(57)【要約】【課題】粉末冶金法で自動車用高強度焼結部品を製造するのに好適であり、かつ安価な合金鋼粉を提供する。【解決手段】Cr：0.3〜0.7質量％，Mn：0.10〜0.5質量％，Mo：0.10〜0.5質量％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉を用いて自動車用高強度焼結部品を製造する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cr：0.3〜0.7質量％、Mn：0.10〜0.5質量％、Mo：0.10〜0.5質量％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなることを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用高強度焼結部品の製造に好適な粉末冶金用合金鋼粉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄粉や合金鋼粉を金型内で加圧して成形し、さらに焼結して焼結体を得る粉末冶金法は、高い寸法精度を要求されるギヤ等の自動車用部品の製造に広く使用されている。自動車用部品として使用される焼結体は、原料粉（すなわち鉄粉，合金鋼粉）にCu粉，黒鉛粉，潤滑剤等を混合した混合粉を金型に充填して加圧成形し、さらに焼結して製造されており、一般に6.0〜7.2ｇ／cm3 程度の密度を有する。
【０００３】
自動車部品の中でも高強度を要求される部品（以下、自動車用高強度焼結部品という）を製造する場合は、合金元素（たとえばNi，Cu，Mo，Cr，Mn等）を鉄粉に添加して原料粉として使用する技術が実用化されている。このような原料粉にCu粉，黒鉛粉，潤滑剤等を混合して加圧成形し、さらに焼結する手順は、上記した通常の自動車用部品と同様である。ただし自動車用高強度焼結部品では、必要に応じて光輝焼入れ焼戻し処理，浸炭処理等が施される。
【０００４】
なお、合金元素を添加する方法としては、鉄基粉末を合金化する（いわゆる予合金）、所望の合金元素を含有する合金用粉末を結合剤とともに鉄基粉末と混合する、合金用粉末を鉄基粉末と混合する（結合剤を用いない）、合金用粉末を鉄基粉末と混合した後で高温に保持して冶金的に結合させる（いわゆる拡散付着）等の方法がある。これらの方法で得られる合金鋼粉（あるいは混合粉体）の特性や合金元素の均一度、焼結による合金元素の拡散状態は、それぞれ異なる。そのため、合金元素の選択および添加方法の選択は、焼結体の品質に多大な影響を及ぼす重要な因子である。
【０００５】
たとえば特許文献１には、Ni，Cu，Mo等の金属粉末を鉄粉に拡散付着したものを原料粉として使用する技術が開示されている。この技術は、原料粉を加圧成形した後で行なう焼結によって、鉄粉の表面に付着した金属粉末から鉄粉中にNi，Cu，Mo等が鉄粉中へ拡散し、鉄粉を合金化する。ところがNi，Cu，Mo等の拡散には長時間を要するので、鉄粉を十分に合金化するためには焼結時間を延長せざるを得ず、焼結の生産性が低下する。さらに、自動車用高強度焼結部品に要求される強度を得るためには、Ni，Cu，Mo等の金属粉末を多量に使用しなければならないので、原料コストの上昇を招く。
【０００６】
また、特許文献１に開示された技術で製造した焼結体は、NiやCuを含有するが、Niは人体に有害な元素であり、Cuは鋼材をリサイクルした場合に有害な元素としてスクラップに蓄積される問題がある。そこで、NiやCuを含有しない合金鋼粉が検討されている。
たとえば特許文献２には、Mo：0.2〜1.4質量％，Cr：0.1〜0.3％質量，Ｃ：0.10質量％以下，Ｏ：0.30質量％以下を含有する合金鋼粉が開示されている。Cr，Moは焼入れ性を改善する作用を有するので、この技術で製造した焼結体は、焼結によって強度が高くなる。しかし特許文献２に開示されたCr含有量は十分な量ではないので、自動車用高強度焼結部品に要求される強度は得られない。
【０００７】
Cr，Moの含有量を増加すれば、この問題は解決する。ところがCr，Moを多量に添加すると、合金鋼粉の圧縮性の低下や原料コストの上昇を招く。
特許文献３には、Ｃ：0.1質量％以下，Mn：0.08質量％以下，Cr：0.5〜３質量％，Mo：0.1〜２質量％，Ｓ：0.01質量％以下，Ｐ：0.2質量％以下，Ｏ：0.2質量％以下を含有する合金鋼粉が開示されている。しかし特許文献３の技術では、焼入れ性を向上させる作用を有するMnの含有量が十分ではないので、自動車用高強度焼結部品に要求される強度は得られない。
【０００８】
Mn含有量を増加すれば、この問題は解決する。ところがMnは酸化され易い元素であるから、Mnを多量に添加すると、加圧成形した後の焼結によって、あるいは焼結後の熱処理によって酸化物が生成し、焼結体の強度が低下する。
特許文献４には、Cr：1.3〜1.7質量％，Mo：0.15〜0.3質量％，Mn：0.09〜0.3質量％，Ｃ：0.01質量％以下，Ｏ：0.25質量％以下を含有する合金鋼粉が開示されている。しかし特許文献４の技術ではCr含有量が大きいので、合金鋼粉の圧縮性が低下し、焼結体の密度が減少する。また、Crは酸化され易い元素であるから、Crを多量に添加すると、加圧成形した後の焼結によって、あるいは焼結した後の熱処理によって酸化物が生成し、焼結体の強度が低下する。
【特許文献１】特公昭45-9649号公報
【特許文献２】特開昭61-117201号公報
【特許文献３】特開平5-287452号公報
【特許文献４】特表2005-530037号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、粉末冶金法で自動車用高強度焼結部品を製造するのに好適であり、かつ安価な合金鋼粉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】
【００１０】
発明者は、粉末冶金法で自動車用高強度焼結部品を製造するのに好適な合金鋼粉（以下、粉末冶金用合金鋼粉という）について鋭意検討した。その結果、粉末冶金用合金鋼粉にCr含有量とMn含有量を好適範囲に保持すれば、高価なMoの添加量を削減して、自動車用高強度焼結部品の製造が可能であることが分かった。つまりCr含有量，Mn含有量，Mo含有量を好適範囲に保持した粉末冶金用合金鋼粉を用いて製造した焼結体は、安価であり、かつ高強度が得られるので、自動車用高強度焼結部品として支障なく使用できる。また、焼結体に、必要に応じて熱処理（たとえば光輝焼入れ焼戻し処理，浸炭処理等）を施すことによって、自動車用高強度焼結部品としての特性がさらに向上する。
【００１１】
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、Cr：0.3〜0.7質量％，Mn：0.10〜0.5質量％，Mo：0.10〜0.5質量％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる粉末冶金用合金鋼粉である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、NiやCuを含有せず、安価でかつ高強度の焼結体を製造できる粉末冶金用合金鋼粉が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明の粉末冶金用合金鋼粉の成分の限定理由を説明する。
Cr：0.3〜0.7質量％
Crは、焼入れ性を向上させる元素であり、焼結した後の冷却でパーライトを微細化し、焼結の後で焼入れした場合にはマルテンサイト変態を生じさせることによって、焼結体の強度を高める効果を有する。Cr含有量が0.3質量％未満では、その効果は十分ではない。一方、0.7質量％を超えると、粉末冶金用合金鋼粉の各粒子の硬度が増加して加圧成形の際の圧縮性が低下する。また、焼結の雰囲気が弱酸化性（たとえば炭化水素変性ガス等）である場合には、粉末冶金用合金鋼粉がCrを過剰に含有すると酸化物が多量に生成され、焼結体の強度が低下する。焼結の雰囲気が低酸素分圧（たとえば真空，不活性ガス等）である場合でも、粉末冶金用合金鋼粉のCr含有量が0.7質量％を超えると、焼入れ性向上による焼結体の強度の大幅な向上は期待できず、むしろ圧縮性低下による焼結体の強度低下やCrの添加量増加に伴う原料コストの上昇が顕著になる。したがって、Crは0.3〜0.7質量％の範囲内とする。
【００１４】
Mn：0.10〜0.5質量％
Mnは、焼入れ性を向上させる元素であり、焼結した後の焼入れによってマルテンサイト変態を生じさせて、焼結体の強度を高める効果を有する。Mn含有量が0.10質量％未満では、その効果は十分ではない。一方、0.5質量％を超えると、加圧成形の際の圧縮性が低下し、焼結体の強度が低下する。また、焼結の雰囲気が弱酸化性のガス（たとえば炭化水素変性ガス等）である場合には、Mnを過剰に含有すると酸化物が多量に生成され、焼結体の強度が低下する。したがって、Mnは0.10〜0.5質量％の範囲内とする。好ましくは0.10〜0.25質量％である。
【００１５】
Mo：0.10〜0.5質量％
Moは、焼入れ性向上，固溶強化，析出強化によって、焼結体の強度を高める効果を有する。Mo含有量が0.10質量％未満では、その効果は十分ではない。一方、0.5質量％を超えると、加圧成形の際の圧縮性が低下し、焼結体の強度の大幅な向上は期待できず、むしろMoの添加量増加に伴って原料コストが著しく上昇する。したがって、Moは0.10〜0.5質量％の範囲内とする。
【００１６】
さらに本発明の粉末冶金用合金鋼粉ではＣ，Ｏの含有量を好適範囲内に保持することが好ましい。
Ｃ：0.01質量％以下
Ｃ含有量が0.01質量％を超えると、粉末冶金用合金鋼粉の各粒子の硬度が過剰に高まるので、加圧成形の際の圧縮性が低下し、焼結体の強度が低下する。したがって、Ｃは0.01質量％以下が好ましい。より好ましくは0.005質量％以下である。
【００１７】
Ｏ：0.2質量％以下
Ｏ含有量が0.2質量％を超えると、焼結が阻害され、焼結体の強度が低下する。したがって、Ｏは0.2質量％以下が好ましい。より好ましくは0.15質量％以下である。
上記した成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
次に、本発明の粉末冶金用合金鋼粉の製造方法を説明する
所定の成分を有する合金鋼を溶製し、水アトマイズ法で合金鋼粉を製造する。水アトマイズ法は、操業の条件や装置の構成を限定する必要はなく、従来から知られている技術を使用する。
【００１８】
水アトマイズ法で製造した合金鋼粉に、還元熱処理を施す。還元熱処理は、操業の条件や装置の構成を限定する必要はなく、従来から知られている技術を使用して、水素ガス雰囲気あるいは真空雰囲気で行なう。ただし真空雰囲気の方が、Ｃ，Ｏ含有量を低減できるので好ましい。
このようにして得られた合金鋼粉は、粉末冶金法で自動車用高強度焼結部品を製造するのに好適な合金鋼粉（すなわち粉末冶金用合金鋼粉）である。この本発明の粉末冶金用合金鋼粉を用いて自動車用高強度焼結部品を製造する方法を以下に説明する。
【００１９】
本発明の粉末冶金用合金鋼粉を、必要に応じて他の金属粉末や黒鉛粉末，潤滑剤と混合して、金型に充填し加圧成形する。その後、焼結を行なって焼結体を得る。
潤滑剤は、ステアリン酸亜鉛，ステアリン酸リチウム，オレイン酸，ステアリン酸アミド，エチレンビスステアロアミド等の公知の潤滑剤を使用することができる。潤滑剤の混合量は、粉末冶金用合金鋼粉の質量に対して0.2〜１質量％の範囲内が好ましい。
【００２０】
加圧成形は、操業の条件や装置の構成を限定する必要はなく、従来から知られている技術を使用する。ただし、圧力：400〜1000MPa，温度：室温（約20℃）〜160℃の範囲内で行なうことが好ましい。たとえば金型を50〜70℃に維持しつつ、室温の粉末冶金用合金鋼粉（あるいは必要に応じて金属粉末，黒鉛粉末，潤滑剤を添加した混合粉）を充填し加圧成形すれば、圧縮性が改善される。また、金型と粉末冶金用合金鋼粉とを120〜130℃に加熱して加圧成形する技術（いわゆる温間成形）も適用できる。
【００２１】
焼結は、操業の条件や装置の構成を限定する必要はなく、従来から知られている技術を使用する。ただし焼結コスト削減の観点から、大量生産が可能なメッシュベルト炉やトレープッシャー炉を使用することが好ましい。たとえばメッシュベルト炉を使用する場合は、冷却速度が10〜50℃／分程度であるから、本発明の成分を有する粉末冶金用合金鋼粉では微細なパーライトが得られる。
【００２２】
また焼結の加熱温度と加熱時間は、温度：1100〜1300℃，時間：10〜120分の範囲内が好ましい。コスト削減の観点から、焼結の温度は1100〜1160℃が一層好ましく、1100〜1140℃が最も好ましい。雰囲気は、炭化水素変性ガス（いわゆるＲＸガス），不活性ガス等を使用する。あるいは雰囲気を真空にしても良い。本発明の成分を有する粉末冶金用合金鋼粉では、酸化され易い元素であるCr，Moを低減したので、ＲＸガス雰囲気で焼結しても、粒界酸化が抑制され、自動車用高強度焼結部品として十分な特性が得られる。
【００２３】
このようにして得られ焼結体は、焼結したままで自動車用高強度焼結部品として使用できる。ただし、必要に応じて浸炭焼入れ（いわゆるＣＱＴ），光輝焼入れ（いわゆるＢＱＴ），高周波焼入れ，浸炭窒化熱処理等の熱処理を施しても良い。浸炭焼入れ，光輝焼入れ，高周波焼入れを施す場合は、さらに焼戻しを行なうことが好ましい。これらの熱処理を行なうことによって、自動車用高強度焼結部品としての特性がさらに向上する。なお熱処理は、操業の条件や装置の構成を限定する必要はなく、従来から知られている技術を使用する。
【実施例】
【００２４】
＜実施例１＞
表１に示す合金鋼粉を水アトマイズ法で製造し、真空中で還元熱処理を行なった。これらの粉末冶金用合金鋼粉に、黒鉛粉を0.3質量％，潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を0.8質量％添加して混合した。なお黒鉛粉とステアリン酸亜鉛の混合量は、粉末冶金用合金鋼粉の質量に対する割合である。
【００２５】
【表１】
2008223053.tif 000002
得られた混合粉を金型に充填し、加圧成形した後、焼結を行なって焼結体とした。加圧成形の圧力は588MPaであった。焼結は、雰囲気：窒素−10体積％水素混合ガス，温度：1130℃，時間：20分で行なった。
【００２６】
次いで、焼結体を浸炭処理に引き続いて油焼入れした後、焼戻しを行なった。浸炭処理は、雰囲気：カーボンポテンシャル0.8％，温度：900℃，時間：60分で行なった。焼戻しは、温度：180℃，時間：60分で行なった。
これらの焼結体の密度と引張強さを調査した。その結果は表２に示す通りである。表２から明らかなように、発明例は、いずれも引張強さが1000MPa以上であり、自動車用高強度焼結部品として十分な強度が得られた。
【００２７】
【表２】
2008223053.tif 000003
＜実施例２＞
表１に示す合金鋼粉を水アトマイズ法で製造し、真空中で還元熱処理を行なった。これらの粉末冶金用合金鋼粉に、電解銅粉を２質量％，黒鉛粉を0.8質量％，潤滑剤としてエチレンビスステアロアミドを0.6質量％添加して混合した。なお電解銅粉，黒鉛粉，エチレンビスステアロアミドの混合量は、粉末冶金用合金鋼粉の質量に対する割合である。
【００２８】
得られた混合粉を金型に充填し、加圧成形した後、焼結を行なって焼結体とした。加圧成形の圧力は686MPaであった。焼結は、雰囲気：ＲＸガス，温度：1130℃，時間：20分で行なった。
これらの焼結体の密度と引張強さを調査した。その結果は表３に示す通りである。表３から明らかなように、発明例は、いずれも引張強さが550MPa以上であり、良好な強度が得られた。
【００２９】
【表３】
2008223053.tif 000004