(57)【要約】【課題】焼結体の疲労強度を向上させる焼結体の製造方法を提供する。【解決手段】Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する成形工程と、前記成形体を、８００℃以上１０００℃以下の予熱温度で予熱する予熱工程と、前記予熱された成形体を、前記予熱温度から８０℃／分以上の昇温速度で昇温し、１１２０℃以上１３００℃以下の焼結温度で焼結する焼結工程とを備える焼結体の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する成形工程と、
前記成形体を、８００℃以上１０００℃以下の予熱温度で予熱する予熱工程と、
前記予熱された成形体を、前記予熱温度から８０℃／分以上の昇温速度で昇温し、１１２０℃以上１３００℃以下の焼結温度で焼結する焼結工程とを備える焼結体の製造方法。
【請求項２】
前記鉄系原料粉末におけるＣｕ粉の含有量が１．０質量％以上３．０質量％以下である請求項１に記載の焼結体の製造方法。
【請求項３】
前記鉄系原料粉末が、Ｃｒを１．０質量％以上３．５質量％以下、Ｍｏを０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｃを０．４質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを０．５質量％以上２．０質量％以下含有する請求項１又は請求項２に記載の焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄粉などの鉄基粉末を加圧成形して焼結した焼結体（焼結合金）が、自動車部品や機械部品などに利用されている。焼結体を利用した部品（焼結部品）としては、例えばギア、カム、スプロケットなどが挙げられる。一般に、焼結体は、鉄基粉末を加圧成形して成形体を作製し、その成形体を焼結することで製造されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
焼結体の製造には、例えば、ローラーハース炉と呼ばれる連続焼結炉が用いられている（例えば、特許文献２を参照）。ローラーハース炉とは、成形体を炉内のローラにより連続的に搬送しながら焼結する連続焼結炉である。特許文献２には、脱ガス室、予熱室、焼結室が順に連続して設けられた連続焼結炉が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２０４１１２号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼結体の高疲労強度化の要求が高まっている。焼結体は、鉄基粉末の粒子同士が焼結によって結合することにより形成されており、焼結体中には空孔（粉末３重点）が存在するため、溶製材に比べて疲労強度が低いという問題がある。したがって、焼結体の疲労強度の向上が望まれる。
【０００６】
そこで、焼結体の疲労強度を向上させる焼結体の製造方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係る焼結体の製造方法は、
Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する成形工程と、
前記成形体を、８００℃以上１０００℃以下の予熱温度で予熱する予熱工程と、
前記予熱された成形体を、前記予熱温度から８０℃／分以上の昇温速度で昇温し、１１２０℃以上１３００℃以下の焼結温度で焼結する焼結工程とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記焼結体の製造方法は、焼結体の疲労強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る焼結体の製造方法により製造された焼結体中に存在する空孔を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者は、焼結体の疲労特性について鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
【００１１】
圧縮応力を焼結体に負荷した場合は、通常、空孔の存在が疲労強度に与える影響は小さいと考えられる。一方、引張応力と圧縮応力とを交互に繰り返す引張‐圧縮応力を焼結体に負荷した場合は、内部の空孔が最大応力位置になり易く、空孔の存在が疲労強度に大きな影響を与えるため、焼結体の引張‐圧縮疲労強度が低い原因となっている可能性が高いと考えられる。
【００１２】
本発明者は、焼結体中の空孔（粉末３重点）の形状に着目した。その結果、従来の焼結体では、粉末３重点において、粒子界面で形成される空孔の角部が鋭角に尖っていることが分かった。そのため、焼結体に引張‐圧縮応力を負荷した場合は、この空孔の鋭角部が最大応力位置になり、応力集中部になる可能性が高い。その結果、引張‐圧縮応力では、空孔の鋭角部が応力集中によって破壊の起点になると考えられる。
【００１３】
そこで、本発明者は、焼結体中の空孔の角部を丸くすることで応力集中を下げることにより、疲労強度（引張‐圧縮疲労強度）の向上を図る方法について研究を進めた。そして、本発明者の鋭意研究の結果、焼結体の原料としてＣｕ粉を添加混合した鉄系原料粉末を用いると共に、予熱温度から焼結温度までの昇温速度を速くすることで、焼結体の疲労強度が向上することを見出した。
【００１４】
本発明者は、焼結体の原料となる鉄系原料粉末に焼結温度より融点が低いＣｕ粉を添加混合することにより、焼結する際にＣｕの液相が出現し、Ｃｕの液相が空孔の鋭角部に入り込むことで、焼結体中の空孔の角部を丸くすることを考えた。しかし、従来の製造方法では、焼結時の昇温速度についてあまり考慮されておらず、せいぜい４０℃／分以下であった。昇温速度が遅いと、ＣｕがＦｅ中に固溶していって融点が高くなり、Ｃｕの液相が出現しない、或いは、液相が出現しても少量となるため、Ｃｕの液相が空孔の鋭角部に十分に入り込まず、空孔の角部が丸くなる現象が起こり難い。昇温速度を速くすると、昇温初期にＣｕの液相が発生し、Ｃｕの液相が濡れ広がり、空孔の鋭角部に入り込む。空孔の鋭角部に入り込んだＣｕの液相は、Ｆｅ中に徐々に固溶していって融点が上昇し、焼結温度で固化することにより、焼結時に空孔の角部を丸くする。
【００１５】
［本発明の実施形態の説明］
以下、本発明の実施態様を列挙して説明する。
【００１６】
（１）本発明の一態様に係る焼結体の製造方法は、
Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する成形工程と、
前記成形体を、８００℃以上１０００℃以下の予熱温度で予熱する予熱工程と、
前記予熱された成形体を、前記予熱温度から８０℃／分以上の昇温速度で昇温し、１１２０℃以上１３００℃以下の焼結温度で焼結する焼結工程とを備える。
【００１７】
Ｃｕ粉は、焼結工程の昇温初期に液相として出現し、Ｃｕの液相が空孔（粉末３重点）の鋭角部に入り込むことで、焼結体中の空孔の角部を丸くする働きがあり、焼結体の疲労強度（引張‐圧縮疲労強度）の向上に効果がある。上記焼結体の製造方法によれば、予熱温度から焼結温度までの昇温速度を８０℃／分以上とすることで、Ｃｕの液相が出現して空孔の鋭角部に入り込むことにより、焼結体中の空孔の角部が丸くなる。これにより、焼結体の疲労強度を向上させることができる。
【００１８】
予熱温度を８００℃以上とすることで、予熱温度から焼結温度までの昇温時間を短くでき、昇温時にＣｕがＦｅ中に固溶することを抑制できる。予熱温度を１０００℃以下とすることで、予熱時にＣｕがＦｅ中に固溶することを抑制できる。
【００１９】
（２）上記焼結体の製造方法の一態様として、前記鉄系原料粉末におけるＣｕ粉の含有量が１．０質量％以上３．０質量％以下であることが挙げられる。
【００２０】
Ｃｕ粉の含有量が１．０質量％以上であることで、Ｃｕの液相が十分出現して、空孔の角部を効果的に丸くすることができ、疲労強度の向上効果が高い。Ｃｕ粉を３．０質量％以上含有しても、それ以上疲労強度の向上に寄与しないため、Ｃｕ粉の含有量の上限は３．０質量％とする。Ｃｕ粉の含有量は、好ましくは１．５質量％以上２．５質量％以下とすることが挙げられる。
【００２１】
（３）上記焼結体の製造方法の一態様として、前記鉄系原料粉末が、Ｃｒを１．０質量％以上３．５質量％以下、Ｍｏを０．２質量％以上１．０質量％以下、Ｃを０．４質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを０．５質量％以上２．０質量％以下含有することが挙げられる。
【００２２】
Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉは、焼結体の焼入れ性を改善して、焼結体の高強度化に寄与する。また、Ｃは、Ｆｅと合金化して、焼結体の高強度化に寄与する。各元素の含有量がそれぞれ上記範囲内であることで、その効果が十分に得られる。Ｆｅの含有量は９０質量％以上が好ましい。
【００２３】
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る焼結体の製造方法の具体例を以下に説明する。本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味およ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。
【００２４】
＜焼結体の製造方法＞
実施形態に係る焼結体の製造方法は、鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する成形工程と、成形体を予熱する予熱工程と、予熱された成形体を昇温して焼結する焼結工程とを備える。実施形態に係る焼結体の製造方法の特徴の１つは、焼結体の原料としてＣｕ粉を添加混合した鉄系原料粉末を用い、予熱温度から焼結温度までの昇温速度を８０℃／分以上とする点にある。以下、各工程について詳しく説明する。
【００２５】
（鉄系原料粉末）
鉄系原料粉末は、Ｆｅを主成分とする純鉄粉や鉄合金粉（鋼粉など）といった鉄基粉末を主体とし、更にＣｕ粉を添加した混合粉である。鉄系原料粉末には、Ｃｕ粉の他、黒鉛紛などの合金成分となる添加元素粉末を含んでいてもよい。添加元素粉末を添加混合した場合、焼結時にＦｅ中に添加元素が拡散して合金化し得る。純鉄粉や鉄合金粉としては、例えば、水アトマイズ粉、ガスアトマイズ粉、カルボニル粉、還元粉を使用できる。
【００２６】
（Ｃｕ）
鉄系原料粉末に添加混合したＣｕ粉は、昇温時に液相となり、焼結体中の空孔を丸くする働きがあり、焼結体の疲労強度（引張‐圧縮疲労強度）を向上させる効果がある。Ｃｕ粉の含有量は、例えば１．０質量％以上３．０質量％以下、好ましくは１．５質量％以上２．５質量％以下とすることが挙げられる。Ｃｕ粉の含有量を１．０質量％以上とすることで、Ｃｕの液相が十分出現して、空孔の角部を効果的に丸くすることができ、疲労強度の向上効果が高い。Ｃｕ粉を３．０質量％以上含有しても、それ以上疲労強度の向上に寄与しないため、Ｃｕ粉の含有量の上限は３．０質量％とする。また、Ｃｕが焼結時にＦｅ中に拡散することで膨張して、焼結時の収縮を相殺するように作用し、焼結体の寸法精度を高めることができる。
【００２７】
（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃ、Ｎｉ）
また、鉄系原料粉末は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｃ、Ｎｉなどを合金成分として含有してもよい。これらの元素は、焼結体の強度の向上に有効である。各元素の含有量は、目的とする機械的特性が得られるように適宜調整すればよい。例えば、Ｃｒの含有量は１．０質量％以上３．５質量％以下、好ましくは２．５質量％以上とすることが挙げられる。Ｍｏの含有量は０．２質量％以上１．０質量％以下、好ましくは０．４質量％以上０．８質量％以下とすることが挙げられる。Ｃの含有量は０．４質量％以上１．０質量％以下、好ましくは０．８質量％以下とすることが挙げられる。Ｎｉの含有量は０．５質量％以上２．０質量％以下、好ましくは１．５質量％以下とすることが挙げられる。Ｃ及びＮｉは、粉末の形で鉄系原料粉末に添加混合してもよい。鉄系原料粉末におけるＦｅの含有量は９０質量％以上とすることが挙げられる。鉄系原料粉末（鉄基粉末）として、Ｃを予め合金化した鋼粉を用いた場合、硬く成形し難いため、成形体の成形密度を高めることが難しい。よって、Ｃを予め合金化させずに、鉄系原料粉末にＣ粉（例えば黒鉛紛）を添加することが好ましく、これにより成形体の成形密度を高めることができ、焼結体を高密度化し易い。
【００２８】
鉄系原料粉末において、純鉄粉や鉄合金粉といった鉄基粉末の平均粒径は、例えば２０μｍ以上２００μｍ以下、更に５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることが挙げられる。鉄基粉末の平均粒径を上記範囲内とすることで、取り扱い易く、加圧成形し易い。鉄基粉末の平均粒径を２０μｍ以上とすることで、流動性を確保し易い。鉄基粉末の平均粒径を２００μｍ以下とすることで、緻密な組織の焼結体を得易い。また、Ｃｕ粉や黒鉛粉、Ｎｉ粉などの添加元素粉末の平均粒径は、鉄基粉末の平均粒径よりも小さくすることが好ましく、これにより、添加元素粉末の粒子が鉄基粉末の粒子間に均一に分散し易くなり、合金化が進行し易くなる。Ｃｕ粉及びＮｉ粉などの平均粒径は、例えば１μｍ以上２０μｍ以下、更に１０μｍ以下とすることが挙げられる。黒鉛粉の平均粒径は、例えば１μｍ以上１０μｍ以下とすることが挙げられる。ここでいう「平均粒径」は、レーザ回折式粒度分布測定装置により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）のことである。
【００２９】
（潤滑剤）
鉄系原料粉末の成形性を向上する目的で、鉄系原料粉末に対して潤滑剤を添加混合することが挙げられる。潤滑剤には、固体潤滑剤を用いることが好ましく、例えば、ステアリン酸亜鉛などのステアリン酸金属塩、ステアリン酸アミドなどの脂肪酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミドなどのアルキレンビス脂肪酸アミドの少なくとも１種を単独で又は組み合わせて用いることができる。潤滑剤には、公知のものを用いることができる。鉄系原料粉末に対する潤滑剤の添加量は、鉄系原料粉末を１００質量％とするとき、例えば０．３質量％以上１．０質量％以下とすることが挙げられる。
【００３０】
（成形工程）
成形工程は、Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を加圧成形して成形体を作製する工程である。具体的には、鉄系原料粉末を金型に充填してプレス成形することが挙げられ、加圧成形は公知のプレス装置を利用できる。加圧成形する際の成形圧を高くするほど、成形体を高密度化でき、焼結体を高強度化できる。成形圧は、例えば６００ＭＰａ以上、更に７００ＭＰａ以上とすることが挙げられる。成形圧の上限は、例えば１０００ＭＰａ以下とすることが挙げられる。
【００３１】
（予熱工程）
予熱工程は、成形体を、８００℃以上１０００℃以下の予熱温度で予熱する工程である。予熱温度を８００℃以上とすることで、予熱温度から焼結温度までの昇温時間を短くでき、昇温時にＣｕがＦｅ中に固溶することを抑制できる。予熱温度を１０００℃以下とすることで、予熱時にＣｕがＦｅ中に固溶することを抑制できる。予熱温度は、例えば８５０℃以上９５０℃以下とすることが好ましい。予熱工程では、成形体全体を予熱温度まで加熱できればよく、予熱時間は、成形体の形状やサイズに応じて適宜設定すればよい。但し、予熱時間が長くなり過ぎると、ＣｕのＦｅ中への固溶が促進される可能性があることから、予熱時間は、例えば５分以上３０分以下、更に８分以上２０分以下とすることが挙げられる。
【００３２】
（焼結工程）
焼結工程は、予熱された成形体を、予熱温度から８０℃／分以上の昇温速度で昇温し、１１２０℃以上１３００℃以下の焼結温度で焼結する工程である。具体的には、予熱工程に続いて焼結工程を連続して行い、予熱工程で予熱された状態の成形体を予熱温度から焼結温度まで昇温する。成形体を焼結することによって、鉄基粉末の粒子同士が接触して結合された焼結体が得られる。焼結温度は、例えば１２００℃以上１３００℃以下とすることが好ましい。焼結時間は、例えば１５分以上１５０分以下、更に２０分以上６０分以下とすることが挙げられる。
【００３３】
（昇温速度）
予熱温度から焼結温度までの昇温速度は８０℃／分以上とする。これにより、昇温初期にＣｕの液相が出現し、Ｃｕの液相が濡れ広がり、鉄系原料粉末の成形体中に存在する空孔（粉末３重点）の鋭角部に入り込む。そして、空孔の鋭角部に入り込んだＣｕの液相がＦｅ中に徐々に固溶して焼結温度で固化することで、焼結体中の空孔の角部が丸くなる。昇温速度が速いほど、Ｃｕの液相が出現し易いため、昇温速度は、例えば１００℃／分以上、更に１２０°／分以上、１５０℃／分以上、２００℃／分以上、３００℃／分以上とすることが挙げられる。また、昇温速度を速くすることによって、予熱温度から焼結温度までの昇温時間が短くなり、ＣｕがＦｅ中に固溶することを抑制できる。昇温速度の上限は、特に限定されないが、例えば、昇温速度は４００℃／分以下とすることが挙げられる。
【００３４】
また、鉄系原料粉末にＣの粉末（例、黒鉛紛など）を添加混合した場合、焼結温度がＦｅ‐Ｃ共晶点（１１５３℃）以上で、ＣがＦｅと部分的に共晶反応して、Ｆｅ‐Ｃの接触界面で液相が出現する可能性がある。
【００３５】
《作用効果》
上述した実施形態の焼結体の製造方法は、次の効果を奏する。
【００３６】
Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末の成形体を焼結する際に予熱温度から焼結温度までの昇温速度を８０℃／分以上とすることにより、Ｃｕの液相が出現して空孔（粉末３重点）の鋭角部に入り込むことで、焼結体中の空孔の角部が丸くなる。これにより、焼結体の疲労強度（引張‐圧縮疲労強度）を向上させることができる。具体的には、図１に示すように、焼結体を構成する鉄基粉末の粒子ｐの３重点に存在する空孔ｖにおいて、焼結時に空孔ｖの鋭角部（図中、右下がりのハッチングで示す部分）にＣｕの液相が入り込み、固化することによって、空孔ｖの角部が丸く形成される。昇温速度が速いので、Ｆｅ中にＣｕが完全に拡散せず、一部のＣｕ（Ｃｕ中にＦｅが拡散している場合を含む）が空孔ｖの角部に残留する。
【００３７】
実施形態の製造方法により製造された焼結体は、引張‐圧縮疲労特性に優れることから、引張‐圧縮疲労応力がかかる部品に好適に利用できる。
【００３８】
［試験例１］
質量比で、Ｃｒ：３．０％、Ｍｏ：０．５％、Ｃ：０．５％、Ｎｉ：１．０％、Ｃｕ：１．０％含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成（Ｆｅ‐３．０Ｃｒ‐０．５Ｍｏ‐０．５Ｃ‐１．０Ｎｉ‐１．０Ｃｕ）を有する鉄系原料粉末を用意した。ここでは、Ｆｅ、Ｃｒ及びＭｏを含有するＦｅ‐Ｃｒ‐Ｍｏの鉄合金粉（平均粒径（Ｄ５０）：１００μｍ）を用意し、これにＣｕ粉（Ｄ５０：１０μｍ）、黒鉛紛（Ｄ５０：１０μｍ）及びＮｉ粉（Ｄ５０：２．５μｍ）を添加混合して、所定の組成に調整した混合粉を鉄系原料粉末として用いた。この鉄系原料粉末に対して固体潤滑剤を０．６質量％添加して混合し、７００ＭＰａの成形圧で加圧成形して、縦×横×長さが１４．５ｍｍ×１４．５ｍｍ×９５ｍｍの四角柱状の成形体を作製した。固体潤滑剤には、ステアリン酸亜鉛（Ｄ５０：１００μｍ）を用いた。この成形体を焼結炉に入れ、９５０℃の予熱温度で８分間保持して予熱した後、昇温し、１２５０℃の焼結温度で３０分間保持して焼結することにより、焼結体を製造した。
【００３９】
試験例１では、焼結炉のヒータを制御して予熱温度（９５０℃）から焼結温度（１２５０℃）までの昇温速度を変更し、表１に示す試料Ｎｏ．１−１〜１−６の焼結体を得た。
【００４０】
試料Ｎｏ．１−１〜１−６の焼結体について、引張‐圧縮疲労強度を評価した。その結果を表１に示す。ここでは、各試料の焼結体を加工して、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４に準じて疲労試験片（１号試験片、ゲージ部：直径８ｍｍ×長さ３０ｍｍ）を作製し、各試験片に対して疲労試験を行った。引張‐圧縮疲労強度の評価は、ＪＩＳ  Ｚ  ２２７４に準じて小野式回転曲げ疲労試験機で疲労試験を行い、試験片が破断するまでの繰り返し回数を測定した。この回数が多いほど、引張‐圧縮疲労強度が高いことを意味する。測定条件は、回転数３６００ｒｐｍ、応力比Ｒ＝−１（両振り）とし、試験片に±３００ＭＰａの引張‐圧縮応力を繰り返し負荷した。
【００４１】
【表１】
2018083970.tif 000002
【００４２】
表１の結果から、昇温速度を８０℃／分以上とした試料Ｎｏ．１−１〜１−５は、引張‐圧縮疲労強度が１×１０６回超であり、昇温速度が遅い試料Ｎｏ．１−６〜１−８に比べて引張‐圧縮疲労強度が高いことが分かる。この結果から、予熱温度から焼結温度までの昇温速度を速くすることで、焼結体の引張‐圧縮疲労強度を向上できると考えられる。これは、鉄系原料粉末にＣｕ粉を添加し、予熱温度から焼結温度までの昇温速度を８０℃／分以上としたことで、焼結時にＣｕの液相が空孔（粉末３重点）の鋭角部に入り込み、焼結体中の空孔の角部が丸くなることにより、応力集中が緩和され、疲労強度が向上したものと推測される。
【００４３】
［試験例２］
試験例２では、Ｃｕ粉の含有量を変更した以外は試験例１と同じ組成の鉄系原料粉末を用意し、Ｃｕ粉の含有量が異なる鉄系原料粉末を用い、試験例１と同様にして焼結体を製造した。ここでは、昇温速度を１２０℃／分とし、表２に示す試料Ｎｏ．２−０〜２−３の焼結体を得た。試料Ｎｏ．２−０は、鉄系原料粉末にＣｕ粉を添加混合していない。試料Ｎｏ．２−０〜２−３の焼結体について、試験例１と同様に引張‐圧縮疲労強度を評価した。その結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】
2018083970.tif 000003
【００４５】
表２の結果から、Ｃｕ粉を添加した鉄系原料粉末を用いた試料Ｎｏ．２−１〜２−３は、引張‐圧縮疲労強度が１×１０６回超であり、引張‐圧縮疲労特性に優れることが分かる。これに対し、Ｃｕ粉を添加していない鉄系原料粉末を用いた試料Ｎｏ．２−０は、試料Ｎｏ．２−１〜２−３よりも引張‐圧縮疲労強度が低く、劣っていることが分かる。この結果から、鉄系原料粉末にＣｕ粉を添加することで、焼結体の引張‐圧縮疲労強度を向上できると考えられる。
【符号の説明】
【００４６】
ｐ  粒子
ｖ  空孔
【図１】
2018083970.tif 000004