JP2009046763A - ばね用線材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フェライト脱炭をより高度に抑制することができ、且つ加工性も改善できるばね用線材の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．３７〜０．５４％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．７〜２．３０％、Ｍｎ：０．１〜１．３０％、Ｃｒ：０．１５〜１．１％、Ｃｕ：０．１５〜０．６％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼材を９００℃以上Ａ_4(C=0)変態点以下で加熱し、
仕上げ圧延時の最高到達温度がＡ_3(C=0)変態点以上、Ａ_4(C=0)変態点以下になるように熱間圧延し、
コイリング後、冷却床への載置温度をＡ_1(C=0)変態点以上、Ａ_1(C=0)変態点＋５０℃以下にし、コイル密部で１．０℃／秒以上、コイル疎部で８℃／秒以下の冷却速度で冷却する。
【選択図】なし

Description

本発明は、フェライト脱炭層が実質的に存在せず、且つ加工性が良好なばね用線材の製造方法、及びこの製造方法によって得られるばね用線材に関する。

高い疲労強度が要求されるばね用線材では、一般に高合金化が指向され、さらに焼入れ焼戻し後のばね素線の耐力比を向上させるために、多量のＳｉが添加される。しかしＳｉの多量添加は、平衡状態図におけるオーステナイト領域を狭めるため、フェライト脱炭が生じ易くなる。

オーステナイト領域を広くして、フェライト脱炭を抑制するためには、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｎといった合金元素を添加すればよい。しかし単にこれらの合金元素を添加するだけでは、線材の焼入性が増大しすぎて、熱間圧延後の冷却過程で、ベイナイトやマルテンサイトといった過冷組織が発生し易くなる。この過冷組織は、線材（特に太径の線材）の伸線加工に悪影響を及ぼし、カッピー断線や横割れ破断を生じさせる。

そこで良好な加工性を維持しながらフェライト脱炭を防止するために、様々な技術が提案されている。例えば特許文献１では、熱間圧延の開始から終了までの全過程で、鋼材温度をＡ₃変態点よりも高い温度域に維持し、且つ熱間圧延後の冷却速度を０．５℃／秒以上にすることによって、フェライト脱炭を防止する技術が開示されている。さらに特許文献１は、線材硬度を下げて加工性を向上させるために、冷却速度を３．０℃／秒以下にすることを開示している。

また特許文献２では、線材コイルの冷却過程において、Ａ₃変態点とＡ₁変態点（共析変態点）との間の脱炭領域の温度範囲を急冷することによって、フェライト脱炭を防止する技術が開示されている。さらに特許文献２は、前記急冷後に徐冷することでパーライト変態を促進して、線材の常温加工性を高める技術も開示している。
特開２００２−１９４４３２号公報 特開２００７−９３００号公報

フェライト脱炭を防止するために、上記のような様々な従来技術が提案されているが、その効果は不充分である。例えば特許文献１では、実施例の欄でフェライト脱炭深さ０ｍｍを達成できているが、その場合に使用した鋼材のＳｉ量は１．７９重量％であって比較的少ない。また特許文献２でも、フェライト脱炭深さ０ｍｍを達成できているが、その場合に使用した鋼材のＣ量は０．４８質量％であって、比較的多い。Ｃ量が多い場合やＳｉ量が少ない場合は、連続冷却曲線（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｃｏｏｌｉｎｇ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ：ＣＣＴ）におけるフェライトバンドが薄くなるため、フェライト脱炭が比較的容易である。特許文献１や特許文献２の技術は、適用できる成分系が限られてしまうため、さらなるフェライト脱炭防止技術が望まれる。

よって本発明の目的は、フェライト脱炭をより高度に抑制することができ、且つ加工性も改善できるばね用線材の製造方法、及びこの製造方法によって得られるばね用線材を提供することにある。
本発明の他の目的は、Ｓｉ量が高く、且つＣ量が低い亜共析鋼でも、フェライト脱炭を防止でき、且つ加工性も改善できるばね用線材の製造方法、及びこの製造条件によって得られるばね用線材を提供することにある。

本発明者らは前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、特許文献１などのように単に鋼材の変態点を考慮して熱間圧延条件を制御するだけで確実に防止できるのは芯部の脱炭に過ぎないこと、すなわち熱間圧延中の鋼材表面のＣ量は芯部よりも少なくなることから鋼材の変態点を考慮しただけでは脱炭がさらに加速度的に進行する虞があることが判明した。そこで鋼材表面の脱炭が進行して仮にＣ＝０質量％になったとしても、その状態でのフェライト域を避けて圧延温度条件を設定すれば、フェライト脱炭をより高度に防止できることを見出し、本発明を完成した。
従って上記目的を達成し得た本発明のばね用線材の製造方法とは、
熱間圧延前の鋼材の加熱温度を、９００℃以上Ａ_4(C=0)変態点以下にし、
熱間圧延の仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度をＡ_3(C=0)変態点以上、Ａ_4(C=0)変態点以下にし、
熱間圧延後のコイルの冷却床への載置温度をＡ_1(C=0)変態点以上、Ａ_1(C=0)変態点＋５０℃以下にし、
オーステナイト粒の結晶粒度番号８．０〜１１に対応する連続冷却曲線でフェライトが析出する温度範囲を、コイル密部で１．０℃／秒以上、コイル疎部で８℃／秒以下の冷却速度で冷却する点にその要旨を有する。

前記温度条件をより具体的に設定すると、以下の通りである。
熱間圧延前の鋼材の加熱温度：９００℃以上、１２５０℃以下
熱間圧延の仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度：１０５０℃以上、１２００℃以下
コイルの冷却床への載置温度：９００℃以上、９８０℃以下
冷却条件：温度７５０〜６００℃の温度範囲を、コイル密部で１．０℃／秒以上、コイル疎部で８℃／秒以下の冷却速度で冷却する
なお仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度を前記範囲に制御するためには、仕上げ圧延前の鋼材の水冷を行うことなく仕上げ圧延で鋼材を加工発熱させることが推奨される。

前記鋼材としては、Ｃ：０．３７〜０．５４％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．７〜２．３０％、Ｍｎ：０．１〜１．３０％、Ｃｒ：０．１５〜１．１％、Ｃｕ：０．１５〜０．６％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物であるものが使用できる。この鋼材は、さらにＮｉ：０．７％以下（０％を含まない）、Ｖ：０．４％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）、Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）などを単独で又は適宜組み合わせて含有してもよい。鋼材中のＰが０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｓが０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｎが０．００７０％以下（０％を含まない）、Ｏが０．００１５％以下（０％を含まない）になっているのが望ましい。

前記鋼材の下記式（１）（Ｂが含まれない場合）、又は下記式（２）（Ｂが含まれる場合）で示される理想臨界直径ＤＣＩは、例えば、７５〜１３５ｍｍである。
ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
（３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
（１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
（１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
（１＋３［Ｍｏ］） …（１）
〔上記式中、［ ］は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。〕
ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
（３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
（１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
（１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
（１＋３［Ｍｏ］）×
（６．８４９０１７−４６．７８６４７［Ｃ］
＋１９６．６６３５［Ｃ］²−４７１．３９７８［Ｃ］³
＋５８７．８５０４［Ｃ］⁴−２９５．０４１０［Ｃ］⁵） …（２）
〔上記式中、［ ］は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。〕

本発明には、前記製造方法により製造され、フェライト脱炭層深さが０．０１ｍｍ以下であり、全脱炭層深さが０．２０ｍｍ以下であり、破断絞りが２５％以上であるばね用線材も含まれる。

なお本明細書では、鋼材の平衡状態図でＣ＝０質量％のときのＡ₁変態点、Ａ₃変態点、及びＡ₄変態点をそれぞれＡ_1(C=0)変態点、Ａ_3(C=0)変態点、Ａ_4(C=0)変態点と称する。
平衡状態図は、例えば、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃ（ＢＣＣ−Ａ２、ＦＣＣ−Ａ１、ＬＩＱＵＩＤ、ＣＥＭＥＮＴＩＴＥの４つの相を選択）を利用して作図できる。

本発明によれば、鋼材表面において発生し得るＣ＝０質量％の状態を想定して圧延条件を設定しているため、フェライト脱炭をより高度に抑制でき、且つ加工性も改善できる。

本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、製造条件を適正に制御することによって、フェライト脱炭を防止し、且つ加工性に優れたばね用線材を製造できることを見出した。以下では、まず本発明の製造条件について説明し、その後に鋼の化学成分組成について説明する。

本発明では、Ｃ＝０質量％の状態を想定して圧延条件を設定している点に最大の特徴がある。Ｃ＝０質量％の状態であってもフェライト脱炭しにくい条件で圧延することによって、鋼材表面の脱炭をより高度に防止できる。
より詳細に説明すると、圧延中、全成分量から計算したＡ₃変態点以上の温度に鋼材を保持して、相変態による鋼中の炭素拡散を防止しても、鋼材表面の炭素濃度は徐々に低下していく。そして亜共析鋼では、Ｃ量が減少すると、Ａ₃変態点が上昇する。一方、圧延温度（鋼材温度）は、特に粗圧延及び中間圧延段階で徐々に低下していく。そして徐々に低下していく圧延温度が、徐々に上昇していく鋼表面のＡ₃変態点以下になると、鋼表面では相変態が生じ、炭素拡散によるフェライト脱炭が急速に進行する。そこで本発明では、このようなフェライト脱炭が進行するような場合でも、最終的に得られる線材にフェライト脱炭層を残さないように、製造条件を改善した。

すなわち本発明の製造方法では、前記粗圧延や中間圧延の後で行う最終圧延（仕上げ圧延）において、鋼材の最高到達温度をＡ_3(C=0)変態点以上（好ましくはＡ_3(C=0)変態点＋５０℃以上、さらに好ましくはＡ_3(C=0)変態点＋７０℃以上）、Ａ_4(C=0)変態点以下（好ましくはＡ_4(C=0)変態点−５０℃以下、さらに好ましくはＡ_4(C=0)変態点−１００℃以下）にした。仕上げ圧延でＡ_3(C=0)変態点以上に加熱すると、その前に（例えば、粗圧延後の中間圧延段階で）Ａ_3(C=0)変態点以下になってフェライト脱炭が生じていても、Ｃの逆拡散によってフェライト脱炭層を消失させることができる。なお最高到達温度の上限をＡ_4(C=0)変態点以下にしたのは、この温度を超えると鋼表面にδフェライトが生成するため、逆にフェライト脱炭が進行してしまうためである。またＡ_4(C=0)変態点以上になると、極めて高温になるため、トータル脱炭（全脱炭）も進行してしまうためである。

ところで特許文献１には、「フェライト脱炭は、二相域温度でオーステナイト組織にフェライト変態が起こるために発生する」こと、そこで「熱間圧延中に鋼材をＡ₃変態点以上に保持することで、二相域温度を避けて、フェライト脱炭を生じさせない」ようにすることが開示されている。しかし特許文献１は、一旦、Ａ₃変態点以下に下がることで生じるフェライト脱炭層を消失させる点、及び炭素濃度が０質量％になり得る鋼材表面の変態点をいかに製造条件に反映させるかについては開示も示唆もしていない。

仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度を具体的に示すと、例えば、１０５０℃以上（好ましくは１１００℃以上）、１２００℃以下（好ましくは１１５０℃以下）である。この温度は、通常の仕上げ圧延温度に比べて高い。
仕上げ圧延温度を前記範囲にするための方法は特に限定されないが、仕上げ圧延前に通常行っている水冷を省略（水冷を弱くすることを含む）し、仕上げ圧延時の加工発熱を利用して、鋼材温度を高めればよい。

仕上げ圧延直前の圧延温度（例えば中間圧延の最終温度）は特に限定されず、上述したように、Ａ_3(C=0)変態点以下（好ましくはＡ_3(C=0)変態点−５０℃以下、さらに好ましくはＡ_3(C=0)変態点−１００℃以下。または１０００℃以下、好ましくは９５０℃以下、さらに好ましくは９３０℃以下）であってもよい。Ａ_3(C=0)変態点以下になって鋼材表面でフェライト脱炭が進行しても、仕上げ圧延でこのフェライト脱炭を消失させることができる。仕上げ圧延前の圧延温度は、通常、８５０℃以上、好ましくは８６０℃以上、さらに好ましくは８７０℃以上である。

また本発明の製造方法において、熱間圧延前後の条件（加熱条件、コイリング後の冷却条件）は、以下の通りである。
熱間圧延前の鋼材の加熱温度は、９００℃以上（好ましくは１０００℃以上、より好ましくは１１００℃以上）、Ａ_4(C=0)変態点以下（好ましくは１２５０℃以下、より好ましくは１２００℃以下）である。前記加熱温度は、Ａ_3(C=0)変態点以上であることが特に好ましい。加熱温度が低すぎると、熱間圧延の生産性が低下する。またフェライト−オーステナイト域での滞留時間が長くなる。一方、加熱温度がＡ_4(C=0)変態点を超えると、δ−フェライト変態することに帰因するフェライト脱炭、及び高温加熱に帰因する全脱炭が進行する。

熱間圧延後（仕上げ圧延後）の条件で重要なのは、コイリング後の冷却条件である。仕上げ圧延した線材は、コイリングした後、冷却床で冷却しており、この冷却条件が脱炭層深さと線材の加工性に大きな影響を及ぼす。
冷却開始温度は、冷却床へのコイル（リング状線材）の載置温度として設定できる。この載置温度は、Ａ_1(C=0)変態点以上（好ましくはＡ_1(C=0)変態点＋５℃以上、さらに好ましくはＡ_1(C=0)変態点＋１０℃以上。または９００℃以上、好ましくは９２０℃以上、より好ましくは９２５℃以上）、Ａ_1(C=0)変態点＋５０℃以下（好ましくはＡ_1(C=0)変態点＋４５℃以下、より好ましくはＡ_1(C=0)変態点＋４０℃以下。または９８０℃以下、好ましくは９７５℃以下、より好ましくは９７０℃以下）である。載置温度が低すぎるとフェイライト単相域での滞留時間が長くなってフェライト脱炭や全脱炭が生じやすくなる。逆に載置温度が高すぎると、オーステナイト結晶粒が粗大化し（オーステナイト結晶粒度番号が例えば８．０未満になり）、ＣＣＴ線図においてパーライトノーズが後退する。その結果、載置後の冷却で、過冷組織（ベイナイトやマルテンサイト）が発生しやすくなり、線材の加工性が劣化する。さらには結晶粒が粗大化すると、パーライト変態の核となる結晶粒界（粒界三重点）が少なくなってパーライト変態開始温度が低下するため、フェライトが増えやすくなり、フェライト脱炭の制御が難しくなることもある。

冷却床では、線材コイルの密部（冷却コンベアの幅方向両端）と線材コイルの疎部（冷却コンベアの幅方向中央）に分けて冷却速度を制御することが重要である。コイルの密部は、疎部に比べて冷却速度が遅くなり易く、この冷却速度が過度に遅くなると脱炭（特にフェライト脱炭）が生じる。従ってコイル密部の冷却速度は、１．０℃／秒以上、好ましくは１．３℃／秒以上、さらに好ましくは１．５℃／秒以上にする。一方、コイルの疎部は、密部に比べて冷却速度が速くなり易く、この冷却速度が過度に速くなると過冷組織が生じ易くなる。従って疎部の冷却速度は、８℃／秒以下、好ましくは７℃／秒以下にする。

前記冷却速度の管理は、ＣＣＴ曲線を考慮して行うのが適切である。本発明では、冷却床に載置した段階での鋼材のオーステナイト粒度番号を８．０〜１１程度にするのが好ましいため、この粒度番号に対応するＣＣＴ曲線を考慮して冷却速度を管理する。すなわち本発明では、前記ＣＣＴ曲線において、フェライトが析出する温度範囲（例えば、フェライト析出開始温度（Ｆs）からパーライト析出開始温度（Ｐｓ）までの間）の冷却速度が上述した範囲になるように冷却速度をコントロールする。またオーステナイト粒度番号８．０〜１１のいずれのＣＣＴ曲線で評価しても、冷却速度が上述した範囲になるように冷却速度をコントロールする。

冷却速度を管理する温度範囲は、具体的な数値範囲で設定してもよく、この管理温度範囲は、例えば、７５０〜６００℃である。
コイル密部及び疎部の冷却速度は、例えば、それぞれの場所に当たる風量を調節することによって別々に制御できる。

なお仕上げ圧延後、コイリングまでの条件は、コイリング後の線材をそのまま所定の載置温度で冷却床に供給可能なように設計される。通常は、仕上げ圧延後、水冷又は風冷（好ましくは水冷）によって所定の載置温度まで急冷してからコイリングする。急冷によって、冷却床での冷却開始までにフェライト脱炭が開始するのを防止することもできる。

前記製造方法によれば、フェライト脱炭をより高度に抑制することができ、且つ加工性も改善できる。従ってＳｉ量が高く、且つＣ量が低いようなフェライト脱炭し易い鋼材であっても、フェライト脱炭を防止できる。
前記製造方法によってフェライト脱炭を防止しつつ、加工性を改善できる鋼材の成分は以下の通りである。
Ｃ ：０．３７〜０．５４％、
Ｓｉ：１．７〜２．３０％、
Ｍｎ：０．１〜１．３０％、
Ｃｒ：０．１５〜１．１％、
Ｃｕ：０．１５〜０．６％、
Ｔｉ：０．０１０〜０．１％、
Ａｌ：０．００３〜０．０５％、
残部：鉄及び不可避不純物
以下、成分の限定理由について詳細に説明する。

Ｃ：０．３７〜０．５４％
Ｃ量が過剰であると、焼入性が増大しすぎて、圧延後の冷却過程で過冷組織が発生し、線材の加工性が劣化するため、Ｃ量は、０．５４％以下にする。しかも本発明の製造方法を採用することで、Ｃ量がさらに少なくなっても、フェライト脱炭を防止できる。またＣ量が少ないほど、加工性をより改善できる点で有利である。従って好ましいＣ量は、０．４８％以下、特に０．４２％以下である。一方、Ｃが過度に少なくなると、フェライト析出領域が増大し、フェライト脱炭の防止が難しくなる。さらに焼入れ焼戻し後の強度（硬さ）が低下する。そこでＣ量を、０．３７％以上（好ましくは０．３８％以上）と定めた。

Ｓｉ：１．７〜２．３０％
Ｓｉは、固溶強化元素として強度向上（例えば、マトリックス強度向上）に寄与し、耐力も向上させるため、Ｓｉ量は、１．７％以上にする。しかも本発明の製造方法を採用することで、Ｓｉをさらに増量してもフェライト脱炭を防止できる。従って本発明ではＳｉ量の下限を高く設定することが可能であり、例えば、１．７５％以上に設定することも可能であり、特にＳｉ量が１．９％以上（例えば、２．０％以上）であってもフェライト脱炭を防止できる点は本発明の利点である。しかし、Ｓｉ量が過剰であると、フェライト析出領域が増大し、フェライト脱炭の防止が難しくなる。そこでＳｉ量を、２．３０％以下に定めた。前記Ｓｉ量は、好ましくは２．１％以下、より好ましくは１．９％以下にしてもよい。

Ｍｎ：０．１〜１．３０％
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させ、焼入れ焼戻し後の硬さを確保するために有効な元素である。Ｍｎ量が少なすぎると、ばね用線材に求められる焼入性を達成することが困難である。逆にＭｎ量が過剰であると、圧延後の冷却で過冷組織が発生して、線材の加工性が劣化する。そこでＭｎ量を、０．１％以上（好ましくは０．１２％以上、より好ましくは０．２％以上）、１．３０％以下（好ましくは１．０％以下、より好ましくは０．９％以下、さらに好ましくは０．８％以下）に定めた。

Ｃｒ：０．１５〜１．１％
Ｃｒは、固溶強化により鋼材のマトリックスを強化し、また焼入性を向上させる元素である。Ｃｒ量が少なすぎると、ばね用線材に求められる焼入性を達成することが困難である。逆にＣｒ量が過剰であると、線材の加工性が劣化する。そこでＣｒ量を、０．１５％以上（好ましくは０．２％以上、より好ましくは０．５％以上、特に１．０％以上）、１．１％以下（好ましくは１．０５％以下）とした。

Ｃｕ：０．１５〜０．６％
Ｃｕは、鋼材の耐食性を高める作用を有し、また熱間圧延時やばね加工での熱処理時におけるフェライト脱炭を抑制する元素である。しかしＣｕ量が過剰になると、熱間割れが生じ得る。そこでＣｕ量を、０．１５％以上（好ましくは０．２０％以上）、０．６％以下（好ましくは０．５％以下）と定めた。

Ｔｉ：０．０１０〜０．１％
Ｔｉは、焼入れ焼戻し後の旧オーステナイト結晶粒を微細化し、大気耐久性及び耐水素脆性の向上に有効な元素である。またＴｉは、Ｔｉ炭化物を形成して、載置時にオーステナイト結晶粒の粗大化を防止して、載置後の冷却で過冷組織が発生するのを防ぐためにも有効である。しかしＴｉ量が過剰であると、粗大なＴｉ窒化物が析出し、加工性が劣化する。そこでＴｉ量を、０．０１０％以上（好ましくは０．０２０％以上）、０．１％以下（好ましくは０．０９％以下）と定めた。

Ａｌ：０．００３〜０．０５％
Ａｌは、溶鋼処理時の脱酸剤として作用する元素である。またＡｌは、微細なＡｌ窒化物を形成し、そのピニング効果によって結晶粒を微細化する作用を有する。しかしＡｌ量が過剰であると、粗大なＡｌ酸化物を形成し、疲労特性等に悪影響を及ぼす。そこでＡｌ量を、０．００３％以上（好ましくは０．００５％以上）、０．０５％以下（好ましくは０．０３％以下）と定めた。

本発明で用いる鋼材（及びそれにより得られるばね用線材）の基本成分組成は、上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し鉄原料（スクラップを含む）、副原料などの資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる不可避不純物が鋼材（線材）中に含まれることは、当然に許容される。この不可避不純物を厳密に制御してもよく、例えば、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｎなどを以下の範囲に制御してもよい。

Ｐ：０．０２０％以下（０％を含まない）
Ｐは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させる元素である。そこでＰ量は、できるだけ低いほど好ましく、例えば、０．０２０％以下（好ましくは０．０１０％以下）に制御してもよい。

Ｓ：０．０２０％以下（０％を含まない）
Ｓは、旧オーステナイト粒界に偏析して粒界を脆化させ、疲労特性を低下させる元素である。そこでＳ量は、できるだけ低いほど好ましく、例えば、０．０２０％以下（好ましくは０．０１０％以下）に制御してもよい。

Ｎ：０．００７０％以下（０％を含まない）
Ｎ量が多くなるほど、ＴｉやＡｌと粗大な窒化物を形成し、疲労特性等に悪影響を及ぼす。そこでＮ量はできるだけ少ないほど好ましく、例えば、０．００７０％（好ましくは０．００５％）に制御してもよい。一方、Ｎ量を低減しすぎると生産性が著しく低下する。またＮはＴｉやＡｌと共に窒化物を形成して結晶粒の微細化に貢献する。この観点からすればＮ量を、０．００１％以上（好ましくは０．００２％以上）に設定することが望ましい。

Ｏ：０．００１５％以下（０％を含まない）
Ｏ量が過剰になると、粗大な酸化物系介在物（Ａｌ₂Ｏ₃など）が形成され、疲労特性等に悪影響を及ぼす。そこでＯ量の上限を、０．００１５％以下（好ましくは０．００１０％以下）と定めた。一方、Ｏ量の下限は、工業生産上、一般に０．０００２％以上（好ましくは０．０００４％以上）である。

さらに本発明の鋼材は、必要に応じて、以下の選択元素を含有していても良い。
Ｎｉ：０．７％以下（０％を含まない）
Ｎｉは、圧延前及び圧延中のフェライト脱炭を抑制する作用を有し、さらに焼入れ焼戻し後のばね素材の靱性を高める作用を有する元素である。そこで必要に応じてＮｉを、好ましくは０．１５％以上（より好ましくは０．２％以上）の量で含有させることが推奨される。しかしＮｉ量が過剰であると、焼入れ焼戻しによって、残留オーステナイト量が増大し、引張強さが低下する。そこで含有させる場合のＮｉ量を、０．７％以下（好ましくは０．６５％以下、より好ましくは０．６％以下）と定めた。

Ｖ：０．４％以下（０％を含まない）及び／又はＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）
Ｖ及びＮｂは、微細な化合物（Ｖ炭化物、窒化物やこれらの複合化合物、Ｎｂ炭化物、窒化物、硫化物やこれらの複合化合物）を形成して、耐水素脆性及び疲労特性を向上させる作用を有し、さらに結晶粒微細化効果を発揮して、靱性や耐力を高める作用も有する元素である。またＶは、耐へたり性の向上にも寄与する。そこで必要に応じてＶを、好ましくは０．０７％以上（より好ましくは０．１０％以上）の量で、Ｎｂを、好ましくは０．０１％以上（より好ましくは０．０２％以上）の量で含有させることが推奨される。

しかしＶ及びＮｂ量が過剰であると、焼入れの加熱時にオーステナイト中に固溶されない炭化物の量が増大し、充分な強度が得られなくなる。この弊害に加えて、Ｖ量が過剰であると、残留オーステナイト量が増大することでばね硬さが低下し、また熱間圧延中のフェライト脱炭が助長される。またＮｂ量が過剰であると、粗大なＮｂ窒化物を形成して、疲労折損が生じ易くなる。そこで含有させる場合のＶ量を、０．４％以下（好ましくは０．３％以下）と、Ｎｂ量を、０．１％以下（好ましくは０．０５％以下）と定めた。

Ｍｏ：０．３％以下（０％を含まない）
Ｍｏは、焼入性を確保すると共に、軟化抵抗を向上させて、耐へたり性を向上させるために有効な元素である。そこでＭｏを、好ましくは０．０１％以上（より好ましくは０．０２％以上）の量で含有させることが推奨される。しかしＭｏ量が過剰になると、熱間圧延後の冷却時に過冷組織が発生して加工性や延性が劣化する。そこで含有させる場合のＭｏ量を、０．３％以下（好ましくは０．２％以下）と定めた。

Ｂ：０．００５％以下（０％を含まない）
Ｂは、Ｐの粒界偏析を防止して粒界を清浄化し、耐水素脆性や靱延性を向上させるために有効な元素である。また少量のＢを添加するだけで、多量の合金元素を添加しなくとも焼入性を増大させることができるので、圧延後の徐冷中に生じる線材表層のフェライト析出を抑えると共に、ばね製造時の焼入時の硬さを深くまで確保できる。そこで必要に応じてＢを、好ましくは０．０００３％以上（より好ましくは０．０００５％以上）の量で含有させることが推奨される。しかしＢ量が過剰になると、Ｆｅ₂₃（ＣＢ）₆等のＢ化合物が形成されて、フリーのＢが減少するため、Ｐの粒界偏析を防止する効果が飽和する。さらにこのＢ化合物は粗大であることが多いため、疲労折損の起点となって疲労特性が低下し得る。そこで含有させる場合のＢ量を、０．００５％以下（好ましくは０．００４％以下）と定めた。

本発明の方法で用いる鋼材（及び本発明のばね用線材）では、理想臨界直径ＤＣＩを、例えば、７５〜１３５ｍｍ、好ましくは８０〜１２０ｍｍ、さらに好ましくは８５〜１１０ｍｍにしてもよい。ＤＣＩを７５ｍｍ以上にしておけば、ばね強度を確保するのが容易になる。またＤＣＩを１３５ｍｍ以下にすることで、加工性を確保するのが容易になる。

鋼材（線材）にＢが含まれない場合、ＤＣＩは下記式（１）で計算される〔下記式中、［ ］は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。〕。
ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
（３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
（１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
（１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
（１＋３［Ｍｏ］） …（１）

一方、鋼材にＢが含まれる場合、ＤＣＩを計算するには、ＡＳＴＭ Ａ ２５５−０２で定めるボロンファクターＢ．Ｆ．を、上記式（１）の右辺に追加（乗算）する必要がある。このＢ．Ｆ．は下記式（３）で表される。
Ｂ．Ｆ．＝（６．８４９０１７−４６．７８６４７［Ｃ］＋１９６．６６３５［Ｃ］²
−４７１．３９７８［Ｃ］³＋５８７．８５０４［Ｃ］⁴
−２９５．０４１０［Ｃ］⁵） …（３）

上記式（１）及び（３）から、鋼材にＢが含まれる場合のＤＣＩは、下記式（２）で計算される。
ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
（３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
（１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
（１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
（１＋３［Ｍｏ］）×
（６．８４９０１７−４６．７８６４７［Ｃ］
＋１９６．６６３５［Ｃ］²−４７１．３９７８［Ｃ］³
＋５８７．８５０４［Ｃ］⁴−２９５．０４１０［Ｃ］⁵） …（２）

上記鋼材を用いて本発明の方法に従ってばね用線材を製造すれば、脱炭を防止でき、かつ加工性を改善できる。より具体的には、本発明によれば、線材のフェライト脱炭層深さを、例えば、実質的に０ｍｍ（具体的には、０．０１ｍｍ以下、好ましくは０．００ｍｍ）にでき、全脱炭層深さを、例えば、０．２０ｍｍ以下（好ましくは０．１８ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１５ｍｍ以下）にでき、破断絞りを、例えば、２５％以上（好ましくは２８％以上、さらに好ましくは３０％以上）にできる。なお引張強さは、例えば、１０００ＭＰａ以上（好ましくは１１００〜１５００ＭＰａ程度、さらに好ましくは１２００〜１４００ＭＰａ程度）である。

本発明のばね用線材は、フェライト脱炭が防止されているにも拘わらず加工性にも優れているため、圧延ままでも太径からの引き抜き加工に用いることができる。本発明のばね用線材の線径は、例えば、５〜２５ｍｍ（好ましくは７〜２３ｍｍ、さらに好ましくは１０〜２０ｍｍ）である。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例によって制限を受けるものではなく、上記・下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。

実験例
表１に示す化学成分組成の鋼（鋼種Ａ〜Ｍ）を８０トンの転炉にて溶製し、連続鋳造で４００ｍｍ角のブルームを作成し、さらに分塊圧延して１５５ｍｍ角のビレットにした。このビレットを加熱した後、熱間圧延し、載置温度近くまで水冷した後、コイリングし、ステルモア冷却設備の冷却床（コンベア）に載置し、コイル密部とコイル疎部に供給する風量を調節しながら衝風冷却することによって、直径１４．３ｍｍのばね用線材を２トン作製した。詳細な製造条件は、表２に示した通りである。また表２中、冷却速度は、温度７５０℃〜６００℃の間の速度である。

得られた線材の引張強さ、破断絞り、脱炭層深さを以下のようにして調べた。また線材の冷却開始前のオーステナイト結晶粒度番号を調べるため、以下の試験を実施した。

（１）引張試験（引張強さ、破断絞り）
線材コイルのトップ部（圧延始め）及びボトム部（圧延終わり）からそれぞれ５巻き目を寸断した。トップ側及びボトム側の１巻きをそれぞれ８等分に分割し、合計１６本の線材片を作製した。ローラ矯正で線材片を直線形状にした後、各線材片からＪＩＳ Ｚ ２２０１の２号試験片（チャック間距離２００ｍｍ）を作製して、引張試験を行い、引張強さ及び破断絞りを測定した。１６本の試験片の中で、引張強さの最大値及び破断絞りの最小値を、当該線材の引張強さ及び破断絞りとした。引張強さが高く、破断絞りが小さい例（特に２５％未満である場合）は、過冷組織の影響が出ていると判断し、不合格とした。

（２）脱炭層深さ
前記トップ側及びボトム側から得られた１６本の線材片において、引張試験片を採取した近傍から１０ｍｍ程度切断してサンプルを取得した。このサンプルを、切断面（横断面）が表面に出るようにしながら樹脂に埋込み、エメリー紙及びダイヤモンド粒子を用いて湿式研磨し、次いでピクラール液でエッチングして、合計１６個の脱炭層深さ測定用試験片を作製した。これら試験片を光学顕微鏡にて観察倍率２００倍で観察し、表層の全脱炭層深さ及びフェライト脱炭層深さを測定した。この測定法は、ＪＩＳ Ｇ ０５５８の顕微鏡による測定法に従った。１６個のサンプルの中で、全脱炭層深さ及びフェライト脱炭層深さの最大値を、本発明における「全脱炭層深さ」及び「フェライト脱炭層深さ」とした。

（３）オーステナイト結晶粒度番号
上記実験例と同様にして、鋼の溶製から線材のコイリングまでを実施した。この線材コイルを表２に示す冷却条件ではなく、強風冷にて約２０℃／秒の冷却速度で温度２００℃まで冷却し、マルテンサイト組織を主体とした線材（即ち、表層０．１ｍｍの深さを光学顕微鏡にて観察倍率２００倍で観察した場合、組織の９５面積％以上がマルテンサイト組織である線材）を２トン作製した。このコイルのトップ部及びボトム部からそれぞれ５巻き目を寸断し、トップ側及びボトム側の１巻きをそれぞれ８等分に分割し、合計１６本の線材片を作製した。各線材片から２０ｍｍ程度の長さのサンプルを湿式切断し、これを５５０℃×２時間焼鈍した。このサンプルを、切断面（横断面）が表面に出るようにしながら樹脂に埋込み、エメリー紙及びダイヤモンド粒子を用いて湿式研磨し、次いでピクラール液でエッチングして、合計１６個のオーステナイト結晶粒度番号の測定用試験片を作製した。これら試験片を光学顕微鏡で観察し、表層から０．１ｍｍの深さの位置におけるオーステナイト結晶粒度番号を測定した。この測定法は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１の結晶粒度の顕微鏡試験方法に従った。１６個のサンプルの中でオーステナイト結晶粒度番号の最小値を採用した。

測定結果を表２に示す。また表２には、化学成分組成（但しＣ＝０％）からＴｈｅｒｍｏ−Ｃａｌｃで計算したＡ₁変態点、Ａ₃変態点、及びＡ₄変態点（すなわちＡ_1(C=0)変態点、Ａ_3(C=0)変態点、Ａ_4(C=0)変態点）も記載した。なお鋼種Ｋでは、Ｃ＝０％付近でＡ₃及びＡ₄線が結合してしまい、Ａ_3(C=0)変態点及びＡ_4(C=0)変態点が消失した。

本発明の要件を満たす線材Ａ−１、Ｂ−１、Ｃ−１、Ｄ−１、Ｅ−１、Ｆ−１、Ｇ−１及びＨ−１は、フェライト脱炭層深さが０．００ｍｍであり、且つ破断絞りの値が２５％以上である。

一方、加熱温度が高い線材Ａ−３、Ｅ−２及びＨ−３、仕上げ圧延中の最高到達温度が低い線材Ａ−２、Ｃ−３、Ｇ−３、Ｈ−２及びＭ−１、仕上げ圧延中の最高到達温度が高い線材Ｂ−２及びＦ−２、載置温度が低い線材Ｄ−２、Ｇ−２、コイル密部の冷却速度が小さい線材Ｂ−３及びＥ−３、並びにＣ又はＳｉ量が本発明の範囲外である線材Ｉ−１及びＫ−１は、フェライト脱炭が生じている。
なお、例えばＡ鋼のＡ₃変態点（Ｃ＝０．４２％）は、約８４０℃程度であり、Ａ−２の例では圧延中、常にこのＡ₃変態点以上に温度が保持されているといえる。しかしこのＡ−２の例では、フェライト脱炭が生じた。Ａ−１に示すように、仕上げ圧延中の最高到達温度をＡ_3(C=0)変態点以上にすることで、フェライト脱炭を防止できた。

また、載置温度が高い線材Ｃ−２、コイル疎部の冷却速度が大きい線材Ｄ−３及びＦ−３、並びに合金元素量が過剰である線材Ｊ−１、及びＬ−１は、破断絞りが２５％未満と低くなっている。

Claims (11)

1. Ｃ：０．３７〜０．５４％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．７〜２．３０％、Ｍｎ：０．１〜１．３０％、Ｃｒ：０．１５〜１．１％、Ｃｕ：０．１５〜０．６％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼材を熱間圧延し、コイリング後、冷却床で冷却するばね用線材の製造方法であって、
   前記鋼材の平衡状態図でＣ＝０質量％のときのＡ₁変態点、Ａ₃変態点、及びＡ₄変態点をそれぞれＡ_1(C=0)変態点、Ａ_3(C=0)変態点、Ａ_4(C=0)変態点と称したとき、
   熱間圧延前の鋼材の加熱温度を、９００℃以上Ａ_4(C=0)変態点以下にし、
   熱間圧延の仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度をＡ_3(C=0)変態点以上、Ａ_4(C=0)変態点以下にし、
   コイルの冷却床への載置温度をＡ_1(C=0)変態点以上、Ａ_1(C=0)変態点＋５０℃以下にし、
   オーステナイト粒の結晶粒度番号８．０〜１１に対応する連続冷却曲線でフェライトが析出する温度範囲を、コイル密部で１．０℃／秒以上、コイル疎部で８℃／秒以下の冷却速度で冷却することを特徴とするばね用線材の製造方法。
2. Ｃ：０．３７〜０．５４％（質量％の意味、以下同じ）、Ｓｉ：１．７〜２．３０％、Ｍｎ：０．１〜１．３０％、Ｃｒ：０．１５〜１．１％、Ｃｕ：０．１５〜０．６％、Ｔｉ：０．０１０〜０．１％、Ａｌ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなる鋼材を熱間圧延し、コイリング後、冷却床で冷却するばね用線材の製造方法であって、
   熱間圧延前の鋼材の加熱温度を、９００℃以上、１２５０℃以下にし、
   熱間圧延の仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度を１０５０℃以上、１２００℃以下にし、
   コイルの冷却床への載置温度を９００℃以上、９８０℃以下にし、
   温度７５０℃〜６００℃の温度域を、コイル密部で１．０℃／秒以上、コイル疎部で８℃／秒以下の冷却速度で冷却することを特徴とするばね用線材の製造方法。
3. 仕上げ圧延前の鋼材の水冷を行うことなく仕上げ圧延で鋼材を加工発熱させることによって、仕上げ圧延中の鋼材の最高到達温度を前記範囲に制御する請求項１又は２に記載のばね用線材の製造方法。
4. 前記鋼材が、さらにＮｉ：０．７％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
5. 前記鋼材が、さらにＶ：０．４％以下（０％を含まない）及び／又はＮｂ：０．１％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜４のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
6. 前記鋼材が、さらにＭｏ：０．３％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜５のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
7. 前記鋼材の下記式（１）で示される理想臨界直径ＤＣＩが、７５〜１３５ｍｍである請求項１〜６のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
   ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
   （３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
   （１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
   （１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
   （１＋３［Ｍｏ］） …（１）
   〔上記式中、［ ］は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。〕
8. 前記鋼材が、さらにＢ：０．００５％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項１〜６のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
9. 前記鋼材の下記式（２）で示される理想臨界直径ＤＣＩが、７５〜１３５ｍｍである請求項８に記載のばね用線材の製造方法。
   ＤＣＩ（ｍｍ）＝２５．４×（０．１７１＋０．００１［Ｃ］＋０．２６５［Ｃ］²）×
   （３．３３３３［Ｍｎ］＋１）×（１＋０．７［Ｓｉ］）×
   （１＋０．３６３［Ｎｉ］）×（１＋２．１６［Ｃｒ］）×
   （１＋０．３６５［Ｃｕ］）×（１＋１．７３［Ｖ］）×
   （１＋３［Ｍｏ］）×
   （６．８４９０１７−４６．７８６４７［Ｃ］
   ＋１９６．６６３５［Ｃ］²−４７１．３９７８［Ｃ］³
   ＋５８７．８５０４［Ｃ］⁴−２９５．０４１０［Ｃ］⁵） …（２）
   〔上記式中、［ ］は鋼材中の各元素の含有量（質量％）を表す。〕
10. 前記鋼材中のＰが０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｓが０．０２０％以下（０％を含まない）、Ｎが０．００７０％以下（０％を含まない）、Ｏが０．００１５％以下（０％を含まない）である請求項１〜９のいずれかに記載のばね用線材の製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の製造方法により製造され、フェライト脱炭層深さが０．０１ｍｍ以下であり、全脱炭層深さが０．２０ｍｍ以下であり、破断絞りが２５％以上であることを特徴とするばね用線材。