高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法
【課題】生産性が高く、低コストで実現可能な高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法を提供すること。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度の中空ばね用シームレス鋼管の製造方法に関し、特に自動車に使用される中空形状の懸架ばねなど適したシームレス鋼管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にコイルばねは中実の素線を巻回して形成されたものであるが、これを軽量化すべく、中空の素線すなわち管状のものを用いる発想は特許文献１などにすでに提案されているように古くから知られてはいるが、その製造が困難であることと過去の市場ニーズもさほど強くなかったことも相俟って実用化に至る状況になかった。
【０００３】
一方、近年は自動車を中心とする各種車両の軽量化に対するニーズが一段と高まりつつあり、排ガス規制を受けるガソリン車に限らず、今後有望視される電気自動車においても消費エネルギーの削減の観点から車体全体の軽量化は将来に亘って必要不可欠なテーマとして位置付けられ、これに伴ってサスペンションの主要部品である懸架ばねを中空化する技術ついても改めて注目され、その実用化に向けての本格的な開発が推進されている現状にある。
【０００４】
ところで、この中空懸架ばねは直径１６ｍｍ前後の小径の鋼管（単にパイプということがある）を素材として熱間あるいは冷間でばね成形を行い、次いで焼入れ、焼き戻しなどの熱処理を施し、最終的にセッチング、ショットピーニングなどを行って製品となすが、素材となる鋼管が懸架ばねの特性を大きく左右するため、この素材鋼管の品質を維持、向上させることが重要となる。
【０００５】
この中空ばね用素材鋼管として当初製造コストの面から電縫管（溶接管）が検討されたが、ばね用鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０１）は一般に０．５％以上のＣを含有する高Ｃ鋼で、またＳｉやＭｎなどの合金元素を含むため、造管、溶接工程を必須とするその製造に適さないことが判明し、シームレス鋼管の適用が検討されるに至った。
【０００６】
シームレス鋼管の製法については、特殊な穿孔工程（マンネスマン穿孔）を必要とするマンネスマン法と呼ばれる熱間圧延法あるいは、このような穿孔工程を必要としない熱間押出し法などにより、ビレットの熱間加工行い、さらに冷間加工行って製品サイズの鋼管を得るのが一般的であるが、前者のマンネスマン法の採用を前提とした技術として特許文献２に記載のものが提案されている。この技術はマンネスマン穿孔前の加熱温度条件並びに中間熱処理条件を規定することで一定の品質を確保しながら加工性を改善するものであるが、生産性が悪い上に上記穿孔が可能な素材を前提とするため強度の高い鋼管を製造することが困難であり、さらに鋼管の内周面に表面傷が発生するなどの問題があった。
【０００７】
この問題を解消するため、後者の熱間押出し法を用いる技術が特許文献３及び４に提案されている。両文献に開示される技術はいずれも熱間押出し法として静水圧押出しを採用するものである。
【０００８】
しかしながら、これらの従来技術においても熱間静水圧押出法による熱間加工後に複数回の圧延及び／または抽伸などの冷間加工を経るため生産性が悪く、コスト高となり高強度ばね用として中実材に取って代わり実用化するには不十分である。特許文献４に記載（参照）されているように、熱間静水圧押出法にて製造できるシームレス鋼管は外径３０〜６０ｍｍ程度であるが、自動車用の懸架ばねなどとして使用するには、これを冷間加工して外径約２０ｍｍ以下まで減径しなければならない。この際の加工減面率は外径２０ｍｍまでの加工の場合でも、５５〜８８％であり、大きな減面加工を必要とする。本発明者らは、これらの従来技術をベースとして、製造コスト低減のために、加工方法などを工夫することによって一回の冷間加工工程の減面率を増加し、工程を簡略化することを検討したが、これら従来技術に記載されている製法では、減面率約３０％が加工限界で、それ以上の加工は困難であり、押出外径３０ｍｍから外径２０ｍｍまで成形する場合でも、少なくとも３回の冷間加工工程が必要であることが分かった。
【０００９】
従って、このような状況の下、中空ばねの実用化をより一層具体化させるためには、特に冷間加工工程の生産性を向上させ、高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造コストを低減する技術開発望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公昭５８−１３７６６６号公報
【特許文献２】特許第２５１２９８４号公報
【特許文献３】特開２００７−１２５５８８号公報
【特許文献４】特開２００７−１２７２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたものであり、生産性が高く、低コストで実現可能な高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するための手段として、以下の内容を要旨とする高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法をここに提案する。
（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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生産性が高く、低コストで実現可能な高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法を提供することができる。すなわち、熱間加工後の冷間加工工程において一回の加工減面率が５０％を超える場合であっても、本発明により、素材に割れを発生させることなく、効率よく高強度中空ばね用シームレス鋼管を製造することができるものである。
【００１４】
また、本発明によれば、懸架ばねなどのサスペンション部品の中空化を推進することができ、自動車など車両の更なる軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは、前記背景技術で述べたように、特許文献３及び４に開示された従来のシームレス鋼管の製造方法では、一回の冷間加工工程による加工減面率は３０％が加工限界であることを認識した上で、この冷間加工における加工限界を向上させる技術手段についてさらに鋭意研究を行ったところ、加工対象となる素材中の炭化物の形態制御によって冷間加工限界が向上できるのではないかとの着想を得た。
【００１６】
上記従来技術は、熱間押出しによる熱間加工工程とピルガー圧延あるいは抽伸による冷間加工工程の間に中間熱処理が組み込まれている。この中間熱処理は、冷間加工性を確保するために採用されている球状化焼鈍であり、加工後の素材を６５０〜７５０℃の温度域にて加熱し、素材中の炭化物を球状化させて軟質化させる熱処理である。
【００１７】
しかし、この球状化焼鈍によって得られる球状化組織の場合、その後の冷間加工中に、球状化炭化物と母相の変形能が異なるため、炭化物と母相の界面にひずみが集中してボイド生成し、加工減面率が一定以上に上昇すると素材の割れが生じることになる。このため、冷間加工における加工限界の向上を図るには、あらかじめ素材組織中の炭化物をひずみ集中の起こりにくい形態に制御することが有力な方法と考えられる。
【００１８】
そこで、本発明者らは、加工素材の金属組織中における炭化物形態と加工限界に着目して引き続き、研究、実験を重ねた結果、球状炭化物を消失させ、パーライト組織とすれば加工限界が向上することを究明するに至った。このパーライト組織は、フェライトとセメンタイトが層状に配列した組織で、球状化組織と比べて高硬度であり、従来の技術常識に基づく加工性確保の指針に反する。
【００１９】
ところが、このパーライト組織は、冷間加工中、層状のフェライト（母相）とセメンタイトが連動して変形するため、ひずみ集中が軽減され、加工減面率が上昇してもボイド形成しにくく、事実、後述の実施例から明らかなごとく、球状化組織に比べて加工限界が遥かに向上し、一回の加工減面率が５５％以上の強加工を行った場合でも鋼管素材に割れを発生させずに製造できることが分かったのである。
【００２０】
上述した発明者らの研究、実験及び知見により、従来とは異なった技術視点から、特異な解決原理に基づく新たな中間熱処理を導入、採用することにより、冷間加工における加工限界が向上することを確認し、解決手段に記した本発明を完成させたものである。
【００２１】
本発明の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法に関し、まず最大の特徴である中間熱処理について説明する。
〔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。
【００２２】
また、加熱温度の下限に関しては、上記炭化物の溶解、消失の容易さの観点から、好ましくは８２０℃以上とするのがよい。また、加熱温度の上限に関しては、上記硬質組織の形成し難さの観点から、好ましくは９５０℃以下とするのがよい。
（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。
【００２３】
また、加熱時間の下限に関しては、上記炭化物の溶解、消失の容易さの観点から、好ましくは３００ｓｅｃ以上するのがよい。また、加熱時間の上限に関しては、上記オーステナイト粒径が粗大化のし難さの観点から、好ましくは５４０ｓｅｃ以下とするのがよい。
（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。
【００２４】
また、上記の冷却速度の下限に関しては、球状炭化物の析出をより抑制し、パーライト変態を一層進みやすくする観点から、好ましくは１℃／ｓｅｃ以上とすればよい。また、上記の冷却速度の上限に関しては、上記硬質組織の生成のし難さの観点から、好ましくは１０℃／ｓｅｃ以下とすればよい。
【００２５】
次いで、本発明の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法における冷間加工について説明する。
【００２６】
〔２〕本製造方法における冷間加工
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。
【００２７】
一方、冷間加工については、加工の方式は圧延（ピルガ−圧延など）、抽伸のいずれでも採用できるが、加工の条件が従来と様相を異にする。
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。
【００２８】
すなわち、本発明の冷間加工においては一回の加工減面率を好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上とした加工条件を採用する。
【００２９】
従って、自動車用の中空懸架ばねなどの外形２０ｍｍ以下の小径のシームレス鋼管製品を製造対象とした場合には、熱間加工後の外径が３０〜６０ｍｍの素材となるため、従来においては三回以上の多数回の加工工程（工数）を要するが、本発明では一回または二回の加工で製造することができる。
【００３０】
次に、本発明の製造方法において対象とする鋼管ビレットの成分について説明する。
〔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。
【００３１】
（１）Ｃ：０．２０〜０．７０％
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。
【００３２】
また、このＣ量の下限については、より好ましくは０．３０％以上、更に好ましくは０．３５％以上、一層好ましくは０．４０％以上であり、その下限については、より好ましくは０．６５％以下、更に好ましくは０．６０％以下、一層好ましくは０．５５％以下である。
【００３３】
（２）Ｓｉ：０．５０〜３．００％
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。
【００３４】
また、このＳｉ量の下限については、より好ましくは１．００％以上、更に好ましくは１．４０％以上、一層好ましくは１．７０％以上であり、その下限については、より好ましくは２．８０％以下、更に好ましくは２．６０％以下、一層好ましくは２．４０％以下である。
【００３５】
（３）Ｍｎ：０．１０〜３．００％
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。
【００３６】
また、このＭｎ量の下限については、より好ましくは０．１５％以上、更に好ましくは０．２０％以上、一層好ましくは０．３０％以上であり、その上限についてはより好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
【００３７】
（４）Ｐ：０．０３％以下（０％を含む）
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。
【００３８】
また、このＰ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以下、更に好ましくは０．０１５％以下、一層好ましくは０．０１０％以下である。
（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。
【００３９】
また、このＳ量の上限については、より好ましくは０．０２０％以下、更に好ましくは０．０１５％以下、一層好ましくは０．０１０％以下である。
（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。
【００４０】
また、このＮ量の上限については、より好ましくは０．０１５０％以下、更に好ましくは０．０１００％以下、一層好ましくは０．００５０％以下である。
（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。
【００４１】
また、このＣｒ量の下限については、より好ましくは０．４０％以上、更に好ましくは０．６０％以上、一層好ましくは０．８０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００４２】
また、このＢ量の上限については、より好ましくは０．００１５％以上、更に好ましくは０．００２０％以上、一層好ましくは０．００２５％以上であり、その下限については、より好ましくは０．０１２０％以下、更に好ましくは０．０１００％以下、一層好ましくは０．００７０％以下である。
（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。
【００４３】
また、このＡｌ量の下限については、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００５％以上、一層好ましくは０．０１０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０７０％以下、更に好ましくは０．０５０％以下、一層好ましくは０．０３０％以下である。
（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。
【００４４】
また、このＶ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．５００％以下、更に好ましくは０．３００％以下、一層好ましくは０．２００％以下である。
（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。
【００４５】
また、このＴｉ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．２５０％以下、更に好ましくは０．２００％以下、一層好ましくは０．１５０％以下である。
（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。
【００４６】
また、このＮｂ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．２５０％以下、更に好ましくは０．２００％以下、一層好ましくは０．１５０％以下である。
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、このＮｉ量の下限については、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．４０％以上、一層好ましくは０．６０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００４９】
また、このＣｕ量の下限については、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．４０％以上、一層好ましくは０．６０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００５０】
また、このＭｏ量の下限については、より好ましくは０．３０％以上、更に好ましくは０．５０％以上、一層好ましくは０．７０％以上であり、その上限については、より好ましくは１．８０％以下、更に好ましくは１．６０％以下、一層好ましくは１．４０％以下である。
（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。
【００５１】
また、このＣａ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．００３０％以下、更に好ましくは０．００２０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
（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。
【００５２】
また、このＭｇ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．００３０％以下、更に好ましくは０．００２０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
（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。
【００５３】
また、このＲＥＭ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０１００％以下、更に好ましくは０．００５０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
【００５４】
なお、本発明でＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｎまでの１５元素）およびＳｃ、Ｙを合わせたものを指す。
（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。
【００５５】
また、このＺｒ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
（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。
【００５６】
また、このＴａ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、 その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
（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。
【００５７】
また、このＨｆ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
〔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。
【００５８】
表１に示す成分を有する、外径１４３ｍｍ、肉厚５０ｍｍの各鋼管ビレットを１０００℃に加熱して熱間静水圧装置により熱間加工して、外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍの素管を作製した。
【００５９】
これらの素管を表２に記載の種々の条件（加熱温度、加熱時間及び冷却速度）で熱処理（中間熱処理）した。
【００６０】
そして、熱処理後の素管をピルガ−圧延機を用いて、下記４種の加工条件で冷間加工し、加工後の鋼管の割れの有無を確認し、割れがないものを○、割れが認められたものを×として評価し、表２にその結果を示した。
【００６１】
条件１：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径５０ｍｍ、肉厚１２．５ｍｍに加工し、加工減面率を３０．６％とする。
【００６２】
条件２：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径４０ｍｍ、肉厚１０ｍｍに加工し、加工減面率を５５．６％とする。
【００６３】
条件３：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径３０ｍｍ、肉厚７．５ｍｍに加工し、加工減面率を７５．０％とする。
【００６４】
条件４：上記条件３にて割れが認められなかったものについては加工後の材料を用いて、再度熱処理（中間熱処理と同一条件にて実施）を行った後、高強度中空ばね用シームレス鋼管の製品サイズである外径１６ｍｍ、肉厚４ｍｍまで加工を行った。
【００６５】
表２の結果から、本発明例すなわち本発明の熱処理条件を満足する中間熱処理を行ったシームレス鋼管は、いずれもこの条件を満足しない比較例に比べて、加工限界が遙かに向上し、一回の加工減面率が５５％以上の冷間加工を行った場合でも割れが生じないことが分り、また、本発明の熱処理条件の範囲において、より適切な加熱、冷却条件を選択することにより、同加工減面率をさらに７５．０％以上とした場合でも割れを発生させずに冷間加工を実施できることが了解できる。従って、本発明により、２０ｍｍ以下の小径の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造に当たって、冷間加工の工数を従来より容易に減少でき、生産性を大幅に高めるとともにこれに要する製造コストを著しく軽減できるものである。
【００６６】
【表１】
【００６７】
【表２】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度の中空ばね用シームレス鋼管の製造方法に関し、特に自動車に使用される中空形状の懸架ばねなど適したシームレス鋼管の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にコイルばねは中実の素線を巻回して形成されたものであるが、これを軽量化すべく、中空の素線すなわち管状のものを用いる発想は特許文献１などにすでに提案されているように古くから知られてはいるが、その製造が困難であることと過去の市場ニーズもさほど強くなかったことも相俟って実用化に至る状況になかった。
【０００３】
一方、近年は自動車を中心とする各種車両の軽量化に対するニーズが一段と高まりつつあり、排ガス規制を受けるガソリン車に限らず、今後有望視される電気自動車においても消費エネルギーの削減の観点から車体全体の軽量化は将来に亘って必要不可欠なテーマとして位置付けられ、これに伴ってサスペンションの主要部品である懸架ばねを中空化する技術ついても改めて注目され、その実用化に向けての本格的な開発が推進されている現状にある。
【０００４】
ところで、この中空懸架ばねは直径１６ｍｍ前後の小径の鋼管（単にパイプということがある）を素材として熱間あるいは冷間でばね成形を行い、次いで焼入れ、焼き戻しなどの熱処理を施し、最終的にセッチング、ショットピーニングなどを行って製品となすが、素材となる鋼管が懸架ばねの特性を大きく左右するため、この素材鋼管の品質を維持、向上させることが重要となる。
【０００５】
この中空ばね用素材鋼管として当初製造コストの面から電縫管（溶接管）が検討されたが、ばね用鋼材（ＪＩＳ Ｇ４８０１）は一般に０．５％以上のＣを含有する高Ｃ鋼で、またＳｉやＭｎなどの合金元素を含むため、造管、溶接工程を必須とするその製造に適さないことが判明し、シームレス鋼管の適用が検討されるに至った。
【０００６】
シームレス鋼管の製法については、特殊な穿孔工程（マンネスマン穿孔）を必要とするマンネスマン法と呼ばれる熱間圧延法あるいは、このような穿孔工程を必要としない熱間押出し法などにより、ビレットの熱間加工行い、さらに冷間加工行って製品サイズの鋼管を得るのが一般的であるが、前者のマンネスマン法の採用を前提とした技術として特許文献２に記載のものが提案されている。この技術はマンネスマン穿孔前の加熱温度条件並びに中間熱処理条件を規定することで一定の品質を確保しながら加工性を改善するものであるが、生産性が悪い上に上記穿孔が可能な素材を前提とするため強度の高い鋼管を製造することが困難であり、さらに鋼管の内周面に表面傷が発生するなどの問題があった。
【０００７】
この問題を解消するため、後者の熱間押出し法を用いる技術が特許文献３及び４に提案されている。両文献に開示される技術はいずれも熱間押出し法として静水圧押出しを採用するものである。
【０００８】
しかしながら、これらの従来技術においても熱間静水圧押出法による熱間加工後に複数回の圧延及び／または抽伸などの冷間加工を経るため生産性が悪く、コスト高となり高強度ばね用として中実材に取って代わり実用化するには不十分である。特許文献４に記載（参照）されているように、熱間静水圧押出法にて製造できるシームレス鋼管は外径３０〜６０ｍｍ程度であるが、自動車用の懸架ばねなどとして使用するには、これを冷間加工して外径約２０ｍｍ以下まで減径しなければならない。この際の加工減面率は外径２０ｍｍまでの加工の場合でも、５５〜８８％であり、大きな減面加工を必要とする。本発明者らは、これらの従来技術をベースとして、製造コスト低減のために、加工方法などを工夫することによって一回の冷間加工工程の減面率を増加し、工程を簡略化することを検討したが、これら従来技術に記載されている製法では、減面率約３０％が加工限界で、それ以上の加工は困難であり、押出外径３０ｍｍから外径２０ｍｍまで成形する場合でも、少なくとも３回の冷間加工工程が必要であることが分かった。
【０００９】
従って、このような状況の下、中空ばねの実用化をより一層具体化させるためには、特に冷間加工工程の生産性を向上させ、高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造コストを低減する技術開発望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特公昭５８−１３７６６６号公報
【特許文献２】特許第２５１２９８４号公報
【特許文献３】特開２００７−１２５５８８号公報
【特許文献４】特開２００７−１２７２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたものであり、生産性が高く、低コストで実現可能な高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法を提供することをその課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するための手段として、以下の内容を要旨とする高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法をここに提案する。
（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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生産性が高く、低コストで実現可能な高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法を提供することができる。すなわち、熱間加工後の冷間加工工程において一回の加工減面率が５０％を超える場合であっても、本発明により、素材に割れを発生させることなく、効率よく高強度中空ばね用シームレス鋼管を製造することができるものである。
【００１４】
また、本発明によれば、懸架ばねなどのサスペンション部品の中空化を推進することができ、自動車など車両の更なる軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは、前記背景技術で述べたように、特許文献３及び４に開示された従来のシームレス鋼管の製造方法では、一回の冷間加工工程による加工減面率は３０％が加工限界であることを認識した上で、この冷間加工における加工限界を向上させる技術手段についてさらに鋭意研究を行ったところ、加工対象となる素材中の炭化物の形態制御によって冷間加工限界が向上できるのではないかとの着想を得た。
【００１６】
上記従来技術は、熱間押出しによる熱間加工工程とピルガー圧延あるいは抽伸による冷間加工工程の間に中間熱処理が組み込まれている。この中間熱処理は、冷間加工性を確保するために採用されている球状化焼鈍であり、加工後の素材を６５０〜７５０℃の温度域にて加熱し、素材中の炭化物を球状化させて軟質化させる熱処理である。
【００１７】
しかし、この球状化焼鈍によって得られる球状化組織の場合、その後の冷間加工中に、球状化炭化物と母相の変形能が異なるため、炭化物と母相の界面にひずみが集中してボイド生成し、加工減面率が一定以上に上昇すると素材の割れが生じることになる。このため、冷間加工における加工限界の向上を図るには、あらかじめ素材組織中の炭化物をひずみ集中の起こりにくい形態に制御することが有力な方法と考えられる。
【００１８】
そこで、本発明者らは、加工素材の金属組織中における炭化物形態と加工限界に着目して引き続き、研究、実験を重ねた結果、球状炭化物を消失させ、パーライト組織とすれば加工限界が向上することを究明するに至った。このパーライト組織は、フェライトとセメンタイトが層状に配列した組織で、球状化組織と比べて高硬度であり、従来の技術常識に基づく加工性確保の指針に反する。
【００１９】
ところが、このパーライト組織は、冷間加工中、層状のフェライト（母相）とセメンタイトが連動して変形するため、ひずみ集中が軽減され、加工減面率が上昇してもボイド形成しにくく、事実、後述の実施例から明らかなごとく、球状化組織に比べて加工限界が遥かに向上し、一回の加工減面率が５５％以上の強加工を行った場合でも鋼管素材に割れを発生させずに製造できることが分かったのである。
【００２０】
上述した発明者らの研究、実験及び知見により、従来とは異なった技術視点から、特異な解決原理に基づく新たな中間熱処理を導入、採用することにより、冷間加工における加工限界が向上することを確認し、解決手段に記した本発明を完成させたものである。
【００２１】
本発明の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法に関し、まず最大の特徴である中間熱処理について説明する。
〔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。
【００２２】
また、加熱温度の下限に関しては、上記炭化物の溶解、消失の容易さの観点から、好ましくは８２０℃以上とするのがよい。また、加熱温度の上限に関しては、上記硬質組織の形成し難さの観点から、好ましくは９５０℃以下とするのがよい。
（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。
【００２３】
また、加熱時間の下限に関しては、上記炭化物の溶解、消失の容易さの観点から、好ましくは３００ｓｅｃ以上するのがよい。また、加熱時間の上限に関しては、上記オーステナイト粒径が粗大化のし難さの観点から、好ましくは５４０ｓｅｃ以下とするのがよい。
（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。
【００２４】
また、上記の冷却速度の下限に関しては、球状炭化物の析出をより抑制し、パーライト変態を一層進みやすくする観点から、好ましくは１℃／ｓｅｃ以上とすればよい。また、上記の冷却速度の上限に関しては、上記硬質組織の生成のし難さの観点から、好ましくは１０℃／ｓｅｃ以下とすればよい。
【００２５】
次いで、本発明の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造方法における冷間加工について説明する。
【００２６】
〔２〕本製造方法における冷間加工
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。
【００２７】
一方、冷間加工については、加工の方式は圧延（ピルガ−圧延など）、抽伸のいずれでも採用できるが、加工の条件が従来と様相を異にする。
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。
【００２８】
すなわち、本発明の冷間加工においては一回の加工減面率を好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上とした加工条件を採用する。
【００２９】
従って、自動車用の中空懸架ばねなどの外形２０ｍｍ以下の小径のシームレス鋼管製品を製造対象とした場合には、熱間加工後の外径が３０〜６０ｍｍの素材となるため、従来においては三回以上の多数回の加工工程（工数）を要するが、本発明では一回または二回の加工で製造することができる。
【００３０】
次に、本発明の製造方法において対象とする鋼管ビレットの成分について説明する。
〔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。
【００３１】
（１）Ｃ：０．２０〜０．７０％
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。
【００３２】
また、このＣ量の下限については、より好ましくは０．３０％以上、更に好ましくは０．３５％以上、一層好ましくは０．４０％以上であり、その下限については、より好ましくは０．６５％以下、更に好ましくは０．６０％以下、一層好ましくは０．５５％以下である。
【００３３】
（２）Ｓｉ：０．５０〜３．００％
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。
【００３４】
また、このＳｉ量の下限については、より好ましくは１．００％以上、更に好ましくは１．４０％以上、一層好ましくは１．７０％以上であり、その下限については、より好ましくは２．８０％以下、更に好ましくは２．６０％以下、一層好ましくは２．４０％以下である。
【００３５】
（３）Ｍｎ：０．１０〜３．００％
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。
【００３６】
また、このＭｎ量の下限については、より好ましくは０．１５％以上、更に好ましくは０．２０％以上、一層好ましくは０．３０％以上であり、その上限についてはより好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
【００３７】
（４）Ｐ：０．０３％以下（０％を含む）
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。
【００３８】
また、このＰ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以下、更に好ましくは０．０１５％以下、一層好ましくは０．０１０％以下である。
（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。
【００３９】
また、このＳ量の上限については、より好ましくは０．０２０％以下、更に好ましくは０．０１５％以下、一層好ましくは０．０１０％以下である。
（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。
【００４０】
また、このＮ量の上限については、より好ましくは０．０１５０％以下、更に好ましくは０．０１００％以下、一層好ましくは０．００５０％以下である。
（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。
【００４１】
また、このＣｒ量の下限については、より好ましくは０．４０％以上、更に好ましくは０．６０％以上、一層好ましくは０．８０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００４２】
また、このＢ量の上限については、より好ましくは０．００１５％以上、更に好ましくは０．００２０％以上、一層好ましくは０．００２５％以上であり、その下限については、より好ましくは０．０１２０％以下、更に好ましくは０．０１００％以下、一層好ましくは０．００７０％以下である。
（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。
【００４３】
また、このＡｌ量の下限については、より好ましくは０．００２％以上、更に好ましくは０．００５％以上、一層好ましくは０．０１０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０７０％以下、更に好ましくは０．０５０％以下、一層好ましくは０．０３０％以下である。
（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。
【００４４】
また、このＶ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．５００％以下、更に好ましくは０．３００％以下、一層好ましくは０．２００％以下である。
（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。
【００４５】
また、このＴｉ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．２５０％以下、更に好ましくは０．２００％以下、一層好ましくは０．１５０％以下である。
（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。
【００４６】
また、このＮｂ量の下限については、より好ましくは０．０３０％以上、更に好ましくは０．０５０％以上、一層好ましくは０．０７０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．２５０％以下、更に好ましくは０．２００％以下、一層好ましくは０．１５０％以下である。
（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。
【００４７】
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。
【００４８】
また、このＮｉ量の下限については、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．４０％以上、一層好ましくは０．６０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００４９】
また、このＣｕ量の下限については、より好ましくは０．２０％以上、更に好ましくは０．４０％以上、一層好ましくは０．６０％以上であり、その上限については、より好ましくは２．５０％以下、更に好ましくは２．００％以下、一層好ましくは１．５０％以下である。
（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。
【００５０】
また、このＭｏ量の下限については、より好ましくは０．３０％以上、更に好ましくは０．５０％以上、一層好ましくは０．７０％以上であり、その上限については、より好ましくは１．８０％以下、更に好ましくは１．６０％以下、一層好ましくは１．４０％以下である。
（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。
【００５１】
また、このＣａ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．００３０％以下、更に好ましくは０．００２０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
（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。
【００５２】
また、このＭｇ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．００３０％以下、更に好ましくは０．００２０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
（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。
【００５３】
また、このＲＥＭ量の下限については、より好ましくは０．０００２％以上、更に好ましくは０．０００３％以上、一層好ましくは０．０００４％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０１００％以下、更に好ましくは０．００５０％以下、一層好ましくは０．００１０％以下である。
【００５４】
なお、本発明でＲＥＭとは、ランタノイド元素（ＬａからＬｎまでの１５元素）およびＳｃ、Ｙを合わせたものを指す。
（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。
【００５５】
また、このＺｒ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
（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。
【００５６】
また、このＴａ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、 その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
（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。
【００５７】
また、このＨｆ量の下限については、より好ましくは０．０２０％以上、更に好ましくは０．０２５％以上、一層好ましくは０．０３０％以上であり、その上限については、より好ましくは０．０８０％以下、更に好ましくは０．０６０％以下、一層好ましくは０．０４０％以下である。
〔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。
【００５８】
表１に示す成分を有する、外径１４３ｍｍ、肉厚５０ｍｍの各鋼管ビレットを１０００℃に加熱して熱間静水圧装置により熱間加工して、外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍの素管を作製した。
【００５９】
これらの素管を表２に記載の種々の条件（加熱温度、加熱時間及び冷却速度）で熱処理（中間熱処理）した。
【００６０】
そして、熱処理後の素管をピルガ−圧延機を用いて、下記４種の加工条件で冷間加工し、加工後の鋼管の割れの有無を確認し、割れがないものを○、割れが認められたものを×として評価し、表２にその結果を示した。
【００６１】
条件１：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径５０ｍｍ、肉厚１２．５ｍｍに加工し、加工減面率を３０．６％とする。
【００６２】
条件２：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径４０ｍｍ、肉厚１０ｍｍに加工し、加工減面率を５５．６％とする。
【００６３】
条件３：外径６０ｍｍ、肉厚１５ｍｍから外径３０ｍｍ、肉厚７．５ｍｍに加工し、加工減面率を７５．０％とする。
【００６４】
条件４：上記条件３にて割れが認められなかったものについては加工後の材料を用いて、再度熱処理（中間熱処理と同一条件にて実施）を行った後、高強度中空ばね用シームレス鋼管の製品サイズである外径１６ｍｍ、肉厚４ｍｍまで加工を行った。
【００６５】
表２の結果から、本発明例すなわち本発明の熱処理条件を満足する中間熱処理を行ったシームレス鋼管は、いずれもこの条件を満足しない比較例に比べて、加工限界が遙かに向上し、一回の加工減面率が５５％以上の冷間加工を行った場合でも割れが生じないことが分り、また、本発明の熱処理条件の範囲において、より適切な加熱、冷却条件を選択することにより、同加工減面率をさらに７５．０％以上とした場合でも割れを発生させずに冷間加工を実施できることが了解できる。従って、本発明により、２０ｍｍ以下の小径の高強度中空ばね用シームレス鋼管の製造に当たって、冷間加工の工数を従来より容易に減少でき、生産性を大幅に高めるとともにこれに要する製造コストを著しく軽減できるものである。
【００６６】
【表１】
【００６７】
【表２】
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【公開番号】特開２０１１−１８４７０５（Ｐ２０１１−１８４７０５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７６４９（Ｐ２０１０−４７６４９）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５９１０８１０５５）神鋼メタルプロダクツ株式会社 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【出願人】（５９１０８１０５５）神鋼メタルプロダクツ株式会社 (17)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]