(57)【要約】【課題】緻密で高剛性な鉄基焼結材を提供する。【解決手段】本発明の鉄基焼結材は、鉄基マトリックス中に化合物粒子が分散した焼結体からなる。その化合物粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶとＮとを含む窒素化合物からなる。焼結体は、その全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｎを０．４〜３％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含む。その相対密度は９３％以上となり、ヤング率が１６５ＧＰａ以上となり得る。このような鉄基焼結材は、例えば、鉄基粉末、ＴｉＣ粉末またはＶＣ粉末およびＧｒ粉末を混合した原料粉末からなる成形体を、１１４０℃以上の窒素雰囲気中で焼結させることにより得られる。焼結体の緻密化は、ＴｉＣまたはＶＣがＮと反応して遊離したＣが、Ｇｒ等と共にＦｅ―Ｃ系液相の生成を促進することにより起こると考えられる。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄基粉末に化合物粉末が混在した原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、
前記化合物粉末の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶを含む炭素化合物からなり、
前記原料粉末は、該原料粉末全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、
前記焼結工程は、窒素を含有した焼結雰囲気中で、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法。
【請求項２】
鉄基粉末に化合物粉末が混在した原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、
前記化合物粉末の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶを含む炭素化合物からなり、
前記原料粉末は、さらに窒素源粉末を含むと共に、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、
前記焼結工程は、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法。
【請求項３】
前記炭素化合物は、チタン炭化物、チタン炭窒化物、バナジウム炭化物またはバナジウム炭窒化物のいずれか一種以上である請求項１または２に記載の鉄基焼結材の製造方法。
【請求項４】
鉄基粉末を含む原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、
前記鉄基粉末は、Ｔｉおよび／またはＶとＣを含み、
前記原料粉末は、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、
前記焼結工程は、窒素を含有した焼結雰囲気中で前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法。
【請求項５】
鉄基粉末を含む原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、
前記鉄基粉末は、Ｔｉおよび／またはＶとＣを含み、
前記原料粉末は、さらに窒素源粉末を含むと共に、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、
前記焼結工程は、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法。
【請求項６】
前記原料粉末は、さらに、黒鉛粉末を含む請求項１〜５のいずれかに記載の鉄基焼結材の製造方法。
【請求項７】
前記焼結工程は、前記焼結温度で前記成形体を加熱する焼結時間を０．２〜３時間とする工程である請求項１〜６のいずれかに記載の鉄基焼結材の製造方法。
【請求項８】
前記焼結工程は、前記焼結温度未満の窒素含有雰囲気中に前記成形体を曝す予備工程を備える請求項１〜７のいずれかに記載の鉄基焼結材の製造方法。
【請求項９】
前記成形体は、前記原料粉末を３００〜１２００ＭＰａで加圧成形してなる請求項１〜８のいずれかに記載の鉄基焼結材の製造方法。
【請求項１０】
鉄基マトリックス中に化合物粒子が分散した焼結体からなる鉄基焼結材であって、
前記化合物粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶとＮとを含む窒素化合物からなり、
前記焼結体は、該焼結体全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｎを０．４〜３％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含むと共に、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の割合である相対密度（ρ／ρ０）が９３％以上である鉄基焼結材。
【請求項１１】
前記焼結体は、ヤング率が１６５ＧＰａ以上である請求項１０に記載の鉄基焼結材。
【請求項１２】
前記化合物粒子は、さらに、チタン炭化物、チタン炭窒化物、バナジウム炭化物またはバナジウム炭窒化物のいずれか一種以上からなる炭素化合物粒子を含む請求項１０または１１に記載の鉄基焼結材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、緻密化または高剛性化を図れる鉄基焼結材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄（Ｆｅ）を主成分とする原料粉末（混合粉末）の成形体を焼結させた部材（「鉄基焼結材」または単に「焼結材」という。）が多く利用される。鉄基焼結材を用いれば、複雑形状の部材でも、最終製品の形状に近い状態（いわゆるニアネットシェイプ）で得ることができるため、加工コスト削減や歩留り向上等による製造コストの低減を図れる。
【０００３】
ところで鉄基焼結材は、その機械的特性を向上させるため、原料粉末の組成、成形圧力、焼結条件等が適宜調整されて製造される。しかし、一般的に焼結したままの鉄基焼結材は微細な空孔を内包するため、密度または剛性（ヤング率）等が溶製鋼より劣ることが多い。
【０００４】
このような状況の下、溶製以外の方法で高剛性鋼を得る提案等がなされており、例えば下記の特許文献に関連した記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−６０８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、窒素ガス雰囲気中でアトマイズしたＦｅ―Ｃｒ―Ｖ粉末（原料粉末）からなる熱間押出材（高剛性鋼）を提案している。この熱間押出材は、Ｆｅ―Ｃｒマトリックス中にＶＮ粒子が分散した粒子分散型鉄基合金となっており、高いヤング率を発揮している。
【０００７】
しかし、特許文献１にあるような高剛性鋼は、熱間押出素材として得られるに過ぎず、ニアネットシェイプ化による加工コストの削減や歩留りの向上等を図れるものではない。また、特許文献１の原料粉末は、高剛性なＶＮが粒子表面に予め分布したものであり、従来の焼結方法等では、高密度な成形体や焼結体を得ることも困難である。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは全く異なるアプローチにより緻密化または高剛性化を図れる鉄基焼結材と、その製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は上記の課題を解決すべく鋭意研究した結果、原料粉末中に含まれる炭素化合物が焼結中に窒素と反応してＦｅ―Ｃ系液相の出現を促進することにより、高密度な焼結体が得られることを新たに見出した。この発見を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１０】
《鉄基焼結材の製造方法》
（１）本発明の鉄基焼結材の製造方法は、鉄基粉末に化合物粉末が混在した原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、前記化合物粉末の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶを含む炭素化合物からなり、
前記原料粉末は、該原料粉末全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、前記焼結工程は、窒素を含有した焼結雰囲気中で、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である。
【００１１】
本発明の製造方法によれば、熱間鍛造等を施すまでもなく、一回の成形と焼結で十分に緻密な焼結体を得ることが可能となる。しかも、焼結時の寸法収縮に伴う形状変化は等方的である。従って本発明によれば、複雑な形状の部材であっても、高密度化や高剛性化と、ニアネットシェイプによる製造コスト低減とを両立し得る。
【００１２】
本発明の製造方法により、少なくとも緻密な鉄基焼結材が得られる理由は、現状、次のように考えられる。本発明に係る成形体は、その構成粒子中にＴｉまたはＶの炭素化合物（粒子）を含む。この炭素化合物は、焼結時の高温環境下でＮまたはＮ２と接触すると、少なくとも一部がより安定な窒素化合物へ変化し得る。その際、炭素化合物から遊離したＣが、その周囲に存在するＦｅと反応してＦｅ―Ｃ系液相の出現を促進するようになる。Ｆｅ―Ｃ系液相が比較的多く出現することにより、本発明では緻密な焼結体が得られるようになったと考えられる。
【００１３】
但し、本発明者が鋭意研究したところによれば、上述したようなニアネットシェイプ化と緻密化・高剛性化を両立できる炭素化合物の種類は限られており、好ましい炭素化合物は上述したＴｉおよび／またはＶの炭素化合物であった。本発明は、このような炭素化合物を発見すると共に、その炭素化合物を用いて形状維持と緻密化を両立できる鉄基焼結材の製造方法を完成させた点で画期的といえる。
【００１４】
（２）ところで、上述したＦｅ―Ｃ系液相の生成に寄与する炭素化合物（単に（Ｔｉ、Ｖ）Ｃとも表記する。）は、鉄基粉末と別な化合物粉末として供給する場合の他、鉄基粉末自体または別な合金粉末として供給することも可能である。また、Ｆｅ―Ｃ系液相の生成に寄与するＮは、成形体の外部（焼結雰囲気）からガス状態（Ｎ２）で供給する場合の他、窒素化合物またはＮ含有合金等として成形体の内部から供給することも可能である。従って、（Ｔｉ、Ｖ）ＣとＮの供給源の組合わせは、前述した組合わせ（（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源：化合物粉末、Ｎ源：窒素含有雰囲気）に限られず、次のような組合わせも考えられる。
【００１５】
（ｉ）先ず本発明は、鉄基粉末に化合物粉末が混在した原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、前記化合物粉末の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶを含む炭素化合物からなり、前記原料粉末は、さらに窒素源粉末を含むと共に、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、前記焼結工程は、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法でもよい。
【００１６】
本発明の製造方法は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源を化合物粉末、Ｎ源を窒素源粉とした場合である。この場合、Ｎが原料粉末の一部として供給されるため、焼結工程は真空雰囲気やＡｒ等の不活性ガス雰囲気で行うことができる。勿論、焼結雰囲気をさらに窒素含有雰囲気としてもよい。
【００１７】
（ii）また本発明は、鉄基粉末を含む原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、前記鉄基粉末は、Ｔｉおよび／またはＶとＣを含み、前記原料粉末は、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、前記焼結工程は、窒素を含有した焼結雰囲気中で前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法でもよい。
【００１８】
本発明の製造方法は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源を鉄基粉末、Ｎ源を窒素含有雰囲気とした場合である。この場合、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源となる化合物粉末の配合は必ずしも必要ではない。なお、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源を含む鉄基粉末は、それ自体が主たる鉄源粉末でも良いし、鉄源粉末に別途添加される合金粉末でもよい。
【００１９】
（iii）さらに本発明は、鉄基粉末を含む原料粉末の成形体を加熱して焼結体とする焼結工程を備える鉄基焼結材の製造方法であって、前記鉄基粉末は、Ｔｉおよび／またはＶとＣを含み、前記原料粉末は、さらに窒素源粉末を含むと共に、該原料粉末全体を１００％として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含み、前記焼結工程は、前記成形体を１１４０〜１３５０℃の焼結温度で加熱する工程である鉄基焼結材の製造方法でもよい。
【００２０】
本発明の製造方法は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源を鉄基粉末、Ｎ源を窒素源粉末とした場合である。この場合、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源となる化合物粉末や窒素含有雰囲気（焼結雰囲気）は必ずしも必要ではない。
【００２１】
《鉄基焼結材》
（１）本発明は、上述した製造方法に限らず、緻密化された鉄基焼結材としても把握できる。すなわち本発明は、鉄基マトリックス中に化合物粒子が分散した焼結体からなる鉄基焼結材であって、前記化合物粒子の少なくとも一部は、Ｔｉおよび／またはＶとＮとを含む窒素化合物からなり、前記焼結体は、該焼結体全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｃを１．５〜１０％と、Ｎを０．４〜３％と、Ｔｉおよび／またはＶを合計で２．５〜３６％含むと共に、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の割合である相対密度（ρ／ρ０）が９３％以上である鉄基焼結材でもよい。
【００２２】
（２）本発明に係る鉄基マトリックス中に分散している窒素化合物からなる化合物粒子は、元々原料として供給されたものの他、原料として供給された炭素化合物が焼結工程中にＮと反応して生成されたものでもよい。原料として供給される炭素化合物は、その全てが窒素化合物に変化してもよいし、その一部が変化せずに焼結体中に残存してもよい。後者の場合、鉄基マトリックス中に分散している化合物粒子は、窒素化合物粒子の他、例えば、チタン炭化物、チタン炭窒化物、バナジウム炭化物またはバナジウム炭窒化物のいずれか一種以上からなる炭素化合物粒子を含むこととなる。
【００２３】
（３）本発明に係る焼結体は、上述したように緻密であるため、その相対密度は９３％以上、９５％以上、９７％以上、９８％以上さらには９９％以上ともなり得る。
【００２４】
本発明に係る焼結体は、高い剛性（ヤング率）も発揮し得る。焼結体の組成や密度等にも依るが、例えば、本発明に係る焼結体はヤング率が１６５ＧＰａ以上、１７０ＧＰａ以上、１８０ＧＰａ以上、２００ＧＰａ以上さらには２１０ＧＰａ以上ともなり得る。
【００２５】
《その他》
（１）本明細書でいう「相対密度」は、真密度（ρ０）に対する嵩密度（ρ）の比（ρ／ρ０×１００％）である。嵩密度（ρ）は、試料を実測した寸法および質量から算出してもよいし、試料の形状が複雑で寸法の実測が困難であればアルキメデス法により求めてもよい。
【００２６】
製造時の原料粉末（混合粉末）の配合組成が既知であれば、その調製に用いた各粉末（素粉）の配合質量（Ｗｉ）と真密度（比重／文献値またはカタログ値）から算出されるポアフリー密度（ＰＦＤ）を真密度（ρ０）とする。既にある鉄基焼結材（焼結体）のＰＦＤは、熱間鍛造等によりポアフリー状態とした試料をもちいてアルキメデス法で求めることができる。
【００２７】
なお、既知な原料粉末の配合割合から算出されるポアフリー密度（ＰＦＤ）を用いた場合、焼結体が外部（焼結雰囲気）からＮ２を吸収等して重量増加していると、相対密度が１００％を僅かに超過することがあり得る。但し、それは通常、誤差レベルである。
【００２８】
（２）本明細書でいう「ヤング率」は超音波パルス法により測定される。
【００２９】
（３）本明細書でいう粉末の「粒度」は、篩い分けまたは平均粒径により特定される。篩いを用いた分級に関してはＪＩＳ Ｚ ８８０１に準拠して特定される。例えば、「ａμｍ以下（−ａμｍ）」は、公称目開き：ａμｍの篩いを通過した粉末であることを意味する。「平均粒径」は、レーザー回折式粒度分布測定器による粒度分布測定に基づくメジアン径（Ｄ５０）より特定される。
【００３０】
（４）本発明の鉄基焼結材は、Ｆｅ、Ｃ、Ｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ等以外にも、少量の改質元素（Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｎｂ、Ｗ、Ｐ、Ｂ等）や不可避不純物を含み得る。本発明に係る鉄基焼結材は、製品の最終形状に近い焼結部材に限らず、例えば、インゴット状、棒状、管状、板状等の素材であっても良い。
【００３１】
（５）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１Ａ】ＴｉＣ量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図１Ｂ】ＶＣ量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図２】焼結前後の重量変化と焼結体中のＮ量との関係を示すグラフである。
【図３Ａ】ＴｉＣ粉末を配合したときのＧｒ量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図３Ｂ】ＴｉＣ粉末を配合したときのＧｒ量とヤング率の関係を示すグラフである。
【図４Ａ】ＶＣ粉末を配合したときのＧｒ量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】ＶＣ粉末を配合したときのＧｒ量とヤング率の関係を示すグラフである。
【図５Ａ】ＶＣ量と相対密度の関係に及ぼす焼結温度の影響を示すグラフである。
【図５Ｂ】ＶＣ量とヤング率の関係に及ぼす焼結温度の影響を示すグラフである。
【図６Ａ】ＴｉＣ量と相対密度の関係に及ぼす鉄基粉末の影響を示すグラフである。
【図６Ｂ】ＴｉＣ量とヤング率の関係に及ぼす鉄基粉末の影響を示すグラフである。
【図７Ａ】ＶＣ量と相対密度の関係に及ぼす鉄基粉末の影響を示すグラフである。
【図７Ｂ】ＶＣ量とヤング率の関係に及ぼす鉄基粉末の影響を示すグラフである。
【図８】Ｓｉ３Ｎ４粉末を原料粉末に加えて真空雰囲気で焼結したときのＴｉＣ量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図９Ａ】真空雰囲気で焼結したときのＳｉ３Ｎ４量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図９Ｂ】真空雰囲気で焼結したときのＳｉ３Ｎ４量とヤング率の関係を示すグラフである。
【図１０Ａ】ＳＫＨ５７（鉄基粉末）を用いたときのＴｉＣ量と相対密度の関係に及ぼす焼結雰囲気の影響を示すグラフである。
【図１０Ｂ】ＳＫＨ５７を用いたときのＴｉＣ量とヤング率の関係に及ぼす焼結雰囲気の影響を示すグラフである。
【図１１Ａ】ＳＫＨ５７を用いたときのＴｉＣ量と相対密度の関係に及ぼす成形圧力の影響を示すグラフである。
【図１１Ｂ】ＳＫＨ５７を用いたときのＴｉＣ量とヤング率の関係に及ぼす成形圧力の影響を示すグラフである。
【図１２Ａ】ＳＫＨ５７に種々の化合物粉末を配合したときの各化合物量と相対密度の関係を示すグラフである。
【図１２Ｂ】ＳＫＨ５７に種々の化合物粉末を配合したときの各化合物量とヤング率の関係を示すグラフである。
【図１３Ａ】試料Ｂ１２（ＴｉＣ添加）に係る金属組織中における各元素の分布を示すＥＰＭＡ像である。
【図１３Ｂ】試料Ｂ３１（ＶＣ添加）に係る金属組織中における各元素の分布を示すＥＰＭＡ像である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
上述した本発明の各構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。製造方法に関する構成要素も鉄基焼結材に関する構成要素となり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００３４】
《原料粉末》
（１）本発明に係る原料粉末は全体として、主成分であるＦｅと、Ｔｉおよび／またはＶ（単に「Ｔｉ／Ｖ」と表記する。）と、Ｃとを少なくとも含み、少なくとも一部のＴｉ／ＶとＣが同じ粒子中に共存している粉末を含む。これを満たす限り、原料粉末は一種の鉄基粉末のみでも良いし、二種以上の粉末を混合した混合粉末でもよい。混合粉末は、二種以上の鉄基粉末のみからなる場合でも、一種以上の鉄基粉末と別な一種以上の添加粉末とからなる場合でもよい。鉄基粉末以外の添加粉末として、化合物粉末、合金粉末、炭素源粉末（例えば黒鉛粉末）等がある。化合物粉末や合金粉末は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源の他、Ｎ源、焼結体の各種特性（強度、延性、耐食性等）を向上させる合金元素源でもよい。
【００３５】
（２）鉄基粉末は、純鉄または鉄合金からなる。鉄合金は、ＣやＴｉ／Ｖの他、Ｃｒ、Ｍｏ等を含むものでもよい。ＭｏやＣｒは、焼結材（マトリックス）の強度や靱性の向上に寄与する。Ｍｏ、Ｃｒは、原料粉末全体を１００質量％（単に「％」という。）として、例えば、それぞれ０．２〜４％さらには０．７〜２．５％、合計で０．５〜５％さらには１〜３％であると好ましい。なお、鉄基粉末の粒度は、例えば、３００μｍ以下さらには２５０μｍ以下とするとよい。
【００３６】
（３）鉄基粉末に添加する（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源粉末として、例えば、Ｔｉ／Ｖの炭素化合物粉末がある。具体的には、ＴｉＣ、ＶＣ、ＴｉＣ―ＴｉＮ等の炭化物粉末または炭窒化物粉末である。
【００３７】
原料粉末全体を１００％として、例えば、Ｔｉは２．５〜３５％、３．５〜３０％さらには５〜２０％であり、Ｖは４．５〜２５％、５．５〜２０％さらには７〜１５％、Ｔｉ／Ｖの合計なら２．５〜３６％、５〜３０％さらには８〜２０％であると好ましい。Ｃは、原料粉末全体を１００％として、例えば、１．５〜１０％、２〜９％、２．５〜８％さらには３〜６％であると好ましい。これら各元素が過少では焼結体の高密度化を図れず、過多では原料費が高くなるともに、生成するＴｉＣやＶＣ粒子が多量となり、脆化して強度特性（特に延性）の低下を招く。
【００３８】
（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源粉末としてＴｉＣ粉末を用いる場合なら、原料粉末全体を１００％として、例えば、ＴｉＣ粉末を３〜４３％、５〜３０％さらには７〜２５％配合するとよい。またＶＣ粉末を用いる場合なら、原料粉末全体を１００％として、例えば、ＶＣ粉末を６〜３０％、７〜２５％さらには８〜２０％配合するとよい。
【００３９】
Ｃは、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃ源粉末や鉄基粉末等から供給される他、黒鉛（Ｇｒ）粉末として別途供給されると好ましい。黒鉛粉末は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃと協働してＦｅ―Ｃ系液相の生成量を増加させ、焼結体の緻密化に寄与する。黒鉛粉末は、原料粉末全体を１００％として、例えば、０．２〜２．０％、０．５〜１．４％さらには０．７〜１．１％配合するとよい。特に、ＴｉＣ粉末と共に添加する場合なら０．７〜１．４％、ＶＣ粉末と共に添加する場合なら０．５〜１．１％を配合するとよい。
【００４０】
少なくとも非窒素雰囲気で成形体を焼結する場合、鉄基粉末に添加するＮ源粉末が必要となる。Ｎ源粉末は、焼結中にＮを放出して（Ｔｉ、Ｖ）Ｃを（Ｔｉ、Ｖ）Ｎへ変化させるものが好ましい。このようなＮ源粉末として、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末がある。なお、本発明に係る原料粉末中には、そのようなＮ源粉末以外にも、Ｎを含む化合物粉末や合金粉末等を含んでいてもよい。例えばＴｉＮ粉末のように、焼結温度域で安定で緻密化への寄与は大きくないが、焼結体の高剛性化には寄与し得る粉末を原料粉末に配合してもよい。
【００４１】
《成形工程》
所望組成の原料粉末から成形体を得る際の成形圧力は、例えば、３００〜１２００ＭＰａ、３５０〜９００ＭＰａさらには３９０〜６００ＭＰａの範囲とすると好ましい。本発明によれば、成形圧力が比較的低い場合でも緻密な焼結体を得ることができる。但し、成形圧力が過小では、成形体に対する焼結体の寸法変化が大きくなる。過大な成形圧力は工業的な生産性に欠ける。
【００４２】
成形圧力は、成形体の相対密度が６０〜９２％さらには６５〜９０％となるように調整されると好ましい。特に、外部（窒素含有雰囲気）から成形体へ窒素を導入する場合、成形体の密度が過大になると、窒素が成形体の内部まで導入されず、焼結体の緻密化が困難となる。
【００４３】
成形工程は、冷間成形（室温成形）でも温間成形でも良い。また、原料粉末と金型との潤滑は、原料粉末に配合する内部潤滑剤により行ってもよいし、金型潤滑により行ってもよい。金型潤滑を行う場合、金型潤滑温間加圧成形法（詳細は特許３３０９９７０号公報等を参照）を用いると好ましい。
【００４４】
《焼結工程》
（１）成形体を焼結させる焼結温度は、Ｆｅ―Ｃ系液相を生成し得る１１４０〜１３５０℃、１１７５〜１３００℃さらには１２２５〜１２８０℃であると好ましい。焼結温度が過小では、焼結体の緻密化を十分に図れないか、焼結体の緻密化に長時間を要する。焼結温度が過大になると、エネルギーコストの増大、形状崩れ等を招く。ちなみに、Ｆｅ―Ｃ（二元系）の共晶点は１１４７℃である。
【００４５】
上記の焼結温度で成形体を加熱する焼結時間は、例えば、０．２〜３時間さらには０．４〜１．５時間とするとよい。焼結時間が過小では、焼結体の緻密化が不十分になるのみならず、焼結自体が不十分となる。焼結時間が過大では生産性が低下する。焼結温度に応じて焼結時間は調整されるが、本発明の場合、焼結温度が低くない限り、比較的短い焼結時間で緻密な焼結体を得ることができる。逆に、焼結温度が低い場合でも、焼結時間を長くすれば、緻密な焼結体が得られる。
【００４６】
本発明に係る焼結工程は、焼結雰囲気を真空雰囲気や不活性ガス雰囲気とすることもできる。もっとも、焼結雰囲気を窒素含有雰囲気とすることにより、効率的に焼結体の緻密化を図れる。この窒素含有雰囲気は、例えば、Ｎ２のガス圧（分圧を含む）が０．５〜１０００ｋＰａさらには２〜３００ｋＰａであると好ましい。ガス圧が過小では、窒素を成形体内へ十分に導入できず、過大なガス圧は生産コストの増大を招く。
【００４７】
（２）外部から成形体へ窒素を導入する場合、前述した焼結温度で成形体を加熱する前に、焼結温度未満の窒素含有雰囲気中に成形体を曝す予備工程を行うと好ましい。これにより成形体内に十分に窒素を導入でき、焼結体の緻密化を効率的に図ることができる。
【００４８】
予備工程は、焼結工程と独立して行うこともできるが、焼結炉内にある成形体を焼結温度まで加熱する途中で行うと効率的である。予備工程は、例えば、焼結温度未満の一定温度の窒素含有雰囲気中に成形体に保持してもよいし、焼結温度に到達する加熱過程で兼用させてもよい。前者の場合、例えば、窒素含有雰囲気の温度を８００〜１１２０℃さらには１０００〜１１００℃とするとよい。後者の場合、通常よりも焼結温度へ至る昇温速度を低くすると好ましい。例えば、その昇温速度を５〜３０℃／分とするとよい。なお、焼結温度の前後（予備工程と焼結過程）で窒素含有雰囲気中のガス圧を変更してもよい。
【００４９】
（３）焼結工程は、加熱された焼結体を強制冷却する冷却工程を備えると好ましい。これにより、焼結体の金属組織の粗大化等を抑制でき、ひいてはその機械的特性の向上を図れる。なお、強制冷却は、例えば、炉内に冷媒ガス（Ｎ２、Ａｒ等）を導入して行うことができる。
【００５０】
《鉄基焼結材》
本発明の鉄基焼結材は、緻密化されて高密度であるため、優れた機械的特性（剛性、強度等）を発揮する。特に本発明の鉄基焼結材は、硬質（高剛性）な化合物（ＴｉＮ、ＶＮなどの窒素化合物、ＴｉＣ、ＶＣなどの炭素化合物等）を内包するため、その密度に応じた高いヤング率を発揮する。なお、本発明の鉄基焼結材は、（Ｔｉ、Ｖ）Ｃが（Ｔｉ、Ｖ）Ｎへ変化して緻密化が図られるため、焼結体全体を１００質量％（単に「％」という。）として、Ｎを０．４〜３％、０．５〜２．５％さらには０．８〜２％含むことになる。但し、本発明に係る焼結体に含まれるＮの存在形態は（Ｔｉ、Ｖ）Ｎに限らない。
【００５１】
本発明の鉄基焼結材は、その用途を問わないが、高剛性が要求される各種部材、特に形状が比較的複雑でニアネットシェイプにより生産コストを削減できる部材に好適である。例えば、自動車等のエンジン部品（例えばコンロッド）、変速機部品、シャーシ部品、サスペンション部品、各種のシャフト類やプーリー類等に本発明の鉄基焼結材が用いられると好ましい。
【実施例】
【００５２】
原料粉末の配合、成形圧力、焼結条件（雰囲気、温度）等を種々変更した試料（成形体および焼結体）を製造し、それらの相対密度、寸法変化、重量変化、ヤング率等を測定した。これらに基づいて、本発明の内容をさらに具体的に説明する。
【００５３】
《試料の製造》
［原料粉末］
（１）鉄基粉末
先ず、以下に示す４種類の鉄基粉末を用意した。
(i)  純Ｆｅ粉
（ヘガネスＡＢ社製ASC100.29／比重：７．８６ｇ／ｃｍ３）、
(ii)  Ｆｅ―Ｍｏ合金粉：Ｆｅ―１．５％Ｍｏ
（ヘガネスＡＢ社製Astaloy Mo／比重：７．８６ｇ／ｃｍ３）、
(iii) Ｆｅ―Ｃｒ系合金粉：Ｆｅ―１．５％Ｃｒ―０．２％Ｍｏ
（ヘガネスＡＢ社製Astaloy CrL／比重：７．８２ｇ／ｃｍ３）、
(iv)  ＳＫＨ５７粉：Ｆｅ―１．３％Ｃ―０．３４％Ｓｉ―０．３４％Ｍｎ―４％Ｃｒ―３．５％Ｍｏ―９．９％Ｗ―３．３％Ｖ―１０％Ｃｏ
（ＪＩＳ  高速度工具鋼／比重：８．２６ｇ／ｃｍ３）
【００５４】
ＳＫＨ５７粉は平均粒径：１１μｍ、他の鉄基粉末は粒度：―２１２μｍであり、いずれの粉末も入手したまま用いた。なお、各粉末の組成（％）は、いずれも質量割合を意味する（以下同様）。後述する原料粉末の配合割合や含有組成も同様に質量割合である。
【００５５】
（２）化合物粉末
次に、以下に示す５種類の化合物粉末を用意した。
(i)   ＴｉＣ粉末：Ｔｉ―１９．８％Ｃ
（平均粒径：１．６μｍ／比重：４．９３ｇ／ｃｍ３）
(ii)   ＶＣ粉末：Ｖ―１６．９％Ｃ
（平均粒径：１．４μｍ／比重：５．４３ｇ／ｃｍ３）
(iii)  ＴｉＣ―ＴｉＮ粉末:Ｔｉ―９．９％Ｃ―１０．７％Ｎ
（平均粒径：１．４μｍ／比重：５．１９ｇ／ｃｍ３）
(iv)   ＴｉＮ粉末:Ｔｉ―２１．９％Ｎ
（平均粒径：１．３μｍ／比重：５．４４ｇ／ｃｍ３）
(v)   Ｓｉ３Ｎ４粉末:Ｓｉ―４０％Ｎ
（平均粒径：３．２μｍ／比重：３．４４ｇ／ｃｍ３）
なお、Ｓｉ３Ｎ４粉末はデンカ株式会社製であり、他の化合物粉末は日本新金属株式会社製である。
【００５６】
（３）さらに、黒鉛（Ｇｒ）粉末：日本黒鉛工業株式会社製ＪＣＰＢ（平均粒径：５．１μｍ／比重：２．２５ｇ／ｃｍ３）も用意した。
【００５７】
［混合工程］
一種の鉄基粉末のみを用いる場合を除き、所望の配合割合に秤量した各粉末を乳鉢で３分間混合した後、さらにボールミルで３０分間回転混合した。こうして得られた混合粉末を原料粉末として用いた。
【００５８】
［成形工程］
金型潤滑温間加圧成形法（特許３３０９９７０号公報参照）により原料粉末を加圧成形して成形体（φ１４×１０ｍｍ）を製造した。成形圧力は、３９２ＭＰａ、５８８ＭＰａまたは７８４ＭＰａのいずれかとした。
【００５９】
［焼結工程］
（１）各成形体をバッチ式焼結炉で焼結した。焼結雰囲気は、真空雰囲気（１〜５×１０-２Ｐａ）または窒素（Ｎ２）雰囲気とした。窒素雰囲気は、一定量（５リットル/分）の窒素ガスを炉内へ導入し、そのガス圧を１００〜１０２ｋＰａに調整して構成した。
【００６０】
焼結温度は、１２５０℃、１２００℃または１１５０℃のいずれかとした。その焼結温度を保持する均熱保持時間（焼結時間）は３０分間（０．５時間）とした。その焼結時間経過後の加熱状態にある焼結体は、冷媒（ガス）を吹き付けて６０℃位まで急冷（冷却速度：約９０℃／分）した（冷却工程）。この際、真空雰囲気で焼結したときはＡｒ、窒素雰囲気で焼結したときはＮ２を冷媒とした。
【００６１】
（２）窒素雰囲気中で焼結するときは、上述の焼結工程を行う前に予備工程を行った。予備工程は、上述した窒素雰囲気の焼結炉内に成形体を載置した状態で、焼結温度に至る昇温過程中の一定温度（１１００℃）で一定時間（３０分間）保持して行った。
【００６２】
《測定》
（１）密度、重量変化、寸法変化、
各試料の成形体と焼結体について、先ず、寸法および重量を実測して、嵩密度（ρ）、焼結前後の寸法（高さ、直径）と重量の変化をそれぞれ求めた。
【００６３】
嵩密度（ρ）と真密度（ρ０）に基づいて、各試料の相対密度を算出した。なお、真密度（ρ０）には、各粉末の配合組成と比重に基づいて算出したポアフリー密度（ＰＦＤ）を用いた。
【００６４】
また、焼結後の寸法から焼結前の寸法（成形体の寸法）を引いた差分を、その焼結前の寸法で除して焼結前後の寸法変化率を求めた。寸法変化率は、高さと直径の両方について算出した。
【００６５】
さらに、焼結後の重量から焼結前の重量（成形体の重量）を引いた差分を、その焼結前の重量で除して焼結前後の重量変化率も求めた。
【００６６】
（２）ヤング率
各試料に係る焼結体（試験片）のヤング率を超音波パルス法により求めた。具体的にいうと、縦波用および横波用の振動子を用いて試験片へ超音波パルスを伝播させ、その試験片内を伝播する縦波及び横波の伝播速度からヤング率を算出した。
【００６７】
（３）Ｎ量
一部の試料について、焼結体中に含まれるＮ量（質量％）を測定した。測定は、酸素・窒素分析装置（株式会社堀場製作所製  ＥＭＧＡ−６５０）を用いて、不活性ガス中溶融−熱伝導度法により行った。
【００６８】
《観察》
一部の試料（Ｎｏ．Ｂ１２、Ｂ３１）について、焼結体（金属組織）中に含まれる各元素の分布を電界放出型電子線マイクロアナライザー（ＦＥ−ＥＰＭＡ／日本電子株式会社製  ＪＸＡ−８５００Ｆ）で分析した。
【００６９】
《評価》
各試料の製造条件と特性等を各表１〜６にまとめて示した。また、各試料の特性等をまとめたグラフを各図１Ａ〜１２Ｂに示した。これらに基づいて、本発明の特徴を以下に具体的に説明する。なお、各表に示した含有組成は、各粉末の組成と配合割合に基づいて、原料粉末中に含まれるＣ、Ｔｉ、ＶまたはＮの質量割合を換算して示したものである。
【００７０】
（１）焼結雰囲気と炭化物量（ＴｉＣ量、ＶＣ量）の影響
鉄基粉末を純Ｆｅ粉として、化合物粉末（ＴｉＣ粉末またはＶＣ粉末）とＧｒ粉末の配合割合を種々変化させた試料を、表１と表２Ａ、２Ｂ（両者を併せて単に「表２」という。）に示した。表１には真空雰囲気で焼結した各試料を示し、表２には窒素雰囲気で焼結した各試料を示した。
【００７１】
また、Ｇｒ粉末の配合割合（単に「Ｇｒ量」という。）を１．２％とした各試料について、ＴｉＣ粉末の配合割合（単に「ＴｉＣ量」という。）と相対密度の関係を図１Ａに、Ｇｒ粉末：０．８％とした各試料について、ＶＣ粉末の配合割合（単に「ＶＣ量」という。）と相対密度の関係を図１Ｂに示した。図１Ａおよび図１Ｂ（両者を併せて単に「図１」という。）には成形体の相対密度も併せて示した。以後、特に断らない限り、焼結体の相対密度を単に「相対密度」という。
【００７２】
先ず、図１から明らかなように、ＴｉＣ粉末またはＶＣ粉末を原料粉末中に配合した成形体を窒素雰囲気中で焼結すると、焼結体の相対密度化がＴｉＣ量またはＶＣ量にほぼ比例して増加することがわかった。ちなみに、真空雰囲気で焼結した場合、焼結体の相対密度は成形体の相対密度とほぼ同様で、殆ど増加しないこともわかった。
【００７３】
次に、窒素雰囲気で焼結させた各試料（ＴｉＣ粉末配合、Ｇｒ量：１．２％）について、焼結前後の重量変化率（ΔＷ）と焼結体中に含有されている窒素の質量割合（単に「Ｎ量」という。）との関係を図２に示した。図２から明らかなように、Ｎ量の増加分は焼結体中の重量の増加分とほぼ比例関係にあることがわかった。さらにいえば、真空雰囲気中で焼結したときの重量の減少分：約０．２％を考慮すると、窒素雰囲気中で焼結した焼結体中に含まれるＮ量は、ほぼΔＷ＋０．２と見積り得る。
【００７４】
なお、各表に示した一部の試料で、焼結体の相対密度が１００％超となっている。この主な理由は、外部（窒素雰囲気）中から吸蔵したＮの増分に依ると考えられる（以下、同様）。
【００７５】
（２）Ｇｒ量の影響
表２に示した各試料に基づいて、原料粉末に配合したＧｒ量と焼結体の相対密度またはヤング率との関係を図３Ａ〜４Ｂに示した。図３Ａ、３Ｂ（両者を併せて単に「図３」という。）は原料粉末中にＴｉＣ粉末を配合した場合であり、図４Ａ、４Ｂ（両者を併せて単に「図４」という。）は原料粉末中にＶＣ粉末を配合した場合である。
【００７６】
図３および図４から明らかなように、原料粉末中にＧｒ粉末を配合することにより、ＴｉＣ量とＶＣ量が少なくても、相対密度およびヤング率を十分に向上させ得ることがわかった。換言すれば、Ｇｒ量が少なくても、ＴｉＣ量とＶＣ量が多くなれば、相対密度およびヤング率を十分に向上させ得る。従って、焼結体の緻密化または高剛性化を図るために、合計したＣ量が本発明で規定する範囲内であると好ましいといえる。
【００７７】
（３）焼結温度の影響
純Ｆｅ粉、ＶＣ粉末およびＧｒ粉末を配合した原料粉末からなる成形体を窒素雰囲気中で焼結するときの温度を変化させた試料を表３に示した。表２Ｂと表３に示した各試料に基づいて、ＶＣ量と相対密度またはヤング率との関係を図５Ａ、５Ｂ（両者を併せて単に「図５」という。）に示した。
【００７８】
図５から明らかなように、焼結温度が高くなると、ＶＣ量が少なくても、短時間の焼結工程で十分に高い相対密度とヤング率を実現できることがわかった。但し、焼結温度が低くても、ＶＣ量が多くなると、十分な相対密度およびヤング率が得られることもわかった。このことから、焼結温度が低く、ＶＣ量が少ない場合でも、例えば焼結時間を適切に設定すれば、相対密度およびヤング率を十分に高め得るとも言える。
【００７９】
（４）鉄基粉末の影響
鉄基粉末の種類を変更した各試料を表４に示した。表２と表４に示した各試料に基づいて、ＴｉＣ量またはＶＣ量と相対密度またはヤング率との関係に及ぼす鉄基粉末の影響を図６Ａ〜７Ｂに示した。図６Ａ、６Ｂ（両者を併せて単に「図６」という。）は原料粉末中にＴｉＣ粉末を配合した場合であり、図７Ａ、７Ｂ（両者を併せて単に「図７」という。）は原料粉末中にＶＣ粉末を配合した場合である。
【００８０】
図６、７から明らかなように、Ｆｅ―Ｃｒ系合金粉を用いた場合に少し緻密化し易い傾向が観られるもの、基本的に、鉄基粉末の種類による影響は小さく、いずれの鉄基粉末を用いても緻密化や高剛性化を図れ得ることがわかった。
【００８１】
（５）Ｎ源の影響
純Ｆｅ粉、ＴｉＣ粉末およびＧｒ粉末の他にＳｉ３Ｎ４粉末（Ｎ源粉末）を配合した原料粉末からなる成形体を真空雰囲気中で焼結させた試料を表５に示した。Ｓｉ３Ｎ４粉末の配合割合（単に「Ｓｉ３Ｎ４量」という。）を一定としたときのＴｉＣ量と相対密度の関係を図８に示した。またＴｉＣ量を一定としたときのＳｉ３Ｎ４量と相対密度またはヤング率との関係を図９Ａ、図９Ｂ（両者を併せて単に「図９」という。）に示した。
【００８２】
図８、９から明らかなように、成形体中に適量なＮ源があれば、真空雰囲気で焼結した場合でも、窒素雰囲気で焼結した場合と同様に、焼結体の緻密化や高剛性化を図れることがわかった。
【００８３】
（６）予合金化の影響
ＶおよびＣが予め合金化されているＳＫＨ５７を鉄基粉末として、化合物粉末の種類および配合量、成形圧力、焼結雰囲気を種々変更した各試料を表６Ａ、表６Ｂ（両者を併せて単に「表６」という。）に示した。
【００８４】
先ず、真空雰囲気または窒素雰囲気で焼結した各試料について、ＴｉＣ量と相対密度またはヤング率との関係を図１０Ａ、図１０Ｂ（両者を併せて単に「図１０」という。）に示した。図１０から明らかなように、ＳＫＨ５７を用いて真空雰囲気で焼結すると、ＴｉＣ量が増加するほど相対密度およびヤング率が逆に低下することがわかった。一方、窒素雰囲気で焼結すると、ＴｉＣ量を約４０質量％まで増量しても、ほぼ１００％の高い相対密度が安定的に得られ、ＴｉＣ量にほぼ比例してヤング率も増加することがわかった。
【００８５】
次に、成形圧力の異なる成形体を窒素雰囲気中で焼結した各試料について、ＴｉＣ量と相対密度またはヤング率との関係を図１１Ａ、図１１Ｂ（両者を併せて単に「図１１」という。）に示した。図１１から明らかなように、成形圧力が変化しても、上述したＴｉＣ量と相対密度またはヤング率との関係は維持されることがわかった。
【００８６】
ちなみに、表６Ａに示した試料Ｆ１と試料Ｆ４を比較すると明らかなように、原料粉末が化合物粉末を全く含まず鉄基粉末（ＳＫＨ５７）のみである場合でも、窒素雰囲気で焼結することにより、真空雰囲気で焼結したときよりも相対密度が約２％、重量変化率が約０．８％高くなった。このことから、窒素雰囲気中のＮ２が予合金化された鉄基粒子中に含まれるＶＣとも反応して、焼結体を緻密化させるといえる。
【００８７】
さらに、ＴｉＣ以外のＴｉ系化合物粉末（ＴｉＣ―ＴｉＮ粉末またはＴｉＮ粉末）を配合した原料粉末からなる成形体を窒素雰囲気で焼結した各試料について、それら化合物の配合割合（単に「化合物量」という。）と相対密度またはヤング率との関係を図１２Ａ、図１２Ｂ（両者を併せて単に「図１２」という。）に示した。図１２から明らかなように、ＴｉＣ粉末以外にＴｉＣ―ＴｉＮ粉末またはＴｉＮ粉末を配合しても、高い相対密度が得られ、ヤング率を増加させ得ることもわかる。但し、Ｃ含有量が多い化合物粉末ほど、焼結体の緻密化や高剛性化を図り易いこともわかった。
【００８８】
（７）金属組織
ＴｉＣを配合した試料Ｂ１２とＶＣを配合した試料Ｂ３１との各焼結体をＦＥ−ＥＰＭＡで観察した結果を、図１３Ａと図１３Ｂ（両者を併せて単に「図１３」という。）にそれぞれ示した。図１３から明らかなように、ＴｉＣまたはＶＣの分布とＮの分布とが一致していることがわかった。これらの結果から、原料粉末中に存在していた炭化物の一部が窒化物、炭窒化物またはそれらの混合物に変化することにより、Ｆｅ―Ｃ系液相が出現して焼結体が緻密化されたといえる。
【００８９】
以上、多数の試料に基づく評価、分析等により、本発明に規定した範囲内で鉄基焼結材の緻密化や高剛性化を図れることが確認された。
【００９０】
【表１】
2018083967.tif 000003
【００９１】
【表２Ａ】
2018083967.tif 000004
【００９２】
【表２Ｂ】
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【００９３】
【表３】
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【００９４】
【表４】
2018083967.tif 000007
【００９５】
【表５】
2018083967.tif 000008
【００９６】
【表６Ａ】
2018083967.tif 000009
【００９７】
【表６Ｂ】
2018083967.tif 000010
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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