WO2020158789A1 - 焼結材、歯車、及び焼結材の製造方法 - Google Patents

焼結材、歯車、及び焼結材の製造方法 Download PDF

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WO2020158789A1
WO2020158789A1 PCT/JP2020/003129 JP2020003129W WO2020158789A1 WO 2020158789 A1 WO2020158789 A1 WO 2020158789A1 JP 2020003129 W JP2020003129 W JP 2020003129W WO 2020158789 A1 WO2020158789 A1 WO 2020158789A1
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powder
mass
iron
compound particles
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PCT/JP2020/003129
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敬之 田代
繁樹 江頭
朝之 伊志嶺
皓祐 冨永
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住友電気工業株式会社
住友電工焼結合金株式会社
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    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/02—Compacting only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/32—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for gear wheels, worm wheels, or the like

Definitions

  • the present disclosure relates to a sintered material, a gear, and a method for manufacturing the sintered material.
  • This application claims priority based on PCT/JP2019/003260 of the international application dated January 30, 2019, and incorporates all the contents described in the international application.
  • Patent Document 1 discloses a sintered body having a relative density of 93% or more.
  • the sintered material of the present disclosure is A composition of an iron-based alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B and Si, Ni and C, and the balance being Fe and impurities;
  • a compound particle having a size of 0.3 ⁇ m or more existing in a surface layer of 200 ⁇ m from the surface to the inside is provided with a tissue having a number of 250 ⁇ m or less per unit area of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m, The relative density is 96% or more.
  • the gear of the present disclosure is It consists of the sintered material of the present disclosure.
  • the method for manufacturing a sintered material A step of producing a green compact having a relative density of 96% or more by using a raw material powder containing an iron-based powder, Under an atmosphere containing a hydrocarbon gas, comprising the step of sintering the green compact,
  • the sintered material contains at least one element selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B, and Si, Ni, and C, and the balance is Fe and an iron-based alloy containing impurities.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view showing a gear that is an example of a sintered material of an embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing the inside of the one-dot chain line circle 1B shown in FIG. 1A.
  • 2 shows the sample No. of the test example 1.
  • 6 is a schematic diagram of a cross-sectional observation image showing the existence state of compound particles in the surface layer in the sintered material of No. 6.
  • 3 shows Test Example 1 in which sample No. sintered in a nitrogen atmosphere.
  • 11 is a schematic diagram of a cross-sectional observation image showing the existing state of compound particles in the surface layer in the sintered material of No.
  • FIG. 4 shows the sample No. 1 which was sintered in a vacuum atmosphere in Test Example 1.
  • 12 is a schematic diagram of a cross-sectional observation image showing the existence state of compound particles in the surface layer in the sintered material of No. 12.
  • voids usually become the starting points for cracking, which reduces strength such as tensile strength and fatigue strength.
  • the present inventors have found that in a dense sintered material having a relative density of 93% or more, and further 96% or more, the compound particles that may exist on the surface of the sintered material and in the vicinity thereof are not pores. It was found that the fatigue strength is lowered by becoming the starting point of cracking.
  • a large number of compound particles are present in the surface layer of the above-mentioned sintered material, when cracks occur, the cracks easily propagate along the compound particles. As a result, large cracks are likely to occur. For example, a large stress is applied to the surface layer of the gear during use. Therefore, it is considered that suppressing the occurrence of cracks and the progress of cracks on the surface of the sintered material and in the vicinity thereof contributes to the improvement of fatigue strength.
  • an object of the present disclosure is to provide a sintered material having excellent fatigue strength. Another object of the present disclosure is to provide a gear having excellent fatigue strength. It is still another object of the present disclosure to provide a method for producing a sintered material suitable for mass production of the sintered material having excellent fatigue strength.
  • the sintered material of the present disclosure and the gear of the present disclosure have excellent fatigue strength.
  • the method for producing a sintered material according to the present disclosure is suitable for mass production of a sintered material having excellent fatigue strength.
  • the sintered material according to one aspect of the present disclosure is A composition of an iron-based alloy containing at least one element selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B and Si, Ni and C, and the balance being Fe and impurities;
  • a compound particle having a size of 0.3 ⁇ m or more existing in a surface layer of 200 ⁇ m from the surface to the inside is provided with a tissue having a number of 250 ⁇ m or less per unit area of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m, The relative density is 96% or more.
  • the sintered material of the present disclosure has excellent fatigue strength.
  • the sintered material of the present disclosure is a dense sintered material having a relative density of 96% or more.
  • the sintered material of the present disclosure there are few compound particles having a size of 0.3 ⁇ m (300 nm) or more present in the surface layer.
  • the compound forming the compound particles include oxides, sulfides, and nitrides.
  • compound particles of 0.3 ⁇ m or more that may be present in the surface layer may be the starting point of cracking.
  • the sintered material of the present disclosure can improve fatigue strength.
  • Such a sintered material of the present disclosure can be suitably used for gears and the like.
  • the sintered material of the present disclosure can be manufactured by a mass-production manufacturing method, for example, a manufacturing method of the sintered material of the present disclosure described later.
  • the sintered material of the present disclosure is also excellent in manufacturability.
  • the iron-based alloy may be in a form containing Mo and Mn as the element selected from the group.
  • the above-mentioned form is made of an iron-based alloy that excels in tensile strength and other strengths, making it easy to increase fatigue strength.
  • the gear according to one aspect of the present disclosure is It is made of the above-mentioned sintered material (1) or (2).
  • the gear of the present disclosure can suppress the occurrence of cracks in the surface layer and the progress of cracks as described above. Therefore, the gear of the present disclosure can be used for a long period of time as a sintered gear having excellent fatigue strength.
  • a method for manufacturing a sintered material according to an aspect of the present disclosure A step of producing a green compact having a relative density of 96% or more by using a raw material powder containing an iron-based powder, Under an atmosphere containing a hydrocarbon gas, comprising the step of sintering the green compact,
  • the sintered material contains at least one element selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B, and Si, Ni, and C, and the balance is Fe and an iron-based alloy containing impurities.
  • the method for producing a sintered material according to the present disclosure is to sinter a dense powder compact having a relative density of 96% or more in a specific atmosphere containing hydrocarbons.
  • This manufacturing method can be carried out by increasing the relative density of the green compact and changing the atmosphere at the time of sintering to the above-mentioned specific atmosphere as compared with the basic manufacturing method of the sintered material. Therefore, the sintered material manufacturing method of the present disclosure can mass-produce a dense sintered material having a relative density of 96% or more.
  • the atmosphere during conventional sintering includes a nitrogen atmosphere and a vacuum atmosphere.
  • the method for producing a sintered material according to the present disclosure hydrogen gas is generated during sintering because the atmosphere during sintering contains hydrocarbon gas.
  • This hydrogen gas can reduce oxygen contained in the surface layer of the green compact.
  • This reduction reaction reduces the amount of compound particles such as oxides. Therefore, the method for producing a sintered material according to the present disclosure can produce a sintered material that is dense and has few compound particles such as oxides in the surface layer. Further, since the carbon component is present in the atmosphere during sintering, decarburization can be prevented.
  • the method for manufacturing a sintered material according to the present disclosure can mass-produce a sintered material having excellent fatigue strength, typically, the sintered material according to the present disclosure.
  • the above-mentioned form makes it possible to manufacture a high-strength sintered material as compared with the case where the C content is less than 0.1% by mass.
  • the raw material powder may be in a form not containing a lubricant and an organic binder.
  • the above-mentioned form makes it easy to manufacture a dense sintered material.
  • the above-described embodiment contributes to improvement in mass productivity of the sintered material because the step of removing the lubricant and the organic binder is unnecessary.
  • the organic binder since the organic binder is not included, the reduction ability of the hydrocarbon gas due to the residue of the organic matter does not decrease, as will be described later. Therefore, the said form can manufacture a sintered material with few compound particles in the surface layer of a sintered material.
  • An example is a form in which the average particle size of the iron-based powder is 50 ⁇ m or more.
  • the iron-based powder is easily compressed by pressure. Therefore, a compact powder compact can be easily manufactured.
  • FIG. 1A shows an external gear as an example of the sintered material 1 of the embodiment.
  • FIG. 1A shows a cross section of a plurality of teeth 3 with some of the teeth 3 cut away.
  • FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing the inside of the dashed-dotted line circle 1B in FIG. 1A.
  • FIG. 1B virtually shows the surface layer 10 by a chain double-dashed line.
  • FIG. 1B shows the thickness of the surface layer 10 so that the surface layer 10 is easy to understand.
  • the surface layer 10 is a region from the surface 11 toward the inside of the sintered material 1 up to 200 ⁇ m.
  • the sintered material 1 of the embodiment is a dense sintered material made of an iron-based alloy mainly containing Fe (iron).
  • the sintered material 1 of the embodiment has few compound particles 2 (FIG. 2) having a size of 0.3 ⁇ m or more present in the surface layer 10.
  • the sintered material 1 of the embodiment has the following iron-based alloy composition and the following structure, and the relative density is 96% or more.
  • the iron-based alloy includes at least one element selected from the group consisting of Mo (molybdenum), Mn (manganese), Cr (chromium), B (boron), and Si (silicon), Ni (nickel), and It contains C (carbon) and the balance is Fe and impurities.
  • Mo molecular weight
  • Mn manganese
  • Cr chromium
  • B boron
  • Si silicon
  • Ni nickel
  • C carbon
  • Mo, Mn, Cr, B, and Si may be collectively referred to as “element such as Mo”.
  • a region from the surface 11 of the sintered material 1 toward the inside of the sintered material 1 to 200 ⁇ m is referred to as a surface layer 10 of the sintered material 1.
  • the number of compound particles 2 having a size of 0.3 ⁇ m or more existing in the surface layer 10 is 250 or less per unit area.
  • the unit area is 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m.
  • the “number of compound particles having a size of 0.3 ⁇ m or more present in a unit area of 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m in a cross section” may be referred to as “number density”. The details will be described below.
  • the iron-based alloy that constitutes the sintered material 1 of the embodiment has excellent strength because it contains elements such as Ni, C, and Mo that have a strength improving effect in addition to Fe.
  • the content of each element is, for example, as follows with the iron-based alloy as 100 mass %. As the content of each element increases, the iron-based alloy tends to have higher strength.
  • the sintered material 1 made of a high-strength iron-based alloy easily increases the fatigue strength. ⁇ Ni> 0.1% by mass or more and 5.0% by mass or less ⁇ Total amount of Mo, Mn, Cr, B, Si> 0.1% by mass or more and 5.0% by mass or less ⁇ C> 0.1% by mass or more 2.0 mass% or less
  • the Ni content When the Ni content is 0.1% by mass or more, not only the strength but also the toughness can be expected. As the Ni content increases, the strength tends to increase, and at the same time, the hardenability can be expected to improve.
  • the Ni content When the Ni content is 5.0 mass% or less, when quenching and tempering is performed after sintering, the amount of retained austenite in the sintered material after tempering tends to be small. Therefore, softening due to the formation of a large amount of retained austenite is prevented. Therefore, the sintered material 1 after quenching and tempering has a tempered martensite phase as a main structure, and the hardness is easily increased.
  • the Ni content may be 0.1% by mass or more and 4.0% by mass or less, and further 0.25% by mass or more and 3.0% by mass or less.
  • the C content When the C content is 0.1% by mass or more, the strength and the hardenability can be expected to be improved as compared with the case where the C content is less than 0.1% by mass. When the C content is 2.0% by mass or less, the ductility and the toughness are suppressed from decreasing while having high strength.
  • the C content may be 0.1% by mass or more and 1.5% by mass or less, 0.1% by mass or more and 1.0% by mass or less, and 0.1% by mass or more and 0.8% by mass or less.
  • the total content of elements such as Mo is 0.1 mass% or more, further improvement in strength can be expected.
  • the total content of elements such as Mo may be 0.2% by mass or more and 4.5% by mass or less, and further 0.4% by mass or more and 4.0% by mass or less.
  • the content of each element is, for example, as follows.
  • iron-based alloys are more excellent in strength when they contain Mo and Mn.
  • Mn contributes to improvement of hardenability and strength.
  • Mo contributes to improvement of high temperature strength and suppression of temper embrittlement.
  • Each of Mo and Mn is preferably contained in the above range.
  • EDX energy dispersive X-ray analysis
  • ICP-OES high frequency inductively coupled plasma optical emission spectroscopy
  • the sintered material 1 of the embodiment includes the compound particles 2 (FIG. 2) in the surface layer 10.
  • the compound forming the compound particles 2 include oxides, sulfides, carbides, and nitrides containing at least one element of constituent elements of the sintered material 1 and impurity elements.
  • the constituent elements of the sintered material 1 refer to the section of the above composition.
  • the impurity elements include unavoidable impurities and elements added as a deoxidizing agent.
  • Examples of the compound particles 2 include particles that are inevitably formed in the manufacturing process.
  • the compound particles 2 of 0.3 ⁇ m or more existing in the surface layer 10 are few.
  • the number of compound particles 2 of 0.3 ⁇ m or more existing per unit area that is, The density of the number is 250 or less. If the density of the number is 250 or less, the compound particles 2 of the surface layer 10 will not crack even if stress is applied to the sintered material 1 from the surface 11 side of the sintered material 1 toward the inside of the sintered material 1. It's difficult to get started. Further, cracks are unlikely to propagate inside the sintered material 1 along the compound particles 2. Therefore, large cracks are suppressed.
  • the sintered material 1 of such an embodiment has excellent fatigue strength.
  • the density of the number is preferably less than 250, more preferably 200 or less. Ideally, the density of the above-mentioned number is 0, but it is extremely difficult to eliminate the compound particles 2 in production, and it is not suitable for mass production. Considering mass productivity, the density of the number may be 50 or more, further 100 or more.
  • the method for manufacturing a sintered material according to the embodiment described later is used and the sintering time is long to some extent, the density of the number described above tends to be small. However, if the sintering time is too long, mass productivity tends to decrease.
  • the sintered material 1 is the annular gear shown in FIG. 1A
  • the surface 11 is the surface of the tooth tip 30 of the tooth 3, the surface of the tooth surface 31, the surface of the tooth bottom 32, the axial direction of the through hole 41.
  • the end surface 40 located at the end, the inner peripheral surface of the through hole 41, and the like are included.
  • the cut surface may be a plane orthogonal to the axial direction of the gear (FIG. 1B) or a plane parallel to the axial direction. More specific cut surfaces include a plane orthogonal to the gear thickness direction (FIG. 1B), a plane parallel to the gear thickness direction, and the like.
  • the cut surface may be a curved surface instead of a flat surface.
  • the cutting surface may be a curved surface along a cylindrical surface that is coaxial with the axis of the gear.
  • the shaft of the gear is the shaft of the through hole 41.
  • the cylindrical surface include the inner peripheral surface of the through hole 41.
  • the cutting surface may be a curved surface along the surface of the tooth tip 30, the surface of the tooth bottom 32, or the like, which is a curved surface parallel to a part of the cylindrical surface.
  • the removal thickness is about 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the surface 11 of the sintered material 1 is the surface after removing the outermost surface and a region near the outermost surface.
  • One extracted measurement region is further divided into a plurality of minute regions.
  • the division number k may be 50 or more, 80 or more, 100 or more.
  • particles existing in each micro area and having a size of 0.3 ⁇ m or more are extracted.
  • the “particles having a size of 0.3 ⁇ m or more” here means particles having a diameter of 0.3 ⁇ m or more.
  • the diameter of the above particles is calculated as follows.
  • the area of the extracted particles, here the cross-sectional area, is determined.
  • the diameter of a circle having an area equivalent to the area of the particles is determined.
  • the diameter of the particle is the diameter of the circle.
  • the extracted particles may contain pores in addition to the particles made of the compounds such as the above oxides. Therefore, the compound particles and the pores are distinguished by performing a component analysis on each particle using SEM-EDS or the like.
  • the number n k of the compound particles is measured.
  • the total number N of compound particles in one measurement region is obtained by adding up the numbers n k of the respective minute regions. Using the measured total number N and the area S ( ⁇ m 2 ) of the measurement region, the number n of compound particles existing per 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m is determined. The number n in one measurement region is calculated by (N ⁇ 100 ⁇ 100)/S. Let the number n be the density of the number of the surface layers 10 of the sintered material 1.
  • the density of the number inside the sintered material 1 is higher than the density of the number in the surface layer 10.
  • the inside of the sintered material 1 includes a region located inside the boundary with a boundary of a point of 300 ⁇ m from the surface 11 toward the inside.
  • the density of the number inside the sintered material 1 is more than 250, further 300 or more, further 400 or more.
  • the sintered material 1 of the embodiment can suppress the occurrence of cracks in the surface layer 10 and the development of cracks as described above. Therefore, even if a large amount of compound particles 2 of 0.3 ⁇ m or more exist inside the sintered material 1, the sintered material 1 has excellent fatigue strength.
  • Such a sintered material 1 is preferable because the compound particles 2 having a size of 0.3 ⁇ m or more are few and the progress of cracks can be suppressed more easily.
  • the size of the compound particles 2 is preferably 150 ⁇ m or less, more preferably 100 ⁇ m or less, and 50 ⁇ m or less.
  • the ratio of the number of the compound particles 2 having a size of less than 20 ⁇ m is preferably more than 99%, and preferably 100%.
  • the sintered material 1 of the embodiment may be as-sintered material.
  • the sintered material 1 of the embodiment may be one that has been subjected to at least one of carburizing and quenching and tempering after sintering.
  • the sintered material 1 that has been subjected to both carburizing treatment and quenching and tempering is excellent in mechanical properties and is preferable.
  • the carburized sintered material 1 is provided with a carburized layer (not shown) in the range from the surface 11 toward the inside to about 1 mm.
  • a carburized layer (not shown) in the range from the surface 11 toward the inside to about 1 mm.
  • the region near the surface 11 is harder than the inside of the sintered material 1. Therefore, the sintered material 1 including the carburized layer can have improved wear resistance and the like.
  • the quenched and tempered sintered material 1 has a structure composed of martensite.
  • the martensite here is mainly tempered martensite.
  • the sintered material 1 having a martensite structure is hard and has excellent toughness, and the strength is easily increased.
  • the sintered material 1 is substantially entirely martensite and has a structure in which the content of retained austenite is low to some extent, the sintered material 1 is excellent in both hardness and toughness. Such a sintered material 1 has excellent fatigue strength.
  • the relative density of the sintered material 1 of the embodiment is 96% or more.
  • Such a sintered material 1 is dense and has few voids. Therefore, in the sintered material 1, cracks or fractures due to the pores hardly occur or substantially do not occur.
  • Such a sintered material 1 has excellent fatigue strength.
  • the relative density is ideally 100%, but may be 99.6% or less in consideration of manufacturability and the like.
  • the relative density (%) of the sintered material 1 is obtained by taking multiple cross sections from the sintered material 1, observing each cross section with a microscope, and performing image analysis of the observed image.
  • Examples of the microscope include SEM and optical microscope.
  • the sintered material 1 is, for example, a columnar body or a tubular body
  • a cross section is formed from the end surface side regions of the sintered material 1 and the region near the center of the length of the sintered material 1 along the axial direction.
  • the region on the end face side depends on the length of the sintered material 1 along the axial direction, but may be, for example, a region within 3 mm from the surface of the sintered material 1 toward the inside.
  • the region near the center depends on the length of the sintered material 1 along the axial direction, but is, for example, a region of 1 mm from the center of the length toward each end face side, that is, a region of 2 mm in total.
  • the cut surface may be a plane that intersects with the axial direction, typically a plane that is orthogonal.
  • observation fields are taken from each cross section. For example, take 10 or more observation fields of view.
  • Image processing is applied to the observation image in each observation field.
  • Examples of the image processing include binarization processing.
  • a region made of metal is extracted from the processed image.
  • the area of the extracted metal region is calculated.
  • the ratio of the area of the region made of metal to the area of the observation visual field is obtained.
  • the ratio of this area is regarded as the relative density of each observation visual field.
  • the obtained relative densities of the observation visual fields are averaged.
  • the obtained average value is defined as the relative density (%) of the sintered material 1.
  • the sintered material 1 of the embodiment may have a high surface pressure fatigue strength of, for example, 2.8 GPa (2800 MPa) or more, and further 2.9 GPa or more, though it depends on the composition and the mating material. For this point, refer to Test Example 1 described later. Further, the sintered material 1 of the embodiment may have a high tensile strength of, for example, more than 1455 MPa, further 1460 MPa or more, 1500 MPa or more, 1550 MPa or more, 1580 MPa or more, 1600 MPa or more.
  • the sintered material 1 of the embodiment can be used for various general structural parts such as machine parts.
  • mechanical parts include various gears including sprockets, rotors, rings, flanges, pulleys, bearings, and the like.
  • stress is applied from the mating material to the tooth surface of each tooth.
  • the mating material include mating gears and chains. Since the above-mentioned stress is applied, it can be said that the gear is a component that is desired to prevent the occurrence of cracks in the surface layer.
  • the sintered material 1 of the embodiment is dense as described above and has a small amount of compound particles 2 of 0.3 ⁇ m or more in the surface layer 10, cracks in the surface layer 10 are unlikely to occur.
  • Such a sintered material 1 can be suitably used for gears.
  • the sintered material 1 having high surface pressure fatigue strength as described above can be suitably used for gears.
  • the gear of the embodiment is made of the sintered material 1 of the embodiment. Therefore, the gear of the embodiment substantially maintains the composition and structure of the sintered material 1 of the embodiment.
  • the gear of the embodiment may be a spur gear, a bevel gear, a screw gear, or the like, in addition to the helical gear illustrated in FIG. 1A.
  • the gear of the embodiment may have internal teeth in addition to the external teeth illustrated in FIGS. 1A and 1B.
  • the sintered material 1 of the embodiment and the gear of the embodiment have a high relative density and are dense, and the compound particles 2 of 0.3 ⁇ m or more existing in the surface layer 10 are small.
  • the sintered material 1 of such an embodiment and the gear of the embodiment have excellent fatigue strength. This effect will be specifically described in a test example described later.
  • the sintered material 1 of the embodiment can be manufactured, for example, by the method for manufacturing a sintered material of the following embodiments.
  • the method for producing a sintered material according to the embodiment is a method for producing a sintered material having a composition made of an iron-based alloy, and includes the following steps.
  • (Molding step) A powder compact having a relative density of 96% or more is produced by using a raw material powder containing an iron-based powder.
  • (Sintering step) The green compact is sintered in an atmosphere containing a hydrocarbon gas.
  • the iron-based alloy contains at least one element selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B, and Si, Ni, and C, and the balance is Fe and impurities.
  • each step will be described.
  • a raw material powder is prepared.
  • the composition of the raw material powder may be adjusted according to the composition of the iron-based alloy forming the sintered material.
  • the raw material powder includes iron-based powder.
  • the iron-based powder here is a powder made of a metal having a composition containing Fe.
  • the iron-based powder is, for example, an alloy powder made of an iron-based alloy having the same composition as the iron-based alloy forming the sintered material, an alloy powder made of an iron-based alloy having a different composition from the iron-based alloy forming the sintered material, or pure. Examples include iron powder.
  • the iron-based powder can be produced by a water atomizing method, a gas atomizing method, or the like. Specific raw material powders include the following.
  • the raw material powder contains an alloy powder made of an iron-based alloy having the same composition as the iron-based alloy forming the sintered material.
  • the raw material powder contains an alloy powder made of the following iron-based alloy and carbon powder.
  • the iron-based alloy contains Ni and one or more elements selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B, and Si, and the balance is Fe and impurities.
  • the raw material powder contains pure iron powder, nickel powder, powder made of one or more elements selected from the group consisting of Mo, Mn, Cr, B, and Si, and carbon powder.
  • the raw material powder contains alloy powder as in (a) and (b) above, it is easy to produce a sintered material that uniformly contains elements such as Ni and Mo.
  • the raw material powder may include the alloy powder described in one of (a) and (b) above, and the powder made of one or more elements listed in (c) above.
  • the size of the raw material powder can be appropriately selected.
  • the above-mentioned alloy powder and pure iron powder, which are iron-based powders have an average particle size of 20 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the iron-based powder such as the alloy powder, which is the main component of the raw material powder satisfies the above range, the raw material powder is easily compressed by pressure. Therefore, a dense powder compact having a relative density of 96% or more is easily manufactured.
  • the average particle size of the iron-based powder is 50 ⁇ m or more, the iron-based powder is likely to be compressed more reliably. Since the relative density is increased by the compression, a denser powder compact can be easily manufactured.
  • the average particle size of the iron-based powder may be 70 ⁇ m or more, 80 ⁇ m or more, 90 ⁇ m or more.
  • the average particle size of the iron-based powder may be 50 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the average particle size of the powder of elements such as nickel powder and Mo is, for example, about 1 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the average particle diameter of the carbon powder is, for example, about 1 ⁇ m or more and 30 ⁇ m or less. Further, carbon powder that is smaller than the above alloy powder or pure iron powder can be used.
  • the average particle size here is the particle size (D50) at which the cumulative volume in the volume particle size distribution measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device is 50%.
  • the raw material powder preferably does not include a lubricant and an organic binder.
  • the mass productivity of the sintered material 1 is improved for the following reasons. (I) It is easy to manufacture a dense powder compact. (Ii) It is not necessary to remove the lubricant and the organic binder from the green compact in the subsequent step.
  • the number of compound particles in the surface layer of the sintered material tends to decrease as described below.
  • the organic binder typically includes various resins. When the content of such an organic binder exceeds 0.1% by mass based on 100% by mass of the raw material powder, the organic matter may remain as a residue even if a treatment for removing the binder, that is, a so-called debinding process is performed. .. In the sintering process, water vapor is generated when a residue organic matter, especially a CH component, reacts with a hydrocarbon gas in the atmosphere. The generated water vapor easily stays on the surface of the molded body during sintering and in the pores near the surface of the molded body.
  • the retention of steam causes an oxidation reaction between the steam and elements such as Fe contained in the molded body.
  • the generation of this oxidation reaction reduces the reducing ability of the hydrocarbon gas. Since the reduction ability is reduced and the reduction is insufficient, the compound particles in the surface layer of the sintered material increase.
  • the reduction ability of the hydrocarbon gas due to the above-mentioned oxidation reaction does not decrease. Therefore, the reduction with the hydrocarbon gas is favorably performed.
  • the raw material powder may contain at least one of a lubricant and an organic binder.
  • the content of the organic binder is preferably 0.1% by mass or less based on 100% by mass of the raw material powder. From the above reason, the total content of the lubricant and the organic binder is preferably 0.1% by mass or less with 100% by mass of the raw material powder as an example.
  • a sintered material having a relative density of 96% or more can be manufactured by using a green compact having a relative density of 96% or more. This is because, typically, the sintered material substantially maintains the relative density of the green compact. The higher the relative density of the green compact, the higher the relative density of the sintered material produced. Therefore, the relative density of the green compact may be 96.5% or more, further 97.0% or more, 97.5% or more, or 98.0% or more. Considering the manufacturability and the like as described above, the relative density of the green compact may be 99.6% or less.
  • the relative density of the green compact may be determined in the same manner as the relative density of the sintered material 1 described above.
  • the cross section of the powder compact has a region near the center of the length along the pressure axial direction in the powder compact, both ends in the pressure axial direction. It is possible to take each from the end face side region located in the part.
  • the cut surface may be a plane that intersects the pressing axis direction, typically a plane that is orthogonal.
  • a powder compact can be typically manufactured by using a press device having a die capable of uniaxial pressing.
  • the mold typically includes a die having a through hole, and an upper punch and a lower punch that are fitted into upper and lower openings of the through hole, respectively.
  • the inner peripheral surface of the die and the end surface of the lower punch form a cavity.
  • the raw material powder is filled in the cavity.
  • the green compact can be manufactured by compressing the raw material powder in the cavity with a predetermined molding pressure using an upper punch and a lower punch.
  • the shape of the green compact may be a shape along the final shape of the sintered material or a shape different from the final shape of the sintered material.
  • the powder compact having a shape different from the final shape of the sintered material is subjected to processing such as cutting in the steps after molding. As will be described later, it is preferable that the processing after the molding is performed on the green compact before sintering because it can be efficiently performed.
  • the shape of the powder compact may be a simple shape such as a column or a cylinder.
  • the powder compact having the above-mentioned simple shape is excellent in manufacturability because it is easily molded with high precision.
  • a lubricant may be applied to the inner peripheral surface of the mold described above. In this case, even if the raw material powder does not contain a lubricant, seizure on the mold is prevented. Further, since the raw material powder does not contain a lubricant, a dense powder compact can be easily formed as described above.
  • the lubricant include higher fatty acids, metal soaps, fatty acid amides, higher fatty acid amides, and the like.
  • the molding pressure is, for example, 1560 MPa or more. Further, the molding pressure may be 1660 MPa or higher, 1760 MPa or higher, 1860 MPa or higher, 1960 MPa or higher.
  • the green compact is sintered to produce a sintered material having a relative density of 96% or more.
  • the atmosphere during sintering is a specific atmosphere containing a hydrocarbon gas.
  • Hydrogen gas can reduce oxygen contained in the surface layer of the green compact.
  • compound particles such as oxides are effectively reduced in the surface layer of the sintered material after sintering.
  • a carbon component exists in the atmosphere. Therefore, at the time of sintering, it is possible to prevent the surface of the sintered material and the area in the vicinity thereof from being decarburized. By preventing decarburization, the carbon component can be uniformly present on the surface of the sintered material after sintering and in the vicinity thereof.
  • the sintered material after sintering is subjected to a carburizing treatment, the decreasing profile of hardness from the surface of the sintered material to the inside tends to be uniform at any location on the surface layer of the sintered material. It is considered that the sintered material, which is appropriately provided with such a hardened layer, is excellent in fatigue strength because local surface cracks are unlikely to occur.
  • hydrocarbon examples include propane (C 3 H 8 ), methane (CH 4 ), ethylene (C 2 H 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), butane (C 4 H 10 ), and the like.
  • a mixed gas containing a hydrocarbon gas and at least one of air and nitrogen gas can be mentioned.
  • the mixed gas reacts with Fe in the powder compact or the sintered material, and H 2 , CO, steam (H 2 O), carbon dioxide (CO 2 ), nitrogen (N 2 ), etc.
  • the gas containing these is usually called an endothermic shift gas.
  • the mixing ratio of the hydrocarbon gas and the air in the mixed gas can be appropriately selected.
  • gases such as CO, H 2 and N 2 are transformed.
  • the stoichiometric ratio of the modified CO, H 2 and N 2 is about 3:4:5.6.
  • the sintering temperature and the sintering time may be appropriately selected depending on the composition of the raw material powder and the like.
  • the sintering temperature is, for example, 1100° C. or higher and 1400° C. or lower.
  • the sintering temperature may be 1110° C. or more and 1300° C. or less, 1120° C. or more and less than 1250° C.
  • the dense powder compact is used as described above. Therefore, it is not necessary to perform the tightening by high temperature sintering at 1250°C or higher. Further, by sintering at a relatively low temperature of less than 1250° C., a dense sintered material is produced as described above.
  • the sintering time is, for example, 10 minutes or more and 150 minutes or less.
  • the longer the sintering time the more reliable the reduction with hydrogen gas described above. Therefore, the compound particles of 0.3 ⁇ m or more in the surface layer of the sintered material are easily reduced.
  • the sintering time may be 15 minutes or more, further 20 minutes or more.
  • the longer the sintering time the longer the manufacturing time. From this point, mass productivity decreases.
  • the sintering time is 120 minutes or less, more preferably 100 minutes or less and 80 minutes or less, mass productivity is improved, which is preferable.
  • the method for manufacturing a sintered material according to the embodiment may include at least one of the following first processing step, heat treatment step, and second processing step.
  • First processing step> cutting is performed on the green compact after the above-mentioned molding step and before the sintering step.
  • the cutting process may be rolling or turning.
  • Specific processing includes gear cutting processing and drilling processing.
  • the green compact before sintering has excellent machinability as compared with the sintered material or ingot after sintering. In this respect, performing the cutting process before the sintering step contributes to improvement in mass productivity of the sintered material.
  • Examples of the heat treatment in this step include carburizing treatment and quenching and tempering. Alternatively, the heat treatment in this step may be carburizing and quenching.
  • Examples of carburizing conditions include the following.
  • the carbon potential (CP) is 0.6% by mass or more and 1.8% by mass or less.
  • the processing temperature is 910° C. or higher and 950° C. or lower.
  • the processing time is 60 minutes or more and 560 minutes or less. However, the optimum carburizing time generally depends on the product size of the sintered material. Therefore, the above time is just an example.
  • Quenching conditions include a treatment temperature for austenitization of 800° C. or more and 1000° C.
  • the tempering conditions include a treatment temperature of 150° C. or higher and 230° C. or lower and a treatment time of 60 minutes or longer and 240 minutes or shorter.
  • finish processing is performed on the sintered material after sintering.
  • the finishing process include polishing.
  • the finishing process reduces the surface roughness of the sintered material, thereby producing a sintered material having excellent surface properties.
  • the finished product produces a sintered material that conforms to the design dimensions.
  • the manufacturing method of the sintered material of the embodiment has a high relative density and is dense, and also has a small amount of compound particles having a size of 0.3 ⁇ m or more in the surface layer, typically the sintered material of the above-described embodiment.
  • the binder 1 can be manufactured.
  • the method for manufacturing the sintered material of the embodiment is to increase the relative density of the powder compact and to change the atmosphere during sintering to a specific atmosphere as compared with the basic method for manufacturing the sintered material. Can be implemented in. Therefore, the method for manufacturing a sintered material according to the embodiment can mass-produce a sintered material having excellent fatigue strength.
  • the sintered material was produced as follows. A green compact is produced using the raw material powder. The obtained green compact is sintered. After sintering, carburizing and quenching are followed by tempering.
  • a mixed powder containing an alloy powder composed of the following iron-based alloy and carbon powder is used as the raw material powder.
  • the iron-based alloy contains 2 mass% of Ni, 0.5 mass% of Mo, and 0.2 mass% of Mn, and the balance is Fe and impurities.
  • the content of carbon powder is 0.3 mass% with the total mass of the mixed powder being 100 mass %.
  • the average particle size (D50) of the alloy powder is 98 ⁇ m.
  • the average particle diameter (D50) of the carbon powder is 5 ⁇ m.
  • the organic binder here is a polyvinyl alcohol-based resin.
  • the content of the organic binder is 0.2% by mass based on the total mass of the mixed powder as 100% by mass.
  • Sample No. In Sample No. 13, the basic conditions other than including the organic binder are Sample No. Same as 9.
  • An annular powder compact was produced by pressing the raw material powder.
  • the dimensions of the powder compact have an inner diameter of 16 mm, an outer diameter of 30 mm and a thickness of 8 mm.
  • the molding pressure is selected from the range of 1560 MPa or more and 1960 MPa or less so that the relative density (%) of the powder compact of each sample is 93.5%, 94%, 95%, 96%, 97%.
  • a powder compact was produced. The higher the molding pressure, the easier it is to obtain a powder compact having a high relative density.
  • Table 1 shows the relative density (%) of the green compact of each sample.
  • the produced green compact was sintered in the following atmosphere.
  • the sintering temperature (° C.) of each sample is 1100° C.
  • the sintering time (min) of each sample is selected from 15 minutes, 30 minutes, and 60 minutes. Table 1 shows the sintering time (min) of each sample.
  • the atmosphere gas at the time of sintering No. 13 is a mixed gas of propane and the atmosphere. The content of propane is about 10% by volume with the mixed gas as 100% by volume.
  • the atmosphere gas during sintering of No. 11 was nitrogen gas.
  • the atmosphere during sintering of No. 12 is vacuum.
  • the vacuum here is a low-pressure atmosphere in which the atmospheric pressure is less than the atmospheric pressure.
  • the atmospheric pressure here is 5.0 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa or less.
  • the carburizing and quenching conditions and the tempering conditions after sintering are as follows. (Carburizing and quenching) 930°C ⁇ 90 minutes, carbon potential: 1.2% by mass ⁇ 850°C ⁇ 30 minutes ⁇ Oil cooling (tempering) 200°C ⁇ 90 minutes
  • an annular sintered material having an inner diameter of 16 mm, an outer diameter of 30 mm and a thickness of 8 mm was obtained.
  • This sintered material contains 2% by mass of Ni, 0.5% by mass of Mo, 0.2% by mass of Mn, 0.3% by mass of C, and the balance is an iron-based alloy composition containing Fe and impurities.
  • the density of the number in the surface layer (number/(100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m)), the contact pressure fatigue strength (GPa), and the relative density (%) of the produced sintered material of each sample are measured as follows.
  • the number density is the number of compound particles having a size of 0.3 ⁇ m or more existing per unit area in the cross section of the surface layer of the sintered material.
  • the unit area is 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m.
  • the dimensions of the test piece are 4 mm ⁇ 2 mm ⁇ height 3 mm.
  • a test piece is cut out from the sintered material so as to have a height of 3 mm from the outermost surface in the depth direction.
  • one surface having an area of 4 mm ⁇ 2 mm consists of a part of the outermost surface of the sintered material.
  • a region of up to 25 ⁇ m from the outermost surface is removed from the cut rectangular parallelepiped test piece. The surface after the removal is used as the surface of the test piece.
  • the surface of 4 mm ⁇ about 3 mm in the test piece is flattened by performing cross section polisher processing (CP processing) using Ar (argon) ions. This CP processed surface is the measurement surface.
  • a region having a width of 50 ⁇ m is set as a measurement region from the surface of the test piece toward the inside, that is, up to 300 ⁇ m along the height direction. That is, the measurement region is a rectangular region having a width of 50 ⁇ m and a length of 300 ⁇ m.
  • one measurement area is taken from one test piece.
  • FIG. 2 shows the sample No. 6 is a schematic diagram of a measurement region 12 in sintered material 1 of No. 6;
  • FIG. 3 shows the sample No. It is a schematic diagram of the measurement area
  • FIG. 4 shows the sample No. It is a schematic diagram of the measurement area
  • the region where the compound particles 2 are present is an iron-based alloy that constitutes the mother phase of the sintered material. Actually, each compound particle 2 has a size that does not overlap each other and is dispersed in the matrix. 2 to 4 show the compound particles 2 in a large size for easy understanding. Therefore, in FIG. 2 to FIG.
  • the extracted measurement area is further divided into multiple minute areas. Then, the particles existing in each minute region are extracted.
  • the measurement area is divided into about 120 pieces. That is, the number of divisions k ⁇ 120.
  • the SEM magnification is 10,000 times.
  • the extraction of particles is performed based on the difference in contrast in the SEM observation image.
  • a backscattered electron image is used as the SEM observation image.
  • the condition of the binarization process is set based on the threshold value of the contrast intensity in the backscattered electron image.
  • particles are extracted from the difference in contrast in the binarized image.
  • the image of adjacent particles is divided by performing the filling process and the opening process on the binarized image. The area of each extracted particle is calculated.
  • the diameter of a circle having the same area as the calculated area is calculated.
  • Particles having a diameter of the circle of 0.3 ⁇ m or more are extracted.
  • Component analysis is performed on each of the extracted particles of 0.3 ⁇ m or more by SEM-EDS. Using the results of the component analysis, particles made of oxide or the like are distinguished from vacancies. Then, only particles made of a compound such as an oxide are extracted.
  • the time for the component analysis here is 10 seconds.
  • the number n k of particles made of oxide or the like is measured for each minute region.
  • the number n k in the k minute areas is added.
  • the total number is the total number N of particles made of oxide or the like in one measurement region.
  • the area S is 50 ⁇ m ⁇ 300 ⁇ m here.
  • the number n of measurement regions in each sample is defined as the number density in the surface layer of the sintered material of each sample. Table 1 shows the densities of the above numbers in each sample.
  • a publicly known Nishihara-type metal abrasion tester can be used.
  • the sintered material of each sample is used as a test piece.
  • the mating material, the test conditions, and the method for obtaining the Hertz stress are shown below.
  • the composition is SKD11 which is a kind of alloy tool steel.
  • the shape is an annular material.
  • the dimensions are an inner diameter of 16 mm, a maximum outer diameter of 30 mm, a minimum outer diameter of 25 mm, and a thickness of 8 mm.
  • This mating member has a ridge that projects radially outward from a circumferential surface having an outer diameter of 25 mm and is continuous in the circumferential direction.
  • the ridge is provided at the center in the thickness direction on the circumferential surface having an outer diameter of 25 mm.
  • the thickness direction is a direction parallel to the axial direction of the through hole of the mating material.
  • the cross-sectional shape of the ridge in a state where the ridge is cut along a plane along the axial direction is a hexagonal shape in which two corners are cut off in a rectangle having a height of 2.5 mm and a width of 4 mm.
  • the width of the protrusion on the circumferential surface side is 4 mm.
  • the width of the outer peripheral surface of the ridge is 1.5 mm.
  • the surface having a width of 1.5 mm, which is the outer peripheral surface of the ridge, is the contact surface with the test piece.
  • the test piece and the mating material are rotated at the above-described number of rotations while the mating material is pressed against the sintered material of each sample as the test piece and a load is applied. The load is changed and rotation is performed 10 million times. Using each load, the Hertz stress ⁇ is obtained from the Hertz stress equation as follows.
  • the maximum Hertzian stress at which the test piece does not break when rotated 10 million times is defined as the contact pressure fatigue strength (GPa). Table 1 shows the surface pressure fatigue strength (GPa).
  • ⁇ 1 is the radius of curvature of each sample.
  • E 2 is the Young's modulus of the mating material.
  • ⁇ 2 is the Poisson's ratio of the mating material.
  • ⁇ 2 is the radius of curvature of the mating material.
  • the Young's modulus and Poisson's ratio are unique physical properties of each sample and the mating material. The Young's modulus and Poisson's ratio can be measured by a general measuring device using an ultrasonic method or the like.
  • the relative density (%) of the sintered material is obtained by image analysis of the microscope observation image of the cross section of the sintered material as described above.
  • a cross section is taken from a region on the end face side and a region near the center of the length of the through hole provided in the sintered material along the axial direction.
  • the region on the end face side is a region within 3 mm from the annular end face of the sintered material.
  • the region near the center is the remaining region from each end face of the sintered material excluding the region on the end face side having a thickness of 3 mm, that is, the region having a length of 2 mm along the axial direction.
  • Each region is cut along a plane orthogonal to the axial direction to obtain a cross section. Take 10 or more observation fields from each cross section.
  • Image processing is performed on the observation image of each observation visual field.
  • a region made of metal is extracted from the processed image.
  • the area of the extracted metal region is calculated.
  • the ratio of the area of the metal region to the area of the observation visual field is obtained. This ratio is regarded as the relative density.
  • the relative densities of 30 or more observation visual fields are obtained, and the average value is obtained.
  • the obtained average value is defined as the relative density (%) of the sintered material. Table 1 shows the relative density (%) of the sintered material.
  • sample No. 3, No. 6, No. 9 to No. Each of the 12 sintered materials has a relative density of 96% or more and is dense. However, the contact fatigue strength is different. Sample No. 3, No. 6, No. 9, No. The contact fatigue strength of Sample No. 10 was Sample No. 11, No. High compared to 12. Hereinafter, sample No. 3, No. 6, No. 9, No. 10 is called a specific sample group. The surface pressure fatigue strength of each of the specific sample groups is 2.8 GPa or more. It is expected that the sintered material of such a specific sample group satisfies the required characteristics of gears and can be suitably used for various gears.
  • the density of the number in the specific sample group is 250 or less.
  • the density of the number in 12 is 300 or more.
  • FIG. 2 to 4 schematically show the number density.
  • a specific sample group here, sample No. In No. 6, it can be seen that the compound particles 2 are few in the surface layer. Further, it can be seen that the closer the surface is to the sintered material, the less the compound particles 2, and the closer to the inside of the sintered material, the more the compound particles 2 increase.
  • FIG. In No. 11 it can be seen that a large number of compound particles 2 are uniformly present from the surface to the inside of the sintered material. As shown in FIG. In Sample No. 12, sample No. Although the compound particles 2 are less than that of No. 11, it can be seen that the compound particles 2 are present in a large amount dispersed from the surface to the inside of the sintered material.
  • the sintered material of the specific sample group has few compound particles of 0.3 ⁇ m or more in the surface layer, so that even if stress is applied from the surface, it is difficult for the compound particles to become a starting point of cracking or to develop cracking. Therefore, it is considered that the contact pressure fatigue strength was increased. It was confirmed that compound particles were present on the fracture surface of the fractured sample. From this, it is considered that the compound particles present in the surface layer of the sintered material serve as the starting point of cracking.
  • the ratio of the number of compound particles having a size of 20 ⁇ m or more to the number of compound particles of 0.3 ⁇ m or more existing per unit area is 1% or less. That is, the ratio of the number of compound particles having a size of less than 20 ⁇ m to the compound particles of 0.3 ⁇ m or more is more than 99%. From this, it is considered that the specific sample group was able to inhibit the occurrence of cracks and the progress of cracks due to the compound particles.
  • the tensile strength of the specific sample group is 1500 MPa or more. Since the tensile strength is high, it is considered that the specific sample group has excellent fatigue strength.
  • the tensile strength was measured by performing a tensile test using a general-purpose tensile tester.
  • the test pieces for the tensile test are in accordance with the Japan Powder Metallurgical Industry Association standards, JPMA M 04-1992, and sintered metal material tensile test pieces.
  • As the test piece a cylindrical sintered material having a diameter of 75 mm and a thickness of 20 mm was separately prepared in the same manner as the above-mentioned annular sintered material, and cut out from this cylindrical sintered material. The score distance is 30 mm.
  • the relative density of the sintered body is lower than that of the specific sample group.
  • the density of the number is 400 or more. That is, the sample No. In No. 13, more compound particles of 0.3 ⁇ m or more are present in the surface layer of the sintered material as compared with the specific sample group.
  • a raw material containing an organic binder is used. In particular, the reason why there are many compound particles is considered as follows. Even if the organic binder was removed before sintering, the organic material remained as a residue in the green body before sintering due to the organic binder.
  • the organic matter as the residue reacts with the hydrocarbon gas in the atmosphere to generate water vapor.
  • the water vapor stayed in the vicinity of the surface of the molded body during sintering to cause an oxidation reaction.
  • the generation of the oxidation reaction suppressed the reduction reaction by the hydrocarbon gas. So to speak, the reducing ability of hydrocarbon gas decreased.
  • the number of compound particles such as oxides increased in the surface layer of the sintered material because the surface layer of the molded body during sintering was not appropriately reduced.
  • a sintered material having a relative density of 96% or more and a small amount of compound particles having a size of 0.3 ⁇ m or more in the surface layer has excellent fatigue strength. Further, it has been shown that such a sintered material can be produced by sintering a green compact having a relative density of 96% or more in an atmosphere containing hydrocarbon. This manufacturing method can be realized by changing the relative density of the green compact and the atmosphere at the time of sintering as compared with the basic method for manufacturing a sintered material. Therefore, it can be said that this manufacturing method is suitable for mass production of a sintered material having a small amount of compound particles in the surface layer and excellent fatigue strength as described above.
  • the present invention is not limited to these examples, but is defined by the scope of the claims, and is intended to include meanings equivalent to the scope of the claims and all modifications within the scope.
  • at least one of the composition of the sintered material and the manufacturing conditions can be changed.
  • the type of element such as Mo or change the content of each element.
  • the sintering temperature, the sintering time, and the type and content of hydrocarbons in the atmosphere during sintering may be changed.

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Abstract

Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鉄基合金の組成と、断面において、表面から内部に向かって２００μｍまでの表層に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子について、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりの個数が２５０個以下である組織とを備え、相対密度が９６％以上である、焼結材。

Description

焼結材、歯車、及び焼結材の製造方法
　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／ＪＰ２０１９／００３２６０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、
　Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鉄基合金の組成と、
　断面において、表面から内部に向かって２００μｍまでの表層に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子について、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりの個数が２５０個以下である組織とを備え、
　相対密度が９６％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いて、相対密度が９６％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
　炭化水素ガスを含む雰囲気下で、前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
　前記焼結材は、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物である鉄基合金からなる組成を備える。
図１Ａ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、試験例１の試料Ｎｏ．６の焼結材において、表層の化合物粒子の存在状態を示す断面観察像の模式図である。 図３は、試験例１で、窒素雰囲気で焼結した試料Ｎｏ．１１の焼結材において、表層の化合物粒子の存在状態を示す断面観察像の模式図である。 図４は、試験例１で、真空雰囲気で焼結した試料Ｎｏ．１２の焼結材において、表層の化合物粒子の存在状態を示す断面観察像の模式図である。
［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。また、疲労強度に優れる焼結材を量産できることが望まれている。
　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、更には９６％以上という緻密な焼結材では、空孔ではなく、上記焼結材の表面及びその近傍領域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。特に、上述の焼結材の表層に多数の化合物粒子が存在すれば、割れが生じた場合に化合物粒子に沿って、割れが進展し易い。その結果、大きな亀裂が生じ易い。例えば、歯車の表層には、使用時、大きな応力が負荷される。そのため、焼結材の表面及びその近傍領域における割れの発生や割れの進展を抑制することは、疲労強度の向上に寄与すると考えられる。
　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の量産に適した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の量産に適する。
［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、
　Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鉄基合金の組成と、
　断面において、表面から内部に向かって２００μｍまでの表層に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子について、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりの個数が２５０個以下である組織とを備え、
　相対密度が９６％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、９６％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。別の理由の一つとして、本開示の焼結材では、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、窒化物等が挙げられる。上述の緻密な焼結材では、表層に存在し得る０．３μｍ以上の化合物粒子が割れの起点になり得る。しかし、焼結材の表層に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。表層での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。
　更に、本開示の焼結材は、量産可能な製造方法、例えば後述する本開示の焼結材の製造方法によって製造できる。この点で、本開示の焼結材は、製造性にも優れる。
（２）本開示の焼結材の一例として、
　前記鉄基合金は、前記群から選択される前記元素として、Ｍｏ及びＭｎを含む形態が挙げられる。
　上記形態は、引張強さ等の強度に優れる鉄基合金からなることで、疲労強度を高め易い。
（３）本開示の一態様に係る歯車は、
　上記（１）又は（２）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、上述のように表層での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。
（４）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いて、相対密度が９６％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
　炭化水素ガスを含む雰囲気下で、前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
　前記焼結材は、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物である鉄基合金からなる組成を備える。
　本開示の焼結材の製造方法は、相対密度が９６％以上という緻密な圧粉成形体を、炭化水素を含むという特定の雰囲気で焼結するというものである。この製造方法は、基本的な焼結材の製法に対して、圧粉成形体の相対密度を高くすると共に、焼結時の雰囲気を上記特定の雰囲気に変更することで実施できる。そのため、本開示の焼結材の製造方法は、相対密度が９６％以上という緻密な焼結材を量産可能である。なお、従来の焼結時の雰囲気は、窒素雰囲気、真空雰囲気が挙げられる。
　特に、本開示の焼結材の製造方法では、焼結時の雰囲気が炭化水素ガスを含むため、焼結時に水素ガスが発生する。この水素ガスによって、圧粉成形体の表層に含まれる酸素を還元することができる。この還元反応によって、酸化物といった化合物粒子が低減される。従って、本開示の焼結材の製造方法は、緻密で、酸化物等からなる化合物粒子が表層に少ない焼結材を製造できる。また、焼結時の雰囲気中に炭素成分が存在するため、脱炭を防止できる。その結果、焼結後に焼結材に浸炭処理が施されると、焼結材の表層の任意の箇所において、焼結材の表面から内部に向かう硬度の低下プロファイルが均一的になり易い。このような硬化層を備える焼結材は、表面から内部に向かう応力勾配や、応力の繰り返しに起因する局所的な表面割れ等が生じ難いことで、疲労強度に優れると考えられる。これらのことから、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量産できる。
（５）本開示の焼結材の製造方法の一例として、
　前記鉄基合金において、Ｃの含有量が０．１質量％以上である形態が挙げられる。
　上記形態は、Ｃの含有量が０．１質量％未満である場合に比較して高強度な焼結材を製造できる。
（６）本開示の焼結材の製造方法の一例として、
　前記原料粉末は、潤滑剤及び有機バインダーを含まない形態が挙げられる。
　上記形態は、緻密な焼結材を製造し易い。また、上記形態は、潤滑剤及び有機バインダーを除去する工程が不要である点から、焼結材の量産性の向上に寄与する。更に、有機バインダーを含まないことで、後述するように、有機物の残滓に起因する炭化水素ガスの還元能力の低下がない。そのため、上記形態は、焼結材の表層における化合物粒子が少ない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、
　前記鉄系粉末の平均粒径が５０μｍ以上である形態が挙げられる。
　上記形態では、鉄系粉末が加圧によって圧縮され易い。そのため、より緻密な圧粉成形体が製造され易い。
［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。
　図１Ｂは、図１Ａにおいて一点鎖線円１Ｂ内を拡大して示す断面図である。図１Ｂは、表層１０を二点鎖線で仮想的に示す。図１Ｂは、表層１０が分かり易いように、表層１０の厚さを厚く示す。ここでの表層１０とは、表面１１から焼結材１の内部に向かって２００μｍまでの領域とする。
（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は、表層１０に存在する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、以下の鉄基合金の組成と、以下の組織とを備え、相対密度が９６％以上である。
　鉄基合金は、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種以上の元素と、Ｎｉ（ニッケル）と、Ｃ（炭素）とを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。
　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。
　焼結材１の断面において、焼結材１の表面１１から焼結材１の内部に向かって２００μｍまでの領域を焼結材１の表層１０と呼ぶ。
　上記組織は、表層１０に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子２について、単位面積あたりの個数が２５０個以下である。
　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）
　実施形態の焼結材１を構成する鉄基合金は、Ｆｅに加えて、強度向上効果を有するＮｉ，Ｃ，Ｍｏ等の元素を含むため、強度に優れる。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。
〈Ｎｉ〉０．１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
〈Ｃ〉０．１質量％以上２．０質量％以下
　Ｎｉの含有量が０．１質量％以上であると、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。
　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。
　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
　特に、鉄基合金は、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、焼戻し脆化の抑制に寄与する。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、表層１０に化合物粒子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、表層１０に存在する０．３μｍ以上の化合物粒子２が少ない。定量的には、焼結材１の表層１０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２５０個以下である。個数の密度が２５０個以下であれば、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、表層１０の化合物粒子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、表層１０での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２５０個未満、更に２００個以下が好ましい。理想的には、上記個数の密度は０個であるが、化合物粒子２を全く無くすことは製造上極めて困難である上に、量産に適さない。量産性を考慮すると、上記個数の密度は５０個以上、更に１００個以上でもよい。
　例えば、後述する実施形態の焼結材の製造方法が利用されると共に、焼結時間がある程度長ければ、上述の個数の密度は小さくなり易い。但し、焼結時間が長過ぎると、量産性が低下し易い。
《化合物粒子の個数の密度を測定する方法》
　表層１０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。この断面は、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、幅が５０μｍであり、長さが３００μｍ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。長さが３００μｍであれば、表面１１から２００μｍまでの領域を確実に観察することができる。また、表面１１から２００μｍまでの領域よりも内部に位置する領域を含んだ上記測定領域を１００μｍ×１００μｍに平均化しても、実施形態の焼結材１であれば、０．３μｍ以上の化合物粒子２が少ない。上記の理由によって、上記測定領域の大きさを５０μｍ×３００μｍとする。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、１００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ｎｋを測定する。各微小領域の個数ｎｋ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（μｍ２）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の表層１０の個数の密度とする。
　なお、実施形態の焼結材１が後述する実施形態の焼結材の製造方法で製造された場合、焼結材１の内部における上述の個数の密度は、表層１０における個数の密度よりも大きいことが挙げられる。ここでの焼結材１の内部とは、表面１１から内部に向かって３００μｍの地点を境界として、この境界よりも内部に位置する領域が挙げられる。例えば、焼結材１の内部における個数の密度は、２５０個超、更に３００個以上、更に４００個以上であることが挙げられる。実施形態の焼結材１は、上述のように表層１０での割れの発生や割れの進展を抑制できる。従って、焼結材１の内部に０．３μｍ以上の化合物粒子２がある程度多く存在しても、焼結材１は疲労強度に優れる。
《大きさ》
　表層１０に存在する化合物粒子２の大きさ、ここでは上述の直径が小さいほど、応力集中の程度が減少し易い。このような焼結材１は、０．３μｍ以上の化合物粒子２が少ないことと合わせて、割れの進展をより抑制し易く好ましい。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。単位面積あたりに存在する０．３μｍ以上の化合物粒子２のうち、２０μｍ未満の大きさである化合物粒子２の個数の割合が９９％超であると好ましく、１００％が望ましい。
《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９６％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、焼結材１は疲労強度を高めらえる。そのため、上記相対密度は９７．０％以上、更に９７．５％以上、更に９８．０％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＝３００，０００μｍ２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２．８ＧＰａ（２８００ＭＰａ）以上、更に２．９ＧＰａ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を参照されたい。また、実施形態の焼結材１は、例えば１４５５ＭＰａ超、更に１４６０ＭＰａ以上、１５００ＭＰａ以上、１５５０ＭＰａ以上、１５８０ＭＰａ以上、１６００ＭＰａ以上という高い引張強度を有することが挙げられる。
（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、表層１０における０．３μｍ以上の化合物粒子２が少ないことで、表層１０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、表層１０に存在する０．３μｍ以上の化合物粒子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、以下の実施形態の焼結材の製造方法によって製造できる。実施形態の焼結材の製造方法は、鉄基合金からなる組成を備える焼結材を製造する方法であり、以下の工程を備える。
（成形工程）鉄系粉末を含む原料粉末を用いて、相対密度が９６％以上である圧粉成形体を作製する。
（焼結工程）炭化水素ガスを含む雰囲気下で、上記圧粉成形体を焼結する。
　鉄基合金は、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物である。
　以下、工程ごとに説明する。
（成形工程）
〈原料粉末の準備〉
　この工程では、まず、原料粉末を準備する。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と、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素とを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる。
（ｃ）原料粉末は、純鉄粉と、ニッケル粉と、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９６％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。圧縮によって、相対密度が高められることで、より緻密な圧粉成形体が製造され易い。結果として、緻密な焼結材が得られ易い。相対密度の向上の観点から、鉄系粉末の平均粒径は、７０μｍ以上、８０μｍ以上、９０μｍ以上でもよい。また、鉄系粉末の平均粒径は、５０μｍ以上１５０μｍ以下でもよい。
　ニッケル粉、Ｍｏ等の元素の粉末の平均粒径は、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。
　原料粉末は、潤滑剤及び有機バインダーを含まないことが好ましい。この場合、以下の理由により、焼結材１の量産性が向上する。
　（ｉ）緻密な圧粉成形体が製造され易い。
　（ｉｉ）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がない。
　特に、原料粉末が有機バインダーを含まない場合、以下に説明するように焼結材の表層における化合物粒子の個数が少なくなり易い。有機バインダーは、代表的には、各種の樹脂が挙げられる。このような有機バインダーの含有量が例えば原料粉末を１００質量％として０．１質量％を超えると、バインダーを除去する処理、いわゆる脱バインダー処理を施しても、有機物が残滓として残る可能性がある。焼結工程において、残滓である有機物、特にＣＨ成分と、雰囲気中の炭化水素ガスとが反応すると、水蒸気が発生する。発生した水蒸気は、焼結中の成形体の表面及び上記成形体の表面近くの空孔に滞留し易い。水蒸気が滞留することで、水蒸気と、上記成形体に含まれるＦｅ等の元素との酸化反応が生じる。この酸化反応の発生によって、炭化水素ガスの還元能力が低下する。還元能力の低下によって、還元が不十分になることで、焼結材の表層における化合物粒子が多くなる。これに対し、原料粉末が有機バインダーを含まない場合、上述の酸化反応に起因する炭化水素ガスの還元能力の低下がない。そのため、炭化水素ガスによる還元が良好に行われる。
　なお、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。但し、上述の理由から、有機バインダーの含有量は、例えば原料粉末を１００質量％として０．１質量％以下が好ましい。また、上述の理由から、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％以下が好ましい。
〈成形〉
　この工程では、原料粉末が加圧圧縮されることで、相対密度が９６％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９６％以上の圧粉成形体を用いることで、相対密度が９６％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、９６．５％以上、更に９７．０％以上、９７．５％以上、９８．０％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。
（焼結工程）
　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９６％以上である焼結材が製造される。特に、焼結時の雰囲気は、炭化水素ガスを含むという特定の雰囲気である。
　炭化水素ガスを含むことで、焼結時に水素（Ｈ２）ガスや一酸化炭素（ＣＯ）ガス等が発生する。水素ガスは、圧粉成形体の表層に含まれる酸素を還元できる。この還元作用によって、焼結後の焼結材の表層において酸化物といった化合物粒子が効果的に低減される。また、雰囲気中に炭素成分が存在する。そのため、焼結時に、焼結材の表面及びその近傍領域が脱炭することを防止できる。脱炭の防止によって、焼結後の焼結材の表面及びその近傍領域に炭素成分が均一的に存在し得る。そのため、焼結後の焼結材に浸炭処理が施されると、焼結材の表面から内部に向かう硬度の低下プロファイルが、焼結材の表層の任意の箇所において均一的になり易い。このような硬化層を適切に備える焼結材は、局所的な表面割れ等が生じ難いことで、疲労強度に優れると考えられる。
〈雰囲気〉
　炭化水素は、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、メタン（ＣＨ４）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等が挙げられる。具体的な雰囲気ガスとして、炭化水素ガスと、空気及び窒素ガスの少なくとも一方とを含む混合ガスが挙げられる。上記混合ガスは、焼結時に、圧粉成形体又は焼結材中のＦｅと反応して、Ｈ２，ＣＯ，水蒸気（Ｈ２Ｏ），二酸化炭素（ＣＯ２），窒素（Ｎ２）等を生じる。これらを含むガスは、通常、吸熱型変成ガスと呼ばれる。上記混合ガスを用いると、水素成分や炭素成分が過不足なく反応し易い。
　上記混合ガスにおける炭化水素ガスと空気との混合比率は、適宜選択できる。炭化水素の種類にも依存するが、例えば炭化水素がプロパンである場合、上記混合比率は、化学量論比で、プロパン：空気＝１：１．５が挙げられる。この場合、ＣＯ、Ｈ２、Ｎ２というガスが変成される。変成されたＣＯ、Ｈ２、Ｎ２の化学量論比は、３：４：５．６程度である。上記混合比率を満たす混合ガスを用いると、以下の効果（ａ）から（ｃ）が得られる。
（ａ）水素ガスによる還元及び炭素成分による脱炭防止といった効果がより得られ易い。
（ｂ）市販のガスによって、混合ガスが容易に準備できる。
（ｃ）混合ガスの制御が行い易い。
〈焼結温度〉
　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〉
　焼結時間は、例えば、１０分以上１５０分以下が挙げられる。焼結時間が長いほど、上述の水素ガスによる還元が確実に行える。そのため、焼結材の表層における０．３μｍ以上の化合物粒子が低減され易い。上記化合物粒子の低減の観点から、焼結時間は１５分以上、更に２０分以上でもよい。焼結時間が長いほど、製造時間が長くなる。この点から、量産性が低下する。焼結時間が１２０分以下、更に１００分以下、８０分以下であると、量産性が高められて好ましい。
（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、上述の成形工程後、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。この点で、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、表層に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。特に、実施形態の焼結材の製造方法は、基本的な焼結材の製造方法に対して、圧粉成形体の相対密度を高めると共に、焼結時の雰囲気を特定の雰囲気に変更することで実施できる。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を量産できる。
［試験例１］
　相対密度が異なる焼結材を作製して、焼結材の表層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９８μｍである。
　カーボン粉の平均粒径（Ｄ５０）は５μｍである。
　試料Ｎｏ．１からＮｏ．１２に用いた原料粉末はいずれも、潤滑剤及び有機バインダーを含まない。
　試料Ｎｏ．１３に用いた原料粉末は、有機バインダーを含む。ここでの有機バインダーは、ポリビニルアルコール系の樹脂である。有機バインダーの含有量は、上述の混合粉の合計質量を１００質量％として、０．２質量％である。試料Ｎｏ．１３において、有機バインダーを含むこと以外の基本的な条件は、試料Ｎｏ．９と同じである。
　原料粉末を加圧成形することで、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９３．５％、９４％、９５％、９６％、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雰囲気で焼結した。
　各試料の焼結温度（℃）は１１００℃である。
　各試料の焼結時間（ｍｉｎ）は１５分、３０分、６０分から選択する。各試料の焼結時間（ｍｉｎ）を表１に示す。
　試料Ｎｏ．１からＮｏ．１０，及びＮｏ．１３の焼結時の雰囲気ガスは、プロパンと大気との混合ガスである。プロパンの含有量は、上記混合ガスを１００体積％として、およそ１０体積％である。
　試料Ｎｏ．１１の焼結時の雰囲気ガスは、窒素ガスである。
　試料Ｎｏ．１２の焼結時の雰囲気は、真空である。ここでの真空とは、雰囲気圧力が大気未満である低圧雰囲気である。ここでの雰囲気圧力は５．０×１０－２Ｐａ以下である。
　焼結後の浸炭焼入れ条件、焼戻し条件は以下の通りである。
（浸炭焼入れ）９３０℃×９０分、カーボンポテンシャル：１．２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、表層における個数の密度（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、焼結材の表層の断面において、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、市販の自動粒子解析システムであるＪＳＭ－７６００Ｆ、日本電子株式会社製ＳＥＭを用いた。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３００μｍ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３００μｍ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．６の焼結材１における測定領域１２の模式図である。図３は、試料Ｎｏ．１１の焼結材における測定領域１２の模式図である。図４は、試料Ｎｏ．１２の焼結材における測定領域１２の模式図である。図２から図４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、焼結材の母相を構成する鉄基合金である。実際には、各化合物粒子２は互いに重なり合わない程度の大きさを有すると共に、母相中に分散している。図２から図４は、分かり易いように化合物粒子２を大きく示す。そのため、図２から図４では、化合物粒子２が重なった部分があるが、上述のように実際には重なっていない。図２から図４は、ハッチングを省略している。また、図２から図４の測定領域１２において、紙面上側が焼結材１の表面側であり、紙面下側が焼結材１の内部側である。
　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、上記測定領域を約１２０個に分割する。即ち分割数ｋ≒１２０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ｎｋを測定する。ｋ個の微小領域における個数ｎｋ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×３００μｍである。各試料における測定領域の個数ｎを各試料の焼結材の表層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－γ１ ２）／Ｅ１＋（１－γ２ ２）／Ｅ２｝
　１／ρ＝（１／ρ１）＋（１／ρ２）
　上記の式において、Ｅ１は各試料のヤング率である。
　γ１は各試料のポアソン比である。
　ρ１は各試料の曲率半径である。ここでは、曲率半径ρ１は、外径／２＝１５ｍｍである。
　Ｅ２は相手材のヤング率である。
　γ２は相手材のポアソン比である。
　ρ２は相手材の曲率半径である。ここでは、曲率半径ρ２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＝３００，０００μｍ２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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、試料Ｎｏ．３，Ｎｏ．６，Ｎｏ．９からＮｏ．１２の焼結材はいずれも、相対密度が９６％以上であり、緻密である。しかし、面圧疲労強度が異なる。試料Ｎｏ．３，Ｎｏ．６，Ｎｏ．９，Ｎｏ．１０の面圧疲労強度はいずれも、試料Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２に比較して高い。以下、試料Ｎｏ．３，Ｎｏ．６，Ｎｏ．９，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、２．８ＧＰａ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、表層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、２５０個以下である。これに対し、試料Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２における個数の密度は、３００個以上である。
　図２から図４は、個数の密度の多寡を模式的に示す。図２に示すように特定試料群、ここでは試料Ｎｏ．６では、表層に化合物粒子２が少ないことが分かる。また、焼結材の表面に近いほど、化合物粒子２が少なく、焼結材の内部に向かうほど、化合物粒子２が多くなり易いことが分かる。
　これに対し、図３に示すように、試料Ｎｏ．１１では、焼結材の表面から内部に向かって化合物粒子２が一様に、かつ多数存在することが分かる。図４に示すように試料Ｎｏ．１２では、試料Ｎｏ．１１よりも化合物粒子２が少ないものの、焼結材の表面から内部に向かって化合物粒子２が多く分散して存在することが分かる。
　特定試料群の焼結材は、表層に０．３μｍ以上の化合物粒子が少ないことで、表面から応力が加えられても、上記化合物粒子が割れの起点になり難かったり、割れを進展させ難かったりするため、面圧疲労強度を高められたと考えられる。なお、破断した試料の破断面に化合物粒子が存在することを確認している。このことからも、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。具体的には、特定試料群では、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うち、２０μｍ以上の大きさである化合物粒子の個数の割合が１％以下である。即ち、０．３μｍ以上の化合物粒子のうち、２０μｍ未満の大きさである化合物粒子の個数の割合が９９％超である。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。
　更に、特定試料群の引張強さは、１５００ＭＰａ以上である。引張強さが高いことからも、特定試料群は、疲労強度に優れたと考えられる。なお、引張強さは、汎用の引張試験機を用いて、引張試験を行って測定した。引張試験の試験片は、日本粉末冶金工業会の規格、ＪＰＭＡ　Ｍ　０４－１９９２、焼結金属材料引張試験片に準ずるものである。試験片は、上述の円環状の焼結材と同様にして、直径φ７５ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円柱状の焼結材を別途作製し、この円柱状の焼結材から切り出した。評点距離は３０ｍｍである。
　以上のことから、相対密度が９６％以上であり緻密であっても、表層に０．３μｍ以上の化合物粒子が多く存在すれば、疲労強度を十分に高められないことが示された。
　特定試料群と、試料Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２とで、焼結材の表層における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、焼結時の雰囲気ガスの相違が考えられる。特定試料群では、焼結時の雰囲気が炭化水素を含む雰囲気である。そのため、特定試料群は、焼結時に生じた水素ガスによって、圧粉成形体の表層に含まれる酸素が還元されることで、特に酸化物を低減できたと考えられる。ここで、鉄系の焼結材では、化合物粒子の多くは酸化物と考えられる。特に、鉄基合金から構成される焼結材は、純鉄と比較して、酸化物が形成され易い。そのため、焼結時に成形体の表層が還元されて、成形体の表層の酸化物が低減されれば、焼結後において焼結材の表層に存在する化合物粒子が効果的に低減されるといえる。試料Ｎｏ．１１の窒素雰囲気、及び試料Ｎｏ．１２の真空雰囲気は、上記表層の酸素を積極的に還元するガスを含まない。そのため、試料Ｎｏ．１１，Ｎｏ．１２の焼結材では表層の酸化物が十分に低減されなかったと考えられる。
　試料Ｎｏ．１３では、焼結体の相対密度が特定試料群より低い。また、試料Ｎｏ．１３では、個数の密度が４００個以上である。即ち、試料Ｎｏ．１３では、特定試料群に比較して、０．３μｍ以上の化合物粒子が焼結材の表層に多く存在する。このような結果となった理由の一つとして、試料Ｎｏ．１３では有機バインダーを含んだ原料を用いたことが挙げられる。特に、化合物粒子が多い理由は以下のように考えられる。焼結前に有機バインダーの除去を行っても、有機バインダーに起因して、有機物が焼結前の成形体中に残滓として残った。焼結工程において、残滓である有機物と雰囲気中の炭化水素ガスとが反応して、水蒸気が発生した。この水蒸気が焼結中の成形体の表面付近に滞留することで、酸化反応が生じた。酸化反応の発生によって、炭化水素ガスによる還元反応が抑えられた。いわば、炭化水素ガスの還元能力が低下した。焼結中の成形体の表層が適切に還元されなかったことで、焼結材の表層において酸化物等の化合物粒子の個数が増加した。
　その他、この試験から以下のことが分かる。
（１）同じ相対密度を有する焼結材において、表層における個数の密度が小さいほど、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。
（２）表層における個数の密度が小さくても、相対密度が９６％未満である場合には、面圧疲労強度が低い。このことは、試料Ｎｏ．３と試料Ｎｏ．１，Ｎｏ．２との比較、試料Ｎｏ．６と試料Ｎｏ．４，Ｎｏ．５との比較、試料Ｎｏ．９と試料Ｎｏ．７，Ｎｏ．８との比較から裏付けられる。
（３）焼結時間が長いほど、個数の密度が小さい。また、面圧疲労強度が高められる。更に、焼結時間が長いほど、焼結材の相対密度が圧粉成形体の相対密度よりも高くなる傾向にある。
　この試験から、相対密度が９６％以上であって、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、相対密度が９６％以上である圧粉成形体を、炭化水素を含む雰囲気で焼結することで製造できることが示された。この製造方法は、基本的な焼結材の製造方法に対して、圧粉成形体の相対密度及び焼結時の雰囲気を変更することで実現できる。従って、この製造方法は、上述のように表層に化合物粒子が少なく、疲労強度に優れる焼結材の量産に適するといえる。
　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及び製造条件の少なくとも一方の変更が可能である。具体的には、Ｍｏ等の元素の種類を変更したり、各元素の含有量を変更したりすることが挙げられる。また、例えば、焼結温度、焼結時間、焼結時の雰囲気における炭化水素の種類や含有量等を変更することが挙げられる。
　１　焼結材、１０　表層、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. 　Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物からなる鉄基合金の組成と、
    　断面において、表面から内部に向かって２００μｍまでの表層に存在する０．３μｍ以上の大きさである化合物粒子について、１００μｍ×１００μｍの単位面積あたりの個数が２５０個以下である組織とを備え、
    　相対密度が９６％以上である、
    焼結材。
  2. 　前記鉄基合金は、前記群から選択される前記元素として、Ｍｏ及びＭｎを含む、請求項１に記載の焼結材。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の焼結材からなる、
    歯車。
  4. 　焼結材の製造方法であって、
    　鉄系粉末を含む原料粉末を用いて、相対密度が９６％以上である圧粉成形体を作製する工程と、
    　炭化水素ガスを含む雰囲気下で、前記圧粉成形体を焼結する工程とを備え、
    　前記焼結材は、Ｍｏ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｂ，及びＳｉからなる群より選択される１種以上の元素と、Ｎｉと、Ｃとを含有し、残部がＦｅ及び不純物である鉄基合金からなる組成を備える、
    焼結材の製造方法。
  5. 　前記鉄基合金において、Ｃの含有量が０．１質量％以上である、請求項４に記載の焼結材の製造方法。
  6. 　前記原料粉末は、潤滑剤及び有機バインダーを含まない、請求項４又は請求項５に記載の焼結材の製造方法。
  7. 　前記鉄系粉末の平均粒径が５０μｍ以上である、請求項４から請求項６のいずれか１項に記載の焼結材の製造方法。
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