(57)【要約】  ばね用鋼線は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼から構成される。外周面から１０μｍ以内の領域である表層領域の硬度は、表層領域以外の領域に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼から構成され、
外周面から１０μｍ以内の領域である表層領域の硬度は、前記表層領域以外の領域に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬い、ばね用鋼線。
【請求項２】
直径が１５ｍｍ以下である、請求項１に記載のばね用鋼線。
【請求項３】
前記表層領域の炭素濃度は、前記表層領域以外の領域に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高い、請求項１または請求項２に記載のばね用鋼線。
【請求項４】
前記表層領域は、前記ばね用鋼線の長手方向に垂直な断面の重心から１０μｍ以内の領域である中央領域に比べて、｛１１０｝集合組織の割合が５％以上３５％以下だけ高い、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
【請求項５】
長手方向に垂直な断面の真円度が３μｍ以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
【請求項６】
長手方向に垂直な断面の直径のばらつきは、１ｍあたり１％以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
【請求項７】
前記鋼は、０．０５質量％以上０．５質量％以下のバナジウムをさらに含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のばね用鋼線。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のばね用鋼線からなる、ばね。
【請求項９】
表面における窒素濃度が３００ｐｐｍ以下である、請求項８に記載のばね。
【請求項１０】
０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、
前記原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、
前記第１の伸線が実施された前記原料線材に対して浸炭処理を実施することにより、前記原料線材の表面を含む領域の炭素濃度を内部に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高くする工程と、
前記浸炭処理が実施された前記原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、を備える、ばね用鋼線の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の伸線が実施された前記原料線材に対して浸炭処理を実施する工程では、ＣＰ値が０．５質量％以上１．５質量％以下となるように組成が調整された雰囲気中において、前記原料線材が加熱されて浸炭処理が実施される、請求項１０に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１２】
前記焼入れ焼戻し処理が実施された前記原料線材に対して第２の伸線を実施する工程をさらに備える、請求項１０または請求項１１に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１３】
前記第２の伸線における減面率は１％以上５％未満である、請求項１２に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１４】
０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、
前記原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、
前記第１の伸線が実施された前記原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、
前記焼入れ焼戻し処理が実施された前記原料線材に対して第２の伸線を実施する工程と、を備え、
前記第２の伸線における減面率は１％以上５％未満である、ばね用鋼線の製造方法。
【請求項１５】
前記第２の伸線は、前記原料線材を２５℃以上４５０℃以下の温度域に加熱しつつ実施される、請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１６】
前記第２の伸線は、アプローチ角が０．１°以上７°以下のダイスを用いて実施される、請求項１２〜請求項１５のいずれか１項に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１７】
前記第１の伸線により前記原料線材が直径１５ｍｍ以下となるように加工される、請求項１０〜請求項１６のいずれか１項に記載のばね用鋼線の製造方法。
【請求項１８】
請求項１０〜請求項１７のいずれか１項に記載のばね用鋼線の製造方法によりばね用鋼線を準備する工程と、
前記ばね用鋼線をばね形状に加工する工程と、を備える、ばねの製造方法。
【請求項１９】
ばね形状に加工された前記ばね用鋼線に対してショットピーニング処理を実施する工程をさらに備え、
前記ショットピーニング処理は、表面における窒素濃度が３００ｐｐｍ以下である前記ばね用鋼線に対して実施される、請求項１８に記載のばねの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばね用鋼線、ばね、ばね用鋼線の製造方法およびばねの製造方法に関するものである。【０００２】
本出願は、２０１６年７月１４日出願の日本出願第２０１６−１３９６６８号および２０１７年３月１日出願の日本出願第２０１７−０３８６６５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００３】
ばね加工における折損を抑制しつつばねの疲労強度を向上させる方策として、焼入れ焼戻し後の線材に減面率が５％〜２５％の伸線を実施する技術が提案されている。これにより、ばね加工時の折損を抑制しつつ、ばね加工後の熱処理によってばねの降伏応力が上昇し、疲労強度に優れたばねが得られる（たとえば、特開２０１２−５２２１８号公報（特許文献１）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５２２１８号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明に従ったばね用鋼線は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼から構成される。外周面から１０μｍ以内の領域である表層領域の硬度は、表層領域以外の領域に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬い。
【０００６】
本発明の第１の局面に従ったばね用鋼線の製造方法は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、第１の伸線が実施された原料線材に対して浸炭処理を実施することにより、原料線材の表面を含む領域の炭素濃度を内部に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高くする工程と、浸炭処理が実施された原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、を備える。
【０００７】
本発明の第２の局面に従ったばね用鋼線の製造方法は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、第１の伸線が実施された原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、焼入れ焼戻し処理が実施された原料線材に対して第２の伸線を実施する工程と、を備える。第２の伸線における減面率は１％以上５％未満である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、ばね用鋼線の構造を示す概略図である。
【図２】図２は、ばねの構造を示す概略図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるばね用鋼線およびばねの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図４】図４は、原料線材の構造を示す概略図である。
【図５】図５は、浸炭工程および焼入れ焼戻し工程を説明するための図である。
【図６】図６は、第２伸線工程を説明するための概略断面図である。
【図７】図７は、実施の形態２におけるばね用鋼線およびばねの製造方法の概略を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本開示が解決しようとする課題］
上述のように、ばね加工時の折損の抑制と、疲労強度の向上とを両立させることが求められている。そこで、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線、ばね、ばね用鋼線の製造方法およびばねの製造方法を提供することを目的の１つとする。
【００１０】
［本開示の効果］
本開示のばね用鋼線およびばね用鋼線の製造方法によれば、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることができる。
【００１１】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願のばね用鋼線は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素（Ｃ）と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素（Ｓｉ）と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）と、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロム（Ｃｒ）とを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼から構成される。外周面から１０μｍ以内の領域である表層領域の硬度は、表層領域以外の領域に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬い。
【００１２】
本発明者らの検討によれば、適切な成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼からなる鋼線の表層のごく薄い領域のみの硬度を内部に比べてわずかに上昇させることにより、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線が得られる。本願のばね用鋼線においては、ばねに必要な強度を確保可能な成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼が採用される。そして、外周面から１０μｍ以内という表層のごく薄い領域（表層領域）の硬度が、表層領域以外の領域（内部領域）に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬く設定される。このように、表層領域に限定して硬度を５０ＨＶ以下だけ上昇させることにより、本願のばね用鋼線によれば、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることができる。
【００１３】
ここで、ばね用鋼線を構成する鋼の成分組成を上記範囲に限定した理由について説明する。
【００１４】
炭素：０．５質量％以上０．８質量％以下
炭素は、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼の強度に大きな影響を与える元素である。ばね用鋼線として十分な強度を得る観点から、炭素含有量は０．５質量％以上とする必要がある。一方、炭素含有量が多くなると靱性が低下し、ばね加工時や、伸線時における加工性が低下する。十分な加工性を確保する観点から、炭素含有量は０．８質量％以下とする必要がある。強度をさらに向上させる観点から、炭素含有量は０．６質量％以上とすることが好ましい。靱性を向上させて加工を容易とする観点から、炭素含有量は０．７質量％以下とすることが好ましい。
【００１５】
珪素：１．０質量％以上２．５質量％以下
珪素は、加熱による軟化を抑制する性質（軟化抵抗性）を有する。ばね用鋼線がばね加工された後に実施される歪みとり熱処理において軟化を抑制する観点から、珪素含有量は１．０質量％以上とする必要がある。一方、珪素の過度の添加は、ばね用鋼線の靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、珪素含有量は２．５質量％以下とする必要がある。加熱に対する軟化抵抗性をさらに向上させる観点から、珪素含有量は１．３質量％以上とすることが好ましい。より確実に十分な靱性を確保する観点から、珪素含有量は２．３質量％以下とすることが好ましい。
【００１６】
マンガン：０．２質量％以上１．０質量％以下
マンガンは、鋼の精錬において脱酸剤として添加される元素である。脱酸剤としての機能を果たすため、マンガンの含有量は０．２質量％以上とする必要がある。一方、マンガンは過度に添加すると、加熱後の冷却時にマルテンサイト組織が生成する原因となる。意図せずに生成したマルテンサイト組織は、伸線時等における加工性を低下させる。そのため、マンガンの含有量は１．０質量％以下とする必要がある。マンガンが脱酸剤としての機能をより確実に果たすためには、マンガン含有量は０．３質量％以上とすることが好ましい。意図しないマルテンサイト組織の生成をより確実に抑制する観点から、マンガン含有量は０．８５質量％以下とすることが好ましい。
【００１７】
クロム：０．５質量％以上２．５質量％以下
クロムは、焼入れ焼戻し後における加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させるためには、クロムの含有量は０．５質量％以上とする必要がある。一方、クロムは過度に添加すると、加熱後の冷却時にマルテンサイト組織が生成する原因となる。意図せずに生成したマルテンサイト組織は、伸線時等における加工性を低下させる。そのため、クロムの含有量は２．５質量％以下とする必要がある。焼入れ焼戻し後における加熱時の軟化をより確実に抑制する観点から、クロム含有量は０．７質量％以上とすることが好ましい。意図しないマルテンサイト組織の生成をより確実に抑制する観点から、クロム含有量は１．５質量％以下とすることが好ましい。
【００１８】
不可避的不純物
ばね用鋼線の製造工程において、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、銅（Ｃｕ）などが不可避的にばね用鋼線を構成する鋼中に混入する。リンおよび硫黄は、過度に存在すると粒界偏析を生じたり、介在物を生成したりして、鋼の特性を悪化させる。そのため、リンおよび硫黄の含有量は、それぞれ０．０３５質量％以下とすることが好ましく、０．０２５質量％以下とすることがより好ましい。また、銅は、鋼の熱間加工性を低下させる。そのため、銅の含有量は０．２質量％以下とすることが好ましい。また、不可避的不純物の含有量は、合計で１質量％以下とすることが好ましい。
【００１９】
上記ばね用鋼線の直径は１５ｍｍ以下であってもよい。本願のばね用鋼線は、このような線径のばね用鋼線として好適である。なお、本願において「直径」とは、長手方向に垂直な断面が円形以外である場合、当該断面に外接する円の直径を意味する。
【００２０】
上記ばね用鋼線において、上記表層領域の炭素濃度は、上記表層領域以外の領域に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高くてもよい。炭素含有量を内部（上記表層領域以外の領域）に比べて高くすることにより、上記表層領域における硬度を内部に比べて高くすることが容易となる。
【００２１】
上記ばね用鋼線において、上記表層領域は、ばね用鋼線の長手方向に垂直な断面の重心から１０μｍ以内の領域である中央領域に比べて、｛１１０｝集合組織の割合が５％以上３５％以下だけ高くてもよい。このようにすることにより、せん断応力に対する弾性限が上昇する。その結果、ばね用鋼線から製造されるばねの疲労強度や耐へたり性を向上させることができる。
【００２２】
表層領域が中央領域に比べて｛１１０｝集合組織の割合が５％以上高いことにより、上記効果が明確となる。一方、表層領域が中央領域に比べて｛１１０｝集合組織の割合が３５％を超えて高くなると、ばね用鋼線をばねに加工する際の加工性が低下する。加工性を重視する観点から、表層領域は、中央領域に比べて｛１１０｝集合組織の割合が３０％以下だけ高いことが好ましい。表層領域は、中央領域に比べて｛１１０｝集合組織の割合が１５％以下だけ高いことがより好ましい。中央領域における｛１１０｝集合組織の割合は、たとえば３％以下である。
【００２３】
表層領域および中央領域における｛１１０｝集合組織の割合は、たとえば以下のように測定することができる。まず、ばね用鋼線を切断し、断面に対して機械研磨を実施する。その後、機械研磨された断面の表面に対してアルゴンなどのイオンビームを用いたイオン研磨を実施することにより、機械研磨によりダメージが導入された表層領域を除去して観察面を得る。そして、得られた観察面に対して、たとえばＥＢＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法による結晶方位測定を実施することにより、表層領域および中央領域における｛１１０｝集合組織の割合を測定する。
【００２４】
上記ばね用鋼線の長手方向に垂直な断面の真円度は３μｍ以下であってもよい。このようにすることにより、ばね用鋼線を用いて製造されるばねの特性を安定させることができる。
【００２５】
上記ばね用鋼線の長手方向に垂直な断面の直径のばらつきは、１ｍあたり１％以下であってもよい。このようにすることにより、ばね用鋼線を用いて製造されるばねの特性を安定させることができる。
【００２６】
上記ばね用鋼線において、上記鋼は、０．０５質量％以上０．５質量％以下のバナジウムをさらに含んでいてもよい。バナジウムは、鋼中において微細な炭化物を生成し、加熱時の軟化抑制に寄与する。このような効果を確実に発揮させる観点から、バナジウムは０．０５質量％以上添加されてもよい。一方、バナジウムの過剰な添加は、鋼の靱性を低下させる。十分な靱性を確保する観点から、バナジウムの添加量は０．５質量％以下とすることが好ましく、０．２５質量％以下とすることが好ましい。
【００２７】
本願のばねは、上記ばね用鋼線からなる。上記本願のばね用鋼線からなることにより、本願のばねによれば、ばね加工時の折損が抑制されつつ、疲労強度が向上したばねを提供することができる。
【００２８】
上記ばねにおいて、表面における窒素濃度は３００ｐｐｍ以下であってもよい。本願のばねによれば、表面における窒素濃度がこのような範囲を超えるような処理、たとえば窒化処理を行うことなく、十分な疲労強度を確保することができる。
【００２９】
本願の第１の局面に従ったばね用鋼線の製造方法は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、第１の伸線が実施された原料線材に対して浸炭処理を実施することにより、原料線材の表面を含む領域の炭素濃度を内部に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高くする工程と、浸炭処理が実施された原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、を備える。
【００３０】
本願の第１の局面におけるばね用鋼線の製造方法では、上記適切な成分組成を有する原料線材が浸炭処理され、表面を含む領域の炭素濃度がわずかに高められた後、焼入れ焼戻し処理が実施される。これにより、適切な成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼からなるばね用鋼線の表層のごく薄い領域のみの硬度を内部に比べてわずかに上昇させることができる。その結果、外周面から１０μｍ以内という表層のごく薄い領域（表層領域）の硬度が、表層領域以外の領域（内部領域）に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬く設定される上記本願のばね用鋼線を容易に製造することができる。
【００３１】
上記第１の局面のばね用鋼線の製造方法において、第１の伸線が実施された原料線材に対して浸炭処理を実施する工程では、ＣＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）値が０．５質量％以上１．５質量％以下となるように組成が調整された雰囲気中において、原料線材が加熱されて浸炭処理が実施されてもよい。ＣＰ値が調整された雰囲気を用いたガス浸炭により浸炭処理が実施されることにより、表層領域における炭素濃度が安定する。その結果、表層領域における硬さのばらつきが低減され、表層領域における硬度が内部領域に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬いばね用鋼線を容易に製造することができる。
【００３２】
上記第１の局面のばね用鋼線の製造方法は、焼入れ焼戻し処理が実施された原料線材に対して第２の伸線を実施する工程をさらに備えていてもよい。このようにすることにより、ばね用鋼線の寸法精度を向上させることができる。
【００３３】
上記第１の局面のばね用鋼線の製造方法において、第２の伸線における減面率は１％以上５％未満であってもよい。減面率を５％以上とすると、伸線によって鋼線の内部まで硬度が上昇し、表層のごく薄い領域に限定した硬度上昇を得ることが難しい。減面率を５％未満として表層のみの硬度上昇を達成することにより、上記本願のばね用鋼線を一層容易に製造することができる。また、減面率を１％以上とすることにより、伸線による表層のごく薄い領域の硬度上昇をより確実に達成することができる。
【００３４】
本願の第２の局面に従ったばね用鋼線の製造方法は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材を準備する工程と、原料線材に対して第１の伸線を実施する工程と、第１の伸線が実施された原料線材に対して焼入れ焼戻し処理を実施する工程と、焼入れ焼戻し処理が実施された原料線材に対して第２の伸線を実施する工程と、を備える。第２の伸線における減面率は１％以上５％未満である。
【００３５】
本願の第２の局面におけるばね用鋼線の製造方法では、上記適切な成分組成を有する原料線材に焼入れ焼戻し処理が実施された後、減面率が１％以上５％未満である第２の伸線が実施される。これにより、適切な成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼からなるばね用鋼線の表層のごく薄い領域のみの硬度を内部に比べてわずかに上昇させることができる。その結果、外周面から１０μｍ以内という表層のごく薄い領域（表層領域）の硬度が、表層領域以外の領域（内部領域）に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬く設定される上記本願のばね用鋼線を容易に製造することができる。
【００３６】
上記ばね用鋼線の製造方法において、上記第２の伸線は、原料線材を２５℃以上４５０℃以下の温度域に加熱しつつ実施されてもよい。このようにすることにより、鋼中にコットレル雰囲気を形成し、ばね用鋼線の強度を上昇させることができる。上記第２の伸線は、原料線材を１５０℃以上４５０℃以下の温度域に加熱しつつ実施されてもよい。
【００３７】
上記ばね用鋼線の製造方法において、第２の伸線は、アプローチ角が０．１°以上７°以下のダイスを用いて実施されてもよい。このようにすることにより、表層のみの硬度上昇を達成することが容易となる。
【００３８】
上記ばね用鋼線の製造方法において、上記第１の伸線により原料線材が直径１５ｍｍ以下となるように加工されてもよい。第１の伸線おいて原料線材が直径１５ｍｍ以下となるように設定しておくことにより、線径の小さいばね用鋼線を製造することが容易となる。
【００３９】
本願のばねの製造方法は、上記本願のばね用鋼線の製造方法によりばね用鋼線を準備する工程と、当該ばね用鋼線をばね形状に加工する工程と、を備える。
【００４０】
上記本願のばね用鋼線の製造方法により製造されたばね用鋼線がばね加工されることにより、本願のばねの製造方法によれば、ばね加工時の折損が抑制されつつ、疲労強度が向上したばねを製造することができる。
【００４１】
上記ばねの製造方法は、ばね形状に加工されたばね用鋼線に対してショットピーニング処理を実施する工程をさらに備えていてもよい。ショットピーニング処理は、表面における窒素濃度が３００ｐｐｍ以下であるばね用鋼線に対して実施されてもよい。本願のばねの製造方法によれば、表面における窒素濃度がこのような範囲を超えるような処理、たとえば窒化処理を行うことなくショットピーニング処理を実施することで、十分な疲労強度を有するばねを製造することができる。
【００４２】
［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる鋼線の製造方法の実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
【００４３】
（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態におけるばね用鋼線１は、長手方向に垂直な断面１０が円形であり、外周面１１が円筒面形状である鋼線である。ばね用鋼線１の直径は、たとえば１５ｍｍ以下であり、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００４４】
ばね用鋼線１は、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなり、焼戻マルテンサイト組織を有する鋼から構成される。外周面１１から１０μｍ以内の領域である表層領域１２の硬度は、表層領域以外の領域である内部領域１３に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬い。表層領域１２の炭素濃度は、内部領域１３に比べて０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高い。表層領域１２は、浸炭層である。
【００４５】
ばね用鋼線１においては、ばねに必要な強度を確保可能な上記成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼が採用される。そして、外周面１１から１０μｍ以内という表層のごく薄い領域（表層領域１２）の硬度が、内部領域１３に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬く設定される。このように、表層領域１２に限定して硬度が５０ＨＶ以下だけ上昇していることにより、ばね用鋼線１は、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線となっている。表層領域１２の硬度は、内部領域１３に比べて５ＨＶ以上２５ＨＶ以下だけ高いことが好ましく、５ＨＶ以上１５ＨＶ以下だけ高いことが好ましい。表層領域１２の炭素濃度は、内部領域１３に比べて０．０１質量％以上０．０３質量％以下だけ高いことが好ましく、０．０１質量％以上０．０２質量％以下だけ高いことがより好ましい。
【００４６】
ばね用鋼線１の表層領域１２は、ばね用鋼線１の長手方向に垂直な断面の重心から１０μｍ以内の領域である中央領域１４に比べて、｛１１０｝集合組織の割合が５％以上３５％以下だけ高いことが好ましい。これにより、せん断応力に対する弾性限が上昇する。その結果、ばね用鋼線１から製造されるばねの疲労強度や耐へたり性を向上させることができる。中央領域１４における｛１１０｝集合組織の割合は、たとえば３％以下である。
【００４７】
ばね用鋼線１の長手方向に垂直な断面１０の真円度は３μｍ以下であることが好ましい。これにより、ばね用鋼線１を用いて製造されるばねの特性を安定させることができる。
【００４８】
ばね用鋼線１の長手方向に垂直な断面１０の直径のばらつきは、１ｍあたり１％以下であってもよい。これにより、ばね用鋼線１を用いて製造されるばねの特性を安定させることができる。なお、直径のばらつきとは、長手方向１ｍあたりの直径の最大値と最小値との差を意味する。
【００４９】
ばね用鋼線１を構成する鋼は、０．０５質量％以上０．５質量％以下のバナジウムをさらに含んでいてもよい。これにより、加熱時の軟化を抑制することができる。
【００５０】
ばね用鋼線１を構成する鋼としては、たとえばＪＩＳ  Ｇ３５６０に規定されるＳＷＯＳＣ−Ｂ、ＪＩＳ  Ｇ３５６１に規定されるＳＷＯＣＶ−Ｖ、ＳＷＯＳＣ−Ｖなどを採用することができる。
【００５１】
図２を参照して、本実施の形態におけるばね２は、ばね用鋼線１からなっている。ばね用鋼線１からなることにより、ばね２は、ばね加工時の折損が抑制されつつ、疲労強度が向上したばねとなっている。
【００５２】
ばね２の表面（ばね用鋼線１の外周面１１）における窒素濃度は３００ｐｐｍ以下である。ばね２によれば、表面（ばね用鋼線１の外周面１１）における窒素濃度がこのような範囲を超えるような処理、たとえば窒化処理が行われることなく、十分な疲労強度が確保される。
【００５３】
次に、ばね用鋼線１およびばね２の製造方法の一例について説明する。図３を参照して、本実施の形態におけるばね用鋼線１の製造方法においては、まず工程（Ｓ１０）として原料線材準備工程が実施される。工程（Ｓ１０）では、図４を参照して、０．５質量％以上０．８質量％以下の炭素と、１．０質量％以上２．５質量％以下の珪素と、０．２質量％以上１．０質量％以下のマンガンと、０．５質量％以上２．５質量％以下のクロムとを含み、残部が鉄および不可避的不純物からなる原料線材５が準備される。
【００５４】
具体的には、たとえばＪＩＳ  Ｇ３５６０に規定されるＳＷＯＳＣ−Ｂ、ＪＩＳ  Ｇ３５６１に規定されるＳＷＯＣＶ−Ｖ、ＳＷＯＳＣ−Ｖなどの鋼材に対して、圧延、パテンティング（微細パーライト化）などの処理が実施され、原料線材５が準備される。原料線材５は、長手方向に垂直な断面５０が円形であり、外周面５１が円筒形状である鋼からなる線材である。
【００５５】
次に、工程（Ｓ２０）として第１伸線工程が実施される。工程（Ｓ２０）では、原料線材５に対して第１の伸線（引抜き加工）が実施される。具体的には、工程（Ｓ１０）において準備された原料線材５が伸線加工される。工程（Ｓ２０）において、原料線材５は、たとえば直径１５ｍｍ以下となるように加工される。
【００５６】
次に、工程（Ｓ３０）として浸炭工程が実施される。図５は、浸炭工程および焼入れ焼戻し工程における時間と温度との関係を示している。図５において、横軸は経過時間、縦軸は温度を示す。工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において第１の伸線が実施された原料線材５に対して、浸炭処理が実施される。
【００５７】
具体的には、図５を参照して、工程（Ｓ２０）において第１の伸線が実施された原料線材５が時刻ｔ０において加熱を開始され、時刻ｔ１において浸炭温度Ｔ１に到達する。その後、時刻ｔ２まで浸炭温度Ｔ１に維持される。浸炭温度Ｔ１は、オーステナイト変態点（Ａ１変態点）以上の温度である。浸炭温度Ｔ１は、たとえば９２０℃以上９３０℃以下である。このとき、原料線材５は、浸炭雰囲気中に保持される。つまり、原料線材５は、浸炭雰囲気中において加熱されることとなる。その結果、原料線材５の表面（外周面５１）を含む領域の炭素濃度が内部に比べてわずかに、具体的には０質量％を超え０．０５質量％以下だけ高くなる。
【００５８】
工程（Ｓ３０）においては、雰囲気のＣＰ値が０．５質量％以上１．５質量％以下、より好ましくは０．８質量％以上１．２質量％以下となるように、雰囲気の組成が調整される。より具体的には、浸炭処理が実施される炉内には、プロパンガス、酸素ガス、窒素ガスなどのガスが導入される。導入されたプロパンガスが分解されるとともに酸素ガスと反応することにより、浸炭に寄与する一酸化炭素ガス（ＣＯ）やメタンガス（ＣＨ４）のほか、二酸化炭素ガス（ＣＯ２）等が生成する。そして、ＣＰ値は、たとえば雰囲気中の二酸化炭素ガスおよび酸素ガスの濃度を二酸化炭素センサおよび酸素センサを用いて把握し、これに基づいて炉内に導入されるプロパンガスおよび酸素ガスの量を変化させることにより調整することができる。
【００５９】
このように、雰囲気のガスの組成が把握され、これに基づいてＣＰ値が調整されつつガス浸炭により浸炭処理が実施されることにより、表層領域１２における炭素濃度が安定する。その結果、表層領域１２における硬さのばらつきが低減され、表層領域１２における硬度が内部領域１３に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬いばね用鋼線１を容易に製造することができる。
【００６０】
次に、工程（Ｓ４０）として焼入れ焼戻し工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、工程（Ｓ３０）において浸炭処理された原料線材５に対して焼入れ焼戻し処理が実施される。図５を参照して、時刻ｔ１〜ｔ２において浸炭処理された原料線材５が、時刻ｔ２〜ｔ３において急冷される。具体的には、オーステナイト変態点（Ａ１変態点）以上の温度からＭＳ点以下の温度にまで冷却される。冷却は、たとえば原料線材５を焼入油中に浸漬することにより実施することができる。これにより、原料線材５を構成する鋼の組織がマルテンサイト組織となる。これにより、焼入処理が完了する。
【００６１】
次に、原料線材５が時刻ｔ４において加熱を開始され、時刻ｔ５において焼戻温度Ｔ２に到達する。その後、時刻ｔ６まで焼戻温度Ｔ２に維持される。焼戻温度Ｔ２は、オーステナイト変態点（Ａ１変態点）未満の温度である。焼戻温度Ｔ２は、たとえば４５０℃以上６００℃以下である。その後、時刻ｔ６〜ｔ７において原料線材５が冷却される。冷却は、たとえば空冷により実施することができる。これにより、原料線材５を構成する鋼の組織が焼戻マルテンサイト組織となる。これにより、焼戻処理が完了する。
【００６２】
次に、工程（Ｓ５０）として第２伸線工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、工程（Ｓ４０）において焼入れ焼戻し処理が実施された原料線材５に対し、第２の伸線が実施される。
【００６３】
図６は、工程（Ｓ５０）を実施するための伸線装置の原料線材５の進行方向αに沿った断面を示す図である。図６を参照して、工程（Ｓ５０）を実施するための伸線装置は、ダイス７０を備えている。ダイス７０には、原料線材５の進行方向αに沿ってダイス７０を貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔を取り囲む壁面が原料線材５と接触する加工面７１である。工程（Ｓ４０）までが実施された原料線材５が長手方向に沿って進行してダイス７０の貫通孔へと進入し、入口７８に到達すると、原料線材５の外周面５１がダイス７０の加工面７１に接触する。これにより、原料線材５は加工され、長手方向に垂直な断面の形状が原料線材５の進行方向αに垂直な断面における加工面７１の形状に対応する形状となるように塑性変形する。ダイス７０の貫通孔の、原料線材５の進行方向αに垂直な断面の面積は、入口７８に比べて出口７９において小さくなっている。そして、原料線材５がダイス７０の出口７９に到達するとダイス７０の加工面７１による加工が完了し、ばね用鋼線１が得られる。
【００６４】
ダイス７０の貫通孔は、入口７８から出口７９に近づくにしたがって、原料線材５の進行方向αに垂直な断面積が小さくなるテーパ領域を有する。このテーパ領域のテーパ角であるアプローチ角θは、０．１°以上７°以下である。
【００６５】
本実施の形態のばね用鋼線１の製造方法では、上記適切な成分組成を有する原料線材５が工程（Ｓ３０）において浸炭処理され、表面を含む領域の炭素濃度がわずかに高められた後、工程（Ｓ４０）において焼入れ焼戻し処理が実施される。これにより、適切な成分組成の焼戻マルテンサイト組織を有する鋼からなるばね用鋼線１の表層のごく薄い領域のみの硬度を内部に比べてわずかに上昇させることができる。その結果、外周面１１から１０μｍ以内という表層のごく薄い領域（表層領域１２）の硬度が、内部領域１３に比べて０ＨＶを超え５０ＨＶ以下だけ硬く設定されるばね用鋼線１を容易に製造することができる。
【００６６】
なお、本実施の形態のばね用鋼線の製造方法において、工程（Ｓ５０）は必須の工程ではないが、これを実施することにより、ばね用鋼線１の寸法精度を向上させることができる。また、工程（Ｓ５０）における減面率は、１％以上５％未満とすることが好ましく、２％以上３．５％以下とすることが好ましい。このようにすることにより、表層のみの硬度上昇を達成し、ばね用鋼線１を一層容易に製造することができる。また、工程（Ｓ５０）を実施することにより、中央領域１４における｛１１０｝集合組織の割合を低く（たとえば３％以下に）維持した状態で、表層領域１２における｛１１０｝集合組織の割合を上昇させることができる。その結果、表層領域１２における｛１１０｝集合組織の割合を中央領域１４における｛１１０｝集合組織の割合に比べて、たとえば５％以上３５％以下だけ高くすることができる。
【００６７】
また、工程（Ｓ５０）における第２の伸線は、原料線材５を１５０℃以上４５０℃以下、好ましくは２００℃以上３５０℃以下の温度域に加熱しつつ実施されてもよい。すなわち、工程（Ｓ５０）においては、原料線材５は温間加工（温間伸線）されてもよい。これにより、鋼中にコットレル雰囲気を形成し、ばね用鋼線１の強度を上昇させることができる。工程（Ｓ５０）における第２の伸線は、原料線材５を２５℃以上４５０℃以下の温度域に加熱しつつ実施されてもよい。
【００６８】
次に、工程（Ｓ５０）において得られたばね用鋼線１を用いたばね２の製造方法を説明する。工程（Ｓ５０）に引き続き、工程（Ｓ６０）としてばね加工工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図１および図２を参照して、ばね用鋼線１が、たとえば図２に示すらせん形状に塑性加工されることにより、ばね形状に成形される。
【００６９】
次に、工程（Ｓ７０）として焼なまし工程が実施される。この工程（Ｓ７０）では、工程（Ｓ６０）においてばね形状に成形されたばね用鋼線１（ばね２）に対して、焼きなまし処理が実施される。具体的には、ばね２が加熱されることにより、工程（Ｓ６０）において生じたばね２中のひずみが低減される。
【００７０】
次に、工程（Ｓ８０）としてショットピーニング工程が実施される。この工程（Ｓ８０）では、工程（Ｓ７０）において焼きなまし処理が実施されたばね２に対して、ショットピーニングが実施される。この工程（Ｓ８０）は本実施の形態のばねの製造方法において必須の工程ではないが、これを実施することにより、ばね２の表面を含む領域に圧縮応力が付与され、疲労強度の向上に寄与する。以上の工程により、本実施の形態のばね２は完成する。本実施の形態のばねの製造方法によれば、ばね加工時の折損が抑制されつつ、疲労強度が向上したばねを製造することができる。
【００７１】
なお、工程（Ｓ８０）におけるショットピーニングは、表面における窒素濃度が３００ｐｐｍ以下であるばね用鋼線１（ばね２）に対して実施されてもよい。すなわち、工程（Ｓ８０）におけるショットピーニングは、ばね２が窒化処理されることなく実施されてもよい。本実施の形態のばね２の製造方法によれば、窒化処理を行うことなくショットピーニング処理を実施することで、十分な疲労強度を有するばねを製造することができる。
【００７２】
（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２のばね用鋼線１およびばね２は、基本的には実施の形態１の場合と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２のばね用鋼線１およびばね２は、浸炭層を有さない点において実施の形態１の場合とは異なっている。
【００７３】
図１および図２を参照して、実施の形態２におけるばね用鋼線１およびばね２の表層領域１２は、実施の形態１の場合と同様に内部領域１３に比べて硬度が高いものの、同量の炭素濃度を有している。つまり、長手方向に垂直な断面１０において、炭素濃度は均一である。このような構成を採用した場合であっても、ばね用鋼線１およびばね２は、ばね加工時の折損を抑制しつつ疲労強度を向上させることが可能なばね用鋼線１およびばね２となっている。
【００７４】
次に、実施の形態２におけるばね用鋼線およびばねの製造方法について説明する。図７および図３を参照して、実施の形態２におけるばね用鋼線およびばねの製造方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施される。しかし、実施の形態２におけるばね用鋼線およびばねの製造方法は、工程（Ｓ３０）として実施される浸炭処理が省略されるとともに、工程（Ｓ５０）として実施される第２伸線工程が必須の工程となる点において、実施の形態１の場合とは異なっている。
【００７５】
図７を参照して、実施の形態２におけるばね用鋼線およびばねの製造方法では、まず工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）が実施の形態１の場合と同様に実施された後、工程（Ｓ３０）を実施することなく工程（Ｓ４０）および（Ｓ５０）が実施される。実施の形態１において、工程（Ｓ５０）は必須の工程ではないが、実施の形態２では、工程（Ｓ５０）は必須の工程である。
【００７６】
そして、工程（Ｓ５０）における減面率は、１％以上５％未満、好ましくは２％以上３．５％以下とされる。このようにすることにより、実施の形態１において工程（Ｓ３０）として実施される浸炭工程を省略した場合でも、表層のみの硬度上昇を達成し、実施の形態２のばね用鋼線１を製造することができる。さらに、工程（Ｓ６０）〜（Ｓ８０）が実施の形態１の場合と同様に実施されることにより、実施の形態２のばね２を製造することができる。
【００７７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７８】
１  ばね用鋼線、２  ばね、５  原料線材、１０  断面、１１  外周面、１２  表層領域、１３  内部領域、１４  中央領域、５０  断面、５１  外周面、７０  ダイス、７１  加工面、７８  入口、７９  出口。
【図１】
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【図２】
2018012158.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018012158.tif 000009
【国際調査報告】
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