JP2021025111A

JP2021025111A - ばね用鋼

Info

Publication number: JP2021025111A
Application number: JP2019146113A
Authority: JP
Inventors: 祐樹濱田; Yuki Hamada; 知洋安東; Tomohiro Ando; 井上　圭介; Keisuke Inoue; 圭介井上
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-02-22
Anticipated expiration: 2039-08-08
Also published as: JP7434748B2

Abstract

【課題】高い強度を有し、製造性にも優れたばね用鋼を提供する。【解決手段】質量％で、０．４５％≦Ｃ≦０．６０％、１．８％≦Ｓｉ≦２．８％、０．２％≦Ｍｎ≦０．８％、０．０５％≦Ｃｕ≦１．０％、１．０１％≦Ｎｉ≦２．５％、０．７５％≦Ｃｒ≦２．５％、０．００７％≦Ａｌ≦０．１％、０．００１％≦Ｎ≦０．０１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｐ＜０．０２％、Ｓ＜０．０２％、Ｏ＜０．００２％であるばね用鋼とする。【選択図】なし

Description

本発明は、ばね用鋼に関し、さらに詳しく車両等に適用可能なばねを構成するばね用鋼に関する。

車両の懸架ばねに代表される種々のばねにおいて、軽量化が望まれている。所望されるばね特性を維持しながら、ばねの軽量化を達成するためには、ばねを構成するばね用鋼の強度を高めることが重要となる。例えば、特許文献１，２において、ばね用鋼の引張強度の向上が図られている。

特開平４−２４７８２４号公報特開２００６−２９１２９１号公報

ばね用鋼の高強度化は、Ｖ等の元素の添加による結晶粒微細化、Ｃ含有量の増大等による焼戻し硬さの向上、合金元素の添加、ショットピーニング処理等による圧縮残留応力の付与等の手段により、実現することができる。しかし、ばね用鋼を高強度化すると、延靱性が低下し、ばね用鋼の製造性が低くなってしまう傾向がある。よって、上記のような手段により、ばね用鋼を高強度化できるとしても、製造性の確保等の制約から、引張強度にして２０００ＭＰａ程度までしか、高強度化が行われてこなかった。製造性を確保しながら、さらに高い引張強度を示すばね用鋼の開発が望まれている。

本発明が解決しようとする課題は、高い強度を有し、製造性にも優れたばね用鋼を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかるばね用鋼は、質量％で、０．４５％≦Ｃ≦０．６０％、１．８％≦Ｓｉ≦２．８％、０．２％≦Ｍｎ≦０．８％、０．０５％≦Ｃｕ≦１．０％、１．０１％≦Ｎｉ≦２．５％、０．７５％≦Ｃｒ≦２．５％、０．００７％≦Ａｌ≦０．１％、０．００１％≦Ｎ≦０．０１０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、Ｐ＜０．０２％、Ｓ＜０．０２％、Ｏ＜０．００２％である。

ここで、焼入れ・焼戻しを経た際の引張強度が、２１００ＭＰａ以上であるとよい。

また、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が、９番以上であるとよい。

前記ばね用鋼は、さらに、質量％または質量ｐｐｍで、０．０１％≦Ｍｏ≦１．０％、０．０５％≦Ｖ≦０．５％、０．０１％≦Ｔｉ≦０．１％、０．０１％≦Ｎｂ≦０．１％、５ｐｐｍ≦Ｂ≦３０ｐｐｍから選択される１種または２種以上を含有するとよい。

下記の式（１）によって求められるＰ１が、Ｐ１≧０であるとよい。
Ｐ１＝１．９７−３．１６Ｃ＋１．４０Ｓｉ−１．５９Ｍｎ−１．３５Ｃｕ−０．６２Ｎｉ−０．４９Ｃｒ（１）
ただし、式（１）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

下記の式（２）によって求められるＰ２が、Ｐ２≧０であるとよい。
Ｐ２＝１．１Ｎｉ−２．０Ｃ（２）
ただし、式（２）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

下記の式（３）によって求められるＰ３が、Ｐ３≧１５．２であるとよい。
Ｐ３＝１８．３Ｃ＋１．７Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．２Ｃｕ＋１．１Ｎｉ＋１．４Ｃｒ（３）
ただし、式（３）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。

上記発明にかかるばね用鋼は、上記成分組成を有することにより、高い強度を有するとともに、製造性に優れる。

ここで、焼入れ・焼戻しを経た際の引張強度が、２１００ＭＰａ以上である場合には、高いばね特性を与えるのに十分な強度を有するばね用鋼となる。

また、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が、９番以上である場合には、ばね用鋼における結晶粒が十分に微細となり、高い引張強度と製造性を両立しやすくなる。

ばね用鋼が、さらに、上記所定量のＭｏ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｂから選択される１種または２種以上を含有する場合には、ばね用鋼の製造性を確保しながら、さらにばね用鋼の強度を高めやすくなる。

上記式（１）によって求められるＰ１が、Ｐ１≧０である場合には、ばね用鋼において、ベイナイトの生成を効果的に抑えることができる。

上記の式（２）によって求められるＰ２が、Ｐ２≧０である場合には、ばね用鋼の延靱性を確保し、伸線加工時の破断を効果的に抑制することができる。

上記の式（３）によって求められるＰ３が、Ｐ３≧１５．２である場合には、ばね用鋼において、２１００ＭＰａ以上の引張強度を確保しやすい。

以下、本発明の一実施形態にかかるばね用鋼について、詳細に説明する。本実施形態にかかるばね用鋼は、自動車用懸架ばねをはじめとして、種々の分野に利用可能なばねを構成するのに用いられる材料であり（熱間巻き用および冷間巻き用の両方を含む）、以下のような成分組成を有する。

＜ばね用鋼の成分組成＞
本実施形態にかかるばね用鋼は、所定量のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを必須元素として含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。また、Ｐ，Ｓ，Ｏが所定の含有量以下に制限されている。各成分元素の含有量とその限定理由を以下に説明する。以下、各成分元素の含有量の単位は、質量％または質量ｐｐｍである。各物性については、特記しないかぎり、大気中、室温にて計測される値とする。

（１）０．４５％≦Ｃ≦０．６０％
Ｃの含有量は、ばね用鋼の焼戻し硬さに大きく影響する。Ｃの含有量が多いほど、焼戻し硬さが高くなり、その結果として、焼入れ・焼戻し後のばね用鋼の強度を高めることができる。Ｃの含有量を０．４５％以上とすることで、ばね用鋼に要求される２１００ＭＰａ以上の引張強度を、得やすくなる。さらなる焼戻し硬さおよび強度の向上の観点から、Ｃの含有量は、０．４７％以上であれば、さらに好ましい。

一方、Ｃの含有量を多くしすぎると、ばね用鋼の靱性が低下してしまうとともに、耐食性も低くなる。そこで、Ｃの含有量は、０．６０％以下に抑えられる。靱性および耐食性の確保の観点から、Ｃの含有量は、０．５８％以下であると、さらに好ましい。

（２）１．８％≦Ｓｉ≦２．８％
Ｓｉは、ばね用鋼において、焼戻し硬さおよび耐水素脆性、耐へたり性を高めるのに寄与する。それらの効果を十分に得る観点から、Ｓｉの含有量は、１．８％以上とされる。

一方、Ｓｉの含有量が多くなりすぎると、ばね用鋼において、脱炭による加工性の悪化を招きやすくなる。そこで、加工性を確保する観点から、Ｓｉの含有量は、２．８％以下とされる。さらに好ましくは、Ｓｉの含有量は、２．７３％以下であるとよい。

（３）０．２％≦Ｍｎ≦０．８％
Ｍｎは、ばね用鋼の焼入れ性を高める元素である。さらに、Ｍｎは、有害元素となるＳと反応し、ＭｎＳを形成することにより、Ｓを無害化する役割を果たす。それらの効果を十分に得る観点から、Ｍｎの含有量は、０．２％以上とされる。

一方、ばね用鋼にＭｎを多量に含有させすぎると、被削性や加工性の低下、またベイナイトの生成による製造性の低下を招く。それらの現象、特にベイナイトの生成を抑制する観点から、Ｍｎの含有量は、０．８％以下とされる。さらに好ましくは、Ｍｎの含有量は、０．６％以下であるとよい。

（４）０．０５％≦Ｃｕ≦１．０％
Ｃｕは、ばね用鋼において、耐食性を向上させる効果を有する。その効果を十分に得る観点から、Ｃｕの含有量は、０．０５％以上とされる。

一方、Ｃｕの含有量を多くしすぎると、熱間加工時に、ばね用鋼に割れが発生しやすくなる。それを避ける観点から、Ｃｕの含有量は、１．０％以下とされる。

（５）１．０１％≦Ｎｉ≦２．５％
Ｎｉは、ばね用鋼の耐水素脆性を高める役割を果たす。また、Ｎｉを添加することで、ばね用鋼の延靱性を高めることができる。それらの効果を十分に得る観点から、Ｎｉの含有量は、１．０１％以上とされる。ばね用鋼において、強度を高めると、延靱性が低下する傾向があるが、Ｎｉを添加することで、引張強度の上昇に伴う延靱性の低下を補填することができる。従来一般のばね用鋼においては、材料コストの上昇を抑える観点から、Ｎｉは多量には添加されてこなかった。しかし、ばね用綱にＮｉを１．０１％以上添加することで、２１００ＭＰａ以上にまで引張強度を高めた際にも、十分な延靱性を担保し、伸線加工工程を含む実際の製造ラインで、ばね用鋼を製造するのに十分な製造性を確保することができる。延靱性をさらに高める観点から、ばね用鋼におけるＮｉの含有量は、１．０３％以上、１．０５％以上、また１．１％以上であると、さらに好ましい。

一方、Ｎｉを多量に含有させすぎても、ベイナイトが生成しやすくなり、ばね用鋼の製造性が、かえって低くなってしまう。そこで、ベイナイトの生成を抑える観点から、Ｎｉの含有量は、２．５％以下とされる。ベイナイト生成を一層抑制する観点から、Ｎｉの含有量は、２．２％以下であると、さらに好ましい。

（６）０．７５％≦Ｃｒ≦２．５％
Ｃｒは、焼戻し時に析出物を生成することで、ばね用鋼の焼戻し硬さを向上させ、その結果として、ばね用鋼の強度を向上させる元素となる。また、Ｃｒは、ばね用鋼の耐水素脆性を高める効果も有する。それらの効果を十分に得る観点から、Ｃｒの含有量は、０．７５％以上とされる。それにより、上記所定量以上のＣを含有することの効果と合わせて、ばね用鋼において、２１００ＭＰａ以上の引張強度を達成しやすくなる。強度向上および耐水素脆性向上の効果をさらに高める観点から、Ｃｒの含有量は、１．０％以上、さらには１．２１％以上であると、より好ましい。

一方、Ｃｒを多量に含有させすぎると、ばね用鋼において、腐食ピットの影響が大きくなりやすい。そこで、Ｃｒの含有量は、２．５％以下とされる。Ｃｒの含有量は、２．２％以下であると、さらに好ましい。

（７）０．００７％≦Ａｌ≦０．１％
Ａｌは、ばね用鋼において、脱酸剤として作用する。また、Ａｌは、結晶粒の微細化にも寄与する。結晶粒の微細化により、ばね用鋼の強度を向上させることができる。それらの効果を十分に得る観点から、Ａｌの含有量は、０．００７％以上とされる。Ａｌの含有量は０．００８％以上であると、さらに好ましい。

一方、Ａｌを多く含有させすぎると、Ａｌ_２Ｏ_３系介在物の生成によって、かえってばね用鋼の強度が低下してしまう。そこで、ばね用鋼の強度を確保する観点から、Ａｌの含有量は、０．１％以下とされる。

（８）０．００１％≦Ｎ≦０．０１０％
ばね用鋼にＮが含有されると、鋼中で炭窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化する効果を示す。結晶粒微細化、およびそれに伴う強度向上の効果を十分に得る観点から、Ｎの含有量は、０．００１％以上とされる。

一方、Ｎの含有量が多すぎると、窒化物の生成により、ばね用鋼の強度がかえって低下してしまう可能性がある。窒化物の生成を抑える観点から、Ｎの含有量は、０．０１％以下とされる。

本実施形態にかかるばね用鋼は、上記所定量のＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを含有し、残部は、Ｆｅと不可避的不純物よりなる。ここで、不可避的不純物としては、以下のような元素および上限量が想定される。

（９）Ｐ＜０．０２％
（１０）Ｓ＜０．０２％
ＰおよびＳは、原料等に起因して、ばね用鋼に不可避的に混入するものである。しかし、それぞれ０．０２％未満の量であれば、含有されても、粒界偏析による脆化等、ばね用鋼としての特性に顕著な影響を与えるものとはなりにくい。よって、ＰおよびＳの含有量は、それぞれ０．０２％未満に抑えられる。

（１１）Ｏ＜０．００２％
Ｏも、原料に由来して、また大気中からの溶解により、ばね用鋼に、不可避的に混入する。しかし、０．００２％未満であれば、含有されても、粗大酸化物形成による強度低下等、ばね用鋼としての特性に顕著な影響を与えるものとはなりにくい。よって、Ｏの含有量は、０．００２％未満に抑えられる。

鋼成分の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物であり、上記のＰ，Ｓ，Ｏ以外にも、原料や製造工程中から不可避的に混入する不純物が想定される。

本実施形態にかかるばね用鋼は、上述した必須元素に加えて、さらに、以下の元素から選択される１種または２種以上の元素を任意に含有していても良い。各元素の含有量および限定理由は、次のとおりである。

（１２）０．０１％≦Ｍｏ≦１．０％
Ｍｏは、ばね用鋼に含有されることで、焼入れ性および焼戻し硬さを向上させることができる。それらの効果を十分に得る観点から、Ｍｏの含有量は、０．０１％以上とされる。

一方、Ｍｏを多量に含有させすぎると、ばね用鋼の加工性や切削性が低くなってしまう。そこで、ばね用鋼の加工性および切削性を確保する観点から、Ｍｏの含有量は、１．０％以下とされる。

（１３）０．０５％≦Ｖ≦０．５％
Ｖは、ばね用鋼に含有されることで、結晶粒の微細化や、焼戻し硬さの向上に効果を有する。それらの効果を十分に得る観点から、Ｖの含有量は、０．０５％以上とされる。

一方、Ｖを多量に含有させすぎると、ばね用鋼の加工性や切削性が低くなってしまう。そこで、ばね用鋼の加工性および切削性を確保する観点から、Ｖの含有量は、０．５％以下とされる。Ｖの含有量は、０．３％以下であれば、さらに好ましい。

（１４）０．０１％≦Ｔｉ≦０．１％
（１５）０．０１％≦Ｎｂ≦０．１％
ＴｉやＮｂがばね用鋼に含有されると、鋼中で炭窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化するものとなる。結晶粒微細化、およびそれによる強度向上の効果を十分に得る観点から、ＴｉおよびＮｂの含有量は、それぞれ、０．０１％以上とされる。

一方、ＴｉやＮｂを多量に含有させすぎると、粗大な窒化物を生成することにより、ばね用鋼の強度がかえって低下してしまう。粗大な窒化物の生成を回避する観点から、ＴｉおよびＮｂの含有量は、それぞれ、０．１％以下とされる。

（１６）５ｐｐｍ≦Ｂ≦３０ｐｐｍ
Ｂは、ばね用鋼に含有されることで、ＰおよびＳが粒界に偏析することを防止し、ばね用鋼の疲労強度を向上させる役割を果たす。その効果を十分に得る観点から、Ｂの含有量は、５ｐｐｍ以上とされる。

一方、Ｂを多量に含有させすぎると、鋼中にＢの窒化物が生成し、ばね用鋼の靱性が低下してしまう。十分な靱性を確保する観点から、Ｂの含有量は、３０ｐｐｍ以下とされる。

本実施形態にかかるばね用鋼は、上記のように、必須元素であるＣ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎを、それぞれ所定量含有しているが、さらに、それらの含有量比より定まる以下の組成パラメータＰ１，Ｐ２，Ｐ３のいずれか少なくとも１つが、所定の数値範囲を満たしていることが好ましい。以下、組成パラメータＰ１，Ｐ２，Ｐ３の定義式において、各元素記号は、質量％を単位として、ばね用鋼における各元素の含有量を示すものとする。

（１７）Ｐ１≧０
パラメータＰ１は、以下の式（１）によって定義される。
Ｐ１＝１．９７−３．１６Ｃ＋１．４０Ｓｉ−１．５９Ｍｎ−１．３５Ｃｕ−０．６２Ｎｉ−０．４９Ｃｒ（１）

パラメータＰ１は、ばね用鋼におけるベイナイト生成の有無の指標となるものである。Ｐ１の値が大きいほど、ベイナイトが生成しにくい。圧延時にベイナイトが生成すると、鋼材の硬さが上昇し、伸線加工等における加工性が低下してしまう。Ｐ１≧０としておくことで、ベイナイトの生成を効果的に抑制することができる。なお、式（１）は、各元素の含有量を様々に異ならせて製造したばね用鋼において、圧延を行った後、断面の金属組織において、ベイナイトが生成されているか否かに基づいて、定めたものである。ベイナイトが生成している場合と生成していない場合を区画できる組成パラメータとして、重回帰により、パラメータＰ１を求めた。

（１８）Ｐ２≧０
パラメータＰ２は、以下の式（２）によって定義される。
Ｐ２＝１．１Ｎｉ−２．０Ｃ（２）

パラメータＰ２は、ばね用鋼における延靱性の指標となるものである。Ｐ２の値が大きいほど、延靱性が高くなりやすい。ばね用鋼が十分に高い延靱性を有していないと、伸線加工時に、破断が起こりやすくなる。Ｐ２≧０としておくことで、十分に高い延靱性を確保し、伸線時の破断を抑制することができる。なお、式（２）は、各元素の含有量を様々に異ならせて製造したばね用鋼において、圧延後の伸線加工時において、破断が起こったか否かに基づいて、定めたものである。破断が起こった場合と破断が起こっていない場合を区画できる組成パラメータとして、重回帰により、パラメータＰ２を求めた。

（１９）Ｐ３≧１５．２
パラメータＰ３は、以下の式（３）によって定義される。
Ｐ３＝１８．３Ｃ＋１．７Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．２Ｃｕ＋１．１Ｎｉ＋１．４Ｃｒ（３）

パラメータＰ３は、ばね用鋼が高い引張強度を有するかどうかの指標となるものである。Ｐ３の値が大きいほど、高い引張強度が得られやすくなる。Ｐ３≧１５．２としておくことで、ばね用鋼において、２１００ＭＰａ以上の引張強度が得られやすくなる。なお、式（３）は、各元素の含有量を様々に異ならせて製造したばね用鋼において、焼入れ・焼戻し後に２１００ＭＰａ以上の引張強度が得られるか否かに基づいて、定めたものである。２１００ＭＰ以上の引張強度が得られた場合と、得られなかった場合を区画できる組成パラメータとして、重回帰により、パラメータＰ３を求めた。

＜ばね用鋼の金属組織＞
本実施形態にかかるばね用鋼においては、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が、９番以上となっていることが好ましい。結晶粒度番号が大きいほど、つまり結晶粒が微細であるほど、ばね用鋼の強度を向上させやすくなる。

旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度は、後の実施例にも示すように、焼入れ・焼戻し後に、エッチングを行った断面において、組織観察を行うことにより、評価することができる。結晶粒度番号は、ＪＩＳＧ０５５１に準じて規定される。ばね用鋼の強度および延靱性向上の効果をさらに高める観点から、旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号は、１０番以上、さらには１１番以上であると、さらに好ましい。

ばね用鋼の金属組織における結晶粒径は、上記で説明したように、Ａｌ，Ｎ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂをはじめとする成分元素の含有量に影響され、Ａｌ，Ｎ，Ｖ，Ｔｉ，Ｎｂの含有量が多いほど、結晶粒が微細化する傾向がある。結晶粒度番号の上限は、特に限定されるものではない。

＜ばね用鋼の特性＞
本実施形態にかかるばね用鋼は、上記成分組成を有することにより、高い強度と製造性を両立するものとなる。本実施形態にかかるばね用鋼は、引張強度にして２１００ＭＰａ以上のように、高い強度を有し、同時に、圧延後の伸線加工において破断を起こさないだけの高い製造性を有する。

本ばね用鋼は、特に、引張強度の向上に効果を有するＣおよびＣｒを比較的多量に含有することにより、高い強度を示す。上記のように、本ばね用鋼は、焼入れ・焼戻しを経て、２１００ＭＰａ以上の引張強度を有することが好ましい。より好ましくは、引張強度は、２２００ＭＰａ以上となるとよい。引張強度を評価する際の焼入れ・焼戻しは、ばね用鋼に対して通常適用される範囲の条件で行えばよい。おおむね、焼入れ温度は８５０℃以上１０５０℃以下、焼戻し温度は３００℃以上５００℃以下とすればよい。好適な焼入れ温度としては９５０℃、焼戻し温度としては４００℃を例示することができる。焼入れ時間としては３０分、焼戻し時間としては６０分を例示することができる。引張強度は、ＪＩＳＺ２２４１に準じた引張試験により、評価することができる。本ばね用鋼においては、各成分元素の含有量を上記所定の範囲とすることに加え、組成パラメータの１つであるＰ３を、Ｐ３≧１５．２とすれば、特に高い引張強度を達成しやすい。

一方、本ばね用鋼においては、Ｍｎをはじめとするベイナイトを生成させやすい元素の含有量を低く抑えることにより、ベイナイト生成による製造性の低下を抑制している。さらに、本ばね用鋼は、上記のように高い引張強度を有するものであり、通常は、引張強度が高いほど、鋼材の延靱性が低下する傾向があるが、比較的多量のＮｉを添加することで、高強度化による延靱性の低下を補い、十分な延靱性が得られるようにしている。それら成分組成の効果により、本ばね用鋼においては、高い延靱性を担保し、製造ラインにおいて、伸線時の破断等を避けて、優れた製造性を確保することができる。特に、組成パラメータＰ１について、Ｐ１≧０とすることで、ベイナイトの生成を効果的に抑制し、高い製造性を確保しやすくなる。さらに、組成パラメータＰ２について、Ｐ２≧０とすれば、延靱性の不足による伸線時の破断を回避し、特に高い製造性を得ることができる。

本ばね用鋼の硬さは、圧延後の状態で２７ＨＲＣ以上、また３５ＨＲＣ以下であることが好ましい。また、フェライト脱炭深さが、圧延後の状態で０．２ｍｍ以下であるとよい。さらに、絞り値が、焼入れ・焼戻し後の状態で、４０．０％以上、さらには４１．０％以上、４１．５％以上であるとよい。

本実施形態にかかるばね用鋼を製造するには、例えば、まず、所定成分を含有する鋼材を溶製する。得られた鋼塊を、分塊圧延し、さらに熱間圧延を行って、圧延線材とすればよい。そして、得られた圧延線材に対して、焼入れ・焼戻しを行う。焼入れ時の加熱温度としては、８５０℃以上１０５０℃以下、加熱時間としては、１０分以上１２０分以下を例示することができる。焼戻し時の加熱温度としては、３００℃以上５００℃以下、加熱時間としては、１０分以上１２０分以下を例示することができる。

以下に本発明の実施例、比較例を示す。なお、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。以下、いずれの試験も、特記しないかぎり、室温、大気中にて行っている。

＜試料の作製＞
実施例１〜２８および比較例１〜１３にかかる試料として、表１，２に示す成分元素を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼材を溶製した。得られた鋼塊を分塊圧延し、１５５ｍｍ角とした後、熱間圧延を行って、φ１３ｍｍの圧延線材とした。圧延終了後の線材は、空冷した。次に説明する各評価試験のうち、フェライト脱炭、圧延後硬さ、ベイナイト生成、伸線加工時の破断に関する試験は、この圧延線材に対して行った。

下記の各評価試験のうち、結晶粒度、引張強度、絞り値に関しては、上記で得られた圧延線材に対して、焼入れ・焼戻しを行ってから、試験を実施した。焼入れは、油焼入れにて行い、加熱温度は９５０℃、加熱時間は３０分とした。焼戻しは、４００℃にて６０分間行った。

＜評価試験の方法＞
・フェライト脱炭
圧延線材の横断面の金属組織を、光学顕微鏡で観察し、フェライト脱炭層の厚さを測定した。

・圧延後硬さ
圧延線材の横断面について、ロックウェルＣスケールを用いて、硬さを測定した。測定は、面内の５点で行い、それらの測定値の平均値を、圧延後硬さとした。

・ベイナイト生成
圧延線材の横断面の金属組織を光学顕微鏡で観察し、ベイナイトが生成しているか否かを確認した。

・伸線加工時の破断
圧延線材に、ボンデ被膜処理を施したうえで、伸線加工を行い、φ１２ｍｍの伸線材とした。伸線加工時に、鋼材に破断が発生したか否かを評価した。破断が発生した場合には、表３，４に、「破断」と表示し、破断が発生しなかった場合には、「なし」と表示している。

・結晶粒度
焼入れ・焼戻しを経た後の鋼材に対して、組織観察を行い、旧オーステナイト粒径を計測した。計測に際しては、鋼材の横断面が観察面となるように、鋼材を切断し、観察用試料片を得た。観察用試料片は、樹脂に包埋して、研磨した。その状態で、結晶粒現出液にて、試料片をエッチングした。その後、ＪＩＳＧ０５５１に準じて、結晶粒度番号を評価した。

・引張強度
焼入れ・焼戻しを経た後の鋼材から、丸棒引張試験片を作製し、引張試験を行った。引張試験は、万能引張試験機を用いて、ＪＩＳＺ２２４１に準じて行い、鋼材の引張強度を計測した。クロスヘッド速度は、１０ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、上記伸線加工時の破断の評価試験において、破断が発生した試料については、引張試験時の破断により、引張強度を評価することができなかった。

・絞り値
上記引張強度の計測のために引張試験を行った後の試験片に対して、破断面の断面積を計測し、絞り値を算出した。

＜評価結果＞
表１，２に、各実施例および比較例にかかる試料の成分組成と、それらの含有量から算出した組成パラメータＰ１，Ｐ２，Ｐ３の値を示す。また、表３，４に、各評価試験の結果を示す。

表１に示されるように、実施例１〜２８においては、鋼材が、各必須元素および添加元素を、所定範囲の含有量で含有している。そのことと対応して、いずれの実施例においても、２１００ＭＰａ以上の引張強度が得られている。さらに、ベイナイト生成が起こっておらず、それに対応して、伸線加工時に鋼材に破断を生じない、高い製造性が得られている。旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号も、９番以上となっている。

各実施例において、引張強度は、パラメータＰ３との間に高い相関性を示しており、Ｐ３の値が大きくなるほど、引張強度が高くなる傾向が見られている。

一方、延靱性の指標となる絞り値は、パラメータＰ２との間に高い相関性を有しており、Ｐ２の値が大きくなるほど、絞り値が大きくなる傾向が見られている。また、ベイナイト生成の有無が、パラメータＰ１との間に相関を示しており、Ｐ１≦０となっている各実施例において、ベイナイト生成が起こっていない。つまり、各実施例においては、いずれも、ベイナイト生成が起こっておらず、そのことおよび延靱性の高さが、伸線加工時に破断を生じない高い製造性につながっていると言える。さらに、各実施例においては、フェライト脱炭深さも０．０ｍｍとなっており、脱炭が防止されている。

比較例１〜１３では、表２，４に示されるように、鋼材が上記所定の成分組成を有していない。そして、比較例１〜１３では、いずれにおいても、伸線加工時に破断が発生しているか、あるいは、引張強度が２１００ＭＰａに達していない。つまり、十分な製造性と引張強度を両立するものとはなっていない。つまり、上記実施例のように、伸線加工時に破断が発生しないだけの良好な製造性と、２１００ＭＰａ以上の高い引張強度を両立するためには、ばね用鋼が、上記所定の成分組成を有している必要がある。

比較例３，４，１１では、ぞれぞれ、Ｓｉ，Ｃ，Ｃｒの含有量が、所定範囲よりも少なくなっている。Ｓｉ，Ｃ，Ｃｒは、ばね用鋼の強度を高める効果を有するが、比較例３，４，１１では、それらの元素による強度向上の効果が十分に得られないことが、引張強度が２１００ＭＰａ未満に低くなっていることの主な原因であると考えられる。上記で実施例について説明したように、パラメータＰ３は、引張強度と高い相関を有しており、比較例３，４，１１では、いずれも、Ｐ３＜１５．２となっている。

比較例１，９では、Ａｌの含有量が少なすぎることにより、結晶粒が粗大化し、結晶粒度番号が９番未満となっている。結晶粒が粗大化することにより、ばね用鋼の強度が低くなり、引張強度が２１００ＭＰａ未満となっていると解釈される。

比較例５，７，１０では、ベイナイトが生成してしまっている。それに伴って、ばね用鋼の製造性が低下し、伸線加工時に破断が生じている。比較例５，７，１０では、それぞれ、Ｃ，Ｍｎ，Ｎｉの含有量が過剰となっており、ベイナイトの生成は、そのことと対応していると考えられる。さらに、実施例について説明したように、パラメータＰ１は、ベイナイト生成と相関を有しており、比較例５，７，１０では、いずれも、Ｐ１＜０となっている。

比較例６，８，１２では、ベイナイトの生成は起こっていないものの、伸線加工時に破断が起こっている。これは、Ｎｉの含有量が、所定範囲よりも少なくなっていることと対応づけられる。Ｎｉは、ばね用鋼の延靱性を高める効果を有するが、比較例６，８，１２では、Ｎｉの含有量が少なすぎて、Ｎｉによる延靱性向上の効果が十分に得られていないと考えられる。上記で実施例について説明したように、パラメータＰ２は、延靱性の指標となる絞り値と高い相関を有しているが、比較例６，８，１２では、Ｐ２＜０となっている。なお、比較例１３は、鋼種ＳＵＰ１２に対応するものであるが、Ｎｉを全く含有しておらず、引張強度が著しく低くなっている。

比較例２では、Ｓｉの含有量が過剰となっている。０．３ｍｍのフェライト脱炭深さが観測されているが、これは、過剰量のＳｉの含有により、脱炭が起こりやすくなっている結果であると考えられる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

Claims

質量％で、
０．４５％≦Ｃ≦０．６０％、
１．８％≦Ｓｉ≦２．８％、
０．２％≦Ｍｎ≦０．８％、
０．０５％≦Ｃｕ≦１．０％、
１．０１％≦Ｎｉ≦２．５％、
０．７５％≦Ｃｒ≦２．５％、
０．００７％≦Ａｌ≦０．１％、
０．００１％≦Ｎ≦０．０１０％を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、
Ｐ＜０．０２％、
Ｓ＜０．０２％、
Ｏ＜０．００２％であることを特徴とするばね用鋼。
焼入れ・焼戻しを経た際の引張強度が、２１００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１に記載のばね用鋼。
旧オーステナイト結晶粒の結晶粒度番号が、９番以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のばね用鋼。
さらに、質量％または質量ｐｐｍで、
０．０１％≦Ｍｏ≦１．０％、
０．０５％≦Ｖ≦０．５％、
０．０１％≦Ｔｉ≦０．１％、
０．０１％≦Ｎｂ≦０．１％、
５ｐｐｍ≦Ｂ≦３０ｐｐｍ
から選択される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から３のいずれか１項に記載のばね用鋼。
下記の式（１）によって求められるＰ１が、Ｐ１≧０であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のばね用鋼。
Ｐ１＝１．９７−３．１６Ｃ＋１．４０Ｓｉ−１．５９Ｍｎ−１．３５Ｃｕ−０．６２Ｎｉ−０．４９Ｃｒ（１）
ただし、式（１）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。
下記の式（２）によって求められるＰ２が、Ｐ２≧０であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のばね用鋼。
Ｐ２＝１．１Ｎｉ−２．０Ｃ（２）
ただし、式（２）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。
下記の式（３）によって求められるＰ３が、Ｐ３≧１５．２であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のばね用鋼。
Ｐ３＝１８．３Ｃ＋１．７Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．２Ｃｕ＋１．１Ｎｉ＋１．４Ｃｒ（３）
ただし、式（３）において、各元素記号は、質量％を単位とした各元素の含有量を示す。