JPWO2013122261A1 - ばね鋼 - Google Patents

Abstract

従来の高強度ばね鋼に対して、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＭｏおよびＳｂの添加量の適正化を行うことによって、熱間圧延で所定の線材に製造する際の、表層のフェライト脱炭を抑制し、耐脱炭性に優れた高強度のばね鋼を提供する。Ｃ：０．３５質量％以上０．４５質量％以下、Ｓｉ：１．７５質量％以上２．４０質量％以下、Ｍｎ：０．１質量％以上１．０質量％以下、Ｃｒ：０．０１質量％以上０．５０質量％未満、Ｍｏ：０．０１質量％以上１．００の質量％以下、Ｐ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２５質量％以下およびＯ：０．００１５質量％以下に加えて、Ｓｂ：０．０３５質量％以上０．１２質量％以下およびＳｎ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下のうちから選ばれる１種または２種を、所定の関係の下に含有させる。

Description

本発明は、例えば自動車用の懸架ばね、トーションバーおよびスタビライザーなどの素材となる高強度のばね鋼、特に高強度でかつ耐脱炭性に優れ、自動車用の足回り部品として好適な、ばね鋼に関するものである。

近年、地球環境問題の観点から、自動車の燃費向上、ならびに二酸化炭素排出量の削減が要望されており、それに伴って自動車の軽量化の要望がますます強くなっている。特に、自動車の足回り部品の一つである懸架ばねの軽量化に対する要望が強く、焼入れ−焼戻し後の強度が２０００ＭＰａ以上となる、高強度化した素材を用いた高応力設計が適用されている。

汎用的なばね用鋼は、ＪＩＳ Ｇ４８０１などに規定される、焼入れ−焼戻し後の強度が１６００〜１８００ＭＰａ程度のものであり、熱間圧延で所定の線材に製造後、熱間成形ばねの場合は加熱しながらばね状に成形してから焼入れ−焼戻し処理を行い、冷間成形ばねの場合は、引き抜き加工後、焼入れ−焼戻し処理を行ってばね状に成形される。

例えば、懸架ばねには、これまで一般的に使用されている素材として、ＪＩＳ Ｇ４８０１に記載のＳＵＰ７が用いられている。ＳＵＰ７は、Ｓｉを１．８〜２．２質量％含有しており、熱間圧延で所定の線材に製造する際、表層に脱炭、とりわけフェライト脱炭が発生し易く、ばねとしての特性（例えば、疲労特性）に悪影響を与えることになる。フェライト脱炭は、オーステナイト組織が脱炭に伴ってフェライト変態する現象であり、鋼素材加熱時や熱間圧延工程にて鋼素材の表面が脱炭することによって生じるほか、ばね用鋼線材を加熱する、熱間成形や焼入れする過程でも生じる。このフェライト脱炭の抑制は、ばねの疲労特性確保のほか、脱炭層を削り取るためのピーリング工程などの省略、歩留まり向上などの種々の利点をもたらすことから、フェライト脱炭を抑制するための種々の提案がなされている。

例えば、特許文献１に記載の技術は、ＣｕとＮｉの合計添加量（Ｃｕ＋Ｎｉ）を制御することにより、フェライト脱炭の抑制を図っている。しかしながら、フェライト脱炭は鋼材表層域における炭素が減少することにより表層域がフェライト単相組織となる現象であり、Ｃｕ＋Ｎｉを０．２０質量％から０．７５質量％の範囲に制御しても、フェライト脱炭を確実に抑制することは難しい。

特許文献２には、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓの添加量を制御し、線材の結晶粒径を制御することにより、耐脱炭性および伸線加工性に優れたばね用鋼線材が開示されている。しかしながら、フェライト脱炭は鋼材表層域における炭素が減少することにより表層域がフェライト単相組織となる現象であり、Ｃ、Ｓｉ、Ｎｎ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓの添加量調整にて線材の結晶粒径を制御しても、フェライト脱炭を確実に抑制することは難しい。

特許文献３には、仕上圧延を表面温度が８００〜１０００℃の温度範囲で終了させた後、圧延後の鋼帯を巻取り前に水冷することなくコイル状に巻取り、巻取り後の冷却過程において、冷却条件を急変することなく空冷以下の速度で変態完了まで冷却することによって、フェライト脱炭の発生を抑制している。しかしながら、フェライト脱炭は鋼材表層域における炭素が減少することにより表層域がフェライト単相組織となる現象であり、製造条件のみ制御してもフェライト脱炭を抑制することは難しい。

特許文献４には、ばね鋼を製造するに際し、通常含まれる微量成分であるＮｉ、Ｃｕ、Ｓの組合わせ量をコントロールすることにより脱炭を低減している。しかしながら、フェライト脱炭は鋼材表層域における炭素が減少することにより表層域がフェライト単相組織となる現象であり、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓの組合わせ量を制御しても、表層の炭素の低減を確実に回避することは難しく、フェライト脱炭を抑制することは難しい。

特許文献５には、Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＳｂの添加量を制御することによって、フェライト脱炭を抑制している。この文献５には、実施例として０．５５質量％以上のＣを含んでいる鋼が開示されており、添加するＣ量が多いため、フェライト脱炭の抑制には有利である。しかしながら、フェライト脱炭は抑制できても、含有されているＣやＳｂが多いため、脱炭（ここでは全脱炭）の抑制や、伸線性の低下を抑制することまでは難しい点に問題を残していた。

特開２００３−１０５４９６号公報 特開２００９−６８０３０号公報 特開２００３−２６８４５３号公報 特開平８−１７６７３７号公報 特公平６−７２２８２号公報

上述の通り、自動車の燃費向上、ならびに二酸化炭素排出量の削減の観点から、自動車の足回り部品の１つである懸架ばねの更なる高強度化が希求されていた。しかしながら、ばねの表層にフェライト脱炭が生じると、ばねとしての特性（例えば、疲労特性）に悪影響を与えるため、フェライト脱炭を抑制すること（以下、耐脱炭性ともいう）が課題となっていた。また、Ｃの増加やＣｕ、Ｎｉ、Ｓｂなどの合金元素の添加により、伸線前のばね素材に硬質な組織が生成しやすくなるため、伸線性が低下することも課題となっていた。

本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、従来の高強度ばね鋼に対して、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＳｂおよびＳｎの添加量の適正化を行うことによって、高強度であって、しかもばね鋼の諸特性を損なわない、耐脱炭性に優れたばね鋼を提供しようとするものである。

発明者らは、前記課題を解決するため、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＳｂおよびＳｎの各添加量を適正化するとともに、下記（１）式で表されるＤＦ値、下記（２）式で表されるＤＴ値および下記（３）式で表されるＷＤ値が適正範囲となるように成分設計を行うことにより、ばねに必要な特性を維持しつつ、素材の耐脱炭性および伸線性が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
１．Ｃ：０．３５質量％以上０．４５質量％以下、
Ｓｉ：１．７５質量％以上２．４０質量％以下、
Ｍｎ：０．１質量％以上１．０質量％以下、
Ｃｒ：０．０１質量％以上０．５０質量％未満、
Ｍｏ：０．０１質量％以上１．００質量％以下、
Ｐ：０．０２５質量％以下、
Ｓ：０．０２５質量％以下および
Ｏ：０．００１５質量％以下
に加えて、
Ｓｂ：０．０３５質量％以上０．１２質量％以下および
Ｓｎ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種を、
下記（１）式で算出されるＤＦ値が０．２３以上１．５０以下、
下記（２）式で算出されるＤＴ値が０．３４以上０．４６以下および
下記（３）式で算出されるＷＤ値が２５５以下
の条件下に含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするばね鋼。
記
ＤＦ＝［Ｓｉ］／｛１００×［Ｃ］×（［Ｓｎ］＋［Ｓｂ］）｝ ・・・（１）
ＤＴ＝１０×［Ｃ］／｛５×［Ｓｉ］＋２×［Ｓｎ］＋３×［Ｓｂ］｝ ・・・（２）
ＷＤ＝５４４×［Ｃ］＋１８８×［Ｓｎ＋Ｓｂ］ ・・・（３）
但し、［ ］は該括弧内成分の含有量（質量％）

２．前記成分組成は、さらに、
Ａｌ：０．５０質量％以下、
Ｃｕ：１．０質量％以下および
Ｎｉ：２．０質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記１に記載のばね鋼。

３．前記成分組成は、さらに、
Ｗ：２．０質量％以下、
Ｎｂ：０．１質量％以下、
Ｔｉ：０．２質量％以下および
Ｖ：０．５質量％以下
のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする前記１または２に記載のばね鋼。

４．前記成分組成は、さらに、
Ｂ：０．００５質量％以下
を含有することを特徴とする前記１ないし３のいずれかに記載のばね鋼。

本発明によれば、従来の高強度ばね鋼に比べて遥かに優れた耐脱炭性並びに伸線性を有する、高強度のばね鋼を安定して提供することが可能となる。

耐脱炭性の評価結果を、ＤＦ値に関して整理して示した図である。 伸線性の評価を、ＷＤ値に関して整理した図である。 表層にフェライト脱炭層が生成した例を示す金属組織写真である。 表層にフェライト脱炭層が生成していない例を示す金属組織写真である。 表層にフェライト脱炭ではない脱炭層が生成した例を示す金属組織写真である。

以下に、本発明のばね鋼について、詳しく説明する。
まず、本発明の高強度ばね鋼の成分組成について説明する。
Ｃ：０．３５質量％以上０．４５質量％以下
Ｃは、必要な強度を確保するために必須の元素であり、０．３５質量％未満では所定の強度を確保することが難しく、また所定強度を確保するためには、合金元素の多量添加が必要となって、合金コストの上昇を招くことから、０．３５質量％以上とする。また、Ｃ含有量が少ないと、フェライト脱炭を生成し易くなる。一方、０．４５質量％超の添加は靭性の低下、線材における硬化や伸線加工時の伸線性の低下を招く。以上のことから、Ｃ量は０．３５質量％以上０．４５質量％以下とする。好ましくは、０．３６質量％以上０．４５質量％以下である。

Ｓｉ：１．７５質量％以上２．４０質量％以下
Ｓｉは、脱酸剤として、また、固溶強化や焼戻し軟化抵抗を向上させることにより鋼の強度を高め、鋼の耐へたり性を向上する元素であり、本発明では、１．７５質量％以上で添加する。しかし、２．４０質量％を超える添加は、ばね製造時にフェライト脱炭の生成をまねくことになる。よって、Ｓｉの上限は２．４０質量％とする。以上のことから、Ｓｉ量は１．７５質量％以上２．４０質量％以下とする。好ましくは、１．８０質量％以上２．３５質量％以下である。

Ｍｎ：０．１質量％以上１．０質量％以下
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を向上させて強度を高めるのに有益であるため、０．１質量％以上添加する。しかし、１．０質量％を超える添加は、鋼を高強度化するため、母材靭性の低下を招く。よって、Ｍｎの上限は、１．０質量％とする。以上のことから、Ｍｎ量は、０．１質量％以上１．０質量％以下とする。好ましくは、０．２質量％以上１．０質量％以下である。

Ｐ：０．０２５質量％以下
Ｓ：０．０２５質量％以下
ＰおよびＳは、粒界に偏析して鋼の母材靭性の低下を招く。以上のことから、これらの元素はできるかぎり低減するのが好ましい。よって、ＰおよびＳはいずれも０．０２５質量％以下とする。なお、０．０００２質量％未満とするには高いコストを要することから、工業的には０．０００２質量％まで低減すればよい。

Ｃｒ：０．０１質量％以上０．５０質量％未満
Ｃｒは、鋼の焼入れ性を向上させ強度を増加させる元素である。そのため、０．０１質量％以上は添加する。一方で、０．５０質量％以上の添加は、鋼を高強度化するため、母材靭性の低下を招く。また、Ｃｒはピット底でのｐＨを低下させるため、耐孔食性を低下させる元素である。以上のことから、Ｃｒ量は０．０１質量％以上０．５０質量％未満とする。好ましくは、０．０１質量％以上０．４９質量％以下である。

Ｍｏ：０．０１質量％以上１．００質量％以下
Ｍｏは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高める元素である。このような効果を得るためには、０．０１質量％以上で添加する。しかし、１．００質量％を超えて添加すると、却って合金コストが上昇する。また、鋼を高強度化するため、母材靭性の低下をまねく。以上のことから、Ｍｏ量は０．０１質量％以上１．００質量％以下とする。好ましくは、０．０１質量％以上０．９５質量％以下である。

Ｓｂ：０．０３５質量％以上０．１２質量％以下
Ｓｂは、表層に濃化し、鋼中からＣの拡散を抑制し、表層のＣ量の低下を抑制する元素であり、０．０３５質量％以上で添加する必要がある。しかし、０．１２質量％を超えて添加すると、鋼中に偏析するようになり、母材靭性および伸線性の低下を招く。また、Ｓｂの添加によって素線の焼入れ性が向上し、ベイナイトやマルテンサイトなどの硬質な組織が生成し、引き抜き加工時の伸線性が低下する。以上のことから、Ｓｂ量は０．０３５〜０．１２質量％とする。より好ましい範囲は、０．０３５〜０．１１５質量％である。

Ｓｎ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下
Ｓｎは、表層に濃化し、鋼中からＣの拡散を抑制し、表層のＣ量の低下を抑制する元素であり、０．０３５質量％以上で添加する必要がある。しかし、０．２０質量％を超えて添加すると、鋼中に偏析するようになり、ばねの特性の低下を招くおそれがある。また、Ｓｎの添加によって素線の焼入れ性が向上し、ベイナイトやマルテンサイトなどの硬質な組織が生成し、引き抜き加工時の伸線性が低下する。以上のことから、Ｓｎ量は０．２０質量％以下とする。より好ましい範囲は、０．０３５〜０．１９５質量％である。
なお、本発明においては、ＳｂおよびＳｎのうちのいずれかを積極的に添加しない場合を含み、Ｓｂを積極添加しない場合はＳｂ量が０．０１質量％未満、Ｓｎを積極添加しない場合はＳｎ量が０．０１質量％未満、にて不可避的不純物として含有される。上記（１）式におけるＳｂ含有量［Ｓｂ］、Ｓｎ含有量［Ｓｎ］については、不可避的不純物として含有されるＳｎの含有量（質量％）あるいは、積極的に添加した場合にはその含有量（質量％）、の値を用いるものとする。

Ｏ：０．００１５質量％以下
Ｏは、ＳｉやＡｌと結合し、硬質な酸化物系非金属介在物を形成して、ばねの特性の低下を招くため、可能な限り低い方が良いが、本発明では、０．００１５質量％までは許容される。

ＤＦ値（上記（１）式）：０．２３以上１．５０以下
ＤＴ値（上記（２）式）：０．３４以上０．４６以下
ＷＤ値（上記（３）式）：２５５以下
次に、ＤＦ値、ＤＴ値およびＷＤ値を導くに至った実験結果について詳述する。
すなわち、発明者らは、成分組成並びにＤＦ値、ＤＴ値およびＷＤ値を変化させて表１に示す成分組成のばね鋼をそれぞれ作製し、各々の耐脱炭性、靭性並びに伸線性を調査した。この評価結果を、表２に示す。また、図１に、耐脱炭性の評価結果を、ＤＦ値に関して整理して示す。なお、表１中の各元素の数値は含有量（質量％）である。

ばね鋼の製造条件は、耐脱炭性に及ぼすＤＦ値、ＤＴ値およびＷＤ値の影響を調査するために同じにした。その製造条件は、次の通りである。まず、真空溶解で溶製した円柱状の鋼塊（直径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍ）を１０００℃に加熱後、熱間圧延を行い、直径１５ｍｍの線材にした。その際、加熱時の雰囲気は、大気雰囲気で実施した。熱間圧延後の線材からミクロ組織観察用サンプル（直径１５ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を採取した。

なお、耐脱炭性および靭性は、後述する実施例における試験方法にて評価した。
ばね鋼の靭性は、実際にばねを製造して評価するのが好ましいが、ここでは、上述の、熱間圧延した直径１５ｍｍの線材につき、そのミドル部から直径１５ｍｍおよび長さ１００ｍｍの丸棒試験片を採取し、焼入れ−焼戻し処理を行った。焼入れは、加熱温度９００℃、保持時間１５分、６０℃油冷により行い、焼戻しは、加熱温度３５０℃、保持時間６０分、水冷により行った。この熱処理を行った丸棒試験片を用いて、後述する実施例における試験方法にて評価した。

また、ばねを製造する際の伸線性は、真空溶解で溶製した鋼塊（直径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍ）を１０００℃に加熱後、熱間圧延を行って直径１３．５ｍｍの線材に仕上げた。その後、得られた線材に対して、１２．６ｍｍ径まで引き抜き加工を行って、２０ｍの長さにわたる引き抜きを行ったときの、断線回数をもって評価した。

ここに、Ｓｉはフェライト組織の生成を助長する元素であり、Ｃはフェライト組織の生成を抑制する元素であり、ＳｂおよびＳｎは表層のＣ量の低下を抑制する元素であることから、上記式（１）で定められるＤＦ値をフェライト脱炭の発生し易さの指標とできるのではないかと考え、このＤＦ値でフェライト脱炭深さを整理した。その結果、表２および図１に示すように、ＤＦ値が１．５０超になると、添加するＳｉ量の増加、または／および添加するＣ、Ｓｎ、Ｓｂの量の減少によって、ばね表層のＣ量が低下するためにフェライト脱炭が生じ、その結果、耐脱炭性が低下した。一方、ＤＦ値が０．２３未満になると、添加するＳｉ量が減少、または／および、添加するＣ、Ｓｎ、Ｓｂの量が増加して、表層のＣ量の低下を抑制できるために耐脱炭性は向上するが、顕著な向上は認められなかった。さらに、ＤＦ値が０．２３未満の場合、上述の通り、添加するＣ、Ｓｎ、Ｓｂ量が増加するため靭性が低下し易くなる。以上のことから、ＤＦ値は、０．２３以上１．５０以下の範囲に調整することによって、耐脱炭性が向上し、かつ靭性を維持できることが判明した。

同様に、表２に示すように、上記式（２）で定められるＤＴ値が０．３４未満になると、添加するＳｉ量の増加、または／および添加するＣ、Ｓｎ、Ｓｂの量の減少によって、ばね表層のＣ量が低下するためにフェライト脱炭が生じ、その結果、耐脱炭性が低下した。逆に、ＤＴ値が０．４６超になると、ＳｎやＳｂの添加量が増加するため、ばね表層へのＣの供給が遅くなり、却って脱炭量が０．１ｍｍ以上に増加した。以上のことから、ＤＴ値は、０．３４以上０．４６以下の範囲に調整することによって、耐脱炭性は向上することが判明した。

以上のように、Ｓｎおよび／またはＳｂ量を調整することによって耐脱炭性が向上するが、これら元素は焼入性を向上させ、素線（熱間圧延後の線材）にベイナイトやマルテンサイトの生成を助長するため伸線性への悪影響が懸念された。そこで上述のとおり伸線性の調査を行い、Ｃ、Ｓｂ、Ｓｎの含有量で伸線性への影響を整理した。その結果を、表２および図２に示す。なお、図２には、ＤＦ値およびＤＴ値が本発明の範囲内である鋼Ｎｏ．についての結果のみをプロットした。表２および図２に示すように、上記式（３）で定められるＷＤ値が２５５超になると、Ｃ、ＳｎまたはＳｂの量が増加して素線の高硬度化をまねき、またＳｎまたはＳｂにより焼入れ性が向上する結果、ベイナイトやマルテンサイトの硬質組織の生成をまねくため、靭性および伸線性が低下した。

ここで、本発明のばね鋼において、ＷＤ値は、Ｃ含有量が０．３５質量％でＳｂおよびＳｎのいずれか一方を０．０３５質量％で含有する場合に最も小さい値を示し、この際のＷＤ値は１９７である。すなわち、本発明のばね鋼では、Ｃ含有量と、Ｓｂ含有量またはＳｎ含有量との下限がそれぞれ特定されているため、上記式（３）で定められるＷＤ値は１９７以上の値にしかなり得ない。

なお、ＷＤ値が小さくなるほど、Ｃ、ＳｎまたはＳｂの量が減少するため、ばね製造時に硬さが低下する傾向にある。以上のことから、ＷＤ値は、２２０以上であることが好ましい。

さらに、本発明のばね鋼においては、高強度化の観点から、上記成分に加え必要に応じて以下の成分を含有することができる。
Ａｌ：０．５０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下およびＮｉ：２．０質量％以下のうちの１種または２種以上
まず、ＣｕおよびＮｉは、焼入れ性や焼戻し後の強度を高める元素であり、選択して添加することができる。このような効果を得るためには、ＣｕおよびＮｉは０．００５質量％以上で添加することが好ましい。しかし、Ｃｕは１．０質量％およびＮｉは２．０質量％を超えて添加すると、却って合金コストが上昇するため、Ｃｕは１．０質量％およびＮｉは２．０質量％を上限として添加するのが好ましい。

また、Ａｌは脱酸剤として有用であり、さらに、焼入れ時のオーステナイト粒成長を抑制することによって、強度の維持に有効な元素であるため、好ましくは０．０１質量％以上で添加することができる。しかしながら、０．５０質量％を超えて添加しても、その効果は飽和してコスト上昇を招く不利が生じる上、冷間でのコイリング性も低下する。よって、Ａｌは０．５０質量％を上限として添加することが好ましい。

さらにまた、本発明のばね鋼は、強度を高めるために、上記成分に加えて、必要に応じて以下の成分を含有することができる。
Ｗ：２．０質量％以下、Ｎｂ：０．１質量％以下、Ｔｉ：０．２質量％以下およびＶ：０．５質量％以下のうちの１種または２種以上
Ｗ、Ｎｂ、ＴｉおよびＶは、いずれも焼入れ性や焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要とする強度に応じて選択して添加することができる。このような効果を得るためには、Ｗ、ＮｂおよびＴｉは、それぞれ０．００１質量％以上、Ｖは０．００２質量％以上にて添加することが好ましい。
しかし、Ｖは０．５質量％、Ｎｂは０．１質量％およびＴｉは０．２質量％、を超えて添加すると、鋼中に炭化物が多量に生成し、高強度化しすぎて靭性の低下を招く。Ｎｂ、ＴｉおよびＶは、それぞれ上記の値を上限として添加するのが好ましい。また、Ｗは２．０質量％を超えて添加すると、高強度化しすぎて靭性が低下し、合金コストの上昇を招く。よって、Ｗは、２．０質量％を上限として添加するのが好ましい。

Ｂ：０．００５質量％以下
Ｂは、焼入れ性の増大により焼戻し後の鋼の強度を高める元素であり、必要に応じて含有することができる。上記効果を得るためには、０．０００２質量％以上で添加するのが好ましい。しかし、０．００５質量％を超えて添加すると、冷間での加工性が劣化するおそれがある。よって、Ｂは０．００５質量％以下の範囲で添加することが好ましい。

以上の成分組成を有する鋼塊は、転炉による溶製においても真空溶製によるものでも使用できる。そして、鋼塊、スラブ、ブルームまたはビレットなどの素材は、加熱されて熱間圧延され、酸洗してスケール除去された後に伸線されて所定の太さに整えられ、ばね用鋼に供される。

かくして得られた高強度ばね鋼は、安価に製造できるにも関わらず、優れた耐脱炭性や伸線性を有し、例えば自動車の足回り部品である懸架ばねへの適用が可能である。

表３に示した成分組成（表３中の各元素の値は全て含有量（質量％））を有する鋼を転炉で溶製し、これらの鋼から製造したビレットを、１０００℃に加熱後、熱間圧延を行い、直径１５ｍｍおよび伸線性評価用の１３．５ｍｍの線材にした。加熱時の雰囲気は、高炉ガスとコークス炉ガスとの混合ガス（Ｍガス）雰囲気で実施したが、他の雰囲気（例えば、大気、ＬＮＧ、都市ガス、ＣＯＧ＋ＢＦＧのような混合ガス、ＣＯＧ、重油、窒素、アルゴンなど）を用いて加熱しても良い。熱間圧延後の線材からミクロ組織観察用サンプル（直径１５ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を採取し、以下の方法に従って耐脱炭性およびばね鋼の靭性を調査した。
また、ばね鋼の靭性は、実際にばねを製造して評価するのが好ましいが、ここでは、上述した直径１５ｍｍの線材から直径１５ｍｍ、長さ１００ｍｍの丸棒試験片を採取し、焼入れ−焼戻し処理を行った。焼入れは加熱温度９００℃、保持時間１５分、６０℃油冷により行い、焼戻しは加熱温度３５０℃、保持時間６０分、水冷により行った。得られた丸棒試験片に対して、以下の試験方法にて評価を行った。

［耐脱炭性］
耐脱炭性は、熱間圧延後の線材の表層におけるフェライト単相組織の有無により判断した。評価方法は、ＪＩＳ Ｇ０５５８に従い、次の通りに行った。熱間圧延後の線材から長手方向（圧延方向）に対して１０ｍｍ切断した。切断面（長手方向に対して垂直な断面：以下、Ｃ断面）の組織観察を行うため、樹脂に埋め込み、鏡面研磨後、３％ナイタルにて腐食を行い、Ｃ断面表層の組織観察を行った。表層に、図３に示すようなフェライト単相組織が認められる場合、フェライト脱炭が生成したとしてフェライト脱炭層の一番深いところをフェライト脱炭深さと定義した。また、図４に示すような組織であった場合には、フェライト脱炭の生成は認められないと定義した。また、図５に示すような組織であった場合、すなわち表層にパーライト分率の低い領域が存在している場合には、フェライト脱炭層の生成は認められないが、脱炭が生じたとして、その領域が０．１ｍｍ未満であれば耐脱炭性が良好であると判断した。

［靭性］
靭性は、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に記載の２ｍｍＵノッチシャルピー衝撃試験片（高さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ５５ｍｍ、ノッチ深さ２ｍｍ、ノッチ底半径１ｍｍ）を用いて、試験温度２０℃、試験本数３本で実施し、それぞれ吸収エネルギーを求め、得られた吸収エネルギーを０．８で割り、衝撃値（Ｊ／ｃｍ^２）を求めた。そして、３本の試験片の衝撃値の平均値を求めた。靭性は、ばね鋼に求められる特性の１つであるため、本発明では、基準鋼の２倍以下であれば、靭性が低下したと判断した。

［伸線性］
伸線性は、上述の直径１３．５ｍｍの線材に対して、１２．６ｍｍ径まで引き抜き加工を行って、２０ｍの長さにわたる引き抜きを行ったときの、断線回数をもって評価した。この断線が１回でも発生した場合に、伸線性が低下したと判断した。

表４に、フェライト脱炭の深さおよび靭性（衝撃特性）の各評価結果を示す。本発明の成分組成と、ＤＦ値、ＤＴ値およびＷＤ値とを満たす、鋼Ｎｏ．Ｂ−１、Ｂ−３、Ｂ−５〜７、Ｂ−１０、Ｂ−１３〜１６、Ｂ−１８〜２８およびＢ−３４〜３８の鋼は、フェライト脱炭の生成がなく、脱炭も０．１ｍｍ以下であり、また引き抜き加工時の断線もなく、良好な耐脱炭性および伸線性を有し、さらに靭性も良好な値を示していることが分かる。これに対して、成分組成が本発明の範囲外である鋼Ｎｏ．Ｂ−２、Ｂ−４、Ｂ−８〜９、Ｂ−１７、Ｂ−２９〜３３およびＢ−３９〜４０の鋼、および成分組成は本発明の範囲内であるがＤＦ値が本発明の範囲外である鋼Ｎｏ．Ｂ−１１〜Ｂ−１２は、フェライト脱炭層が生じるか、脱炭層が０．１ｍｍ以上になるか、あるいは、伸線性が低下していることが分かる。

Claims (4)

1. Ｃ：０．３５質量％以上０．４５質量％以下、
   Ｓｉ：１．７５質量％以上２．４０質量％以下、
   Ｍｎ：０．１質量％以上１．０質量％以下、
   Ｃｒ：０．０１質量％以上０．５０質量％未満、
   Ｍｏ：０．０１質量％以上１．００質量％以下、
   Ｐ：０．０２５質量％以下、
   Ｓ：０．０２５質量％以下および
   Ｏ：０．００１５質量％以下
   に加えて、
   Ｓｂ：０．０３５質量％以上０．１２質量％以下および
   Ｓｎ：０．０３５質量％以上０．２０質量％以下
   のうちから選ばれる１種または２種を、
   下記（１）式で算出されるＤＦ値が０．２３以上１．５０以下、
   下記（２）式で算出されるＤＴ値が０．３４以上０．４６以下および
   下記（３）式で算出されるＷＤ値が２５５以下
   の条件下に含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の成分組成を有することを特徴とするばね鋼。
   記
   ＤＦ＝［Ｓｉ］／｛１００×［Ｃ］×（［Ｓｎ］＋［Ｓｂ］）｝ ・・・（１）
   ＤＴ＝１０×［Ｃ］／｛５×［Ｓｉ］＋２×［Ｓｎ］＋３×［Ｓｂ］｝ ・・・（２）
   ＷＤ＝５４４×［Ｃ］＋１８８×［Ｓｎ＋Ｓｂ］ ・・・（３）
   但し、［ ］は該括弧内成分の含有量（質量％）
2. 前記成分組成は、さらに、
   Ａｌ：０．５０質量％以下、
   Ｃｕ：１．０質量％以下および
   Ｎｉ：２．０質量％以下
   のうちから選ばれる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に記載のばね鋼。
3. 前記成分組成は、さらに、
   Ｗ：２．０質量％以下、
   Ｎｂ：０．１質量％以下、
   Ｔｉ：０．２質量％以下および
   Ｖ：０．５質量％以下
   のうちから選ばれる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または２に記載のばね鋼。
4. 前記成分組成は、さらに、
   Ｂ：０．００５質量％以下
   を含有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のばね鋼。