高強度中空ばね用シームレス鋼管
【解決課題】
鋼製の中空ばね用に適した十分な疲労強度を有する耐久性に優れた高強度中空ばね用シームレス鋼管を提供すること。
【解決手段】
Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
鋼製の中空ばね用に適した十分な疲労強度を有する耐久性に優れた高強度中空ばね用シームレス鋼管を提供すること。
【解決手段】
Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
【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に関し、特に自動車などに使用される中空形状の鋼製懸架ばねなどの製造に適した高品質のシームレス鋼管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガス低減や燃費改善を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、サスペンション、エンジン、クラッチ等に使用される懸架ばね、弁ばね、クラッチばね等においても高応力設計が志向されている。そのため、これらのばねは、高強度化・細径化していく方向であり、負荷応力がさらに増大する傾向にある。こうした傾向に対応するため、耐疲労性や耐へたり性においても一段と高性能なばね鋼が強く望まれている。
また、耐疲労性や耐へたり性を維持しつつ軽量化を実現するために、ばねの素材としてこれまで用いられている棒状の線材（即ち、中実の線材）ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のないもの（即ち、シームレス鋼管）をばねの素材として用いられるようになっている。上記のような中空シームレス鋼管を製造するための技術についても、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献１には、穿孔圧延機の代表というべきマンネスマンピアサを用いて穿孔を行なった後（マンネスマン穿孔）、冷間でマンドレルミル圧延（延伸圧延）を行ない、さらに８２０〜９４０℃に１０〜３０分の条件で再加熱し、その後仕上げ圧延する技術について提案されている。
【０００３】
一方、特許文献２には、熱間での静水圧押出しを行なって、中空シームレス鋼管の形状とした後、球状化焼鈍を行ない、引続き冷間でピルガーミル圧延や引抜き加工等によって伸展（抽伸）する技術について提案されている。また、この技術では最終的に、所定の温度で焼鈍を行なうことも示されている。
【０００４】
上記のような各技術では、マンネスマン穿孔や熱間静水圧押出しを行なう際に、１０５０℃以上に加熱したり、冷間加工前・後に焼鈍を行なう必要があり、熱間での加熱あるいは加工時に、更にはその後の熱処理工程において、中空シームレス鋼管の内周面側および外周面側においてその表層部に脱炭（全脱炭）が生じやすいという問題がある。また、加熱処理後の冷却時においても、フェライトとオーステナイト中への炭素の固溶量の違いに起因する脱炭（フェライト脱炭）が生じる場合がある。
【０００５】
上記のような鋼管の表層部に脱炭が生じると、ばね製造時の焼き入れ段階で、これに対応する中空ばねの外周面側および内周面側の表層部が十分硬化しないという事態が生じ、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できないという問題が生じる。そのため、本発明者らはこれら鋼管の表層部の脱炭軽減は疲労特性向上に不可欠との認識を得た。
【０００６】
また、何らかの手段により脱炭軽減を行った場合であっても、疲労強度向上には限界があり、さらに疲労強度を向上させるには、脱炭軽減だけでは不十分であり、これに加えて、他の観点からの検討、対策が必要であった。発明者らは、疲労強度向上に関して鋭意研究を行い、脱炭のほか、鋼中の水素が疲労強度に影響していることを知見した。特に、鋼管製造工程において、熱処理および酸洗処理時に水素侵入の影響が大きく、これが疲労強度を十分に向上できない原因となっていることが判明した。
【０００７】
以上の知見から、疲労強度が高く耐久性に優れた高強度中空ばね用のシームレス鋼管としてその脱炭および鋼中水素が同時に且つ適切に制御されたものが必須であるという指針を得、これに基づき種々の実験、検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１−２４７５３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、鋼製の中空ばね用に適した十分な疲労強度を有する耐久性に優れた高強度中空ばね用シームレス鋼管を提供することをその課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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をここに提案する。
【００１１】
１．Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
【００１２】
２．さらに、Ｃｒ：３質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
３．さらに、Ｂ：０.０１５質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１または２に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
４．さらに、Ｖ：１質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３質量％以下（０％を含まない）及びＮｂ：０.３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
５．さらに、Ｎｉ：３質量％以下（０％を含まない）及びＣｕ：３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
６．さらに、Ｍｏ：２質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１〜５のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
７．さらに、Ｃａ：０.００５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５質量％以下（０％を含まない）及びＲＥＭ：０.０２質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜６のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
８．さらに、Ｚｒ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１質量％以下（０％を含まない）及びＨｆ：０.１質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１種以上を含有する上記１〜７のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高強度中空ばねに適した疲労強度が高く耐久性に優れた高品質のシームレス鋼管を提供することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、かかるシームレス鋼管を素材とすることにより、疲労強度が高く耐久性に優れた鋼製の高強度中空ばねを容易に製造することが可能である。さらに、本発明によれば、懸架ばね、弁ばね、クラッチばねなどの部品の中空化を推進することができ、自動車など車両の一層の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】酸洗時間と鋼中の水素含有量の関係を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の内容につき、詳述する。
先ず、本発明高強度中空ばね用シームレス鋼管（以下、本発明シームレス鋼管、本発明鋼管、本鋼管などと略称する場合がある）の化学成分について、その基本成分（元素）であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎからその成分範囲と限定理由を説明する。但し、Ｈについては別途、後述する。なお、以下の各成分についての％表示は全て質量％を意味する。
【００１７】
（１）Ｃ：０．２〜０．７％
Ｃは、高強度を確保するのに必要な元素であり、そのためには０．２％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０.３０％以上であり、より好ましくは０.３５％以上である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、延性の確保が困難になので、０.７％以下とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０.６５％以下であり、より好ましくは０.６０％以下である。
【００１８】
（２）Ｓｉ：０.５〜３％
Ｓｉは、ばねに必要な耐へたり性の向上に有効な元素であり、本発明で対象とする強度レベルのばねに必要な耐へたり性を得るには、Ｓｉ含有量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１.０％以上、より好ましくは１.５％以上である。しかしながら、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを過剰に含有させると鋼材表面の脱炭層形成を促進させる。その結果、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となるので、製造コストの面で不都合である。こうしたことから、本発明ではＳｉ含有量の上限を３％とした。好ましくは２.５％以下、より好ましくは２.２％以下である。
【００１９】
（３）Ｍｎ：０.１〜２％
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼材中の有害元素であるＳとＭｎＳを形成して無害化する有益な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｍｎは０.１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、偏析帯が形成されて材質のばらつきが生じる。こうしたことから、本発明ではＭｎ含有量の上限を２％とした。好ましくは１.５％以下であり、より好ましくは１.０％以下である。
【００２０】
（４）Ａｌ：０.１％以下（０％を含まない）
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、Ｎと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。特に固溶Ｎを固定させるには、Ｎ含有量の２倍を超えるようＡｌを含有させることが好ましい。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鋼ではＡｌの多量添加を抑える必要があり、本発明では０.１％以下とした。好ましくは０.０７％以下、より好ましくは０.０５％以下である。
【００２１】
（５）Ｐ：０.０２％以下（０％を含まない）
Ｐは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明ではその上限を０.０２％とする。好ましくは０.０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下に抑えるのが良い。尚、Ｐは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％にすることは工業生産上困難である。
【００２２】
（６）Ｓ：０.０２％以下（０％を含まない）
Ｓは、上記Ｐと同様に鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明では０.０２％以下に抑える。好ましくは０.０１０％以下、より好ましくは０.００８％以下である。尚、Ｓは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業生産上困難である。
【００２３】
（７）Ｎ：０.０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ等が存在すると窒化物を形成して組織を微細化させる効果があるが、固溶状態で存在すると、鋼材の靭延性及び耐水素脆化特性を劣化させる。本発明では、Ｎ量の上限を０.０２％とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０.００５％以下である。
【００２４】
本シームレス鋼管は上記の基本成分を必須とするが、さらにこれに選択成分としてＣｒ、Ｂ、[Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ]、[Ｎｉ、Ｃｕ]、Ｍｏ、[Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ]、[Ｚｒ、Ｔａ及びＨｆ]などを適宜添加、含有させることもできる。これらの選択成分について、その成分範囲と限定理由を説明する。なお、[]で括った成分は同効の元素であることを示している。
【００２５】
Ｃｒ：３％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な元素であり、特に高レベルの耐食性が要求される懸架ばねに重要な元素である。こうした効果は、Ｃｒ含有量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を優先的に発揮させるためには、Ｃｒは０.２％以上含有させることが好ましい。さらに好ましくは０.５％以上とするのがよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、過冷組織が発生し易くなると共に、セメンタイトに濃化して塑性変形能を低下させ、冷間加工性の劣化を招く。またＣｒ含有量が過剰になると、セメンタイトとは異なるＣｒ炭化物が形成されやすくなり、強度と延性のバランスが悪くなる。こうしたことから、本発明で用いる鋼材では、Ｃｒ含有量を３％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは２.０％以下、さらに好ましくは１．７％以下である。
【００２６】
Ｂ：０.０１５％以下（０％を含まない）
Ｂは、鋼材の焼入れ・焼戻し後において旧オーステナイト粒界からの破壊を抑制する効果がある。この様な効果を発現させるには、Ｂを０．００１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、粗大な炭硼化物を形成して鋼材の特性を害する。またＢは、必要以上に含有させると圧延材の疵の発生原因にもなる。こうしたことから、Ｂ含有量の上限を０.０１５％とした。より好ましくは０.０１０％以下、さらに好ましくは０.００５％以下とするのが良い。
【００２７】
［Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０.３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｖ、ＴｉおよびＮｂは、Ｃ、Ｎ、Ｓ等と炭・窒化物（炭化物、窒化物および炭窒化物）、或は硫化物等を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また上記炭・窒化物を形成して組織を微細化する効果も発揮する。更に、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭・窒化物が形成されて靭性や延性が劣化する場合がある。よって本発明では、Ｖ、ＴｉおよびＮｂの含有量の上限を、夫々１％、０.３％、０.３％とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ：０.５％以下、Ｔｉ：０.１％以下、Ｎｂ：０.１％以下である。更には、コスト低減の観点からして、Ｖ：０.３％以下、Ｔｉ：０.０５％以下、Ｎｂ：０.０５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
［Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、コスト低減を考慮した場合には、添加を控えるためその下限を特に設けないが、表層脱炭を抑制したり耐食性を向上させる場合には、０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、圧延材に過冷組織が発生したり、焼入れ後に残留オーステナイトが存在し、鋼材の特性が劣化する場合がある。こうしたことから、Ｎｉを含有させる場合には、その上限を３％とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２.０％以下、より好ましくは１.０％以下とするのが良い。
【００２９】
Ｃｕは、上記Ｎｉと同様に表層脱炭を抑制したり耐食性を向上するのに有効な元素である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｕを０.１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｕの含有量が過剰になると、過冷組織が発生したり、熱間加工時に割れが生じる場合がある。こうしたことから、Ｃｕを含有させる場合には、その上限を３％とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１.０％以下とするのが良い。
【００３０】
Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）
Ｍｏは焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことからＭｏ含有量の上限は２％とすることが好ましい。より好ましくは０.５％以下とするのが良い。
【００３１】
［Ｃａ：０.００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０.０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭ（希土類元素）は、いずれも硫化物を形成し、ＭｎＳの伸長を防ぐことで、靭性を改善する効果を有し、要求特性に応じて添加することができる。しかしながら、夫々上記上限を超えて含有させると、逆に靭性を劣化させる。夫々の好ましい上限は、Ｃａで０．００３％、Ｍｇで０.００３％、ＲＥＭで０.０１％である。
尚、本発明において、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（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味である。
【００３２】
［Ｚｒ：０.１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０.１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
これの元素は、Ｎと結びついて窒化物を形成し、安定で加熱時のオーステナイト（γ）粒径の成長を抑制し、最終的な組織を微細化し、靭性を改善する効果がある。但し、いずれも０.１％を超えて過剰に含有させると窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させるため好ましくない。こうしたことから、いずれもその上限を０.１％とした。より好ましい上限はいずれも０.０５０％であり、更に好ましい上限は０.０２５％である。
次に、本シームレス鋼管における特徴的な構成である脱炭についての条件（脱炭レベル）及び鋼中の水素含有量の条件（水素レベル）について説明する。
【００３３】
（Ａ）本発明鋼管の脱炭レベルについて
前述の背景技術で触れたように、熱間加工や熱処理などシームレス鋼管を製造する際の各工程において鋼管の内面側及び外面側の表層部の脱炭が生じるため、これを素材として中空ばねを製造する場合、これら表層部のＣ含有量の減少に起因して、焼入れ時に表層部が十分に硬化せず、ばねの疲労強度が低下する問題が出る。
従って、この鋼管の表層部の脱炭を極力防止し、その脱炭レベルを一定以下に維持して、疲労強度を確保することが重要となる。
【００３４】
本発明においては、鋼管の脱炭レベルを
（ａ）内周面側及び外周面側の表層部におけるＣ 含有量が０.１０質量％以上であること、及び
（ｂ）内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であること、
の２条件によって規定する。すなわち、本発明では、（ａ）条件によりフェライト脱炭レベルを特定し、また（ｂ）条件により全脱炭レベルを特定し、これら（ａ）と（ｂ）の両条件の双方が上記範囲を満足する脱炭レベルを設定するものであり、このような脱炭レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例で実証するように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。
【００３５】
（ａ）条件における内周面側及び外周面側の表層部は、それぞれ鋼管の内周面及び外周面から中央（管の板厚中心）側に向かって３０μｍの範囲の領域を指し、この範囲でＣ 含有量が０.１０％以上であれば、疲労強度に悪影響を及ぼすようなフェライト脱炭（層）は実質的に存在していないものと見なすことができる。
また、（ｂ）条件における内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みとは、それぞれ鋼管の内周面及び外周面から板厚中心側に向かってその板厚中心におけるＣ含有量（鋼成分におけるＣ含有量に相当）の９５％未満となる領域の厚みを指すもので、この厚みが２００μｍ以下であれば、やはり疲労強度に悪影響を及ぼすような全脱炭（層）は実質的に存在していないものと見なすことができる。
このように、本発明の脱炭レベルは、フェライト脱炭及び全脱炭の両面から、得られる鋼管の中空ばね製造時の疲労強度が十分に確保されることを保証する最小限に抑制、制御された水準を意味し、実質的に脱炭の影響を無視し得るものであり、そして具体的には後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各脱炭レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて定めたものである。
【００３６】
そして、この本鋼管の脱炭レベルを維持するためには、シームレス鋼管の製造における各工程における製造条件に留意する必要があり、この点については本鋼管の製造方法のところで説明するが、特に焼鈍工程は通常複数回繰り返して行なわれるため、大気雰囲気では脱炭への影響が大きく、従って、焼鈍を行なう際には、還元性ガス、不活性ガスなどの非酸化性雰囲気で実施することが肝要となる。
【００３７】
（Ｂ）本発明鋼管の水素レベルについて
上記のように鋼管の脱炭レベルを本発明の条件下に維持することが必須であるが、この脱炭レベルの条件のみでは不十分であり、その疲労強度をさらに安定して十分に確保するためには、鋼中の水素レベルが重要な条件となる。
そこで、本発明における鋼管の水素レベルすなわち鋼中の水素含有量は０.３ｐｐｍ以下（０を含む）とする。好ましくは０.２０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは０.１５ｐｐｍ以下とする。
このような水素レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例から明らかなように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。たとえ、本鋼管の脱炭レベルが前記に規定する条件を満たしていても、鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍを超える場合は十分な疲労強度が得られず中空ばねの耐久性を確保できなくなるのである。
この本発明の水素レベルについても、脱炭レベルと同様に後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各水素レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて具体的に定めたものである。
【００３８】
そして、この本鋼管の水素レベルを維持するためには、脱炭レベルと同様にシームレス鋼管の製造における各工程における製造条件に留意する必要があり、この点についても本鋼管の製造方法のところで詳説するが、特に酸洗工程における酸洗時間や焼鈍工程での雰囲気による影響が大きく、水素の侵入、増加の原因となるため、酸洗時間を短くしたり、焼鈍時の雰囲気ガスを水素濃度の比較的低いガスを使用することが肝要となる。
【００３９】
（本発明鋼管の製造方法）
次に、かかる本シームレス鋼管の製造方法について、前記化学成分を有する鋼材を熱間押出により中空化して素管とし、これを圧延又は抽伸による冷間加工、及び焼鈍、酸洗を複数回繰り返して行なうことにより所望の寸法、サイズの製品とする典型的な方法を例にとり、主要工程を中心に具体的に説明する。但し、本鋼管の製造法は下記の各工程によるものに特に限定されるものではない。
【００４０】
(イ) 熱間押出工程
熱間静水圧押出などの熱間押出工程においは、先ず、その加熱温度は１０５０℃未満とすることが推奨される。このときの加熱温度が１０５０℃以上となると、全脱炭量が多くなる。好ましくは、１０２０℃以下とするのが良い。さらに好ましくは１０００℃以下とするのが良い。
【００４１】
次に、同工程における熱間押出後の冷却条件については、押出後７５０℃までの平均冷却速度を０．５℃／秒以上とすることが好ましい。７５０℃までを、このように比較的速やかに冷却することによって、冷却中のフェライト脱炭を軽減することができる。しかし、７５０℃までの平均冷却速度が０．５℃／秒未満の緩慢な冷却条件では、フェライト脱炭が進行し、本鋼管の脱炭レベルを維持できなくなる恐れが生じる。
こうした冷却効果をさらに十分に発揮させるためには、７５０℃までの平均冷却速度を０．７℃／秒以上とするのがより好ましい。
【００４２】
（ロ）冷間加工工程
熱間押出加工を行った素管は次に冷間加工を施す。この冷間加工としては、抽伸や圧延を採用するが、所望の寸法、サイズの製品とするためその加工を複数回繰り返し実施する。冷間加工工程においては鋼管の前記脱炭レベルや水素レベルに直接影響を及ぼすものではないため、その加工条件については通常のシ−ムレス鋼管で実施されている公知の条件を必要に応じてそのまま適用すれば良い。
【００４３】
（ハ）焼鈍工程
次に、上記冷間加工後は、その加工を経るごとに加工硬化し、材料硬度が高くなり、次の加工が困難となることから、材料を軟化してその加工を容易にするため、焼鈍を行なう。この焼鈍も通常複数回実施することになる。そして、この焼鈍工程は本発明シームレス鋼管を得る上でその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
【００４４】
すなわち、鋼材の焼鈍は一般に大気雰囲気下で行うことが多いが、大気雰囲気では、鋼管の内周面側及び外周面側の表層部に脱炭が生じ、本鋼管の脱炭レベルを達成できなくなる。このため、本工程においては焼鈍条件として難酸化性雰囲気で実施する。難酸化性雰囲気下での実施により焼鈍中に発生する脱炭を顕著に軽減でき、この結果、本鋼管の前記表層部の脱炭レベルを本発明に規定するレベルに維持することができる。
【００４５】
しかしながら、難酸化性雰囲気の場合であっても、水素主体のガスを使用すると、焼鈍中に材料内へ水素が侵入し、脱炭レベルは満足するものの、本鋼管のもう一つ条件である水素レベルの規定を逸脱することになる。従って、焼鈍条件として難酸化性で且つ水素を含まない雰囲気とすることが必要となる。具体的には、焼鈍時の雰囲気ガスとしてＡｒ、窒素などの不活性ガス、ＤＸガス（ＣＯ+Ｈ２+Ｎ2）などを用いて実施するものである。
【００４６】
このような雰囲気ガスを選定して焼鈍を行うことで、本発明鋼管の脱炭レベルと水素レベルの双方を維持でき、十分な疲労強度を確保できるとともに、生成スケールが極めて薄くなるためさらに、次工程の酸洗工程における酸洗時間を短縮することができ、次術するように酸洗工程で問題となる水素の侵入をも合わせて低減させることが可能であり、本鋼管を製造する手段として極めて有効である。
【００４７】
（ハ）酸洗工程
次に、焼鈍後は、材料表層に少なからずスケールが生成しており、このスケールは、この後、引き続いて繰り返される圧延、抽伸等の冷間加工に悪影響を及ぼすため、硫酸や塩酸等を用いて酸洗処理を実施する。そして、この酸洗工程も前記焼鈍工程と同様に本シームレス鋼管を得る上でやはりその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
【００４８】
すなわち、この酸洗処理の過程で、少なからず水素が侵入し、酸洗時間が長いと鋼中の水素量が増加し、本鋼管の前記水素レベルを維持することができなくなり、このため中空ばねの疲労強度を低下させる大きな原因となる。
【００４９】
図１は同一鋼成分の鋼管（表１の鋼種Ｎｏ.Ａ４）を同じＡｒガス雰囲気下で酸洗を実施した際の酸洗時間と鋼中の水素含有量の関係を示したものであるが、酸洗時間が長くなるほど鋼中の水素が増大していることが分かる。同図より具体的に、酸洗時間を４０分以内とすることにより○印の発明例のようにその水素含有量が本鋼管の水素レベル（０.３ｐｐｍ以下）を達成できることが知れる。一方、４０分を越える長時間となると×印の比較例の如く、同水素含有量がこの水素レベルを超えてしまい、好ましくないことが判明する。
上記の結果から、本酸洗工程における酸洗時間は４０分以内で実施する。また、さらに低水素レベルを維持するには、好ましくは３０分以内、特に好ましくは２０分以内とするのが良い。
【００５０】
(実施例)
以下に、本発明の優れた効果を実証するために実施例を挙げる。
表１にその化学成分（同表中ＲＥＭはＬａを５０％程度とＣｅを２５％程度含有するミッシュメタルの形態で添加を）示す各種溶鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を鋳造して分塊圧延後に断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの素ビレットとした後、熱間鍛造により直径１５０の丸棒に成型し、さらに、これに機械加工を施し、外径１４３ｍｍ、内径４０ｍｍの押出用中空ビレットを製作した。
【００５１】
上記押出用中空ビレットを高周波加熱により１０００〜１０５０℃に加熱して、外径５４ｍｍ、内径３８ｍｍに熱間押出を行ない、熱間押出後、７５０℃までの平均冷却速度を０.５℃／秒として冷却を行なった。その後、冷間加工、焼鈍、酸洗を繰り返し行って、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍに成形した。焼鈍は、表２に示す各種の雰囲気下において９００〜１０００℃で行った。酸洗は同鋼管を硫酸からなる酸洗液を用いて同表２に示す各種の処理時間において行った。
【００５２】
このようにして製造された各シームレス鋼管をその中心部で軸方向に切断し、これを試験片としてＥＰＭＡを用いて板厚方向におけるライン分析を行い、Ｃ含有量を連続的に測定して、表層部における脱炭の有無及び脱炭層（フェライト脱炭層、全脱炭層）の厚さを計測した。詳細な測定条件は下記の通りである。
【００５３】
（ＥＰＭＡの測定条件）
加速電圧：１５ｋＶ
照射電流：０.３μＡ
サンプリングタイム：０.１秒
ビーム径：２μｍ
ステップ：０.５μｍ
ライン分析方向：鋼管の外周面側から内週面側に向かって、長さ３０μｍにわたって実施。
このとき、内外周面から３０μｍ以内の領域でＣ含有量が０．１０％未満の部分が存在する場合に、フェライト脱炭層が存在すると見なして評価を不合格とし、Ｃ含有量が０.１０％未満の部分がなければフェライト脱炭層がないと判断して評価を合格とした。 また鋼管の板厚中心部の炭素濃度（Ｃ含有量）の９５％未満の部分を全脱炭層と見なして、その厚さを測定し、脱炭層の厚みが２００μｍ以下のものの評価を合格として、２００μｍを超えるものを不合格とした。そして、このフェライト脱炭及び全脱炭の評価がいずれも合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足するものと判断して「○」とし、フェライト脱炭あるいは全脱炭のいずれかまたは両方の評価が不合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足しないものと判断して「×」とし、その結果を表２の脱炭レベルの欄に記入した。
【００５４】
（鋼中水素量の分析）
前記酸洗後の各試験片の水素含有量をＡＰＩＭＳにより分析を行なった。具体的には、ＡＰＩＭＳによる水素の昇温分析を行い、室温から３５０℃までに放出される水素量を評価した。その際の昇温速度は１２℃/分である。
他の鋼成分と合せてその結果を表１の水素レベルの欄に掲載した。そして、本発明の水素レベル（０.３ｐｐｍ以下）を満足するものについてはその含有量を示した数値の右側に「○」、これを満足しないものについては「×」を付した。
（腐食疲労試験）
【００５５】
上記各シームレス鋼管を中空ばねに付与される熱処理を想定した下記条件で焼入れ・焼き戻しを行い、ＪＩＳ試験片（ＪＩＳ Ｚ２２７４疲労試験片）に加工した。
（焼入れ・焼戻し条件）
焼入れ条件：９３０℃で２０分間保持した後、水冷
焼戻し条件：４３０℃で６０分間保持
【００５６】
上記試験片（焼入れ・焼戻しした試験片）に、５％ＮａＣｌ水溶液を３５℃で噴霧し、応力：７８４ＭＰａ、８５０ＭＰａの二条件、回転速度：１００ｒｐｍで回転曲げ腐食疲労試験を行なった。繰り返し数：２.０×１０5回までの破断の有無を調べ、１.０×１０5回以上を「○」、２．０×１０5回まで破断しなかったものを「◎」、及び２.０×１０5回までに破断したものを「×」として評価した。そして、この評価結果を、表２の耐久試験結果の欄に示した。本発明では応力が８５０ＭＰａで「○」もしくは「◎」のものが対象である。
【００５７】
表２の発明例と比較例の対比からも明らかなように、本発明のシームレス鋼管はその重要且つ特徴的な脱炭レベル及び水素レベルの条件をいずれも満足しているため、中空ばねとして適用した場合に十分な疲労強度を有し、すこぶる耐久性に優れた高品質の高強度中空ばね用シームレス鋼管であることが分かる。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【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に関し、特に自動車などに使用される中空形状の鋼製懸架ばねなどの製造に適した高品質のシームレス鋼管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、排ガス低減や燃費改善を目的とする自動車の軽量化や高出力化の要請が高まるにつれて、サスペンション、エンジン、クラッチ等に使用される懸架ばね、弁ばね、クラッチばね等においても高応力設計が志向されている。そのため、これらのばねは、高強度化・細径化していく方向であり、負荷応力がさらに増大する傾向にある。こうした傾向に対応するため、耐疲労性や耐へたり性においても一段と高性能なばね鋼が強く望まれている。
また、耐疲労性や耐へたり性を維持しつつ軽量化を実現するために、ばねの素材としてこれまで用いられている棒状の線材（即ち、中実の線材）ではなく、中空にしたパイプ状の鋼材であって溶接部分のないもの（即ち、シームレス鋼管）をばねの素材として用いられるようになっている。上記のような中空シームレス鋼管を製造するための技術についても、これまでにも様々提案されている。例えば、特許文献１には、穿孔圧延機の代表というべきマンネスマンピアサを用いて穿孔を行なった後（マンネスマン穿孔）、冷間でマンドレルミル圧延（延伸圧延）を行ない、さらに８２０〜９４０℃に１０〜３０分の条件で再加熱し、その後仕上げ圧延する技術について提案されている。
【０００３】
一方、特許文献２には、熱間での静水圧押出しを行なって、中空シームレス鋼管の形状とした後、球状化焼鈍を行ない、引続き冷間でピルガーミル圧延や引抜き加工等によって伸展（抽伸）する技術について提案されている。また、この技術では最終的に、所定の温度で焼鈍を行なうことも示されている。
【０００４】
上記のような各技術では、マンネスマン穿孔や熱間静水圧押出しを行なう際に、１０５０℃以上に加熱したり、冷間加工前・後に焼鈍を行なう必要があり、熱間での加熱あるいは加工時に、更にはその後の熱処理工程において、中空シームレス鋼管の内周面側および外周面側においてその表層部に脱炭（全脱炭）が生じやすいという問題がある。また、加熱処理後の冷却時においても、フェライトとオーステナイト中への炭素の固溶量の違いに起因する脱炭（フェライト脱炭）が生じる場合がある。
【０００５】
上記のような鋼管の表層部に脱炭が生じると、ばね製造時の焼き入れ段階で、これに対応する中空ばねの外周面側および内周面側の表層部が十分硬化しないという事態が生じ、成形されるばねにおいて十分な疲労強度を確保できないという問題が生じる。そのため、本発明者らはこれら鋼管の表層部の脱炭軽減は疲労特性向上に不可欠との認識を得た。
【０００６】
また、何らかの手段により脱炭軽減を行った場合であっても、疲労強度向上には限界があり、さらに疲労強度を向上させるには、脱炭軽減だけでは不十分であり、これに加えて、他の観点からの検討、対策が必要であった。発明者らは、疲労強度向上に関して鋭意研究を行い、脱炭のほか、鋼中の水素が疲労強度に影響していることを知見した。特に、鋼管製造工程において、熱処理および酸洗処理時に水素侵入の影響が大きく、これが疲労強度を十分に向上できない原因となっていることが判明した。
【０００７】
以上の知見から、疲労強度が高く耐久性に優れた高強度中空ばね用のシームレス鋼管としてその脱炭および鋼中水素が同時に且つ適切に制御されたものが必須であるという指針を得、これに基づき種々の実験、検討を重ねた結果、本発明を完成するに到った。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１−２４７５３２号公報
【特許文献２】特開２００７−１２５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、鋼製の中空ばね用に適した十分な疲労強度を有する耐久性に優れた高強度中空ばね用シームレス鋼管を提供することをその課題としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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をここに提案する。
【００１１】
１．Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
【００１２】
２．さらに、Ｃｒ：３質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
３．さらに、Ｂ：０.０１５質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１または２に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
４．さらに、Ｖ：１質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３質量％以下（０％を含まない）及びＮｂ：０.３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
５．さらに、Ｎｉ：３質量％以下（０％を含まない）及びＣｕ：３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
６．さらに、Ｍｏ：２質量％以下（０％を含まない）を含有する上記１〜５のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
７．さらに、Ｃａ：０.００５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５質量％以下（０％を含まない）及びＲＥＭ：０.０２質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する上記１〜６のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
８．さらに、Ｚｒ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１質量％以下（０％を含まない）及びＨｆ：０.１質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１種以上を含有する上記１〜７のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、高強度中空ばねに適した疲労強度が高く耐久性に優れた高品質のシームレス鋼管を提供することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、かかるシームレス鋼管を素材とすることにより、疲労強度が高く耐久性に優れた鋼製の高強度中空ばねを容易に製造することが可能である。さらに、本発明によれば、懸架ばね、弁ばね、クラッチばねなどの部品の中空化を推進することができ、自動車など車両の一層の軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】酸洗時間と鋼中の水素含有量の関係を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の内容につき、詳述する。
先ず、本発明高強度中空ばね用シームレス鋼管（以下、本発明シームレス鋼管、本発明鋼管、本鋼管などと略称する場合がある）の化学成分について、その基本成分（元素）であるＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｐ、Ｓ、Ｎからその成分範囲と限定理由を説明する。但し、Ｈについては別途、後述する。なお、以下の各成分についての％表示は全て質量％を意味する。
【００１７】
（１）Ｃ：０．２〜０．７％
Ｃは、高強度を確保するのに必要な元素であり、そのためには０．２％以上含有させる必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０.３０％以上であり、より好ましくは０.３５％以上である。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると、延性の確保が困難になので、０.７％以下とする必要がある。Ｃ含有量は、好ましくは０.６５％以下であり、より好ましくは０.６０％以下である。
【００１８】
（２）Ｓｉ：０.５〜３％
Ｓｉは、ばねに必要な耐へたり性の向上に有効な元素であり、本発明で対象とする強度レベルのばねに必要な耐へたり性を得るには、Ｓｉ含有量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１.０％以上、より好ましくは１.５％以上である。しかしながら、Ｓｉは脱炭を促進させる元素でもあるため、Ｓｉを過剰に含有させると鋼材表面の脱炭層形成を促進させる。その結果、脱炭層削除のためのピーリング工程が必要となるので、製造コストの面で不都合である。こうしたことから、本発明ではＳｉ含有量の上限を３％とした。好ましくは２.５％以下、より好ましくは２.２％以下である。
【００１９】
（３）Ｍｎ：０.１〜２％
Ｍｎは、脱酸元素として利用されると共に、鋼材中の有害元素であるＳとＭｎＳを形成して無害化する有益な元素である。この様な効果を有効に発揮させるには、Ｍｎは０.１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．１５％以上、より好ましくは０．２０％以上である。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、偏析帯が形成されて材質のばらつきが生じる。こうしたことから、本発明ではＭｎ含有量の上限を２％とした。好ましくは１.５％以下であり、より好ましくは１.０％以下である。
【００２０】
（４）Ａｌ：０.１％以下（０％を含まない）
Ａｌは、主に脱酸元素として添加される。また、Ｎと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。特に固溶Ｎを固定させるには、Ｎ含有量の２倍を超えるようＡｌを含有させることが好ましい。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鋼ではＡｌの多量添加を抑える必要があり、本発明では０.１％以下とした。好ましくは０.０７％以下、より好ましくは０.０５％以下である。
【００２１】
（５）Ｐ：０.０２％以下（０％を含まない）
Ｐは、鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明ではその上限を０.０２％とする。好ましくは０.０１０％以下、より好ましくは０．００８％以下に抑えるのが良い。尚、Ｐは鋼材に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％にすることは工業生産上困難である。
【００２２】
（６）Ｓ：０.０２％以下（０％を含まない）
Ｓは、上記Ｐと同様に鋼材の靭性や延性を劣化させる有害元素であるため、極力低減することが重要であり、本発明では０.０２％以下に抑える。好ましくは０.０１０％以下、より好ましくは０.００８％以下である。尚、Ｓは鋼に不可避的に含まれる不純物であり、その量を０％とすることは工業生産上困難である。
【００２３】
（７）Ｎ：０.０２％以下（０％を含まない）］
Ｎは、Ａｌ、Ｔｉ等が存在すると窒化物を形成して組織を微細化させる効果があるが、固溶状態で存在すると、鋼材の靭延性及び耐水素脆化特性を劣化させる。本発明では、Ｎ量の上限を０.０２％とする。好ましくは０．０１０％以下、より好ましくは０.００５％以下である。
【００２４】
本シームレス鋼管は上記の基本成分を必須とするが、さらにこれに選択成分としてＣｒ、Ｂ、[Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ]、[Ｎｉ、Ｃｕ]、Ｍｏ、[Ｃａ、Ｍｇ、ＲＥＭ]、[Ｚｒ、Ｔａ及びＨｆ]などを適宜添加、含有させることもできる。これらの選択成分について、その成分範囲と限定理由を説明する。なお、[]で括った成分は同効の元素であることを示している。
【００２５】
Ｃｒ：３％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な元素であり、特に高レベルの耐食性が要求される懸架ばねに重要な元素である。こうした効果は、Ｃｒ含有量が増大するにつれて大きくなるが、こうした効果を優先的に発揮させるためには、Ｃｒは０.２％以上含有させることが好ましい。さらに好ましくは０.５％以上とするのがよい。しかしながら、Ｃｒ含有量が過剰になると、過冷組織が発生し易くなると共に、セメンタイトに濃化して塑性変形能を低下させ、冷間加工性の劣化を招く。またＣｒ含有量が過剰になると、セメンタイトとは異なるＣｒ炭化物が形成されやすくなり、強度と延性のバランスが悪くなる。こうしたことから、本発明で用いる鋼材では、Ｃｒ含有量を３％以下に抑えることが好ましい。より好ましくは２.０％以下、さらに好ましくは１．７％以下である。
【００２６】
Ｂ：０.０１５％以下（０％を含まない）
Ｂは、鋼材の焼入れ・焼戻し後において旧オーステナイト粒界からの破壊を抑制する効果がある。この様な効果を発現させるには、Ｂを０．００１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｂを過剰に含有させると、粗大な炭硼化物を形成して鋼材の特性を害する。またＢは、必要以上に含有させると圧延材の疵の発生原因にもなる。こうしたことから、Ｂ含有量の上限を０.０１５％とした。より好ましくは０.０１０％以下、さらに好ましくは０.００５％以下とするのが良い。
【００２７】
［Ｖ：１％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３％以下（０％を含まない）およびＮｂ：０.３％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｖ、ＴｉおよびＮｂは、Ｃ、Ｎ、Ｓ等と炭・窒化物（炭化物、窒化物および炭窒化物）、或は硫化物等を形成して、これらの元素を無害化する作用を有する。また上記炭・窒化物を形成して組織を微細化する効果も発揮する。更に、耐遅れ破壊特性を改善するという効果も有する。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰になると、粗大な炭・窒化物が形成されて靭性や延性が劣化する場合がある。よって本発明では、Ｖ、ＴｉおよびＮｂの含有量の上限を、夫々１％、０.３％、０.３％とすることが好ましい。より好ましくは、Ｖ：０.５％以下、Ｔｉ：０.１％以下、Ｎｂ：０.１％以下である。更には、コスト低減の観点からして、Ｖ：０.３％以下、Ｔｉ：０.０５％以下、Ｎｂ：０.０５％以下とすることが好ましい。
【００２８】
［Ｎｉ：３％以下（０％を含まない）および／またはＣｕ：３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは、コスト低減を考慮した場合には、添加を控えるためその下限を特に設けないが、表層脱炭を抑制したり耐食性を向上させる場合には、０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｎｉ含有量が過剰になると、圧延材に過冷組織が発生したり、焼入れ後に残留オーステナイトが存在し、鋼材の特性が劣化する場合がある。こうしたことから、Ｎｉを含有させる場合には、その上限を３％とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２.０％以下、より好ましくは１.０％以下とするのが良い。
【００２９】
Ｃｕは、上記Ｎｉと同様に表層脱炭を抑制したり耐食性を向上するのに有効な元素である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｕを０.１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃｕの含有量が過剰になると、過冷組織が発生したり、熱間加工時に割れが生じる場合がある。こうしたことから、Ｃｕを含有させる場合には、その上限を３％とする。コスト低減の観点からは、好ましくは２．０％以下、より好ましくは１.０％以下とするのが良い。
【００３０】
Ｍｏ：２％以下（０％を含まない）
Ｍｏは焼戻し後の強度確保、靭性向上に有効な元素である。しかしながら、Ｍｏ含有量が過剰になると靭性が劣化する。こうしたことからＭｏ含有量の上限は２％とすることが好ましい。より好ましくは０.５％以下とするのが良い。
【００３１】
［Ｃａ：０.００５％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５％以下（０％を含まない）およびＲＥＭ：０.０２％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
Ｃａ，ＭｇおよびＲＥＭ（希土類元素）は、いずれも硫化物を形成し、ＭｎＳの伸長を防ぐことで、靭性を改善する効果を有し、要求特性に応じて添加することができる。しかしながら、夫々上記上限を超えて含有させると、逆に靭性を劣化させる。夫々の好ましい上限は、Ｃａで０．００３％、Ｍｇで０.００３％、ＲＥＭで０.０１％である。
尚、本発明において、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（スカンジウム）とＹ（イットリウム）を含む意味である。
【００３２】
［Ｚｒ：０.１％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１％以下（０％を含まない）およびＨｆ：０.１％以下（０％を含まない）よりなる群から選ばれる１種以上］
これの元素は、Ｎと結びついて窒化物を形成し、安定で加熱時のオーステナイト（γ）粒径の成長を抑制し、最終的な組織を微細化し、靭性を改善する効果がある。但し、いずれも０.１％を超えて過剰に含有させると窒化物が粗大化し、疲労特性を劣化させるため好ましくない。こうしたことから、いずれもその上限を０.１％とした。より好ましい上限はいずれも０.０５０％であり、更に好ましい上限は０.０２５％である。
次に、本シームレス鋼管における特徴的な構成である脱炭についての条件（脱炭レベル）及び鋼中の水素含有量の条件（水素レベル）について説明する。
【００３３】
（Ａ）本発明鋼管の脱炭レベルについて
前述の背景技術で触れたように、熱間加工や熱処理などシームレス鋼管を製造する際の各工程において鋼管の内面側及び外面側の表層部の脱炭が生じるため、これを素材として中空ばねを製造する場合、これら表層部のＣ含有量の減少に起因して、焼入れ時に表層部が十分に硬化せず、ばねの疲労強度が低下する問題が出る。
従って、この鋼管の表層部の脱炭を極力防止し、その脱炭レベルを一定以下に維持して、疲労強度を確保することが重要となる。
【００３４】
本発明においては、鋼管の脱炭レベルを
（ａ）内周面側及び外周面側の表層部におけるＣ 含有量が０.１０質量％以上であること、及び
（ｂ）内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であること、
の２条件によって規定する。すなわち、本発明では、（ａ）条件によりフェライト脱炭レベルを特定し、また（ｂ）条件により全脱炭レベルを特定し、これら（ａ）と（ｂ）の両条件の双方が上記範囲を満足する脱炭レベルを設定するものであり、このような脱炭レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例で実証するように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。
【００３５】
（ａ）条件における内周面側及び外周面側の表層部は、それぞれ鋼管の内周面及び外周面から中央（管の板厚中心）側に向かって３０μｍの範囲の領域を指し、この範囲でＣ 含有量が０.１０％以上であれば、疲労強度に悪影響を及ぼすようなフェライト脱炭（層）は実質的に存在していないものと見なすことができる。
また、（ｂ）条件における内周面側及び外周面側の全脱炭層の厚みとは、それぞれ鋼管の内周面及び外周面から板厚中心側に向かってその板厚中心におけるＣ含有量（鋼成分におけるＣ含有量に相当）の９５％未満となる領域の厚みを指すもので、この厚みが２００μｍ以下であれば、やはり疲労強度に悪影響を及ぼすような全脱炭（層）は実質的に存在していないものと見なすことができる。
このように、本発明の脱炭レベルは、フェライト脱炭及び全脱炭の両面から、得られる鋼管の中空ばね製造時の疲労強度が十分に確保されることを保証する最小限に抑制、制御された水準を意味し、実質的に脱炭の影響を無視し得るものであり、そして具体的には後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各脱炭レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて定めたものである。
【００３６】
そして、この本鋼管の脱炭レベルを維持するためには、シームレス鋼管の製造における各工程における製造条件に留意する必要があり、この点については本鋼管の製造方法のところで説明するが、特に焼鈍工程は通常複数回繰り返して行なわれるため、大気雰囲気では脱炭への影響が大きく、従って、焼鈍を行なう際には、還元性ガス、不活性ガスなどの非酸化性雰囲気で実施することが肝要となる。
【００３７】
（Ｂ）本発明鋼管の水素レベルについて
上記のように鋼管の脱炭レベルを本発明の条件下に維持することが必須であるが、この脱炭レベルの条件のみでは不十分であり、その疲労強度をさらに安定して十分に確保するためには、鋼中の水素レベルが重要な条件となる。
そこで、本発明における鋼管の水素レベルすなわち鋼中の水素含有量は０.３ｐｐｍ以下（０を含む）とする。好ましくは０.２０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは０.１５ｐｐｍ以下とする。
このような水素レベルに制御された鋼管とすることにより、後述する実施例から明らかなように中空ばね用としてその十分な疲労強度を確保することが可能となる。たとえ、本鋼管の脱炭レベルが前記に規定する条件を満たしていても、鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍを超える場合は十分な疲労強度が得られず中空ばねの耐久性を確保できなくなるのである。
この本発明の水素レベルについても、脱炭レベルと同様に後述の実施例における回転曲げ腐食疲労試験により各水素レベルにある鋼管の耐久性を調査、確認した結果に基づいて具体的に定めたものである。
【００３８】
そして、この本鋼管の水素レベルを維持するためには、脱炭レベルと同様にシームレス鋼管の製造における各工程における製造条件に留意する必要があり、この点についても本鋼管の製造方法のところで詳説するが、特に酸洗工程における酸洗時間や焼鈍工程での雰囲気による影響が大きく、水素の侵入、増加の原因となるため、酸洗時間を短くしたり、焼鈍時の雰囲気ガスを水素濃度の比較的低いガスを使用することが肝要となる。
【００３９】
（本発明鋼管の製造方法）
次に、かかる本シームレス鋼管の製造方法について、前記化学成分を有する鋼材を熱間押出により中空化して素管とし、これを圧延又は抽伸による冷間加工、及び焼鈍、酸洗を複数回繰り返して行なうことにより所望の寸法、サイズの製品とする典型的な方法を例にとり、主要工程を中心に具体的に説明する。但し、本鋼管の製造法は下記の各工程によるものに特に限定されるものではない。
【００４０】
(イ) 熱間押出工程
熱間静水圧押出などの熱間押出工程においは、先ず、その加熱温度は１０５０℃未満とすることが推奨される。このときの加熱温度が１０５０℃以上となると、全脱炭量が多くなる。好ましくは、１０２０℃以下とするのが良い。さらに好ましくは１０００℃以下とするのが良い。
【００４１】
次に、同工程における熱間押出後の冷却条件については、押出後７５０℃までの平均冷却速度を０．５℃／秒以上とすることが好ましい。７５０℃までを、このように比較的速やかに冷却することによって、冷却中のフェライト脱炭を軽減することができる。しかし、７５０℃までの平均冷却速度が０．５℃／秒未満の緩慢な冷却条件では、フェライト脱炭が進行し、本鋼管の脱炭レベルを維持できなくなる恐れが生じる。
こうした冷却効果をさらに十分に発揮させるためには、７５０℃までの平均冷却速度を０．７℃／秒以上とするのがより好ましい。
【００４２】
（ロ）冷間加工工程
熱間押出加工を行った素管は次に冷間加工を施す。この冷間加工としては、抽伸や圧延を採用するが、所望の寸法、サイズの製品とするためその加工を複数回繰り返し実施する。冷間加工工程においては鋼管の前記脱炭レベルや水素レベルに直接影響を及ぼすものではないため、その加工条件については通常のシ−ムレス鋼管で実施されている公知の条件を必要に応じてそのまま適用すれば良い。
【００４３】
（ハ）焼鈍工程
次に、上記冷間加工後は、その加工を経るごとに加工硬化し、材料硬度が高くなり、次の加工が困難となることから、材料を軟化してその加工を容易にするため、焼鈍を行なう。この焼鈍も通常複数回実施することになる。そして、この焼鈍工程は本発明シームレス鋼管を得る上でその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
【００４４】
すなわち、鋼材の焼鈍は一般に大気雰囲気下で行うことが多いが、大気雰囲気では、鋼管の内周面側及び外周面側の表層部に脱炭が生じ、本鋼管の脱炭レベルを達成できなくなる。このため、本工程においては焼鈍条件として難酸化性雰囲気で実施する。難酸化性雰囲気下での実施により焼鈍中に発生する脱炭を顕著に軽減でき、この結果、本鋼管の前記表層部の脱炭レベルを本発明に規定するレベルに維持することができる。
【００４５】
しかしながら、難酸化性雰囲気の場合であっても、水素主体のガスを使用すると、焼鈍中に材料内へ水素が侵入し、脱炭レベルは満足するものの、本鋼管のもう一つ条件である水素レベルの規定を逸脱することになる。従って、焼鈍条件として難酸化性で且つ水素を含まない雰囲気とすることが必要となる。具体的には、焼鈍時の雰囲気ガスとしてＡｒ、窒素などの不活性ガス、ＤＸガス（ＣＯ+Ｈ２+Ｎ2）などを用いて実施するものである。
【００４６】
このような雰囲気ガスを選定して焼鈍を行うことで、本発明鋼管の脱炭レベルと水素レベルの双方を維持でき、十分な疲労強度を確保できるとともに、生成スケールが極めて薄くなるためさらに、次工程の酸洗工程における酸洗時間を短縮することができ、次術するように酸洗工程で問題となる水素の侵入をも合わせて低減させることが可能であり、本鋼管を製造する手段として極めて有効である。
【００４７】
（ハ）酸洗工程
次に、焼鈍後は、材料表層に少なからずスケールが生成しており、このスケールは、この後、引き続いて繰り返される圧延、抽伸等の冷間加工に悪影響を及ぼすため、硫酸や塩酸等を用いて酸洗処理を実施する。そして、この酸洗工程も前記焼鈍工程と同様に本シームレス鋼管を得る上でやはりその条件に十分な配慮を必要とする重要な工程となる。
【００４８】
すなわち、この酸洗処理の過程で、少なからず水素が侵入し、酸洗時間が長いと鋼中の水素量が増加し、本鋼管の前記水素レベルを維持することができなくなり、このため中空ばねの疲労強度を低下させる大きな原因となる。
【００４９】
図１は同一鋼成分の鋼管（表１の鋼種Ｎｏ.Ａ４）を同じＡｒガス雰囲気下で酸洗を実施した際の酸洗時間と鋼中の水素含有量の関係を示したものであるが、酸洗時間が長くなるほど鋼中の水素が増大していることが分かる。同図より具体的に、酸洗時間を４０分以内とすることにより○印の発明例のようにその水素含有量が本鋼管の水素レベル（０.３ｐｐｍ以下）を達成できることが知れる。一方、４０分を越える長時間となると×印の比較例の如く、同水素含有量がこの水素レベルを超えてしまい、好ましくないことが判明する。
上記の結果から、本酸洗工程における酸洗時間は４０分以内で実施する。また、さらに低水素レベルを維持するには、好ましくは３０分以内、特に好ましくは２０分以内とするのが良い。
【００５０】
(実施例)
以下に、本発明の優れた効果を実証するために実施例を挙げる。
表１にその化学成分（同表中ＲＥＭはＬａを５０％程度とＣｅを２５％程度含有するミッシュメタルの形態で添加を）示す各種溶鋼を、通常の溶製法によって溶製し、この溶鋼を鋳造して分塊圧延後に断面形状が１５５ｍｍ×１５５ｍｍの素ビレットとした後、熱間鍛造により直径１５０の丸棒に成型し、さらに、これに機械加工を施し、外径１４３ｍｍ、内径４０ｍｍの押出用中空ビレットを製作した。
【００５１】
上記押出用中空ビレットを高周波加熱により１０００〜１０５０℃に加熱して、外径５４ｍｍ、内径３８ｍｍに熱間押出を行ない、熱間押出後、７５０℃までの平均冷却速度を０.５℃／秒として冷却を行なった。その後、冷間加工、焼鈍、酸洗を繰り返し行って、外径１６ｍｍ、内径８ｍｍに成形した。焼鈍は、表２に示す各種の雰囲気下において９００〜１０００℃で行った。酸洗は同鋼管を硫酸からなる酸洗液を用いて同表２に示す各種の処理時間において行った。
【００５２】
このようにして製造された各シームレス鋼管をその中心部で軸方向に切断し、これを試験片としてＥＰＭＡを用いて板厚方向におけるライン分析を行い、Ｃ含有量を連続的に測定して、表層部における脱炭の有無及び脱炭層（フェライト脱炭層、全脱炭層）の厚さを計測した。詳細な測定条件は下記の通りである。
【００５３】
（ＥＰＭＡの測定条件）
加速電圧：１５ｋＶ
照射電流：０.３μＡ
サンプリングタイム：０.１秒
ビーム径：２μｍ
ステップ：０.５μｍ
ライン分析方向：鋼管の外周面側から内週面側に向かって、長さ３０μｍにわたって実施。
このとき、内外周面から３０μｍ以内の領域でＣ含有量が０．１０％未満の部分が存在する場合に、フェライト脱炭層が存在すると見なして評価を不合格とし、Ｃ含有量が０.１０％未満の部分がなければフェライト脱炭層がないと判断して評価を合格とした。 また鋼管の板厚中心部の炭素濃度（Ｃ含有量）の９５％未満の部分を全脱炭層と見なして、その厚さを測定し、脱炭層の厚みが２００μｍ以下のものの評価を合格として、２００μｍを超えるものを不合格とした。そして、このフェライト脱炭及び全脱炭の評価がいずれも合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足するものと判断して「○」とし、フェライト脱炭あるいは全脱炭のいずれかまたは両方の評価が不合格となったものを本発明の脱炭レベルを満足しないものと判断して「×」とし、その結果を表２の脱炭レベルの欄に記入した。
【００５４】
（鋼中水素量の分析）
前記酸洗後の各試験片の水素含有量をＡＰＩＭＳにより分析を行なった。具体的には、ＡＰＩＭＳによる水素の昇温分析を行い、室温から３５０℃までに放出される水素量を評価した。その際の昇温速度は１２℃/分である。
他の鋼成分と合せてその結果を表１の水素レベルの欄に掲載した。そして、本発明の水素レベル（０.３ｐｐｍ以下）を満足するものについてはその含有量を示した数値の右側に「○」、これを満足しないものについては「×」を付した。
（腐食疲労試験）
【００５５】
上記各シームレス鋼管を中空ばねに付与される熱処理を想定した下記条件で焼入れ・焼き戻しを行い、ＪＩＳ試験片（ＪＩＳ Ｚ２２７４疲労試験片）に加工した。
（焼入れ・焼戻し条件）
焼入れ条件：９３０℃で２０分間保持した後、水冷
焼戻し条件：４３０℃で６０分間保持
【００５６】
上記試験片（焼入れ・焼戻しした試験片）に、５％ＮａＣｌ水溶液を３５℃で噴霧し、応力：７８４ＭＰａ、８５０ＭＰａの二条件、回転速度：１００ｒｐｍで回転曲げ腐食疲労試験を行なった。繰り返し数：２.０×１０5回までの破断の有無を調べ、１.０×１０5回以上を「○」、２．０×１０5回まで破断しなかったものを「◎」、及び２.０×１０5回までに破断したものを「×」として評価した。そして、この評価結果を、表２の耐久試験結果の欄に示した。本発明では応力が８５０ＭＰａで「○」もしくは「◎」のものが対象である。
【００５７】
表２の発明例と比較例の対比からも明らかなように、本発明のシームレス鋼管はその重要且つ特徴的な脱炭レベル及び水素レベルの条件をいずれも満足しているため、中空ばねとして適用した場合に十分な疲労強度を有し、すこぶる耐久性に優れた高品質の高強度中空ばね用シームレス鋼管であることが分かる。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項２】
さらに、Ｃｒ：３質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項３】
さらに、Ｂ：０.０１５質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１または２に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項４】
さらに、Ｖ：１質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３質量％以下（０％を含まない）及びＮｂ：０.３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項５】
さらに、Ｎｉ：３質量％以下（０％を含まない）及びＣｕ：３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項６】
さらに、Ｍｏ：２質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項７】
さらに、Ｃａ：０.００５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５質量％以下（０％を含まない）及びＲＥＭ：０.０２質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項８】
さらに、Ｚｒ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１質量％以下（０％を含まない）及びＨｆ：０.１質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜７のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項１】
Ｃ：０.２〜０.７質量％、Ｓｉ：０.５〜３質量％、Ｍｎ：０．１〜２質量％、Ａｌ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｐ：０.０２質量％以下（０％を含まない）、Ｓ：０.０２質量％以下（０％を含まない）及びＮ: ０.０２質量％以下（０％を含まない）を含有する鋼からなり、その内周面側の表層部及び外周面側の表層部におけるＣ含有量が０.１０質量％以上であると共に、前記内周面側及び外周面側における全脱炭層の厚みが２００μｍ以下であり、且つ前記鋼中の水素含有量が０.３ｐｐｍ以下（０％を含む）であることを特徴とする高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項２】
さらに、Ｃｒ：３質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項３】
さらに、Ｂ：０.０１５質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１または２に記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項４】
さらに、Ｖ：１質量％以下（０％を含まない）、Ｔｉ：０.３質量％以下（０％を含まない）及びＮｂ：０.３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜３のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項５】
さらに、Ｎｉ：３質量％以下（０％を含まない）及びＣｕ：３質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜４のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項６】
さらに、Ｍｏ：２質量％以下（０％を含まない）を含有する請求項１〜５のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項７】
さらに、Ｃａ：０.００５質量％以下（０％を含まない）、Ｍｇ：０.００５質量％以下（０％を含まない）及びＲＥＭ：０.０２質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１以上を含有する請求項１〜６のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【請求項８】
さらに、Ｚｒ：０.１質量％以下（０％を含まない）、Ｔａ：０.１質量％以下（０％を含まない）及びＨｆ：０.１質量％以下（０％を含まない）から選ばれる１種以上を含有する請求項１〜７のいずれかに記載の高強度ばね用シームレス鋼管。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１１１９７９（Ｐ２０１２−１１１９７９Ａ）
【公開日】平成２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５９２７２（Ｐ２０１０−２５９２７２）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【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２４年６月１４日（２０１２．６．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【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 ]