(57)【要約】【課題】表層部に均一なMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法を提供する。【解決手段】表層部にMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法において、鉄基粉末を容器に収容して攪拌しつつMo含有塩水溶液を噴霧し、次いで乾燥することによって鉄基粉末の表面にMo含有塩を付着させ、さらに還元性雰囲気にて800〜1000℃の範囲内で合金化熱処理を施してMo含有塩から鉄基粉末の表層部へMoを拡散させることによって表層部を合金化した合金鋼粉とし、合金化熱処理によって得られた合金鋼粉の凝集物を粉砕する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表層部にMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法において、鉄基粉末を容器に収容して攪拌しつつMo含有塩水溶液を噴霧し、次いで乾燥することによって前記鉄基粉末の表面にMo含有塩を付着させ、さらに還元性雰囲気にて800〜1000℃の範囲内で合金化熱処理を施して前記Mo含有塩から前記鉄基粉末の表層部へMoを拡散させることによって表層部を合金化した合金鋼粉とし、前記合金化熱処理によって得られた前記合金鋼粉の凝集物を粉砕することを特徴とするMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法。
【請求項２】
前記Mo含有塩がMoアンモニウム塩であることを特徴とする請求項１に記載のMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた強度を有し各種の焼結金属部品の原料として好適な合金鋼粉の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金技術は、高い寸法精度や複雑な形状が求められる部品を、製品形状に極めて近い形状に製造することを可能とし、各種の機械や装置の部品として多方面に利用されている。
原料として鉄基粉末を用いる場合は、鉄基粉末と合金用粉末（たとえば合金元素を含有する粉末，黒鉛粉等），潤滑剤粉末（たとえばステアリン酸Zn，ステアリン酸Li等）を混合して金型に充填し、さらに加圧成形して成形体とする。この成形体の密度は、通常、6.6〜7.1Mg／ｍ3程度である。鉄基粉末は、その成分によって鉄粉（たとえば純鉄粉，炭素鋼粉等）や合金鋼粉に分類される。また鉄基粉末は、製造方法によってアトマイズ鉄粉や還元鉄粉に分類される。
【０００３】
次いで鉄基粉末の成形体を焼結し、得られた焼結体にサイジングや切削加工を施して、各種の機械や装置の部品を製造する。部品の用途に応じて引張強度や疲労強度を高める必要がある場合は、焼結した後で、浸炭熱処理や光輝熱処理を施す。
近年、各種機械や装置の小型化，軽量化を図るために、部品の強度および疲労特性の向上が求められている。そこで粉末冶金技術で部品を製造するにあたって、合金元素（たとえばNi，Cu，Mo，Cr，Ｖ，Mn等）を添加した鉄基粉末を使用する技術が種々検討されている。鉄基粉末に合金元素を添加して粉末冶金技術に適用する方法は、
(a)あらかじめ合金（いわゆる予合金）にした鉄基粉末を粉末冶金技術に適用する、
(b)鉄基粉末と合金用粉末（すなわち所望の合金元素を含有する粉末）を混合して粉末冶金技術に適用する、
(c)鉄基粉末と合金用粉末，結合剤を混合して粉末冶金技術に適用する、
(d)鉄基粉末に合金用粉末を付着させて合金化熱処理を施し、合金元素を拡散させて合金用粉末を結合（いわゆる拡散付着）した鉄基粉末を粉末冶金技術に適用する
等がある。これら(a)〜(d)の方法は、各々単独で採用しても良いし、組み合わせて採用しても良く、製造される部品に要求される特性に応じて選択される。
【０００４】
特許文献１には、予合金としてMnとMoを含有する鉄基粉末の表面に、Mo含有合金粉末を拡散付着させた合金鋼粉が開示されている。この技術は鉄基粉末とMo含有合金粉末を混合することによってMo含有合金粉末を鉄基粉末の表面に付着させ、さらに合金化熱処理によってMoが濃化した層（以下、Mo高濃度層という）を表層部に形成させるものである。しかし、鉄基粉末とMo含有合金粉末とは必ずしも均一に混合されないので、表層部に形成されるMo高濃度層が不均一になる。その結果、得られた合金鋼粉から製造した部品の大幅な特性向上は期待できない。
【０００５】
つまり特許文献１に開示された合金鋼粉を粉末冶金技術に適用して製造した部品は、引張強度や疲労強度を均一かつ大幅に向上させる上で改善の余地が残されていた。
【特許文献１】特開2005-330573号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、表層部に均一なMo高濃度層を有する合金鋼粉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】
【０００７】
発明者らは、表層部に均一なMo高濃度層を有する合金鋼粉を製造する方法について鋭意検討した。その結果、
(A)鉄基粉末を攪拌しながらMo含有塩の水溶液を噴霧すれば、Mo含有塩の水溶液が鉄基粉末の表面に均一に付着する、
(B)上記の(A)に続いて鉄基粉末を乾燥して水分を蒸発させれば、Mo含有塩が均一に付着した鉄基粉末が得られる、
(C)上記の(B)で得られた鉄基粉末を還元性雰囲気（800〜1000℃）にて合金化熱処理を施すことによって表層部に均一なMo高濃度層を有する合金鋼粉が生成される、
(D)上記の(C)では合金鋼粉が凝集するので、粉末冶金技術に適用するためには凝集物を粉砕して粉体にする必要がある
という知見を得た。なお、ここでは鉄基粉末に合金化熱処理を施したものを合金鋼粉と記して、原料の鉄基粉末と区別する。
【０００８】
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、表層部にMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法において、鉄基粉末を容器に収容して攪拌しつつMo含有塩水溶液を噴霧し、次いで乾燥することによって鉄基粉末の表面にMo含有塩を付着させ、さらに還元性雰囲気にて800〜1000℃の範囲内で合金化熱処理を施してMo含有塩から鉄基粉末の表層部へMoを拡散させることによって表層部を合金化した合金鋼粉とし、合金化熱処理によって得られた合金鋼粉の凝集物を粉砕するMo高濃度層を有する合金鋼粉の製造方法である。
【０００９】
本発明の合金鋼粉の製造方法においては、Mo含有塩がMoアンモニウム塩であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、表層部に均一なMo高濃度層を有する合金鋼粉を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明を適用する装置の例を模式的に示す断面図である。図１に示すように、容器１内に鉄基粉末２を収容し、容器１の底面近傍に配設した攪拌羽根３を回転させて、鉄基粉末２を攪拌する。図１中の矢印ａは回転軸７の回転を示し、矢印ｂは攪拌による鉄基粉末２の流れを示す。
攪拌羽根３が小さ過ぎると鉄基粉末２の十分な攪拌が得られず、大き過ぎると多大な駆動力を要する。したがって攪拌羽根３が回転するときにその先端が形成する円の直径（以下、回転直径という）は100〜2000mmの範囲内が好ましい。
【００１２】
ただし攪拌羽根３による鉄基粉末２の攪拌能力は、攪拌羽根３と容器１の相対的な寸法差の制約を受ける。したがって攪拌羽根３が回転するときにその先端と容器１の間隔が一定となるように、円筒形状の容器１を使用することが好ましい。攪拌羽根３の回転直径が上記した範囲であれば、容器１の内径（底面の断面形状が多角形である場合は内接する円の径）を攪拌羽根３の回転直径の1.0〜1.5倍とすることが好ましい。
【００１３】
また、攪拌羽根３を回転させる速度（攪拌羽根３の先端の速度）が1.5ｍ／秒以上であれば鉄基粉末２は容器１内で十分に攪拌される。ただし鉄基粉末２の粒子の強度や靭性によっては、速度が30ｍ／秒を超えると、剪断力が作用して粒子が変形あるいは崩壊して、鉄基粉末２の特性が変化する。したがって、攪拌羽根３が回転するときの先端の速度は1.5〜30ｍ／秒が好ましい。
【００１４】
鉄基粉末２は、アトマイズ鉄粉，還元鉄粉，鉄基合金鋼粉が使用でき、平均粒径10〜150μｍ，嵩密度1.0〜4.5ｇ／cm3のものが好ましい。なお鉄基合金鋼粉は、通常の合金元素（たとえばNi，Cu，Mo，Cr，Ｖ，Mn等）を含有するものに適用できる。
容器１に収容した鉄基粉末２の上方には、２流体ノズル６が配設される。この２流体ノズル６は、Moを含有する塩基（以下、Mo含有塩という）の水溶液５（以下、Mo含有塩水溶液という）を噴霧ガス４とともに噴霧する。
【００１５】
Mo含有塩は、特定の成分に限定しない。ただし発明者らの研究によれば、後述する合金鋼粉の表層部に均一なMo高濃度層を生成させるためにはMoアンモニウム塩（たとえばヘプタモリブデン酸アンモニウム，ポリモリブデン酸アンモニウム，パラモリブデン酸アンモニウム等）が好適である。
Mo含有塩水溶液５中のMo含有塩が少量であれば、所定量のMo含有塩を付着させるのに長時間の噴霧を必要とするため、鉄基粉末２が変質する。一方、Mo含有塩水溶液にMo含有塩を多量に溶解させても、均一なMo高濃度層の形成に寄与する効果は向上しない。したがって、Mo含有塩水溶液５中のMo含有塩の含有量は１〜40質量％の範囲内が好ましい。
【００１６】
またMo含有塩水溶液５の噴霧量が少量であれば、後述する合金鋼粉の表層部にMo高濃度層を形成できない。一方、Mo含有塩水溶液を多量に噴霧すれば、鉄基粉末２が凝集して攪拌が困難になる。したがって、Mo含有塩水溶液５の噴霧量は１kgの鉄基粉末２あたり１〜100mg／秒の範囲内が好ましい。
噴霧ガス４は、得られる合金鋼粉の用途に応じて選択する。通常は空気を使用するが、酸化物の生成を抑制する必要がある用途に用いる場合は不活性ガス（たとえばアルゴンガス，窒素ガス等）を用いることが好ましい。また噴霧ガス４の温度は、得られる合金鋼粉の用途に応じて設定する。通常は室温とするが、冷却あるいは加熱しても良い。
【００１７】
このようにしてMo含有水溶液５を鉄基粉末２の表面に付着させた後、攪拌羽根３を回転させながら乾燥して水分を蒸発させる。その際、攪拌羽根３を上記した条件と同様にして回転させる。
鉄基粉末２を乾燥する方法は特に限定しないが、容器１を加熱することによって水分を蒸発させることが好ましい。加熱温度が50℃未満では、水分の蒸発に長時間を要するので、鉄基粉末２の表面が劣化（たとえば錆の発生）する。一方、200℃を超えると、鉄基粉末２の粒子が焼き付いて粗大化するので、粉末冶金技術に適用するのが難しい。したがって、鉄基粉末２を乾燥する際の加熱温度は50〜200℃の範囲内が好ましい。
【００１８】
このようにして鉄基粉末２を攪拌しながらMo含有塩水溶液を噴霧した後、攪拌を継続して乾燥を行なうことによって、表面にMo含有塩が均一に付着した鉄基粉末２を得ることができる。あるいは、Mo含有塩水溶液と乾燥を同時に行なうことも可能である。
次いで、還元性雰囲気で鉄基粉末２に合金化熱処理を施して、Mo含有塩から鉄基粉末の表層部へMoを拡散させ、その表層部を合金化する。合金化熱処理によって合金化した表層部は、Moが濃化した層（すなわちMo高濃度層）である。既に説明した通り、鉄基粉末２にはMo含有塩が均一に付着しているので、合金化熱処理によって均一なMo高濃度層が形成される。
【００１９】
合金化熱処理の温度が800℃未満ではMo高濃度層が形成されない。一方、1000℃を超える鉄基粉末２の粒子が焼き付いて粗大化するので、粉末冶金技術に適用するのが難しい。したがって、合金化熱処理の温度は800〜1000℃の範囲内とする。
合金化熱処理の保持時間が５分未満ではMo高濃度層が形成されない。一方、120分を超えると鉄基粉末２の粒子が焼き付いて粗大化するので、粉末冶金技術に適用するのが難しい。したがって、合金化熱処理の保持時間は５〜120分の範囲内が好ましい。
【００２０】
ここでMo高濃度層は、Mo濃度が2.0質量％以上の領域を指すが、そのMo高濃度層が合金鋼粉の断面積に対する面積率で１〜30％存在することが好ましい。
【実施例】
【００２１】
図１に示すように、容器１内に鉄基粉末２を収容し、容器１の底面近傍に配設した攪拌羽根３を回転させて、鉄基粉末２を攪拌した。鉄基粉末２はMoを0.6質量％含有する粉末を2000ｇ使用した。攪拌羽根３の回転速度は500回転／分（攪拌羽根３の先端の速度に換算すると4.7ｍ／秒）とした。
こうして鉄基粉末２を攪拌しながらMo含有塩水溶液５を200秒間噴霧した。Mo含有塩水溶液５は、濃度15質量％のヘプタモリブデン酸アンモニウム水溶液を使用した。噴霧ガス４は、室温の空気を使用した。次いで、Mo含有塩水溶液５の噴霧を停止し、鉄基粉末２の攪拌を300秒間継続しながら容器１を110℃に加熱して水分を蒸発させた。
【００２２】
さらに、還元性雰囲気（露点30℃，水素雰囲気）で鉄基粉末２に合金化熱処理（温度900℃，保持時間60分）を施して、表層部にMo高濃度層を有する合金鋼粉を得た。これを発明例とする。
一方、比較例として、発明例と同じ鉄基粉末２にMoＯ3粉末を添加し、Ｖ型混合機で15分間混合した後、還元性雰囲気（露点30℃，水素雰囲気）で合金化熱処理（温度900℃，保持時間60分）を施して、表面にMoを拡散付着させた合金鋼粉を得た。
【００２３】
発明例と比較例で得られた合金鋼粉に、それぞれNi粉を１質量％，黒鉛粉を0.3質量％，潤滑剤としてエチレンビスステアロアミドを0.5質量部（合金鋼粉，Ni粉，黒鉛粉の合計量を100質量部とする）を添加してＶ型混合機で15分間混合した。次いで、その混合粉体を金型に充填して室温で加圧成形（圧力686MPa）した。
得られた成形体にプロパン変性ガス（いわゆるＲＸガス）雰囲気で焼結（温度1130℃，保持時間20分）を行ない、焼結体とした。その焼結体に、カーボンポテンシャル0.8質量％でガス浸炭（温度900℃，保持時間60分）した後、焼入れ（焼入れ温度60℃，油焼入れ）および焼戻し（焼戻し温度180℃，保持時間60分）を行なった。
【００２４】
これらの一連の処理を施した発明例と比較例の焼結体の引張強度と回転曲げ疲労強度を測定した。その結果は表１に示す通りである。なお引張試験は、平行部の直径５mm，長さ15mmの小型丸棒試験片を焼結体から採取し、室温で行なった。回転曲げ疲労強度は、平行部の直径８mm，長さ15.4mmの平滑丸棒試験片を焼結体から採取し、小野式回転曲げ疲労試験機を用いて、107回で破壊を生じない荷重から算出した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１から明らかなように、発明例は引張強度，回転曲げ疲労強度ともに優れていた。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を適用する装置の例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  容器
２  鉄基粉末
３  攪拌羽根
４  噴霧ガス
５  Mo含有水溶液
６  ２流体ノズル
７  回転軸
【図１】
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