(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％において、
Ｃ：０．４〜０．８％、
Ｓｉ：０．９〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｃｒ：０．１６〜０．３０％、
Ｎ：０．００１〜０．００７％、
残部鉄および不可避的不純物を含み、熱間圧延後のミクロ組織において円相当径０．２〜３μｍのセメンタイト系球状炭化物存在密度が０．５個／μｍ２以下、円相当径３μｍ超のセメンタイト系球状炭化物の存在密度が０．００５個／μｍ２以下であることを特徴とするばね用熱間圧延線材。
【請求項２】
さらに、質量％で、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜５．０％
の１種または２種を含有することを特徴とする請求項１記載のばね用熱間圧延線材。
【請求項３】
さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２記載のばね用熱間圧延線材。
【請求項４】
さらに、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００６％
を含有する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熱間圧延線材。
【請求項５】
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜５．０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％
の１種または２種を含有する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熱間圧延線材。
【請求項６】
さらに、質量％で、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％
を含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のばね用熱間圧延線材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱処理後に高強度かつ高靱性を有し、自動車および一般機械向けばねに供する熱間圧延線材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の軽量化、高性能化に伴い、ばねも高強度化され、熱処理後に引張強度１６００ＭＰａを超えるような高強度鋼がばねに供されている。近年では引張強度１９００ＭＰａを超える鋼も使用されている。
【０００３】
鋼を用いたコイルばねの製造方法では鋼をオーステナイト域まで加熱してコイリングし、その後、焼入れ焼戻しを行う熱間コイリングとあらかじめ鋼に焼入れ焼戻しを施した高強度鋼線を冷間にてコイリングする冷間コイリングがある。いずれの場合にも焼入れ焼戻しによってばねの基本強度を決定づける。従ってばね鋼に対しては焼入れ焼戻し後の特性を考えた成分設計が重要である。
【０００４】
具体的にはその手法として特開昭５７−３２３５３号公報ではＶ、Ｎｂ、Ｍｏ等の元素を添加することで焼入れ性を向上させるとともに、焼戻しで析出する微細炭化物を生成させ、それによって転位の動きを制限し、耐へたり特性を向上させるとしている。
【０００５】
しかし鋼製造工程では転炉−鋳造−ビレット圧延−線材圧延のように何度も加熱されると同時に何度も室温まで冷却される。このような場合、添加したＣｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏなどの炭化物生成元素は鋼を硬化させると同時に粗大な炭化物として鋼中に残留し易い。特に引張強度１９００ＭＰａを超えるような高強度を指向する場合にはこれら合金元素の添加量が多くなるために残留する炭化物も多い。これまで特開平１１−６０３３号公報などではＣｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｍｏ等の炭化物（以後これらを合金系炭化物と記す）に注目してそれらの大きさを規定した発明がなされている。しかし実際に鋼の強度を支配するのはこれらの微細炭化物ではなく、鉄の炭化物、すなわちセメンタイトを主成分とする炭化物（以後セメンタイト系炭化物と記す）の挙動であり、このセメンタイトを制御できることがばね鋼にとって重要である。
【０００６】
合金系炭化物の粒径に関しては、例えば特開平１０−２５１８０４号公報のようにＮｂ、Ｖ系の炭化物の平均粒径に注目した発明がなされているが、この先行技術では圧延中の冷却水によって異常組織が生じることを懸念する記述があり（段落００１５）、実質的には乾式圧延を推奨している。このことは工業的には非定常作業であり、通常の圧延と明らかに異なることが推定され、たとえ平均粒径を制御しても周辺マトリックス組織に不均一を生じると圧延トラブルを生じることを示唆している。従ってＶ、Ｎｂ系炭化物などの合金系炭化物の平均粒径の制御だけでは工業的に不十分であることを示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は工業的に製造可能かつ焼入れ焼戻し後にばね向けの強度とコイリング性を付与できるばね用熱間圧延線材を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは従来のばね用熱間圧延線材では注目されていなかった鋼中炭化物、特にセメンタイトの大きさを微細化することで焼入れ焼戻し後に高強度とコイリング性を両立させ得るばね用熱間圧延線材を開発するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明は次に示すばね用熱間圧延線材を要旨とする。
【００１０】
（１）  質量％において、
Ｃ：０．４〜０．８％、
Ｓｉ：０．９〜３．０％、
Ｍｎ：０．１〜２．０％、
Ｐ：０．０１５％以下、
Ｓ：０．０１５％以下、
Ｃｒ：０．１６〜０．３０％、
Ｎ：０．００１〜０．００７％、
残部鉄および不可避的不純物を含み、熱間圧延後のミクロ組織において円相当径０．２〜３μｍのセメンタイト系球状炭化物存在密度が０．５個／μｍ２以下、円相当径３μｍ超のセメンタイト系球状炭化物の存在密度が０．００５個／μｍ２以下であることを特徴とするばね用熱間圧延線材。
【００１１】
（２）  さらに、質量％で、
Ｗ：０．０５〜１．０％、
Ｃｏ：０．０５〜５．０％
の１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）記載のばね用熱間圧延線材。
【００１２】
（３）  さらに、質量％で、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｍｏ：０．０５〜１．０％、
Ｖ：０．０５〜０．７％、
Ｎｂ：０．０１〜０．０５％
の１種または２種以上を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載のばね用熱間圧延線材。
【００１３】
（４）  さらに、質量％で、
Ｂ：０．０００５〜０．００６％
を含有することを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のばね用熱間圧延線材。
【００１４】
（５）  さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜５．０％、
Ｃｕ：０．０５〜０．５％
の１種または２種を含有することを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のばね用熱間圧延線材。
【００１５】
（６）  さらに、質量％で、
Ｍｇ：０．０００２〜０．０１％
を含有することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載のばね用熱間圧延線材。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明者は適正な化学成分を規定することにより高強度を得るとともに、熱処理によって鋼中炭化物形状を制御して、ばねを製造する際に十分なコイリング特性が確保されるばね用熱間圧延線材を発明するに至った。
【００１７】
その詳細を以下に示す。まず、鋼の化学成分を規定した理由について説明する。
【００１８】
Ｃは鋼材の基本強度に大きな影響を及ぼす元素であり、十分な強度を得るために０．４〜０．８％とした。Ｃ量が０．４％未満では十分な強度を得られず、他の合金元素をさらに多量に投入せざるを得ず、０．８％超では通常の圧延後に粗大セメンタイトを多量に析出するため、靭性を著しく低下させる。この靭性の低下は同時にコイリング特性を低下させる。またばね鋼製造工程における熱処理温度を高く設定する必要を生じたり、高周波処理を困難にするなど、工業上の弊害を生じる。
【００１９】
Ｓｉはばねの強度、硬度と耐へたり性を確保するために必要な元素であり、少ない場合、必要な強度、耐へたり性が不足するため、０．９％を下限とした。またＳｉは粒界の炭化物系析出物を球状化、微細化する効果があり、積極的に添加することで粒界析出物の粒界占有面積率を小さくする効果がある。しかし多量に添加しすぎると、材料を硬化させるだけでなく、脆化する。そこで焼入れ焼戻し後の脆化を防ぐために３．０％を上限とした。
【００２０】
Ｍｎは焼入れ性を向上させるとともにマトリックスを硬化させる。また鋼中に存在するＳをＭｎＳとして固定し、Ｓを無害化することができる。また本発明で特に注目している炭化物の挙動に対して炭化物を作らずに強度を確保できる元素である。そこでＭｎＳとしてＳを固定するために０．１％を下限とする。強度を確保するためにはＭｎは０．５％以上が好ましい。またＭｎによる脆化を防止するために上限を２．０％とした。
【００２１】
Ｃｒは焼入れ性および焼戻し軟化抵抗を向上させるために有効な元素であり、窒化処理してばね表面を硬化させばね疲労強度を向上させる場合、Ｃｒ量が多い方が短時間の窒化処理で硬化層が深くなり、最高硬度も高くなり易い。従って窒化を前提とする場合には０．１６％以上のＣｒを添加する。しかし添加量が多いとコスト増を招くだけでなく、焼入れ焼戻し後に見られるセメンタイトを粗大化させる。結果として線材は脆化するためにコイリング時に折損を生じ易くするので注意を要する。特に圧延後に析出しているセメンタイト中にＣｒは固溶するので、セメンタイトを安定化させ、焼入れ加熱時に未溶解になり易い。この点はオイルテンパー線や高周波加熱処理材などには大きな影響を与える。そこでばね製造時の焼入れ加熱時にセメンタイトの固溶が困難となり、著しくばねまたはばね用鋼線製造時の熱処理が困難になる０．３０％を上限とした。
【００２２】
ＮはＶ、Ｎｂなど窒化物を生成する元素を添加すると容易に窒化物を生成する。それらは炭窒化物の生成を容易にする。これら炭窒化物は焼入れ時のオーステナイト粒成長を抑制するピン止め粒子となるためオーステナイト粒径の微細化に有効である。このような目的から０．００１％以上のＮを添加する。一方、過剰なＮは窒化物および窒化物を核として生成した炭窒化物および炭化物の粗大化を招くので、その上限を０．００７％とした。
【００２３】
Ｐは鋼を硬化させるが、さらに偏析を生じ、材料を脆化させる。特にオーステナイト粒界に偏析したＰは衝撃値の低下や水素の侵入により遅れ破壊などを引き起こす。そのため少ない方がよい。そこで脆化傾向が顕著となる０．０１５％以下と制限した。
【００２４】
ＳもＰと同様に鋼中に存在すると鋼を脆化させる。Ｍｎによって極力その影響を小さくするが、ＭｎＳも介在物の形態をとるため、破壊特性は低下する。特に高強度鋼のでは微量のＭｎＳから破壊を生じることもあり、Ｓも極力少なくすることが望ましい。その悪影響が顕著となる０．０１５％を上限とした。
【００２５】
Ｗは焼入れ性を向上させるとともに、鋼中で炭化物を生成し、強度を高める働きがある。特にセメンタイトや他の合金系炭化物の粗大化を抑制できるので重要である。その添加量が０．０５％未満では効果は見られず、１．０％超では粗大な炭化物を生じ、かえって延性などの機械的性質を損なう恐れがあるのでＷの添加量を０．０５〜１．０％とした。
【００２６】
Ｃｏは焼入れ性を低下させるものの、高温における強度を確保できる。また炭化物の生成を阻害するため、本発明で問題となる粗大な炭化物の生成を抑制する働きがある。０．０５％未満ではその効果が小さく、５．０％を超えるとその効果が飽和するため、０．０５〜５．０％とした。
【００２７】
このＷとＣｏは鋼中でのメカニズムこそ異なるものの、両者ともセメンタイト系炭化物を小さくする効果を有しているため、本発明のように鋼としてＣ量の高い場合にはセメンタイト微細化かつ易固溶化に有効である。そこでＷとＣｏのいずれか１種または２種を添加することとした。
【００２８】
Ｔｉ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂは鋼中で窒化物、炭化物、炭窒化物として析出する。従ってこれらの元素を１種または２種以上を添加すれば、これら析出物を生成し、焼戻し軟化抵抗を得ることができ、高温での焼戻しや工程で入れられる歪み取り焼鈍や窒化などの熱処理を経ても軟化せず高強度を発揮させることができる。このことは窒化後のばね内部硬度の低下を抑制したり、ホットセッチングや歪み取り焼鈍を容易にするため、最終的なばねの疲労特性を向上させることとなる。しかしＴｉ、Ｍｏ、ＶおよびＮｂは添加量が多すぎると、それらの析出物が大きくなりすぎ、鋼中炭素と結びついて粗大炭化物を生成する。このことは鋼線の高強度化に寄与すべきＣ量を減少させ、添加したＣ量相当の強度が得られなくなる。さらに粗大炭化物が応力集中源となるためコイリング中の変形で折損し易くなる。
【００２９】
Ｔｉについては窒化物の析出温度は高く、溶鋼中で既に析出している。またその結合力は強いので、鋼中のＮを固定する場合にも用いる。Ｂを添加する場合にはＢをＢＮとさせないためにも、Ｎを十分に固定できるだけ添加する必要がある。そこでＴｉによってＮを固定することが好ましい。Ｔｉの添加量はオーステナイト粒径が微細化できる最低限の必要添加量０．００５％を下限とし、析出物寸法が破壊特性に悪影響を及ぼさない最大量０．１％を上限とした。
【００３０】
Ｍｏは０．０５〜１．０％を添加することで焼入れ性を向上させるとともに、焼戻し軟化抵抗を与えることができる。すなわち強度を制御する際の焼戻し温度を高温化させることができる。この点は粒界炭化物の粒界占有面積率を低下させるのに有利である。すなわちフィルム状に析出する粒界炭化物を高温で焼戻すことで球状化させ、粒界面積率を低減することに効果がある。またＭｏは鋼中ではセメンタイトとは別にＭｏ系炭化物を生成する。特にＶ等に比べその析出温度が低いので炭化物の粗大化を抑制する効果がある。その添加量は０．０５％未満では効果が認められず、１．０％超では効果が飽和する。
【００３１】
またＶについては窒化物、炭化物、炭窒化物の生成によるオーステナイト粒径の粗大化抑制の他に焼戻し温度での鋼線の硬化や窒化時の表層の硬化に利用することもできる。その添加量は０．０５％未満では添加した効果がほとんど認められず、０．７％超では粗大な未固溶介在物を生成し、靭性を低下させる。
【００３２】
Ｎｂも同様に窒化物、炭化物、炭窒化物の生成によるオーステナイト粒径の粗大化抑制の他に焼戻し温度での鋼線の硬化や窒化時の表層の硬化に利用することもできる。ＮｂはＶ、Ｍｏ等よりも高温でも微細炭化物を生成するため、その添加量が微量であっても熱処理鋼線製造時のオーステナイト粒径微細化にも効果が大きく非常に有効な元素である。０．０１％未満では効果がほとんど認められず、０．０５％超では粗大な未固溶介在物を生成し、靭性を低下させるので０．０１〜０．０５％とした。
【００３３】
Ｂは焼入れ性向上元素として知られている。さらにオーステナイト粒界の清浄化に効果がある。すなわち、粒界に偏析して靭性を低下させるＰ、Ｓ等の元素をＢを添加することで無害化し、破壊特性を向上させる。その際、ＢがＮと結合してＢＮを生成するとその効果は失われる。添加量はその効果が明確になる０．０００５％を下限とし、効果が飽和する０．００６％を上限とした。
【００３４】
Ｎｉは焼入れ性を向上させ、熱処理によって安定して高強度化することができる。またマトリックスの延性を向上させてコイリング性を向上させる。さらにばねの耐食性を向上させ、腐食環境で用いるばねには有効である。その添加量は０．０５％未満では高強度化や延性向上に効果が認められず、５．０％を超えると効果が飽和し、コスト等の点で不利になる。
【００３５】
Ｃｕについては、Ｃｕを添加することで脱炭を防止できる。脱炭層はばね加工後に疲労寿命を低下させるため、極力少なくする努力が成されている。また脱炭層が深くなった場合にはピーリングとよばれる皮むき加工によって表層を除去する。またＮｉと同様に耐食性を向上させる効果もある。
【００３６】
従って、脱炭層を抑制することでばねの疲労寿命向上やピーリング工程の省略することができる。Ｃｕの脱炭抑制効果や耐食性向上効果は０．０５％以上で発揮することができ、後述するようにＮｉを添加したとしても０．５％を超えると脆化により圧延きずの原因となり易い。そこで下限を０．０５％、上限を０．５％とした。Ｃｕ添加によって室温における機械的性質を損なうことはほとんどないが、Ｃｕを０．３％を超えて添加する場合には熱間延性を劣化させるために圧延時にビレット表面に割れを生じる場合がある。そのため圧延時の割れを防止するＮｉ添加量をＣｕの添加量に応じて［Ｃｕ％］＜［Ｎｉ％］とすることが好ましい。
【００３７】
Ｍｇは酸化物生成元素であり、溶鋼中では酸化物を生成する。その温度域はＭｎＳの生成温度よりも高く、ＭｎＳ生成時には既に溶鋼中に存在している。従ってＭｎＳの析出核として用いることができ、これによりＭｎＳの分布を制御できることを見出した。すなわちＭｇ系酸化物は従来鋼に多く見られるＳｉ、Ａｌ系酸化物より微細に溶鋼中に分散するため、Ｍｇ系酸化物を核としたＭｎＳは鋼中に微細に分散することとなる。従って同じＳ含有量であってもＭｇの有無によってＭｎＳ分布が異なり、それらを添加する方がＭｎＳ粒径はより微細になる。その効果は微量でも十分得られ、Ｍｇが０．０００２％以上であればＭｎＳは微細化する。しかし０．０１％以上は溶鋼中に残留しにくいため、工業的には０．０１％が上限と考えられる。そこでMg添加量を０．０００２〜０．０１％とした。このＭｇはＭｎＳ分布等の効果により、耐食性、遅れ破壊の向上および圧延割れ防止などに効果があり、極力添加する方が望ましく、好ましい添加量は０．０００５〜０．０１％である。
【００３８】
本発明で対象とする従来よりも高強度を指向したばね鋼に関して製造上の問題点について述べる。ばねでは焼入れ焼戻しによって高強度化するが、従来の成分系では焼戻し温度を低くせざるを得ず、一般に脆化して実用に耐え得ない。また冷間コイリングによる製造では焼入れ焼戻し後にコイリングするため、コイリング時に折損する。そのためＣ量を若干増加させたり合金元素を添加することが一般に行われる。しかしＣｒ、Ｖ等の合金元素を増加させると偏析を生じ、濃化部分では局部的に融点を下がるため、割れを生じ易い。これが圧延時の疵の一因であると考えられる。
【００３９】
さらに本発明で注目すべき炭化物に関して説明する。鋼の性能を考える場合、鋼中の炭化物の形態が重要になってくる。ここでいう鋼中炭化物とは鋼中に熱処理後に鋼中に認められるセメンタイトおよびそれに合金元素の固溶した炭化物、（以後、両者を総じてセメンタイトと記す）およびＮｂ、Ｖ、Ｔｉ等の合金元素の炭化物および炭窒化物（以後これらを合金系炭化物と記す）のことである。これら炭化物は鋼線を鏡面研磨し、エッチングすることで観察することができる。
【００４０】
図１に焼入れ焼戻し組織の典型的な例の顕微鏡写真を示す。これによると鋼中にはパーライト状あるいは板状析出した炭化物と球状炭化物１の２種が認められる。ばね鋼は鋳造後、ビレット形状への圧延後、一旦室温まで冷却後、受注に応じて線材サイズへ圧延される。さらにばね鋼の製造では焼入れ焼戻しを行うが、パーライト状または板状のセメンタイトは容易に固溶するが、球状化して安定化した炭化物は次工程での焼入れ焼戻し工程で容易に固溶しないため、添加したＣ量相当の強度を確保できなかったり、コイリング時の延性を低下させることになる。また線材圧延時にも圧延疵の原因となる。
【００４１】
この残留した炭化物は焼入れ焼戻しによる強度と靭性には全く寄与しないため、鋼中Ｃを固定して単に添加Ｃを浪費しているだけでなく、応力集中源にもなるため鋼線の機械的性質を低下させる要因となる。この球状炭化物は冷却後の再加熱（線材圧延、ばね製作時の焼入れなど）の加熱時に固溶しなかったため、球形に炭化物が成長したものである。従って極力線材圧延直後にも少ない方が好ましい。特にオイルテンパー処理など圧延後の熱処理でこの球状炭化物はさらに成長して粗大化する。このような観点から円相当径３μｍ以下と通常では問題にならないとされていた炭化物であっても問題となる可能性が大きい。本発明ではこれまで注目されていなかったＦｅとＣを主成分とするセメンタイトも例外でないことを見出した。この粗大な未溶解炭化物はばね製造時まで影響を及ぼすだけでなく、圧延時にも疵の原因となる。
【００４２】
このセメンタイト系炭化物はセメンタイトにＣｒ、Ｍｏ等の合金元素が固溶したものも含み、一般にこれらが固溶したセメンタイトは安定化して、固溶し難くなる。検出上の特徴としてはエッチングによって現出した炭化物をＥＤＸで分析した場合、Ｆｅ、Ｃを主成分として検出するとともに、固溶している合金元素も検出される場合もある。以後、このようなＦｅとＣを主成分とする炭化物をセメンタイト系炭化物、また形状が球状の場合を特にセメンタイト系球状炭化物と記す。
【００４３】
図２（ａ）、（ｂ）にＳＥＭに取り付けたＥＤＸによる炭化物の解析例を示す。この結果は透過電子顕微鏡でのレプリカ法でも同様の解析結果が得られる。従来の発明は高強度を得るために添加したＶ、Ｎｂ等の合金元素系の炭化物だけに注目しており、その一例が図２（ａ）で炭化物中にＦｅピークが非常に小さいことが特徴である。しかし本発明では従来の合金元素系炭化物だけでなく、図２（ｂ）に示すように、円相当径３μｍ以下のＦｅ3Ｃとそれに合金元素がわずかに固溶したセメンタイト系球状炭化物の析出に注目した。本発明のように従来鋼線以上の高強度と加工性の両立を達成する場合には３μｍ以下のセメンタイト系球状炭化物が多いと、加工性が大きく損なわれる。
【００４４】
鋼を焼入れ焼戻ししてからコイリングする場合にはセメンタイト系球状炭化物がそのコイリング特性、すなわち破断までの曲げ特性に影響する。これまで高強度を得るためにＣだけでなく、Ｃｒ、Ｖ等の合金元素を多量に添加した場合、粗大な球状炭化物が多量に生成するためにコイリング特性の劣化や圧延疵発生の原因となるとされて注目されていたが、圧延疵やコイリングに影響するのは図２（ｂ）のようにＦｅ3Ｃとそれに合金元素がわずかに固溶したいわゆるセメンタイト系球状炭化物であり、大量に存在したり、粗大に成長した場合には圧延における割れ発生を助長するとともに、熱処理後の鋼線の機械的性質、特にコイリング特性を低下させる。
【００４５】
これらの球状炭化物は鏡面研磨したサンプルにピクラールなどのエッチングを施すことで観察可能であるが、ここで対象とする炭化物は円相当径０．２〜３μｍのセメンタイト系球状炭化物の観察やその寸法などの詳細な観察評価には走査型電子顕微鏡により３０００倍以上の高倍率で観察する必要がある。従来から鋼中の微細な炭化物は鋼の強度、焼戻し軟化抵抗を確保するには不可欠ではあるが、本発明者はその有効な粒径は円相当径０．１μｍ以下で、逆に円相当径１μｍを超えるとむしろ強度やオーステナイト粒径微細化への貢献はなく、単に変形特性を劣化させるだけであることを見出した。
【００４６】
また本発明ではセメンタイト系球状炭化物寸法（円相当径）３μｍ以下の場合には寸法だけでなく、数も大きな要因となる。従ってその両者を考慮して本発明範囲を規定した。すなわち円相当径が０．２〜３μｍと小さくとも、その数が非常に多く、検鏡面における存在密度が０．５個／μｍ2を超えるとコイリング特性の劣化が顕著になる。
【００４７】
さらに炭化物の寸法が３μｍを超えると寸法の影響がより大きくなるため、検鏡面における存在密度が０．００５個／μｍ2を超えるとコイリング特性の劣化が顕著になる。
【００４８】
これらは熱間圧延直後に残留していても後の伸線−ばね製造工程における各種熱処理にも容易に溶解されないため、線材圧延直後にも残留しない方がよい。従って圧延後のミクロ組織において円相当径０．２〜３μｍのセメンタイト系球状炭化物存在密度が０．５個／μｍ2以下、円相当径３μｍ超のセメンタイト系球状炭化物の存在密度が０．００５個／μｍ2以下とした。
【００４９】
線材の圧延には連続鋳造→ビレット圧延→線材圧延あるいは連続鋳造→線材圧延の工程をとり、各工程間ではＡ1変態点よりも低温になるため、連続鋳造後に既に炭化物が析出している。従って、線材圧延後に残留しているセメンタイト系球状炭化物を減少させるためには、ビレット圧延のための加熱および線材圧延のための加熱を粗大炭化物が固溶するのに十分高温かつ長時間にする必要がある。
【００５０】
【実施例】
表１に本発明の実施例と比較例を示す。
【００５１】
本発明の実施例１は２５０ｔ転炉によって精錬したものを連続鋳造によってビレットを作成した。またその他の実施例は２ｔ−真空溶解炉で溶製後、圧延によってビレットを作成した。その際、発明例では１２００℃以上の高温に一定時間保定した。その後いずれの場合もビレットからφ８ｍｍに圧延し、伸線によってφ４ｍｍとした。一方、比較例は通常の圧延条件で圧延され伸線に供した。
【００５２】
本発明は圧延疵と圧延後の焼入れ焼戻し後の特性において従来技術とは異なる優れた特性を有するため、その評価は圧延直後と焼入れ焼戻し後の特性によって行った。圧延直後の疵は目視によって圧延疵の有無を観察した。
【００５３】
伸線によってφ４ｍｍまで伸線した後、輻射炉内を通過させ即座にオイル中に焼入れることで焼入れ、さらに溶融Ｐｂ中を通過させて焼戻しするいわゆるオイルテンパー処理を行い、焼入れ焼戻しした。
【００５４】
オイルテンパー処理では伸線材を連続的に加熱炉を通過させ、鋼内部温度が十分に加熱されるよう、加熱炉通過時間を設定した。この加熱が不十分であると焼入れ不足を生じ、十分な強度を達成することができない。本実施例では加熱温度９５０℃、加熱時間１５０ｓｅｃ、焼入れ温度５０℃（オイル槽）とした。さらに焼戻し温度４００〜５５０℃、焼戻し時間１ｍｉｎで焼戻し、強度を調整した。焼入れおよび焼戻し時の加熱温度およびその結果得られた大気雰囲気での引張強度は表１中に明記した通りで、引張強度を２１００ＭＰａ程度に調整した。
【００５５】
実施例には本発明で重要と考えられるセメンタイトを含む鋼中の球状炭化物についても併記しておいた。炭化物の寸法および数の評価は熱間圧延線材および熱処理ままの鋼線の長手方向断面に鏡面まで研磨し、さらにピクリン酸によってわずかにエッチングして炭化物を浮き出させた。光学顕微鏡レベルでは炭化物の寸法測定は困難なため、熱間圧延線材、鋼線の１／２Ｒ部を走査型電子顕微鏡で倍率：５０００倍にて無作為に１０視野の写真を撮影した。さらにその写真から球状になっている炭化物（セメンタイト系球状炭化物）を走査型電子顕微鏡に取りつけたＸ線マイクロアナライザーにて、セメンタイト系であることを確認しつつ、その寸法および数を画像処理装置を用いて測定した。そのデータを用いて個々の球状炭化物の円相当径と存在密度を算出した。全測定面積は３０８８．８μｍ2である。
【００５６】
引張特性はＪＩＳ  Ｚ  ２２０１  ９号試験片によりＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して行い、その破断荷重から引張強度を算出した。
【００５７】
また延性についてはノッチ曲げ試験によって評価した。ノッチ曲げ試験の概要を図３に示す。また以下のような手順で行った。図３（ａ）に示すように、先端半径５０μｍのポンチによって鋼線の長手方向に直角に最大深さ３０μｍの溝（ノッチ）２を付け、その溝部に最大引張応力を負荷させるように両側を支持し、中央に荷重３を加えて変形させる３点曲げ変形を加えた。ノッチ部から破断するまで曲げ変形を加え続け、破断時の曲げ角度を測定した。測定角度は図３（ｂ）に示す通りで、測定角度（θ）が大きいほどコイリング特性が良好である。経験的にはφ４ｍｍの鋼線においてノッチ曲げ角度２５゜以下ではコイリングは困難である。
【００５８】
発明例では圧延後の球状炭化物の寸法が小さく、圧延疵を防止するとともに、焼入れ焼戻し後に高強度と良好なノッチ曲げ特性を示した。しかし比較例はノッチ曲げ特性において劣り、コイリング性に関して劣っていることを示唆した。また圧延疵も認められ、圧延が困難であることが判明した。
【００６２】
また本発明の請求項の範囲を逸脱した鋼種は基本的に圧延疵が残留し易いことがわかる。この原因はセメンタイト系球状炭化物も大きく関わっていると考えられ、その圧延後の健全部からの観察結果では本発明の規定を超えるセメンタイト系球状炭化物が検出されている。このことは鋼を複数回加熱してオーステナイト化する場合でも、その前組織に炭化物を残していると、後工程、例えば線材圧延、オイルテンパー処理後のコイリング、熱間コイリングにおいても容易に疵などを生じる可能性があることを示唆している。
【００６３】
【表１】
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【００６５】
【発明の効果】
本発明ばね用熱間圧延線材は、鋼中セメンタイトを含む炭化物の析出を制御可能な成分とすることで高強度化可能な成分系を有しているにもかかわらず工業的に製造可能にした。また熱処理加工後には高強度のばね製造を可能にした。特に冷間コイリングするばねにおいても強度を１９００ＭＰａ以上に高強度化するとともに、コイリング性を確保し高強度かつ破壊特性に優れたばねを製造可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼入れ焼戻し組織を示す鋼の顕微鏡写真である。
【図２】セメンタイト系球状炭化物分析例を示す図である。
【図３】ノッチ曲げ試験方法を示す図である。
【符号の説明】
１  球状炭化物
２  溝（ノッチ）
３  荷重
θ  測定角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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