JP6146548B1 - 粉末冶金用混合粉末の製造方法、焼結体の製造方法、および焼結体 - Google Patents

Abstract

Ｎｉを含まないにもかかわらず、Ｎｉを含有する場合と同等以上の優れた引張強さおよび靭性を有する焼結体を得ることができる粉末冶金用混合粉末を提供する。鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末とする第１の混合工程と、前記原料混合粉末を熱処理することにより、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕを拡散付着させて部分拡散合金鋼粉とする拡散付着工程と、前記部分拡散合金鋼粉に、黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末とする第２の混合工程とを有する粉末冶金用混合粉末の製造方法であって、前記鉄基粉末の平均粒径が３０〜１２０μｍであり、前記Ｃｕ含有粉末として亜酸化銅粉を使用し、前記粉末冶金用混合粉末の成分組成を、Ｍｏ：０．２〜１．５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ならびに残部のＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成とする、粉末冶金用混合粉末の製造方法。

Description

本発明は、粉末冶金用混合粉末の製造方法に関し、特に、Ｎｉを含有しないにもかかわらず自動車用高強度焼結部品等の製造に適した特性を有する粉末冶金用混合粉末を製造する方法に関する。また、本発明は、焼結体の製造方法および前記製造方法によって得られる焼結体に関する。

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

かかる粉末冶金技術には、鉄基粉末が主に用いられる。鉄基粉末は、成分に応じて、鉄粉（例えば純鉄粉等）や、合金鋼粉等に分類される。また、鉄基粉末は、その製法に基づいて、アトマイズ鉄粉、還元鉄粉等に分類される。そして、製造方法による分類を用いる場合、鉄粉は、純鉄粉のみならず合金鋼粉を含む広い意味で用いられる。

粉末冶金技術においては、上記のような鉄基粉末を用いて成形体を作製し、該成形体を焼結することによって焼結体が製造される。前記成形体は、一般に、鉄基粉末に、Ｃｕ粉・黒鉛粉などの合金用粉末と、ステアリン酸、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤を混合して混合粉としたのち、これを金型に充填して加圧成形することによって製造される。

ここで、通常の粉末冶金工程で得られる成形体の密度は、６．６〜７．１ Ｍｇ／ｍ³程度である。これら成形体は、その後の焼結処理によって焼結体となり、さらに必要に応じてサイジングや切削加工が行われて、粉末冶金部品（部品）とされる。また、さらに高い強度が必要な場合は、焼結後に浸炭熱処理や光輝熱処理が行われることもある。

最近では、部品の小型化、軽量化のために、粉末冶金部品の強度の向上が強く要望されている。特に、鉄基粉末から造られる鉄基粉末部品（鉄基焼結体）に対する高強度化の要求が強い。

ここで、鉄基粉末としては、主として、原料粉（純鉄粉）に合金元素を加えた以下の粉末が知られている；
（１）純鉄粉に各合金元素粉末を配合した混合粉、
（２）各合金元素と純鉄粉を完全に合金化した予合金鋼粉、
（３）純鉄粉や予合金鋼粉の表面に各合金元素粉末を部分的に付着拡散させた部分拡散合金鋼粉（複合合金鋼粉ともいう）。

上記（１）の混合粉は、純鉄粉並みの高圧縮性を有するという利点を有している。しかし、焼結時に、各合金元素がＦｅ中に十分に拡散せずに不均質組織となり、その結果、最終的に得られる焼結体の強度が劣る場合があった。また、合金元素としてＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、およびＳｉなどを用いる場合、これらの元素はＦｅに比べてより容易に酸化されるため、焼結時に酸化を受けて、最終的に得られる焼結体の強度が低下するという問題があった。前記酸化を抑制し、焼結体を低酸素量化するためには、焼結時の雰囲気や、焼結後に浸炭を行う場合には浸炭雰囲気中のＣＯ₂濃度や露点を、厳密に制御する必要がある。このために、上記（１）の混合粉は、近年の高強度化の要求に対応できず、使用されない状態に至っている。

上記（２）の予合金鋼粉を用いれば、合金元素の偏析を完全に防止できるため、焼結体の組織を均一化できる。そのため、焼結体の機械的特性が安定することに加えて、Ｍｎ、Ｃｒ、ＶおよびＳｉなどを合金元素として使用する場合であっても、合金元素の種類と量を限定することによって、焼結体の低酸素量化を達成できる。しかし、予合金鋼粉は、溶鋼をアトマイズして製造されるため、溶鋼のアトマイズ工程での酸化と完全合金化による鋼粉の固溶硬化を生じ易く、その結果、プレス成形の際に圧粉体の密度が上がりにくいという問題があった。

上記（３）の部分拡散合金鋼粉は、純鉄粉や予合金鋼粉に各合金元素の金属粉末を配合し、非酸化性または還元性の雰囲気の下で加熱して、前記純鉄粉や予合金鋼粉の表面に前記金属粉末を部分的に拡散接合して製造される。そのため、部分拡散合金鋼粉を用いることにより、上記（１）の鉄基混合粉や上記（２）の予合金鋼粉の問題を回避しつつ、上記（１）の鉄基混合粉および上記（２）の予合金鋼粉の利点を得ることができる。

すなわち、部分拡散合金鋼粉を用いることにより、低酸素量化と、純鉄粉並みの高圧縮性とを両立させることができる。さらには、焼結体の組織を、完全合金相と部分的な濃化相とからなる複合組織とすることも可能なため、焼結体の強度がさらに向上する。それ故、部分拡散合金鋼粉は、近年の部品の高強度化の要求に対応することが可能であり、その開発が広く行われている。

上記部分拡散合金鋼粉の製造に一般的に用いられている基本的な合金成分としては、ＮｉおよびＭｏが挙げられる。

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

これに対して、Ｍｏは焼入れ性を向上させる効果を有している。したがって、Ｍｏは、焼入れ処理の際にフェライトの生成を抑制し、ベイナイトまたはマルテンサイトを生成しやすくすることによって、焼結体のマトリックスを変態強化する。また、Ｍｏは、マトリックスに固溶して固溶強化する作用と、微細炭化物を形成してマトリックスを析出強化する作用の両者を備えている。さらに、Ｍｏは、ガス浸炭性が良く、非粒界酸化元素であるため、焼結体を浸炭強化する作用も有している。

これらの合金成分を含む部分拡散合金鋼粉を使用した高強度焼結部品用の混合粉としては、例えば、特許文献１に、Ｎｉ：０．５〜４ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．５〜５ｍａｓｓ％になるように部分合金化した合金鋼粉に、さらに、Ｎｉ：１〜５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜４ｍａｓｓ％、黒鉛粉：０．２〜０．９ｍａｓｓ％を混合した高強度焼結部品用混合粉が示されている。

また、Ｎｉを含まず、かつ高密度の鉄系焼結体として、特許文献２には、平均粒径が１〜１８μｍの鉄系粉末に、平均粒径が１〜１８μｍのＣｕ粉を１００：（０．２〜５）の重量比で混合して成形、焼結する鉄系焼結体の製造方法が開示されている。特許文献２に記載された技術では、通常よりも極端に小さい平均粒径の鉄系粉末を使用することによって、焼結体密度が７．４２ｇ／ｃｍ³以上という、通常ではあり得ないほど高い密度の焼結体を得ることを可能にしている。

さらに、部分拡散合金鋼粉を使用した高強度焼結部品用の混合粉として、例えば、特許文献３には、ＮｉおよびＭｏを拡散付着させた合金鋼粉に金属Ｃｕ粉および黒鉛粉を混合した高強度焼結部品用混合粉が開示されている。

特許第３６６３９２９号公報 特開平４−２８５１４１号公報 特許第４４８３５９５号公報

しかしながら、発明者らの考察の結果、上記した特許文献１および特許文献３に記載の混合粉を使用した焼結材料や、特許文献２に記載の方法により得られる焼結材料には、次のような問題点があることが分かった。

すなわち、特許文献１に記載の焼結材料では、最低でも１．５ｍａｓｓ％のＮｉを必要とし、その実施例から分かるとおり、実質的には３ｍａｓｓ％以上のＮｉを含んでいる。それ故、特許文献１に記載の焼結材料で８００ＭＰａ以上の高強度を得るためには、３ｍａｓｓ％以上といった多量のＮｉが必要となる。さらに、浸炭、焼入れ、および焼戻し処理後において１０００ＭＰａ以上の強度を有する焼結体を得るためには、さらに多量のＮｉが必要と考えられる。

しかし、Ｎｉは近年の環境問題への対応やリサイクルの観点からは不利な元素であり、できるだけ使用を避けることが望ましい元素である。また、数ｍａｓｓ％のＮｉの添加はコストの点でも極めて不利である。さらに、Ｎｉを合金元素として使用した場合、鉄粉や合金鋼粉中にＮｉを十分に拡散させるためには、長時間の焼結が必要となるという問題もある。

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

さらに、特許文献３に記載の焼結材料では、混合粉に金属Ｃｕ粉が含まれている。この金属Ｃｕ粉は、焼結処理の時に溶融し、鉄粉粒の間に浸透することによって、鉄粉の粒子間距離を押し広げ、成形体のサイズに比べて焼結体のサイズを大きくする。そのため、焼結体の密度が成形体に比べて低くなる。この現象は一般に、Ｃｕ膨張として知られている。このＣｕ膨張による密度低下が大きいと、焼結体の強度や靭性の低下につながるという不利な点がある。

本発明は、上記した現状に鑑み、Ｎｉを含まない（Ｎｉフリー）にもかかわらず、Ｎｉを含有する場合と同等以上の優れた特性（例えば、浸炭、焼入れ、および焼戻し後の引張強さや靭性）を有する焼結体を得ることができる粉末冶金用混合粉末の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、前記粉末冶金用混合粉末を用いた焼結体の製造方法および前記製造方法によって得られる焼結体を提供することを目的とする。

発明者等は、上記の目的を達成するために、Ｎｉを含まない粉末冶金用混合粉末の合金成分およびその添加手段について種々検討を重ねた。その結果、次の（１）〜（６）の知見を得た。

（１）あらかじめＭｏおよびＣｕを鉄基粉末に部分拡散して部分拡散合金鋼粉とし、前記部分拡散合金鋼粉に黒鉛粉を混合して得た粉末冶金用混合粉末を用いることにより、Ｎｉを含まないにもかかわらず、Ｎｉを含む場合と同等以上の特性を有する焼結体を得られる場合がある。

（２）上記（１）の場合において、Ｍｏは、焼結の際にフェライト安定化元素として働く。その結果、Ｍｏ含有量が高い部分の近傍では、フェライト相が生じて鉄粉どうしの焼結が促進され、焼結体の密度が向上する。

（３）上記（１）の場合において、Ｃｕは、焼結体を浸炭、焼入する時に、マルテンサイト変態が開始される温度を低温度側に移動させ、焼結体を強化する。

（４）上記（１）の場合において、優れた特性を有する焼結体を得るためには、前記粉末冶金用混合粉末の成分組成が特定の範囲内となるように制御するとともに、前記鉄基粉末の平均粒径を３０〜１２０μｍとし、部分拡散合金鋼粉を製造する際に用いるＣｕ源として金属Ｃｕ粉ではなく亜酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）の粉末を用いる必要がある。

（５）亜酸化銅粉末を用いることにより、金属Ｃｕ粉を用いた場合に生じるＣｕ膨張を回避し、焼結体の密度低下を抑制することができる。

（６）平均粒径：３０〜１２０μｍの鉄基粉末を用いることにより、粉末冶金用混合粉末の流動性を向上させることができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨構成は次のとおりである。

１．鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末とする第１の混合工程と、
前記原料混合粉末を熱処理することにより、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕを拡散付着させて部分拡散合金鋼粉とする拡散付着工程と、
前記部分拡散合金鋼粉に、黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末とする第２の混合工程とを有する粉末冶金用混合粉末の製造方法であって、
前記鉄基粉末の平均粒径が３０〜１２０μｍであり、
前記Ｃｕ含有粉末として亜酸化銅粉を使用し、
前記粉末冶金用混合粉末の成分組成を、Ｍｏ：０．２〜１．５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ならびに残部のＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成とする、粉末冶金用混合粉末の製造方法。

２．前記Ｃｕ含有粉末の平均粒径が５μｍ以下である、上記１に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法。

３．上記１または２に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法で得た粉末冶金用混合粉末を成形し、焼結する、焼結体の製造方法。

４．上記３に記載の焼結体の製造方法で得られる焼結体。

本発明によれば、Ｎｉを含まないにもかかわらず、Ｎｉを含有する場合と同等以上の優れた特性を有する焼結体を製造することができる粉末冶金用混合粉末が得られる。また、本発明の粉末冶金用混合粉末は、流動性が高いため、プレス成形するために該粉末冶金用混合粉末を金型へ充填する際の作業効率に優れる。さらに、本発明によれば、通常の焼結法であっても、優れた強度と靭性を兼ね備えた焼結体を、安価に製造することができる。

次に、本発明を実施する方法について具体的に説明する。

本発明の一実施形態における粉末冶金用混合粉末の製造方法は、次の（１）〜（３）の工程を有する；
（１）鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末とする第１の混合工程、
（２）前記原料混合粉末を熱処理することにより、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕを拡散付着させて部分拡散合金鋼粉とする拡散付着工程、および
（３）前記部分拡散合金鋼粉に、黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末とする第２の混合工程。

そして、前記鉄基粉末としては、平均粒径が３０〜１２０μｍである鉄基粉末が用いられる。また、 前記Ｃｕ含有粉末としては亜酸化銅粉が使用される。さらに、前記粉末冶金用混合粉末の成分組成を、Ｍｏ：０．２〜１．５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ならびに残部のＦｅおよび不可避不純物からなる、とする。

上述したように従来の方法では、Ｍｏを拡散付着させた部分拡散合金鋼粉に金属Ｃｕ粉および黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末を製造していた。これに対して、本発明の方法では、ＭｏとともにＣｕを鉄基粉末にあらかじめ拡散付着させることに加え、Ｃｕを拡散付着させるためのＣｕ源として亜酸化銅粉末を用いる。

次に、上記（１）〜（３）の各工程について説明する。なお、以下の説明において、特に断らない限り「％」はmass％を意味するものとする。また、Ｍｏ量、Ｃｕ量、および黒鉛粉量は、粉末冶金用混合粉末全体に対するそれぞれの含有量を意味するものとする。

［第１の混合工程］
第１の混合工程では、鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末とする。前記第１の混合工程で用いられる混合方法については、特に制限はなく、例えばヘンシェルミキサーやコーン型ミキサーなどを用いて、常法に従い行うことができる。また、混合される鉄基粉末、Ｍｏ含有粉末、およびＣｕ含有粉末の配合比率は、最終的に得られる粉末冶金用混合粉末の成分組成が、後述する範囲となるように調整すればよい。すなわち、粉末冶金用混合粉末に全体に対して、Ｍｏ量が０．２〜１．５％、Ｃｕ量が０．５〜４．０％となるように混合する。

（鉄基粉末）
平均粒径：３０〜１２０μｍ
本発明では、使用する鉄基粉末の平均粒径を３０〜１２０μｍとする。鉄基粉末の平均粒径が３０μｍを下回ると、鉄基粉末そのものや、該鉄基粉末を用いて得られる原料混合粉末の流動性が悪くなって、金型充填などの作業効率が低下する。そのため、鉄基粉末の平均粒径を３０μｍ以上とする。前記平均粒径は、４０μｍ以上とすることが好ましく、５０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、平均粒径が１２０μｍを超えると、焼結の際の稠密化の駆動力が小さくなって、粗大な鉄粉粒の周囲に粗大な空孔が形成され、焼結体の密度が低下する。そしてその結果、焼結体の強度や靭性が低下する。そのため、鉄基粉末の平均粒径を１２０μｍ以下とする。前記平均粒径は、１００μｍ以下とすることが好ましく、８０μｍ以下とすることがより好ましい。なお、本発明において平均粒径とは、体積基準におけるメジアン径（ｄ₅₀）を意味するものとする。

ここで「鉄基粉末」とは、Ｆｅ含有量が５０質量％以上である粉末を意味する。前記鉄基粉末としては、例えば、純鉄粉、合金鋼粉などが挙げられる。前記鉄基粉末としては、鉄粉（純鉄粉）を用いることが好ましい。

上記鉄基粉末としては、特に限定されることなく、任意の方法で製造されるものを用いることができるが、入手しやすさの観点からは、アトマイズ法または還元法によって製造される鉄基粉末を用いることが好ましい。アトマイズ法によって製造される鉄基粉末としては、いわゆるアトマイズ生粉（as-atomized powder）およびアトマイズ粉（atomized powder）のいずれをも用いることができる。なお、ここでアトマイズ生粉とは、溶鋼をアトマイズし、任意に乾燥、分級した粉末であって、脱酸（還元）や脱炭などのための熱処理が施されていない粉末を意味する。また、アトマイズ粉とは、前記アトマイズ生粉を還元雰囲気下で処理することによって還元した粉末を意味する。還元法によって製造される鉄基粉末としては、鋼材の製造時に生成するミルスケールや鉄鉱石を還元して得られる還元鉄粉を用いることが好ましい。

上記鉄基粉末の見掛密度は特に限定されないが、１．７〜３．５Ｍｇ／ｍ³とすることが好ましい。上記鉄基粉末として、アトマイズ法で製造された鉄基粉末を用いる場合には、該鉄基粉末の見掛密度を２．０〜３．５Ｍｇ／ｍ³程度とすることが好ましく、２．５〜３．２Ｍｇ／ｍ³とすることがより好ましい。また、上記鉄基粉末として還元法によって製造された鉄基粉末を用いる場合には、該鉄基粉末の見掛密度を、１．７〜３．０Ｍｇ／ｍ³程度とすることが好ましく、２．２〜２．８Ｍｇ／ｍ³とすることがより好ましい。なお、ここで見掛密度とは、ＪＩＳ Ｚ ２５０４の試験方法で測定されるものである。

上記鉄基粉末の比表面積は特に限定されないが、０．００２〜０．５ｍ²／ｇとすることが好ましい。上記鉄基粉末として、アトマイズ法で製造された鉄基粉末を用いる場合には、該鉄基粉末の比表面積を０．００５ｍ²／ｇ程度以上とすることが好ましく、０．０１ｍ²／ｇ以上とすることがより好ましい。一方、前記比表面積の上限は０．１ｍ²／ｇとすることが好ましい。また、上記鉄基粉末として還元法によって製造された鉄基粉末を用いる場合には、該鉄基粉末の比表面積を、０．０１ｍ²／ｇ程度以上とすることが好ましく、０．０２ｍ²／ｇ以上とすることがより好ましい。一方、前記比表面積の上限は０．３ｍ²／ｇとすることが好ましい。

（Ｍｏ含有粉末）
上記Ｍｏ含有粉末は、後述する拡散付着工程において、Ｍｏ源として機能する粉末である。前記Ｍｏ含有粉末としては、元素としてのＭｏを含有する粉末であれば任意の粉末を用いることができ、したがって、金属Ｍｏ粉末（純Ｍｏの粉末）、Ｍｏ合金粉末、およびＭｏ化合物粉末のいずれをも用いることができる。前記Ｍｏ合金粉末としては、例えば、Ｆｅ−Ｍｏ（フェロモリブデン）粉末を用いることができる。前記Ｍｏ化合物粉末としては、Ｍｏ酸化物、Ｍｏ炭化物、Ｍｏ硫化物、およびＭｏ窒化物などのＭｏ化合物の粉末が挙げられる。これらのＭｏ含有粉末は、単独で使用しても、複数を混合して使用してもよい。

（Ｃｕ含有粉末）
上記Ｃｕ含有粉末は、後述する拡散付着工程において、Ｃｕ源として機能する粉末である。本発明では、前記Ｃｕ含有粉末として亜酸化銅粉末を用いることが重要である。前記亜酸化銅粉末は、後述する拡散付着工程において金属Ｃｕへ還元されるため、上記鉄基粉末の表面にＭｏおよびＣｕが拡散付着した部分拡散合金鋼粉を得ることができる。

上記Ｃｕ含有粉末として亜酸化銅粉末を用いることにより、金属Ｃｕ粉を用いた場合に生じるＣｕ膨張を回避し、焼結体の密度低下を抑制することができる。また、亜酸化銅は化学的に安定で、金属Ｃｕのように酸化する（錆びる）ことがないため、取り扱いが容易である。さらに、亜酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）は、酸化銅（ＣｕＯ）よりも酸化数が小さいので、後述する拡散付着工程において金属Ｃｕへ容易に還元することができる。例えば、拡散付着工程において、原料混合粉末を水素雰囲気中で熱処理する場合、亜酸化銅を用いることにより、還元に必要な水素量を低減できることに加えて、加熱温度を低くすることができ、さらに処理時間も短縮できる。

上記Ｃｕ含有粉末の平均粒径は、特に限定されないが、５μｍ以下とすることが好ましい。平均粒径を５μｍ以下とすることにより、Ｃｕによる強度および靭性の改善効果を、さらに向上させることができる。前記平均粒径は、４．５μｍ以下とすることがより好ましい。一方、Ｃｕ含有粉末の平均粒径の下限に特に制限はないが、過度に平均粒径を下げると、Ｃｕ含有粉末の製造コストが増大する。そのため、Ｃｕ含有粉末の平均粒径は０．２μｍ以上とすることが好ましく、１．０μｍ以上とすることが好ましい。

なお、従来用いられている金属Ｃｕ粉の場合、一般的な市販の金属Ｃｕ粉の平均粒径は２０〜４０μｍ程度である。

［拡散付着工程］
次いで、前記原料混合粉末が熱処理される。前記熱処理により、鉄基粉末とＭｏ含有粉末、鉄基粉末とＣｕ含有粉末の接触面において、前記Ｍｏ含有粉末に含まれるＭｏと、前記Ｃｕ含有粉末に含まれるＣｕが前記鉄基粉末中へ拡散し、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕが拡散付着した部分拡散合金鋼粉が得られる。

上記熱処理は、任意の雰囲気で行うことができるが、還元性雰囲気で行うことが好ましく、水素含有雰囲気で行うことがより好ましい。前記水素含有雰囲気としては、水素ガス雰囲気を用いることもできる。また、上記熱処理は、大気圧で行っても、減圧下で行ってもよく、真空下で実施することも可能である。

上記熱処理の温度は特に限定されないが、８００〜１０００℃とすることが好ましい。

［粉砕・分級］
上述のようにして得た部分拡散合金鋼粉は、通常、該部分拡散合金鋼粉に含まれている鉄基粉末粒子同士が焼結されて固まった状態となっている。そのため、上記拡散付着工程後、次の第二の混合工程に先立って、部分拡散合金鋼粉を粉砕し、分級する粉砕・分級工程を設けることが好ましい。例えば、所望の粒径となるように粉砕した後に、所定の目開きの篩で分級を行って、粗粉を除去することができる。部分拡散合金鋼粉の最大粒径は、１８０μｍ以下とすることが好ましい。

また、次の第二の混合工程に先立って、任意に部分拡散合金鋼粉を焼鈍することもできる。

上記部分拡散合金鋼粉は、ＭｏおよびＣｕを含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有することが好ましい。部分拡散合金鋼粉に含有される不可避不純物としては、Ｃ、Ｏ、ＮおよびＳ等が挙げられるが、これらの含有量は、部分合金鋼粉に対しそれぞれ内数で、Ｃ：０．０２％以下、Ｏ：０．３％以下、Ｎ：０．００４％以下、Ｓ：０．０３％以下とすることが好ましい。特に、Ｏ含有量は０．２５％以下とすることがより好ましい。なお、不可避不純物量が前記範囲を超えると、下記第二の混合工程の結果物である粉末冶金用混合粉末の圧縮性が低下してしまい、十分な密度を有する成形体に圧縮成形することが困難となる場合がある。

［第二の混合工程］
次いで、上記のようにして得た部分拡散合金鋼粉に、黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末とする。黒鉛粉の主成分であるＣは、カーバイドによる析出強化や焼入れ性向上などにより焼結体の強度を向上させる効果を有する。そのため、特に、焼結体を浸炭、焼入れ、および焼戻した後に、１０００ＭＰａ以上というような優れた引張強さを得るためには、黒鉛の添加が必須である。

上記黒鉛粉の混合は、例えば、一般的な粉体混合に用いられる方法により、常法に従って行えばよい。また、混合される部分拡散合金鋼粉および黒鉛粉の配合比率は、最終的に得られる粉末冶金用混合粉末の成分組成が、後述する範囲となるように調整すればよい。すなわち、粉末冶金用混合粉末に全体に対して、Ｃ量が０．１〜１．０％となるように混合する。

（黒鉛粉）
上記黒鉛粉としては、特に限定されることなく、任意のものを用いることができる。前記黒鉛粉の平均粒径は、特に限定されないが、１〜５０μｍ程度とすることは好ましい。

［混合粉の成分組成］
本発明においては、最終的に得られる粉末冶金用混合粉末の成分組成を、Ｍｏ：０．２〜１．５％、Ｃｕ：０．５〜４．０％、Ｃ：０．１〜１．０％、ならびに残部のＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成とする。なお、後述するように、粉末冶金用合金鋼粉には潤滑剤などの添加材を添加することができるが、ここで「粉末冶金用混合粉末の成分組成」とは、該混合粉のうち、前記添加材を除いた部分、すなわち、部分拡散合金鋼粉および黒鉛粉からなる部分の成分組成を指すものとする。

以下、混合粉の成分組成の限定理由について説明する。

Ｍｏ：０．２〜１．５％
Ｍｏ含有量が０．２％を下回ると、焼入れ性向上効果および焼結体の強度向上効果が不十分となる。そのため、Ｍｏ含有量は０．２％以上とする。Ｍｏ含有量は、０．３％以上とすることが好ましく、０．４％以上とすることがより好ましい。一方、Ｍｏ含有量が１．５％を超えると、焼入れ性向上効果は飽和し、かえって焼結体の組織の不均一性が高まるため、焼結体の強度や靭性が低下する。そのため、Ｍｏ含有量を１．５％以下とする。Ｍｏ含有量は１．０％以下とすることが好ましく０．８％以下とすることがより好ましい。

Ｃｕ：０．５〜４．０％
Ｃｕ含有量が０．５％に満たないと、Ｃｕが持つ固溶強化や焼入れ性向上の効果を十分に得ることができず、焼結部品の強度や靱性が低下する。そのため、Ｃｕ含有量は０．５％以上とする。Ｃｕ含有量は、１．０％以上とすることが好ましく、１．５％以上とすることがより好ましい。一方、Ｃｕ含有量が４．０％を超えると、焼結部品の強度向上効果が飽和する。したがって、Ｃｕ含有量を４．０％以下とする。Ｃｕ含有量は３．０％以下とすることが好ましく、２．５％以下とすることがより好ましい。

Ｃ：０．１〜１．０％
Ｃは、焼結体の強度と疲労強度を向上させる作用を有する元素である。前記効果を得るために、Ｃ含有量を０．１％以上とする。一方、Ｃ含有量が１．０％を超えると、過共析になるためセメンタイトが多く析出し、かえって焼結体の強度が低下する。そのため、Ｃ含有量は１．０％以下とする。

次に、本発明の一実施形態における焼結体の製造方法について説明する。本発明においては、上記粉末冶金用混合粉末を成形し、焼結することによって焼結体を得ることができる。

［成形］
上記成形は、特に限定されることなく、粉末冶金用混合粉末を成型できる方法であれば任意の方法で行うことができる。一般的な成形方法としては、粉末冶金用混合粉末を金型内に充填し、加圧成形する方法が挙げられる。前記加圧成形における加圧力は４００〜１０００ＭＰａとすることが好ましい。加圧力が４００ＭＰａに満たないと、得られる成形体の密度が低くなって、焼結体の特性が低下する。一方、加圧力が１０００ＭＰａを超えると、金型の寿命が極端に短くなって、経済的に不利になる。また、前記加圧成形の際の温度は、常温（約２０℃）〜約１６０℃とすることが好ましい。

なお、最終的に得られる焼結体に対して切削加工などを施して部品形状を作り込む必要がある場合には、上記成形に先立って、粉末冶金用混合粉末に対し、切削性改善用粉末を混合することができる。前記切削性改善用粉末としては、例えば、ＭｎＳなどを用いることができる。前記切削性改善用粉末の添加は、常法に従って行うことができる。

また、上記成形に先立って、粉末冶金用混合粉末にさらに潤滑剤を添加することもできる。前記潤滑剤としては、粉末状の潤滑剤を用いることが好ましい。また、金型に潤滑剤を塗布あるいは付着させて上記成形を行うこともできる。いずれの場合であっても、潤滑剤としては、ステアリン酸亜鉛やステアリン酸リチウムなどの金属石鹸、エチレンビスステアリン酸アミドなどのアミド系ワックスなど、任意の潤滑剤を用いることができる。なお、粉末冶金用混合粉末に潤滑剤を混合する場合は、粉末冶金用混合粉末：１００質量部に対して、潤滑剤の量を０．１〜１．２質量部程度とすることが好ましい。

［焼結］
次いで、上記のようにして得た成形体を焼結する。前記焼結は、１１００〜１３００℃の温度域で行うことが好ましい。焼結温度が１１００℃に満たないと焼結が十分に進行しないため、優れた引張強度（１０００ＭＰａ以上）を有する焼結体を得ることが困難である。一方、焼結温度が１３００℃を超えると、焼結炉の寿命が短くなって、経済的に不利になる。なお、焼結時間は１０〜１８０分とすることが好ましい。

かかる手順に従い、本発明に従う粉末冶金用混合粉末を用いて得られた焼結体は、従来の粉末を同じ条件で成形、焼結して得られる焼結体に比べて、優れた引張強さと靭性を有する。

また、得られた焼結体には、さらに任意に強化処理を施すことができる。前記強化処理としては、例えば、浸炭焼入れ、光輝焼入れ、高周波焼入れ、浸炭窒化処理などが挙げられる。しかし、これら強化処理を行わない場合であっても、本発明に従う粉末冶金用混合粉末を用いた焼結体は、従来の強化処理を行わない焼結体に比べて強度および靭性が改善されている。なお、各強化処理は常法に従って行えば良い。

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の例だけに限定されるものではない。

以下の手順で粉末冶金用混合粉末を製造した。

（第１の混合工程）
鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末を得た。前記鉄基粉末としては、表１に示す見掛密度を有するアトマイズ生粉を用いた。鉄基粉末の比表面積は、０．３９ｍ²／ｇであった。前記Ｍｏ含有粉末として、平均粒径：１０μｍの酸化Ｍｏ粉末を用いた。前記Ｃｕ含有粉末として、表１に示す平均粒径を有する亜酸化銅粉末を用いた。前記混合は、Ｖ型混合機を用いて１５分間行った。なお、各粉末の配合量は、最終的に得られる粉末冶金用混合粉末におけるＭｏおよびＣｕの含有量が表１に示した値となるように調整した。

（拡散付着工程）
次いで、得られた原料混合粉末を熱処理することにより、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕを拡散付着させて部分拡散合金鋼粉とした。前記熱処理は、露点：３０℃の水素雰囲気中で、温度：８８０℃、時間：１時間の条件で行った。

なお、一部の比較例（Ｎｏ．１、３）においては、第１の混合工程においてＣｕ含有粉末を添加することに代えて、第２の混合工程において金属Ｃｕ粉末を添加し、第１の混合工程ではＭｏ含有粉末のみを添加し、その後、上記拡散付着工程を実施した。また、比較のために、Ｎｏ．２９においては、第１の混合工程において、上記鉄基粉末に、平均粒径８μｍの金属Ｎｉ粉末、平均粒径２８μｍの金属Ｃｕ粉末（Ｎｏ．１、３の比較例と同じ金属Ｃｕ粉）、および平均粒径１０μｍの酸化Ｍｏ粉末（本発明例と同じ酸化Ｍｏ粉）を混合し、上記拡散付着工程を実施した。Ｎｏ．２９における部分拡散合金鋼粉の組成は、４％Ｎｉ−１．５％Ｃｕ−０．５％Ｍｏ−Ｆｅであった。

（粉砕・分級）
得られた部分拡散合金鋼粉に対して、次の手順で粉砕と分級を行った。まず、上記熱処理によって部分拡散合金鋼粉が固まることがあるので、それを粉砕するために、ハンマミルによる粉砕を３回実施した。この際、前記ハンマミルのロストルの目開きを、３ｍｍ（１回目）、２ｍｍ（２回目）、１ｍｍ（３回目）と順に小さくした。次いで、粉砕された粉末を、目開き１８０μｍの振動篩にかけ、篩上に残った粗粉を除去・廃棄し、篩下の粒度１８０μｍ以下の部分のみを回収して、次の第二の混合工程に供した。

（第二の混合工程）
次いで、前記部分拡散合金鋼粉に、表１に示す含有量となるように黒鉛粉（平均粒径：５μｍ）を添加した。次いで、さらに、粉末冶金用混合粉末：１００質量部に対して０．６質量部となるようにエチレンビスステアリン酸アミドを添加したのち、Ｖ型混合機で１５分間混合した。

なお、表中の合金鋼粉の残部は鉄および不可避不純物であるが、本発明で用いた合金鋼粉中の不可避不純物量はいずれも部分合金鋼粉量に対し０．２％以下であった。また、Ｎｏ．１、３においては、粉末冶金用混合粉末におけるＣｕ含有量が表１に示した値となるように、黒鉛粉とともに金属Ｃｕ粉末を混合した。

（成形）
その後、上記粉末冶金用混合粉末を加圧成形して、長さ：５５ｍｍ、幅：１０ｍｍ、厚さ：１０ｍｍの棒状成形体を作製した。前記成形体は、各粉末冶金用混合粉末から１０個ずつ作成した。また、前記成形体の密度は７．０Ｍｇ／ｍ³とした。

（焼結）
前記棒状成形体を焼結して、棒状焼結体とした。前記焼結は、還元性雰囲気であるプロパン変成ガス雰囲気中にて、温度：１１３０℃、時間：２０分の条件で行った。

次に、上記手順で得た粉末冶金用混合粉末および棒状焼結体の特性を、以下の方法で評価した。得られた結果は、表１に示した通りである。

（粉末冶金用混合粉末の流動性）
上記粉末冶金用混合粉末から試験粉１００ｇを採取し、５ｍｍφのノズルを通過させた。その際、停止することなく全量流れきったものを合格（○）、全量あるいは一部が詰まって流れなかったものを不合格（×）と判定した。

（引張強さ）
上記１０本の棒状焼結体のうちの５本から、平行部直径５ｍｍ、評点間距離１５ｍｍ、の引張試験片を、各１本ずつ、計５本切り出した。得られた引張試験片に対し、ガス浸炭、焼入れ、および焼戻しを、それぞれ以下の条件で順次施した。
・ガス浸炭： カーボンポテンシャル：０．８ｍａｓｓ％、温度：８７０℃、時間：６０分
・焼入れ： 温度：６０℃、油焼入れ
・焼戻し： 温度：１８０℃、時間：６０分

上記手順で得た引張試験片を用い、JIS Z 2241に規定される方法により引張試験を行って、引張強さを測定した。前記引張強さの値は、５つの試験片における測定値の平均値とした。さらに、測定された引張強さが１０００ＭＰａ以上の場合を合格（○）、１０００ＭＰａ未満の場合を不合格（×）と判定した。

（靭性）
焼結体の靭性を評価するために、シャルピー衝撃試験を実施した。前記シャルピー衝撃試験では、上記１０本の棒状焼結体のうちの残りの５本を、そのままの形状で試験片として用い、JIS Z 2242で規定される方法により衝撃値を測定した。なお、前記シャルピー衝撃試験に先だって、前記棒状焼結体に、上記引張試験片と同様の条件でガス浸炭、焼入れ、および焼戻しを施した。前記衝撃値は、５つの試験片における測定値の平均値とした。さらに、測定された衝撃値が１４．５Ｊ／ｃｍ²以上の場合を合格（○）、１４．５Ｊ／ｃｍ²未満の場合を不合格（×）と判定した。

表１に示した結果から分かるように、発明例の条件を満たす実施例においては、Ｎｉを用いていないにもかかわらず、Ｎｉを用いた比較例（Ｎｏ．２９）と同等以上の引張強さおよび靭性を有する焼結体を得ることができた。さらに前記実施例の粉末冶金用合金鋼粉は、優れた流動性を有していた。

Claims (4)

1. 鉄基粉末に、Ｍｏ含有粉末とＣｕ含有粉末とを混合して原料混合粉末とする第１の混合工程と、
   前記原料混合粉末を熱処理することにより、前記鉄基粉末表面にＭｏおよびＣｕを拡散付着させて部分拡散合金鋼粉とする拡散付着工程と、
   前記部分拡散合金鋼粉に、黒鉛粉を混合して粉末冶金用混合粉末とする第２の混合工程とを有する粉末冶金用混合粉末の製造方法であって、
   前記鉄基粉末の平均粒径が３０〜１２０μｍであり、
   前記Ｃｕ含有粉末として亜酸化銅粉を使用し、
   前記Ｃｕ含有粉末の平均粒径が９μｍ以下であり、
   前記粉末冶金用混合粉末の成分組成を、Ｍｏ：０．２〜１．５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜４．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．１〜１．０ｍａｓｓ％、ならびに残部のＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成とする、粉末冶金用混合粉末の製造方法。
2. 前記Ｃｕ含有粉末の平均粒径が５μｍ以下である、請求項１に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の粉末冶金用混合粉末の製造方法で得た粉末冶金用混合粉末を成形し、焼結する、焼結体の製造方法。
4. 請求項３に記載の焼結体の製造方法で得られる焼結体。