JPWO2020158788A1 - 焼結材、歯車、及び焼結材の製造方法 - Google Patents

Abstract

鉄基合金からなる組成と、断面において、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数が２００個未満である組織とを備え、相対密度が９３％以上である、焼結材。

Description

本開示は、焼結材、歯車、及び焼結材の製造方法に関する。
本出願は、２０１９年０１月３０日付の国際出願のＰＣＴ／ＪＰ２０１９／００３２６１に基づく優先権を主張し、前記国際出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

特許文献１は、相対密度が９３％以上である焼結体を開示する。

特開２０１７−１８６６２５号公報

本開示の焼結材は、
鉄基合金からなる組成と、
断面において、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数が２００個未満である組織とを備え、
相対密度が９３％以上である。

本開示の歯車は、
本開示の焼結材からなる。

本開示の焼結材の製造方法は、
鉄系粉末を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を用いて、相対密度が９３％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
前記鉄系粉末は、純鉄からなる粉末、及び鉄基合金からなる粉末の少なくとも一方の粉末を含み、
前記原料粉末を用意する工程では、前記鉄系粉末に還元処理を施し、
前記還元処理では、前記鉄系粉末を還元雰囲気下において９５０℃以上１１００℃未満の温度に加熱する。

図１は、実施形態の焼結材の一例である歯車を示す概略斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す一点鎖線円１Ｂ内を拡大して示す断面図である。 図２は、実施形態の焼結材の断面組織を拡大して示す模式断面図である。 図３は、試験例１で作製した各試料の焼結材において、単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数と、面圧疲労強度との関係を示すグラフである。

［本開示が解決しようとする課題］
鉄系焼結材に対して、疲労強度の向上が望まれている。

焼結材では、通常、空孔が割れの起点となることで、引張強さや疲労強度といった強度が低下する。しかし、本発明者らは、相対密度が９３％以上といった緻密な焼結材では、空孔ではなく、上記焼結材中に存在し得る化合物粒子が割れの起点となることで、疲労強度が低下する、との知見を得た。

そこで、本開示は、疲労強度に優れる焼結材を提供することを目的の一つとする。また、本開示は、疲労強度に優れる歯車を提供することを別の目的とする。本開示は、疲労強度に優れる焼結材を製造可能な焼結材の製造方法を提供することを更に別の目的とする。

［本開示の効果］
本開示の焼結材、及び本開示の歯車は、疲労強度に優れる。本開示の焼結材の製造方法は、疲労強度に優れる焼結材を製造できる。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
（１）本開示の一態様に係る焼結材は、
鉄基合金からなる組成と、
断面において、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数が２００個未満である組織とを備え、
相対密度が９３％以上である。

本開示の焼結材は、疲労強度に優れる。この理由の一つとして、本開示の焼結材は、９３％以上の相対密度を有する緻密な焼結材であることが挙げられる。また、別の理由の一つとして、本開示の焼結材では、焼結材の少なくとも表層に存在する０．３μｍ（３００ｎｍ）以上の大きさを有する化合物粒子が少ないことが挙げられる。化合物粒子を構成する化合物は、例えば、酸化物、硫化物、窒化物が挙げられる。鉄基合金から構成される焼結材であって、上述の緻密な焼結材では、０．３μｍ以上の化合物粒子が割れの起点になり得る。しかし、上記焼結材の少なくとも表層において０．３μｍ以上の化合物粒子が少なければ、例えば焼結材の表面から内部に向かって焼結材に応力が負荷されても、上記化合物粒子が割れの起点になり難い。仮に割れが生じても、上記化合物粒子が割れを進展させ難い。割れの発生や割れの進展が抑制されることで、本開示の焼結材は、疲労強度を向上できる。このような本開示の焼結材は、歯車等に好適に利用できる。

なお、ここでの焼結材の表層とは、焼結材の表面から内部に向かって２００μｍまでの領域が挙げられる。また、上記断面は、焼結材の表層からとることが挙げられる。

（２）本開示の焼結材の一例として、
前記相対密度が９７％以上である形態が挙げられる。

上記形態は、より緻密であるため、疲労強度をより高め易い。

（３）本開示の焼結材の一例として、
前記単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである前記化合物粒子の個数をｎとし、前記単位面積あたりに存在する２０μｍ以上の大きさである前記化合物粒子の個数をｎ_２０とし、前記ｎに対する前記ｎ_２０の割合を（ｎ_２０／ｎ）×１００とし、前記割合が１％以下である形態が挙げられる。

上記形態では、２０μｍ以上という粗大な化合物粒子が少ないといえる。このような形態は、粗大な化合物粒子に起因する割れの発生や割れの進展を抑制できる。従って、上記形態は、疲労強度をより高め易い。

（４）本開示の焼結材の一例として、
前記鉄基合金は、Ｃ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる形態が挙げられる。

上記に列挙する元素を含有する鉄基合金、例えばＣを含む鉄基合金である鋼等は引張強さ等の強度に優れる。高強度な鉄基合金からなる上記形態は、疲労強度をより高め易い。

（５）本開示の一態様に係る歯車は、
上記（１）から（４）のいずれか一つの焼結材からなる。

歯車の各歯の歯面等には、使用時、相手材からの応力が負荷される。しかし、本開示の歯車は、焼結材の表層において上述の化合物粒子に起因する割れの発生や割れの進展を抑制できる。従って、本開示の歯車は、疲労強度に優れる焼結歯車として、長期に亘り使用できる。

（６）本開示の一態様に係る焼結材の製造方法は、
鉄系粉末を含む原料粉末を用意する工程と、
前記原料粉末を用いて、相対密度が９３％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
前記鉄系粉末は、純鉄からなる粉末、及び鉄基合金からなる粉末の少なくとも一方の粉末を含み、
前記原料粉末を用意する工程では、前記鉄系粉末に還元処理を施し、
前記還元処理では、前記鉄系粉末を還元雰囲気下において９５０℃以上１１００℃未満の温度に加熱する。

本開示の焼結材の製造方法において、相対密度が９３％以上である圧粉成形体を作製し、この圧粉成形体を焼結するという製造過程は、特許文献１に記載される基本的な焼結材の製法に重複する。しかし、本開示の焼結材の製造方法は、原料粉末として、上述の特定の温度に加熱して還元した鉄系粉末を用いる。この特定の還元粉末を用いることによって、緻密な圧粉成形体が成形される。また、上記特定の還元粉末を用いることによって、酸化物といった化合物粒子が効果的に低減される。そのため、本開示の焼結材の製造方法は、相対密度が９３％以上という緻密な焼結材であって、焼結材の少なくとも表層に、０．３μｍ以上の大きさを有する化合物粒子が少ない焼結材を製造できる。製造された焼結材は、上記化合物粒子が少ないため、上記化合物粒子に起因する割れの発生や割れの進展を抑制できる。ひいては、この焼結材は、疲労強度に優れる。従って、本開示の焼結材の製造方法は、疲労強度に優れる焼結材、代表的には本開示の焼結材を製造できる。

（７）本開示の焼結材の製造方法の一例として、
前記還元処理において、前記温度に保持する時間が５時間以上である形態が挙げられる。

上記形態は、鉄系粉末が適切に還元されているため、０．３μｍ以上の大きさを有する化合物粒子が少ない焼結材を製造できる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、適宜図面を参照して、本開示の実施形態に係る焼結材、本開示の実施形態に係る歯車、本開示の実施形態に係る焼結材の製造方法を順に説明する。

［焼結材］
主に図１を参照して、実施形態の焼結材１を説明する。
図１Ａは、実施形態の焼結材１の一例として外歯歯車を示す。図１Ａは、複数の歯３のうち、一部の歯３を切り欠いて断面を示す。

（概要）
実施形態の焼結材１は、Ｆｅ（鉄）を主体とする鉄基合金からなる緻密な焼結材である。また、実施形態の焼結材１では、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２（図２）が少ない。具体的には、実施形態の焼結材１は、鉄基合金からなる組成と、以下の組織とを備え、相対密度が９３％以上である。

上記組織とは、焼結材１の断面において、単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２の個数が２００個未満である。上記単位面積は、１００μｍ×１００μｍとする。以下、「断面において１００μｍ×１００μｍの単位面積当たりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数」を「個数の密度」と呼ぶことがある。
以下、より詳細に説明する。

（組成）
鉄基合金は、添加元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる合金である。添加元素は、例えば、Ｃ（炭素），Ｎｉ（ニッケル），Ｍｏ（モリブデン），Ｍｎ（マンガン），Ｃｒ（クロム），Ｂ（硼素），及びＳｉ（珪素）からなる群より選択される１種以上の元素が挙げられる。Ｆｅに加えて、上記に列挙する元素を含む鉄基合金は、純鉄に比較して強度に優れる。強度に優れる鉄基合金からなる焼結材１は、疲労強度に優れる。

上記に列挙する各元素の含有量は、鉄基合金を１００質量％として、例えば以下が挙げられる。各元素の含有量が多いほど、鉄基合金は高強度になり易い。高強度な鉄基合金からなる焼結材１は、疲労強度を高め易い。
〈Ｃ〉０．１質量％以上２．０質量％以下
〈Ｎｉ〉０．０質量％以上５．０質量％以下
〈Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，Ｓｉの合計量〉０．１質量％以上５．０質量％以下
以下、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉをまとめて「Ｍｏ等の元素」と呼ぶことがある。

Ｃを含む鉄基合金、代表的には炭素鋼は、強度に優れる。Ｃの含有量が０．１質量％以上であると、Ｃの含有量が０．１質量％未満である場合、例えば純鉄に比較して、強度の向上、焼入れ性の向上が望める。Ｃの含有量が２．０質量％以下であると、高い強度を有しつつ、延性の低下や靭性の低下が抑制される。Ｃの含有量は０．１質量％以上１．５質量％以下、更に０．１質量％以上１．０質量％以下、０．１質量％以上０．８質量％以下でもよい。

Ｎｉを含む鉄基合金は、強度の向上に加え、靭性の向上も望める。Ｎｉの含有量が多いほど、強度が高くなり易い上に、焼入れ性の向上も望める。Ｎｉの含有量が５．０質量％以下であると、焼結後に焼入れ焼戻しを行う場合に、焼戻し後の焼結材の内部における残留オーステナイト量が少なくなり易い。そのため、多量の残留オーステナイトが形成されることに起因する軟質化が防止される。従って、焼入れ焼戻し後の焼結材１は、焼戻しマルテンサイト相を主たる組織として、硬度を高め易い。Ｎｉの含有量は０．１質量％以上４．０質量％以下、更に０．２５質量％以上３．０質量％以下でもよい。

Ｍｏ等の元素の合計含有量が０．１質量％以上であると、強度の更なる向上が望める。Ｍｏ等の元素の合計含有量が５．０質量％以下であると、高い強度を有しつつ、靭性の低下や脆化が抑制される。Ｍｏ等の元素の合計含有量は０．２質量％以上４．５質量％以下、更に０．４質量％以上４．０質量％以下でもよい。各元素の含有量は、例えば以下が挙げられる。

〈Ｍｏ〉０．０質量％以上２．０質量％以下、更に０．１質量％以上１．５質量％以下
〈Ｍｎ〉０．０質量％以上２．０質量％以下、更に０．１質量％以上１．５質量％以下
〈Ｃｒ〉０．０質量％以上４．０質量％以下、更に０．１質量％以上３．０質量％以下
〈Ｂ〉０．０質量％以上０．１質量％以下、更に０．００１質量％以上０．００３質量％以下
〈Ｓｉ〉０．０質量％以上１．０質量％以下、更に０．１質量％以上０．５質量％以下

鉄基合金は、Ｍｎ等の元素のうち、特にＭｏ及びＭｎを含むと、強度により優れる。Ｍｎは、焼入れ性の向上、強度の向上に寄与する。Ｍｏは、高温強度の向上、焼戻し脆化の低減に寄与する。Ｍｏ及びＭｎはそれぞれ、上述の範囲で含まれることが好ましい。

焼結材１の全体組成の測定には、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ又はＥＤＳ）、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ−ＯＥＳ）等を利用することができる。

（組織）
〈化合物粒子〉
実施形態の焼結材１は、化合物粒子２（図２）を含む。ここでの化合物粒子２を構成する化合物は、焼結材１の構成元素及び不純物元素の少なくとも一種以上の元素を含む酸化物、硫化物、炭化物、窒化物等が挙げられる。焼結材１の構成元素は、上記の組成の項を参照するとよい。上記不純物元素は、不可避不純物、脱酸剤として添加された元素等が挙げられる。化合物粒子２は、製造過程で不可避に形成されるものが挙げられる。

《個数》
実施形態の焼結材１では、断面において焼結材１の少なくとも表層に存在する化合物粒子２のうち、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２が少ない。定量的には、焼結材１の断面において、一辺が１００μｍの正方形の領域を単位面積の領域とすると、上記単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の化合物粒子２の個数、即ち個数の密度が２００個未満である。個数の密度が２００個未満であれば、例えば、焼結材１の表面１１側から焼結材１の内部に向かって焼結材１に応力が負荷されても、表面１１及びその近傍領域といった表層に存在する化合物粒子２が割れの起点になり難い。また、割れが化合物粒子２に沿って焼結材１の内部に進展し難い。そのため、大きな亀裂が抑制される。このような実施形態の焼結材１は、疲労強度に優れる。

上述の個数の密度が小さいほど、化合物粒子２に起因する割れの発生や割れの進展が抑制される。そのため、焼結材１は疲労強度を高められる。従って、上記個数の密度は１９０個以下、更に１８５個以下、１７０個以下、１５０個以下が好ましい。上記個数の密度は１００個以下、更に８０個以下がより好ましい。ここで、実施形態の焼結材１は、上述のように純鉄ではなく、鉄基合金から構成される。純鉄の硬度、強度は、鉄基合金より低い。そのため、通常の純鉄の焼結材では、酸化物が割れの起点になることがない。これに対し、鉄基合金では、酸化物等の化合物粒子が割れの起点となる。また、鉄基合金では、純鉄に比較して酸化物が形成され易い。従って、実施形態の焼結材１において化合物粒子２が少ないことは、疲労強度の向上に効果的に作用する。

化合物粒子２を低減する方法として、例えば、後述するように製造過程で、原料に用いる鉄系粉末に還元処理を施して酸化物を低減することが挙げられる。製造方法の詳細は後述する。

上述の個数の密度は理想的には０個である。しかし、緻密な焼結材１の製造性を考慮すると、上記個数の密度は１０個以上、更に２０個以上でもよい。

《化合物粒子の個数の密度を測定する方法》
焼結材１の断面において、上述の個数の密度は、例えば以下のように測定する。より具体的な測定方法は、後述の試験例１で説明する。

（１）焼結材１の断面をとる。焼結材１の断面は、図１Ｂに示すように焼結材１の表面１１及びその近傍領域、即ち表層をとることが望ましい。焼結材１の使用時、表面１１から内部に向かって焼結材１に応力が印加されると、表層に存在する０．３μｍ以上の大きさを有する化合物粒子２が割れの起点となり易いからである。以下では、化合物粒子２の測定箇所が表層である場合を説明する。

焼結材１の断面は、焼結材１の表面１１から内部に向かって、２００μｍまでの領域を観察できるようにとる。例えば、焼結材１が図１Ａに示す環状の歯車であれば、表面１１は、歯３における歯先３０の表面、歯面３１の表面、歯底３２の表面、貫通孔４１の軸方向の端部に位置する端面４０、貫通孔４１の内周面等が挙げられる。特に、応力が印加され易い歯面３１や歯底３２の表層の断面をとることが挙げられる。切断面は、歯車の軸方向に直交する平面（図１Ｂ）、又は上記軸方向に平行な平面が挙げられる。より具体的な切断面として、歯車の厚さ方向に直交する平面（図１Ｂ）、又は歯車の厚さ方向に平行な平面等が挙げられる。

その他、焼結材１が図１Ａに示すような環状の歯車であれば、切断面は平面ではなく、曲面でもよい。例えば切断面は、歯車の軸に同軸である円筒面に沿った曲面でもよい。上記歯車の軸は、貫通孔４１の軸である。上記円筒面は、例えば、貫通孔４１の内周面が挙げられる。又は、切断面は、上記円筒面の一部に平行な曲面である歯先３０の表面、歯底３２の表面等に沿った曲面でもよい。

焼結材１の最表面及び最表面の近傍の領域は除去することが好ましい。焼結材１の最表面及び最表面の近傍の領域には、不純物等が存在して適切な測定が行えない可能性があるためである。除去厚さは、１０μｍから３０μｍ程度が挙げられる。焼結材１の表面１１は、上記最表面及び最表面の近傍の領域を除去した後の表面とする。

（２）焼結材１の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察して、表面１１から内部に向かって、長さが２００μｍである長方形の領域を測定領域、即ち視野として抽出する。長方形の領域の幅は５０μｍが挙げられる。観察倍率は、例えば３，０００倍から１０，０００倍の範囲から選択する。測定領域の数は、一つ以上とする。

（３）抽出した一つの測定領域を更に複数の微小領域に分割する。分割数ｋは５０以上、更に８０以上が挙げられる。各微小領域に対して、市販の自動粒子解析システムや市販のソフトウェア等を用いて、各微小領域に存在する粒子であって、０．３μｍ以上の大きさを有する粒子を抽出する。ここでの「０．３μｍ以上の大きさを有する粒子」とは、粒子の直径が０．３μｍ以上である粒子をいう。

上記粒子の直径は、以下のように求める。抽出した粒子の面積、ここでは断面積を求める。上記粒子の面積と同等の面積を有する円の直径を求める。粒子の直径は、上記円の直径とする。

抽出した粒子は、上述の酸化物等の化合物からなる粒子の他、空孔を含み得る。そのため、各粒子に対して、ＳＥＭ−ＥＤＳ等を用いて成分分析を行うことで、化合物粒子と空孔とを区別する。

各微小領域から化合物粒子のみを抽出する。そして、化合物粒子の個数ｎ_ｋを測定する。各微小領域の個数ｎ_ｋを合算することで、一つの測定領域における化合物粒子の合計個数Ｎを求める。測定した合計個数Ｎと測定領域の面積Ｓ（μｍ^２）とを用いて、１００μｍ×１００μｍあたりに存在する化合物粒子の個数ｎを求める。一つの測定領域における上記個数ｎは（Ｎ×１００×１００）／Ｓで求められる。上記個数ｎを焼結材１の個数の密度とする。

《大きさ》
化合物粒子２の大きさ、ここでは上述の粒子の直径は小さいほど好ましい。また、特に２０μｍ以上といった粗大な化合物粒子２が少ないほど好ましい。多くの化合物粒子２の大きさが小さく、上記粗大な化合物粒子２が少なければ、０．３μｍ以上の化合物粒子２の個数が少ないことと合わせて、割れの進展が抑制され易い。定量的には、以下の割合（ｎ_２０／ｎ）×１００が１％以下であることが挙げられる。
上記ｎは、単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２の個数である。
上記ｎ_２０は、単位面積あたりに存在する２０μｍ以上の大きさである化合物粒子２の個数である。
ここでの単位面積は、１００μｍ×１００μｍである。
割合（ｎ_２０／ｎ）×１００は、個数ｎに対する個数ｎ_２０の割合である。

上記割合が１％以下であれば、上述の粗大な化合物粒子２が少ないといえる。また、上記割合が１％以下であれば、個数ｎの９９％超を占める化合物粒子２において、その大きさが２０μｍ未満である。即ち、多くの化合物粒子２は小さいといえる。上記割合が小さいほど、上記個数ｎ_２０が少ない。そのため、上記粗大な化合物粒子２が割れの起点になり難い。上記割合は０．８％以下、更に０．７％以下が好ましく、理想的には０％である。

上述の粗大な化合物粒子２の大きさは、例えば１５０μｍ以下、更に１００μｍ以下、５０μｍ以下が好ましい。

上述の個数ｎの９９％以上を占める化合物粒子２の大きさが小さいほど、各化合物粒子２が割れの起点になり難い。また、各化合物粒子２が割れを進展させ難い。例えば、これらの化合物粒子２の大きさは、２０μｍ未満、更に１０μｍ以下、５μｍ以下、３μｍ以下が好ましい。上述の単位面積あたりに存在する全ての化合物粒子２の大きさが２０μｍ以下であることがより好ましい。

《熱処理後の組織》
実施形態の焼結材１は、焼結されたままのものが挙げられる。又は、実施形態の焼結材１は、焼結後に浸炭処理及び焼入れ焼戻しの少なくとも一方が施されたものが挙げられる。特に浸炭処理と焼入れ焼戻しとの双方が施された焼結材１は機械的特性により優れて好ましい。

浸炭処理が施された焼結材１は、表面１１から内部に向かって１ｍｍ程度までの範囲に、図示しない浸炭層を備える。浸炭層を備える焼結材１では、表面１１近くの領域が焼結材１の内部に比較して硬い。そのため、浸炭層を備える焼結材１は耐摩耗性等を向上できる。

焼入れ焼戻しが施された焼結材１は、マルテンサイトからなる組織を有する。ここでのマルテンサイトは、主として焼戻しマルテンサイトである。マルテンサイト組織を有する焼結材１は、硬い上に靭性にも優れて、強度を高め易い。焼結材１の実質的に全体がマルテンサイトからなり、残留オーステナイトの含有量がある程度少ない組織であると、焼結材１は硬度と靭性との双方により優れる。このような焼結材１は疲労強度に優れる。

（相対密度）
実施形態の焼結材１の相対密度は９３％以上である。このような焼結材１は緻密であり、空孔が少ない。そのため、焼結材１では、空孔に起因する割れや破断が生じ難い又は実質的に生じない。このような焼結材１は、疲労強度に優れる。上記相対密度が高いほど、空孔よりも、化合物粒子２が割れの起点になり易い。しかし、実施形態の焼結材１は、上述のように少なくとも表層において、０．３μｍ以上である化合物粒子２が少ない。そのため、焼結材１は、空孔だけでなく、化合物粒子２に起因する割れの発生、割れの進展を抑制できる。上記相対密度が９５％以上、更に９７％以上であると、焼結材１は疲労強度により優れて好ましい。更に、上記相対密度は９８％以上、９９％以上でもよい。上記相対密度は理想的には１００％であるが、製造性等を考慮すると９９．６％以下でもよい。

焼結材１の相対密度（％）は、焼結材１から複数の断面をとり、各断面を顕微鏡で観察し、観察像を画像解析することで求める。顕微鏡は、例えばＳＥＭ，光学顕微鏡等が挙げられる。

焼結材１が例えば柱状体や筒状体であれば、焼結材１における各端面側の領域と、焼結材１における軸方向に沿った長さの中心近傍の領域とからそれぞれ断面をとる。
上記端面側の領域とは、焼結材１における軸方向に沿った長さにもよるが、例えば焼結材１の表面から内側に向って３ｍｍ以内の領域が挙げられる。
上記中心近傍の領域とは、焼結材１における軸方向に沿った長さにもよるが、例えば上記長さの中心から各端面側に向って１ｍｍまでの領域、即ち合計２ｍｍの領域が挙げられる。
切断面は、上記軸方向に交差する平面、代表的には直交する平面が挙げられる。

各断面から複数の観察視野をとる。例えば１０以上の観察視野をとる。一つの観察視野の面積は、例えば、５００μｍ×６００μｍ＝３００，０００μｍ^２が挙げられる。

一つの断面から複数の観察視野をとる場合、この断面を均等に分割して、分割した各領域から観察視野をとることが好ましい。

各観察視野の観察像に画像処理を施す。画像処理は、例えば二値化処理等が挙げられる。処理画像から、金属からなる領域を抽出する。抽出した金属からなる領域の面積を求める。更に、観察視野の面積に対する、金属からなる領域の面積の割合を求める。この面積の割合を各観察視野の相対密度とみなす。求めた複数の観察視野の相対密度を平均する。求めた平均値を焼結材１の相対密度（％）とする。

（機械的特性）
実施形態の焼結材１は、組成や相手材にもよるが、例えば２．３ＧＰａ（２３００ＭＰａ）以上という高い面圧疲労強度を有することが挙げられる。この点は、後述の試験例１を参照するとよい。

（用途）
実施形態の焼結材１は、各種の一般構造用部品、例えば機械部品等に利用できる。機械部品は、例えば、スプロケットを含む各種の歯車、ローター、リング、フランジ、プーリー、軸受け等が挙げられる。特に、歯車には、使用時、各歯の歯面等に相手材からの応力が負荷される。相手材は、例えば相手歯車、チェーン等が挙げられる。上記応力が負荷されるため、歯車は、表層での割れの発生を防止することが望まれる部品といえる。実施形態の焼結材１は、上述のように緻密である上に、少なくとも表層において０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２が少ないことで、表層での割れが生じ難い。このような焼結材１は、歯車に好適に利用できる。上述のように高い面圧疲労強度を有する焼結材１は、歯車により好適に利用できる。

［歯車］
実施形態の歯車は、実施形態の焼結材１からなる。そのため、実施形態の歯車は、実施形態の焼結材１の組成及び組織を実質的に維持する。実施形態の歯車は、図１Ａに例示するはす歯歯車の他、平歯車、かさ歯車、ねじ歯車等でもよい。また、実施形態の歯車は、図１Ａ及び図１Ｂに例示する外歯の他、内歯でもよい。

（主な効果）
実施形態の焼結材１、及び実施形態の歯車は、高い相対密度を有して緻密である上に、０．３μｍ以上の大きさを有する化合物粒子２が少ない。このような実施形態の焼結材１、及び実施形態の歯車は疲労強度に優れる。この効果を後述の試験例で具体的に説明する。

［焼結材の製造方法］
実施形態の焼結材１は、例えば、以下の工程を備える実施形態の焼結材の製造方法によって製造できる。
（第一の工程）鉄系粉末を含む原料粉末を用意する。
（第二の工程）上記原料粉末を用いて、相対密度が９３％以上である圧粉成形体を作製する。
（第三の工程）上記圧粉成形体を焼結する。
上記鉄系粉末は、純鉄からなる粉末、及び鉄基合金からなる粉末の少なくとも一方の粉末を含む。
第一の工程では、上記鉄系粉末に還元処理を施す。還元処理では、上記鉄系粉末を還元雰囲気下において９５０℃以上１１００℃未満の温度に加熱する。
以下、工程ごとに説明する。

（第一の工程：原料粉末の準備）
〈粉末の組成〉
原料粉末の組成は、焼結材をなす鉄基合金の組成に応じて、調整するとよい。原料粉末は、鉄系粉末を含む。ここでの鉄系粉末とは、Ｆｅを含む組成の金属からなる粉末である。鉄系粉末は、例えば、焼結材をなす鉄基合金と同じ組成の鉄基合金からなる合金粉末、焼結材をなす鉄基合金とは異なる組成の鉄基合金からなる合金粉末、又は純鉄粉が挙げられる。鉄系粉末は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等によって製造できる。具体的な原料粉末として、以下が挙げられる。

（ａ）原料粉末は、焼結材をなす鉄基合金と同じ組成の鉄基合金からなる合金粉末を含む。
（ｂ）原料粉末は、以下の鉄基合金からなる合金粉末と、カーボン粉とを含む。鉄基合金は、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。
（ｃ）原料粉末は、純鉄粉と、Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素からなる粉末と、カーボン粉とを含む。

上記（ａ），（ｂ）のように、原料粉末が合金粉末を含む場合は、ＮｉやＭｏ等の元素を均一的に含む焼結材が製造され易い。原料粉末は、上記（ａ）及び（ｂ）の一方に記載する合金粉末と、上記（ｃ）に列挙される１種以上の元素からなる粉末とを含んでもよい。

原料粉末の大きさは適宜選択できる。例えば、鉄系粉末である上述の合金粉末、純鉄粉の平均粒径は、２０μｍ以上２００μｍ以下、更に５０μｍ以上１５０μｍ以下が挙げられる。原料粉末の主体となる合金粉末等の鉄系粉末の平均粒径が上記範囲を満たすと、原料粉末が加圧によって圧縮され易い。そのため、相対密度が９３％以上といった緻密な圧粉成形体が製造され易い。特に、鉄系粉末の平均粒径が５０μｍ以上であると、鉄系粉末がより確実に圧縮され易い。

ＮｉやＭｏ等の元素からなる粉末の平均粒径は、例えば１μｍ以上２００μｍ以下程度が挙げられる。カーボン粉末の平均粒径は、例えば１μｍ以上３０μｍ以下程度が挙げられる。また、カーボン粉末は、上記合金粉末や純鉄粉よりも小さいものを利用できる。

ここでの平均粒径は、レーザ回折式粒度分布測定装置によって測定した体積粒度分布における累積体積が５０％となる粒径（Ｄ５０）とする。

その他、原料粉末は、潤滑剤及び有機バインダーの少なくとも一方を含有してもよい。潤滑剤及び有機バインダーの合計含有量は、例えば原料粉末を１００質量％として０．１質量％以下であると、緻密な圧粉成形体が製造され易い。原料粉末が潤滑剤及び有機バインダーを含有しなければ、緻密な圧粉成形体がより製造され易い。また、後工程で圧粉成形体から潤滑剤及び有機バインダーを除去する必要もない。これらの点から、潤滑剤及び有機バインダーの省略は、焼結材１の量産性の向上に寄与する。

〈還元処理〉
上述の鉄系粉末には還元処理が施される。還元処理によって、鉄系粉末を構成する各粒子の表面に存在し得る酸化膜や付着する酸素が還元される。そのため、鉄系粉末における酸素濃度が低減される。酸素濃度が低い鉄系粉末を含む原料粉末を用いることで、酸素濃度が低い圧粉成形体が製造される。酸素濃度が低い圧粉成形体であれば、焼結時、圧粉成形体中に含まれる酸素と、圧粉成形体に含まれる元素とが結合してなる酸化物の生成が抑制される。その結果、酸化物からなる化合物粒子２が少ない焼結材１が製造される。

還元処理は、還元雰囲気下において鉄系粉末を加熱することで行う。加熱温度が９５０℃以上であれば、鉄系粉末から酸素が良好に低減される。例えば、鉄系粉末の酸素濃度が、体積割合で８００ｐｐｍ以下、更に７５０ｐｐｍ以下、６００ｐｐｍ以下と低くなり易い。加熱温度が高いほど、鉄系粉末の酸素濃度が低くなり易い。そのため、酸化物からなる化合物粒子２の個数が効果的に低減される。従って、加熱温度は９６０℃以上、更に９８０℃以上、１０００℃以上でもよい。

一方、加熱温度が１１００℃未満であれば、鉄系粉末が焼結されることを防止できる。ここで、加熱温度が高いほど、化合物粒子２が低減される。例えば加熱温度が１１００℃以上、更には１１００℃超であれば、鉄系粉末の酸素濃度が極めて低くなり易い。そのため、酸化物からなる化合物粒子２が極めて低減される。しかし、加熱温度が１１００℃以上であると、鉄系粉末が焼結されて、粉末粒子同士が結合する。そのため、結合した粉末粒子を解砕する必要がある。解砕によって歪みが上記粉末粒子に導入される。歪みが残存する粉末粒子では、歪みによって塑性変形性が低下する。そのため、歪みが残存する鉄系粉末を原料粉末に用いると、鉄系粉末が良好に塑性変形せず、相対密度が９３％以上という圧粉成形体が得られないと考えられる。結果として、相対密度が９３％以上の焼結材１を製造することが難しい、又は実質的に製造することができない。

これに対し、加熱温度が１１００℃未満であれば、鉄系粉末の焼結が防止される。そのため、解砕を省略することができる。又は、解砕の程度が軽度でよい。従って、相対密度が９３％以上という緻密な圧粉成形体がより確実に製造される。加熱温度が低いほど、鉄系粉末の焼結がより確実に防止される。ひいては緻密な圧粉成形体が良好に製造される。従って、加熱温度は１０８０℃以下、更に１０５０℃以下、１０３０℃以下でもよい。

還元処理における上述の加熱温度の保持時間は、例えば０．１時間以上１０時間以下の範囲から選択することが挙げられる。上述の保持時間が経過したら、加熱を止める。

上記加熱温度が同じである場合、保持時間が長いほど、鉄系粉末の酸素濃度が低くなり易い傾向がある。即ち、酸化物からなる化合物粒子２の個数が少なくなり易い。この点から、保持時間は、０．５時間以上、１時間超、３時間超、特に５時間以上が好ましい。

保持時間が短いほど、処理時間が短くなり、焼結材の製造時間が短くなり易い。ひいては、焼結材の製造性が向上する。この点から、保持時間は、９時間以下、更に８時間以下でもよい。

酸化物の低減と、焼結材の製造時間の短縮とを考慮すると、上記保持時間は、３時間超１０時間以下、更に５時間以上８時間以下の範囲から選択することが挙げられる。

還元雰囲気は、例えば還元ガスを含む雰囲気、真空雰囲気が挙げられる。還元ガスは、水素ガス、一酸化炭素ガス等が挙げられる。特に、水素は還元性に優れるため、水素雰囲気が好ましい。真空雰囲気の雰囲気圧力は、例えば１０Ｐａ以下が挙げられる。

（第二の工程：成形）
この工程では、上述の還元された鉄系粉末を含む原料粉末が加圧圧縮されることで、相対密度が９３％以上である圧粉成形体が成形される。実施形態の焼結材の製造方法は、相対密度が９３％以上の圧粉成形体を用いることで、相対密度が９３％以上の焼結材を製造できる。代表的には、焼結材は、圧粉成形体の相対密度を実質的に維持するからである。圧粉成形体の相対密度が高いほど、相対密度が高い焼結材が製造される。そのため、圧粉成形体の相対密度は９５％以上、更に９７％以上、９８％以上でもよい。上述のように製造性等を考慮すると、圧粉成形体の相対密度は９９．６％以下でもよい。

圧粉成形体の相対密度は、上述の焼結材１の相対密度と同様にして求めるとよい。特に、圧粉成形体が一軸加圧によって成形される場合、圧粉成形体の断面は、圧粉成形体における加圧軸方向に沿った長さの中心近傍の領域、加圧軸方向の両端部に位置する端面側の領域からそれぞれとることが挙げられる。切断面は、加圧軸方向に交差する平面、代表的には直交する平面が挙げられる。

圧粉成形体は、代表的には一軸加圧が可能な金型を有するプレス装置を利用することで製造できる。金型は、代表的には、貫通孔を有するダイと、貫通孔の上下の開口部にそれぞれ嵌め込まれる上パンチ及び下パンチとを備えるものが挙げられる。ダイの内周面と下パンチの端面とはキャビティを形成する。原料粉末はキャビティ内に充填される。圧粉成形体は、キャビティ内の原料粉末を所定の成形圧力で上パンチ及び下パンチによって圧縮することで製造できる。

圧粉成形体の形状は、焼結材の最終形状に沿った形状でも、焼結材の最終形状とは異なる形状でもよい。焼結材の最終形状とは異なる形状である圧粉成形体には、例えば成形以降の工程で切削加工等の加工が施される。後述するように成形以降の加工は、焼結前の圧粉成形体に施すと、効率的に行えて好ましい。また、この場合、例えば、圧粉成形体の形状は、円柱や円筒等の単純な形状でよい。上記単純な形状の圧粉成形体は、高精度に成形され易いことで、製造性に優れる。

上述の金型の内周面には潤滑剤が塗布されてもよい。この場合、原料粉末が潤滑剤を含んでいなくても、金型に焼付くことが防止される。また、原料粉末が潤滑剤を含まないことで、上述のように緻密な圧粉成形体が成形され易い。潤滑剤は、例えば、高級脂肪酸、金属石鹸、脂肪酸アミド、高級脂肪酸アミド等が挙げられる。

成形圧力が高いほど、圧粉成形体の相対密度が高くなり易い。そのため、緻密な圧粉成形体が製造され易い。結果として、緻密な焼結材が製造され易い。成形圧力は、例えば１５６０ＭＰａ以上が挙げられる。更に、成形圧力は１６６０ＭＰａ以上、１７６０ＭＰａ以上、１８６０ＭＰａ以上、１９６０ＭＰａ以上でもよい。

（第三の工程：焼結）
〈焼結温度及び焼結時間〉
この工程では、圧粉成形体が焼結されることで、相対密度が９３％以上である焼結材が製造される。
焼結温度及び焼結時間は、原料粉末の組成等に応じて適宜選択するとよい。
焼結温度は、例えば、１１００℃以上１４００℃以下が挙げられる。焼結温度は１１１０℃以上１３００℃以下、１１２０℃以上１２５０℃未満でもよい。実施形態の焼結材の製造方法は、上述のように緻密な圧粉成形体を用いる。そのため、１２５０℃以上の高温焼結によって焼き締めを行う必要がない。また、１２５０℃未満の比較的低温な焼結によって、上述のように緻密な焼結材が製造される。
焼結時間は、例えば、１０分以上１５０分以下が挙げられる。

〈雰囲気〉
焼結時の雰囲気は、例えば窒素雰囲気、真空雰囲気が挙げられる。窒素雰囲気や真空雰囲気であれば、雰囲気中の酸素濃度が低い。そのため、酸化物の生成が低減される。上記酸素濃度は、例えば体積割合で１ｐｐｍ以下が挙げられる。真空雰囲気の雰囲気圧力は、例えば１０Ｐａ以下が挙げられる。

（その他の工程）
その他、実施形態の焼結材の製造方法は、以下の第一の加工工程、熱処理工程、及び第二の加工工程の少なくとも一つの工程を備えてもよい。

〈第一の加工工程〉
この工程では、上述の第二の工程である成形工程後、第三の工程である焼結工程前において、圧粉成形体に切削加工が施される。切削加工は、転削加工でも旋削加工でもよい。具体的な加工として、歯切加工や穴あけ加工等が挙げられる。焼結前の圧粉成形体は、焼結後の焼結材や溶製材に比較して切削加工性に優れる。この点から、焼結工程前に切削加工を行うことは、焼結材の量産性の向上に寄与する。

〈熱処理工程〉
この工程の熱処理は、浸炭処理及び焼入れ焼戻しが挙げられる。又は、この工程の熱処理は、浸炭焼入れでもよい。
浸炭条件は、例えば、以下が挙げられる。
カーボンポテンシャル（Ｃ．Ｐ．）が０．６質量％以上１．８質量％以下である。
処理温度が９１０℃以上９５０℃以下である。
処理時間が６０分以上５６０分以下である。但し、最適な浸炭の処理時間は、一般に、焼結材の製品サイズによって異なる。そのため、上記時間はあくまで一例である。
焼入れ条件は、オーステナイト化の処理温度が８００℃以上１０００℃以下であり、処理時間が１０分以上１５０分以下であり、その後に油冷又は水冷で急冷することが挙げられる。
焼戻し条件は、処理温度が１５０℃以上２３０℃以下であり、処理時間が６０分以上２４０分以下であることが挙げられる。

〈第二の加工工程〉
この工程では、焼結後の焼結材に仕上げ加工が施される。仕上げ加工は、例えば研磨等が挙げられる。仕上げ加工によって、焼結材の表面粗さが小さくなることで、表面性状に優れる焼結材が製造される。又は、仕上げ加工によって、設計寸法に適合した焼結材が製造される。

（主な効果）
実施形態の焼結材の製造方法は、相対密度が高く緻密である上に、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子が少ない焼結材、代表的には上述の実施形態の焼結材１を製造できる。従って、実施形態の焼結材の製造方法は、疲労強度に優れる焼結材１を製造できる。

［試験例１］
酸素濃度が異なる鉄系粉末を原料粉末に用いて、相対密度が異なる焼結材を作製し、焼結材の組織及び面圧疲労強度を調べた。

焼結材は、以下のように作製した。
原料粉末を用いて圧粉成形体を作製する。
得られた圧粉成形体を焼結する。
焼結後に浸炭焼入れ、焼戻しを順に施す。

原料粉末は、以下の鉄基合金からなる合金粉と、カーボン粉とを含む混合粉を用いる。
鉄基合金は、Ｎｉを２質量％、Ｍｏを０．５質量％、Ｍｎを０．２質量％含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。
カーボン粉末の含有量は、混合粉の合計質量を１００質量％として０．３質量％である。
上記合金粉の平均粒径（Ｄ５０）は１００μｍである。カーボン粉の平均粒径（Ｄ５０）は５μｍである。

用意した上述の合金粉に対して、還元処理を施して、酸素濃度が異なる合金粉を用意した。ここでは、還元処理における加熱温度及び保持時間の少なくとも一方を異ならせることで、酸素濃度が異なる合金粉を用意した。上記加熱温度は８００℃以上１０００℃以下の範囲から選択する。上記保持時間は１時間以上６時間以下の範囲から選択する。還元処理時における雰囲気は水素雰囲気とする。

還元処理後、各試料の合金粉の酸素濃度（質量ｐｐｍ）を測定する。測定結果を表１に示す。ここでは、上記酸素濃度は、不活性ガス融解赤外線吸収法を用いて測定する。詳しくは、各試料の合金粉を不活性ガス中で加熱して溶融することで、酸素を抽出する。抽出した酸素の量を測定する。酸素濃度（質量ｐｐｍ）は、合金粉を１００質量％とした質量割合である。

各試料の合金粉について、還元処理の加熱温度（℃）及び保持時間（ｈ）を表１に示す。合金粉の酸素濃度が１２１０質量ｐｐｍである試料では、加熱温度が９００℃である。合金粉の酸素濃度が１２００質量ｐｐｍ以下である試料では、加熱温度が９５０℃、９８０℃、１０００℃のいずれかである。これらの試料について、保持時間は、試料Ｎｏ．１０を除いて、５時間である。保持時間が同じである場合、加熱温度が高いほど、合金粉の酸素濃度が低い。ここでは酸素濃度が４００質量ｐｐｍである試料の加熱温度が１０００℃である。試料Ｎｏ．９，Ｎｏ．１０の比較から、加熱温度が同じである場合、保持時間が長いほど、合金粉の酸素濃度が低い。

合金粉の酸素濃度が１６００質量ｐｐｍ以上である試料では、上述の加熱温度が８００℃である。また、これらの試料では、上述の保持時間が異なることで、酸素濃度が異なる。これらの試料についても、加熱温度が同じである場合、保持時間が長いほど、合金粉の酸素濃度が低い。ここでは酸素濃度が３０２０質量ｐｐｍである試料の保持時間がこれらの試料のなかで最短である。

還元処理を施した鉄系粉末である上述の合金粉と、カーボン粉とを混合する。ここでは、Ｖ型混合器を用いて、上述の粉末を９０分間混合する。混合後の粉末を原料粉末とする。原料粉末を加圧成形して、円環状の圧粉成形体を作製した。圧粉成形体の寸法は、内径１６ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ８ｍｍである。

各試料の圧粉成形体の相対密度（％）が９１％、９３％、９５％、９７％のいずれかとなるように、成形圧力を１５６０ＭＰａ以上１９６０ＭＰａ以下の範囲から選択して、圧粉成形体を作製した。成形圧力が大きいほど、相対密度が高い圧粉成形体が得られ易い。各試料の圧粉成形体の相対密度（％）を表１に示す。

作製した圧粉成形体を以下の条件で焼結した。焼結後、以下の条件で浸炭焼入れを行ってから焼戻しを行うことで、各試料の焼結材を得た。

（焼結条件）焼結温度：１１３０℃、保持時間：３０分間、雰囲気：窒素
（浸炭焼入れ）９３０℃×９０分、カーボンポテンシャル：１．４質量％⇒８５０℃×３０分⇒油冷
（焼戻し）２００℃×９０分

上述のようにして、内径１６ｍｍ、外径３０ｍｍ、厚さ８ｍｍである円環状の焼結材を得た。この焼結材は、Ｎｉを２質量％、Ｍｏを０．５質量％、Ｍｎを０．２質量％、Ｃを０．３質量％含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鉄基合金の組成を有する。作製した各試料の焼結材について、以下のように、個数の密度（個／（１００μｍ×１００μｍ））、面圧疲労強度（ＧＰａ）、相対密度（％）を測定する。ここでの個数の密度とは、焼結材の断面において、単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数である。単位面積は、１００μｍ×１００μｍである。

（組織観察）
各試料の焼結材の断面について、ＳＥＭによる自動粒子解析を行うことで、上述の個数の密度を調べた。ここでは、焼結材の断面において、焼結材の表面及びその近傍領域、即ち表層を測定対象として、化合物粒子の個数を調べた。使用した自動粒子解析システムは、ＪＳＭ−７６００Ｆ、日本電子株式会社製ＳＥＭである。使用した粒子解析ソフトウェアは、ＩＮＣＡ、Ｏｘｆｏｒｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製である。以下に、具体的な測定手順を説明する。

各試料の焼結材から、焼結材の最表面の一部を含む直方体の試験片を切り出す。試験片の寸法は、４ｍｍ×２ｍｍ×高さ３ｍｍである。最表面から深さ方向に３ｍｍの高さを有するように、焼結材から試験片を切り出す。試験片において、４ｍｍ×２ｍｍの面積を有する一面は、焼結材の最表面の一部からなる。切り出した直方体の試験片に対して、最表面から高さ方向に２５μｍまでの領域を除去する。除去後の表面を試験片の表面とする。試験片における４ｍｍ×約３ｍｍの面について、Ａｒ（アルゴン）イオンを用いたクロスセクションポリッシャー加工（ＣＰ加工）を施して平坦化する。このＣＰ加工面を測定面とする。

上述の測定面に対して、試験片の表面から内部に向かって、即ち高さ方向に沿って２００μｍまでの領域について、幅５０μｍの領域を測定領域とする。即ち、測定領域は、幅が５０μｍであり、長さが２００μｍである長方形の領域である。ここでは、一つの試験片から一つの測定領域をとる。図２は、試料Ｎｏ．５の焼結材１における測定領域１２の模式図である。図２において、丸印は、化合物粒子２を模式的に示す。化合物粒子２が存在する領域は、焼結材１の母相を構成する鉄基合金である。化合物粒子２は、代表的には図２に示すように鉄基合金からなる母相に分散している。図２は、ハッチングを省略している。

抽出した測定領域を更に複数の微小領域に分割する。そして、各微小領域に存在する粒子を抽出する。ここでは、上記測定領域を８２個に分割する。即ち分割数ｋ＝８２である。ＳＥＭの倍率は、１０，０００倍である。粒子の抽出は、ＳＥＭ観察像におけるコントラストの相違から行う。ここでは、ＳＥＭ観察像として反射電子像を用いる。反射電子像におけるコントラストの強度の閾値に基づいて、二値化処理の条件を設定する。そして、二値化処理像に対して、コントラストの相違から粒子を抽出する。また、二値化処理像に対して、穴埋め処理及びオープニング処理を行うことで、隣り合う粒子の画像を切り分ける。抽出した各粒子の面積を求める。求めた面積と同等の面積を有する円の直径を求める。上記円の直径が０．３μｍ以上である粒子を抽出する。抽出した０．３μｍ以上の粒子に対してそれぞれ、ＳＥＭ−ＥＤＳによって成分分析を行う。成分分析の結果を用いて、酸化物等からなる粒子と、空孔とを区別する。そして、酸化物等の化合物からなる粒子のみを抽出する。ここでの成分分析の時間は１０秒である。

各微小領域について、酸化物等からなる粒子の個数ｎ_ｋを測定する。ｋ個の微小領域における個数ｎ_ｋを合算する。この合算された個数が一つの測定領域における酸化物等からなる粒子の合計個数Ｎである。合計個数Ｎと一つの測定領域の面積Ｓとを用いて、１００μｍ×１００μｍあたりの個数ｎは、ｎ＝（Ｎ×１００×１００）／Ｓで求められる。面積Ｓは、ここでは５０μｍ×２００μｍである。各試料における測定領域の個数ｎを各試料における個数の密度とする。各試料における上記個数の密度を表１に示す。

（疲労特性）
西原式金属摩耗試験機を用いた二円筒疲労試験を行うことで、回転する相手材との接触時に生じるヘルツ応力を求めた。このヘルツ応力を面圧疲労強度として評価した。面圧疲労強度（ＧＰａ）を表１に示す。

西原式金属摩耗試験機は公知のものが利用できる。各試料の焼結材を試験片とする。以下に、相手材、試験条件、ヘルツ応力の求め方を示す。

〈相手材〉
組成は、合金工具鋼の一種であるＳＫＤ１１である。
形状は、円環材である。
寸法は、内径１６ｍｍ、最大外径３０ｍｍ、最小外径２５ｍｍ、厚さ８ｍｍである。
この相手材は、外径２５ｍｍの円周面から、径方向外方に突出し、周方向に連続する突条を有する。上記突条は、外径２５ｍｍの円周面における厚さ方向の中央部に設けられている。上記厚さ方向は、相手材の貫通孔の軸方向に平行な方向である。上記突条を上記軸方向に沿った平面で切断した状態において上記突条の断面形状は、高さ２．５ｍｍ×幅４ｍｍの長方形において二つの角部を角落とししたような六角形状である。上記突条における上記円周面側の幅は４ｍｍである。上記突条の外周面の幅は１．５ｍｍである。この突条の外周面である幅１．５ｍｍの面が試験片との接触面である。

〈試験条件〉
回転数は、８００ｒｐｍである。
滑り度は、３０％である。
試験片である各試料の焼結材に相手材を押し付けて荷重を負荷した状態で、試験片及び相手材を上記の回転数で回転させる。荷重を変更して、１，０００万回の回転を行う。各荷重を用いて、以下のようにヘルツの応力式からヘルツ応力σを求める。１，０００万回の回転を行った場合に試験片が破壊しない最大のヘルツ応力を面圧疲労強度（ＧＰａ）とする。面圧疲労強度（ＧＰａ）を表１に示す。

（ヘルツの応力式） σ＝√[（Ｆ／ｂ）×{Ｅ／（２πρ）}]
ヘルツの応力式において、Ｆは荷重（Ｎ）である。
ｂは各試料の接触面の幅（ｍｍ）である。ここでは幅ｂは１．５ｍｍである。
Ｅはヤング率（ＧＰａ）である。
ρは曲率半径（ｍｍ）である。
ヤング率Ｅ、曲率半径ρは、以下を満たす。
１／Ｅ＝（１／２）×{（１−γ_１ ^２）／Ｅ_１＋（１−γ_２ ^２）／Ｅ_２}
１／ρ＝（１／ρ_１）＋（１／ρ_２）
上記の式において、Ｅ_１は各試料のヤング率である。
γ_１は各試料のポアソン比である。
ρ_１は各試料の曲率半径である。ここでは、曲率半径ρ_１は、外径／２＝１５ｍｍである。
Ｅ_２は相手材のヤング率である。
γ_２は相手材のポアソン比である。
ρ_２は相手材の曲率半径である。ここでは、曲率半径ρ_２は、外径／２＝１５ｍｍである。
各試料及び相手材において、ヤング率、ポアソン比は固有の物性値である。上記ヤング率、ポアソン比は、超音波法等を用いた一般的な測定装置によって測定できる。

（相対密度）
焼結材の相対密度（％）は、上述のように焼結材の断面における顕微鏡の観察像を画像解析することで求める。ここでは、各試料の焼結材において、端面側の領域と、焼結材に備えられる貫通孔の軸方向に沿った長さの中心近傍の領域とからそれぞれ断面をとる。端面側の領域は、焼結材の円環状の端面から３ｍｍ以内の領域とする。中心近傍の領域は、焼結材の各端面から、上述の厚さ３ｍｍである端面側の領域を除いた残りの領域、即ち上記軸方向に沿った長さが２ｍｍの領域とする。各領域を上記軸方向に直交する平面で切断して、断面をとる。各断面から１０以上の観察視野をとる。観察視野の面積は、５００μｍ×６００μｍ＝３００，０００μｍ^２である。各観察視野の観察像に画像処理を施す。処理画像から、金属からなる領域を抽出する。抽出した金属からなる領域の面積を求める。観察視野の面積に対する金属からなる領域の面積の割合を求める。この割合を相対密度とみなす。合計３０以上の観察視野の相対密度を求め、更に平均値を求める。求めた平均値を焼結材の相対密度（％）とする。焼結材の相対密度（％）を表１に示す。

表１に示すように、焼結材の相対密度が高いほど、面圧疲労強度が高いことが分かる。詳しくは、相対密度が９３％以上である試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０及びＮｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５の焼結材は、相対密度が９３％未満である試料Ｎｏ．１０１〜Ｎｏ．１０８に比較して、高い面圧疲労強度を有する。試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０に着目すると、相対密度が９３％以上であれば、面圧疲労強度が２．３ＧＰａ以上である。相対密度が９５％以上であれば、面圧疲労強度が２．５ＧＰａ以上である。相対密度が９７％以上であれば、面圧疲労強度が２．８ＧＰａ以上である。このような結果が得られた理由の一つとして、上記相対密度が高いほど空孔が少なく、空孔に起因する割れの発生が低減されたため、と考えられる。

次に、緻密である試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０とＮｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５とについて、相対密度が同じ試料同士を比較すると、面圧疲労強度が異なる。試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０の焼結材はいずれも、試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５に比較して高い面圧疲労強度を有する。以下、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．１０を特定試料群と呼ぶ。特定試料群の面圧疲労強度はいずれも、２．２５ＧＰａ超、更に２．３ＧＰａ以上である。このような特定試料群の焼結材は、歯車の要求特性を満たし、各種の歯車に好適に利用できると期待される。

各試料の面圧疲労強度が異なる理由の一つとして、焼結材の断面において単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数、即ち個数の密度の多寡が考えられる。特定試料群における個数の密度は２００個未満であり、小さい。そのため、特定試料群では、上記化合物粒子が割れの起点になり難い上に、割れを進展させ難く、面圧疲労強度が高いと考えられる。また、上記化合物粒子は、破断した試料の破断面に存在することを確認している。このことからも、焼結材に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子、特に焼結材の表層に存在する上記化合物粒子は割れの起点等になると考えられる。

加えて、特定試料群では、粗大な化合物粒子が少なく、多くの化合物粒子が微細であることを確認している。具体的には、特定試料群では、割合（ｎ_２０／ｎ）×１００が１％以下である。上記ｎは、上述の単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の化合物粒子の個数である。上記ｎ_２０は、上記単位面積あたりに存在する２０μｍ以上の化合物粒子の個数である。このことからも、特定試料群は、上記化合物粒子に起因する割れの発生や割れの進展を阻害できたと考えられる。

これに対し、試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５では、上述の個数の密度が２００個以上、ここでは３８５個以上である。上記個数の密度が大きい試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５の焼結材では、焼結材の表面から内部に向かって多数の化合物粒子が存在する。そのため、これらの焼結材では、各化合物粒子が割れの起点になり易い上に、割れを進展させ易いと考えられる。

特定試料群と、試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５とで、化合物粒子の個数の密度に相違が生じた理由の一つとして、原料粉末の酸素濃度の相違が考えられる。ここでは、特定試料群に用いた合金粉の酸素濃度は８００質量ｐｐｍ以下であり、試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５に用いた合金粉の酸素濃度である１２００質量ｐｐｍ超よりも低い。特定試料群は、原料粉末の主体である合金粉として、酸素濃度が低い粉末を用いたことで、焼結時に、圧粉成形体に含まれる元素と酸素とが結合して酸化物が形成されることが抑制されたと考えられる。その結果、特定試料群では、酸化物からなる粒子が少なくなり、化合物粒子の総数が効果的に少なくなったと考えられる。逆に、試料Ｎｏ．１１１〜Ｎｏ．１２５では、酸素濃度が高い粉末を用いたことで、結果として、酸化物からなる粒子が多くなり、化合物粒子の総数が多くなったと考えられる。

その他、この試験から以下のことが分かる。
（１）相対密度が高いほど、化合物粒子の多寡が面圧疲労強度に与える影響が大きい。この点について、図３を参照して説明する。図３は、各試料の焼結材について、上述の個数の密度（個／（１００μｍ×１００μｍ））と、面圧疲労強度（ＧＰａ）との関係を示すグラフである。上記グラフの横軸は、各試料における個数の密度（個／（１００μｍ×１００μｍ））を示す。上記グラフの縦軸は、各試料の面圧疲労強度（ＧＰａ）を示す。上記グラフにおける凡例の９１、９３、９５、９７は、各試料の相対密度を意味する。

図３に示すように、相対密度が９１％である場合、上述の個数の密度が増減しても、面圧疲労強度の変化が小さいことが分かる。ここでは相対密度が９３％未満であれば、焼結材の面圧疲労強度は、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数の多寡に実質的に依存しないといえる。

一方、相対密度が９３％以上である場合について、上記個数の密度が４００個程度を超える範囲に着目する。この範囲では、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数が多くても、焼結材の面圧疲労強度は、相対密度が９１％である場合よりも高い。但し、この範囲では、面圧疲労強度の変化がそれほど大きくない。しかし、上記個数の密度が４００個以下の範囲では、面圧疲労強度の変化が大きい。上記個数の密度が小さくなるほど、面圧疲労強度が向上し易いことが分かる。特に、相対密度が９７％以上である場合では、上記個数の密度が２００個未満であると、面圧疲労強度が向上することが分かる。このことは、相対密度が９３％以上、更には９７％以上である場合には、０．３μｍ以上の化合物粒子が空孔よりも割れの起点になり易いことを裏付けるといえる。従って、相対密度が９３％以上という緻密な焼結材に対して面圧疲労強度を向上するためには、化合物粒子の個数を低減することが望ましいといえる。

（２）同じ相対密度を有する場合には、上述の個数の密度が小さいほど、焼結材の面圧疲労強度が高められる。この点は、特定試料群同士を比較参照されたい。例えば、この試験では、相対密度が９７％以上である場合、上記個数の密度が２００個未満であれば、疲労強度が２．８ＧＰａ以上である。上記個数の密度が１５０個以下、更に１２０個以下であると、疲労強度が２．９ＧＰａ以上である。上記個数の密度が１００個以下、更に５０個以下であると、疲労強度が３．０ＧＰａ以上である。

（３）原料粉末に用いる鉄系粉末、ここでは合金粉に対して、９５０℃以上１１００℃未満の範囲で還元処理を施す場合に、加熱温度が高いほど、０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子が低減される。加熱温度が上記範囲を満たす場合に保持時間が５時間以上であれば、上記化合物粒子が少ない。試料Ｎｏ．１０に示されるように、保持時間が長いほど、上記化合物粒子が少なくなり易い。上記化合物粒子が少ないほど、焼結材の面圧疲労強度が高められる。

以上のことから、相対密度が９３％以上であり、断面において０．３μｍ以上の大きさを有する化合物粒子が少ない焼結材は、疲労強度に優れることが示された。また、このような焼結材は、特定の条件で還元処理を施した鉄系粉末を原料に用いて、相対密度が９３％以上の圧粉成形体を作製し、この圧粉成形体を焼結することで製造できることが示された。

本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、上述の試験例１において焼結材の組成や製造条件が変更されてもよい。製造条件について変更可能なパラメータは、例えば、還元処理における加熱温度・保持時間、焼結温度、焼結時間、焼結時の雰囲気等が挙げられる。

１ 焼結材
１１ 表面、１２ 測定領域
２ 化合物粒子
３ 歯、３０ 歯先、３１ 歯面、３２ 歯底
４０ 端面、４１ 貫通孔

Claims (7)

1. 鉄基合金からなる組成と、
   断面において、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数が２００個未満である組織とを備え、
   相対密度が９３％以上である、
   焼結材。
2. 前記相対密度が９７％以上である、請求項１に記載の焼結材。
3. 前記単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の大きさである前記化合物粒子の個数をｎとし、前記単位面積あたりに存在する２０μｍ以上の大きさである前記化合物粒子の個数をｎ_２０とし、前記ｎに対する前記ｎ_２０の割合を（ｎ_２０／ｎ）×１００とし、前記割合が１％以下である、請求項１又は請求項２に記載の焼結材。
4. 前記鉄基合金は、Ｃ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素を含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の焼結材。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の焼結材からなる、
   歯車。
6. 鉄系粉末を含む原料粉末を用意する工程と、
   前記原料粉末を用いて、相対密度が９３％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
   前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
   前記鉄系粉末は、純鉄からなる粉末、及び鉄基合金からなる粉末の少なくとも一方の粉末を含み、
   前記原料粉末を用意する工程では、前記鉄系粉末に還元処理を施し、
   前記還元処理では、前記鉄系粉末を還元雰囲気下において９５０℃以上１１００℃未満の温度に加熱する、
   焼結材の製造方法。
7. 前記還元処理において、前記温度に保持する時間が５時間以上である、請求項６に記載の焼結材の製造方法。

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