有用な効果が現れにくく、一方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粉の添加量を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。

また、粒度が粗いCu粉を用いると、粉末冶金用混合粉の成形体を焼結する際に、溶融したCuが部分合金鋼粉の粒子間に浸入して焼結後の焼結体の体積を膨張させ、焼結体密度を低下させてしまうおそれがある。このような焼結体密度の低下を抑制するには、Cu粉の平均粒径を50μm以下とすることが好ましい。より好ましくは40μm以下、更に好ましくは30μm以下とする。なお、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。

ここで、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。
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。レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置としては、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、正確な測定を行う為に測定可能粒子径範囲の下限が0.1μm以下、上限が45μm以上のものを用いることが好ましい。前記装置では、Cu粉を分散させた溶媒に対してレーザー光を照射し、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、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。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。従って、Cu粉を投入したエタノール溶液に対して、測定前に超音波による分散処理を実施することが好ましい。
なお、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、前記分散処理時間を０〜60minの間で10min間隔の７段階で実施し、各分散処理後にCu粉の平均粒子径の測定を行う。各測定中は粒子の凝集を防ぐために、溶媒を攪拌しながら測定を行う。そして、分散処理時間を10min間隔で変更して行った７回の測定で得られた粒子径のうち、最も小さい値をCu粉の平均粒子径として用いる。

（黒鉛粉）
黒鉛粉は、強度並びに疲労強度を高めるのに有効であるため、部分合金鋼粉に0.1〜1.0％の範囲内で添加し、混合する。黒鉛粉の添加量が0.1％に満たないと上記の効果を得ることができない。一方、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、黒鉛粉の添加量を0.1〜1.0％の範囲に限定する。好ましくは、0.2〜0.8％である。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系の粉末冶金用混合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、粉末冶金用混合粉に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た焼結体の製造に好適な成形条件および焼結条件について説明する。
上記した粉末冶金用混合粉を用いた加圧成形において、さらに、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、粉末冶金用混合粉：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混合粉を加圧成形し成形体を製造するに当たり、加圧成形を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以上を得ることが難しくなる。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。

かかる手順で、本発明に従う粉末冶金用混合粉を用い、上記焼結条件で得られた焼結体は、上記範囲を外れた合金鋼粉を用いた場合に比べて、同一成形体密度であっても、焼結後に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行うことができるが、これら強化処理を行わない場合であっても、本発明に従う粉末冶金用混合粉を用いた焼結体は、強化処理を行わない従来の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行えば良い。

かくして得られる本発明の鉄基焼結体は、Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有することが好ましい。すなわち、Ｃ量は、高強度化および高疲労強度化の効果が最大限に発現される、0.1〜1.0％の範囲とすることが好ましい。すなわち、Ｃが0.1％に満たないと上記の効果を得ることができない。一方、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、焼結体に含まれるＣ量を0.1〜1.0％の範囲に限定する。好ましくは、0.2〜0.8％である。また、Mo及びCuの好適含有量については、上記した粉末冶金用混合粉における理由と同様である。

なお、焼結体を製造するに当たり、上記した粉末冶金用混合粉に潤滑剤等を混合する場合は、焼結体におけるMo、CuおよびＣの含有量が上記の範囲内になるように、粉末冶金用混合粉におけるMo、CuおよびＣの量を調整する。

また、焼結体に含まれるＣ量は、焼結条件（温度、時間、雰囲気など）によって添加した黒鉛量から変化する場合がある。そのため、焼結条件に応じて黒鉛粉の添加量を上述の範囲内で調整することによって、本発明の好適な範囲のＣ量（0.1〜1.0％、さらに好ましくは0.2〜0.8％）を含有する鉄基焼結体の製造が可能になる。

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。
［実施例１］
鉄基粉末には、円形度の異なるアトマイズ生粉を用いた。アトマイズ生粉の円形度を、ハイスピードミキサー（深江パウテック社製 LFS-GS-2J型）による粉砕加工によって種々異なるように調整した。
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、鉄基粉末の粒子表面に表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。なお、Mo量を表１の試料No.１〜８に示すように種々に変更した。

作製した部分合金鋼粉を樹脂に埋め込み、部分合金鋼粉の断面が露出するように研磨を実施した。なお、この研磨面、すなわち観察面において十分な量の部分合金鋼粉断面が観察できるように、0.5mm以上の厚みで満遍なく部分合金鋼粉を熱硬化性樹脂に埋め込んだ。研磨後に当該研磨面を光学顕微鏡で拡大して写真撮影し、上述したところに従って画像解析により円形度を算出した。
また、BET法による比表面積測定を部分合金鋼粉に実施した。いずれの部分合金鋼粉も比表面積が0.10m²/g未満であることを確認した。

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。
ちなみに、試料No.９〜25は、試料No.５と同等の部分合金鋼粉を用いており、添加するCu粉や黒鉛粉の量を種々に変更している。試料No.26〜31は、試料No.５の部分合金鋼粉をベースとして、篩分により平均粒子径を調整している。また、試料No.32〜38は部分合金鋼粉の円形度が種々に異なっている。
その後、混合粉を密度7.0g/cm³で加圧成形して、長さ：55mm、幅：10mmおよび厚さ：10mmの棒状成形体（各々10個）、および外径：38mm、内径：25mmおよび厚さ：10mmのリング状成形体を作製した。このときの成形圧力は全て400MPa以上であった。

この棒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、プロパン変成ガス雰囲気中にて、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、内径および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。さらに、上述した方法に従って、焼結体における気孔のメジアン径、面積分率および平均最大気孔長をそれぞれ調査した。
棒状状焼結体については、各々５個をJIS Ｚ2241で規定される引張試験に供するために、平行部径：５mmの丸棒引張試験片(JIS ２号)に加工し、また、各々５個をJIS Ｚ2242で規定されるシャルピー衝撃試験に供するため、JIS Ｚ2242に規定された大きさの焼結したままの棒形状(ノッチ無し)で、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およびシャルピー衝撃試験用棒状試験片を、JIS Ｚ2241で規定される引張試験およびJIS Ｚ2242で規定されるシャルピー衝撃試験に供して、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。

以上の測定結果を表１に併記する。なお、判定基準は以下のとおりである。
（１）混合粉流動性
粉末冶金用混合粉：100gを径：２．５mmφのノズルを通して、停止することなく全量80s以内に流れきったものを合格（○）、それ以上の時間を要したもの、もしくは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。
（２）焼結体密度
焼結体密度は、従来材である４Ni材（4Ni-1.5Cu-0.5Mo、原料粉の最大粒径：180μm）と同等以上である、6.95Mg/m³以上の場合を合格と判定した。
（３）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以上の場合を合格と判定した。
（４）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棒状試験片についての衝撃値が14.5J/cm²以上の場合を合格と判定した。なお、この衝撃値に関する試験は、浸炭・焼入れ・焼戻し処理を行う前の焼結体でも行った。

ここで、試料No.１、８、９、14、19、26、38および39＊は、焼結体における気孔のメジアン径Ｄ50が20μｍを超えている事例であり、いずれも衝撃値が低くて靭性が不足し、引張強さも低くなっている。
さらに、焼結体における成分の影響について、試料No.１〜８ではMo量、No.９〜14ではCu量、No.15〜19では黒鉛量、をそれぞれ対比している。同様に、No.20〜25はCu粒子径の影響、No.26〜31は合金分粒子径の影響、No.32〜38は部分合金鋼粉の円形度および平均粒径の影響を検討した結果である。なお、表１には、従来材として４Ni材（4Ni-1.5Cu-0.5Mo、原料粉の最大粒径：180μm）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。
表１に示すように、発明例はいずれも、高い引張強さと靭性をもつ焼結体である。

［実施例２］
比表面積および円形度の異なる３種類のアトマイズ鉄粉を準備した。比表面積および円形度の調整は、ハイスピードミキサー（深江パウテック社製 LFS-GS-2J型）による粉砕加工をアトマイズ鉄粉へ与えることと、粒度100μm以上の粗粉および45μm以下の微粉との配合割合を調整することによって行った。

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、鉄基粉末の粒子表面に表２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。これらの部分合金鋼粉を樹脂に埋め込み、部分合金鋼粉の断面が露出するように研磨を実施した後に、光学顕微鏡で拡大の上写真を撮影し、画像解析により円形度を算出した。また、BET法による比表面積の測定を部分合金鋼粉に実施した。

ついで、これらの部分合金鋼粉に対して、平均粒径35μmのCu粉を２mass％と、0.3mass％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。これらの混合粉末を成型圧力686MPaで成型し、長さ：55mm、幅：10mmおよび厚さ：10mmの棒状成形体（各々10個）、および外径：38mm、内径：25mmおよび厚さ：10mmのリング状成形体を作製した。

この棒状成形体およびリング状成形体に焼結して、焼結体とした。この焼結は、プロパン変成ガス雰囲気中にて、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、内径および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。さらに、上述した方法に従って、焼結体における気孔のメジアン径、面積分率および平均最大気孔長をそれぞれ調査した。

棒状焼結体については、各々５個をJIS Ｚ2241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(JIS ２号)に加工し、また、各々５個をJIS Ｚ2242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棒形状(ノッチ無し)で、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およびシャルピー衝撃試験用棒状試験片を、JIS Ｚ2241で規定される引張試験およびJIS Ｚ2242で規定されるシャルピー衝撃試験に供して、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２に併記する。また、各種特性値の合格基準は実施例１の場合と同じである。

表２から分かるように、焼結体における気孔のメジアン径Ｄ50が20μｍ以下であれば、いずれも衝撃値が高くて靭性に優れ、かつ引張強さも高くなっている。さらに、円形度および比表面積が発明の範囲内となる部分合金鋼粉を用いて製造した結果、焼結体密度、引張強度および衝撃値は目標を達成している。

Claims (4)

1. 平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であって粒子径：50〜100μｍの範囲の粒子の円形度が0.65以下の部分拡散合金鋼粉と、Cu粉と黒鉛粉との焼結体であって、Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有しかつ、残部が鉄および不可避不純物であり、気孔の面積分率が15％以下かつ気孔の面積基準のメジアン径Ｄ50が20μm以下であることを特徴とする鉄基焼結体。
2. 請求項１に記載の鉄基焼結体を浸炭、焼入れおよび焼戻してなる鉄基焼結体。
3. 鉄基粉末の粒子表面にMoを拡散付着させた、平均粒径が30〜120μmおよび比表面積が0.10m²/g未満であって、粒子の径が50〜100μｍの範囲の粒子の円形度が0.65以下の部分拡散合金鋼粉に、平均粒径：50μm以下のCu粉および平均粒径：1〜50μmの黒鉛粉を少なくとも混合した粉末冶金用混合粉を、400MPa以上の圧力で成形した後に、1000℃以上および10min以上の焼結を行い、Mo：0.2〜1.5mass％、Cu：0.5〜4.0mass％およびＣ：0.1〜1.0mass％を含有しかつ、残部が鉄および不可避不純物であり、気孔の面積分率が15％以下かつ気孔の面積基準のメジアン径Ｄ50が20μm以下の鉄基焼結体とすることを特徴とする鉄基焼結体の製造方法。
4. 請求項３の方法で製造された鉄基焼結体に、浸炭、焼入れおよび焼戻しを行うことを特徴とする鉄基焼結体の製造方法。