(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空ばねの素材として用いられるシームレスパイプを焼入れ、焼戻しして得られる中空ばね用鋼を製造する方法であって、
前記シームレスパイプの鋼中成分は、質量％で、
Ｃ  ：０．３５〜０．５％、
Ｓｉ：１．５〜２．２％、
Ｍｎ：０．１〜１％、
Ｃｒ：０．１〜１．２％、
Ａｌ：０％超０．１％以下、
Ｐ  ：０％超０．０２％以下、
Ｓ  ：０％超０．０２％以下、
Ｎ  ：０％超０．０２％以下を含有すると共に、
Ｖ：０％超０．２％以下、Ｔｉ：０％超０．２％以下、およびＮｂ：０％超０．２％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素、
Ｎｉ：０％超１％以下、およびＣｕ：０％超１％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素、並びに
残部は、鉄および不可避不純物であり、
前記焼入れは下記（１）の焼入れ条件を満足し、前記焼戻しは下記（２）の焼戻し条件を満足するように行うことを特徴とする中空ばね用鋼の製造方法。
（１）焼入れ条件
２６０００≦（Ｔ１＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ１）＋２０）≦２９０００・・・式（１）９００℃≦Ｔ１≦１０５０℃
１０秒≦ｔ１≦１８００秒
ここで、Ｔ１は焼入れ温度（℃）、ｔ１は９００℃以上の温度域の滞在時間（秒）を意味する。
（２）焼戻し条件
１３０００≦（Ｔ２＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ２）＋２０）≦１５５００・・・式（２）Ｔ２≦５５０℃
ｔ２≦３６００秒
ここで、Ｔ２は焼戻し温度（℃）、ｔ２は加熱開始から冷却完了までの合計時間（秒）を意味する。
【請求項２】
前記鋼中の水素量を０質量ｐｐｍ以上０．１６質量ｐｐｍ以下に制御する請求項１に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度中空ばね用鋼の製造方法に関する。本明細書において「中空ばね用鋼」とは、中空ばねの素材として用いられるシームレスパイプを焼入れ、焼戻しして得られる鋼を意味する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、エンジン、クラッチ、サスペンションなどに使用される弁ばね、クラッチばね、懸架ばねなどのばね類も、高強度化・細径化する方向にある。それに伴い、耐水素脆化特性、耐疲労性や耐へたり性などのばねに要求される特性も益々高くなり、これらの特性に一層優れたばねを製造可能なばね用鋼の提供が強く望まれている。
【０００３】
耐水素脆化特性、耐疲労性などのばね特性に優れ、且つ、軽量のばねを得るために、ばね用鋼の素材として、これまで用いられている棒状鋼材などの中実の鋼材ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のない鋼材、即ち、シームレスパイプが用いられている。シームレスパイプは、シームレス鋼管とも呼ばれる。
【０００４】
しかしながら、中空ばねの素材としてシームレスパイプを用いた場合、特にシームレスパイプの製造上の観点から、種々の問題がある。すなわち、中空でないばねの素材として用いられる中実の鋼材では、疲労強度を確保するため、ショットピーニングなどにより表層部を硬化し、外面に残留応力を付与することが一般に行なわれている。これに対し、シームレスパイプでは、外周面は同様にショットピーニングができるが、内周面はショットピーニングを施せないため、内周面側のパイプ表層部に脱炭が生じると、ばね製造段階の焼入れ時での内周面側の硬化が不十分となり、ばねに必要な疲労強度を確保できなくなる。また、内周面の表層部に疵が存在すると、そこが応力集中部となり早期折損の原因となる。
【０００５】
また、割れの原因となる鋼中水素は、鋼材製造時に不可避的に侵入し、微量存在する。中実ばねでは、微量水素は問題にならないが、中空ばねでは耐久性に大きく影響する。特に中空ばねでは、前述したように内面にショットピーニングが施せないため、中実ばねよりも、水素脆化に対して一層の品質が求められている。
【０００６】
このような問題に対し、素材となるシームレスパイプ製造の観点から、いくつか技術検討が行われている。特許文献１では、熱間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）している。その結果、鋼管の内周面および外周面に形成される連続疵の深さを、各面から５０μｍ以下に低減できるシームレス鋼管が開示されている。
【０００７】
特許文献２には、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）している。その結果、内周面および外周面におけるＣ含有量が０．１０％以上に制御できると共に、上記内周面および外周面の各々における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下に低減できる高強度ばね用中空シームレスパイプが開示されている。
【０００８】
特許文献３には、シームレスパイプの金属組織と耐久性との関係について検討し、炭化物が円相当径で１．００μｍ以下である高強度中空ばね用シームレス鋼管が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１２５５８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６５５２３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１８４７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
また、ばねの強度が高くなると耐水素脆化特性も低下する傾向にあるため、高強度であっても耐水素脆化特性に優れたばねの提供が切望されている。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、耐水素脆化特性に優れた高強度中空ばね用鋼の製造方法を提供することにある。本発明の他の目的は、耐疲労特性に優れた高強度中空ばね用鋼の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決し得た本発明に係る中空ばね用鋼の製造方法は、中空ばねの素材として用いられるシームレスパイプを焼入れ、焼戻しして得られる中空ばね用鋼を製造する方法であって、上記シームレスパイプの鋼中成分は、質量％で、Ｃ：０．３５〜０．５％、Ｓｉ：１．５〜２．２％、Ｍｎ：０．１〜１％、Ｃｒ：０．１〜１．２％、Ａｌ：０％超０．１％以下、Ｐ：０％超０．０２％以下、Ｓ：０％超０．０２％以下、Ｎ：０％超０．０２％以下を含有すると共に、Ｖ：０％超０．２％以下、Ｔｉ：０％超０．２％以下、およびＮｂ：０％超０．２％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素、並びに、Ｎｉ：０％超１％以下、およびＣｕ：０％超１％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素を含有すると共に、上記焼入れは下記（１）の焼入れ条件を満足し、上記焼戻しは下記（２）の焼戻し条件を満足するように行うところに要旨を有するものである。
（１）焼入れ条件
２６０００≦（Ｔ１＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ１）＋２０）≦２９０００・・・式（１）
９００℃≦Ｔ１≦１０５０℃
１０秒≦ｔ１≦１８００秒
ここで、Ｔ１は焼入れ温度（℃）、ｔ１は９００℃以上の温度域の滞在時間（秒）を意味する。
（２）焼戻し条件
１３０００≦（Ｔ２＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ２）＋２０）≦１５５００・・・式（２）
Ｔ２≦５５０℃
ｔ２≦３６００秒。
ここで、Ｔ２は焼戻し温度（℃）、ｔ２は加熱開始から冷却完了までの合計時間（秒）を意味する。
【００１３】
上記鋼中の水素量を０質量ｐｐｍ以上０．１６質量ｐｐｍ以下に制御してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。すなわち、本発明は上記のように構成されているため、高強度であっても耐水素脆化特性に優れた高強度中空ばね用鋼を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の中空ばね用鋼を製造する場合のヒートパターンの一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明者らは、シームレスパイプを用いて、種々の検討を行った。具体的には、上記特許文献１〜３のように素材となるシームレスパイプの品質を向上するという観点からではなく、得られたシームレスパイプに施される焼入れ、焼戻しの各熱処理条件を適正化するとの観点から検討を行った。その結果、鋼中成分が適切に制御されたシームレスパイプに焼入れ、焼戻しを行って中空ばね用鋼を製造するに当たり、焼入れ温度（℃）をＴ１、９００℃以上の温度域の滞在時間（秒）をｔ１とし、焼戻し温度（℃）をＴ２、加熱開始から冷却完了までの合計時間（秒）をｔ２としたとき、下記（１）の焼入れ条件を満足するように焼入れを行った後、下記（２）の焼戻し条件を満足するように焼戻しを行えば所期の目的が達成されることを見出し、本発明を完成した。
（１）焼入れ条件
２６０００≦（Ｔ１＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ１）＋２０）≦２９０００・・・式（１）
９００℃≦Ｔ１≦１０５０℃
１０秒≦ｔ１≦１８００秒
（２）焼戻し条件
１３０００≦（Ｔ２＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ２）＋２０）≦１５５００・・・式（２）
Ｔ２≦５５０℃
ｔ２≦３６００秒
【００１７】
本明細書において「焼入れ温度Ｔ１」および「焼戻し温度Ｔ２」の各温度は、表面温度を意味する。「９００℃以上の温度域」、並びに「加熱開始」および「冷却完了」の各温度も表面温度を意味する。表面温度は、例えば放射温度計で測定するか、または熱電対を表面に設置することにより測定できる。
【００１８】
本明細書において、「焼入れ温度」とはシームレスパイプを焼入れ硬化させる際の加熱温度（表面温度）を意味する。
【００１９】
はじめに、図１を用いて本発明を特徴付ける焼入れ条件および焼戻し条件について、詳しく説明する。但し、図１は、後記する実施例に基づき加熱開始温度２００℃、冷却完了温度２００℃としたときのｔ２を示しているが、本発明はこれに限定されない。
【００２０】
（１）焼入れ条件
本発明において焼入れ条件は、特に高強度であっても優れた耐水素脆化特性を確保するために重要である。本発明で規定する焼入れ条件を施すことにより、中空ばねにおいて旧オーステナイト粒径の微細化、旧オーステナイト粒界面積の増加、残留オーステナイトの増加が進むようになり、疵や水素による脆化感受性を含む耐久性が向上すると推察される。
【００２１】
本発明では上式（１）に規定するように、図１に示す焼入れ温度Ｔ１と、図１に示す９００℃以上の温度域の滞在時間ｔ１（秒）とのバランスで表される焼入れパラメータ：「（Ｔ１＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ１）＋２０）」は、２６０００以上、２９０００以下を満足する必要がある。上式（１）は、以下の思想の下、種々の基礎実験によって導出されたものである。
【００２２】
まず、耐水素脆化特性の観点からは、焼入れ後の旧オーステナイト粒径の微細化、旧オーステナイト粒界面積の増加、残留オーステナイトの増加が進む傾向にあることが好ましい。一方、焼入れ時の加熱中は、耐水素脆化特性の観点から、炭化物の固溶促進、フェライト脱炭の抑制が進む傾向にあることが好ましい。これらは、上記Ｔ１とｔ１の両方の影響を受けるため、Ｔ１とｔ１のバランスを適切に制御する必要がある。前者の要件（旧オーステナイト粒径の微細化、旧オーステナイト粒界面積の増加、残留オーステナイトの増加）を考慮すれば、低温、且つ短時間の焼入れが好ましいと考えられる。一方、後者の要件（炭化物の固溶促進、フェライト脱炭抑制）のうち炭化物の固溶促進は、高温、且つ長時間の焼入れが好ましいと考えられる。また、フェライト脱炭抑制は高温、且つ短時間が好ましいと考えられる。これらを総合的に勘案して、上式（１）を規定した。
【００２３】
上式（１）において、上記焼入れパラメータの上限は、好ましくは２８７００以下、より好ましくは２８５００以下、更に好ましくは２８３００以下である。一方、上記焼入れパラメータの下限は、好ましくは２６３００以上、より好ましくは２６５００以上である。
【００２４】
本発明では、上式（１）を満足すると共に、９００℃≦Ｔ１≦１０５０℃、且つ、１０秒≦ｔ１≦１８００秒を満足するように焼入れを行うことが必要である。すなわち、上式（１）の範囲を満足し得るＴ１およびｔ１のうち、Ｔ１の範囲、およびｔ１の上限が更に限定された焼入れを行うことによって初めて、所望とする高強度中空ばね鋼が得られる。
【００２５】
焼入れ温度Ｔ１の下限は９００℃以上とする。この数値は以下の観点から設定されたものである。まず、焼入れ温度は、少なくともα（フェライト）→γ（オーステナイト）変態温度であるＡ3点以上に設定する必要がある。本発明の成分系ではＡ3点は、おおむね８５０℃付近になる。但し、上述した炭化物の固溶促進の観点からは、焼入れ温度は高い方がよく、Ａ3点＋５０℃程度にする場合が多い。このような考え方の下、本発明でも焼入れ温度Ｔ１の下限を８５０℃（Ａ3）＋５０℃＝９００℃とした。炭化物の固溶促進、更にはフェライト脱炭抑制の観点からは、上記Ｔ１は、９２０℃以上が好ましく、より好ましくは９２５℃以上、更に好ましくは９３０℃以上である。一方、上記Ｔ１の上限は、Ｔ１が高くても短時間の処理であれば特に問題はないが、旧オーステナイト粒径の微細化、旧オーステナイト粒界面積の増加、残留オーステナイト量の増加を考慮すると、高すぎない方が良い。従って、本発明では、Ｔ１の上限を１０５０℃以下とする。好ましくは１０２０℃以下、より好ましくは１０００℃以下、更により好ましくは９７０℃以下である。
【００２６】
また、９００℃以上の温度域の滞在時間ｔ１の上限は１８００秒以下とする。上記滞在時間ｔ１は、９００℃以上の温度域を通過する時間と言い換えることもできる。上記Ｔ１を９００℃以上に制御して焼入れを行えば、比較的短時間でも炭化物の固溶が進むが、旧オーステナイト粒径の微細化、旧オーステナイト粒界面積の増加、残留オーステナイト量の増加を考慮すると、ｔ１はあまり長くない方が良い。従って、上記ｔ１は、好ましくは６００秒以下、より好ましくは３００秒以下、更に好ましくは１００秒以下である。なお、上記ｔ１の下限は、上式（１）および上記Ｔ１の範囲を満足する範囲内で設定することができるが、実操業レベルを考慮すると、ｔ１の下限は１０秒以上である。
【００２７】
ここで、上記「９００℃以上の温度域」のヒートパターンは、上記（１）の焼入れ条件を満足する限り、特に限定されない。例えば、図１に示すように、９００℃からＴ１に向けて加熱した後、Ｔ１から９００℃に向けて冷却するヒートパターンを想定した場合、９００℃以上の温度域における滞在時間ｔ１が上記（１）を満足するように、上記加熱工程を一定の平均昇温速度（例えば、０．１〜３００℃／秒）で加熱しても良い。また、上記冷却工程を一定の平均冷却速度（例えば、０．１〜３００℃／秒）で冷却しても良い。或いは、図１に示すように、９００℃以上の温度域の一部に、一定温度で一定時間保持する等温保持工程が含まれていても良い。例えば、９００〜１０００℃の温度を１０〜５００秒間、一定温度で保持する等温保持工程が含まれていても良い。これらは本発明で適用可能なパターンの一例であり、要するに上記（１）の焼入れ条件を満足する限り、種々のヒートパターンを採用することができる。
【００２８】
また、上記９００℃の温度に到達するまでのヒートパターンも特に限定されない。例えば、図１に示すように、室温から９００℃まで（更にはＴ１まで）を、上記と同じ平均昇温速度で加熱しても良い。或いは、上記平均昇温速度の範囲内で、室温から９００℃までの温度域と、９００℃からＴ１までの温度域の各平均昇温速度を異なるように設定しても良い。
【００２９】
上記のように加熱した後、急冷する。例えば、９００〜３００℃までの平均冷却速度を、おおむね平均冷却速度２０〜１０００℃/秒で冷却することが好ましい。
【００３０】
（２）焼戻し条件
上記（１）のように焼入れを行った後、焼戻しを行う。本発明で規定する焼戻し条件は、特に優れた耐疲労特性を確保するために重要である。本発明で規定する焼戻し条件を施すことにより、中空ばねにおいて強度、残留オーステナイト量が増加すると共に、焼戻し炭化物のサイズおよび焼戻し炭化物の存在形態が適切に制御されるようになるため、疲労強度などの耐久性が向上すると推察される。
【００３１】
本発明では上式（２）に規定するように、図１に示す焼戻し温度Ｔ２（℃）と、図１に示す加熱開始から冷却完了までの合計時間ｔ２（秒）とのバランスで表される焼戻しパラメータ：「（Ｔ２＋２７３）×（ｌｏｇ（ｔ２）＋２０）」は、１３０００以上、１５５００以下を満足する必要がある。上式（２）は、以下の思想の下、種々の基礎実験によって導出されたものである。
【００３２】
ここで上記「加熱開始から冷却完了までの合計時間ｔ２」とは、要するに焼戻し処理に費やされるトータルの時間を意味する。具体的には、「加熱開始」温度（例えば室温〜２００℃）から焼戻し温度Ｔ２まで加熱した後、「冷却完了」温度（例えば２００℃〜室温）まで冷却するときの合計時間を意味する。本発明において、焼戻し温度Ｔ２での焼戻し時間を規定するのではなく、上記のように焼戻し処理の合計時間ｔ２を規定した理由は、加熱により焼戻し挙動が進行するからである。なお、上記要件を満足する限り、上記焼戻し温度Ｔ２での焼戻し保持時間は、特に限定されない。
【００３３】
まず、高強度、耐疲労特性向上の観点からは、低温、且つ短時間の焼戻しを行うことが好ましい。但し、強度が高くなると耐水素脆化特性が低下する傾向にある。そこで、これらを総合的に勘案して、特に良好な耐疲労特性を発揮させるため、上式（２）の下限、上限を定めた。
【００３４】
上式（２）において、上記焼戻しパラメータの上限は、好ましくは１５２００以下、より好ましくは１５０００以下、更に好ましくは１４７００以下である。一方、上記戻しパラメータの下限は、好ましくは１３２００以上、より好ましくは１３５００以上、更に好ましくは１３７００以上である。
【００３５】
上記ｔ２の上限は、実操業レベルを考慮して３６００秒以下とする。ｔ２の好ましい上限は２４００秒以下である。なお、ｔ２の下限は、上式（２）の焼戻し条件を満足する範囲であれば特に限定されないが、実操業レベルを考慮すると、おおむね、１０秒以上であることが好ましい。
【００３６】
上記Ｔ２の上限は５５０℃以下とする。Ｔ２が高くなると耐疲労特性などが低下するためである。Ｔ２の上限は、好ましくは５００℃以下、より好ましくは４５０℃以下である。Ｔ２の下限は、上式（２）の範囲を満足するように設定することができるが、強度低下などを考慮すると、好ましくは３００℃以上であり、より好ましくは３２５℃以上、更に好ましくは３５０℃以上である。
【００３７】
上記要件を満足する限り、本発明における焼戻し条件のヒートパターンは特に限定されない。例えば、室温からＴ２に向けて加熱した後、Ｔ２から室温に向けて冷却するヒートパターンを想定した場合、上記加熱工程における平均昇温速度は、例えば、１〜３００℃／秒に制御することが好ましい。また、上記冷却工程における平均冷却速度は、例えば、１〜１０００℃／秒に制御することが好ましい。或いは、図１に示すように、上記ヒートパターンの一部に、一定温度で一定時間保持する等温保持工程が含まれていても良い。例えば、Ｔ２を一定温度で０〜２０００秒保持する等温保持工程が含まれていても良い。また、Ｔ２が２００〜４５０℃の場合、一定温度で１０〜２０００秒保持することが好ましい。これらは本発明で適用可能なパターンの一例であり、要するに上記（２）の焼戻し条件を満足する限り、種々のヒートパターンを採用することができる。
【００３８】
以上、本発明を特徴付ける焼入れおよび焼戻しの各条件について詳述した。
【００３９】
次に、素材として用いられるシームレスパイプの鋼中成分について説明する。本発明におけるシームレスパイプの鋼中成分は、中空ばねに通常用いられる範囲内である。以下、化学成分の限定理由を説明する。
【００４０】
［Ｃ：０．３５〜０．５％］
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Ｃ量の下限を０．３５％以上とする。Ｃ量の下限は、好ましくは０．３７％以上、より好ましくは０．４０％以上である。しかしながら、Ｃ量が過剰になると延性が低下するようになるため、Ｃ量の上限を０．５％以下とする。Ｃ量の上限は、好ましくは０．４８％以下、より好ましくは０．４７％以下である。
【００４１】
［Ｓｉ：１．５〜２．２％］
Ｓｉは、ばねに必要な耐疲労特性に有効な元素であり、高強度ばねに必要な耐へたり性を確保するためには、Ｓｉ量の下限を１．５％以上とする。Ｓｉ量の下限は、好ましくは１．６％以上、より好ましくは１．７％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り、Ｓｉを過剰に含有させると鋼表面の脱炭層形成が促進されるという問題がある。そのため、Ｓｉ量の上限を２．２％以下とする。Ｓｉ量の上限は、好ましくは２．１％以下、より好ましくは２．０％以下である。
【００４２】
［Ｍｎ：０．１〜１％］
Ｍｎは、脱酸元素として使用されると共に、鋼中の有害元素であるＳとＭｎＳを形成して無害化するのに有用な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｍｎ量の下限を０．１％以上とする。Ｍｎ量の下限は、好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２％以上である。しかしながら、Ｍｎ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。そのため、Ｍｎ量の上限を１％以下とする。Ｍｎ量の上限は、好ましくは０．９％以下であり、より好ましくは０．８％以下である。
【００４３】
［Ｃｒ：０．１〜１．２％］
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。このような効果を有効に発揮させるため、Ｃｒ量の下限を０．１％以上とする。Ｃｒ量の下限は、好ましくは０．１５％以上であり、より好ましくは０．２％以上である。しかしながら、Ｃｒ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炭化物が形成され易くなり、強度と延性のバランスが悪くなる。そのため、Ｃｒ量の上限を１．２％以下とする。Ｃｒ量の上限は、好ましくは１．１％以下、より好ましくは１．０％以下である。
【００４４】
［Ａｌ：０％超０．１％以下］
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、ＡｌはＮと結合してＡｌＮを形成し、固溶Ｎを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。このような効果を有効に発揮させるため、Ａｌ量の下限を、好ましくは０．００５％以上、より好ましくは０．０１％以上とする。しかしながら、ＡｌはＳｉと同様、脱炭促進元素でもあるため、Ｓｉを多く含有する場合、Ａｌの多量添加を抑える必要がある。そのため、Ａｌ量の上限を０．１％以下とする。Ａｌ量の上限は、好ましくは０．０７％以下、より好ましくは０．０５％以下である。
【００４５】
［Ｐ：０％超０．０２％以下］
Ｐは、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、その上限を０．０２％以下とする。Ｐ量の上限は、好ましくは０．０１７％以下、より好ましくは０．０１５％以下である。なお、Ｐは鋼中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。
【００４６】
［Ｓ：０％超０．０２％以下］
Ｓは、上記Ｐと同様、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、その上限を０．０２％以下とする。Ｓ量の上限は、好ましくは０．０１７％以下、より好ましくは０．０１５％以下である。なお、Ｓは鋼中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。
【００４７】
［Ｎ：０％超０．０２％以下］
Ｎは、ＡｌやＴｉなど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。このような効果を有効に発揮させるため、Ｎ量の下限を、好ましくは０．００１％以上、より好ましくは０．００２％以上とする。但し、Ｎが固溶状態で存在すると、靱性、延性、耐水素脆化特性を劣化させる。そのため、Ｎ量の上限を０．０２％とする。Ｎ量の上限は、好ましくは０．０１％以下、より好ましくは０．００７％以下である。
【００４８】
［Ｖ：０％超０．２％以下、Ｔｉ：０％超０．２％以下およびＮｂ：０％超０．２％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素］
Ｖ、Ｔｉ、およびＮｂは、Ｃ、Ｎ、Ｓなどの元素と炭化物、窒化物、炭窒化物、硫化物などの析出物を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また、上記析出物の形成により、シームレスパイプ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。更にこれらの元素は、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。これらの元素は、単独で含有しても良いし、二種以上を併用しても良い。このような効果を有効に発揮させるため、Ｔｉ、Ｖ、およびＮｂの少なくとも１種の量（単独で含むときは単独の量であり、二種以上を含むときは合計量である。以下、同じ。）の下限は、０．０１％以上であることが好ましい。しかしながら、上記元素の量が過剰になると、粗大な炭化物、窒化物などが形成されて靭性や延性が劣化する場合があるため、その上限を０．２％以下とする。上記元素量の上限は、好ましくは０．１８％以下、より好ましくは０．１５％以下である。
【００４９】
［Ｎｉ：０％超１％以下、およびＣｕ：０％超１％以下よりなる群から選択される少なくとも一種の元素］
ＮｉおよびＣｕは、表層脱炭の抑制、および耐食性の向上に有効な元素である。これらの元素は、単独で含有しても良いし、二種以上を併用しても良い。
【００５０】
これらのうちＮｉは、コスト低減を考慮した場合には添加しなくても良いため、Ｎｉ量の下限は特に限定さない。但し、Ｎｉ添加による上記作用を有効に発揮させるためには、Ｎｉ量の下限を、０．２％以上とすることが好ましい。但し、Ｎｉ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、耐疲労特性などが劣化する場合がある。そのため、Ｎｉ量の上限を１％以下とする。更にコスト低減などを考慮すると、Ｎｉ量の上限は、好ましくは０．８％以下、より好ましくは０．６％以下である。
【００５１】
また、Ｃｕ添加による上記作用を有効に発揮させるためには、Ｃｕ量の下限を０．２％以上とすることが好ましい。但し、Ｃｕ量が過剰になると、Ｎｉと同様、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。そのため、Ｃｕ量の上限を１％以下とする。更にコスト低減などを考慮すると、Ｃｕ量の上限は、好ましくは０．８％以下、より好ましくは０．６％以下である。
【００５２】
本発明に用いられるシームレスパイプの基本成分は上記のとおりであり、残部は、鉄および不可避的不純物である。上記不可避的元素不純物として、例えば、Ｓｎ、Ａｓなどが挙げられる。
【００５３】
本発明に係る中空ばね用鋼の製造方法は、上記のとおり、所定組成のシームレスパイプに、上述した（１）の焼入れおよび（２）の焼戻しを行うところに特徴があり、それ以外の工程は特に限定されず、通常、用いられる方法を採用することができる。以下では、中空ばね用鋼の好ましい製造方法について説明する。
【００５４】
まず、所定の組成の鋼材を通常の溶製法によって溶製し、得られた溶鋼を冷却する。
【００５５】
その後、分塊圧延を行う。分塊圧延の加熱温度は、例えば、１１００〜１３００℃で行うことが好ましい。
【００５６】
次いで、上記分塊圧延により得られたスラブを熱間鍛造して丸棒に成形する。熱間鍛造の加熱温度は、例えば、１０００〜１２００℃で行うことが好ましい。
【００５７】
その後、公知の方法によってシームレスパイプを製造する。例えば、上記熱間鍛造後に公知の中空化手法を用いて、所定の形状に成形した後、熱間押出し、冷却、冷間加工、焼鈍、酸洗、必要に応じて内表層研磨、冷間加工を行ってシームレスパイプを製造することができる。
【００５８】
上記工程のうち、冷間加工後の焼鈍は、Ａ3点以上、１０００℃以下の温度域まで加熱して行うことが好ましい。また、Ａ3点以上の温度域における滞在時間、すなわち、Ａ3点以上の温度に加熱してから冷却し、Ａ3点の温度になるまでの合計時間は５分以下に制御することが好ましい。上記範囲に制御することにより、焼鈍時の脱炭発生が抑制され、炭化物が微細化されるため、疲労特性を向上することができる。
【００５９】
ここで、Ａ3点は以下のように求めることができる。尚、下記の式中、［  ］は質量％を示す。
Ａ3＝８９４．５−２６９．４×［Ｃ］＋３７．４×［Ｓｉ］−３１．６×［Ｍｎ］−１９．０×［Ｃｕ］−２９．２×［Ｎｉ］−１１．９×［Ｃｒ］＋１９．５×［Ｍｏ］＋２２．２×［Ｎｂ］
【００６０】
上記冷間加工後の焼鈍は、不活性または還元性のガス雰囲気中で行うことが好ましい。このような焼鈍雰囲気の制御により、焼鈍時の脱炭発生を抑制することができる。また、焼鈍時のスケール生成も抑制できるため、酸洗工程の省略が可能となる。
【００６１】
シームレスパイプ製造時における酸洗時間は３０分以下に制御するか、酸洗自体を省略することが好ましい。これにより、シームレスパイプ中に含まれる水素量を低減し、焼入れ焼戻し後の水素量低減することができる。
【００６２】
上記のようにしてシームレスパイプを製造した後、熱間成形または冷間成形でのばね成形過程において中空ばね用鋼を得るための焼入れ処理および焼戻し処理を行う。熱間成形の場合、シームレスパイプの製造後、上記（１）の焼入れを行うが、このときの焼入れ加熱時にばね成形も行い、その後、上記（２）の焼戻しを行う。一方、冷間成形の場合、シームレスパイプの製造後、上記（１）の焼入れ、および上記（２）の焼戻しを行い、その後加熱せずにばね成形する。
【００６３】
更に、本発明の製造方法によって得られる中空ばね用鋼の水素量は、０質量ｐｐｍ以上、０．１６質量ｐｐｍ以下に制御されていることが好ましい。
【００６４】
前述したとおり、中空ばねでは、内周面にショットピーニングを施せないため、疵や水素による脆化感受性に関する耐久性への要請は厳しい。中空ばね用鋼中の水素は、微量であっても耐久性に大きく影響するため、その上限を０．１６質量ｐｐｍ以下とすることが好ましい。その結果、後記する実施例に示すように、非常に高い耐疲労特性が得られる。上記水素量は低いほど良い。上記水素量の上限は、好ましくは０．１５質量ｐｐｍ以下、更に好ましくは０．１４質量ｐｐｍ以下である。
【００６５】
中空ばね用鋼中の水素量を低減する方法は公知であり、本発明でも、従来、使用されている方法を適宜選択して用いることができる。鋼中水素低減方法の具体例として、例えば、シームレスパイプ製造工程における酸洗時間を、おおむね、３０分以下に短縮する方法が挙げられる。或いは、酸洗そのものを省略しても良い。或いは、中空ばね用鋼製造の焼入れ焼戻し後に脱水素処理を行う方法が挙げられる。脱水素処理としては、例えば、３００℃以下での熱処理などの方法が挙げられる。
【００６６】
以上、本発明に係る中空ばね用鋼の製造方法について説明した。
【００６７】
このようにして得られた中空ばね用鋼を用い、最終的にセッチング、ショットピーニングなどの処理を施すことによって中空ばねが得られる。なお、上述の冷間成形を行う場合には、ばね用鋼にばね成形を施してからセッチング、ショットピーニングを施せばよい。
【００６８】
上記中空ばねは、例えば、弁ばね、クラッチばね、懸架ばねなどとして、自動車のエンジン、クラッチ、サスペンションなどに好ましく用いられる。
【実施例】
【００６９】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限されず、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００７０】
前述したとおり本発明の特徴部分は、シームレスパイプに所定の熱処理を施したところに最大の特徴があるが、シームレスパイプにおいて上記熱処理をしたのちに得られる内周面または外周面は、中実の鋼材において上記熱処理をしたのちに得られる外周面とほぼ同質の表面性状を有しているため、本発明の効果の有無は素材の形状にかかわらない。従って、以下の実施例１および実施例２では、シームレスパイプでなく、中実の鋼材を用いて、本発明で規定する焼入れ、焼戻しの各熱処理を行った後、その評価を実施した。
【００７１】
実施例１
本実施例では、特に水素脆化感受性に及ぼす焼入れ焼戻し条件の影響を明らかにするため、以下のように実験を行った。ここでは、本発明の要件を満足する中炭素鋼である表１の鋼種Ｎｏ．Ａ１を用いた。
【００７２】
まず、上記鋼を通常の溶製法によって溶製した後、得られた溶鋼を冷却し、１１００〜１３００℃に加熱して分塊圧延を行って、断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍのスラブを得た。次いで、１０００〜１２００℃の加熱の条件で熱間鍛造を行い、直径：１５０ｍｍの丸棒に成形した。更に、１０００〜１２００℃の加熱の条件で熱間鍛造を行い、直径：１５ｍｍの丸棒を作製した。
【００７３】
【表１】
0006282571.tif 000002
【００７４】
このようにして得られた丸棒に対し、表２に記載の種々の焼入れ、焼戻しを行い、幅１０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ×長さ６５ｍｍの平板試験片を切り出した。この平板試験片を用いて、以下のように耐水素脆化特性およびビッカース硬さを評価した。
【００７５】
詳細な焼入れおよび焼戻しの各条件は以下のとおりである。まず、室温からＴ１までの温度域を１０℃／秒の平均昇温速度で加熱した後、Ｔ１で所定時間保持した。次いで、Ｔ１から３００℃までの温度域を５０℃／秒の平均冷却速度で冷却した。このとき、９００℃以上の滞在時間ｔ１が６００秒になるように、Ｔ１での保持時間を変化させた。
【００７６】
次に２００℃まで冷却した後、焼戻しを行った。具体的には、２００℃からＴ２までの温度域を１０℃／秒の平均昇温速度で加熱した後、Ｔ２で所定時間保持した。次いで、Ｔ２から２００℃までの温度域を３００℃／秒の平均冷却速度で冷却した。このとき、ｔ２（２００℃以上に加熱してから２００℃以下に冷却されるまでの時間）が２４００秒になるように、Ｔ２での保持時間を変化させた。
【００７７】
（耐水素脆化特性の評価）
上記の試験片に対して４点曲げにより１４００ＭＰａの応力を作用させた状態で、試験片を、１Ｌ中に硫酸が０．５ｍｏｌ、チオシアン酸カリウムが０．０１ｍｏｌとなるような混合溶液に浸漬した。ポテンションスタットを用いてＳＣＥ（Ｓａｔｕｒａｔｅｄ  Ｃａｌｏｍｅｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）電極（飽和カロメル電極）よりも卑な−７００ｍＶの電圧をかけ、割れが発生するまでの時間（破断時間）を測定した。本実施例では、破断寿命が１０００秒以上を合格とした。
【００７８】
（ビッカース硬さ）
上記平板試験片の幅、厚さ断面が露出するように樹脂に埋込み、研磨・鏡面仕上げを行った後、表層から深さ板厚中心部の位置を５００ｇの荷重でビッカース硬さ（Ｈｖ）を測定した。本実施例では、ビッカース硬さが５５０Ｈｖ以上のものを高強度と評価した。これらの評価結果を表２に併記する。
【００７９】
【表２】
0006282571.tif 000003
【００８０】
表２の試験Ｎｏ．１〜４、８〜１１は、本発明の要件を満足する鋼を用い、本発明で規定する（１）の焼入れ、および（２）の焼戻しを行った例である。これらは、いずれも、高強度であるにもかかわらず、破断寿命が１０００秒以上と長く、耐水素脆化特性に優れている。
【００８１】
これに対し、試験Ｎｏ．５〜７は、いずれも、焼入れ条件が同じで、式（２）で規定する焼戻しパラメータの上限を超える例であり、試験Ｎｏ．５、６、７の順に、上記焼戻しパラメータの数値は大きくなっている。焼戻しパラメータの上限をわずかに超える試験Ｎｏ．５では、硬さは良好であるが破断寿命が短い。一方、試験Ｎｏ．６、７と、焼戻しパラメータの数値が大きくなるにつれ、硬さは低下したが、破断寿命は、本発明で規定する１０００秒以上になった。
【００８２】
上記試験Ｎｏ．５〜７と同様の傾向は、Ｎｏ．１２〜１４でも見られた。すなわち、試験Ｎｏ．１２〜１４は、いずれも、焼入れ条件が同じで、式（２）で規定する焼戻しパラメータの上限を超える他の例であり、Ｎｏ．１２、１３、１４の順に、上記焼戻しパラメータの数値は大きくなっている。焼戻しパラメータの上限をわずかに超えるＮｏ．１２では、硬さは良好であるが破断寿命が短い。一方、Ｎｏ．１２、１３と、焼戻しパラメータの数値が大きくなるにつれ、硬さは低下したが、破断寿命は、本発明で規定する１０００秒以上になった。
【００８３】
これらの結果より、焼戻しパラメータの上限は、所望とする高強度、且つ耐水素脆化特性の特性を確保するのに重要な要件であり、本発明で規定する範囲に制御することによって初めて、所望とする上記特性が発揮されることが確認された。
【００８４】
また、試験Ｎｏ．１５〜２１は、いずれも焼入れ条件が同じで、式（１）で規定する焼入れパラメータの上限をわずかに超える例である。
【００８５】
上記のうち、試験Ｎｏ．１５〜１８は、本発明で既定する（２）の焼戻し条件で製造した例である。焼入れパラメータの上限を超えているため、破断寿命が短くなった。
【００８６】
一方、試験Ｎｏ．１９〜２１は、式（２）で規定する焼戻しパラメータの上限を超える例であり、Ｎｏ．１９、２０、２１の順に、上記焼戻しパラメータの数値は大きくなっている。焼戻しパラメータの上限をわずかに超えるＮｏ．１９では、硬さは良好であるが破断寿命が短い。一方、Ｎｏ．２０、２１と、焼戻しパラメータの数値が大きくなるにつれ、硬さは低下したが、破断寿命は増加するようになり、Ｎｏ．２１では、本発明で規定する１０００秒以上になり、耐水素脆化特性が改善された。
【００８７】
これらの結果より、焼入れパラメータの上限は、所望とする耐水素脆化特性の特性を確保するのに重要な要件であり、本発明の範囲を満足しないと、所望とする特性が得られないことが確認された。
【００８８】
実施例２
本実施例では、特に耐疲労特性に及ぼす焼入れ焼戻し条件の影響を明らかにするため、実施例１で作製した丸棒を用いて、以下の実験を行った。
【００８９】
（耐疲労特性の評価）
上記丸棒に対して、表３に記載の種々の焼入れ、焼戻しを行った後、ＪＩＳ試験片（ＪＩＳ  Ｚ２２７４疲労試験片）に加工し、応力：９００ＭＰａ、回転速度：３０００ｒｐｍで回転曲げ疲労試験を行った。焼入れ条件、焼戻し条件の詳細は前述した実施例１と同じである。本実施例では、破断までの繰り返し数が１０万回以上のものを合格とした。
【００９０】
これらの結果を表３に併記する。表３中、試験Ｎｏ．１０と１７は、前述した表２の試験Ｎｏ．１０と１７に対応し、同じ熱処理条件を施したものである。
【００９１】
【表３】
0006282571.tif 000004
【００９２】
まず、試験Ｎｏ．１０と１７を対比する。これらは焼戻し条件が同じで、本発明で規定する焼戻し条件で焼戻した例であるが、焼入れ条件が相違し、試験Ｎｏ．１０は本発明で規定する焼入れ条件を満足する例、試験Ｎｏ．１７は本発明で規定する焼入れパラメータの上限をわずかに超える例である。
【００９３】
表３に示すように、耐疲労特性に関してのみ言えば、焼入れ条件による差は見られず、試験Ｎｏ．１７のように焼入れパラメータの上限を超えて焼入れしても、試験Ｎｏ．１０のように本発明で規定する焼入れ条件を施した場合と同様、良好な耐疲労特性が得られた。但し、前述した表２に示したように、上記試験Ｎｏ．１７は、焼戻しパラメータの上限を超えるために破断寿命が低下したため、所望とする耐水素脆化特性および高強度を満足させるためには、本発明で規定する焼入れ条件、および焼戻し条件の両方を具備することが不可欠であることが確認される。
【００９４】
次に、試験Ｎｏ．２２と２３を対比する。これらは焼戻し条件が同じで、本発明で規定する焼戻しパラメータを超える例であるが、焼入れ条件が相違し、試験Ｎｏ．２２は本発明で規定する焼入れ条件を満足する例、試験Ｎｏ．２３は本発明で規定する焼入れパラメータの上限をわずかに超える例である。
【００９５】
表３に示すように、上記試験Ｎｏ．２２と２３はいずれも、本発明で規定する焼戻し条件を外れるため、耐疲労特性が低下した。よって、耐疲労特性に関してのみ言えば、焼入れ条件による差は見られず、試験Ｎｏ．２３のように焼入れパラメータの上限を超えて焼入れしても、試験Ｎｏ．２２のように本発明で規定する焼入れ条件を施した場合と同様、耐疲労特性が低下した。
【００９６】
実施例３
本実施例では、中空ばね用鋼を用い、特に耐疲労特性に及ぼす焼戻し条件の影響を明らかにするため、以下のようにシームレスパイプを作製して、鋼中水素量を測定すると共に、耐疲労特性を評価した。
【００９７】
（鋼中水素量の測定）
前述した実施例１で作製した直径１５０ｍｍの丸棒を用い、機械加工により押出用ビレットを作製した後、１１００℃に加熱の条件で熱間押出を行って外径：５４ｍｍ、内径：３７ｍｍの押出管を作製した。次に、冷間加工（詳細には、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）を行った後、９２０〜１０００℃の温度で９００℃以上の加熱総時間が２０分以内の時間焼鈍した。次いで、鋼中水素量を変化させるため、酸洗時間を変えて酸洗を行った。具体的には、５〜１０％塩酸の酸洗液に１０〜３０分間酸洗する酸洗処理を実施した。冷間加工、焼鈍、酸洗の工程を複数回繰返し、外径：１６ｍｍ、内径：８．０ｍｍのシームレスパイプを作製した。
【００９８】
このようにして得られたシームレスパイプに対し、焼入れ処理および焼戻し処理を行った。詳細な焼入れおよび焼戻しの各条件は以下のとおりである。まず、室温からＴ１までの温度域を１００℃／秒の平均昇温速度で加熱した後、Ｔ１で所定時間保持した。次いで、Ｔ１から３００℃までの温度域を５０℃／秒の平均冷却速度で冷却した。このとき、９００℃以上の滞在時間ｔ１が６０秒になるように、Ｔ１での保持時間を変化させた。
【００９９】
次に２００℃まで冷却した後、焼戻しを行った。具体的には、２００℃からＴ２までの温度域を１０℃／秒の平均昇温速度で加熱した後、Ｔ２で所定時間保持した。次いで、Ｔ２から２００℃までの温度域を３００℃／秒の平均冷却速度で冷却した。このとき、ｔ２（２００℃以上に加熱してから２００℃以下に冷却されるまでの時間）が２４００秒になるように、Ｔ２での保持時間を変化させた。
【０１００】
このようにして、得られた中空ばね用鋼から幅１ｍｍのリング状試験片を切り出し、放出水素量を測定した。放出水素量は、ＡＰＩＭＳ（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）にて昇温分析により測定した。昇温速度は７２０℃／時で測定し、７２０℃までの放出水素量を鋼中水素量とした。
【０１０１】
（耐疲労特性の測定）
上記中空ばね用鋼を用いて、耐疲労特性を評価した。本実施例では、負荷応力７３５±６００ＭＰａにてねじり疲労試験を行った。破断までの繰り返し数が５万回以上のものを、耐疲労特性に優れると評価した。
【０１０２】
これらの結果を表４に併記する。
【０１０３】
【表４】
0006282571.tif 000005
【０１０４】
表４の試験Ｎｏ．１〜４は、いずれも、焼入れ条件が同じであり、本発明の条件で焼入れを行ったが、焼戻し条件が異なっており、試験Ｎｏ．１、２は本発明で規定する焼戻し条件を施した例、試験Ｎｏ．３、４は本発明で規定する焼戻しパラメータの上限を、ほんのわずかに超える例である。
【０１０５】
試験Ｎｏ．１とＮｏ．２を対比すると、鋼中水素量を０．１６質量ｐｐｍと、本発明で規定する好ましい上限に制御したＮｏ．１では、上記上限に制御しないＮｏ．１に比べて、耐久回数が著しく増加し、非常に高い耐疲労特性が得られた。
【０１０６】
これに対し、試験Ｎｏ．３、４のように焼戻しパラメータの上限が、本発明で規定する上限（１５５００）をわずか１だけ超えて焼戻しを行った場合、耐久回数は減少し、試験Ｎｏ．３のように鋼中水素量を好ましい上限に制御したとしても、合格基準である５万回に到達できなかった。
【０１０７】
これらの結果より、中空ばねの耐疲労特性を確保するためには、特に焼戻し条件を適切に制御することが重要であることが確認された。また、本発明で規定する焼戻し条件を行ったうえで、更に鋼中水素量の上限を好ましい範囲に制御すると、耐疲労特性は著しく増加することも分かった。
【０１０８】
なお、実施例３では、耐水素脆化特性の指標となる破断寿命を測定していないが、試験Ｎｏ．１、２は上記（１）の焼入れ条件を満足するため、良好な耐水素脆化特性が得られると判断される。
【図１】
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