JP6477450B2

JP6477450B2 - 焼結材料の製造方法

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Publication number: JP6477450B2
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Inventors: 公彦安藤; 雄貴鴨
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Description

本発明は、焼結材料の製造方法に関する。

従来から粉末冶金による高強度、高靱性部品用の焼結材料に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１には、マルテンサイト或いはベイナイトを主体とする組織中に含まれるオーステナイト相が３体積％以上１０体積％以下である鉄基高強度・高靱性焼結体が記載されている。この焼結体は、引張り、圧縮、又は曲げ応力による塑性変形を与えたとき、前記オーステナイト相の８５体積％以上がマルテンサイト組織に変態する合金鋼からなることを特徴としている。

また、粉末冶金による鉄系焼結合金、特に自動車用高強度焼結部品に好適な鉄系焼結合金とその製造方法が知られている（下記特許文献２を参照）。特許文献２には、合金組成が異なる少なくとも２種の鉄系合金鋼粉を含む原料粉末を加圧成形した後、焼結することにより得られる鉄系焼結合金が記載されている。この鉄系焼結合金は、少なくとも１種の鉄系合金鋼粉により形成されるベイナイト組織と、他の少なくとも１種の鉄系合金鋼粉により形成されるマルテンサイト組織を有することを特徴としている。

特開平２−２５４１３７号公報特開２０１０−２５５０８２号公報

前記従来の焼結材料に対し、強度を低下させることなく、さらに靱性を向上させることが要求されている。本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、高強度と高靱性を両立させることができる焼結材料の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の焼結材料の製造方法は、Ｆｅ−Ｍｏ系の第１粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系又はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系の第２粉末、Ｃｕ系粉末、及び、黒鉛系粉末を混合する混合工程と、該混合工程で得られた混合粉を成形後に焼結する焼結工程と、を有する焼結材料の製造方法であって、前記混合工程において、前記混合粉の重量を１００重量％としたときに、前記Ｃｕ系粉末が０．２重量％以上かつ５重量％以下、前記黒鉛系粉末が０．２重量％以上かつ１．２重量％以下、残部が前記第１粉末及び前記第２粉末であり、前記残部の前記第１粉末と前記第２粉末との重量比が９０：１０から１０：９０までの範囲になるように各粉末を混合し、前記焼結工程において、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下かつ前記第１粉末及び前記第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で前記混合粉を焼結することで、前記第１粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｍｏ系のベイナイト組織を形成し、前記第２粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ-Ｃｒ−Ｍｏ系のマルテンサイト組織を形成し、前記第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部に残留オーステナイト組織を形成し、複相組織の焼結材料を得ることを特徴とする。

第１粉末としては、例えば、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｍｏ粉を用いることができる。

Ｍｏは、ベイナイト組織の生成に寄与する元素である。そのため、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０．２重量％よりも少ないと、ベイナイト組織が生成しない。また、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが５重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料の密度が低下することで、焼結材料の強度が低下する。

第２粉末としては、例えば、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０重量％以上かつ３重量％以下、Ｃｒが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ粉、又は、Ｃｒが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｃｒ粉を用いることができる。

前記本発明の焼結材料の製造方法は、焼結時に靱性に優れたベイナイト組織を生成する第１粉末と、焼結時に強度に優れたマルテンサイト組織を生成する第２粉末とを９０：１０から１０：９０までの重量比で含む混合粉を成形後に焼結している。これにより、靱性及び強度に優れた複相組織の焼結材料を得ることができる。これに対し、混合粉が第１粉末を含まない場合には、ベイナイト組織が生成しないため、焼結材料の靱性が低下する。また、混合粉が第２粉末を含まない場合には、焼結材料の強度が低下する。

Ｃｒは、焼結材料の焼入性向上に寄与する元素である。そのため、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｃｒが０．２重量％よりも少ないと、焼入性が悪化し、マルテンサイト組織が生成しない。また、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｃｒが５重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料の密度が低下することで、焼結材料の強度が低下する。また、Ｍｏも焼結材料の焼入性向上に寄与するが、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが３重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料の密度が低下することで、焼結材料の強度が低下する。

前記本発明の焼結材料の製造方法において、前記混合工程で得られる前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＭｏを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。

これにより、焼結工程においてベイナイト組織とマルテンサイト組織が生成され、焼結材料の強度が向上する（固溶強化）。したがって、焼結材料のシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料の引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＭｏが０．２重量％よりも少ないと、ベイナイト組織を生成させることができず、例えば、焼結材料のシャルピー衝撃値と引張強度が低下する。また、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＭｏが５重量％よりも多いと、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ系の第１粉末が１０％以下の場合に、第１粉末が硬くなり、圧縮性及び成形性が悪化することで、焼結材料の密度及び強度が低下する。

前記本発明の焼結材料の製造方法において、前記混合工程で得られる前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｒを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。

これにより、焼結材料の焼入れ性が向上し、マルテンサイト組織と残留オーステナイト組織の生成に寄与する。したがって、焼結材料のシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料の引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｒが０．２重量％よりも少ないと、例えば、焼結材料のシャルピー衝撃値と引張強度が低下する。また、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｒが５重量％よりも多いと、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ系粉末が１０％以下の場合に、Ｆｅ−Ｃｒ系粉末が硬くなり、圧縮性が悪化することで、焼結材料の密度及び強度が低下する。

前記本発明の焼結材料の製造方法において、前記混合工程で得られる前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｕを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。これにより、焼結工程における焼結材料の複相組織化とＣｕ拡散部の固溶強化に寄与する。したがって、焼結材料のシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料の引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｕが０．２重量％よりも少ないと、例えば、引張強度が低下する。また、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣｕが５重量％よりも多いと、例えば、焼結材料のシャルピー衝撃値が低下する。

なお、混合粉に含まれるＦｅ−Ｍｏ系の第１粉末の粒子は、焼結工程において、Ｃｕを拡散させない粒子の内部がベイナイト組織となり、Ｃｕを拡散させる粒子の表層部のＣｕ拡散部がマルテンサイト組織となる。また、混合粉に含まれるＦｅ−Ｃｒ系の第２粉末の粒子は、焼結工程において、Ｃｕを拡散させない粒子の内部がマルテンサイト組織となり、Ｃｕを拡散させる粒子の表層部のＣｕ拡散部がマルテンサイト＋残留オーステナイト組織となる。

また、前記混合工程で得られる前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣを０．２重量％以上かつ１．２重量％以下とすることができる。これにより、焼結工程における焼結材料のマルテンサイト組織及び残留オーステナイト組織の生成と、強度の向上に寄与する。したがって、焼結材料のシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料の引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣが０．２重量％よりも少ないと、焼結工程において焼結材料にフェライト組織が生成し、焼結材料の強度が低下する。また、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣが１．２重量％よりも多いと、焼結工程において焼結材料に初析セメンタイト組織が生成し、焼結材料の強度及び靱性が低下し、被削性が悪化する。

第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の粒径は、それぞれの粉末の粒子の９０％以上が２０μｍ以上かつ２１０μｍ以下の粒径範囲であり、かつ、混合粉全体の粒子の９０％以上が２０μｍ以上かつ２１０μｍ以下の粒径範囲であることが好ましい。第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径が２０μｍよりも小さくなると、著しく粉体の流動性が低下して成形性が悪化し、焼結材料の密度及び強度が低下する。第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径が２１０μｍよりも大きくなると、焼結材料の密度及び強度が低下する。また、生産性の観点からも第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径は、２１０μｍ以下とすることが好ましい。

また、前記本発明の焼結材料の製造方法は、前記混合工程において混合する材料として、潤滑剤及び快削成分を用いてもよい。これにより、製造された焼結材料の被削性を向上させることができる。

前記本発明の焼結材料の製造方法は、焼結工程において、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下でかつ前記第１粉末及び前記第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で前記混合粉を焼結する。Ｃｕは、焼結材料の強度を向上させつつ焼結材料を複相組織にすることを目的として混合粉に添加される。しかし、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕを拡散させるとベイナイト組織が生成せず、焼結材料の靱性が低下する。

前記焼結工程において、焼結温度が１２００℃を超えると、焼結時間が１時間未満、より具体的には、概ね０．５時間程度でも、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕ拡散するため、ベイナイト組織を生成させることができない。また、焼結温度が１２００℃以下の場合でも、焼結時間が１時間を超えると、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕ拡散が進行し、ベイナイト組織が減少し又は消失する。

したがって、前記焼結工程において、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下で、かつ第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で混合粉を焼結する。これにより、第１粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｍｏ系のベイナイト組織を形成し、第２粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ-Ｃｒ−Ｍｏ系のマルテンサイト組織を形成し、第１粉末及び第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部に残留オーステナイト組織を形成することができる。そのため、ベイナイト組織とマルテンサイト組織とを混在させた理想的な複相組織を有する焼結材料を得ることができる。

前記本発明の焼結材料の製造方法によって得られた焼結材料は、ベイナイト組織とマルテンサイト組織と残留オーステナイト組織との複相組織を有することで、高強度と高靱性を両立させることができる。したがって、前記本発明の焼結材料の製造方法によって得られた焼結材料は、例えば、歯車部品、バルブシート、バルブガイド、ロータ、ノズルクランプ、レバーシフト、クラッチハブ、キーシンクロ、パワーステアリング部品、可変バルブタイミング機構部品、オイルポンプ、ステアリング固定ギヤ等に使用することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の焼結材料の製造方法によれば、強度と高靱性を両立させることができる焼結材料の製造方法を提供することができる。

本発明の焼結材料の製造方法の一実施形態に係るフロー図。図１に示す製造方法によって得られる焼結材料の概念図。図１に示す製造方法によって得られる焼結材料の一例を示す断面写真。焼結材料の引張試験片の正面図及び端面図。焼結材料の衝撃試験片の正面図及び端面図。第２粉末の混合量と焼結材料の衝撃値との関係を示すグラフ。第２粉末の混合量と焼結材料の引張強度との関係を示すグラフ。第２粉末の混合量と焼結材料の衝撃値及び引張強度との関係を示すグラフ。本実施形態の焼結材料と従来の焼結材料の衝撃値と引張強度を示すグラフ。本実施形態の焼結材料と従来の焼結材料の衝撃値と引張強度を示すグラフ。混合粉に含まれるＭｏ量と焼結材料の密度との関係を示すグラフ。混合粉に含まれるＣｒ量と焼結材料の密度との関係を示すグラフ。混合粉に含まれるＣｕ量と焼結材料の衝撃値との関係を示すグラフ。焼結材料の拡大断面写真。本実施形態の焼結材料と比較例の焼結材料の衝撃値と引張強度を示すグラフ。焼結時間及び焼結温度と焼結材料のベイナイト組織との関係を示す表。

以下、図面を参照して本発明の焼結材料の製造方法の実施形態を説明する。

図１は、本発明の焼結材料の製造方法の一実施形態に係るフロー図である。図２は、図１に示す製造方法によって得られる焼結材料ＳＭの概念図である。図３は、図１に示す製造方法によって得られる焼結材料ＳＭの一例を示す断面写真である。

本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法は、混合工程Ｓ１と焼結工程Ｓ２とを有している。混合工程Ｓ１では、Ｆｅ−Ｍｏ系の第１粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系又はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系の第２粉末、Ｃｕ系粉末、及び、黒鉛系粉末を混合して、混合粉を得る。焼結工程Ｓ２では、混合工程Ｓ１で得られた混合粉を成形後に焼結して、焼結材料ＳＭを得る。以下、混合工程Ｓ１と焼結工程Ｓ２の各工程について、詳細に説明する。

（混合工程Ｓ１）
混合工程Ｓ１では、得られる混合粉の重量を１００重量％としたときに、Ｃｕ系粉末が０．２重量％以上かつ５重量％以下、黒鉛系粉末が０．２重量％以上かつ１．２重量％以下、残部が第１粉末及び第２粉末となるように各粉末を混合する。ここで、残部の第１粉末と第２粉末との重量比は、９０：１０から１０：９０までの範囲になるようにする。これにより、混合粉は、焼結時に靱性に優れたベイナイト組織ＢＳを生成する第１粉末と、焼結時に強度に優れたマルテンサイト組織ＭＳを生成する第２粉末とを９０：１０から１０：９０までの重量比で含んでいる。

第１粉末としては、例えば、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｍｏ粉を用いることができる。Ｍｏは、ベイナイト組織ＢＳの生成に寄与する元素である。そのため、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０．２重量％よりも少ないと、ベイナイト組織ＢＳが生成しない。また、第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが５重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料ＳＭの密度が低下することで、焼結材料ＳＭの強度が低下する。

Ｃｒは焼結材料ＳＭの焼入性向上に寄与する元素である。そのため、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｃｒが０．２重量％よりも少ないと、焼入性が悪化してマルテンサイト組織ＭＳが生成しない。また、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｃｒが５重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料ＳＭの密度が低下することで、焼結材料ＳＭの強度が低下する。また、Ｍｏも焼結材料ＳＭの焼入性向上に寄与するが、第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが３重量％よりも多いと、粉末が硬くなり、成形性が悪化して焼結材料ＳＭの密度が低下することで、焼結材料ＳＭの強度が低下する。

第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の粒径は、それぞれの粉末の粒子の９０％以上が２０μｍ以上かつ２１０μｍ以下の粒径範囲であり、かつ、混合粉全体の粒子の９０％以上が２０μｍ以上かつ２１０μｍ以下の粒径範囲であることが好ましい。第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径が２０μｍよりも小さくなると、著しく粉体の流動性が低下して成形性が悪化し、焼結材料ＳＭの密度及び強度が低下する。第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径が２１０μｍよりも大きくなると、焼結材料ＳＭの密度及び強度が低下する。また、生産性の観点からも第１粉末、第２粉末及び混合粉の粒径は、２１０μｍ以下とすることが好ましい。

混合工程Ｓ１では、得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＭｏを０．２重量％以上かつ５重量％以下、混合粉に含まれるＣｒを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。また、混合工程Ｓ１では、得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｕを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。また、混合工程Ｓ１において混合する材料として、潤滑剤及び快削成分を用いてもよい。

より具体的には、第１粉末として、例えば、粒径が２０μｍから２１０μｍのＦｅ−１．５％Ｍｏ粉であるヘガネス社製のＡｓｔａｌｏｙＭｏを使用することができる。また、第２粉末として、例えば、粒径が２０μｍから２１０μｍのＦｅ−１．５％Ｃｒ−０．２％Ｍｏ粉であるヘガネス社製のＡｓｔａｌｏｙＣｒＭを使用することができる。

また、Ｃｕ系粉末としては、例えば、福田金属社製のＣｕ粉であるＣＥｗｔ２５を２重量％の混合量で用いることができる。また、黒鉛系粉末としては、例えば、日本黒鉛社製の粒径が１μｍから１０μｍの黒鉛系粉末であるＪＣＰＢを０．８重量％の混合量で用いることができる。

また、混合粉に加える潤滑剤としては、例えば、日油株式会社製のステアリン酸亜鉛、「ニッサンジンクステアレート」を０．８重量％の混合量で用いることができる。焼結材料ＳＭを引張試験片又は衝撃試験片として製造する場合には、前記した各材料を、例えば、筒井理化学器械社製のＶ型混粉機（５００ｇ用）を用いて３０分間に亘って混粉することができる。

（焼結工程Ｓ２）
焼結工程Ｓ２では、まず、混合工程Ｓ１で得られた混合粉を成形する。焼結材料ＳＭを引張試験片又は衝撃試験片として製造する場合には、例えば、混合工程Ｓ１で得られた混合粉を常温で７［ｔ／ｃｍ^２］の面圧で成形することができる。次に、成形した混合粉を焼結する。焼結工程Ｓ２において、焼結温度は、１２００℃以下とし、焼結時間は、１時間以下とする。そして、第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散してＣｕ拡散部ＤＰが形成され、かつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で混合粉を焼結する。

この焼結工程Ｓ２によって、第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部ＤＰに残留オーステナイト組織ＲＡＳを形成する。より詳細には、第１粉末の表層部のＣｕ拡散部ＤＰにマルテンサイト組織ＭＳを形成し、第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部ＤＰにマルテンサイト組織ＭＳ及び残留オーステナイト組織ＲＡＳを形成する。また、第１粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｍｏ系のベイナイト組織ＢＳを形成し、第２粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ-Ｃｒ−Ｍｏ系のマルテンサイト組織ＭＳを形成する。これにより、複相組織の焼結材料ＳＭを得ることができる。

図３に示す焼結材料ＳＭの断面写真において、右上のマルテンサイト組織ＭＳは、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ＋Ｃｕで表され、８００ＨＶ程度の硬度を有する高硬度相である。また、図３の右上のマルテンサイト組織ＭＳ＋残留オーステナイト組織ＲＡＳは、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｃ＋Ｃｕで表される。また、図３の左のベイナイト組織ＢＳは、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ＋Ｃｕで表され、３５０ＨＶ程度の硬度を有する低硬度相である。また、図３の左のマルテンサイト組織ＭＳは、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ−Ｃ＋Ｃｕで表され、５００ＨＶから８００ＨＶ程度の硬度を有する中高硬度相である。なお、残留オーステナイト組織ＲＡＳは、全体の２％から１０％程度である。

図４は、焼結材料ＳＭの引張試験片ＴＳの正面図及び端面図である。焼結材料ＳＭの引張強度を測定するための引張試験片ＴＳは、例えば、粉体粉末冶金協会標準の金属焼結体の引張試験片ＴＳを使用することができる。引張試験片ＴＳは、標点距離Ｇが２５ｍｍ、中心での幅Ｄが５．７０±０．０２ｍｍ、平行部端での幅Ｗが５．９６±０．０２ｍｍ、厚さＴが４．００ｍｍから５．００ｍｍ、肩部の半径Ｒが２５ｍｍ、平行部長さの半分Ａが１６ｍｍ、つかみ部長さの半分Ｂが４３．９０±０．１０ｍｍ、全長Ｌが９６．５０±０．１０ｍｍ、端部の半径Ｅが４．３５ｍｍ、加圧面積が約７．０ｃｍ^２、つかみ部幅Ｃが８．７０±０．０５ｍｍであるものを用いることができる。なお、これらの寸法は、成形型の寸法である。本実施形態では、引張試験片ＴＳの厚さＴを４．５ｍｍ±０．２ｍｍとした。引張試験では、例えば、インストロン社製の２００ｋＮ引張試験機を使用することができる。

図５は、焼結材料ＳＭの衝撃試験片ＩＳの正面図及び端面図である。焼結材料ＳＭの衝撃値を測定するための衝撃試験片ＩＳは、例えば、幅Ｗ及び高さＨが１０±０．２ｍｍ、全長Ｌが５０±０．６ｍｍであるものを用いることができる。衝撃試験では、例えば、ＪＴトーシ社製のシャルピー衝撃試験機を使用することができる。また、焼結材料ＳＭの密度は、例えば、アルキメデス法によって測定することができる。

以下、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法の作用について説明する。

本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法では、混合工程Ｓ１によって得られた混合粉に含まれるＦｅ−Ｍｏ系の第１粉末の粒子は、焼結工程Ｓ２において、Ｃｕを拡散させない粒子の内部がベイナイト組織ＢＳとなり、Ｃｕを拡散させる粒子の表層部のＣｕ拡散部ＤＰがマルテンサイト組織ＭＳとなる。また、混合粉に含まれるＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系の第２粉末の粒子は、焼結工程Ｓ２において、Ｃｕを拡散させない粒子の内部がマルテンサイト組織ＭＳとなり、Ｃｕを拡散させる粒子の表層部のＣｕ拡散部ＤＰがマルテンサイト組織ＭＳ＋残留オーステナイト組織ＲＡＳとなる。

すなわち、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法によって得られた焼結材料ＳＭは、靱性に優れたベイナイト組織ＢＳと、強度に優れたマルテンサイト組織ＭＳと、残留オーステナイト組織との複相組織を有することで、高強度と高靱性を両立させることができる。したがって、焼結材料ＳＭは、例えば、歯車部品、バルブシート、バルブガイド、ロータ、ノズルクランプ、レバーシフト、クラッチハブ、キーシンクロ、パワーステアリング部品、可変バルブタイミング機構部品、オイルポンプ、ステアリング固定ギヤ等に使用することができる。

図６は、第２粉末の混合量と焼結材料ＳＭの衝撃値との関係を示すグラフである。図７は、第２粉末の混合量と焼結材料ＳＭの引張強度との関係を示すグラフである。図８は、第２粉末の混合量と焼結材料ＳＭの衝撃値及び引張強度との関係を示すグラフである。

より詳細には、図６から図８は、それぞれ、第１粉末としてＦｅ−１．５％Ｍｏ粉を用い、第２粉末としてＦｅ−３．０％Ｃｒ−０．２Ｍｏ粉を用いた焼結材料ＳＭのシャルピー試験衝撃値及び引張強度を示すグラフである。図６と図７は、混合粉に含まれる第１粉末と第２粉末の合計の重量を１００重量％としたときの第２粉末の混合量を横軸とし、シャルピー試験衝撃値と引張強度をそれぞれ縦軸としている。また、図８は、横軸を衝撃値とし、縦軸を引張強度として、各混合量の第２粉末を用いた焼結材料ＳＭの衝撃値及び引張強度を示すグラフである。

なお、図６から図８において、第２粉末であるＦｅ−３．０％Ｃｒ−０．２Ｍｏ粉の混合量が０重量％であるデータＸ１は、前記特許文献１に開示された従来の焼結材料に対応するデータである。また、第２粉末であるＦｅ−３．０％Ｃｒ−０．２Ｍｏ粉の混合量が１００重量％であるデータＸ２は、前記特許文献２に開示された従来の焼結材料に対応するデータである。そして、Ｆｅ−３．０％Ｃｒ−０．２Ｍｏ粉の混合量が１０重量％から９０重量％までのデータＤ１−Ｄ８が本実施形態の製造方法によって製造された焼結材料ＳＭのデータである。

前述のように、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法では、焼結時に靱性に優れたベイナイト組織ＢＳを生成する第１粉末と、焼結時に強度に優れたマルテンサイト組織ＭＳを生成する第２粉末とを９０：１０から１０：９０までの重量比で含む混合粉を成形後に焼結している。これにより、例えば、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値を、概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料ＳＭの引張強度を、概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

したがって、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法によれば、靱性及び強度に優れた複相組織の焼結材料ＳＭを得ることができる。これに対し、混合粉が第１粉末を含まない場合、すなわち、第２粉末の混合量が１００重量％である場合には、ベイナイト組織ＢＳが生成しないため、焼結材料ＳＭの靱性が低下し、衝撃値が大幅に低下する。また、混合粉が第２粉末を含まない場合、すなわち、第２粉末の混合量が０重量％である場合には、焼結材料ＳＭの強度が低下し、引張強度が大幅に低下する。

図９は、本実施形態の焼結材料ＳＭと従来の焼結材料の衝撃値と引張強度を示すグラフである。図９において、菱形の点は、第１粉末としてのＦｅ−１．５％Ｍｏ粉と、第２粉末としてのＦｅ−３．０％Ｃｒ粉とを含む混合粉であるＦｅ−１．２％Ｍｏ−０．８％Ｃｒ−２．０％Ｃｕ−０．７％Ｃを焼結した焼結材料ＳＭのデータＤ４を示している。また、正方形の点は、第１粉末を含まず、第２の粉末としてのＦｅ−１．２％Ｍｏ−０．８％Ｃｒ粉にＣｕ系粉末と黒鉛系粉末を混合した混合粉であるＦｅ−１．２％Ｍｏ−０．８％Ｃｒ−２．０％Ｃｕ−０．７％Ｃ粉を焼結した従来の焼結材料のデータＸ３を示している。なお、図９に示す本実施形態の焼結材料ＳＭのデータＤ４は、図６に示す本実施形態の焼結材料ＳＭのデータＤ４に対応している。

図１０は、本実施形態の焼結材料ＳＭの衝撃値と引張強度を示すグラフである。図１０において、菱形の点は、図９と同様に、第１粉末としてのＦｅ−１．５％Ｍｏ粉と、第２粉末としてのＦｅ−３．０％Ｃｒ粉とを含む混合粉であるＦｅ−１．２％Ｍｏ−０．８％Ｃｒ−２．０％Ｃｕ−０．７％Ｃを焼結した焼結材料ＳＭのデータＤ４を示している。また、正方形の点は、第１粉末としてのＦｅ−１．５％Ｍｏ粉と、第２粉末としてのＦｅ−３．０％Ｃｒ粉とを含む混合粉であるＦｅ−１．０％Ｍｏ−０．８％Ｃｒ−２．０％Ｃｕ−０．７％Ｃを焼結した焼結材料ＳＭのデータＤ９を示している。

図９及び図１０から明らかなように、本実施形態の焼結材料ＳＭは、第１粉末を含まない混合粉を焼結した従来の焼結材料と比較して、引張強度及び衝撃値が上昇している。これは、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法により、ベイナイト組織ＢＳを生成する第１粉末とマルテンサイト組織ＭＳを生成する第２粉末を含む混合粉を焼結することで、靱性に優れるベイナイト組織ＢＳと強度に優れるマルテンサイト組織ＭＳとが混在し、強度と靱性が両立した焼結材料ＳＭが得られたためである。一方、従来の焼結材料は、ベイナイト組織ＢＳが生成されないため、靱性が低くなっている。

前述のように、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法では、混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＭｏを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。これにより、焼結工程Ｓ２においてベイナイト組織ＢＳとマルテンサイト組織ＭＳが生成され、焼結材料ＳＭの強度が向上する（固溶強化）。したがって、図６から図１０のデータＤ１−Ｄ９に示すように、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料ＳＭの引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＭｏが０．２重量％よりも少ないと、ベイナイト組織ＢＳを生成させることができない。そのため、図６から図９のデータＸ１−Ｘ３に示す従来の焼結材料のように、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値と引張強度が低下する。

図１１は、混合粉に含まれるＭｏ量と焼結材料ＳＭの密度との関係を示すグラフである。図１１では、混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＭｏの重量％を横軸とし、焼結材料ＳＭの密度を縦軸としている。混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＭｏが５重量％よりも多いと、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ系の第１粉末が１０％以下の場合に、第１粉末が硬くなり、圧縮性及び成形性が悪化する。そのため、焼結材料ＳＭの密度が低下し、その結果、焼結材料ＳＭの強度が低下する。

前述のように、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法では、混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｒを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。これにより、焼結材料ＳＭの焼入れ性が向上し、マルテンサイト組織ＭＳと残留オーステナイト組織の精製に寄与する。したがって、図６から図１０のデータＤ１−Ｄ９に示すように、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料ＳＭの引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｒが０．２重量％よりも少ないと、例えば、図６から図９のデータＸ１−Ｘ３に示す従来の焼結材料のように衝撃値と引張強度が低下する。

図１２は、混合粉に含まれるＣｒ量と焼結材料ＳＭの密度との関係を示すグラフである。混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｒが５重量％よりも多いと、Ｆｅ−Ｃｒ系粉末である第１粉末が硬くなり、圧縮性が悪化する。そのため、焼結材料ＳＭの密度が低下し、焼結材料ＳＭの強度が低下する。

前述のように、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法では、混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｕを０．２重量％以上かつ５重量％以下とすることができる。これにより、焼結工程Ｓ２における焼結材料ＳＭの複相組織化とＣｕ拡散部ＤＰの固溶強化に寄与する。したがって、図６から図１０のデータＤ１−Ｄ９に示すように、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料ＳＭの引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、前記混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｕが０．２重量％よりも少ないと、例えば、図６から図９のデータＸ１−Ｘ３に示す従来の焼結材料のように引張強度が低下する。

図１３は、混合粉に含まれるＣｕ量と焼結材料ＳＭの衝撃値との関係を示すグラフである。混合工程Ｓ１で得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｕが５重量％よりも多いと、例えば、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値が低下する。なお、より高い衝撃値を得る観点から、混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣｕは、１重量％以上かつ３重量％以下であることが好ましい。

図１４の（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、混合粉に含まれるＣを０．１８重量％、１．２重量％、１．２５重量％としたときの焼結材料ＳＭの拡大断面写真である。

前述のように、混合工程Ｓ１では、得られる混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣを０．２重量％以上かつ１．２重量％以下とすることができる。これにより、図１４の（ｂ）に示すように、初析セメンタイトＰＣが生成されず、焼結工程Ｓ２における焼結材料ＳＭのマルテンサイト組織ＭＳ及び残留オーステナイト組織の生成と、強度の向上に寄与する。したがって、図６から図１０のデータＤ１−Ｄ９に示すように、焼結材料ＳＭのシャルピー衝撃値を概ね１７［Ｊ／ｃｍ^２］から２３［Ｊ／ｃｍ^２］程度にすることができ、焼結材料ＳＭの引張強度を概ね１１００［ＭＰａ］から１１７０［ＭＰａ］程度にすることができる。

一方、図１４の（ａ）に示すように、混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、前記混合粉に含まれるＣが０．２重量％よりも少ないと、焼結工程Ｓ２において焼結材料ＳＭに低強度組織であるフェライト組織ＦＳが生成し、焼結材料ＳＭの強度が低下する。また、図１４の（ｃ）に示すように、混合粉の全体の重量を１００重量％としたときに、混合粉に含まれるＣが１．２重量％よりも多いと、焼結工程Ｓ２において焼結材料ＳＭに初析セメンタイトＰＣが生成し、焼結材料ＳＭの強度が低下する。

前述のように、焼結工程Ｓ２では、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下でかつ第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で混合粉を焼結する。

図１５は、本実施形態の焼結材料ＳＭ及び比較例の焼結材料の衝撃値と引張強度を示すグラフである。図１５は、図９に示したグラフに三角形の点で表される比較例の焼結材料のデータＸ４を加えたグラフである。すなわち、図１５では、図９のグラフと同様に、菱形の点が本実施形態の焼結材料ＳＭのデータＤ４を示し、正方形の点が従来の焼結材料のデータＸ３を示している。なお、比較例の焼結材料は、本実施形態の焼結材料ＳＭと同じ混合粉を、粒子の中心部までＣｕが拡散する条件で焼結した焼結材料である。

Ｃｕは、焼結材料ＳＭの強度を向上させつつ焼結材料ＳＭを複相組織にすることを目的として混合粉に添加される。しかし、図１５の三角形の点で表される比較例の焼結材料のように、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕを拡散させると、ベイナイト組織ＢＳが生成せず、焼結材料の靱性が低下し、衝撃値が低下する。

図１６は、焼結工程Ｓ２における焼結時間及び焼結温度と焼結材料ＳＭのベイナイト組織ＢＳとの関係を示す表である。焼結工程Ｓ２において、焼結温度が１２００℃を超えると、焼結時間が１時間未満、より具体的には、概ね０．５時間程度でも、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕ拡散するため、ベイナイト組織ＢＳを生成させることができない。また、焼結温度が１２００℃以下の場合でも、焼結時間が１時間を超えると、第１粉末及び第２粉末のそれぞれ粒子の中心部までＣｕ拡散が進行し、ベイナイト組織ＢＳが減少し又は消失する。

したがって、焼結工程Ｓ２では、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下で、かつ第１粉末及び第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で混合粉を焼結する。これにより、第１粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｍｏ系のベイナイト組織ＢＳを形成し、第２粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ-Ｃｒ−Ｍｏ系のマルテンサイト組織ＭＳを形成し、第１粉末及び第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部ＤＰに残留オーステナイト組織を形成することができる。そのため、ベイナイト組織ＢＳとマルテンサイト組織ＭＳとを混在させた理想的な複相組織を有する焼結材料ＳＭを得ることができる。

本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法によって得られた焼結材料ＳＭは、ベイナイト組織ＢＳとマルテンサイト組織ＭＳと残留オーステナイト組織との複相組織を有することで、高強度と高靱性を両立させることができる。したがって、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法によって得られた焼結材料ＳＭは、例えば、歯車部品、バルブシート、バルブガイド、ロータ、ノズルクランプ、レバーシフト、クラッチハブ、キーシンクロ、パワーステアリング部品、可変バルブタイミング機構部品、オイルポンプ、ステアリング固定ギヤ等に使用することができる。

以上説明したように、本実施形態の焼結材料ＳＭの製造方法によれば、強度と高靱性を両立させることができる焼結材料ＳＭの製造方法を提供することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

ＢＳベイナイト組織
ＭＳマルテンサイト組織
ＤＰＣｕ拡散部
ＲＡＳ残留オーステナイト組織
Ｓ１混合工程
Ｓ２焼結工程
ＳＭ焼結材料

Claims

Ｆｅ−Ｍｏ系の第１粉末、Ｆｅ−Ｃｒ系又はＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ系の第２粉末、Ｃｕ系粉末、及び、黒鉛系粉末を混合する混合工程と、該混合工程で得られた混合粉を成形後に焼結する焼結工程と、を有する焼結材料の製造方法であって、
前記混合工程において、
前記第１粉末として、前記第１粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｍｏ粉を用い、
前記第２粉末として、前記第２粉末の重量を１００重量％としたときに、Ｍｏが０重量％以上かつ３重量％以下、Ｃｒが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｃｒ−Ｍｏ粉、又は、Ｃｒが０．２重量％以上かつ５重量％以下、残部がＦｅであるＦｅ−Ｃｒ粉を用い、
前記混合粉の重量を１００重量％としたときに、前記Ｃｕ系粉末が０．２重量％以上かつ５重量％以下、前記黒鉛系粉末が０．２重量％以上かつ１．２重量％以下、残部が前記第１粉末及び前記第２粉末であり、前記残部の前記第１粉末と前記第２粉末との重量比が９０：１０から１０：９０までの範囲になり、
前記第１粉末及び前記第２粉末のそれぞれの粒子の粒径が、２０μｍ以上かつ２１０μｍ以下の粒径範囲であるように各粉末を混合し、
前記焼結工程において、焼結温度が１２００℃以下かつ焼結時間が１時間以下である、前記第１粉末及び前記第２粉末のそれぞれの粒子の表層部にＣｕが拡散しかつそれぞれの粒子の中心部までＣｕが拡散しない条件で前記混合粉を焼結することで、前記第１粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｍｏ系のベイナイト組織を形成し、前記第２粉末の粒子の内部にＦｅ−Ｃｒ系又はＦｅ-Ｃｒ−Ｍｏ系のマルテンサイト組織を形成し、前記第２粉末の粒子の表層部のＣｕ拡散部に残留オーステナイト組織を形成し、複相組織の焼結材料を得ることを特徴とする焼結材料の製造方法。