JP6212473B2 - 高強度ばね用圧延材及びこれを用いた高強度ばね用ワイヤ - Google Patents

Description

本発明は高強度ばね用圧延材及びこれを用いた高強度ばね用ワイヤに関する。詳細には、調質、すなわち焼入れ焼戻しした状態で使用される高強度ばねの素材として有用な圧延材及びワイヤであり、特に伸線加工性に優れる圧延材、及びワイヤ加工後の引張強度が１９００ＭＰａ以上と高強度であっても腐食疲労特性に優れた高強度ばね用ワイヤに関する。

自動車等に用いられるコイルばね、例えばエンジンやサスペンション等に使用される弁ばね、懸架ばねなどは、排ガスの低減や燃費向上のために軽量化が求められており、高強度化が要求されている。高強度ワイヤの製造では、焼入れ焼戻しの熱処理前に、線径の寸法精度向上、塑性加工による組織均一化を目的として伸線加工が施される。特に、高強度ワイヤでは、組織をより均一化するために伸線の加工率を増加させることがあり、圧延材には良好な伸線加工性が必要となる。また、高強度化されたばねは、靭延性に乏しく、水素脆性が生じやすく、腐食疲労特性が低下する。そのため、ばねの製造に用いられる高強度ばね用鋼線（ワイヤ）には腐食疲労特性に優れていることが要求される。腐食疲労破壊は、腐食により発生した水素が鋼中に侵入し、その水素による鋼材脆化が生じることで起こるため、腐食疲労特性を改善するためには、鋼材の耐食性及び耐水素脆性を改善することが必要である。

高強度ばね用圧延材の伸線性、及び高強度ばね用ワイヤの腐食疲労特性を高める方法としては、化学組成で制御することなどが知られている。しかし、これらの方法では、合金元素を多量に使用するため、製造コストの増加や省資源の観点から必ずしも望ましくない。

ところで、ばねの製造方法としては、鋼線を焼入れ温度に加熱してばね形状に熱間成形した後、油冷して焼戻しする方法と、鋼線を焼入れ焼戻しした後にばね形状に冷間成形する方法が知られている。また後者の冷間成形方法では、成形前の焼入れ焼戻しを高周波加熱で行うことも知られており、例えば特許文献１には、線材を冷間引抜した後、高周波誘導加熱により焼入れ焼戻しして組織を調整する技術が開示されている。この技術ではパーライトの組織分率を３０％以下、マルテンサイト及びベイナイトからなる組織分率を７０％以上とし、その後所定の減面率で冷間引抜きを行い、続いて焼入れ焼戻しを行うことによって、未溶解炭化物を減少させ、遅れ破壊特性を向上させている。

特許文献２では、実施例において圧延線材を伸線し、高周波加熱して焼入れ焼戻し処理をしている。この技術では、高強度と成形性（コイリング性）を両立させることに主眼を置いており、耐水素脆性については何ら考慮されていない。

特許文献３では、室温から３５０℃まで昇温した際に放出されるトータル水素量で評価される鋼中水素量に着眼し、強伸線加工条件での伸線加工性に優れた熱間圧延線材を提案している。しかし特許文献３では、強伸線という特殊な加工での伸線性にのみ着目している上に、懸架ばね等において最も重要となる焼入れ焼戻し後の耐水素脆性について何ら考慮されていない。

特開２００４−１４３４８２号公報 特開２００６−１８３１３７号公報 特開２００７−２３１３４７号公報

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱間巻き用及び冷間巻き用の両者を含む高強度ばね用の素材であって、合金元素の添加量を抑制しても優れた伸線加工性を有するとともに、焼入れ焼戻し後に優れた腐食疲労特性を発揮できる圧延材を提供することを目的とする。

上記課題を達成した本発明の高強度ばね用圧延材は、
質量％で、
Ｃ ：０．３９〜０．６５％、
Ｓｉ：１．５〜２．５％、
Ｍｎ：０．１５〜１．２％、
Ｐ ：０％超、０．０１５％以下、
Ｓ ：０％超、０．０１５％以下、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｃｕ：０．１〜０．８０％、
Ｎｉ：０．１〜０．８０％
を含有し、残部が鉄及び不可避不純物であり、
非拡散性水素量が０．４０質量ｐｐｍ以下であり、
百分率で表されるフェライトの面積率が下記（１）式を満たすとともに、ベイナイトとマルテンサイトの合計面積率が２％以下であることを特徴とする。
フェライト面積率＜｛（０．７７−［Ｃ］）／０．７７−［Ｃ］／３
＋０．０８｝×１００ ・・・（１）
但し、上記（１）式中、［元素名］は各元素の質量％で表される含有量を意味する。

本発明の高強度ばね用圧延材は、更に、質量％で下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のいずれかに属する１種以上を含有することが好ましい。
（ａ）Ｃｒ：０％超、１．２％以下
（ｂ）Ｔｉ：０％超、０．１３％以下
（ｃ）Ｂ ：０％超、０．０１％以下
（ｄ）Ｎｂ：０％超、０．１％以下、Ｍｏ：０％超、０．５％以下、及びＶ：０％超、０．４％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種

また、本発明の高強度ばね用圧延材は、理想臨界直径Ｄ_iが６５〜１４０ｍｍであることが好ましく、理想臨界直径Ｄ_iはＢを含有しない時は下記（２）式を用い、Ｂを含有する時は下記（３）式を用いて算出される。なお、下記式中に表される元素のうち、本発明の圧延材に含有されない元素がある場合は、その含有量を０％として計算すれば良い。
Ｄ_i＝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］）
・・・（２）
Ｄ_i＝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） ・・・（３）
但し、上記（２）、（３）式中、［元素名］は各元素の質量％で表される含有量を意味する。

本発明は、上記したいずれかの高強度ばね用圧延材を伸線し、焼入れ焼戻し処理した、引張強度１９００ＭＰａ以上の高強度ばね用ワイヤも包含する。

本発明によれば、合金元素を多量に添加しなくとも、圧延材中の非拡散性水素量を抑制し、ベイナイト及びマルテンサイトなどの過冷組織の生成を抑えているため、圧延材の伸線加工性に優れている。また、本発明の圧延材はフェライトの面積率をＣ濃度に応じて適切に調整、具体的にはＣ濃度が高くなるほど、フェライトの面積率をより低減しているため、この圧延材を伸線し、焼入れ焼戻しを行ったワイヤは１９００ＭＰａ以上の高強度でも腐食疲労特性に優れている。このような圧延材では、鋼材コストを抑えても圧延材の伸線加工性及びワイヤの腐食疲労特性を向上できるため、製造性に優れ、腐食疲労破壊が極めて生じ難い高強度のばね、例えば、自動車用部品の一つである、懸架ばね等のコイルばねなどを安価で供給することができる。

図１は、Ｃ量とフェライト面積率が耐水素脆性に与える影響を表したグラフである。

圧延材の伸線加工性は、通常、圧延材の延性の影響を受ける。素地の延性が乏しかったり、過冷組織が存在して延性が低下したりすると、伸線時に破断して製造性を大幅に低下させる。したがって、圧延材の延性を上げることで伸線加工性を改善できる。

一方、腐食が起こると、鋼材表面にピットが発生するとともに、腐食による減肉で鋼材の線径が細くなる。また、腐食により発生した水素が鋼中に侵入し水素による鋼材脆化が生じる。腐食疲労破壊は、これら腐食ピット、減肉箇所、鋼材脆化部を起点として生じる。そのため、腐食疲労破壊は鋼材の耐水素脆性と耐食性を向上させることで改善できる。

本発明者らは、鋼材の延性、耐水素脆性及び耐食性に影響を与える因子について様々な角度から検討した。その結果、圧延材のフェライト面積率と、特に非拡散性水素量で表される鋼中水素量の双方を適正に制御すれば圧延材の延性が向上するとともに、圧延材を伸線し、焼入れ焼戻しを施した際の耐水素脆性が大幅に向上することが明らかとなった。更に、化学組成を適切に調整することにより耐食性も向上でき、その結果腐食疲労特性を大幅に向上できることを見出し、本発明を完成した。以下に、本発明の圧延材の組織、鋼中水素量、化学組成について順に説明する。

フェライト組織は、焼入れ焼戻し後に炭化物の希薄域となりやすく、炭化物の希薄域が生じると強度低下部として破壊起点となる。また、炭化物は水素をトラップすることによって水素を無害化する能力があるが、炭化物の希薄域はこのような能力が欠乏したエリアとなり、水素脆化が生じやすくなり破壊しやすくなる。焼入れ焼戻し処理後に炭化物の希薄域の形成を抑制し、炭化物を均一に分散させるためには、焼入れ焼戻し前の圧延材の段階で炭化物が均一に分散した組織とする必要がある。すなわち、フェライトと炭化物が層状になった組織であるパーライト組織の割合を増加させてフェライト組織の割合を少なくする必要がある。本発明者らは、フェライト組織の面積率を、圧延後に放冷した時に得られるフェライト組織の割合よりも少なくすることが、耐水素脆性を向上させるために重要であり、圧延後に放冷した時に得られるフェライト組織はＣ量と密接な関係があることを見出した。

Ｃ量を種々に変化させた鋼材について、圧延後に放冷して得られるフェライト組織の割合を調べたところ、圧延後に放冷して得られるフェライト組織の割合は下記（１）式の右辺で表されることが明らかとなった。そして、本発明の圧延材では、フェライト組織の割合を下記（１）式の関係を満たすように制御している点に特徴を有している。但し、下記（１）式中、［元素名］は質量％で表される各元素の含有量を意味する。また、本明細書において、フェライト面積率は百分率で表される割合を意味する。
フェライト面積率＜｛（０．７７−［Ｃ］）／０．７７−［Ｃ］／３
＋０．０８｝×１００ ・・・（１）

図１は後記する実施例データに基づいて、Ｃ量とフェライト面積率が耐水素脆性に与える影響を表したグラフである。図１の直線で表される通り、圧延後に放冷して得られるフェライト組織の割合はＣ量が高くなるほど減少する傾向にあり、本発明の圧延材ではＣ量が高くなるほどフェライトの面積率をより低減している点に大きな特徴を有している。Ｃ量が多い鋼材では、特にマルテンサイト組織が脆化しやすいという観点からも、フェライト組織の割合をより低減する必要がある。フェライト面積率は少なければ少ない程よく、０％であっても良い。

また、本発明の圧延材は、フェライト組織の割合を、圧延後に放冷して得られるフェライト組織の割合よりも１０％以上低減することが好ましく、すなわち下記（１−２）式を満たしていることが好ましい。
フェライト面積率≦｛（０．７７−［Ｃ］）／０．７７−［Ｃ］／３
＋０．０８｝×１００×０．９ ・・・（１−２）

本発明の圧延材では、ベイナイト及びマルテンサイトなどの過冷組織が多くなると、伸線加工性が大幅に低下する。従って、これらは含まれていたとしても２面積％以下とし、好ましくは１面積％以下であり、もっとも好ましくは０面積％である。

本発明の圧延材は、フェライト、ベイナイト及びマルテンサイトの生成を抑制しており、これら以外の組織はパーライトである。

次に、本発明の圧延材中の水素量について説明する。本発明の圧延材では非拡散性水素量を０．４０質量ｐｐｍ以下とする。非拡散性水素量が多いと圧延材中の介在物、偏析帯の回りに水素が集積し、微細な割れが生じ、圧延材の伸線加工性が低下する。また、非拡散性水素量が多いと、鋼材が脆化するまでに更に侵入する水素の許容量が減り、ばねとして使用中に侵入した少量の水素でも鋼材脆化が生じ、早期破壊しやすくなり、耐水素脆性が低下する。非拡散性水素量は、好ましくは０．３５質量ｐｐｍ以下であり、より好ましくは０．３０質量ｐｐｍ以下である。非拡散性水素量は少なければ少ない程好ましいが、０質量ｐｐｍとすることは困難であり、下限は０．０１質量ｐｐｍ程度である。

なお、非拡散性水素とは後述の実施例に記載の方法で測定される水素量であり、具体的には、鋼材を１００℃／時間で昇温したときに、３００〜６００℃で放出される水素量の総量を意味する。

本発明に係る高強度ばね用圧延材は、合金元素の含有量を抑制した低合金鋼であり、その化学組成は以下の通りである。なお、本発明は、上記圧延材を伸線し焼入れ焼戻ししたワイヤも包含し、その化学組成は圧延材の化学組成と同じである。

Ｃ：０．３９〜０．６５％
Ｃは、ばね用ワイヤの強度を確保するのに必要な元素であるとともに、水素トラップサイトとなる微細炭化物を生成させるためにも必要である。こうした観点から、Ｃ量を０．３９％以上と定めた。Ｃ量の好ましい下限は０．４５％以上であり、より好ましくは０．５０％以上である。しかし、Ｃ量が過剰になると、焼入れ焼戻し後も粗大な残留オーステナイトや未固溶の炭化物が生成しやすくなり、耐水素脆性が却って低下する場合がある。また、Ｃは耐食性を劣化させる元素でもあるため、最終製品である懸架ばね等のばね製品の腐食疲労特性を高めるにはＣ量を抑える必要がある。こうした観点から、Ｃ量を０．６５％以下と定めた。Ｃ量の好ましい上限は０．６２％以下であり、より好ましくは０．６０％以下である。

Ｓｉ：１．５〜２．５％
Ｓｉは、強度を確保するのに必要な元素であるとともに、炭化物を微細にする効果がある。こうした効果を有効に発揮させるため、Ｓｉ量を１．５％以上と定めた。Ｓｉ量の好ましい下限は１．７％以上であり、より好ましくは１．９％以上である。一方、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉ量が過剰になると鋼材表面の脱炭層形成が促進され、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となり、製造コストの増加を招く。また、未固溶炭化物も多くなり、耐水素脆性が低下する。こうした観点から、Ｓｉ量を２．５％以下と定めた。Ｓｉ量の好ましい上限は２．３％以下であり、より好ましくは２．２％以下であり、更に好ましくは２．１％以下である。

Ｍｎ：０．１５〜１．２％
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼中の有害元素であるＳと反応してＭｎＳを形成し、Ｓの無害化に有益な元素である。また、Ｍｎは強度向上に寄与する元素でもある。これらの効果を有効に発揮させるため、Ｍｎ量を０．１５％以上と定めた。Ｍｎ量の好ましい下限は０．２％以上であり、より好ましくは０．３％以上である。しかし、Ｍｎ量が過剰になると靭性が低下して鋼材が脆化する。こうした観点から、Ｍｎ量を１．２％以下と定めた。Ｍｎ量の好ましい上限は１．０％以下であり、より好ましくは０．８５％以下であり、更に好ましくは０．７０％以下である。

Ｐ：０％超、０．０１５％以下
Ｐは、圧延材、すなわち線材の、コイリング性などの延性を劣化させる有害元素であるため、できるだけ少ない方が望ましい。また、Ｐは粒界に偏析しやすく、粒界脆化を招き、水素により粒界が破壊しやすくなり、耐水素脆性に悪影響を及ぼす。こうした観点からＰ量を０．０１５％以下と定めた。Ｐ量の好ましい上限は０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。Ｐ量は少なければ少ない程好ましいが、通常０．００１％程度含まれる。

Ｓ：０％超、０．０１５％以下
Ｓは、上記したＰと同様に圧延材の、コイリング性などの延性を劣化させる有害元素であるため、できるだけ少ない方が望ましい。また、Ｓは粒界に偏析しやすく、粒界脆化を招き、水素により粒界が破壊しやすくなり、耐水素脆性に悪影響を及ぼす。こうした観点から、Ｓ量を０．０１５％以下と定めた。Ｓ量の好ましい上限は０．０１０％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。Ｓ量は少なければ少ない程好ましいが、通常０．００１％程度含まれる。

Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、Ｎと反応してＡｌＮを形成して固溶Ｎを無害化すると共に組織の微細化にも寄与する。これらの効果を十分に発揮させるため、Ａｌ量を０．００１％以上と定めた。Ａｌ量の好ましい下限は０．００２％以上であり、より好ましくは０．００５％以上である。しかしながら、ＡｌはＳｉと同様に脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを多く含有するばね用鋼ではＡｌ量を抑える必要があり、本発明ではＡｌ量を０．１％以下と定めた。Ａｌ量の好ましい上限は０．０７％以下であり、より好ましくは０．０３０％以下、特に好ましくは０．０２０％以下である。

Ｃｕ：０．１〜０．８０％
Ｃｕは、表層脱炭の抑制や耐食性の向上に有効な元素である。そこでＣｕ量は０．１％以上と定めた。Ｃｕ量の好ましい下限は０．１５％以上であり、より好ましくは０．２０％以上であり、更に好ましくは０．２５％以上である。しかしながら、Ｃｕが過剰に含まれると、熱間加工時に割れが発生したり、コストが増加する。そこで、Ｃｕ量を０．８０％以下と定めた。Ｃｕ量の好ましい上限は０．７０％以下であり、より好ましくは０．６０％以下であり、更に好ましくは０．４８％以下であり、特に０．３５％以下が好ましく、最も好ましくは０．３０％以下である。

Ｎｉ：０．１〜０．８０％
Ｎｉは、Ｃｕと同様に表層脱炭の抑制や耐食性の向上に有効な元素である。そこでＮｉ量を０．１％以上と定めた。Ｎｉ量の好ましい下限は０．１５％以上であり、より好ましくは０．２０％以上であり、更に好ましくは０．３５％以上であり、最も好ましくは０．４５％以上である。しかしながら、Ｎｉが過剰に含まれるとコストが増加する。従ってＮｉ量を０．８０％以下と定めた。Ｎｉ量の好ましい上限は０．７０％以下であり、より好ましくは０．６０％以下であり、更に好ましくは０．５５％以下であり、０．４８％以下であること、０．３５％以下であること、０．３０％以下であることも一層好ましい。

本発明の圧延材の基本成分は上記の通りであり、残部は実質的に鉄である。但し、原材料、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中に含まれることは当然に許容される。本発明のばね用圧延材は、Ｃｕ等の合金元素を抑制しても上記した化学組成で、高強度で優れたコイリング性と耐水素脆性を達成できるが、用途に応じて耐食性の向上等を目的として、下記元素を更に含有させても良い。

Ｃｒ：０％超、１．２％以下
Ｃｒは、耐食性の向上に有効な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｃｒ量は０．０１％以上が好ましく、より好ましくは０．０５％以上、更に好ましくは０．１０％以上である。しかしながら、Ｃｒは炭化物生成傾向が強く、鋼材中で独自の炭化物を形成すると共に、セメンタイト中に高濃度で溶け込みやすい元素である。少量のＣｒを含有することは有効であるが、高周波加熱では焼入れ工程の加熱時間が短時間となるので、炭化物、セメンタイト等を母材に溶け込ませるオーステナイト化が不十分となりやすい。そのため、Ｃｒを多く含有していると、Ｃｒ系炭化物や金属Ｃｒが高濃度に固溶したセメンタイトの溶け残りが発生し、応力集中源となって破壊しやすく、耐水素脆性が劣化することになる。従って、Ｃｒ量は１．２％以下が好ましく、より好ましくは０．８％以下であり、更に好ましくは０．６％以下である。

Ｔｉ：０％超、０．１３％以下
Ｔｉは、Ｓと反応して硫化物を形成してＳの無害化を図るのに有用な元素である。また、Ｔｉは炭窒化物を形成して組織を微細化する効果も有する。このような効果を有効に発揮させるため、Ｔｉ量は０．０２％以上が好ましく、より好ましくは０．０５％以上であり、更に好ましくは０．０６％以上である。しかしながら、Ｔｉ量が過剰になると、粗大なＴｉ硫化物が形成されて延性が劣化することがある。従って、Ｔｉ量は０．１３％以下が好ましい。コスト低減の観点からは０．１０％以下とすることが好ましく、０．０９％以下が更に好ましい。

Ｂ：０％超、０．０１％以下
Ｂは、焼入れ性向上元素であり、また旧オーステナイト結晶粒界を強化する効果があり、破壊の抑制に寄与する元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｂ量は０．０００５％以上が好ましく、より好ましくは０．００１０％以上である。しかしながら、Ｂ量が過剰になっても上記効果が飽和するため、Ｂ量は０．０１％以下が好ましく、より好ましくは０．００５０％以下、さらに好ましくは０．００４０％以下である。

Ｎｂ：０％超、０．１％以下
Ｎｂは、ＣやＮと炭窒化物を形成し、主に組織微細化に寄与する元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｎｂ量は０．００３％以上が好ましく、より好ましくは０．００５％以上であり、更に好ましくは０．０１％以上である。しかしながら、Ｎｂ量が過剰になると粗大炭窒化物が形成されて鋼材の延性が劣化する。そこで、Ｎｂ量は０．１％以下が好ましい。コスト低減の観点からは０．０７％以下とすることが好ましい。

Ｍｏ：０％超、０．５％以下
ＭｏもＮｂと同様に、ＣやＮと炭窒化物を形成し、組織微細化に寄与する元素である。また焼戻し後の強度確保にも有効な元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｍｏ量は０．１５％以上が好ましく、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．２５％以上である。しかしながら、Ｍｏ量が過剰になると、粗大炭窒化物が形成されて鋼材の、コイリング性などの延性が劣化する。そこで、Ｍｏ量は０．５％以下が好ましく、より好ましくは０．４％以下である。

Ｖ：０％超、０．４％以下
Ｖは、強度向上や結晶粒微細化に寄与する元素である。このような効果を有効に発揮させるため、Ｖ量は０．１％以上が好ましく、より好ましくは０．１５％以上であり、更に好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｖ量が過剰になるとコストが増加する。そこで、Ｖ量は０．４％以下が好ましく、より好ましくは０．３％以下である。

Ｎｂ、Ｍｏ及びＶは、それぞれ単独で含有させても良いし、２種以上を組み合わせて含有させても良い。

また、本発明の圧延材は不可避不純物としてＯやＮを含んでおり、これらの量は下記範囲に調整されていることが好ましい。

Ｏ：０％超、０．００２％以下
Ｏ量が過剰になると、粗大なＡｌ₂Ｏ₃などの酸化物系介在物が形成され、疲労特性に悪影響を及ぼす。そこで、Ｏ量の上限は０．００２％以下が好ましく、より好ましくは０．００１５％以下、更に好ましくは０．００１３％以下である。一方、Ｏ量の下限は、工業生産上、一般的には０．０００２％以上（好ましくは０．０００４％以上）である。

Ｎ：０％超、０．００７％以下
Ｎ量は、多くなるほどＴｉやＡｌと共に粗大な窒化物を形成し、疲労特性に悪影響を及ぼす。そこで、Ｎ量はできるだけ少ないことが好ましく、例えば０．００７％以下、より好ましくは０．００５％以下としても良い。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。このような観点からは、Ｎ量を０．００１％以上とすることが好ましく、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００３％以上である。

また、本発明の圧延材及びワイヤは、下記（２）式又は（３）式で表される理想臨界直径Ｄ_iが６５〜１４０ｍｍであることが好ましい。圧延材を、軟化焼鈍することなしに伸線を行ってばね用素材として用いるためには、伸線で断線などが生じないように過冷組織を所定以下に低減する必要がある。理想臨界直径Ｄ_iが高いと焼入れ性が高くなり、過冷組織が出やすくなるため、理想臨界直径Ｄ_iの上限は１４０ｍｍ以下とすることが好ましい。理想臨界直径Ｄ_iの上限はより好ましくは１３５ｍｍ以下であり、更に好ましくは１３０ｍｍ以下であり、特に１２０ｍｍ以下が好ましい。一方、ばねとして内部まで焼入れするためには、一定の焼入れ性を確保することが重要である。そこで理想臨界直径Ｄ_iの下限は６５ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは７０ｍｍ以上であり、更に好ましくは８０ｍｍ以上である。

理想臨界直径Ｄ_iは、Ｂを含有しないときは、ＡＳＴＭ Ａ２５５に規定される下記（２）式を用いる。また、Ｂを含有するときは、ＡＳＴＭ Ａ２５５−０２で定めるボロンファクターＢ．Ｆ．を上記（２）式の右辺に乗算して追加する必要があり、理想臨界直径Ｄ_iを下記（３）式を用いて算出する。
Ｄ_i＝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］）
・・・（２）
Ｄ_i＝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） ・・・（３）
但し、上記（２）、（３）式中、［元素名］は各元素の質量％で表される含有量を意味する。

次に本発明の圧延材の製造方法について説明する。上記化学組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造、分塊圧延、熱間圧延するという一連の工程において、（Ａ）溶鋼段階の水素量、（Ｂ）分塊圧延前の均質化処理温度及び時間、（Ｃ）熱間圧延後の４００〜１００℃までの平均冷却速度の少なくとも一つを調整することによって圧延材の非拡散性水素量を制御できる。また、（i）圧延後のコイル巻取り温度（ＴＬ）、（ii）前記ＴＬ〜６５０℃までの平均冷却速度、（iii）６５０〜４００℃までの平均冷却速度のいずれも調整することによって、圧延材の組織、すなわちフェライト、マルテンサイト及びベイナイトを上記した範囲に調整できる。

凝固後の鋼中の水素を低減させるためには、鋼中の水素を拡散により除去する必要があり、鋼材表面から水素を放出させるためには、水素の拡散速度を速くすべく、高温且つ長時間の加熱が有効である。具体的には、鋼中の水素量を低減する方法として、溶鋼段階での調整、凝固後１０００℃以上の連続鋳造材料の段階での調整、熱間圧延前の加熱段階での調整、圧延加熱中の段階での調整、及び圧延後の冷却段階での調整が挙げられる。中でも特に、以下に示す（Ａ）〜（Ｃ）の非拡散性水素の低減処理を少なくとも一つ行うことが有効である。

（Ａ）溶鋼処理で脱ガス処理を行い、溶鋼中の水素量を２．５質量ｐｐｍ以下にする。
例えば、２次精錬工程で取鍋中に二本の浸漬管を備えた真空槽を装着し、片方の浸漬管側面からＡｒガスを吹き込み、その浮力を利用して溶鋼を真空槽へ環流させる真空脱ガスを行うことが効果的である。この方法は、水素除去能力と介在物低減に優れている。溶鋼中の水素量は２．０質量ｐｐｍ以下が好ましく、１．８質量ｐｐｍ以下がより好ましく、１．５質量ｐｐｍ以下が更に好ましく、特に１．０質量ｐｐｍ以下が好ましい。

（Ｂ）分塊圧延前の均質化処理を、１１００℃以上、好ましくは１２００℃以上で１０時間以上行う。

（Ｃ）圧延後の４００〜１００℃までの平均冷却速度を０．５℃／秒以下、好ましくは０．３℃／秒以下とする。

特に鋼材の断面積が大きい場合は長時間の加熱が必要となるが、鋼材を長時間加熱すると脱炭が促進するため、そのような場合は上記（Ａ）を行って鋼中の水素量を低減することが好ましい。

また、圧延材中の組織、すなわちフェライト、ベイナイト、マルテンサイトの面積率を上記範囲とするためには、圧延条件を以下のように調整することが好ましく、以下の（i）〜(iii)を全て満たすような圧延条件とすることが好ましい。

（i）冷却開始前のコイルの巻取り温度ＴＬ：９００℃以上
フェライトの割合を低減するためには、冷却開始前のコイル巻取り温度ＴＬをオーステナイト単相とする必要がある。従ってＴＬは９１０℃以上がより好ましく、更に好ましくは９３０℃以上である。ＴＬの上限は特に限定されず、仕上圧延温度にもよるが、概ね１０００℃程度である。

(ii)ＴＬ〜６５０℃での平均冷却速度：２〜５℃／秒
ＴＬ〜６５０℃の温度域ではパーライト変態を生じさせるため、冷却速度を上げてフェライトの生成を抑制する必要がある。従って、ＴＬ〜６５０℃での平均冷却速度は、２℃／秒以上が好ましく、より好ましくは２．３℃／秒以上であり、更に好ましくは２．５℃／秒以上である。しかし、ＴＬ〜６５０℃での冷却速度を上げすぎるとマルテンサイトやベイナイトなどの過冷組織が出やすくなる。そこでＴＬ〜６５０℃での平均冷却速度は、５℃／秒以下が好ましく、より好ましくは４．５℃／秒以下であり、更に好ましくは４℃／秒以下である。
（iii）６５０〜４００℃での平均冷却速度：２℃／秒以下
さらに、過冷組織が生成し始める６５０〜４００℃での冷却速度は遅くするのが好ましい。６５０〜４００℃での平均冷却速度は２℃／秒以下が好ましく、より好ましくは１．５℃／秒以下であり、更に好ましくは１℃／秒以下である。該平均冷却速度の下限は特に限定されないが、例えば０．３℃／秒程度である。

例えば自動車等に用いられるコイルばねを製造するためには、上記した圧延材をワイヤ加工、すなわち伸線加工してワイヤを製造する必要があり、例えば冷間巻きばねではワイヤ加工後、高周波加熱などの焼入れ焼戻しを行うのであり、このようなワイヤも本発明に含まれる。例えば、上記圧延材を５〜３５％程度の減面率で伸線加工し、その後９００〜１０００℃程度で焼入れし、３００〜５２０℃程度で焼戻しを行う。焼入れ温度は、十分にオーステナイト化させるために９００℃以上が好ましく、結晶粒粗大化を防止するために１０００℃以下が好ましい。また焼戻しの加熱温度は、ワイヤ強度の目標値に合わせて３００〜５２０℃の範囲で適切な温度に設定すれば良い。また、焼入れ焼戻しを高周波加熱によって行う場合は、焼入れ焼戻しの時間は夫々１０〜６０秒程度である。

このようにして得られる本発明のワイヤは１９００ＭＰａ以上の高い引張強度を実現できる。引張強度は、好ましくは１９５０ＭＰａ以上とでき、より好ましくは２０００ＭＰａ以上である。引張強度の上限は特に限定されないが、概ね２５００ＭＰａ程度である。また本発明のワイヤは、本発明の圧延材を用いているため１９００ＭＰａ以上の高強度でも優れた腐食疲労特性を発揮できる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。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、前記、後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。

表１〜３に示す化学組成の鋼材を転炉溶製にて溶製し、連続鋳造後、１１００℃以上で均質化処理を行った。均質化処理後、分塊圧延を行い、１１００〜１２８０℃で加熱した後、熱間圧延を行い、直径１４．３ｍｍの線材、すなわち圧延材を得た。溶鋼の脱ガス処理の有無、熱間圧延後のコイル巻取り温度ＴＬ及び巻取り後の冷却条件は表４〜６に記載の通りであり、また均質化処理の欄に「実施」と記載の試験例は１１００℃での均質化処理を１０時間以上行っており、「−」と記載の試験例では１１００℃での均質化処理の時間が１０時間未満である。

得られた線材、すなわち圧延材について、以下の要領で組織を同定し、非拡散性水素量を測定するとともに、伸線加工性を測定した。

（１）組織の同定
圧延材の横断面をバフ研磨し、腐食液によりエッチングした後、ミクロ組織を光学顕微鏡により観察して、フェライト組織と、ベイナイト及びマルテンサイト組織（以下、ベイナイト組織及びマルテンサイト組織を合わせて過冷組織と呼ぶ）の面積率を測定した。測定は表層から１ｍｍ深さの位置で測定した。観察視野は４００μｍ×３００μｍであり、５視野について測定を行い、その平均値を各組織の割合とした。また、パーライト組織の割合は、１００％からフェライト及び過冷組織の割合を差し引くことによって求めた。

（２）非拡散性水素量
前記圧延材から幅２０ｍｍ×長さ４０ｍｍの試験片を切出した。ガスクロマトグラフィ装置を用い、該試験片を１００℃／時間の昇温速度で昇温して３００〜６００℃での放出水素量を測定し、これを非拡散性水素量とした。

（３）伸線加工性
伸線加工性は引張試験の絞りにより評価した。前記圧延材からＪＩＳ１４号試験片を切出し、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に従い、万能試験機にてクロスヘッドスピード１０ｍｍ／分の条件で引張試験を行い、絞りＲＡを測定した。

次に、前記圧延材を直径１２．５ｍｍまで伸線、すなわち冷間引き抜き加工して、焼入れ焼戻しを行った。前記した伸線の減面率は約２３．６％であり、焼入れ焼戻しの条件は以下の通りである。

焼入れ焼戻し条件
・高周波加熱
・加熱速度：２００℃／秒
・焼入れ：９５０℃、２０秒、水冷却
・焼戻し：３００〜５２０℃の各温度、２０秒、水冷却

伸線及び焼入れ焼戻し後のワイヤについて、引張強度、耐水素脆性、及び耐食性の評価を行った。

（４）引張強度の測定
焼入れ焼戻し後のワイヤを所定長さに切断し、チャック間距離２００ｍｍ、引張速度５ｍｍ／ｍｉｎとして、ＪＩＳ Ｚ２２４１（２０１１）に従って引張試験を行った。

（５）耐水素脆性の評価
焼入れ焼戻し後のワイヤから、幅１０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍ×長さ６５ｍｍの試験片を切出した。そして、該試験片に４点曲げにより１４００ＭＰａの応力を負荷した状態で、該試験片を０．５ｍｏｌ／Ｌの硫酸と０．０１ｍｏｌ／Ｌのチオシアン酸カリウムの混合溶液に浸漬した。ポテンショスタットを用いて飽和カロメル電極（Saturated Calomel Electrode、ＳＣＥ）よりも卑な−７００ｍＶの電圧をかけ、割れが発生するまでの破断時間を測定した。

（６）耐食性の評価
焼入れ焼戻し後のワイヤから、切削加工で直径１０ｍｍ×長さ１００ｍｍの試験片を切出した。該試験片に５％ＮａＣｌ水溶液で８時間塩水噴霧を行い、３５℃、相対湿度６０％の湿潤環境にて１６時間保持し、これを１サイクルとして、全部で７サイクル繰返し、試験前後の試験片の重量差を測定し、これを腐食減量とした。

上記（１）〜（６）の結果を表４〜６に示す。

試験Ｎｏ．１〜４、７〜１１、１５〜１８、２１〜２５、３３、３４、３７〜４０、４５〜４７、４９〜５３、５５〜６０、６５〜８１は、化学組成が適切に調整された鋼を、上述した好ましい製造条件によって製造しているため、非拡散性水素量、フェライト及び過冷組織の面積率が本発明の要件を満たしている。従って、圧延材の引張試験での絞りＲＡが３０％以上であり伸線加工性に優れており、また圧延材を伸線加工し、焼入れ焼戻しして得られるワイヤは、１９００ＭＰａ以上の優れた引張強度を有している。さらに、焼入れ焼戻し後のワイヤは、耐水素脆性の評価試験において破断時間が１０００秒以上であり、耐食性の評価試験での腐食減量が５．０ｇ以下であり、耐水素脆性及び耐食性のいずれにも優れている。なお、表４〜６中の「低減率」とは、式（１）右辺の値と実際のフェライト面積率の値の差の、式（１）右辺の値に対する割合を百分率で表した値である。

一方、上記試験Ｎｏ．以外の例では、鋼の化学組成、非拡散性水素量、フェライト面積率及び過冷組織面積率の少なくともいずれかの要件が本発明の要件を満足していないため、圧延材の伸線加工性、ワイヤの引張強度、耐水素脆性、耐食性の少なくともいずれかの特性が劣る結果となった。

Ｎｏ．５、６、１９、２０は、上記した非拡散性水素の低減処理をいずれも行っていないため、圧延材中の非拡散性水素量が多くなり、伸線加工性が低下した。

Ｎｏ．１２、２６は、巻取り温度ＴＬから６５０℃までの平均冷却速度が遅かったため、フェライト面積率が高くなり、耐水素脆性が低下した。Ｎｏ．１３、２７は、巻取り温度ＴＬから６５０℃までの平均冷却速度が速かったため、過冷組織が増加し伸線加工性が低下した。Ｎｏ．１４、２８は６５０〜４００℃までの平均冷却速度が速かったため、過冷組織が増加し、伸線加工性が低下した。

Ｎｏ．２９〜３１は、過冷組織が増加して伸線加工性が低下した。Ｎｏ．３２はＣ量が少なく、ワイヤの引張強度が不足した。Ｎｏ．３５はＣ量が多く、残留オーステナイトが生成して、耐水素脆性が低下した。Ｎｏ．３６は、Ｓｉ量が少なく、ワイヤの引張強度が不足した。

Ｎｏ．４１は、Ｍｎ量が多く、靭性が低下して耐水素脆性が低下した。Ｎｏ．４２は、Ｐ量及びＳ量が多く、粒界脆化を引き起こして耐水素脆性が低下した。Ｎｏ．４３は、Ｓ量が多く、粒界脆化を引き起こして耐水素脆性が低下した。Ｎｏ．４４は、Ｃｕ、Ｎｉが添加されていないため、耐食性が低下した。

Ｎｏ．４８は、Ｎｉが添加されていないため、耐食性が低下した。Ｎｏ．５４は、Ｃｒ量が多く、Ｃｒ系炭化物や金属Ｃｒが高濃度に固溶したセメンタイトの溶け残りが発生し、応力集中源となって耐水素脆性が低下した。

Ｎｏ．６１〜６４は、巻取り温度ＴＬ〜６５０℃までの平均冷却速度が遅く、フェライト面積率が増加して耐水素脆性が低下した。

本発明の圧延材及びワイヤは、自動車等に用いられるコイルばね、例えばエンジンやサスペンション等に使用される弁ばね、懸架ばねなどに好適に用いることができ、産業上有用である。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．３９〜０．６５％、
   Ｓｉ：１．５〜２．５％、
   Ｍｎ：０．１５〜１．２％、
   Ｐ ：０％超、０．０１５％以下、
   Ｓ ：０％超、０．０１５％以下、
   Ａｌ：０．００１〜０．１％、
   Ｃｕ：０．１〜０．８０％、
   Ｎｉ：０．１〜０．８０％
   を含有し、残部が鉄及び不可避不純物であり、
   非拡散性水素量が０．４０質量ｐｐｍ以下であり、
   百分率で表されるフェライトの面積率が下記（１）式を満たすとともに、ベイナイトとマルテンサイトの合計面積率が２％以下であり、
   前記フェライトと前記ベイナイトと前記マルテンサイト以外の組織がパーライトであることを特徴とする高強度ばね用圧延材。
   フェライト面積率＜｛（０．７７−［Ｃ］）／０．７７−［Ｃ］／３
   ＋０．０８｝×１００ ・・・（１）
   但し、上記（１）式中、［元素名］は各元素の質量％で表される含有量を意味する。
2. 更に、質量％で下記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のいずれかに属する１種以上を含有する請求項１に記載の高強度ばね用圧延材。
   （ａ）Ｃｒ：０％超、１．２％以下
   （ｂ）Ｔｉ：０％超、０．１３％以下
   （ｃ）Ｂ ：０％超、０．０１％以下
   （ｄ）Ｎｂ：０％超、０．１％以下、Ｍｏ：０％超、０．５％以下、及びＶ：０％超、０．４％以下よりなる群から選ばれる少なくとも１種
3. Ｂを含有しない時は下記（２）式を用い、Ｂを含有する時は下記（３）式を用いて算出される理想臨界直径Ｄ_iが６５〜１４０ｍｍである請求項１または２に記載の高強度ばね用圧延材。
   Ｄ_i＝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］）
   ・・・（２）
   Ｄ_i＝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） ・・・（３）
   但し、上記（２）、（３）式中、［元素名］は各元素の質量％で表される含有量を意味する。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用圧延材を伸線し、焼入れ焼戻し処理した、引張強度１９００ＭＰａ以上の高強度ばね用ワイヤ。