JP7060101B2 - 粉末冶金用合金鋼粉、粉末冶金用鉄基混合粉及び焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、粉末冶金用合金鋼粉、粉末冶金用鉄基混合粉及び焼結体に関する。

粉末冶金技術によれば、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、部品の作製において大幅な切削コストの低減を図ることができる。そのため、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。さらに、部品の小型化、軽量化及び複雑化に対応するため、粉末冶金技術に対する要求は一段と高まってきている。

上記を背景として、粉末冶金に用いられる合金鋼粉に対する要求も高度化しており、良好な圧縮性を有すること、また、合金鋼粉を焼結して得られる焼結体の機械的特性が優れていることが求められている。さらに、製造コスト削減に対する要求も強く、そのような観点から、合金鋼粉は、追加の工程を要することなく、従来の冶金用粉末製造プロセスで製造し得ることが求められ、また、Ｎｉ等の高価な合金成分を必要としないことが求められている。

焼結体の強度の向上については、鋼粉に特定の金属粉を混合して混合粉とする方法、鋼粉の表面に特定の金属粉を拡散付着させる方法、さらに黒鉛粉を組み合わせる方法、特定の金属元素で合金化した合金鋼粉を使用する方法等が提案されている。
例えば、特許文献１では、Ｖ及びＭｎを合金化した鋼粉が提案され、Ｃｕ粉、Ｎｉ粉を混合してもよいとされている。
特許文献２では、Ｃｕを合金化した鋼粉の表面に、Ｃｕ粉を拡散付着させた粉末冶金用合金鋼粉が提案されている。
特許文献３では、Ｍｏを合金化した鋼粉に、Ｃｕ粉及びＮｉ粉の少なくとも一方を混合した粉末冶金用混合粉が提案されている。
特許文献４では、Ｎｉ、Ｍｏ及びＭｎを合金化した合金鋼粉が提案されている。
特許文献５では、鉄基粉に結合剤によって黒鉛粉を結合させる方法が提案されており、鉄基粉は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＭｎ等の合金元素で合金化してもよいとされている。
特許文献６では、Ｃｒ、Ｍｏ及びＣｕ等の合金元素に低減された量のＣを組み合わせる方法が提案されている。

特表２０１２－５２０９４２号公報 国際公開第２０１６／０９２８２７号 特表２００３－５００５３８号公報 特表２０１０－５２９３０２号公報 特表２０１３－５０８５５８号公報 特開２０１３－２０４１１２号公報

しかしながら、特許文献１については、Ｃｕ粉等を併用しても、Ｖの析出強化による焼結体の強度向上効果は限定的であり、また、Ｍｎを含有しているため酸化に起因する焼結体の強度低下も生じ得、さらなる強度の向上が求められている。
特許文献２については、Ｃｕ単独の使用では焼結体の強度向上効果が限定的であり、さらなる強度の向上が求められている。
特許文献３については、Ｃｕ粉等を併用しても、Ｍｏの合金化による焼結体の強度向上効果が限定的であり、さらなる強度の向上が求められている。
特許文献４については、Ｎｉを含有するため高コストであり、Ｍｎを含有しているため酸化に起因する焼結体の強度低下も生じ得る。
特許文献５については、焼結体の機械的特性を向上させるために、焼結後に浸炭、焼入れ、焼戻し等の熱処理を行うことを必要としている。
特許文献６については、あくまでも、合金鋼粉と混合されるＣ（黒鉛粉等）の量を低減することで、混合粉の圧縮性を向上させているにすぎず、合金鋼粉自体の圧縮性を向上させることはできない。また、焼結体の硬さと引張強さを確保するため、焼結後の焼入れにおける冷却速度を２℃／ｓ以上とすることが必要とされている。このような冷却速度の制御を行うためには、製造設備の改造が必要であり、製造コストが増加する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、圧縮性に優れ、かつ、焼結まま（さらなる熱処理を施さない状態）で向上した強度を有する焼結体を得ることができる粉末冶金用合金鋼粉を提供することを目的とする。ここで、圧縮性とは、所与の成形圧力で成形したときに得られる成形体の密度（圧縮密度）のことをいい、この値が大きい程良好である。
また、本発明は、前記粉末冶金用合金鋼粉を含む粉末冶金用鉄基混合粉を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、前記粉末冶金用合金鋼粉又は前記粉末冶金用鉄基混合粉を用いた焼結体を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、Ｃｕと、Ｍｏと、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの少なくともいずれかとを、それぞれ特定量で、合金元素として用いた合金鋼粉は圧縮性に優れ、かつ焼結ままで向上した強度を有する焼結体を提供することができることを見出し、本発明を完成させた。本発明の合金鋼粉は、Ｃｕ及びＭｏの分布を均一化することができ、ひいては焼結体中のＣｕ及びＭｏの分布を均一化することができる。また、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの少なくともいずれかを含有しているため、焼結体中の析出物を微細化し、ひいては組織を微細化することでき、これらが相俟って、向上した強度を有する焼結体を得ることを可能とするものと推測される。

本発明の要旨構成は以下のとおりである。
［１］Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、
Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、ならびに
Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下、Ｎｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％質量％以下及びＴｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下からなる群より選択される１つ以上を含み、
残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
［２］Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下を含む、［１］の粉末冶金用合金鋼粉。
［３］Ｎｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含む、［１］又は［２］の粉末冶金用合金鋼粉。
［４］Ｔｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含む、［１］～［３］のいずれかの粉末冶金用合金鋼粉。
［５］前記［１］～［４］のいずれかの粉末冶金用合金鋼粉と金属粉からなる粉末冶金用鉄基混合粉であって、
前記金属粉が、前記粉末冶金用鉄基混合粉１００質量％に対し、０質量％超４質量％以下のＣｕ粉及び０質量％超４質量％以下のＭｏ粉のいずれか一方又は両方である、粉末冶金用鉄基混合粉。
［６］前記［１］～［４］のいずれかの粉末冶金用合金鋼粉又は前記［５］の粉末冶金用鉄基混合粉を用いた焼結体。

本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、圧縮性に優れ、かつ焼結ままで向上した強度を有する焼結体を得ることができる。
また、本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、ＣｒやＭｎ等の酸化しやすい合金元素を含有しないため、合金元素の酸化に起因する焼結体の強度低下が生じない点で有利である。
また、本発明の粉末冶金用合金鋼粉は、合金コストが高いＮｉ、特殊な雰囲気での焼鈍が必要となるＣｒ等を含有せず、めっき等の追加的な製造工程も不要であるため、コスト面で有利であり、従来の冶金用粉末製造プロセスで製造することができる点においても便利である。
また、本発明の粉末冶金用鉄基混合粉も、同様に圧縮性に優れ、かつ焼結ままで向上した強度を有する焼結体を提供することができる。
本発明の粉末冶金用合金鋼粉又は粉末冶金用鉄基混合粉を用いることにより、向上した強度を有する焼結体を低コストで製造することができる。

以下、本発明の実施形態にについて詳細に説明する。

［粉末冶金用合金鋼粉］
本発明の粉末冶金用合金鋼粉（以下、「合金鋼粉」ともいう。）は、Ｃｕと、Ｍｏと、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの少なくともいずれかとを必須成分として含有する鉄基合金からなる。ここで、「鉄基」とは、Ｆｅを５０質量％以上含有することをいう。成分組成に関する「％」は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。粉末冶金用合金鋼粉の成分組成は、粉末冶金用合金鋼粉１００質量％に対するものである。

Ｃｕ：１．０％以上８．０％以下
Ｃｕは、焼入れ性を向上させる元素であり、かつ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の元素よりも酸化されにくい点で優れている。また、Ｃｕは、Ｎｉと比べて安価である点でも有利である。Ｃｕ含有量が１．０％未満であると、Ｃｕによる焼入れ性の向上効果が不十分となる。そのため、Ｃｕ含有量は１．０％以上とする。一方、焼結体の製造は、一般に１１３０℃程度で焼結が行われるが、Ｆｅ－Ｃｕ系状態図より、Ｃｕ含有量が８．０％を超えると、Ｃｕはオーステナイト相中に析出する。焼結時に析出しているＣｕは焼入れ性向上には有効に機能せず、むしろ組織中に軟質相として残留し、機械的特性の低下を招き得る。そのため、Ｃｕ含有量は８．０％以下とする。上記範囲であれば、Ｃｕの添加により、密度の低下を抑制しつつ、引張強さの改善を十分に図ることができる。より高い強度を効果的に得るためには、Ｃｕ含有量は２．０％以上が好ましく、また、６．０％以下が好ましい。

Ｍｏ：０．５０％超２．００％以下
Ｍｏは、焼入れ性を向上させる元素であり、かつ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ等の元素よりも酸化されにくい点で優れている。Ｍｏは、Ｎｉに比べて少量の添加で十分な焼入れ性の向上効果が得られるという特性を有する。Ｍｏ含有量が０．５０％以下であると、Ｍｏによる強度向上効果が不十分となる。そのため、Ｍｏ含有量は０．５０％超とする。一方、Ｍｏ含有量が２．００％を超えると、合金鋼粉の圧縮性が低下して成形用金型が損耗しやすくなるのみならず、Ｍｏを含有させることによる焼結体の強度の向上効果は飽和する。そのため、Ｍｏ含有量は２．００％以下とする。より高い強度を効果的に得るためには、Ｍｏ含有量は１．００％以上が好ましく、また、１．５０％以下が好ましい。

本発明の合金鋼粉は、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの少なくともいずれかを含む。合金鋼粉は、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉのいずれか１種のみを含有していても、２種を含有していても、３種全部を含有していてもよい。２種を含有する場合、ＶとＮｂ、ＶとＴｉ、ＮｂとＴｉのいずれの組み合わせであってもよい。Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの各含有量は以下のとおりである。

Ｖ：０．０５％以上０．５０％以下
Ｖは、焼結体の固体部分に炭化物として析出することにより、強度の向上に極めて有効に作用する元素である。Ｖ含有量が０．０５％未満であると、炭化物の生成量が不十分となり、焼結体の十分な強度の向上を図ることができない。そのため、Ｖを含有させる場合、Ｖ含有量は０．０５％以上とする。一方、Ｖ含有量が０．５０％を超えると、炭化物が粗大化して強度向上効果が低下し、合金鋼粉の各粒子が硬くなって圧縮性の低下を招くだけでなく、経済的な観点からも不利である。そのため、Ｖ含有量は０．５０％以下とする。より高い強度を効果的に得るためには、Ｖ含有量は０．１０％以上が好ましく、また、０．４０％以下が好ましい。

Ｎｂ：０．０２％以上０．４０％以下
Ｎｂは、焼入れ性を大幅に高めるのみならず、焼結体の固体部分に炭化物として析出させることにより、強度の向上に有効に作用する元素である。Ｎｂ含有量が０．０２％未満であると、炭化物の生成量が不十分となり、焼結体の十分な強度の向上を図ることができない。そのため、Ｎｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量は０．０２％以上とする。一方、Ｎｂ含有量が０．４０％を超えると、炭化物が粗大化して強度向上効果が低下し、合金鋼粉の各粒子が硬くなって圧縮性の低下を招くだけでなく、経済的な観点からも不利となる。そのため、Ｎｂを含有させる場合、Ｎｂ含有量は０．４０％以下とする。Ｎｂを含有させる場合、より高い強度を効果的に得るためには、Ｎｂ含有量は０．０５％以上が好ましく、また、０．２０％以下が好ましい。

Ｔｉ：０．０２％以上０．４０％以下
Ｔｉは、焼結体の固体部分に炭化物として析出することにより、強度の向上に有効に作用する元素である。Ｔｉ含有量が０．０２％未満であると、炭化物の生成量が不十分となり、焼結体の十分な強度の向上を図ることができない。そのため、Ｔｉを含有させる場合、Ｔｉ含有量は０．０２％以上とする。一方、Ｔｉ含有量が０．４０％を超えると、炭化物が粗大化して強度向上効果が低下し、合金鋼粉の各粒子が硬くなって圧縮性の低下を招くだけでなく、経済的な観点からも不利となる。そのため、Ｔｉを含有させる場合、Ｔｉ含有量は０．４０％以下とする。Ｔｉを含有させる場合、より高い強度を効果的に得るためには、Ｔｉ含有量は０．０５％以上が好ましく、また、０．２０％以下が好ましい。

合金鋼粉の上記成分以外の残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる。不可避的不純物の量は、不可避的に混入する量である限り、特に限定されないが、実質的に含有しないよう制御することが好ましい。Ｎｉは、合金コスト増加の原因となるため、Ｎｉ含有量は０．１％以下に抑制することが好ましい。Ｃｒは、酸化を受けやすく、焼鈍雰囲気制御が必要となるため、Ｃｒ含有量は０．１％以下に抑制することが好ましい。Ｓｉについても、Ｃｒと同様の理由から、Ｓｉ含有量は０．１％以下に抑制することが好ましい。Ｃ：０．０１％以下、Ｏ：０．２０％以下、Ｍｎ：０．１５％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｎ：０．０５％以下及びその他の元素：０．０１％以下に抑制することが好ましい。

本発明の合金鋼粉は、以下の態様を含む。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｎｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｔｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下及びＮｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下及びＴｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｎｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下及びＴｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％超２．００質量％以下、Ｖ：０．０５質量％以上０．５０質量％以下、Ｎｂ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下及びＴｉ：０．０２質量％以上０．４０質量％以下を含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。

合金鋼粉の製造方法は、特に限定されず、任意の方法で製造することができる。例えば、合金鋼粉は、アトマイズ法によって製造されるアトマイズ粉であることができ、中でも製造コストが低く、大量生産が容易な水アトマイズ法によって製造される水アトマイズ粉であることが好ましい。アトマイズ法で合金鋼粉を製造する場合、例えば、所定の成分組成を有するように調整された溶鋼をアトマイズして粉末とし、必要に応じて還元及び／又は分級して合金鋼粉を得ることができる。

合金鋼粉の粒径は、特に限定されず、任意の粒径とすることができる。製造の容易さの観点からは、平均粒径は３０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。水アトマイズ法によって、上記範囲に平均粒径を有する合金鋼粉を工業的に低コストで製造することができる。ここで、平均粒径とは、質量基準におけるメジアン径（Ｄ５０）を指すものとする。平均粒径は、ＪＩＳ Ｚ ２５１０に記載の乾式ふるい分け法で測定した粒度分布から質量基準の積算粒度分布を算出し、その値が５０％となる粒径を内挿法で求めることができる。

［粉末冶金用鉄基混合粉］
合金鋼粉は、そのまま粉末冶金に用いることもできるが、合金鋼粉と金属粉からなる粉末冶金用鉄基混合粉（以下、「混合粉」ともいう。）として用いることもできる。本発明の混合粉における金属粉は、Ｃｕ粉：０％超４％以下、Ｍｏ粉：０％超４％以下のいずれか一方又は両方である。粉末冶金用鉄基混合粉の成分組成は、粉末冶金用鉄基混合粉１００質量％に対するものである。

Ｃｕ粉：０％超４％以下
Ｃｕ粉は、合金鋼粉に添加することにより、焼結を促進させ、強度を向上させることができるが、４％を超えると、焼結時に液相を生成する量が多くなり、膨張による焼結体の密度の低下を招き、強度を低下させる。そのため、Ｃｕ粉の添加量は、４％以下とする。Ｃｕ粉を添加する場合、強度を効率的に向上させるため、０．５％以上が好ましい。

Ｍｏ粉：０％超４％以下
Ｍｏ粉は、合金鋼粉に添加することにより、焼結を促進させ、強度を向上させることができるが、４％を超えると、合金鋼粉が硬くなって圧縮密度の低下を招き、強度を低下させる。そのため、Ｍｏ粉の添加量は、４％以下とする。Ｍｏ粉を添加する場合、強度を効率的に向上させるため、０．５％以上が好ましい。

混合粉の製造方法は、特に限定されず、任意の方法で製造することができる。例えば、上記合金鋼粉に対して、Ｃｕ粉及びＭｏ粉の一方又は両方を、上記含有量となるように混合することによって製造することができる。混合は、任意の方法で行うことができる。例えば、Ｖ型混合機、ダブルコーン型混合機、へンシェルミキサ、ナウターミキサ等を用いて混合する方法が挙げられる。混合時には、Ｃｕ粉及Ｍｏ粉の一方又は両方の偏析防止のために、マシン油等の結合剤を添加してもよい。あるいは、上記合金鋼粉及びＣｕ粉及びＭｏ粉の一方又は両方を上記含有量となるよう、加圧成形用の金型に充填して混合粉としてもよい。

［焼結体］
本発明はまた、上記合金鋼粉又は混合粉を含む成形体を焼結してなる焼結体に関する。
焼結体は、上記合金鋼粉又は混合粉（以下、「原料」ともいう。）を原料とし製造することができる。焼結体の製造方法は、特に限定されず、任意の製造方法で製造することができる、例えば、上記原料に、場合により任意成分を加え、これらを加圧成形した後、焼結することによって製造することができる。

（任意成分）
焼結体の原料としては、上記原料をそのまま用いることができるが、炭素粉等の副原料を併用してもよい。
炭素粉は、特に限定されず、黒鉛粉（天然黒鉛粉、人造黒鉛粉等）、カーボンブラックが好ましい。炭素粉を添加することにより、焼結体の強度をさらに向上させることができる。炭素粉を添加する場合、強度向上効果の点から、上記原料１００質量部に対し、０．２質量部以上が好ましく、また、１．２質量部以下が好ましい。

上記原料に潤滑剤を添加してもよい。潤滑剤を含有させることで、成形体の金型からの抜出を容易にすることができる。潤滑剤は、特に限定されず、金属石鹸（ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸リチウム等）、アミド系ワックス（エチレンビスステアリン酸アミド等）等が挙げられる。潤滑剤は、粉末状のものが好ましい。潤滑剤を使用する場合、潤滑剤は、上記原料１００質量部に対し、０．３質量部以上１．０質量部以下が好ましい。

上記原料に対し、切削性改善用粉末を添加してもよい。切削性改善用粉末は、特に限定されず、ＭｎＳ粉末、酸化物粉末等が挙げられる。切削性改善用粉末を使用する場合、切削性改善用粉末は、上記原料１００質量部に対し、０．１質量部以上０．７質量部以下が好ましい。

（加圧成形）
上記原料に対し、場合により副原料、潤滑剤、切削性改善用粉末等の任意成分を配合した後、所望の形状に加圧成形して成形体とする。加圧成形の方法は、特に限定されず、任意の方法を用いることができ、例えば、原料等を金型内に充填して、加圧成形する方法が挙げられる。金型に潤滑剤を塗布又は付着させることもでき、その際の潤滑剤の量は、上記原料１００質量部に対し、０．３質量部以上１．０質量部以下が好ましい。

加圧成形により成形体とする際の圧力は、４００ＭＰａ以上１０００ＭＰａ以下とすることができる。この範囲であれば、成形体の密度が低くなり、焼結体の密度が低下し、強度不足となることが回避でき、かつ金型への負担も抑制することもできる。本発明の原料は、例えば、成形圧５８８ＭＰａの条件で、成形体の密度（圧縮密度）を６．７５Ｍｇ／ｍ³以上とすることができる。成形体の密度（圧縮密度）は、好ましくは６．８０Ｍｇ／ｍ³以上である。

（焼結）
次いで、得られた成形体を焼結する。焼結の方法は、特に限定されず、任意の方法で行うことができる。焼結温度は、十分に焼結を進行させる点から、１１００℃以上とすることができ、１１２０℃以上が好ましい。一方、焼結温度が高いほど焼結体中のＣｕやＭｏの分布が均一となるため、焼結温度の上限は特に限定されないが、製造コストの抑制の点から、焼結温度は１２５０℃以下が好ましく、１１８０℃以下がより好ましい。上記原料は、Ｃｕと、Ｍｏと、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉの少なくともいずれかとを合金化した合金鋼粉を用いているため、上記範囲の焼結温度でも、ＣｕやＭｏの分布を均一化することができ、その結果、焼結体の強度を効果的に向上させることができる。

焼結時間は、１５分以上５０分以下とすることができる。この範囲であれば、焼結不足となり、強度不足となることが回避でき、製造コストも抑制することができる。焼結後の冷却の際の冷却速度は、２０℃／分以上４０℃／分以下とすることができる。冷却速度２０℃／分未満では、十分に焼入れを行うことができず、引張強度が低下し得る。冷却速度４０℃／分以上では、冷却速度を促進する付帯設備が必要となり、製造コストが増加する。

潤滑剤を使用する場合、焼結前に、潤滑剤を分解除去するため、４００℃以上７００℃以下の温度範囲で一定時間保持する脱脂工程を追加してもよい。
上記以外の焼結体の製造条件や設備等は、特に限定されず、例えば、公知のものを適用することができる。

得られた焼結体は、浸炭焼入れ、焼き戻し等の処理に付してもよい。

次に、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、これらによって限定されるものではない。

実施例における合金鋼粉の製造、合金鋼粉を用いた焼結体の製造は、以下の手順で行った。

・合金鋼粉の製造
表１～表４に示す成分組成の溶鋼を調整し、水アトマイズ法により、合金鋼粉を作製した。合金鋼粉に不可避的不純物として含まれるＳｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ及びＣｒの量は、Ｓｉ：０．０５質量％未満、Ｍｎ：０．１５質量％未満、Ｐ：０．０２５質量％未満、Ｓ：０．０２５質量％未満、Ｃｒ：０．０３質量％未満であった。

得られた合金鋼粉を、水素雰囲気中、９２０℃で３０分間保持し、仕上還元を行った。仕上還元後、粒子同士が焼結されて塊状となっている熱処理体を、ハンマーミルを用いて粉砕し、目開きが１８０μｍの篩で分級して、篩下の粉を採取し、合金鋼粉とした。合金鋼粉に不可避的不純物として含まれるＣ、Ｏ及びＮの量は、Ｃ：０．０１質量％未満、Ｏ：０．２０質量％未満、Ｎ：０．０５質量％未満であった。合金鋼粉の成分組成は、上記溶鋼の成分組成と同等であった。

・拡散付着合金鋼粉の製造
拡散付着合金鋼粉におけるＣｕ又はＭｏの含有量が、表１～表３に示す値となるような量で、合金鋼粉に対してＣｕ粉（Ｄ５０が約３０μｍ）又は酸化Ｍｏ粉（Ｄ５０が約３μｍ）を添加し、Ｖ型混合機で１５分間混合し、次いで、水素雰囲気中、９２０℃で３０分間保持し、仕上還元を行った。仕上還元後、粒子同士が焼結されて塊状となっている還元処理体を、ハンマーミルを用いて粉砕し、目開きが１８０μｍの篩で分級して、篩下の粉を採取し、Ｃｕ又はＭｏを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉とした。拡散付着合金鋼粉に不可避的不純物として含まれるＣ、Ｏ及びＮの量は、Ｃ：０．０１質量％未満、Ｏ：０．２０質量％未満、Ｎ：０．０５質量％未満であった。

・焼結体の製造
合金鋼粉又は拡散付着合金鋼粉１００質量部に対して、黒鉛粉０．８質量部、潤滑剤（ステアリン酸亜鉛）０．６質量部、表１～３又は５に示す量のＣｕ粉（Ｄ５０が約４５μｍ）又はＭｏ粉（Ｄ５０が約２５μｍ）を添加し、ダブルコーン型混合機を用いて混合して鉄基混合粉を得た。鉄基混合粉を、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５５ｍｍの直方体形状に、成形圧５８８ＭＰａで成形して成形体とした。成形体の密度は成形体の重量に対して直方体の容積を除することで算出した。
成形体を、１０％Ｈ₂－９０％Ｎ₂雰囲気中、１１３０℃で２０分間保持し、焼結体とした。焼結体から、長さ：５０ｍｍ×直径：３ｍｍの試験片を切り出して、破断前最大応力（引張強さ）を測定した。

（実施例１）
Ｃｕ、Ｍｏ及びＶを添加した合金鋼粉に関する実施例である。表１に成分組成及び評価結果を示す。成分組成における「－」は、添加していない成分であり、以下も同様とする。

比較例として、以下の４条件で作製した鉄基粉末も評価した。Ｎｏ．１－１０では、ＭｏとＶを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．１－１１では、ＭｏとＶを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｃｕ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。Ｎｏ．１－１２では、ＣｕとＶを合金元素として含む合金鋼粉の表面に、Ｍｏを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．１－１３では、ＣｕとＶを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｍｏ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。表１に、付着量、添加量及び評価結果を示す。

表１に示すように、Ｃｕ及びＶのみを含有するＮｏ．１－１に比べて、Ｃｕ、Ｍｏ及びＶを含有するＮｏ．１－２は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．１－２に対して、Ｖを無添加とし、Ｃｕを増加させたＮｏ．１－３の引張強さはＮｏ．１－２に及ばなかった。Ｃｕ及びＶのみを含有するＮｏ．１－４、Ｍｏ及びＶのみを含有するＮｏ．１－５に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＶを含有するＮｏ．１－６は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．１－６に対して、Ｃｕを増加させたＮｏ．１－7、Ｍｏを増加させたＮｏ．１－８、Ｖを増加させたＮｏ．１－９でも、高い引張強さは維持されていた。
圧縮性について、発明例であるＮｏ．１－２、１－６～１－９はいずれも密度が十分に高く、圧縮性に優れていることがわかる。Ｎｏ．１－５～１－７の結果から、Ｃｕは高密度を維持したまま、添加量を増やし、引張強さを改善できることがわかる。

ＭｏとＶを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．１－１０及び同様の合金鋼粉にＣｕ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．１－１１の焼結体は、Ｎｏ．１－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＶの量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。ＣｕとＶを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＭｏを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．１－１２及び同様の合金鋼粉にＭｏ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．１－１３の焼結体は、Ｎｏ．１－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＶの含有量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。

（実施例２）
Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｂを添加した合金鋼粉に関する実施例である。表２に成分組成及び評価結果を示す。

比較例として、以下の４条件で作製した鉄基粉末も評価した。Ｎｏ．２－１１では、ＭｏとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．２－１２では、ＭｏとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｃｕ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。Ｎｏ．２－１３では、ＣｕとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉の表面に、Ｍｏを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．２－１４では、ＣｕとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｍｏ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。表２に、付着量、添加量及び評価結果を示す。

表２に示すように、Ｃｕ及びＮｂのみを含有するＮｏ．２－１に比べて、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｂを含有するＮｏ．２－２は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．２－２に対して、Ｎｂを無添加とし、Ｃｕを増加させたＮｏ．２－３の引張強さはＮｏ．２－２に及ばなかった。Ｃｕ及びＮｂのみを含有するＮｏ．２－４、Ｍｏ及びＮｂのみを含有するＮｏ．２－５に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｂを含有するＮｏ．２－６は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．２－６に対して、Ｃｕを増加させたＮｏ．２－7、Ｍｏを増加させたＮｏ．２－８、Ｎｂを増加させたＮｏ．２－９でも、高い引張強さは維持されていた。一方、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂの各量が、本発明の範囲外であるＮｏ．２－１０は、密度が低下しており、引張強さも劣っていた。
圧縮性について、発明例であるＮｏ．２－２、２－６～２－９はいずれも密度が十分に高く、圧縮性に優れていることがわかる。Ｎｏ．２－５～２－７の結果から、Ｃｕは高密度を維持したまま、添加量を増やし、引張強さを改善できることがわかる。

ＭｏとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．２－１１及び同様の合金鋼粉にＣｕ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．２－１２の焼結体は、Ｎｏ．２－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｂの量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。ＣｕとＮｂを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＭｏを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．２－１３及び同様の合金鋼粉にＭｏ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．２－１４の焼結体は、Ｎｏ．２－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＮｂの含有量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。

（実施例３）
Ｃｕ、Ｍｏ及びＴｉを添加した合金鋼粉に関する実施例である。表３に成分組成及び評価結果を示す。

比較例として、以下の４条件で作製した鉄基粉末も評価した。Ｎｏ．３－１１では、ＭｏとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．３－１２では、ＭｏとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｃｕ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。Ｎｏ．３－１３では、ＣｕとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉の表面に、Ｍｏを拡散付着させ、黒鉛粉と潤滑剤を混合した。Ｎｏ．３－１４では、ＣｕとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉に、Ｍｏ粉、黒鉛粉及び潤滑剤を混合した。表１に、付着量、添加量及び評価結果を示す。

表３に示すように、Ｃｕ及びＴｉのみを含有するＮｏ．３－１に比べて、Ｃｕ、Ｍｏ及びＴｉを含有するＮｏ．３－２は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．３－２に対して、Ｔｉを無添加とし、Ｃｕを増加させたＮｏ．３－３の引張強さはＮｏ．３－２に及ばなかった。Ｃｕ及びＴｉのみを含有するＮｏ．３－４、Ｍｏ及びＴｉのみを含有するＮｏ．３－５に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＴｉを含有するＮｏ．３－６は、引張強さが顕著に改善していた。Ｎｏ．３－６に対して、Ｃｕを増加させたＮｏ．３－7、Ｍｏを増加させたＮｏ．３－８、Ｔｉを増加させたＮｏ．３－９でも、高い引張強さは維持されていた。一方、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｔｉの各量が、本発明の範囲外であるＮｏ．３－１０は、密度が低下しており、引張強さも劣っていた。
圧縮性について、発明例であるＮｏ．３－２、３－６～３－９はいずれも密度が十分に高く、圧縮性に優れていることがわかる。Ｎｏ．３－５～３－７の結果から、Ｃｕは高密度を維持したまま、添加量を増やし、引張強さを改善できることがわかる。

ＭｏとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＣｕを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．３－１１及び同様の合金鋼粉にＣｕ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．３－１２の焼結体は、Ｎｏ．３－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＴｉの量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。ＣｕとＴｉを合金元素として含む合金鋼粉の表面にＭｏを拡散付着させた拡散付着合金鋼粉を用いたＮｏ．３－１３及び同様の合金鋼粉にＭｏ粉を混合した混合粉を用いたＮｏ．３－１４の焼結体は、Ｎｏ．３－６の焼結体に対して、Ｃｕ、Ｍｏ及びＴｉの含有量が同等であるにも関わらず引張強さが劣っていた。

（実施例４）
合金成分としてＣｕと、Ｍｏと、Ｖ、Ｎｂ及びＴｉから選ばれる２種又は３種とを添加した合金鋼粉に関する実施例である。表４に成分組成及び評価結果を示す。

Ｎｏ．４－１～４－３、４－５～４－７、４－９～４－１１、４－１３～４－１５に示されるように、Ｖ、Ｎｉ及びＴｉから選ばれる２種又は３種を特定量で添加した合金鋼粉を用いることにより、引張強さが一層向上することがわかる。これらの例はまた、いずれも密度が十分に高く、圧縮性に優れていることがわかる。一方、添加量が所定の条件を満たさないＮｏ．４－４、４－８、４－１２、４－１６については、かえって引張強さが低下する結果となった。

（実施例５）
合金鋼粉に、さらにＣｕ粉及び／又はＭｏ粉を添加した混合粉に関する実施例である。表５に使用した合金鋼粉、Ｃｕ粉及びＭｏ粉の添加量、ならびに評価結果を示す。
Ｎｏ．１－６とＮｏ．５－１、５－３～５－４、５－６との対比、また、Ｎｏ．２－６とＮｏ．５－８、５－１０～５－１１、５－１３との対比、Ｎｏ．３－６とＮｏ．５－１５、５－１７～５－１８、５－２０との対比、Ｎｏ．４－１０とＮｏ．５－２２、５－２４～５－２５、５－２７との対比、Ｎｏ．４－１４とＮｏ．５－２９、５－３１～５－３２、５－３４との対比より、Ｃｕ粉及び／又はＭｏ粉を特定量で混合することにより、引張強さが一層向上することがわかる。これらの例はまた、いずれも密度が十分に高く、圧縮性に優れていることがわかる。一方、Ｃｕ粉及び／又はＭｏ粉の混合量が所定の条件を満たさないＮｏ．５－２、５－５、５－７、５－９、５－１２、５－１４、５－１６、５－１９、５－２１、５－２３、５－２６、５－２８、５－３０、５－３３、５－３５については、かえって引張強さが低下する結果となった。

Claims (6)

1. Ｃｕ：１．０質量％以上８．０質量％以下、
   Ｍｏ：１．００質量％以上２．００質量％以下、ならびに
   Ｖ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下及びＴｉ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下からなる群より選択される１つ以上を含み、
   残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉。
2. Ｖ：０．１０質量％以上０．５０質量％以下を含む、請求項１記載の粉末冶金用合金鋼粉。
3. Ｎｂ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下を含む、請求項１又は２記載の粉末冶金用合金鋼粉。
4. Ｔｉ：０．１０質量％以上０．４０質量％以下を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の粉末冶金用合金鋼粉。
5. 請求項１～４にいずれか一項に記載の粉末冶金用合金鋼粉と金属粉からなる粉末冶金用鉄基混合粉であって、
   前記金属粉が、前記粉末冶金用鉄基混合粉１００質量％に対し、０質量％超４質量％以下のＣｕ粉及び０質量％超４質量％以下のＭｏ粉のいずれか一方又は両方である、粉末冶金用鉄基混合粉。
6. 請求項１～４のいずれか一項に記載の粉末冶金用合金鋼粉又は請求項５に記載の粉末冶金用鉄基混合粉を用いた焼結体。