(57)【要約】【課題】粉末冶金の原料として好適に用いることができ、硬度と耐食性、機械的強度に優れた焼結体を与えうる金属粉末、また、そのような焼結体、およびその製造方法を提供する。【解決手段】Ｃを含有し、かつ、質量％で、０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．１０％、０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、Ｎ≦０．４０％、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％、Ａｌ≦０．０８０％、０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる金属粉末とする。また、上記において、０．１５％≦Ｃ＜０．７０％、０．０５％≦Ｎ≦０．４０％であるマルテンサイト鋼よりなり、０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％、かつＣ／Ｎ≧０．７５である焼結体とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃを含有し、かつ、
質量％で、
０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、
０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、
Ｐ≦０．１０％、
Ｓ≦０．１０％、
０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、
０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、
１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、
０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、
０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、
Ｎ≦０．４０％、
０．０２％＜Ｏ≦０．６０％、
Ａｌ≦０．０８０％、
０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする金属粉末。
【請求項２】
Ｃの含有量が、質量％で、
Ｃ≦１．００％であることを特徴とする請求項１に記載の金属粉末。
【請求項３】
Ｎの含有量が、質量％で、
０．００５％≦Ｎ≦０．４０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属粉末。
【請求項４】
ＣとＮの含有量の合計が、質量％で、
０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の金属粉末。
【請求項５】
ＣとＮの含有量の比が、
Ｃ／Ｎ≧０．７５であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の金属粉末。
【請求項６】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％、
０．０１％≦Ｗ≦０．５０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の金属粉末。
【請求項７】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％、
０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％、
０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％、
０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の金属粉末。
【請求項８】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％、
０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％、
Ｔｉ≦０．２０％、
０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の金属粉末。
【請求項９】
質量％で、
０．１５％≦Ｃ＜０．７０％、
０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、
０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、
Ｐ≦０．１０％、
Ｓ≦０．１０％、
０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、
０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、
１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、
０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、
０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、
０．０５％≦Ｎ≦０．４０％、
０．０２％＜Ｏ≦０．６０％、
Ａｌ≦０．０８０％、
０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるマルテンサイト鋼よりなり、
０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％、かつ
Ｃ／Ｎ≧０．７５であることを特徴とする焼結体。
【請求項１０】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％、
０．０１％≦Ｗ≦０．５０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項９に記載の焼結体。
【請求項１１】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％、
０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％、
０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％、
０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項９または１０に記載の焼結体。
【請求項１２】
さらに、質量％で、
０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％、
０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％、
Ｔｉ≦０．２０％、
０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％
から選択される少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の焼結体。
【請求項１３】
請求項１から８のいずれか１項に記載の金属粉末を成形して焼結することで、請求項９から１２のいずれか１項に記載の焼結体を製造することを特徴とする焼結体の製造方法。
【請求項１４】
窒素を含む雰囲気中で焼結を行うことを特徴とする請求項１３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、金属粉末、焼結体、および焼結体の製造方法に関し、さらに詳しくは、粉末冶金の原料として用いることができる金属粉末、そのような金属粉末の焼結によって製造することができる焼結体、およびそのような焼結体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
射出成形やプレス成形等を用いて、ステンレス鋼等よりなる金属粉末材料を所定の形状に成形したうえで、成形体を焼結し、焼結体を得る粉末冶金の工程によって、金属成形部材を製造する方法が公知である。この際、得られる金属成形部材において、高い硬度や耐食性が要求される場合がある。
【０００３】
ステンレス鋼に高硬度や高耐食性が要求される場合には、従来一般には、ＳＵＳ４４０ＣやＳＵＳ４２０Ｊ２といったマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられてきた。これらのうち、ＳＵＳ４４０Ｃは非常に高い硬度を有するが、母相における固溶Ｃｒ量が少ないために、十分な耐食性を有さない。一方、ＳＵＳ４２０Ｊ２は、炭素量が相対的に少ないために、十分な硬さが得られない。
【０００４】
そこで、高硬度と高耐食性を両立するマルテンサイト鋼として、本出願人の出願による特許文献１に示されるような成分組成を有するものが、新たに開発されている。特許文献１のマルテンサイト鋼は、０．１５％≦Ｃ＜０．７０％、０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．１０％、０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、０．０１％≦Ｗ≦０．５０％、０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎ≦０．４０％、Ｏ≦０．０２％、Ａｌ≦０．０８０％、及び、０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含み、残部が実質的にＦｅ及び不可避的不純物からなり、０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％、かつＣ／Ｎ≧０．７５である、という成分組成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２７７６３９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に開示されるような高強度と高耐食性を両立するマルテンサイト鋼を、金属粉末を構成する材料として用いれば、粉末冶金工程を経て、高強度と高耐食性を備えた焼結体として、金属成形部材を得られる可能性がある。しかし、特許文献１に開示されたマルテンサイト鋼は、プラスチックの射出成形に用いる金型を構成する鋼材として想定されており、溶解・鋳造によって所定の形状に成形した後、適宜熱処理を経て、金型として用いられるものである。
【０００７】
同じ成分組成を有する合金材料を用いたとしても、溶解・鋳造の工程と、粉末冶金における焼結の工程とでは、合金材料の組織において生じる物理現象が相違し、その結果として、得られる金属部材において、組織の微細構造や物理的特性が相違する可能性がある。よって、溶解・鋳造によって成形される特許文献１のマルテンサイト鋼の組成をそのまま粉末冶金原料としての金属粉末に適用したとしても、粉末冶金の工程を経て、硬度や耐食性、機械的強度等の物理的特性に優れた焼結体が得られるとは限らない。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、粉末冶金の原料として好適に用いることができ、硬度と耐食性、機械的強度に優れた焼結体を与えうる金属粉末を提供することにある。また、そのような焼結体、およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明にかかる金属粉末は、Ｃを含有し、かつ、質量％で、０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．１０％、０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、Ｎ≦０．４０％、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％、Ａｌ≦０．０８０％、０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。
【００１０】
ここで、Ｃの含有量が、質量％で、Ｃ≦１．００％であるとよい。
【００１１】
また、Ｎの含有量が、質量％で、０．００５％≦Ｎ≦０．４０％であるとよい。
【００１２】
ＣとＮの含有量の合計が、質量％で、０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％であるとよい。
【００１３】
ＣとＮの含有量の比が、Ｃ／Ｎ≧０．７５であるとよい。
【００１４】
前記金属粉末は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％、０．０１％≦Ｗ≦０．５０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００１５】
前記金属粉末は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％、０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％、０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％、０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００１６】
前記金属粉末は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％、０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％、Ｔｉ≦０．２０％、０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００１７】
本発明にかかる焼結体は、質量％で、０．１５％≦Ｃ＜０．７０％、０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％、０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％、Ｐ≦０．１０％、Ｓ≦０．１０％、０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％、１１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％、０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％、０．０１％≦Ｖ≦０．５０％、０．０５％≦Ｎ≦０．４０％、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％、Ａｌ≦０．０８０％、０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなるマルテンサイト鋼よりなり、０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％、かつＣ／Ｎ≧０．７５である。
【００１８】
前記焼結体は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％、０．０１％≦Ｗ≦０．５０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００１９】
前記焼結体は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％、０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％、０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％、０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００２０】
前記焼結体は、さらに、質量％で、０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％、０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％、Ｔｉ≦０．２０％、０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％から選択される少なくとも１種を含有するとよい。
【００２１】
本発明にかかる焼結体の製造方法は、上記発明にかかる金属粉末を成形して焼結することで、上記発明にかかる焼結体を製造するものである。
【００２２】
ここで、窒素を含む雰囲気中で焼結を行うとよい。
【発明の効果】
【００２３】
上記発明にかかる金属粉末は、所定の成分組成を有することにより、焼結を経て、硬度と耐食性、機械的強度に優れた焼結体を与えることができる。特に、０．０２質量％を超えるＯを、Ｓｉとともに含有することで、焼結時に、ＳｉＯ２として、結晶粒界におけるピン止め効果を発揮し、焼結体の組織を微細化する。それにより、焼結体の機械的強度が高められ、靱性や疲労強度が向上する。
【００２４】
上記発明にかかる焼結体は、所定の成分組成を有することにより、硬度と耐食性、機械的強度に優れた金属成形部材となる。特に、０．０２質量％を超えるＯを、Ｓｉとともに含有することで、焼結時に生成したＳｉＯ２によるピン止め効果により、焼結体の組織が微細化される。それにより、焼結体の機械的強度が高められ、靱性や疲労強度の高い焼結体となる。
【００２５】
上記発明にかかる焼結体の製造方法においては、所定量のＯを含有する金属粉末を原料として、成形と焼結を行うことで、硬度および耐食性とともに、機械的強度に優れた焼結体を製造することができる。成形時や焼結時の条件により、焼結体におけるＣやＮの含有量を制御して、各特性を調整することも可能である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態にかかる金属粉末および焼結体、焼結体の製造方法について詳細に説明する。
【００２７】
［焼結体］
まず、本発明の一実施形態にかかる焼結体について説明する。本実施形態にかかる焼結体は、金属粉末材料を所望の部材の形状に成形し、焼結してなるものである。
【００２８】
本実施形態にかかる焼結体は、マルテンサイト鋼よりなる。つまり、ステンレス鋼の粉末が焼結されたものよりなり、マルテンサイト組織を有している。そして、本実施形態にかかる焼結体は、以下のような元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。添加元素の種類、成分比および限定理由などは、以下のとおりである。なお、成分比の単位は、質量％である。
【００２９】
（１）  ０．１５％≦Ｃ＜０．７０％。
Ｃは、強度および耐摩耗性を確保するのに必要な元素であり、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成する元素である。また、Ｃは、金属粉末の製造時や、焼結体の作製時、焼結体の焼入れ時等に加熱を受けた際に、マトリックスに固溶し、マトリックスをマルテンサイト組織化することによって硬度を確保する元素である。強度および耐摩耗性の向上や硬度確保の効果を得るためには、Ｃ量は０．１５％以上が好ましい。
一方、Ｃ量が過剰になると、Ｃが炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、母相中のＣｒ、Ｍｏ等の固溶量が低下する。母相中のＣｒ、Ｍｏ等の固溶量の低下は、耐食性を低下させる原因となる。従って、Ｃ量は、０．７０％未満が好ましい。
【００３０】
（２）  ０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％。
Ｓｉは、主に脱酸剤又は窒素添加のために添加される。また、Ｏと結合し、ＳｉＯ２となって、金属粉末材料の焼結時に、粒界におけるピン止め効果により、結晶組織の微細化に寄与する。それらの効果を得るために、Ｓｉ量は、０．０５％以上が好ましい。
一方、Ｓｉ量が過剰になると、靱性を低下させる。従って、Ｓｉ量は、１．００％以下が好ましい。
【００３１】
（３）  ０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％。
Ｍｎは、焼入れ性向上元素として添加され、焼結体に対して焼入れを行う際の焼入れ性を向上させる。また、不可避的に含まれるＳを固定し、靱性の低下を防止する効果もある。このような効果を得るためには、Ｍｎ量は、０．０５％以上が好ましい。
一方、Ｍｎは酸化物を形成しやすいため、Ｍｎ量が過剰になると、金属粉末や焼結体中のＯ濃度が、必要以上に上昇しやすくなる。従って、Ｍｎ量は、１．００％以下が好ましい。
【００３２】
（４）  Ｐ≦０．１０％。
（５）  Ｓ≦０．１０％。
Ｐ、Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる。Ｐは結晶粒界への偏析を起こし、Ｓは硫化物を形成し、靱性を低下させる原因となる。従って、ＰおよびＳが不可避的に含有される場合に、Ｐ量は、０．１０％以下が好ましい。また、Ｓ量は、０．１０％以下が好ましい。
【００３３】
（６）  ０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％。
Ｃｕは、耐食性を向上させる元素である。耐食性向上の効果を得るためには、Ｃｕ量は、０．００１％以上が好ましい。
一方、Ｃｕ量が過剰になると、残留オーステナイト量が増加し、寸法の経年変化を引き起こす。従って、Ｃｕ量は、０．５０％以下が好ましい。
【００３４】
（７）  ０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％。
Ｎｉは、焼結体中、また原料となる金属粉末中の窒素の含有量を増加させるのに寄与する。このような効果を得るためには、Ｎｉ量は、０．０５％以上が好ましい。
一方、Ｎｉ量が過剰になると、残留オーステナイト量が増加し、寸法の経年変化を引き起こす。従って、Ｎｉ量は、０．５０％以下が好ましい。
【００３５】
（８）  １１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％。
Ｃｒは、焼結体中、また原料となる金属粉末中の窒素の含有量を増加させるのに寄与する。このような効果を得るためには、Ｃｒ量は、１１．０％以上が好ましい。
一方、Ｃｒ量が過剰になると、サブゼロ処理を行っても残留オーステナイト量が増加し、硬さが低下する。従って、Ｃｒ量は、１８．０％以下が好ましい。
【００３６】
（９）  ０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％。
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、Ｍｏ量は、０．０５％以上が好ましい。
一方、Ｍｏ量が過剰になると、粗大な炭窒化物を形成し、鏡面性の低下を招く。従って、Ｍｏ量は、２．０％以下が好ましい。
【００３７】
（１０）  ０．０１％≦Ｖ≦０．５０％。
Ｖは、焼結体中、また原料となる金属粉末中の窒素の含有量を増加させるのに寄与する。このような効果を得るためには、Ｖ量は、０．０１％以上が好ましい。
一方、Ｖ量が過剰になると、粗大な炭窒化物を形成し、鏡面性の低下を招く。従って、Ｖ量は、０．５０％以下が好ましい。
【００３８】
（１１）  ０．０５％≦Ｎ≦０．４０％。
Ｎは、侵入型固溶体を形成する侵入型元素であり、マルテンサイト組織の硬さの上昇に寄与する。また、マトリックス中にＮを固溶させると、耐食性が向上する。このような効果を得るためには、焼結体中におけるＮ量は、０．０５％以上が好ましい。
一方、Ｎ量が過剰になると、炭窒化物が過剰に生じるため、焼結体の靱性が低下する。従って、Ｎ量は、０．４０％以下が好ましい。
【００３９】
（１２）  ０．０２％＜Ｏ≦０．６０％。
金属粉末原料を焼結して焼結体とする際に、金属粉末原料にＯが含有されると、Ｓｉと結合してＳｉＯ２を形成する。ＳｉＯ２は、焼結時に、結晶粒界においてピン止め効果を発揮し、結晶粒の粗大化を抑制する効果を有する。結晶粒の微細化により、焼結体の機械的強度が向上する。特に、焼結体の靱性や疲労強度が向上する。これらの特性の向上は、焼結体の抗折力の向上として反映される。そのような効果を十分に得る観点から、焼結体中のＯ量は、０．０２％よりも多いことが好ましい。
一方、Ｏ量が多くなりすぎると、金属粉末の焼結性が悪くなり、焼結体中の空孔率が高くなる。すると、高密度の焼結体が得にくくなる。従って、焼結体におけるＯ量は、０．６０％以下が好ましい。０．５０％以下、さらには０．２４％以下であると、より好ましい。
【００４０】
（１３）  Ａｌ≦０．０８０％。
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素である。しかし、Ａｌ量が過剰になると、粗大な窒化物を形成し、鏡面性を低下させる。従って、Ａｌを添加する場合に、Ａｌ量は、０．０８０％以下が好ましい。
【００４１】
（１４）  ０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％。
Ｂは、粒界を強化させ、焼入れ・サブゼロ処理等の熱処理の際の割れを低減させる元素である。このような効果を得るためには、Ｂ量は、０．０００５％以上が好ましい。
一方、Ｂ量が過剰になると、窒化物を形成し、耐食性を低下させる。従って、Ｂ量は、０．００５０％以下が好ましい。
【００４２】
本発明にかかる焼結体においては、添加元素が上述した範囲にあることに加えて、Ｃ量及びＮ量の間に、以下の関係を有している。
（Ａ）  ０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％。
（Ｂ）  Ｃ／Ｎ≧０．７５。
上記のように、Ｎは、耐食性と硬さの双方を向上させる元素である。しかしながら、Ｎ単独では、十分な硬さが得られない。これに対し、Ｃを含む鋼中にさらにＮを添加すると、焼入れ等で加熱される際の温度におけるＣの固溶限が大きくなり、マルテンサイト変態後に高硬度が得られる。このような効果を得るためには、Ｃ＋Ｎ量は、０．４％より大きいことが好ましい。
一方、Ｃ＋Ｎ量が過剰になると、粗大な炭窒化物を形成し、鏡面性を低下させる。従って、Ｃ＋Ｎ量は、０．７％未満が好ましい。
また、Ｎに対してＣが相対的に少ないと、マルテンサイト変態後に、硬さが確保できない。従って、Ｃ／Ｎは、０．７５以上が好ましい。
【００４３】
本実施形態にかかる焼結体は、上記所定量のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｂを含有し、残部は、Ｆｅと不可避的不純物よりなる。なお、ＰおよびＳの含有量は、上記のように、それぞれ０．１０％以下に抑えられていることが好ましいが、金属粉末に、バインダ等の有機材料を混合して成形し、焼結体を製造する場合に、有機材料に由来するＰおよびＳが、不可避的不純物として、上記範囲を超えて焼結体に含有される場合を排除するものではない。
【００４４】
本実施形態にかかる焼結体は、上述した各種の必須元素に加えて、以下のいずれか少なくとも１種の第１添加元素を含んでいても良い。
（１５）  ０．０１％≦Ｗ≦０．５０％。
（１６）  ０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％。
Ｗは、焼入れ性を向上させる元素である。このような効果を得るためには、Ｗ量は、０．０１％以上が好ましい。
一方、Ｗ量が過剰になると、粗大な炭窒化物を形成し、鏡面性の低下を招く。従って、Ｗ量は、０．５０％以下が好ましい。
Ｃｏも、Ｗと同様に、焼入れ性を向上させるために添加することができる。このような効果を得るためには、Ｃｏ量は、０．００１％以上が好ましい。
一方、Ｃｏを過剰に添加しても、効果が飽和し、実益がない。従って、Ｃｏ量は、０．５０％以下が好ましい。
【００４５】
本実施形態にかかる焼結体は、上述した第１添加元素に加えて、または、これに代えて、以下のいずれか少なくとも１種の第２添加元素をさらに含んでいても良い。
（１７）  ０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％。
（１８）  ０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％。
（１９）  ０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％。
（２０）  ０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％。
Ｓｅ、Ｔｅ、Ｃａ、Ｐｂ及びＢｉは、いずれも被削性を向上させるために添加することができる。このような効果を得るためには、各元素の添加量は、上述した下限値以上が好ましい。
一方、これらの元素を過剰に添加すると、靱性の低下を招く。従って、各元素の添加量は、上述した上限値以下が好ましい。
【００４６】
本実施形態にかかる焼結体は、上述した第１添加元素および／または第２添加元素に加えて、または、これらに代えて、以下のいずれか少なくとも１種の第３添加元素をさらに含んでいても良い。
（２１）  ０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％。
（２２）  ０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％。
（２３）  Ｔｉ≦０．２０％。
（２４）  ０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％。
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ及びＺｒは、いずれもＣ、Ｎと結合して炭窒化物を形成し、結晶粒の粗大化抑制に効果がある。このような効果を得るためには、これらの元素の添加量は、上述した下限値以上が好ましい。
一方、これらの元素を過剰に添加すると、被削性を劣化させる。従って、これらの元素の添加量は、上述した上限値以下が好ましい。
【００４７】
本実施形態にかかる焼結体は、侵入型元素としてＣに加えてＮを含有し、かつ、Ｃ＋Ｎ量及びＣ／Ｎ比が所定の値に調整されているため、焼入れ等で加熱を行う際の温度におけるＣの固溶限を大きくする（すなわち、オーステナイト領域を広くする）ことができる。そのため、マルテンサイト変態後に高硬度が得られる。また、耐食性を向上させる各種の元素を添加することに加えて、マトリックス中に適量のＮを固溶させると、耐食性がさらに向上する。さらに、鋼中にＢを添加することによって粒界が強化され、焼入れ・サブゼロ処理等の熱処理の際の割れを低減することができる。
【００４８】
そして、本実施形態にかかる焼結体は、０．０２％を超えるＯを含有しているため、ＳｉＯ２によるピン止め効果により、結晶粒が微細化され、高い機械的強度を有するものとなる。結晶粒の微細化の程度は、例えば、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に規定される結晶粒度番号によって評価することができ、結晶粒度番号４．０以上、さらには５．０以上であることが好ましい。また、焼結体の抗折力は、３０００ＭＰａ以上であることが好ましい。
【００４９】
一方、Ｏの含有量が０．６０％以下に抑えられていることにより、高密度の焼結体とすることができる。焼結体の密度は、相対密度で、９２％以上であることが好ましい。相対密度は、９４％以上、さらには９６％以上であると、より好ましい。
【００５０】
本実施形態にかかる焼結体によって構成する具体的な金属成形部材の種類は、特に限定されるものではない。複雑な形状への成形が行いやすいという粉末冶金の特性と、焼結体の硬度、耐食性、機械的強度等の物理特性を活用する観点から、軸受等の摺動部品を構成する場合を、好適な例として挙げることができる。
【００５１】
［金属粉末］
次に、本発明の一実施形態にかかる金属粉末について説明する。本実施形態にかかる金属粉末は、粉末冶金の原料として用いることができ、所望の形状に成形し、焼結することで、上記実施形態にかかる焼結体のように、硬度と耐食性、機械的強度に優れた焼結体を与えうるものである。
【００５２】
本実施形態にかかる金属粉末は、以下のような元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる。
【００５３】
（１）  Ｃ：含有量は特に指定されない。
（２）  ０．０５％≦Ｓｉ≦１．００％。
（３）  ０．０５％≦Ｍｎ≦１．００％。
（４）  Ｐ≦０．１０％。
（５）  Ｓ≦０．１０％。
（６）  ０．００１％≦Ｃｕ≦０．５０％。
（７）  ０．０５％≦Ｎｉ≦０．５０％。
（８）  １１．０％≦Ｃｒ≦１８．０％。
（９）  ０．０５％≦Ｍｏ≦２．０％。
（１０）  ０．０１％≦Ｖ≦０．５０％。
（１１）  Ｎ≦０．４０％。
（１２）  ０．０２％＜Ｏ≦０．６０％。
（１３）  Ａｌ≦０．０８０％。
（１４）  ０．０００５％≦Ｂ≦０．００５０％。
【００５４】
上記において、（１）Ｃおよび（１１）Ｎを除いて、各必須元素の含有量の範囲は、上記にて焼結体について挙げた範囲と同じであり、焼結体について説明したのと同じ理由で、それらの範囲に限定される。ＣおよびＮ以外の各必須元素は、金属粉末から、成形と焼結を経て成形体とした際に、実質的に変化するものではなく、金属粉末中に上記所定の範囲の含有量で含有されることで、焼結体において、それぞれの効果を発揮することができる。ＣおよびＮについては、金属粉末中における含有量に加えて、金属粉末の成形時や焼結時の条件によって、焼結体中における含有量を制御することができる。
【００５５】
（１）Ｃについては、金属粉末を成形する際に、バインダ等として有機物や黒鉛等を添加することで、焼結体中のＣ量が多くなる。一方、焼結前の成形体に対して脱脂を行って、バインダ等に由来する有機分を除去しておくことで、焼結体中のＣ量が少なくなる。また、成形した金属粉末の焼結を真空中で行って、金属粉末由来、および／または有機物等の添加物由来のＣを、金属粉末中のＯと結合したＣＯの形で除去することでも、焼結体中のＣ量が少なくなる。
【００５６】
このように、Ｃ量については、金属粉末の成形時や焼結時の条件によって、幅広く制御することができるので、金属粉末における含有量は、特に指定されない。ただし、Ｃが過剰に焼結体中に残存することによる耐食性の低下を回避する観点から、金属粉末中のＣ量は、１．００％以下、さらには０．７０％未満であることが好ましい。
一方、金属粉末中のＣ量の下限については、バインダ等の混合により、焼結体中に不可避的にＣが含有されることになるので、特に指定されない。バインダ等の有機物を使用しない場合等においては、Ｃ量が、０．１５％以上であるであるとよい。
【００５７】
（１１）Ｎについては、上記のように、焼結体中に含有されることで、焼結体の硬度および耐食性の向上に高い効果を有する元素であるが、窒素を含む雰囲気中で焼結を行う等の手段を採用することで、焼結工程において添加可能であるため、必ずしも金属粉末に含有されなくてもよい。従って、金属粉末におけるＮ量の下限は特に指定されない。ただし、焼結工程の条件がＮを焼結体中に導入しにくいものであっても、焼結体中で所定のＮ量を確保する観点からは、Ｎ量が０．００５％以上、さらには０．０５％以上であることが好ましい。
一方、焼結体中にＮが過剰に残存することを回避する観点から、金属粉末中のＮ量は、０．４０％以下であることが好ましい。
【００５８】
（１２）Ｏについても、金属粉末の成形時や焼結時の条件によって、焼結体中の含有量が金属粉末の含有量から変化しうる。焼結時に、金属粉末や、有機物等の添加物に由来するＣと結合してＣＯとなるので、真空中で焼結を行うことで焼結体中から除去され、焼結体中のＯ量が減少する。また、水素雰囲気中で焼結を行った場合にも、焼結体中のＯ量が減少する。逆に、焼結を大気中等、酸素を含む条件で行うと、焼結体中のＯ量が増加する。
【００５９】
このように、焼結時の条件によってＯ量は変化しうるが、上記のように、所定量を超えるＯを焼結体中に含有させて焼結体の機械的強度を確保することが非常に重要であるため、金属粉末中のＯ量を、０．０２％超としておくことが好ましい。
一方、焼結体の密度を確保する観点から、金属粉末中のＯ量は、０．６０％以下であることが好ましい。０．５０％以下、さらには、０．４０％以下であると、さらに好ましい。
【００６０】
上記のように、金属粉末の成形時や焼結時の条件に応じて、ＣおよびＮの含有量が変動しうるため、本実施形態にかかる金属粉末においては、ＣとＮの含有量の関係は、特に限定されないが、以下のような関係を有していることが好ましい。
（Ａ）  ０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％。
（Ｂ）  Ｃ／Ｎ≧０．７５。
金属粉末がこのような関係性を有していることで、焼結を経て得られる焼結体においても、同様の関係性が得られる蓋然性が高くなり、焼結体において、それら所定の関係性による高硬度等の効果を達成しやすい。
【００６１】
本実施形態にかかる金属粉末は、上述した各種の必須元素に加えて、以下のいずれか少なくとも１種の第１添加元素を含んでいても良い。
（１５）  ０．０１％≦Ｗ≦０．５０％。
（１６）  ０．００１％≦Ｃｏ≦０．５０％。
【００６２】
また、本実施形態にかかる金属粉末は、上述した第１添加元素に加えて、または、これに代えて、以下のいずれか少なくとも１種の第２添加元素をさらに含んでいても良い。
（１７）  ０．００１％≦Ｓｅ≦０．３％。
（１８）  ０．００１％≦Ｔｅ≦０．３％。
（１９）  ０．０００２％≦Ｃａ≦０．１０％。
（２０）  ０．００１％≦Ｐｂ≦０．２０％。
【００６３】
さらに、本実施形態にかかる金属粉末は、上述した第１添加元素および／または第２添加元素に加えて、または、これらに代えて、以下のいずれか少なくとも１種の第３添加元素をさらに含んでいても良い。
（２１）  ０．００１％≦Ｎｂ≦０．３０％。
（２２）  ０．００１％≦Ｔａ≦０．３０％。
（２３）  Ｔｉ≦０．２０％。
（２４）  ０．００１％≦Ｚｒ≦０．３０％。
【００６４】
上記第１〜第３の各添加元素の含有量の範囲は、上記にて焼結体について挙げた範囲と同じであり、焼結体について説明したのと同じ理由で、それらの範囲に限定される。各添加元素は、金属粉末の焼結を経た際に、実質的に変化するものではなく、金属粉末中に上記所定の範囲の含有量で含有されることで、焼結体において、それぞれの効果を発揮することができる。
【００６５】
本実施形態にかかる金属粉末の結晶組織は、特に限定されるものではない。金属粉末が、マルテンサイト以外の組織構造をとる場合でも、焼結時のＣやＮの含有量の変化や、焼結時の加熱およびその後の冷却、焼結体に対する焼入れ処理を経て、マルテンサイト組織を有する焼結体とすることができる。金属粉末の粒径は、特に指定されるものではなく、金属粉末の製造工程や焼結工程等の詳細に応じて適宜設定すればよいが、典型的には、平均粒径Ｄ５０で、１〜２０μｍの範囲を例示することができる。
【００６６】
本実施形態にかかる金属粉末を製造する方法は、特に指定されるものではないが、例えば、アトマイズ法によって、本実施形態にかかる金属粉末を好適に製造することができる。アトマイズ法においては、合金溶湯に流体を噴射し、流体との衝突によって合金溶湯を微細化した状態で凝固させ、合金粉末を製造する。
【００６７】
アトマイズ法としては、合金溶湯に噴射する流体として、水を用いる水アトマイズ法と、ガスを用いるガスアトマイズ法が知られている。水アトマイズ法は、ガスアトマイズ法に比べて合金溶湯の粉砕能が高く、微細な金属粉末を効率良く製造することができる。一方、水アトマイズ法においては、水との接触による酸化のために、金属粉末中のＯ量が多くなりやすい。本実施形態にかかる金属粉末は、焼結体の機械的強度の向上の観点から、比較的多量のＯを含有するものであり、水アトマイズ法によって製造することが好適である。ただし、本実施形態にかかる金属粉末の中でも、概ねＯ≦０．１％のように、相対的にＯ量が少ないものを製造する場合には、不活性ガスを用いたガスアトマイズ法を採用すると良い。
【００６８】
アトマイズ法等によって得られた金属粉末には、適宜、分級や熱処理、機械処理、化学処理、混合等を行ってもよい。
【００６９】
［焼結体の製造方法］
最後に、本発明の一実施形態にかかる焼結体の製造方法について説明する。本実施形態にかかる製造方法においては、上記実施形態にかかる金属粉末を原料として用いた粉末冶金により、つまり、上記実施形態にかかる金属粉末の成形と焼結によって、上記実施形態にかかる焼結体を製造する。
【００７０】
本実施形態にかかる製造方法においては、まず、金属粉末を、所定の形状に成形する。成形の方法は特に限定されないが、射出成形、プレス成形、押出成形等を例示することができる。
【００７１】
ここで、金属粉末は、成形に先立ち、各成形方法に適した状態に準備しておくことが好ましい。例えば、射出成形を用いる場合には、有機材料よりなるバインダやワックス、可塑剤、黒鉛等の添加物を混合して、コンパウンドを調製しておく。また、プレス成形を用いる場合には、造粒剤等を用い、複数の金属粉末を結着させて、造粒粉末を形成する造粒工程を実施しておくとよい。
【００７２】
所定の形状に金属粉末を成形した後、必要に応じて、成形体に対して脱脂工程を実施するとよい。脱脂工程は、バインダやワックス等として金属粉末に添加した有機分を減少させる工程であり、加熱による有機分の分解によって行うことができる。あるいは、溶媒や、バインダやワックスを分解するガスとの接触による有機分の除去によって行うことができる。脱脂工程を経ることで、焼結を経て得られる焼結体中のＣ量を少なくすることができる。
【００７３】
適宜脱脂を経た成形体に対して、次に、焼結（焼成）を行う。焼結は、例えば、１２００〜１３５０℃の温度で行うことができる。焼結時の雰囲気としては、大気、真空、水素（Ｈ２）等の還元性ガス、アルゴン等の不活性ガス、窒素を含む雰囲気等を例示することができる。窒素を含む雰囲気としては、窒素ガス（Ｎ２）雰囲気、窒素−水素混合雰囲気（Ｎ２＋Ｈ２）、またアンモニア分解ガス雰囲気を例示することができる。焼結の際、加熱温度や焼結後の冷却条件を適切に選択すれば、原料としての金属粉末がマルテンサイト組織を有していない場合でも、マルテンサイト変態を起こし、マルテンサイト組織を有する焼結体を得ることができる。
【００７４】
上記実施形態にかかる焼結体においては、上記のように、Ｃ、Ｎ、Ｏの含有量が、焼結体の特性に大きな影響を及ぼす。Ｃ、Ｎ、Ｏの含有量は、雰囲気の種類等、焼結時の条件に大きく依存し、焼結時の条件の制御により、それらの元素の含有量を制御することができる。
【００７５】
例えば、窒素を含む雰囲気中で焼結を行うことが好適である。それにより、焼結体のＮ量を多くすることができる。真空中や不活性ガス中で焼結を行うと、Ｎの気相への脱出が起こり、焼結体中のＮ量が、原料の金属粉末に比べて減少しやすい。そこで、焼結体中のＮ量を減少させないため、また、増加させるために、窒素を含む雰囲気中で焼結を行うことが好ましい。
【００７６】
一方、焼結を真空中で行うと、ＣとＯの反応によるＣＯの生成と排気により、焼結体中のＣ量およびＯ量を低減することができる。Ｏについては、水素雰囲気中で焼結を行うことでも、効果的に低減することができる。
【００７７】
しかし、上記のように、真空中で焼結を行うと、焼結体中のＮ量を維持することが難しい。そこで、窒素を含む雰囲気中での焼結と、真空中での焼結を、順次行うようにすればよい。それにより、Ｎ量の維持と、Ｃ量およびＯ量の低減を両立することができる。各雰囲気での焼結の順序は、適宜定めればよいが、例えば、焼結初期の比較的低温の時期においては、真空中で焼結を行って、Ｏ量を低減させ、その後、焼結体の温度が十分に高温となってから、窒素雰囲気中での焼結に切り替えて、Ｎ量を増加させながら、焼結体の密度を向上させることができる。
【００７８】
得られた焼結体に対して、さらに、適宜、熱処理や機械加工を行うことができる。熱処理としては、焼入れ処理、サブゼロ処理、及び焼戻し処理、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）処理等を例示することができる。機械加工としては、切削を例示することができる。
【００７９】
なお、本実施形態にかかる製造方法においては、Ｃを含有し、Ｎ≦０．４０％、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％である上記実施形態にかかる金属粉末を原料として、０．１５％≦Ｃ＜０．７０％、０．０５％≦Ｎ≦０．４０％、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％であり、０．４％＜Ｃ＋Ｎ＜０．７％かつＣ／Ｎ＞０．７５である上記実施形態にかかる焼結体を製造しているが、上記のように、焼結体におけるＣ、Ｎ、Ｏの含有量は、金属粉末の成分組成だけでなく、金属粉末の成形時および焼結時の条件に依存して、変化しうる。よって、Ｃ、Ｎ、Ｏのいずれか少なくとも１つの含有量が上記実施形態にかかる金属粉末とは異なる金属粉末を原料として、上記実施形態にかかる焼結体を製造することもできる。
【実施例】
【００８０】
以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００８１】
＜試料の作製＞
（金属粉末の作製）
アトマイズ法により、表１に示す各成分組成を有する試料１〜６にかかる金属粉末を製造した。この際、試料１については、ガスアトマイズ法を用い、試料２〜６については、水アトマイズ法を用いた。さらに、得られた各金属粉末について、レーザー回折法により、平均粒径Ｄ５０を計測した。
【００８２】
（焼結体の作製）
金属粉末と黒鉛粉末と有機バインダ（ポリプロピレン、カルナバワックスおよびパラフィンワックスの混合物）とを秤量混合し、混練機で混練して、コンパウンドを作製した。黒鉛粉末の添加量は、焼結体のＣ含有量が所定の組成となるように調整し、コンパウンド中における有機バインダの割合は、７．５質量％とした。
【００８３】
得られたコンパウンドを用いて、射出成形機にて、５ｍｍ×７ｍｍ×５０ｍｍの直方体状の成形体を作製した。次いで、得られた成形体を窒素（Ｎ２）フロー雰囲気中で４５０℃まで昇温後、２時間保持することで、脱脂処理を行った。得られた脱脂体を真空中で１０００℃まで昇温後、２時間保持した。その後さらに、窒素（Ｎ２）雰囲気に切り替えて１２５０℃まで昇温後、３時間保持し、焼結体を作製した。
【００８４】
得られた焼結体に対して、１０５０℃にて３０分加熱保持後、ガス冷却により急冷することで、焼入れ処理を行った。続けて、−１９６℃にて１時間保持し、サブゼロ処理を行った。さらに、サブゼロ処理まで施した焼結体に対して、１５０℃にて１時間保持し、焼戻し処理を行った。
【００８５】
＜焼結体の特性評価＞
上記で製造した各試料にかかる焼結体に対して、以下の各特性の評価を行った。
【００８６】
（相対密度）
各焼結体に対して、水浸によるアルキメデス法によって、相対密度を計測した。
【００８７】
（結晶粒度）
焼結体の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察し、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に準拠して、結晶粒度番号を求めた。
【００８８】
（硬さ）
各焼結体に対して、ＪＩＳ  Ｚ２２４５に準拠したロックウェル硬さ試験を行い、硬さを評価した。
【００８９】
＜耐食性＞
各焼結体に対して、ＪＩＳ  Ｚ２３７１に準拠した塩水噴霧試験を行った。９６時間の塩水噴霧の後、焼結体の表面を目視観察し、発錆が観察されなかったものを、耐食性が高い（Ａ）と評価し、発錆が観察されたものを、耐食性が低い（Ｂ）と評価した。
【００９０】
＜抗折力＞
試料１〜３にかかる焼結体について、３ｍｍ×５ｍｍ×３５ｍｍの試験片に加工し、抗折試験を行った。試験は、支点間距離２０ｍｍ、中央部１点負荷の３点曲げ試験によって行い、得られた破断応力を抗折力として記録した。
【００９１】
＜試験結果＞
表１に、試料１〜６にかかる金属粉末の成分組成を、平均粒径とともに示す。残部はＦｅおよび不可避的不純物よりなっている。また、表２に、各金属粉末から製造された焼結体について、成分組成と特性評価の結果を示す。焼結体の成分組成については、Ｃ、Ｎ、Ｏにかかる値のみを示している。それら以外の成分元素については、金属粉末における含有量から変化していない。
【００９２】
【表１】
2019044236.tif 000002
【００９３】
【表２】
2019044236.tif 000003
【００９４】
試料２〜５にかかる金属粉末は、表１に示すように、本発明の実施形態にかかる金属粉末の成分組成を満たしている。そして、それら金属粉末を原料として製造された各焼結体も、本発明の実施形態にかかる焼結体の成分組成を満たしている。
【００９５】
その結果として、試料２〜５にかかる焼結体は、５７ＨＲＣ以上の高硬度と高い耐食性に加え、５．５以上の大きな結晶粒度番号を有している。結晶粒度番号が大きくなっていること、つまり結晶組織が微細になっていることは、焼結体の機械的強度が高くなっていることを示唆しており、実際に、試料２，３において、３０００ＭＰａ以上の高い抗折力が確認されている。さらに、試料２〜５にかかる各焼結体においては、９７％以上の相対密度が計測されており、高密度の焼結体が得られていることが確認される。このように、微細な結晶組織と高い焼結密度が得られているのは、特に、焼結体におけるＯの含有量が、０．０２％＜Ｏ≦０．６０％の範囲にあることによると解釈される。なお、試料２の成分に、それぞれＣｏ：０．２０％、Ｗ：０．１０％、Ｐｂ：０．００５％、Ｎｂ：０．００５％を添加した４つの試料についても、試料２と同様の特性が観測された。
【００９６】
これに対し、試料１にかかる金属粉末においては、Ｏの含有量が、０．０２％以下となっている。焼結体中のＯの含有量も、０．０２％未満となっている。そして、焼結体の結晶粒度番号が３．１と小さくなっているとともに、３０００ＭＰａ未満の抗折力しか得られていない。金属粉末中のＯの含有量が少ないために、焼結体中においても十分なＯを含有させることができず、その結果として、結晶粒が粗大になり、焼結体の機械的強度が低くなってしまっていると解釈できる。
【００９７】
一方、試料６にかかる金属粉末においては、Ｏの含有量が、０．６０％を超えている。焼結体とした際には、Ｏの含有量は減少しており、０．６０％以下の範囲に収まっている。ただし、焼結体中のＯの含有量が、試料１〜５と比較すると多くなっており、その結果として、焼結体の相対密度が、試料１〜５と比べて、低くなっている。
【００９８】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。