(57)【要約】【解決課題】  鋼材のフェライト脱炭を抑制して疲労特性を確保しつつ、しかも過冷を防止して伸線時の加工性を改善するばね用鋼の製造方法を提供することを主たる解決課題とする。【解決手段】  C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。
【請求項２】
C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出温度を1000〜1100℃として加熱した後、熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。
【請求項３】
C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出温度を1000〜1100℃として加熱した後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。
【請求項４】
前記鋼材がさらにNi：1.0 %以下（０を含まない）、Cu：1.0%以下（０を含まない）の一種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばね用鋼の製造方法。
【請求項５】
前記鋼材がさらにMo：1.0%以下（０を含まない）、V： 0.3%以下（０を含まない）、Ti： 0.1%以下（０を含まない）、Nb：0.1%以下（０を含まない）、Zr：0.1%以下（０を含まない）の一種以上を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のばね用鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車用懸架ばねなどの工業用のばねに適したばね用鋼の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、自動車用の高強度懸架ばねに代表される工業用のばねの素材となるばね用鋼(圧延材)には、ばねの疲労特性の確保や圧延、熱処理後のピーリング工程の省略などの観点から、鋼のフェライト組織の脱炭（脱炭層）の抑制が要求されており、また最近ではフェライト組織のみならずフェライトの占める割合の多い領域を含めた組織の脱炭（全脱炭層という）も問題になり、より厳しい条件下での疲労特性が求められる状況に至っている。
【０００３】
このような背景の下に、従来よりこの脱炭層の抑制のために、各種の方法が提案されているが、主たるものは鋼材の加熱、圧延の温度やその圧延後の冷却速度をコントロールするものである。
【０００４】
たとえば、特許文献１では熱間圧延に際して１１７０℃以上で少なくとも２分間加熱し、かつ圧延後の７５０〜６００℃の温度域を５〜３００℃／分の冷却速度で冷却する工程及び脱スケーリング工程を含む方法が、また、特許文献２では熱間圧延の開始から終了まで全工程でＡ３変態点以上の温度域とし、圧延後に０.５〜３.０℃／分の冷却速度で実施する方法がそれぞれ示されている。
【０００５】
しかしながら、これらの従来法はいずれも高温に加熱し、高温で圧延する必要があるため、圧延後の冷却過程で過冷が発生しやすく、また全脱炭も大きくなる傾向がある。
【０００６】
過冷が発生すると鋼中にマルテンサイトやベイナイトなどの硬くて脆い組織（過冷組織）を含むことになり、この過冷組織は圧延後に行われる鋼材の伸線時の加工性（伸線加工性）を劣化させることになる。また、全脱炭が大きくなると、バネ用鋼材としての疲労特性（大気疲労特性）を低下させる悪影響が生じることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２６８４８３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来の問題を解消し、鋼材のフェライト脱炭を抑制して疲労特性を確保しつつ、しかも過冷を防止して伸線時の加工性を改善するばね用鋼の製造方法を提供することを主たる解決課題としたものである。また、これに加えて全脱炭の抑制が可能なばね用鋼の製造方法の提供をその副次的な解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、この課題を解決するための具体的手段として、以下のばね用鋼材の製造方法を提案するものである。
【００１０】
（１）C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。
【００１１】
（２）C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷すること特徴とするばね用鋼の製造方法。
【００１２】
（３）C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下（０を含まない）、S：0.025%以下（０を含まない）、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼材を、加熱炉抽出温度を1000〜1100℃として加熱した後、仕上前温度を1000℃未満として熱間圧延し、仕上圧延後、1000〜1150℃の範囲に5sec以下保持して巻き取った後に冷却速度2〜8℃/sで750℃以下に冷却し、その後、巻取りから150sec以上かけて600℃まで徐冷することを特徴とするばね用鋼の製造方法。
【００１３】
（４）前記鋼材がさらにNi：1.0 %以下（０を含まない）、Cu：1.0%（０を含まない）の一種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のばね用鋼の製造方法。
【００１４】
（５）前記鋼材がさらにMo：1.0%以下（０を含まない）、V：0.3%以下（０を含まない）、Ti：0.1%以下（０を含まない）、Nb：0.1%以下（０を含まない）、Zr：0.1%以下（０を含まない）の一種以上を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のばね用鋼の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明（全請求項）によれば、鋼材のフェライト脱炭を抑制して優れた疲労特性を確保しつつ、しかも過冷を防止して伸線時の加工性を改善することができる。また、本発明（請求項２、３）によれば、鋼材のフェライト脱炭のみならず全脱炭を抑制してより優れた疲労特性を確保しつつ、しかも過冷を防止して伸線時の加工性を改善することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
前述のように、従来においてはフェライト脱炭抑制のために比較的高温で加熱、圧延していた。しかしながら、高温で圧延するとγ粒径の粗大化により焼入れ性が高くなり、後の冷却工程で過冷が発生しやすい。また、高強度化に伴って合金成分が種々添加されているが、炭窒化物を生成する合金元素の場合、炭窒化物のままであれば焼入れ性に寄与しないが、高温加熱によってそれらが固溶すると焼入れ性が上昇する。よって、γ粒径粗大化抑制、合金元素の固溶抑制の観点から加熱温度は高すぎない方が好ましい。
【００１７】
従って、本発明においては、この過冷抑制のために、熱間圧延前の鋼材の加熱温度を1100℃以下、もしくは／及び、仕上圧延の前の鋼材の温度を1000℃未満に制御する方法を採用する。
【００１８】
まず、γ粒径粗大化抑制の観点から、本発明では、熱間圧延時の仕上圧延前の温度を1000℃未満に制御し、過冷を抑制する。過冷抑制に対してこの仕上圧延前温度は低い方が良く、好ましくは990℃以下、更に好ましくは980℃以下、より一層好ましくは970℃以下とする。
【００１９】
また、炭窒化物の固溶抑制の観点から、本発明では、鋼材の加熱温度を1100℃以下に制御する。この加熱温度は好ましくは、1080℃以下、更に好ましくは1060℃以下、より一層好ましくは1040℃以下とする。
【００２０】
これらの２種類の手段はどちらか一方で十分に過冷抑制の効果があるが、加熱温の低下は同時に全脱炭抑制の効果もあり、大気疲労特性の改善に有効である。
【００２１】
一方、従来技術のとおり、加熱温度、圧延温度の低下はフェライト脱炭を発生しやすい。加熱温度が低いと加熱中にフェライト脱炭が進行する。このため本発明では加熱温度を1000℃以上とする。好ましくは1020℃以上、更に好ましくは1040℃以上とする。
【００２２】
また、フェライト脱炭は圧延中にも発生する。本発明では、仕上圧延後の温度を1000〜1150℃に上昇、5sec以下保持することで、圧延中に生成したフェライト脱炭を消去する。1000℃未満であるとフェライト脱炭消去の効果が無く、1150℃を超えるとフェライト脱炭は消去できるが、γ粒径が粗大化し過冷が発生する。温度の下限は好ましくは1010℃、更に好ましくは1020℃、より一層好ましくは1030℃以上とする。温度の上限は、好ましくは1100℃以下、更に好ましくは1080℃以下、より一層好ましくは1050℃以下とする。また、フェライト脱炭を消去するには、上記の温度域である程度時間保持する必要があるが、時間が長くなるとγ粒径が粗大化し、過冷が発生するため、本発明では5sec以下とする。好ましくは4sec以下、更に好ましくは3sec以下、より一層好ましくは2sec以下とする。
【００２３】
フェライト脱炭は、冷却中にも発生する。冷却中のフェライト脱炭抑制のためには、巻取りから750℃までの温度域を比較的急冷する必要がある。本発明では2℃/sec以上とする。2℃/sec未満ではフェライト脱炭が生じる。好ましくは3℃/sec以上、更好ましくは4℃/sec以上、より一層好ましくは5℃/sec以上とする。冷却速度は8℃/secを超えると過冷が発生する危険があるため、本発明では8℃/sec以下とする。好ましくは7℃/sec以下、更好ましくは6℃/sec以下、より一層好ましくは5℃/sec以下とする。
【００２４】
冷却中のフェライト脱炭は750℃までの冷却制御により抑制できるが、過冷抑制のために750℃以下の温度域の制御も必要である。本発明では750℃から600℃までの冷却時間を150sec以上とする。150sec未満だと過冷が発生する危険が高い。好ましくは160sec以上、更に好ましくは170sec以上、より一層好ましくは180sec以上とする。
【００２５】
高強度懸架ばねに適用する場合、脱炭、過冷抑制、伸線加工性確保に加えて、最終的な要求特性を満足する必要がある。この観点から、鋼成分は下記のように限定される。
【００２６】
すなわち、C：0.35〜0.65%（質量%、以下同様）、Si：1.4〜3.0%、Mn：0.1〜1.0%、Cr：0.1〜2.0%、P：0.025%以下、S：0.025%以下を必須の成分とし、また必要に応じ、この成分に加えてNi：1.0 %以下（０を含まない）、Cu： 1.0%（０を含む）を一種以上、あるいは／およびMo： 1.0%以下（０を含まない）、V： 0.3%以下（０を含まない）、Ti： 0.1%以下（０を含まない）、Nb：0.1%以下（０を含まない）、Zr：0.1%以下（０を含まない）の一種以上を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるものである。
【００２７】
以下、上記鋼成分の限定理由を説明する。
【００２８】
C：0.35〜0.65%
Cは鋼材の強度への影響が大きい。高強度懸架ばねに適用するには0.35%以上の添加が必要である。一方で、懸架ばねには耐食性が求められるが、C増量するほど耐食性は劣化する。高強度懸架ばねに必要な耐食性を確保するには0.65%以下にする必要がある。
【００２９】
Si：1.4〜3.0%
Siはばねに必要な耐へたり性確保に有効である。高強度懸架ばねに求められる耐へたり性確保には1.4%以上の添加が必要である。一方で、Siの増量は焼戻し時のセメンタイト析出を抑制し、残留γを増加させるが、残留γの増加によりばね特性が劣化する。このため本発明では、Si量の上限を3.0%とする。
【００３０】
Mn：0.1〜1.0%
Mnは靭性劣化元素であるSの固定に有効であり、0.1%以上の添加が必要になる。一方で、Mnを増量すると鋳造時の凝固偏析が顕著になり、偏析部で破壊が生じやすくなる。よって、上限を1.0%とする。
【００３１】
Cr：0.1〜2.0%
Crは耐食性向上に有効であり、0.1%以上の添加で効果が得られる。一方で、Crを増量すると粗大なCr系炭化物が生成し、靭性を劣化させる。よって上限を2.0%とする。
【００３２】
P：0.025%以下（０を含まない）
Pは粒界偏析して靭性を劣化させるため低いほど良い。高強度懸架ばねとしての特性を確保するためには0.025%以下に制御する必要がある。
【００３３】
S：0.025%以下（０を含まない）
Sは粒界脆化や粗大硫化物形成により靭性劣化させるため低いほど良い。高強度懸架ばねとしての特性を確保するためには0.025%以下に制御する必要がある。
【００３４】
さらに、以下の元素は添加することで高強度懸架ばねの特性を更に向上させるため適宜添加すると良い。
【００３５】
Ni： 1.0 %以下（０を含まない）
Niは耐食性向上元素である。一方で、過剰添加すると残留γを増加させてばね特性を劣化させる。よって、1.0%以下に制御するのが良い。
【００３６】
Cu：1.0%以下（０を含まない）
Cuは耐食性向上元素である。一方で、過剰添加すると残留γを増加させてばね特性を劣化させる。よって、1.0%以下に制御するのが良い。
【００３７】
Mo：1.0%以下（０を含まない）
Moは強度確保や、P偏析の悪影響軽減など、強靭化に有効な元素である。しかし、凝固偏析しやすいため、過剰添加すると偏析部で破壊発生しやすい。よって1.0%以下に制御するのが良い。
【００３８】
V：0.3%以下（０を含まない）
Vは炭窒化物を形成するため、微細組織が得られ靭性向上に有効である。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。よって、0.3%以下に制御するのが良い。
【００３９】
Ti：0.1%以下（０を含まない）
Tiは炭窒化物を形成するため、微細組織が得られ靭性向上に有効である。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。よって、0.1%以下に制御するのが良い。
【００４０】
Nb：0.1%以下（０を含まない）
Nbは炭窒化物を形成するため、微細組織が得られ靭性向上に有効である。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。よって、0.1%以下に制御するのが良い。
【００４１】
Zr：0.1%（０を含まない）
Zrは炭窒化物を形成するため、微細組織が得られ靭性向上に有効である。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。よって、0.1%以下に制御するのが良い。
【実施例】
【００４２】
本発明の製造方法による優れた効果を実証するため、表１に示す三種の高強度懸架ばね用鋼材を対象とし、これらを本発明で規定する製造条件及びそれ以外の条件で熱間圧延を行い、得られた熱間圧延線材（線径：15mm）の各試料についてフェライト脱炭、全脱炭及び過冷の状態を調査し、それらの評価を実施した。フェライト脱炭、全脱炭及び過冷の調査、評価の具体的な方法は下記の通りである。
【００４３】
【表１】
2011080105.tif 000002
【００４４】
（１）フェライト脱炭及び全脱炭の調査、評価
熱間圧延線材から採取した線材リングから湿式切断加工により長さ10mmの試料を切断した後、試料調整として湿式研磨、バフ研磨、化学研磨を行い、研磨加工の歪みと凹凸を極力低減した試料を作成した。このとき、観察面は鋼線材の横断面となるように研磨加工した。ナイタールで腐食して金属組織を現出させた後、光学顕微鏡で、フェライト脱炭の有無を観察した。この観察により、フェライト脱炭がみられないものを○、みられるものを×として評価した。また、全脱炭量を測定し、その量が少ないものすなわ全脱炭深さが0.2 mm以下を○とし、その量がこれを超えるものを△として評価した。
【００４５】
（２）過冷組織の調査、評価
熱間圧延線材から採取した線材リングから湿式切断加工により長さ10mmの試料を切断した後、試料調整として湿式研磨、バフ研磨、化学研磨を行い、研磨加工の歪みと凹凸を極力低減した試料を作成した。このとき、観察面は鋼線材の横断面となるように研磨加工した。ナイタールで腐食して金属組織を現出させた後、光学顕微鏡で過冷組織（ベイナイト、マルテンサイト）観察した。この結果、過冷組織がみられないものを○、みられるものを×として評価した。
【００４６】
各実施例（発明例、比較例）におけるこれらの評価結果について、製造条件と合わせて表２に示す。
【００４７】
【表２】
2011080105.tif 000003
【００４８】
同表２より、本発明の規定する製造条件を満足する発明例については全てフェライト脱炭及び過冷が抑制されており、疲労特性（大気疲労特性）及び伸線加工性の改善に有効であることが判明するとともに、過熱温度が高めの一部発明例（鋼材Ｎｏ.A1-1, A2
-1及びA3-1）を除いてそのほとんどが同時に全脱炭も抑制されており、疲労特性がさらに一層有効に改善されることが分かる。
【００４９】
これに対し、本発明の条件外の比較例についてみると、鋼材Ｎｏ.A1-2は仕上げ前温度（T2）及び仕上げ後保持温度（T3）がともに高いため過冷が発生し、Ｎｏ.A1-4は仕上げ後保持温度（T3）が低いためフェライト脱炭が発生し、Ｎｏ.A1-7は加熱温度（T1）が低いためフェライト脱炭が発生している。また、Ｎｏ.A2-2は750℃から650℃までの冷却時間が短いため過冷が発生し、Ｎｏ.A2-3は仕上げ前温度（T2）が高いために過冷が発生するとともに巻取りから750℃までの冷却速度（CR1）が遅いためにフェライト脱炭が発生し、Ｎｏ.A2-6は仕上げ圧延後の1000〜1050℃での保持時間（Ht）が長いため過冷が発生し、Ｎｏ.A2-8は巻取りから750℃までの冷却速度（CR1）が速いために過冷が発生し、Ｎｏ.A2-12は同冷却速度（CR1）が遅いためにフェライト脱炭が発生ししている。さらに、Ｎｏ.A3-1は仕上げ後保持温度が高いため過冷が発生している。