JP5476598B2 - 高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法 - Google Patents
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(1)高強度中空ばね用の鋼管ビレットを、熱間加工した後に中間熱処理し、さらに冷間加工して高強度中空ばね用シームレス鋼管を製造する方法において、前記中間熱処理を、加熱温度が750〜1000℃(但し、750℃は含まない)、750℃を超える加熱時間が60〜1800sec、及び加熱温度から500℃までの冷却速度が0.5〜20℃/secの条件で行うことを特徴とする高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
(2)前記高強度中空ばね用の鋼管ビレットが、C:0.20〜0.70質量%、Si:0.50〜3.00質量%、Mn:0.10〜3.00質量%、P:0.030質量%以下(0%を含む)、S:0.030質量%以下(0%を含む)、N:0.0200質量%以下(0%を含む)、残部Fe及び不可避的不純物からなる請求項1に記載の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
(3)前記鋼管ビレットが、さらにCr:3.00質量%以下(0%を含まない、以下同じ)、B:0.0150質量%以下、Al:0.100質量以下、V:1.000質量%以下、Ti:0.300質量%以下、Nb::0.300質量%以下、Ni:3.00質量%以下、Cu:3.00質量%以下、Mo:2.00質量%以下、Ca:0.0050質量%以下、Mg:0.0050質量%以下、REM:0.0200質量%以下、Zr:0.100質量%以下、Ta:0.100質量%以下、Hf:0.100質量%以下から選ばれる1種以上を含有する請求項2に記載の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
〔1〕本製造方法における中間熱処理
本発明の中間熱処理は、冷間加工前の素材の組織をパーライト組織とするために、下記の三つの熱処理条件(加熱・冷却条件)を満足させる必要がある。
(1)加熱温度:750〜1000℃(但し、750℃は含まない)
中間熱処理前における素材、すなわち熱間加工を経た素材の金属組織中には炭化物が存在していることから、この炭化物を溶解、消失させなければならないが、加熱温度が750℃以下の低温では未溶解の炭化物が残存することになり、本発明の意図する冷間加工時の加工限界を向上させることができない。従って、750℃を超える温度とする必要がある。一方、加熱温度が1000℃を越える高温では、加熱中にオーステナイト組織が粗大化して焼入れ性が向上し、冷却中にパーライト変態しにくくなり、ベイナイトやマルテンサイトといった冷間加工性に乏しい硬質組織を形成しやすくなり、やはり本発明の意図する加工限界を向上させることが困難となる。従って、1000℃以下の温度とする必要がある。よって、本発明の中間熱処理における加熱温度は750℃を超え1000℃以下の温度範囲に加熱するものとする。
(2)加熱時間:60〜1800sec
本発明における加熱時間は750℃を超える時間として定義される。この加熱時間が60sec未満では素材の組織中の炭化物溶解、消失が不十分となり、未溶解炭化物が残るため、本発明の意図する加工限界を向上させることが難しくなる。従って、これを確実に溶解、消失させるためには60sec以上の加熱時間が必要である。一方、1800secを超える長時間では、オーステナイト粒径が粗大化し、パーライト組織を得にくくなり、やはり、本発明の意図する加工限界を向上が困難となる。従って、1800sec以下の加熱時間とすることが必要である。よって、本発明の中間熱処理における加熱時間は60sec以上1800sec以下とする。
(3)加熱温度から500℃までの冷却速度:0.5〜20℃/sec
上述した加熱条件で素材を加熱した後、冷却中にパーライト変態せしめるためには、冷却条件すなわち冷却速度を制御しなければならないが、加熱による加熱温度から500℃までの冷却速度が0.5℃/sec未満では冷却が遅すぎてパーライト変態せずに球状炭化物が析出し、球状化焼鈍組織と同様の組織とり、本発明の意図する加工限界の向上は望めない。従って、この冷却速度を0.5℃/sec以上とする必要がある。一方、同冷却速度が20℃/secを超えると、冷却が速すぎて、ベイナイトやマルテンサイトといった硬質組織が生成し、やはり、本発明の意図する加工限界の向上が困難となる。従って、同冷却速度は20℃/sec以下とする必要がある。よって、冷却中に安定的にパーライト変態せしめるため、本発明の中間熱処理における加熱温度から500℃までの冷却速度を0.5℃/sec以上20℃/sec以下と定める。
本発明においては高強度中空ばね用の鋼管ビレットを、熱間加工した後、前記の中間熱処理を行い、さらにこれを冷間加工するが、熱間加工については、鋼管の表面性状を良好に維持できる点から特許文献3、4で提案される熱間静水圧押出し法を採用することが好ましいが、熱間加工の方式やその条件は本発明の特徴とするところでないので、圧延法など従来から知られる熱間加工法によっても良く、加工条件も任意の方法が採用できる。
前記したように本発明の特徴とする中間熱処理の導入により、加工限界を大幅に向上できることから以下の加工条件とする。
〔3〕鋼管ビレットの成分
本発明の製造対象となるシームレス鋼管は高強度中空ばね用であることから、解決手段(1)に記載のように加工対象である鋼管ビレットもこの用途に適合する鋼成分であればいかなる成分でもよいが、特にこの高強度中空ばね用として推奨される成分について解決手段(2)及び(3)において規定した。これらの鋼管ビレットの成分について以下に説明する。
Cは鋼材の強度への影響が大きい。高強度ばねに適用するには0.20%以上の添加が必要である。一方で、Cを増量すると、焼入れ時に脆いレンズマルテンサイトが生成し、ばね疲労特性が劣化する。そのため0.70%以下にする必要がある。
Siは500℃以下での焼戻し軟化抵抗が大きいことが知られている。比較的低温で焼戻し処理を行うばねの強度確保に必要な元素であり0.50%以上の添加が必要である。一方で、Si増量は焼戻し時のセメンタイト析出を抑制し、残留γを増加させるが、残留γの増加によりばね特性が劣化するため3.00%以下とする必要がある。
Mnは有害元素SをMnSとして固定して靭性劣化を抑制する。そのためには0.10%以上の添加が必要になる。一方、Mnはセメンタイトに固溶し安定化させるが、Mn増量によってセメンタイト中のMn比が高くなると、加熱時にセメンタイトが溶解しにくくなる。よって、3.00%以下とすることが必要である。
Pは粒界偏析して靭性を劣化させるため低いほど良い。高強度ばねとしての特性を確保するためには0.03%以下とする必要がある。
(5)S:0.030%以下(0%を含む)
Sは粒界脆化や粗大硫化物形成により靭性劣化させるため低いほど良い。高強度ばねとしての特性を確保するためには0.030%以下に制御する必要がある。
(6)N:0.0200%以下(0%を含む)
NはAlやTiなどと窒化物を形成し、組織微細化して靭性向上に寄与するが、固溶状態で存在すると靭性を劣化させる。そのため本発明では、N量0.0200%とする必要がある。
(7)Cr:3.00%以下(0%を含まない)
Crは焼戻し後の強度確保や耐食性向上に有効であり、ばねの高強度化に有利な元素である。この効果を発揮させるには0.20%以上の添加が好ましい。一方、Crはセメンタイトに固溶し安定化させるが、Cr増量によってセメンタイト中のCr比が高くなると、加熱時にセメンタイトが溶解しにくくなるため3%以下とする必要がある。
(8)B:0.0150%以下(0%を含まない)
BはPの粒界偏析を軽減し、靭性劣化を抑制する効果がある。この効果を発現させるには0.0010%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると粗大な炭硼化物を生成し、強度低下、靭性劣化を招くので、0.0150%以下とする必要がある。
(9)Al:0.100%以下(0%を含まない)
AlはNをAlNとして固定し、固溶Nによる靭性劣化を抑制する上、組織微細化して靭性向上に寄与する。この効果を発揮させるには0.001%以上添加すればよい。しかしながら、AlはSiと同様に焼戻し時のセメンタイト析出を抑制し、残留γを増加させる効果があり、Al増量すると残留γの増加によりばね特性が劣化する。このため、0.100%以下とする必要がる。
(10)V:1.000%以下(0%を含まない)
Vは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.020%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から1.000%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(11)Ti:0.300%以下
Tiは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.020%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から0.3%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(12)Nb:0.300%以下(0%を含まない)
Nbは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.02%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から0.3%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(13)Ni:3.00 %以下(0%を含まない)
Niは添加によって靭性を向上させることが知られており、また、加熱時の脱炭を抑制する効果もあり、ばね耐久特性向上に寄与する。これらの効果を発揮させるには0.1%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると残留γを増加させてばね特性を劣化させる。
(14)Cu:3.00%以下(0%を含まない)
Cuは加熱時の脱炭を抑制する効果があり、ばね耐久特性向上に寄与する。この効果を発揮させるには0.10%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると残留γを増加させてばね特性を劣化させる。よって、3%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(15)Mo:2.00%以下(0%を含まない)
MoはPの粒界偏析を軽減し、靭性劣化を抑制する効果がある。また、炭化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性を向上させる。これらの効果を発現させるには0.2%以上の添加が必要である。一方、過剰添加すると顕著な凝固偏析帯を形成し、靭性劣化を招く。よって2%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(16)Ca:0.0050%以下(0%を含まない)
Caは微量添加で硫化物を微細化し、靭性向上に寄与する。この効果を発現するためには、0.0001%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると逆に靭性劣化を招く。よって、0.005%以下とする必要がある。
(17)Mg: 0.0050%以下(0%を含まない)
Mgは微量添加で硫化物を微細化し、靭性向上に寄与する。この効果を発現するためには、0.0001%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると逆に靭性劣化を招く。よって0.005%以下とする必要がある。
(18)REM:0.0200%以下(0%を含まない)
REMは微量添加で硫化物を微細化し、靭性向上に寄与する。この効果を発現するためには、0.0001%以上添加すればよい。一方、過剰添加すると逆に靭性劣化を招く。よって、0.0200%以下とする必要がある。
(19)Zr: 0.100%以下(0%を含まない)
Zrは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.010%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から0.100%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(20)Ta:0.100%以下(0%を含まない)
Taは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.01%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から0.100%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
(21)Hf:0.100%以下(0%を含まない)
Hfは炭窒化物を形成して組織微細化に寄与し、靭性向上に有効である。この効果を発揮させるには、0.010%以上添加すればよい。しかしながら、過剰添加は炭窒化物が粗大化し靭性を劣化させる。この観点から0.100%以下とする必要がある。更に、コスト低減の観点からは必要最小限の添加が望ましい。
〔4〕実施例
本発明の効果を検証するため下記の実験を実施した。
Claims (3)
- 高強度中空ばね用の鋼管ビレットを、熱間加工した後に中間熱処理し、さらに冷間加工して高強度中空ばね用シームレス鋼管を製造する方法において、前記中間熱処理を、加熱温度が750〜1000℃(但し、750℃は含まない)、750℃を超える加熱時間が60〜1800sec、及び加熱温度から500℃までの冷却速度が0.5〜20℃/secの条件で行うことを特徴とする高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
- 前記高強度中空ばね用の鋼管ビレットが、C:0.20〜0.70質量%、Si:0.50〜3.00質量%、Mn:0.10〜3.00質量%、P:0.030質量%以下(0%を含む)、S:0.030質量%以下(0%を含む)、N:0.0200質量%以下(0%を含む)、残部Fe及び不可避的不純物からなる請求項1に記載の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
- 前記鋼管ビレットが、さらにCr:3.00質量%以下(0%を含まない、以下同じ)、B:0.0150質量%以下、Al:0.100質量以下、V:1.000質量%以下、Ti:0.300質量%以下、Nb::0.300質量%以下、Ni:3.00質量%以下、Cu:3.00質量%以下、Mo:2.00質量%以下、Ca:0.0050質量%以下、Mg:0.0050質量%以下、REM:0.0200質量%以下、Zr:0.100質量%以下、Ta:0.100質量%以下、Hf:0.100質量%以下から選ばれる1種以上を含有する請求項2に記載の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法。
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