(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Mn： 1.0質量％以下およびMo： 0.2〜1.5 質量％を予合金化して含み残部が実質的にFeおよび不可避的不純物からなる鉄基粉末の表面に、部分的に拡散付着された粉末の形でMoを合金鋼粉全量の 0.2〜10.0質量％含有するとともに前記鉄基粉末の表面にMoが高い濃度で偏析し、かつ加圧成形を施すことによって効率的に空孔がつぶれて高密度の焼結体が得られることを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉。
【請求項２】
請求項１に記載の粉末冶金用合金鋼粉を成形し、次いで焼結したことを特徴とする焼結体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉末冶金用合金鋼粉に関し、 特に高密度かつ高強度の各種焼結金属部品を得るために好適な粉末冶金用合金鋼粉、およびそれを焼結して得られる焼結体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
粉末冶金技術は、高寸法精度の複雑な形状の部品をニアネット形状に生産することが可能であり、大幅に切削コストを低減できることから、粉末冶金製品が多方面に利用されている。最近では、部品の小型・軽量化のため、鉄系の粉末冶金製品の高強度化が強く要求されている。
【０００３】
粉末冶金用鉄基粉末成形体は、鉄基粉末に、銅粉、黒鉛粉などの合金用粉末と、さらにステアリン酸、ステアリン酸リチウム等の潤滑剤を混合した鉄基粉末混合粉を金型に充填した後、加圧成形し製造されるのが一般的である。成形体の密度としては、 6.6〜7.1 Ｍｇ／ｍ3 が一般的である。これら鉄基粉末成形体は、さらに焼結処理を施され焼結体とされ、さらに必要に応じてサイジングや切削加工が施され、粉末冶金製品とされる。また、さらに高強度が必要な場合は焼結後に浸炭熱処理や光輝熱処理を施されることもある。
【０００４】
粉末冶金製品の強度を向上させるために、焼入性を改善する合金元素を鉄基粉末に添加することが一般的に行われている。この目的に有効な元素として、例えば特公昭63-66362号公報では、Moを圧縮性を損なわない範囲（Mo： 0.1〜1.0 質量％）で鉄粉に予合金化し、この鉄粉の粒子表面にCuとNiを粉末の形で拡散付着させることによって、圧粉成形時の圧縮性と焼結後の部材の強度を両立させている。しかしながら、NiやCuは、近年の環境対応やリサイクル性の観点からは不利な元素であり、できるだけ使用を避けることが望ましい。
【０００５】
Moを主たる合金元素として、NiやCuを含まないMo系合金鋼粉もこれまで提案されている。たとえば特公平6-89365 号公報では、フェライト安定化元素であるMoを添加して、Feの自己拡散速度の速いα単一相を形成して焼結を促進させる目的で、Moを 1.5〜20質量％の範囲で予合金として含む合金鋼粉が提案されている。しかしながら、Mo添加量が比較的高いため、合金鋼粉の圧縮性が低く、高い成形密度が得られないという欠点があった。
【０００６】
一方、 特公平7-51721 号公報には、 鉄粉にMoを 0.2〜1.5 質量％，Mnを0.05〜0.25質量％の範囲で予合金化させた、圧粉成形時の圧縮性が比較的高い鋼粉が開示されている。しかしながら、この鋼粉ではMo量が 1.5質量％以下であるためα相単相とならない。したがって、粒子間の焼結の進行が促進されず、開空孔の多い組織となるため、 特に加圧焼結に用いた場合に空孔を効率的につぶすことができず、緻密化が進行しにくいという問題点があった。
【０００７】
このように、従来のMo合金鋼粉は、高圧縮性と高焼結性を両立するには不十分なものであった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の従来技術の問題点を克服し、高圧縮性と高焼結性を両立させて、成形体の成形密度を高めるとともに開空孔を減少させることができる粉末冶金用合金鋼粉、およびそれを焼結して得られる焼結体を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的のための本発明は、Mn： 1.0質量％以下およびMo： 0.2〜1.5 質量％を予合金化して含み残部がFeおよび不可避的不純物からなる鉄基粉末の表面に、部分的に拡散付着された粉末の形でMoを合金鋼粉全量の 0.2〜10.0質量％含有するとともに前記鉄基粉末の表面にMoが高い濃度で偏析し、かつ加圧成形を施すことによって効率的に空孔がつぶれて高密度の焼結体が得られることを特徴とする粉末冶金用合金鋼粉である。
また本発明は、上記した粉末冶金用合金鋼粉を成形し、次いで焼結したことを特徴とする焼結体である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の合金鋼粉について、図面にしたがって、さらに詳細に説明する。
本発明の合金鋼粉の製造にあたっては、図２に示すように、まず所定量のMoとMnを予め合金成分として（すなわち予合金として）含有する鉄基粉末(a) とMo原料粉末(b) を準備する。
【００１１】
鉄基粉末(a) としては、合金成分を所定量に調整した溶鋼を水ないしガスで噴霧したアトマイズ鉄粉が好ましい。 アトマイズ鉄粉は、通常、アトマイズ後に還元性雰囲気（例えば水素雰囲気）中で加熱してＣとＯを低減させる処理を施すが、本発明の鉄基粉末(a) にはこのような熱処理を施さないアトマイズままの鉄粉を用いることも可能である。
【００１２】
Mo原料粉末(b) としては、金属Mo粉末を用いても良いし、あるいはMo酸化物（すなわちMoＯ3 ）粉やフェロモリブデン粉を用いても良い。
次いで、前記した鉄基粉末(a) とMo原料粉末(b) を、所定の比率で混合(c) する。混合(c) には適用可能な任意の方法（例えばヘンシェルミキサーやコーン型ミキサーなど）を用いることができる。鉄基粉末(a) とMo原料粉末(b) との付着性を改善するために、スピンドル油等を 0.1質量％以下の範囲で添加することも可能である。
【００１３】
この混合物を、水素雰囲気等の還元性雰囲気にて、 800〜1000℃の範囲で熱処理(d) することにより、本発明の合金鋼粉(e) が得られる。
この合金鋼粉は、図１に模式的に示すように、Mo原料粉末２と鉄基粉末１とが接触する部位３において、Mo原料粉末２中のMoの一部が鉄基粉末１粒子中に拡散して、Moの残部はMo原料粉末２に残留した状態で鉄基粉末１表面に付着（以下、拡散付着という）している。なお図１ではMoの拡散付着は１ケ所のみ図示しているが、実際の合金鋼粉では拡散付着箇所は１ケ所に限定されないことは言うまでもない。
【００１４】
なお、Mo原料粉末２としてMo酸化物粉を用いた場合には、 この熱処理工程においてMo酸化物が金属の形態に還元される。その結果、金属Mo粉をMo原料粉末２として用いた場合と同様に、拡散付着によって部分的にMo含有量が増加した状態が得られる。 なお、このようにして熱処理（すなわち拡散付着処理）を行なうと、通常は鉄基粉末１とMo原料粉末２が焼結して固まった状態となるので、所望の粒径に破砕・分級し、必要に応じさらに焼鈍を施して、最終的な合金鋼粉製品とする。
【００１５】
本発明の合金鋼粉４における合金元素量の限定理由について説明する。
本発明の合金鋼粉４で、予合金として（すなわち予め合金成分として）鉄基粉末１に含まれるMoは 0.2〜1.5 質量％である。予合金としてのMo含有量が 1.5質量％を超えても、焼入性向上の効果はさほど変わらず、かえって合金鋼粉４粒子の硬化により圧縮性が低下して好ましくない。経済的な観点からも不利となる。また、予合金としてのMo含有量が 0.2質量％未満の合金鋼粉４を成形・焼結後、浸炭処理および焼入れを行なった場合、 焼結体中にフェライト相が析出しやすくなり、その結果、焼結体が軟らかく強度的にも低いものとなる。
【００１６】
予合金として鉄基粉末１に含まれるMnは 1.0質量％以下である。予合金としてのMn含有量が 1.0質量％を超えると、Mn含有量に見合う焼入性向上の効果が得られなくなり、かえって合金鋼粉４粒子の硬化により圧縮性が低下して好ましくない。経済的な観点からも不利となる。なお、Mnは鉄基粉末１中に不可避的不純物として0.04質量％程度は必ず含まれ、Mn含有量を0.04質量％よりも低減しようとするとコスト高となる。したがってMn含有量は、好ましくは0.04〜1.0 質量％である。
【００１７】
本発明の合金鋼粉４で、部分的に拡散付着した粉末の形で含有されるMo含有量は、合金鋼粉全量の 0.2〜10.0質量％である。 0.2質量％未満では、焼入性向上の効果が少なく、また粒子界面での焼結促進効果も小さくなる。また、10.0質量％を超えても焼入性向上の効果や焼結促進の効果がさほど見られなくなり且つコスト高となる。なお、合金鋼粉４の圧縮性を確保するという観点からは、粉末の形で拡散付着されるMo含有量は 5.0質量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
本発明の合金鋼粉４では、不純物として含有されるＣが0.05質量％以下，Ｏが 0.3質量％以下，Ｎが50質量ppm 以下であることが好ましい。不純物の含有量がこれらの値を超えると、鉄基粉末１とMo原料粉末２とを混合（すなわち図１における混合(c) の工程）した混合粉末の圧縮性が低下し、 十分な密度を有する合金鋼粉４が得られないからである。
【００１９】
また、本発明における鉄基粉末１の平均粒径は特に限定されないが、工業的に低コストで製造される範囲として30〜120 μｍが好適である。なお、本発明でいう平均粒径は、重量積算粒度分布の中点（ｄ50）である。
本発明の合金鋼粉４は、予合金として鉄基粉末１中に含まれる元素が比較的少ないため、合金鋼粉４粒子の硬度が低いレベルに抑制され、圧縮成形時に高い密度が得られる。 また、粒子表面にはMoが比較的高い濃度で偏析しているため、成形体の焼結時には粒子界面でα単一相が形成される。その結果、焼結による合金鋼粉４粒子間の結合が促進され、閉空孔が形成されやすい。この特性により、本発明の合金鋼粉４を、特に加圧成形技術に適用した場合には、効率的に空孔がつぶれて高い密度の焼結体が得られる。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例でさらに詳細に本発明について説明するが、 本発明の合金鋼粉およびその用途は、以下の例に何ら限定されるものではない。
所定量のMoおよびMnを含む溶鋼を水アトマイズ法によって噴霧した後、水素雰囲気中で還元処理し、さらに解砕して鉄基粉末を製造した。この鉄基粉末にMo原料粉末としてMoＯ3 粉末を所定の比率添加し、さらにスピンドル油を 0.015質量％添加して、Ｖ型混合器で15分間混合した。
【００２１】
この混合粉を露点40℃の水素雰囲気で熱処理（保持温度 875℃，保持時間１hr）してMoＯ3 粉末を金属Moに還元するとともに、鉄基粉末の表面に拡散付着させて、表１に示す組成の合金鋼粉を製造した。いずれの合金鋼粉も平均粒径（ｄ50）は70〜90μｍの範囲にあった。なお、試料番号４は、MoＯ3 粉の添加前にアトマイズ粉の還元処理を省略した試料である。いずれの試料もＣは0.01質量％以下，Ｏは 0.2質量％以下，Ｎは20質量ppm 以下であることを化学分析で確認した。合金鋼粉粒子表面のMoの部分拡散は、粒子断面のＥＰＭＡ観察で確認した。
【００２２】
【表１】
0004060092.tif 000002
【００２３】
試料番号１〜８は、Mo含有量およびMn含有量が本発明の範囲を満足する例である。試料番号９は予合金として鉄基粉末に含まれるMoが本発明の範囲の上限値を外れる例であり、試料番号10は予合金として鉄基粉末に含まれるMnが本発明の範囲の上限値を外れる例であり、試料番号11は拡散付着されるMo含有量が本発明の範囲の下限値を外れる例であり、試料番号12は拡散付着されるMo含有量が本発明の範囲の上限値を外れる例であり、試料番号13はMoを拡散付着していない例である。
【００２４】
これらの合金鋼粉 100重量部に対してステアリン酸亜鉛を 1.0重量部添加し、さらに攪拌混合した後、圧力690MPaで加圧成形して直径11mm，高さ10mmのタブレット状成形体を作製した。このタブレット状成形体の密度を寸法法で測定し、真密度に対する比率を算出した。
次いでタブレット状成形体を脱ろう処理（保持温度 600℃，保持時間１hr）した後、 水素雰囲気で焼結（焼結温度1250℃，焼結時間１hr）した。この焼結体を静水圧加熱装置により10.1MPa （すなわち 100気圧）のアルゴン雰囲気で加圧焼結（焼結温度1300℃，焼結時間１hr）した。この加圧焼結体の閉空孔の体積分率（閉空孔率）と密度を測定した。加圧焼結体の閉空孔率は、水銀ポロシメータで測定した。加圧焼結体の密度はアルキメデス法で測定し、真密度に対する比率を算出した。
【００２５】
加圧焼結体の閉空孔率，密度およびタブレット状成形体の密度を、表１に併せて示す。
発明例である試料番号１〜８は、試料番号９〜10，12に比べてタブレット状成形体の密度が高い。
試料番号11および13は、発明例である試料番号１〜８に比べて、加圧焼結体の閉空孔率と密度が低い。
【００２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、 本発明の粉末冶金用合金鋼粉を用いると、高圧縮性と高焼結性が両立され、高密度焼結部材の原料となる粉末冶金用合金鋼粉として好適である。特に加圧成形法に使用した場合には、効率的に空孔がつぶされるため、緻密化が促進される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の合金鋼粉の例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の合金鋼粉の製造工程の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  鉄基粉末
２  Mo原料粉末
３  接触する部位
４  合金鋼粉
【図１】
0004060092.tif 000003
【図２】
0004060092.tif 000004