(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．２〜０．７％（「質量％」の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．５〜３％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０２％以下（０％を含まない）を夫々含有し、鋼管内表層部における残留オーステナイト含有率が５体積％以下であると共に、鋼管内表層部におけるフェライト・パーライト組織の平均粒径が１８μｍ以下であり、且つ鋼管内表層部に存在する円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物の個数密度が１．８×１０-2個／μｍ2以下であり、
応力：９００ＭＰａ、回転速度：１０００ｒｐｍで回転曲げ疲労試験を行なったとき、破断までの繰り返し数が１．０×１０5回以上を満足することを特徴とする中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項２】
更に、Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）を含有する鋼材からなるものである請求項１に記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項３】
更に、Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）、およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する鋼材からなるものである請求項１または２に記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項４】
更に、Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）、および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）を含有する鋼材からなるものである請求項１〜３のいずれかに記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項５】
更に、Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）を含有する鋼材からなるものである請求項１〜４のいずれかに記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項６】
更に、Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）、およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する鋼材からなるものである請求項１〜５のいずれかに記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【請求項７】
更に、Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）、およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上を含有する鋼材からなるものである請求項１〜６のいずれかに記載の中空ばね用シームレス鋼管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関の弁ばねや懸架ばね等に使用される中空ばね用シームレス鋼管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガス低減や燃費改善を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、エンジンやクラッチ、サスペンション等に使用される弁ばね、クラッチばね、懸架ばね等においても高応力設計が志向されている。そのため、これらのばねは、高強度化・細径化していく方向であり、負荷応力が更に増大する傾向にある。こうした傾向に対応するため、耐疲労性や耐へたり性においても一段と高性能なばね用鋼が強く望まれている。
【０００３】
また、耐疲労性や耐へたり性を維持しつつ軽量化を実現するために、ばねの素材としてこれまで用いられている棒状の線材（即ち、中実の線材）ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のないもの（即ち、シームレスパイプ）をばねの素材として用いられるようになっている。
【０００４】
上記のような中空シームレスパイプを製造するための技術についても、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献１には、穿孔圧延機の代表というべきマンネスマンピアサを用いて穿孔を行なった後（マンネスマン穿孔）、冷間でマンドレルミル圧延（延伸圧延）を行ない、更に８２０〜９４０℃に１０〜３０分の条件で再加熱し、その後仕上げ圧延する技術について提案されている。
【０００５】
一方、特許文献２では、熱間での静水圧押出しを行なって、中空シームレスパイプの形状とした後、球状化焼鈍を行ない、引続き冷間でピルガーミル圧延や引抜き加工等によって伸展（抽伸）することで、生産性、品質ともに改善する技術について提案されている。また、この技術では最終的に、所定の温度で焼鈍を行なうことも示されている。
【０００６】
上記のような各技術では、マンネスマン穿孔や熱間静水圧押出しを行う際に、１０５０℃以上に加熱したり、冷間加工前・後に焼鈍を行う必要があり、熱間での加工あるいは加工時に、更にはその後の熱処理工程において、中空シームレスパイプの内周面および外周面に脱炭が生じやすいという問題がある。また加熱処理後の冷却時においても、フェライトとオーステナイト中への炭素の固溶量の違いに起因する脱炭（フェライト脱炭）が生じる場合がある。
【０００７】
上記のような脱炭が生じると、ばね製造時の焼入れ段階で、外周面および内周面で表層部が十分硬化しないという事態が生じ、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できないという問題が生じる。また、疵が存在すると応力集中部となり、早期折損の要因となる。
【０００８】
また通常のばねでは外面にショットピーニングなどで残留応力を付与し、疲労強度を向上させることが通常行なわれているが、中空シームレスパイプで成形したばねでは、内周面にショットピーニングができないこと、および従来の加工方法では内周面で疵が発生しやすいことから、中実材よりも脱炭や疵などの品質を厳しく制御する必要がある。
【０００９】
上記のような問題を解決する方法として、特許文献３のような技術も提案されている。この技術では、棒材を熱間圧延した後、ガンドリルで穿孔して、冷間加工（抽伸、圧延）によってシームレス鋼管を製造することで、穿孔や押出し時における加熱を回避するものである。しかしながら、この技術では、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍が行われており（この点については、特許文献２の技術についても同様）、このような低温焼鈍を行うと、炭化物の粗大化が進行しやすいという別の問題がある。
【００１０】
粗大な炭化物は、焼入れ加熱時に未固溶状態で残存し、硬さ低下や不完全焼入れ組織生成を引き起こし、疲労強度の低下（「耐久性劣化」と呼ぶことがある）の原因となる。特に、近年では、ばね製造時における焼入れ工程において、脱炭低減や設備のコンパクト化を図る観点から、高周波加熱による短時間熱処理が主流となっており、未固溶状態の炭化物の残存が顕著になりやすい傾向がある。
【００１１】
しかも現在では、従来の要求レベルよりも高度な疲労強度が求められており、これまで提案されているような技術では、要求される疲労強度を満足できるものではなく、耐久性の点で不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１−２４７５３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５５８８号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６５５２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明はこうした状況の下になされたものであって、その目的は、鋼管（パイプ）内表層部（内周面の表層部）における金属組織を制御することによって、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できるような中空ばね用シームレス鋼管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決し得た本発明の中空ばね用シームレス鋼管とは、Ｃ：０．２〜０．７％（「質量％」の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．５〜３％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）、Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）、Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）、およびＮ：０．０２％以下（０％を含まない）を夫々含有し、鋼管内表層部における残留オーステナイト含有率が５体積％以下であると共に、鋼管内表層部におけるフェライト・パーライト組織の平均粒径が１８μｍ以下であり、且つ鋼管内表層部に存在する円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物の個数密度が１．８×１０-2個／μｍ2以下であることに要旨を有するものである。なお、前記「円相当直径」とは、炭化物の大きさに着目し、これを同一面積の円に換算したときの直径を意味する。
【００１５】
本発明の中空ばね用シームレス鋼管において、素材として用いる鋼材には、必要によって更に（ａ）Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｆ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、等を含有することも有用であり、含有される元素の種類に応じて、中空ばね用シームレス鋼管（すなわち、成形されるばね）の特性が更に改善される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の中空ばね用シームレス鋼管は、素材としての鋼材の化学成分組成を適切に調整すると共に、鋼管内表層部の各種組織（残留オーステナイト、フェライト・パーライト組織の平均粒径、粗大炭化物）を適切に制御しているため、こうした中空ばね用シームレス鋼管から成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できるようになる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者らは、高疲労強度化を図って耐久性を向上させるのに必要な制御因子について多角的に検討した。従来、耐久性向上の支配因子としては、これまでは脱炭深さや疵深さ等が考えられ、こうした観点から様々な技術が提案されてきた。しかしながらより高い応力域下では、これまで提案されてきた耐久性向上技術では限界があり、より高い耐久性を達成するには他の要因についても検討する必要があった。
【００１８】
その結果、鋼管内表層部（内周面の表層部）における各種組織が与える影響も大きいことが判明した。すなわち、粗大炭化物、フェライト・パーライト組織の平均粒径、残留オーステナイト量を制御することによって、疲労強度を著しく向上できることがわかった。
【００１９】
まず、粗大炭化物について説明する。これまでの製造方法では、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍が行われていた（前記特許文献２、３）。このような低温焼鈍を行うと、鋼管内表層部に存在する炭化物の粗大化が進行しやすいという問題がある。この点に関して本発明者らが検討した結果、粗大炭化物が、焼入れ時に未固溶で残存すると耐久性向上を阻害する要因となることがわかった。そして焼鈍条件を適切にすれば、粗大な炭化物の低減が図られ、耐久性が更に向上し得ることを見出した。具体的には、後述するように焼鈍条件を適切に制御することによって、円相当直径で５００ｎｍ以上となるような粗大炭化物の個数密度を１．８×１０-2個／μｍ2以下に低減でき、その結果、耐久性を向上することができたのである。なお、粗大炭化物の個数密度は、好ましくは、１．５×１０-2個／μｍ2以下、より好ましくは１．２×１０-2個／μｍ2以下、更に好ましくは１．０×１０-2個／μｍ2以下である。また、本発明で対象とする炭化物とは、金属組織中に存在するセメンタイト（Ｆｅ3Ｃ）の他、鋼材成分中の炭化物形成元素（例えばＭｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ）の炭化物を含む趣旨である。
【００２０】
次に、フェライト・パーライト組織の平均粒径（組織サイズ）と残留オーステナイトについて説明する。本発明者らが検討した結果、鋼管内表層部におけるフェライト・パーライト組織の平均粒径と残留オーステナイト量が耐久性に影響を及ぼす要因となることがわかった。従来の中実ばねでは、破壊起点となる外面の耐久性を向上させる手段として、ショットピーニング処理を施していた。しかしながら中空ばねでは、鋼管内表層部をショットピーニング処理することができないため、鋼管内面が破壊起点となりやすいという問題があった。しかし鋼管内表層部の金属組織を適切に制御することで、鋼管内表層部にショットピーニング処理を施さなくても、耐久性を向上できることを見出した。その詳細なメカニズムは明らかでないが、ばね製造工程における焼入れ前の金属組織のうち、フェライト・パーライト組織の平均粒径が微細なほど、また、残留オーステナイト量が少ない組織条件であるほど、焼き入れ後のばねの耐久性が向上することがわかった。詳細な理由は不明であるが、焼き入れ前の金属組織を上記のように制御することによって、焼入れ後の金属組織が微細化する傾向を示し、そして焼入れ後の金属組織が微細化されていると高応力下での局所的なひずみ集中が緩和され、その結果、耐久性が向上するものと推察される。
【００２１】
本発明においてフェライト・パーライト組織の平均粒径とは、フェライトとパーライトの混合組織の平均粒径のことである。平均粒径は、ナイタールでエッチングした上で、ＪＩＳ  Ｇ０５５１に記載の方法に準じた比較法によって結晶粒度Ｇを測定し、下式（１）を用いて平均粒径ｄに換算し、求めることができる。
ｄ＝１／（√８×２Ｇ）・・・式（１）
【００２２】
なお、ＪＩＳ  Ｇ０５５１にはフェライト・パーライトの粒度測定に関して、パーライト部分を除いたフェライト部分のみの粒度測定法が記載されているが、本発明では、フェライトおよびパーライトブロック（ノジュール）の粒度をまとめて測定する。パーライトブロック（ノジュール）の測定については、日本金属学会誌，４２（１９７８），７０８．（高橋、南雲、浅野）の記載に基づき、エッチング後のコントラストによって結晶単位を判断する。
【００２３】
また本発明において、残留オーステナイト以外の金属組織としては、主にフェライト・パーライト組織であるが（「主に」とは、金属組織全体中最も多い体積割合を意味する）、更にベイナイトやマルテンサイトを含む場合がある。なお、本発明では、オーステナイト以外の金属組織の割合については特に限定されない。耐久性向上阻害要因である残留オーステナイトを低減すると共に、上記フェライト・パーライト組織を所定の平均粒径とすることによって耐久性を向上できるからである。
【００２４】
フェライト・パーライト組織の平均粒径は微細なほど耐久性が向上する傾向を示し、具体的には鋼管内表層部における平均粒径は１８μｍ以下とすることが耐久性向上の観点からは必要である。好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは５μｍ以下とする。フェライト・パーライト組織の平均粒径は微細なほど耐久性が向上する傾向を示すため下限については特に限定されない。
【００２５】
一方、鋼管内表層部における残留オーステナイトは、耐久性向上阻害要因であり、フェライト・パーライト組織の平均粒径を微細化しても、残留オーステナイトが多いと、耐久性は向上しにくいことがわかった。したがって鋼管内表層部における残留オーステナイトの含有率は５体積％以下、好ましくは３体積％以下、更に好ましくはゼロとする。
【００２６】
本発明の中空ばね用シームレス鋼管は、化学成分組成を適切に調整した鋼材に対して（適切な化学成分組成については後述する）、下記した手順に従って製造することができる。この製造方法における各工程について、より具体的に説明する。
【００２７】
［中空化手法］
まず中空化手法としては、熱間押出しによって素管を作製した後、圧延または抽伸等の冷間加工、および軟化焼鈍、酸洗処理を複数回繰り返し、所定のサイズ（外径、内径、長さ）まで成形する。
【００２８】
［熱間押出し時の加熱温度：１０５０℃未満］
上記の熱間押出しにおいて、その加熱温度は１０５０℃未満とすることが推奨される。このときの加熱温度が１０５０℃以上となると、トータル脱炭が多くなる。加熱温度は好ましくは、１０２０℃以下、より好ましくは１０００℃以下である。好ましい加熱温度の下限は特に限定されないが、加熱温度が低すぎると押出しが困難となるため、好ましくは９００℃以上である。
【００２９】
［熱間押出し後の冷却条件：押出し後７２０℃までの平均冷却速度を１．５℃／秒以上］
上記のような条件で、熱間押出しを行なった後、７２０℃までを比較的速やかに冷却することによって、冷却中の脱炭を軽減することができる。こうした冷却効果を発揮させるためには、７２０℃までの平均冷却速度を１．５℃／秒以上、好ましくは２℃／秒以上とする。７２０℃までの平均冷却速度の上限は特に限定されないが、製造コストや制御容易性の観点から工業的には５℃／秒以下が好ましい。なお、７２０℃以降の冷却は特に限定されず、例えば０．１〜３℃／秒程度で冷却すればよい。
【００３０】
［冷間加工条件］
上記のような制御冷却を行なった後は、冷間加工を施すが、このときの冷間加工としては、抽伸や冷間圧延を繰り返し実施し、所定寸法の鋼管を製造することが望ましい。冷間加工、及びその後の中間焼鈍を複数回行うことによって、フェライト・パーライト組織の平均粒径などを上記所定の大きさに微細化することが容易となるからである。
【００３１】
［焼鈍工程］
上記冷間加工によって所定寸法の鋼管を製造した後、更に焼鈍を行って、粗大炭化物の個数密度や残留オーステナイト量を低減すると共に、フェライト・パーライト組織の平均粒径を制御する。また焼鈍を行うことによって、材料の硬度低減を図ることができる。
【００３２】
雰囲気については特に限定されないが、焼鈍をＡｒや窒素、水素などの非酸化性雰囲気下で実施すると、焼鈍中に発生する脱炭を顕著に軽減できる。また、生成スケールが極めて薄くなるため、焼鈍後に実施する酸洗時の浸漬時間を短縮でき、深い酸洗ピット生成抑制に有利である。
【００３３】
また、焼鈍時の加熱最高温度（焼鈍温度）は、９００℃以上とすることが望ましい。焼鈍温度については、従来技術では（前記特許文献２、３）、７５０℃以下の比較的低温で焼鈍されている。しかしながら、焼鈍温度が７５０℃以下では、炭化物の粗大化が進行される。本発明では、この点に着目し、焼鈍温度については従来のような低温ではなく、炭化物が溶解するような高温（９００℃以上）で焼鈍するようにした。
【００３４】
一方、加熱温度が高温になり過ぎるとかえってフェライト・パーライト組織の組織が粗大化する。フェライト・パーライト組織の粗大化を抑制する観点から焼鈍温度は好ましくは９５０℃以下、より好ましくは９４０℃以下、更に好ましくは９３０℃以下とする。
【００３５】
また、組織を微細化するには焼鈍温度に応じて加熱（焼鈍）時間も制御することが重要である。高温で長時間加熱するとフェライト・パーライト組織が粗大化する。具体的には９００℃以上の温度域での滞在時間を１０分未満、好ましくは７分以下、より好ましくは４分以下とする。一方、加熱時間が短すぎると粗大炭化物の残存や、材料内の材質不均一を招くため、少なくとも所望の効果が得られるように加熱時間を確保する必要がある。具体的には５秒以上、好ましくは１０秒以上、更に好ましくは２０秒以上とすることで粗大炭化物の低減とフェライト・パーライト組織の平均粒径を制御できる。
【００３６】
［焼鈍後の冷却］
上記温度域での焼鈍後に冷却速度を制御して所定の温度域まで冷却することが望ましい。上記のように従来（７５０℃以下）よりも高温（９００℃以上）で焼鈍を行った場合、高温域ではオーステナイトの粒成長が早いため、高温域での滞在時間を短くし、オーステナイトの粒成長を抑制して微細な組織を保つためである。
【００３７】
具体的には９００℃から７５０℃までの温度域の平均冷却速度（冷却速度１）を０．５℃／秒以上、好ましくは１℃／秒以上、更に好ましくは２℃／秒以上とする。また平均冷却速度は、速いほど組織微細化に有効であり、上限は特に限定されないが、冷却速度の制御容易性や冷却速度の効果などを考慮すると工業的に好ましくは１０℃／秒以下である。
【００３８】
また７５０℃〜６００℃までの温度域の平均冷却速度（冷却速度２）を１℃／秒未満、好ましくは０．５℃／秒未満で徐冷する。この温度域では、残留オーステナイトの生成を避けるために、高温で十分に変態を進行させておくことが望ましいからである。また平均冷却速度は、好ましくは０．１℃／秒以上である。
【００３９】
なお、冷却速度（冷却速度１、２）は、１段階目（９００℃〜７５０℃）と２段階目（７５０〜６００℃）で同一であってもよく、また異なっていてもよい。好ましくは各冷却段階において所望の効果が得られる冷却速度を設定することである。また６００℃以降の冷却速度については特に限定されず、生産設備や製造条件などを考慮して放冷、除冷、急冷のいずれであってもよい。
【００４０】
以上のように、本発明の焼鈍工程では、非酸化性雰囲気中にて、９００℃以上に加熱し、更に加熱後の９００℃〜７５０℃の温度域における平均冷却速度（冷却速度１）を０．５℃／秒以上、７５０℃〜６００℃の温度域における平均冷却速度（冷却速度２）は１℃／秒未満とするステップ冷却を特徴とし、これにより、上記所定の粗大炭化物の個数密度、フェライト・パーライト組織の平均粒径、残留オーステナイト量を満足する中空シームレス鋼管が得られる。
【００４１】
［酸洗工程］
上記のような焼鈍を行った後は、材料表層に少なからずスケールが生成しており、圧延、抽伸等の次工程に悪影響を及ぼすため、硫酸や塩酸等を用いて酸洗処理を実施する。ただし、酸洗処理が長くなると、大きな酸洗ピットが生成し、疵として残存することになる。こうした観点から、酸洗時間を短くすることが有利であり、具体的には３０分以内とすることが好ましく、より好ましくは２０分以内である。
【００４２】
なお、本発明では上記冷間加工、焼鈍（焼鈍後の冷却）、酸洗を必要に応じて上記条件で複数回行ってもよい。本発明では、最終焼鈍後の粗大炭化物やフェライト・パーライト組織、残留オーステナイトを規定しているが、中間焼鈍などによって組織の微細化などを促進しておくことで、後工程での焼鈍時に炭化物の固溶が促進されると共に、比較的低温、短時間で粗大炭化物の低減やフェライト・パーライト組織の微細化、残留オーステナイト量の低減を図ることができる。
【００４３】
［内表層研磨工程］
また本発明では、高疲労強度が要求される場合など、必要に応じて、内表面の疵や脱炭層を除去する目的で内表層を研磨・研削する工程を採用してもよい。内表層の研磨・研削量は０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．１ｍｍ以上、更に好ましくは０．１５ｍｍ以上とするのがよい。更に必要に応じて脱脂工程や皮膜処理工程などを行ってもよい。
【００４４】
本発明の中空シームレス鋼管は、素材となる鋼材の化学成分組成も適正に調整されていることも重要である。以下、化学成分の範囲限定理由を説明する。
【００４５】
［Ｃ：０．２〜０．７％］
Ｃは、高強度を確保するのに必要な元素であり、そのためには０．２％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．３０％以上であり、より好ましくは０．３５％以上である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、延性の確保が困難になので、０．７％以下とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０．６５％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。
【００４６】
［Ｓｉ：０．５〜３％］
Ｓｉは、ばねに必要な耐へたり性の向上に有効な元素であり、本発明で対象とする強度レベルのばねに必要な耐へたり性を得るには、Ｓｉ含有量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１．０％以上、より好ましくは１．５％以上である。しかしながら、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを過剰に含有させると鋼材表面の脱炭層形成を促進させる。その結果、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となるので、製造コストの面で不都合である。こうしたことから、本発明ではＳｉ含有量の上限を３％とした。好ましくは２．５％以下、より好ましくは２．２％以下である。
【００４７】
［Ｍｎ：０．１〜２％］
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼材中の有害元素であるＳとＭｎＳを形成して無害化する有益な元素である。このような効果を有効に発揮させるには、Ｍｎは０．１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、偏析帯が形成されて材質のばらつきが生じる。こうしたことから、本発明ではＭｎ含有量の上限を２％とした。好ましくは１．５％以下であり、より好ましくは１．０％以下である。
【００４８】
［Ｃｒ：３％以下（０％を含まない）］
冷間加工性を向上させる観点からは、Ｃｒ含有量は少ない程好ましいが、Ｃｒは焼戻し後の強度確保や耐食性向上に有効な元素であり、特に高レベルの耐食性が要求される懸架ばねに重要な元素である。こうした効果は、Ｃｒ含有量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を優先的に発揮させるためには、Ｃｒは０．２％以上含有させることが好ましい。更に好ましくは０．５％以上とするのがよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、過冷組織が発生し易くなると共に、セメンタイトに濃化して塑性変形能を低下させ、冷間加工性の劣化を招く。またＣｒ含有量が過剰になると、セメンタイトとは異なるＣｒ炭化物が形成されやすくなり、強度と延性のバランスが悪くなる。こうしたことから、本発明で用いる鋼材では、Ｃｒ含有量を３％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは２．０％以下、更に好ましくは１．７％以下である。
【００４９】
［Ａｌ：０．１％以下（０％を含まない）］
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、ＮとＡｌＮを形成して固溶Ｎを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。特に固溶Ｎを固定させるには、Ｎ含有量の２倍を超えるようＡｌを含有させることが好ましい。しかしながら、ＡｌはＳｉと同様に脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを多く含有するばね鋼ではＡｌの多量添加を抑える必要があり、本発明では０．１％以下とした。好ましくは０．０７％以下、より好ましくは０．０５％以下である。
【００５０】
［Ｐ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｐは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明ではその上限を０．０２％以下とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下に抑えるのが良い。なお、Ｐは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％にすることは工業生産上困難である。
【００５１】
［Ｓ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｓは、上記Ｐと同様に鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明では０．０２％以下に抑える。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下である。なお、Ｓは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業生産上困難である。
【００５２】
［Ｎ：０．０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ等が存在すると窒化物を形成して組織を微細化させる効果があるが、固溶状態で存在すると、鋼材の靭延性及び耐水素脆化特性を劣化させる。本発明では、Ｎ量の上限を０．０２％以下とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０．００５０％以下である。
【００５３】
本発明で適用する鋼材において、残部は、鉄および不可避的不純物（例えば、Ｓｎ，Ａｓ等）からなるものであるが、その特性を阻害しない程度の微量成分（許容成分）も含み得るものであり、こうした鋼材も本発明の範囲に含まれるものである。
【００５４】
また必要によって、更に（ａ）Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）、（ｂ）Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｃ）Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）、（ｄ）Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）、（ｅ）Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、（ｆ）Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上、等を含有させることも有効である。これらの成分を含有させるときの範囲限定理由は、次の通りである。
【００５５】
［Ｂ：０．０１５％以下（０％を含まない）］
Ｂは、鋼材の焼入れ・焼戻し後において旧オーステナイト粒界からの破壊を抑制する効果がある。このような効果を発現させるには、Ｂを０．００１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、粗大な炭硼化物を形成して鋼材の特性を害する。またＢは、必要以上に含有させると圧延材の疵の発生原因にもなる。こうしたことから、Ｂ含有量の上限を０．０１５％以下とした。より好ましくは０．０１０％以下、更に好ましくは０．００５０％以下とするのが良い。
【００５６】
［Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０．３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０．３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｖ，ＴｉおよびＮｂは、Ｃ，Ｎ，Ｓ等と炭・窒化物（炭化物、窒化物および炭窒化物）、或は硫化物等を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また上記炭・窒化物を形成して中空鋼管製造時の焼鈍工程やばね製造時の焼入れ工程における加熱時にオーステナイト組織を微細化する効果も発揮する。更に、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。これらの効果を発揮させるには、Ｔｉ，ＶおよびＮｂの少なくとも１種を０．０２％以上（２種以上含有させるときは合計で０．２％以上）含有させることが好ましい。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭・窒化物が形成されて靭性や延性が劣化する場合がある。よって本発明では、Ｖ，ＴｉおよびＮｂの含有量の上限を、夫々１％以下、０．３％以下、０．３％以下とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ：０．５％以下、Ｔｉ：０．１％以下、Ｎｂ：０．１％以下である。更には、コスト低減の観点からして、Ｖ：０．３％以下、Ｔｉ：０．０５％以下、Ｎｂ：０．０５％以下とすることが好ましい。
【００５７】
［Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは表層脱炭を抑制したり、耐食性を向上するのに有効な元素である。Ｎｉは、コスト低減を考慮した場合には、添加を控えるためその下限を特に設けないが、表層脱炭を抑制したり耐食性を向上させる場合には、０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、圧延材に過冷組織が発生したり、焼入れ後に残留オーステナイトが存在し、鋼材の特性が劣化する場合がある。こうしたことから、Ｎｉを含有させる場合には、その上限を３％以下とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とするのが良い。
【００５８】
Ｃｕは、上記Ｎｉと同様に表層脱炭を抑制したり耐食性を向上するのに有効な元素である。このような効果を発揮させるには、Ｃｕを０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｕの含有量が過剰になると、過冷組織が発生したり、熱間加工時に割れが生じる場合がある。こうしたことから、Ｃｕを含有させる場合には、その上限を３％以下とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１．０％以下とするのが良い。
【００５９】
［Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことからＭｏ含有量の上限は２％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．５％以下とするのが良い。
【００６０】
［Ｃａ：０．００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０．００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０．０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭ（希土類元素）は、いずれも硫化物を形成し、ＭｎＳの伸長を防ぐことで、靭性を改善する効果を有し、要求特性に応じて添加することができる。しかしながら、夫々上記上限を超えて含有させると、逆に靭性を劣化させる。夫々の上限は、Ｃａで０．００５％以下、好ましくは０．００３０％以下、Ｍｇで０．００５％以下、好ましくは０．００３０％以下、ＲＥＭで０．０２％以下、好ましくは０．０１０％以下である。なお、本発明において、ＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｕまでの１５元素）およびＳｃ（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味である。
【００６１】
［Ｚｒ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０．１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０．１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
これの元素は、Ｎと結びついて窒化物を形成し、中空鋼管製造時の焼鈍工程やばね製造時の焼入れ工程における加熱時にオーステナイト組織を微細化する効果がある。但し、いずれも０．１％を超えて過剰に含有させると窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させるため好ましくない。こうしたことから、いずれもその上限を０．１％以下とした。より好ましい上限はいずれも０．０５０％であり、更に好ましい上限は０．０２５％である。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００６３】
下記表１に示す化学成分組成を有する各種溶鋼（中炭素鋼）を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を冷却して分塊圧延後に断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの角柱形状のビレットとした後、熱間鍛造によって直径：１５０ｍｍの丸棒に成形し押出し用ビレットを機械加工により作製した。なお、表１において、ＲＥＭはＬａを２０％程度とＣｅを４０〜５０％程度含有するミッシュメタルの形態で添加した。また表１中、「−」は元素を添加していないことを示す。
【００６４】
上記ビレットを用いて、１０００℃に加熱して熱間押出しを行い、外径：５４ｍｍφ、内径３５ｍｍφの押出し管を作製し（押出し後、７２０℃までの平均冷却速度：１．５℃／秒、７２０℃から６００℃までの平均冷却速度：０．５℃／秒、その後は放冷）、次に冷間加工（抽伸加工：非連続型ドローベンチ、圧延加工：ピルガー圧延機）、焼鈍、酸洗（酸液の種類：５％塩酸、酸洗条件：１５分）を複数回繰り返し、外径１６ｍｍφ、内径８．０ｍｍφの中空シームレス鋼管を作製した。なお、焼鈍時の雰囲気、焼鈍温度（加熱最高温度）、焼鈍時間（加熱時間）、焼鈍（加熱）後の平均冷却速度（冷却速度１、冷却速度２）は表２に記載の条件で行った。
【００６５】
得られた中空シームレス鋼管について、粗大炭化物の個数密度、組織サイズ（平均粒径）、残留オーステナイト量を下記の方法によって調査した。
【００６６】
（粗大炭化物の個数密度）
鋼管内表層部の炭化物の個数密度に関しては、任意の横断面（パイプの軸直角断面）を観察するため、切断、樹脂埋め込み、鏡面研磨した後、ピクラール腐食にてエッチングした観察試料を作製した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、内周面の最表面から深さ１００μｍ位置の表層部を観察（倍率３０００倍）した。ＳＥＭ写真に基づき（測定箇所：３箇所）、画像解析ソフト（Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ）を用いて炭化物面積を測定し、円相当直径に換算した。そして円相当直径で５００ｎｍ以上の炭化物について、個数密度を測定し、平均した。
【００６７】
（組織サイズ：平均粒径）
鋼管内表層部の組織サイズに関しては、任意の横断面（パイプの軸直角断面）を観察するため、切断、樹脂埋め込み、鏡面研磨した後、ナイタール腐食にてエッチングした観察試料を作製した。光学顕微鏡で内表面から１００μｍ位置の表層部を観察（１００〜４００倍）し、比較法により結晶粒度を測定し、式（１）から平均結晶粒径に換算した（測定箇所：４箇所）。
【００６８】
（残留オーステナイト量）
鋼管内表層部の残留オーステナイト量に関しては、任意の横断面（パイプの軸直角断面）を観察するため、切断、樹脂埋め込み、湿式研磨の後、電解研磨仕上げを施した観察試料を作製した。Ｘ線回折によって残留オーステナイト量（単位は体積％）を測定した。残留オーステナイト量が５％以下の場合を○、５％超の場合を×と評価した。                
【００６９】
（疲労強度試験：耐久性）
上記各シームレス鋼管を中空ばねに付与される熱処理を想定した下記条件で焼入れ・焼き戻しを行い、ＪＩＳ試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２７４疲労試験片）に加工した。      
【００７０】
（焼入れ・焼戻し条件）
焼入れ条件：９２５℃で１０分間保持し、その後、油冷
焼戻し条件：３９０℃で４０分間保持し、その後、水冷
上記試験片（焼入れ・焼戻しした試験片）に、応力：９００ＭＰａ、回転速度：１０００ｒｐｍで回転曲げ疲労試験を行なった。破断までの繰り返し数が１．０×１０5回以上を疲労強度が良好（「○」）、１．０×１０5回までに破断したものを疲労強度が不十分（「×」）として評価した。そして、この評価結果を、表２（「耐久試験結果」）に示す。
【００７１】
【表１】
0005986434.tif 000002
【００７２】
【表２】
0005986434.tif 000003
【００７３】
これらの結果から明らかなように、適切な成分組成を有する鋼材を適切な条件で製造して得られた中空シームレス鋼管（Ｎｏ．１〜３、６、７、９〜１１、１４、１５、１７、２０〜２２、２４〜２６）では、ばねにおける疲労強度が良好なものが得られた。
【００７４】
これに対して試験Ｎｏ．４、５、８、１２、１３、１６、１８、１９、２３）では、製造方法が適切でないので、本発明で規定する要件を満足しないものとなって、疲労強度が劣化していることがわかる。
【００７５】
すなわち、試験Ｎｏ．４は、冷却速度１が遅かった例であり、フェライト・パーライト組織の平均粒径（組織サイズ）が粗大化してしまい、疲労強度（耐久性）が低下している。
【００７６】
試験Ｎｏ．５、２３は、冷却速度２が速すぎた例であり、残留オーステナイト量が多くなってしまい、疲労強度（耐久性）が低下している。
【００７７】
試験Ｎｏ．８、１６は、焼鈍時の加熱最高温度が高い例であり、平均粒径（組織サイズ）が粗大化しており、疲労強度が低下している。
【００７８】
試験Ｎｏ．１２と１３は９００℃以上での加熱時間が長すぎる例であり、疲労特性（耐久性）が低下している。
【００７９】
試験Ｎｏ．１８、１９は、大気中で焼鈍を行い、しかも焼鈍時の温度が低い例である。これらの例では、粗大炭化物の個数密度が多くなっており、疲労強度（耐久性）が低下している。