鉄基焼結合金およびその製造方法
【課題】本発明は、価格が高騰しているＮｉを用いることなく、焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈するとともに、寸法精度に優れた鉄基焼結合金およびこれを製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする鉄基焼結合金。
【解決手段】質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする鉄基焼結合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄を主成分とする原料粉末を金型内で圧縮成形して得られた圧粉体を焼結することにより得られる鉄基焼結合金およびその製造方法に係り、特に焼結後の焼結体のままで焼入れ組織を呈して優れた強度を有するとともに、優れた寸法精度を有する鉄基焼結合金およびそれを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法は、ニアネットシェイプに造形できるので、後の機械加工による削り代が少なく材料損失が小さいこと、また一度金型を作製すれば同じ形状の製品が多量に生産できること等の理由から経済性に優れているという特徴があり、このため自動車部品、工作機器、家電製品等に広く適用されている。しかしながら、各種製品における近年の低価格化の趨勢に対応するため、焼結部品においても更に低廉化の要求が大きくなってきている。
【０００３】
一般に、高強度が要求される粉末冶金部品では、成形および焼結後に焼入れを行っている。そこで、上記の低廉化の要求に対し、焼結後の焼結体の状態で焼入れした場合と同等の金属組織を得ることによって、焼結後の焼入れ工程を廃止することが検討されている。
【０００４】
焼入れを行わずに高強度の部品を得る手法としては、焼入れ性の優れた合金粉末を用い、焼結時の冷却によりマルテンサイト変態させた材料がある。しかしながら、通常の焼結炉の冷却速度は５〜２０℃／分であり、焼却時の冷却速度でマルテンサイト組織を得るためには、合金元素の添加量が多くなる。この結果、圧縮性が著しく低下し、強度も低くなる。
【０００５】
一方、純鉄粉末に焼入れ性を改善させるＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の粉末を添加したもの、またはこれらを複合合金化したものは、圧縮性に優れているが、焼結体の合金成分が不均一となる。この結果、焼き入れ性を改善させる元素の乏しい部分が残留するため、金属組織の８５％以上をマルテンサイト組織にすることは通常の焼結条件においては困難である。
【０００６】
このような状況の下、特許文献１、２等が提案されている。特許文献１には、質量比でＮｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部Ｆｅからなる組成の合金粉末に、銅粉末を１〜２％、ニッケル粉末を１〜３％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．２〜０．７％になるように配合した混合粉末を用いる焼結合金の製造方法が開示されている。また、特許文献２には、粉末の組成が、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、粉末の組成が、質量比で、Ｍｏ：０．５〜２％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末との質量比が、５：９５〜７０：３０になるように配合するとともに、全体組成におけるＮｉ量が４〜６質量％、焼結後のＣ量が０．２〜０．７質量％となるようニッケル粉末と黒鉛粉末をさらに添加した混合粉末を用いる焼結合金の製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−８７７９４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２４１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１および２においては、Ｎｉを主成分としている。しかしながら、近年、Ｎｉは価格が高騰しており、材料費が割高になっているため、低廉化の要求に対応しきれなくなってきている。また、単味粉末で添加されたＮｉは焼結時に寸法収縮を促進するため、寸法精度の低下を招く。さらに、このような焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈する焼結合金においては、通常の粉末冶金法において寸法矯正に用いられるサイジングが適用できない。このため、寸法精度の向上は機械加工によって行わざるを得ず、加工費が増加する。
【０００９】
本発明は、価格が高騰しているＮｉを用いることなく、焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈するとともに寸法精度に優れた鉄基焼結合金およびこれを製造する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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の鉄基焼結合金は、質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする。また、上記金属組織において、一部の気孔の周辺にＣｕが濃化した成分分布を呈することを好ましい態様とする。
【００１１】
また、本発明の鉄基焼結合金の製造方法は、質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の鉄基合金粉末に、銅粉末を０．５〜１．５％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．４〜０．６％になるように配合した混合粉末を金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の範囲で焼結し、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して焼入れ組織を生成することを特徴とする。この場合において、上記圧粉体の焼結後、１００℃以下まで冷却した後、１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持する工程を付加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鉄基焼結合金は、近年、価格が高騰しているＮｉを用いることなく、焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈するとともに寸法精度に優れる。このため、強度及び寸法精度に優れた鉄基焼結合金を安価に製造することができる。
【００１３】
また、本発明の鉄基焼結合金の製造方法によれば、焼結のみでマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈する焼結合金が得られ、強度及び寸法精度が良好であるため焼入れ工程が不要となり、鉄基焼結合金を経済的に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
通常の焼結炉において、マルテンサイト変態に関係する７００℃から３００℃までの冷却速度は５〜２０℃／分であり、この冷却速度において、気孔を除く基地の部分の金属組織をマルテンサイトに変態させる必要がある。このため、焼入れ性を改善させる合金元素を主原料である鉄粉末に付与する必要がある。この点でＮｉは焼き入れ性の改善に好適であるが、近年価格が高騰しており、また、寸法精度を低下させる。そこで、Ｎｉと代替する合金元素について鋭意研究を行ったところ、Ｃｒが好適であることを見出した。Ｃｒは、Ｆｅ基地へ少量添加すればよく、焼き入れ性を著しく改善し、臨界冷却速度（マルテンサイト変態を生じさせるのに必要な最小の冷却速度）に及ぼす効果はＮｉよりも大きい。また、価格もＮｉに比して安定しており、安価である。このため本発明においては、鉄粉末に合金化させて付与する合金元素としてＣｒを用いる。
【００１５】
また、合金元素を２種類以上同時に鋼材へ合金化すると、合成効果を発揮して焼き入れ性が著しく改善されるため、焼き入れ性を改善する合金元素を１種類だけ多量に付与するよりも、少量ずつ多種類付与する方が効果的である。この観点から、第２合金元素としてＭｏを用いる。ＭｏもＣｒと同様に、Ｆｅ基地へ少量添加すればよく、焼き入れ性を著しく改善し、臨界冷却速度に及ぼす効果がＮｉよりも大きい。ＭｏはＮｉと同様に、近年価格が高騰している元素であるが、上記のＣｒと併用することにより添加量を低減できるため、原料費を低減することが可能である。
【００１６】
さらに、上記のＣｒおよびＭｏは、その効果を基地に均一に与えるためにＦｅと合金化して鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末）の形態で付与することが効果的であるが、ＣｒおよびＭｏはＦｅ基地に固溶して与えた場合のＦｅ基地の硬さに及ぼす影響がＮｉよりも小さい合金元素である。このため、原料粉末の圧縮性も同時に改善され、高密度の焼結合金を得ることができ、より高強度の焼結合金とすることができる。
【００１７】
ＣｒおよびＭｏの添加量は、Ｃｒ：２．５〜３．５質量％、Ｍｏ：０．４〜０．６質量％とする必要がある。各々の合金元素の量が各々の下限を下回ると、上記した焼き入れ性改善の効果が乏しくなる。一方、各々の合金元素の量が各々の上限を超えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるとともに、原料粉末の価格が増加する。
【００１８】
さらに本発明においては、上記のＣｒおよびＭｏに加えてＣｕを添加して焼き入れ性をさらに改善する。Ｃｕは焼き入れ性改善の効果がＮｉと同程度であるが、Ｎｉに比して安価であるためこれを用いる。ＣｕはＦｅ基地中への拡散速度が速いこと、および上記の鉄基合金粉末にＣｕを合金化して与えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるため、上記の鉄基合金粉末に単味粉末すなわち銅粉末の形態で添加する。また、銅粉末の形態で添加することにより、焼結の進行が促進される効果も得られる。さらに、銅粉末はＦｅ基地に拡散して固溶し、元の銅粉末があった箇所に形成される気孔の周囲はＣｕの成分濃度が高くなっており、固溶強化により気孔の表面の強度が改善される。この結果、静的強さおよび疲れ強さが向上する。
【００１９】
銅粉末の添加量が０．５質量％を下回ると、焼入れ性改善の効果が乏しくなって、５℃／分の冷却速度で焼入れ組織を得ることが困難になる。一方、銅粉末の添加量が１．５質量％を超えると、添加量の割に焼き入れ性改善の効果が小さくなるとともに、原料粉末の価格が増加するため好ましくない。
【００２０】
Ｃを鉄基合金粉末に固溶して与えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるため、黒鉛粉末の形態で付与する。黒鉛粉末の添加量が焼結後のＣ量で０．４質量％に満たないと焼入れ組織が得難くなり、機械的強さが低下する。一方、黒鉛粉末の添加量を多くして焼結後のＣ量を多くすると、焼入れ組織を得易くなる。しかしながら、焼結後のＣ量が０．６質量％を超えると、上記のＣｒやＭｏの炭化物が析出し易くなり、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒおよびＭｏの量が減少するため、強度が低下する。このため、焼結後のＣ量が０．４〜０．６質量％になるように黒鉛粉末の添加を行う。
【００２１】
上記の鉄基合金粉末に銅粉末と黒鉛粉末とを添加混合した原料粉末を成形した後、焼結を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の温度範囲で行う。焼結温度が１１８０℃を下回ると、焼結が不充分、すなわち鉄基合金粉末どうしの拡散および単味粉末の形態で添加したＣｕおよびＣのＦｅ基地中への拡散が不充分となり、機械的強さが低下するとともに、充分な焼入れ組織が得られない。一方、焼結温度が１２３０℃を超えても、それ以上の焼結促進の効果は少なく、焼結体の変形が生じて寸法精度が低下し易くなる。
【００２２】
焼結後は、通常の冷却速度である５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却すればよい。ちなみに、冷却速度が５℃／分よりも遅いと、焼結工程の時間が長くなるため生産効率が低下し、焼結コストは増加する。また、２０℃／分よりも冷却速度を速くする場合は、別途、冷却装置を用意する必要が生じるため、焼結コストが増加する。
【００２３】
原料粉末を上記構成としたことにより、焼結後の金属組織は気孔を除く基地全体を断面面積率で１００％として、８０％以上をマルテンサイト相とし、それ以外の部分をベイナイト相（すなわち、ベイナイト相は２０％以下）とすることができる。なお、通常、マルテンサイト組織は、マルテンサイト結晶間に未変態のオーステナイトが残留、分散した組織を呈するもので、本願はこのような部分的な変態も含む。
【００２４】
上記の鉄基合金粉末と銅粉末と黒鉛粉末の構成による本発明の焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物となる。本構成によると、高価なＮｉを用いないこと、およびＭｏの添加量が特許文献１、２に記載の技術よりも低減できることから、特許文献１、２の焼結合金よりも安価に製造することができる。また、特許文献１、２に記載の技術とは異なり、Ｎｉを用いていないことから、寸法精度の良好な焼結合金を得ることができる。
【００２５】
上記の全体組成のうち、各合金元素の添加量を上限に近づけるとともに、冷却速度を２０℃／分に近い速い速度で冷却すると、全面がマルテンサイト相の焼結合金を得ることができ、従来の焼入れ処理を施したものと同等の焼結合金を得ることができる。
【００２６】
また、各合金元素の添加量および冷却速度を調整して、気孔を除く基地全体を１００％として断面面積率でベイナイト相を２〜２０％の範囲でマルテンサイト相中に分散させると、焼結合金の靱性が改善され、より機械的強さの高い焼結合金を得ることができる。しかしながら、ベイナイト組織の面積率が２０％を超えると機械的強さは低下するため、その面積率は２０％以下とする。
【００２７】
さらに、焼結体を１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することにより、マルテンサイト組織が焼戻しマルテンサイトとなって強靱化し、強度がさらに改善される。また、組織としてより安定化されるため、経時変化、特に寸法変動を抑制する効果を付与することもできる。１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持する方法としては、焼結後に室温まで冷却してから焼戻し炉で再加熱を行う方法があるが、室温まで冷却せずに１００℃程度の温度から焼戻し炉へ移送し再加熱することにより、エネルギーの省力化を図ることもできる。さらに、焼結ヒートパターンにより、焼結炉を１００℃以下に冷却することなく、直接１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することによって、恒温変態が促進され、残留オーステナイトはベイナイトに変態し、マルテンサイトは焼戻しマルテンサイトとなって、高い靱性が得られる。また、この手法によれば工程削減によるコストの低減を図ることもできる。なお、上記の温度範囲内に保持する時間は、製品の最大肉厚（ｍｍ）×０．０５から０．１０時間程度が好適である。
【実施例】
【００２８】
[第１実施例]
本発明例として、組成が、Ｃｒ：３質量％、Ｍｏ：０．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用意した。また、従来例（特許文献１）として、組成が、Ｎｉ：４質量％、Ｍｏ：０．５質量％および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、ニッケル粉末：２．０質量％と、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用意した。
【００２９】
これらの粉末を用いて、成形圧力５００、６００、７００ＭＰａで、外径３０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円環状に成形して、成形体密度をアルキメデス法により測定するとともに、円環状成形体の外形寸法を測定した。このときの成形体密度を表１、図１に示す。また、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状に成形した。得られた成形体（円環状成形体および角柱状成形体）について、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号０１〜０６）を作製した。焼結後、円環状焼結体の外形寸法を測定した。このときの焼結体の外形寸法について、先に測定した円環状成形体の外形寸法とともに表２に示す。またこれらの値より焼結体の寸法変化率を求めるとともに、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθを求めた。これらの値について、表２および図２に示す。
【００３０】
また、作製した角柱形状試料の一部については、引張り試験片形状に機械加工して引張り試験を行い、引張り強さを測定した。また角柱形状試料の一部については衝撃試験に供して衝撃値を測定した。さらに、金属組織を倍率４００倍で撮影した画像を、画像解析ソフト（三谷商事株式会社製Win ROOF）を用いて、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合を測定した。これらの結果を表３に併せて示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
表１および図１より、本発明例の混合粉末は、従来例の混合粉末に比して、圧縮性に優れることがわかる。したがって、同じ成形圧力で成形する場合には本発明例の混合粉末の方が高密度に成形できる。また、同じ成形密度を得ればよい場合には、本発明例の混合粉末の方が成形圧力を小さくでき、金型等への負荷を小さくして、金型等の寿命を延長できる。
【００３５】
表２より、本発明例の原料粉末は、従来例の原料粉末に比して成形密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが小さいことがわかる。ところで、一般に、焼結による寸法収縮の割合は成形密度が低いものほど大きく、逆に高密度のものでは焼結による寸法収縮の割合が小さくなる傾向を示す。しかしながら、試験片のような単純形状の製品を除き、一般に粉末冶金製品は複雑形状を呈しており、いかに成形で工夫しても製品各部の成形体密度を均一にすることは極めて難しく、一般の粉末冶金製品においては、製品各部で成形体密度が異なっている。このため粉末冶金製品では、焼結後の寸法収縮量が各部で異なっており、寸法バラツキの要因となっている。ここで、密度の違いによらず寸法収縮量が等しい原料を適用すれば、製品各部で成形密度が異なっても各部が一様に収縮するので、寸法のバラツキが小さくなる。すなわち、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが小さいものほど成形体密度の違いに鈍感で、焼結後の寸法バラツキが小さい、寸法精度の良いものであるといえる。図２は表１の成形体密度と表２の寸法変化率の値をまとめたものであり、水平に近いものほど、成形体密度の影響に鈍感であることを示すグラフである。図２より、本発明例の原料粉末は、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが０．０９であり、従来例の原料粉末のｔａｎθ０．５４に比して小さい値を示している。このことから、本発明例の原料粉末は成形体密度の変化に鈍感であり、製品各部で成形体密度が異なるような部品であっても各部が均一に寸法収縮する、寸法精度に優れたものであることがわかる。
【００３６】
表３より、本発明例の原料粉末を用いた焼結体は、従来例の原料粉末を用いた焼結体に比して引張り強さが高い値を示している。また、衝撃値は同等の値を示している。この結果より、本発明の原料粉末を用いた焼結体は、従来例の原料粉末を用いた焼結体と同等以上の優れた機械的性質を示すことが確認された。
【００３７】
［第２実施例］
表４に示す組成の鉄基合金粉末を用意し、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加、混合した原料粉末を用いて、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状成形体に成形し、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号０７〜１４）を作製した。これらの角柱形状試料を用いて、第１実施例と同様にして、引張り強さ、衝撃値、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合について測定した。これらの結果を第１実施例の試料番号０２の試料の測定結果とともに表４に示す。また、第１実施例の従来例の試料（試料番号０５）の測定値についても表４に併せて示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
表４の試料番号０２，０７〜１０を比較することで鉄基合金粉末中のＣｒ量の影響を調べることができる。これらの試料より、鉄基合金粉末中のＣｒ量が２質量％の試料番号０７の試料ではベイナイト量が多すぎ、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、鉄基合金粉末粒のＣｒ量が２．５〜３．５質量％の試料番号０２，０８，０９の試料ではベイナイト量が２０面積％を下回り、マルテンサイト量が８０面積％を超える結果、引張り強さが従来例（試料番号０５）を超える高い値を示している。しかしながら、鉄基合金粉末中のＣｒ量が３．５質量％を超える試料番号１０の試料では、粉末の圧縮性が低下する結果、成形体密度が低下して引張り強さおよび衝撃値が従来例（試料番号０５）よりも低い値となっている。これらの結果より、鉄基合金粉末中のＣｒ量が２．５〜３．５質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４０】
また、表４の試料番号０２，１１〜１４を比較することで鉄基合金粉末中のＭｏ量の影響を調べることができる。これらの試料より、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．３質量％の試料番号１１の試料ではベイナイト量が多すぎ、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．４〜０．６質量％の試料番号０２，１２，１３の試料ではベイナイト量が２０面積％を下回り、マルテンサイト量が８０面積％を超える結果、引張り強さが従来例（試料番号０５）を超える高い値を示している。しかしながら、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．６質量％を超える試料番号１４の試料では、粉末の圧縮性が低下する結果、成形体密度が低下して引張り強さおよび衝撃値が従来例（試料番号０５）よりも低い値となっている。これらの結果より、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．４〜０．６質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４１】
[第３実施例]
第１実施例で用いた、組成がＣｒ：３質量％、Ｍｏ：０．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、表５に示す銅粉末と、黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用いて、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状に成形した。得られた成形体について、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号１５〜２２）を作製した。これらの角柱形状試料を用いて、第１実施例と同様にして、引張り強さ、衝撃値、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合について測定した。これらの結果を第１実施例の試料番号０２の試料の測定結果とともに表５に示す。また、第１実施例の従来例の試料（試料番号０５）の測定値についても表５に併せて示す。
【００４２】
【表５】
【００４３】
表５の試料番号０２，１５〜１８の試料を比較することで原料粉末中の銅粉末添加量の影響を調べることができる。これらの試料より、銅粉末を添加しない試料番号１５の試料では、焼き入れ性が低く、全面ベイナイトの金属組織となっており、この結果、引張り強さが低い値となっている。銅粉末を０．５〜１．５質量％添加した試料番号０２，１６，１７の試料では、焼き入れ性が向上してベイナイト量が２０面積％以下、すなわちマルテンサイト量が８０面積％以上となり、引張り強さが向上している。一方、Ｃｕはオーステナイト安定化元素であるため、銅粉末の添加量が１．５質量％を超える試料番号１８の試料では、オーステナイトが安定して成長し、結晶粒が粗大化するため、焼結後の冷却においてオーステナイトがマルテンサイトに変態しても結晶粒が粗大なままとなる。このため、引張り強さおよび衝撃値が低下している。これらの結果より、原料粉末への銅粉末添加量が０．５〜１．５質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４４】
表５の試料番号０２，１９〜２２の試料を比較することで焼結体中のＣ量の影響を調べることができる。これらの試料より、焼結体中のＣ量が０．４質量％に満たない試料番号１９の試料では、焼き入れ性が低く、ベイナイト量が多くなり、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、焼結体中のＣ量が０．４〜０．６質量％の試料番号０２，２０，２１の試料では、焼き入れ性が向上してベイナイト量が２０面積％以下、すなわちマルテンサイト量が８０面積％以上となり、引張り強さが向上している。しかしながら、焼結体中のＣ量が０．６質量％を超える試料番号２２の試料では、Ｃ量が過多となって基地中にＣｒ、Ｍｏの炭化物が析出し、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒおよびＭｏの量が減少するため、引張り強さおよび衝撃値が低下している。これらの結果より、焼結体中のＣ量が０．４〜０．６質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４５】
以上の実施例において、高い引張り強さおよび衝撃値を示す本発明例は、全てベイナイト量が２〜２０面積％以下であり、残余がマルテンサイトの金属組織のものである。このことから、金属組織としてはベイナイト量が２〜２０面積％以下であり、残余がマルテンサイトとすることがよいことが確認された。
【００４６】
なお、以上の実施例は冷却速度が１０℃／分の例であり、冷却速度をより速くすることにより全面マルテンサイトとなる場合もあるが、上記組成範囲であれば問題ない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の原料粉末と従来の原料粉末の圧縮性を示すグラフである。
【図２】本発明の原料粉末と従来の原料粉末による成形体の成形体密度に対する寸法変化率を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄を主成分とする原料粉末を金型内で圧縮成形して得られた圧粉体を焼結することにより得られる鉄基焼結合金およびその製造方法に係り、特に焼結後の焼結体のままで焼入れ組織を呈して優れた強度を有するとともに、優れた寸法精度を有する鉄基焼結合金およびそれを製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粉末冶金法は、ニアネットシェイプに造形できるので、後の機械加工による削り代が少なく材料損失が小さいこと、また一度金型を作製すれば同じ形状の製品が多量に生産できること等の理由から経済性に優れているという特徴があり、このため自動車部品、工作機器、家電製品等に広く適用されている。しかしながら、各種製品における近年の低価格化の趨勢に対応するため、焼結部品においても更に低廉化の要求が大きくなってきている。
【０００３】
一般に、高強度が要求される粉末冶金部品では、成形および焼結後に焼入れを行っている。そこで、上記の低廉化の要求に対し、焼結後の焼結体の状態で焼入れした場合と同等の金属組織を得ることによって、焼結後の焼入れ工程を廃止することが検討されている。
【０００４】
焼入れを行わずに高強度の部品を得る手法としては、焼入れ性の優れた合金粉末を用い、焼結時の冷却によりマルテンサイト変態させた材料がある。しかしながら、通常の焼結炉の冷却速度は５〜２０℃／分であり、焼却時の冷却速度でマルテンサイト組織を得るためには、合金元素の添加量が多くなる。この結果、圧縮性が著しく低下し、強度も低くなる。
【０００５】
一方、純鉄粉末に焼入れ性を改善させるＮｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の粉末を添加したもの、またはこれらを複合合金化したものは、圧縮性に優れているが、焼結体の合金成分が不均一となる。この結果、焼き入れ性を改善させる元素の乏しい部分が残留するため、金属組織の８５％以上をマルテンサイト組織にすることは通常の焼結条件においては困難である。
【０００６】
このような状況の下、特許文献１、２等が提案されている。特許文献１には、質量比でＮｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部Ｆｅからなる組成の合金粉末に、銅粉末を１〜２％、ニッケル粉末を１〜３％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．２〜０．７％になるように配合した混合粉末を用いる焼結合金の製造方法が開示されている。また、特許文献２には、粉末の組成が、質量比で、Ｎｉ：３〜５％、Ｍｏ：０．４〜０．７％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｎｉ−Ｍｏ合金粉末と、粉末の組成が、質量比で、Ｍｏ：０．５〜２％、残部：Ｆｅおよび不可避不純物よりなるＦｅ−Ｍｏ合金粉末との質量比が、５：９５〜７０：３０になるように配合するとともに、全体組成におけるＮｉ量が４〜６質量％、焼結後のＣ量が０．２〜０．７質量％となるようニッケル粉末と黒鉛粉末をさらに添加した混合粉末を用いる焼結合金の製造方法が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−８７７９４号公報
【特許文献２】特開２００４−１２４１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１および２においては、Ｎｉを主成分としている。しかしながら、近年、Ｎｉは価格が高騰しており、材料費が割高になっているため、低廉化の要求に対応しきれなくなってきている。また、単味粉末で添加されたＮｉは焼結時に寸法収縮を促進するため、寸法精度の低下を招く。さらに、このような焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈する焼結合金においては、通常の粉末冶金法において寸法矯正に用いられるサイジングが適用できない。このため、寸法精度の向上は機械加工によって行わざるを得ず、加工費が増加する。
【０００９】
本発明は、価格が高騰しているＮｉを用いることなく、焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈するとともに寸法精度に優れた鉄基焼結合金およびこれを製造する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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の鉄基焼結合金は、質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする。また、上記金属組織において、一部の気孔の周辺にＣｕが濃化した成分分布を呈することを好ましい態様とする。
【００１１】
また、本発明の鉄基焼結合金の製造方法は、質量比でＣｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の鉄基合金粉末に、銅粉末を０．５〜１．５％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．４〜０．６％になるように配合した混合粉末を金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の範囲で焼結し、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して焼入れ組織を生成することを特徴とする。この場合において、上記圧粉体の焼結後、１００℃以下まで冷却した後、１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持する工程を付加することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の鉄基焼結合金は、近年、価格が高騰しているＮｉを用いることなく、焼結後の焼結体が焼入れ組織を呈するとともに寸法精度に優れる。このため、強度及び寸法精度に優れた鉄基焼結合金を安価に製造することができる。
【００１３】
また、本発明の鉄基焼結合金の製造方法によれば、焼結のみでマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈する焼結合金が得られ、強度及び寸法精度が良好であるため焼入れ工程が不要となり、鉄基焼結合金を経済的に製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
通常の焼結炉において、マルテンサイト変態に関係する７００℃から３００℃までの冷却速度は５〜２０℃／分であり、この冷却速度において、気孔を除く基地の部分の金属組織をマルテンサイトに変態させる必要がある。このため、焼入れ性を改善させる合金元素を主原料である鉄粉末に付与する必要がある。この点でＮｉは焼き入れ性の改善に好適であるが、近年価格が高騰しており、また、寸法精度を低下させる。そこで、Ｎｉと代替する合金元素について鋭意研究を行ったところ、Ｃｒが好適であることを見出した。Ｃｒは、Ｆｅ基地へ少量添加すればよく、焼き入れ性を著しく改善し、臨界冷却速度（マルテンサイト変態を生じさせるのに必要な最小の冷却速度）に及ぼす効果はＮｉよりも大きい。また、価格もＮｉに比して安定しており、安価である。このため本発明においては、鉄粉末に合金化させて付与する合金元素としてＣｒを用いる。
【００１５】
また、合金元素を２種類以上同時に鋼材へ合金化すると、合成効果を発揮して焼き入れ性が著しく改善されるため、焼き入れ性を改善する合金元素を１種類だけ多量に付与するよりも、少量ずつ多種類付与する方が効果的である。この観点から、第２合金元素としてＭｏを用いる。ＭｏもＣｒと同様に、Ｆｅ基地へ少量添加すればよく、焼き入れ性を著しく改善し、臨界冷却速度に及ぼす効果がＮｉよりも大きい。ＭｏはＮｉと同様に、近年価格が高騰している元素であるが、上記のＣｒと併用することにより添加量を低減できるため、原料費を低減することが可能である。
【００１６】
さらに、上記のＣｒおよびＭｏは、その効果を基地に均一に与えるためにＦｅと合金化して鉄基合金粉末（Ｆｅ−Ｃｒ−Ｍｏ合金粉末）の形態で付与することが効果的であるが、ＣｒおよびＭｏはＦｅ基地に固溶して与えた場合のＦｅ基地の硬さに及ぼす影響がＮｉよりも小さい合金元素である。このため、原料粉末の圧縮性も同時に改善され、高密度の焼結合金を得ることができ、より高強度の焼結合金とすることができる。
【００１７】
ＣｒおよびＭｏの添加量は、Ｃｒ：２．５〜３．５質量％、Ｍｏ：０．４〜０．６質量％とする必要がある。各々の合金元素の量が各々の下限を下回ると、上記した焼き入れ性改善の効果が乏しくなる。一方、各々の合金元素の量が各々の上限を超えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるとともに、原料粉末の価格が増加する。
【００１８】
さらに本発明においては、上記のＣｒおよびＭｏに加えてＣｕを添加して焼き入れ性をさらに改善する。Ｃｕは焼き入れ性改善の効果がＮｉと同程度であるが、Ｎｉに比して安価であるためこれを用いる。ＣｕはＦｅ基地中への拡散速度が速いこと、および上記の鉄基合金粉末にＣｕを合金化して与えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるため、上記の鉄基合金粉末に単味粉末すなわち銅粉末の形態で添加する。また、銅粉末の形態で添加することにより、焼結の進行が促進される効果も得られる。さらに、銅粉末はＦｅ基地に拡散して固溶し、元の銅粉末があった箇所に形成される気孔の周囲はＣｕの成分濃度が高くなっており、固溶強化により気孔の表面の強度が改善される。この結果、静的強さおよび疲れ強さが向上する。
【００１９】
銅粉末の添加量が０．５質量％を下回ると、焼入れ性改善の効果が乏しくなって、５℃／分の冷却速度で焼入れ組織を得ることが困難になる。一方、銅粉末の添加量が１．５質量％を超えると、添加量の割に焼き入れ性改善の効果が小さくなるとともに、原料粉末の価格が増加するため好ましくない。
【００２０】
Ｃを鉄基合金粉末に固溶して与えると、鉄基合金粉末が硬くなって原料粉末の圧縮性が損なわれるため、黒鉛粉末の形態で付与する。黒鉛粉末の添加量が焼結後のＣ量で０．４質量％に満たないと焼入れ組織が得難くなり、機械的強さが低下する。一方、黒鉛粉末の添加量を多くして焼結後のＣ量を多くすると、焼入れ組織を得易くなる。しかしながら、焼結後のＣ量が０．６質量％を超えると、上記のＣｒやＭｏの炭化物が析出し易くなり、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒおよびＭｏの量が減少するため、強度が低下する。このため、焼結後のＣ量が０．４〜０．６質量％になるように黒鉛粉末の添加を行う。
【００２１】
上記の鉄基合金粉末に銅粉末と黒鉛粉末とを添加混合した原料粉末を成形した後、焼結を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の温度範囲で行う。焼結温度が１１８０℃を下回ると、焼結が不充分、すなわち鉄基合金粉末どうしの拡散および単味粉末の形態で添加したＣｕおよびＣのＦｅ基地中への拡散が不充分となり、機械的強さが低下するとともに、充分な焼入れ組織が得られない。一方、焼結温度が１２３０℃を超えても、それ以上の焼結促進の効果は少なく、焼結体の変形が生じて寸法精度が低下し易くなる。
【００２２】
焼結後は、通常の冷却速度である５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却すればよい。ちなみに、冷却速度が５℃／分よりも遅いと、焼結工程の時間が長くなるため生産効率が低下し、焼結コストは増加する。また、２０℃／分よりも冷却速度を速くする場合は、別途、冷却装置を用意する必要が生じるため、焼結コストが増加する。
【００２３】
原料粉末を上記構成としたことにより、焼結後の金属組織は気孔を除く基地全体を断面面積率で１００％として、８０％以上をマルテンサイト相とし、それ以外の部分をベイナイト相（すなわち、ベイナイト相は２０％以下）とすることができる。なお、通常、マルテンサイト組織は、マルテンサイト結晶間に未変態のオーステナイトが残留、分散した組織を呈するもので、本願はこのような部分的な変態も含む。
【００２４】
上記の鉄基合金粉末と銅粉末と黒鉛粉末の構成による本発明の焼結合金は、全体組成が、質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物となる。本構成によると、高価なＮｉを用いないこと、およびＭｏの添加量が特許文献１、２に記載の技術よりも低減できることから、特許文献１、２の焼結合金よりも安価に製造することができる。また、特許文献１、２に記載の技術とは異なり、Ｎｉを用いていないことから、寸法精度の良好な焼結合金を得ることができる。
【００２５】
上記の全体組成のうち、各合金元素の添加量を上限に近づけるとともに、冷却速度を２０℃／分に近い速い速度で冷却すると、全面がマルテンサイト相の焼結合金を得ることができ、従来の焼入れ処理を施したものと同等の焼結合金を得ることができる。
【００２６】
また、各合金元素の添加量および冷却速度を調整して、気孔を除く基地全体を１００％として断面面積率でベイナイト相を２〜２０％の範囲でマルテンサイト相中に分散させると、焼結合金の靱性が改善され、より機械的強さの高い焼結合金を得ることができる。しかしながら、ベイナイト組織の面積率が２０％を超えると機械的強さは低下するため、その面積率は２０％以下とする。
【００２７】
さらに、焼結体を１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することにより、マルテンサイト組織が焼戻しマルテンサイトとなって強靱化し、強度がさらに改善される。また、組織としてより安定化されるため、経時変化、特に寸法変動を抑制する効果を付与することもできる。１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持する方法としては、焼結後に室温まで冷却してから焼戻し炉で再加熱を行う方法があるが、室温まで冷却せずに１００℃程度の温度から焼戻し炉へ移送し再加熱することにより、エネルギーの省力化を図ることもできる。さらに、焼結ヒートパターンにより、焼結炉を１００℃以下に冷却することなく、直接１５０℃以上、３００℃以下の温度に保持することによって、恒温変態が促進され、残留オーステナイトはベイナイトに変態し、マルテンサイトは焼戻しマルテンサイトとなって、高い靱性が得られる。また、この手法によれば工程削減によるコストの低減を図ることもできる。なお、上記の温度範囲内に保持する時間は、製品の最大肉厚（ｍｍ）×０．０５から０．１０時間程度が好適である。
【実施例】
【００２８】
[第１実施例]
本発明例として、組成が、Ｃｒ：３質量％、Ｍｏ：０．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用意した。また、従来例（特許文献１）として、組成が、Ｎｉ：４質量％、Ｍｏ：０．５質量％および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、ニッケル粉末：２．０質量％と、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用意した。
【００２９】
これらの粉末を用いて、成形圧力５００、６００、７００ＭＰａで、外径３０ｍｍ、内径２０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円環状に成形して、成形体密度をアルキメデス法により測定するとともに、円環状成形体の外形寸法を測定した。このときの成形体密度を表１、図１に示す。また、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状に成形した。得られた成形体（円環状成形体および角柱状成形体）について、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号０１〜０６）を作製した。焼結後、円環状焼結体の外形寸法を測定した。このときの焼結体の外形寸法について、先に測定した円環状成形体の外形寸法とともに表２に示す。またこれらの値より焼結体の寸法変化率を求めるとともに、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθを求めた。これらの値について、表２および図２に示す。
【００３０】
また、作製した角柱形状試料の一部については、引張り試験片形状に機械加工して引張り試験を行い、引張り強さを測定した。また角柱形状試料の一部については衝撃試験に供して衝撃値を測定した。さらに、金属組織を倍率４００倍で撮影した画像を、画像解析ソフト（三谷商事株式会社製Win ROOF）を用いて、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合を測定した。これらの結果を表３に併せて示す。
【００３１】
【表１】
【００３２】
【表２】
【００３３】
【表３】
【００３４】
表１および図１より、本発明例の混合粉末は、従来例の混合粉末に比して、圧縮性に優れることがわかる。したがって、同じ成形圧力で成形する場合には本発明例の混合粉末の方が高密度に成形できる。また、同じ成形密度を得ればよい場合には、本発明例の混合粉末の方が成形圧力を小さくでき、金型等への負荷を小さくして、金型等の寿命を延長できる。
【００３５】
表２より、本発明例の原料粉末は、従来例の原料粉末に比して成形密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが小さいことがわかる。ところで、一般に、焼結による寸法収縮の割合は成形密度が低いものほど大きく、逆に高密度のものでは焼結による寸法収縮の割合が小さくなる傾向を示す。しかしながら、試験片のような単純形状の製品を除き、一般に粉末冶金製品は複雑形状を呈しており、いかに成形で工夫しても製品各部の成形体密度を均一にすることは極めて難しく、一般の粉末冶金製品においては、製品各部で成形体密度が異なっている。このため粉末冶金製品では、焼結後の寸法収縮量が各部で異なっており、寸法バラツキの要因となっている。ここで、密度の違いによらず寸法収縮量が等しい原料を適用すれば、製品各部で成形密度が異なっても各部が一様に収縮するので、寸法のバラツキが小さくなる。すなわち、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが小さいものほど成形体密度の違いに鈍感で、焼結後の寸法バラツキが小さい、寸法精度の良いものであるといえる。図２は表１の成形体密度と表２の寸法変化率の値をまとめたものであり、水平に近いものほど、成形体密度の影響に鈍感であることを示すグラフである。図２より、本発明例の原料粉末は、成形体密度に対する寸法変化率の傾きｔａｎθが０．０９であり、従来例の原料粉末のｔａｎθ０．５４に比して小さい値を示している。このことから、本発明例の原料粉末は成形体密度の変化に鈍感であり、製品各部で成形体密度が異なるような部品であっても各部が均一に寸法収縮する、寸法精度に優れたものであることがわかる。
【００３６】
表３より、本発明例の原料粉末を用いた焼結体は、従来例の原料粉末を用いた焼結体に比して引張り強さが高い値を示している。また、衝撃値は同等の値を示している。この結果より、本発明の原料粉末を用いた焼結体は、従来例の原料粉末を用いた焼結体と同等以上の優れた機械的性質を示すことが確認された。
【００３７】
［第２実施例］
表４に示す組成の鉄基合金粉末を用意し、銅粉末：１．０質量％と、焼結後のＣ量が０．５質量％となる量の黒鉛粉末とを添加、混合した原料粉末を用いて、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状成形体に成形し、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号０７〜１４）を作製した。これらの角柱形状試料を用いて、第１実施例と同様にして、引張り強さ、衝撃値、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合について測定した。これらの結果を第１実施例の試料番号０２の試料の測定結果とともに表４に示す。また、第１実施例の従来例の試料（試料番号０５）の測定値についても表４に併せて示す。
【００３８】
【表４】
【００３９】
表４の試料番号０２，０７〜１０を比較することで鉄基合金粉末中のＣｒ量の影響を調べることができる。これらの試料より、鉄基合金粉末中のＣｒ量が２質量％の試料番号０７の試料ではベイナイト量が多すぎ、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、鉄基合金粉末粒のＣｒ量が２．５〜３．５質量％の試料番号０２，０８，０９の試料ではベイナイト量が２０面積％を下回り、マルテンサイト量が８０面積％を超える結果、引張り強さが従来例（試料番号０５）を超える高い値を示している。しかしながら、鉄基合金粉末中のＣｒ量が３．５質量％を超える試料番号１０の試料では、粉末の圧縮性が低下する結果、成形体密度が低下して引張り強さおよび衝撃値が従来例（試料番号０５）よりも低い値となっている。これらの結果より、鉄基合金粉末中のＣｒ量が２．５〜３．５質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４０】
また、表４の試料番号０２，１１〜１４を比較することで鉄基合金粉末中のＭｏ量の影響を調べることができる。これらの試料より、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．３質量％の試料番号１１の試料ではベイナイト量が多すぎ、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．４〜０．６質量％の試料番号０２，１２，１３の試料ではベイナイト量が２０面積％を下回り、マルテンサイト量が８０面積％を超える結果、引張り強さが従来例（試料番号０５）を超える高い値を示している。しかしながら、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．６質量％を超える試料番号１４の試料では、粉末の圧縮性が低下する結果、成形体密度が低下して引張り強さおよび衝撃値が従来例（試料番号０５）よりも低い値となっている。これらの結果より、鉄基合金粉末中のＭｏ量が０．４〜０．６質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４１】
[第３実施例]
第１実施例で用いた、組成がＣｒ：３質量％、Ｍｏ：０．５質量％、および残部がＦｅおよび不可避不純物からなる鉄基合金粉末に、表５に示す銅粉末と、黒鉛粉末とを添加して混合した原料粉末を用いて、成形圧力６００ＭＰａで底面が１０ｍｍ×６０ｍｍ、高さが１０ｍｍの角柱状に成形した。得られた成形体について、窒素ガス雰囲気中、１１９５℃で焼結した後、１０℃／分の冷却速度で冷却を行って焼結体試料（試料番号１５〜２２）を作製した。これらの角柱形状試料を用いて、第１実施例と同様にして、引張り強さ、衝撃値、気孔を除く基地部分に占めるベイナイトの割合について測定した。これらの結果を第１実施例の試料番号０２の試料の測定結果とともに表５に示す。また、第１実施例の従来例の試料（試料番号０５）の測定値についても表５に併せて示す。
【００４２】
【表５】
【００４３】
表５の試料番号０２，１５〜１８の試料を比較することで原料粉末中の銅粉末添加量の影響を調べることができる。これらの試料より、銅粉末を添加しない試料番号１５の試料では、焼き入れ性が低く、全面ベイナイトの金属組織となっており、この結果、引張り強さが低い値となっている。銅粉末を０．５〜１．５質量％添加した試料番号０２，１６，１７の試料では、焼き入れ性が向上してベイナイト量が２０面積％以下、すなわちマルテンサイト量が８０面積％以上となり、引張り強さが向上している。一方、Ｃｕはオーステナイト安定化元素であるため、銅粉末の添加量が１．５質量％を超える試料番号１８の試料では、オーステナイトが安定して成長し、結晶粒が粗大化するため、焼結後の冷却においてオーステナイトがマルテンサイトに変態しても結晶粒が粗大なままとなる。このため、引張り強さおよび衝撃値が低下している。これらの結果より、原料粉末への銅粉末添加量が０．５〜１．５質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４４】
表５の試料番号０２，１９〜２２の試料を比較することで焼結体中のＣ量の影響を調べることができる。これらの試料より、焼結体中のＣ量が０．４質量％に満たない試料番号１９の試料では、焼き入れ性が低く、ベイナイト量が多くなり、マルテンサイト量が乏しい結果、引張り強さが低い値となっている。一方、焼結体中のＣ量が０．４〜０．６質量％の試料番号０２，２０，２１の試料では、焼き入れ性が向上してベイナイト量が２０面積％以下、すなわちマルテンサイト量が８０面積％以上となり、引張り強さが向上している。しかしながら、焼結体中のＣ量が０．６質量％を超える試料番号２２の試料では、Ｃ量が過多となって基地中にＣｒ、Ｍｏの炭化物が析出し、Ｆｅ基地中に固溶するＣｒおよびＭｏの量が減少するため、引張り強さおよび衝撃値が低下している。これらの結果より、焼結体中のＣ量が０．４〜０．６質量％の範囲で、高い引張り強さおよび衝撃値を得られることが確認された。
【００４５】
以上の実施例において、高い引張り強さおよび衝撃値を示す本発明例は、全てベイナイト量が２〜２０面積％以下であり、残余がマルテンサイトの金属組織のものである。このことから、金属組織としてはベイナイト量が２〜２０面積％以下であり、残余がマルテンサイトとすることがよいことが確認された。
【００４６】
なお、以上の実施例は冷却速度が１０℃／分の例であり、冷却速度をより速くすることにより全面マルテンサイトとなる場合もあるが、上記組成範囲であれば問題ない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の原料粉末と従来の原料粉末の圧縮性を示すグラフである。
【図２】本発明の原料粉末と従来の原料粉末による成形体の成形体密度に対する寸法変化率を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする鉄基焼結合金。
【請求項２】
一部の気孔の周辺にＣｕが濃化した成分分布を呈することを特徴とする請求項１に記載の鉄基焼結合金。
【請求項３】
質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の鉄基合金粉末に、銅粉末を０．５〜１．５％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．４〜０．６％になるように配合した混合粉末を金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の範囲で焼結し、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して焼入れ組織を生成することを特徴とする鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項４】
焼結後に１００℃以下まで冷却した後、１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持する工程を付加することを特徴とする請求項３に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項１】
質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、Ｃｕ：０．５〜１．５％、Ｃ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成を有し、焼結後の金属組織として、気孔を除く基地がマルテンサイト相、もしくは断面面積率で２〜２０％のベイナイト相と残部がマルテンサイト相の混合組織からなる焼入れ組織を呈することを特徴とする鉄基焼結合金。
【請求項２】
一部の気孔の周辺にＣｕが濃化した成分分布を呈することを特徴とする請求項１に記載の鉄基焼結合金。
【請求項３】
質量比で、Ｃｒ：２．５〜３．５％、Ｍｏ：０．４〜０．６％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる組成の鉄基合金粉末に、銅粉末を０．５〜１．５％、黒鉛粉末を焼結後のＣ量が０．４〜０．６％になるように配合した混合粉末を金型内で圧縮成形し、得られた圧粉体を非酸化性雰囲気中、１１８０〜１２３０℃の範囲で焼結し、焼結炉中で５℃／分以上、２０℃／分以下の速度で冷却して焼入れ組織を生成することを特徴とする鉄基焼結合金の製造方法。
【請求項４】
焼結後に１００℃以下まで冷却した後、１５０℃以上、３００℃以下の温度に加熱し保持すること、または焼結炉内で冷却中に１５０℃以上３００℃以下の温度で保持する工程を付加することを特徴とする請求項３に記載の鉄基焼結合金の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−１８５３２８（Ｐ２００９−１８５３２８Ａ）
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５５８２（Ｐ２００８−２５５８２）
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００２３３５７２）日立粉末冶金株式会社 (272)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２０日（２００９．８．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月５日（２００８．２．５）
【出願人】（０００２３３５７２）日立粉末冶金株式会社 (272)
【Ｆターム（参考）】
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