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JP2023508314A - 超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法 - Google Patents

超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法 Download PDF

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JP2023508314A JP2022538152A JP2022538152A JP2023508314A JP 2023508314 A JP2023508314 A JP 2023508314A JP 2022538152 A JP2022538152 A JP 2022538152A JP 2022538152 A JP2022538152 A JP 2022538152A JP 2023508314 A JP2023508314 A JP 2023508314A
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Abstract

【課題】優れた加工性を有する超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明による超高強度ばね用線材は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下である。式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。

Description

本発明は、超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法に関し、より詳細には、優れた加工性を有する超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法に関する。
自動車素材の市場と同様に、バイク市場も持続的に軽量化または構造変更を進めている。最近では、従来のバイクに使用されていたデュアルタイプのサスペンションをモノタイプに代替し、高強度ばね鋼に対する需要が増加している。
バイク懸架ばねに使用されていた従来のばね鋼は、伸線材でモノタイプサスペンションに活用するには強度及び疲労抵抗性が不足している。これにより、自動車用テンパードマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ，ＴＭ）組織鋼の活用を検討したが、自動車懸架ばねは、管理基準が厳しく、製造し難く、高価なため、バイク懸架ばねに適用しにくいという問題がある。
特にバイク懸架ばねは、自動車に比べてサスペンションサイズが小さく、相対的にばね加工時により高い加工性を要求する。また、バイク懸架ばねは、相対的に薄い直径で使用されるため、脱炭及び低温組織の制御が困難である。したがって、バイクサスペンションに活用できる新しい高強度懸架ばねが必要な実状である。
また、従来では、テンパードマルテンサイト組織を作製するとき、熱処理炉で鋼材を加熱した後、油冷（ｏｉｌ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を用いており、硬化能を十分に確保するために鋼材にマンガン、クロムが一定レベル以上で含まれなければならなかった。最近では、誘導加熱（Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）技術の発達により水冷を活用しても十分な硬化能を確保できるようになり、鋼材に含まれる合金元素の含量を下げながら、目的とする強度を達成できるようになった。しかし、現在まで、誘導加熱技術と冷却を活用して合金元素の含量を下げたバイク懸架ばねに適用できる細硬鋼材の研究は、まだ不十分な実状である。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、優れた加工性を有する超高強度ばね用線材、鋼線及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による超高強度ばね用線材は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であることを特徴とする。
式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
前記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材において、長手方向に垂直な断面上で、硬度が４００Ｈｖ以上のベイナイトとマルテンサイトの面積分率の合計が１％以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材において、フェライト脱炭層の厚さが１μｍ以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材において、フェライト結晶粒の平均サイズが１０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材において、サイズが２０ｎｍ以下のＮｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２以上分布することが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材において、引張強度が１２００ＭＰａ以下であることが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による超高強度ばね用線材の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下のインゴットを加熱温度９００～１１００℃で１８０分以内で均質化熱処理する段階、仕上げ圧延温度が７３０～Ａｅ３℃で線材圧延する段階及び３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する段階を含むことを特徴とする。
式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
前記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材の製造方法において、前記線材圧延する段階で、変形量は０．３～２．０であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用線材の製造方法において、前記線材圧延する段階で仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒の平均サイズが５～１５μｍであることが好ましい。
また、上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であり、面積分率で、テンパードマルテンサイトを９０％以上含むことを特徴とする。
式（１）０．７７≦Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ≦０．８３
前記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線において、サイズが２０ｎｍ以下のＮｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２以上分布することが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線において、旧オーステナイト平均結晶粒のサイズが１０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線において、線径が１５ｍｍ以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線において、強度が１７００ＭＰａ以上であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線において、断面減少率が３５％以上であることが好ましい。
また、上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線の製造方法は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下の線材を伸線する段階、９００～１０００℃で加熱する段階、高圧で水冷する段階、４００～５００℃でテンパリングする段階及び水冷する段階を含むことを特徴とする。
式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
前記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線の製造方法において、前記加熱する段階は、９００～１０００℃まで１０秒以内に加熱した後、５～６０秒間保持することを含んでもよい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線の製造方法において、前記加熱する段階以後のオーステナイト結晶粒の平均サイズが１０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の一態様による超高強度ばね用鋼線の製造方法において、前記テンパリングする段階は、４００～５００℃まで１０秒以内に加熱した後、３０秒以内で保持してもよい。
本発明によれば、低Ｃｅｑ及び低Ｓｉ合金組成を用いて表面脱炭及び低温組織の形成が抑制された超高強度ばね用線材を提供することができる。
また、本発明によれば、Ｎｂ系炭化物及び制御圧延を用いて結晶粒が微細化された超高強度ばね用線材を提供することができる。
本発明による超高強度ばね用鋼線は、線径が１５ｍｍ以下でバイク懸架ばね用鋼線として好適な細径を有する。
本発明による超高強度ばね用鋼線は、誘導加熱と水冷を活用して低Ｃｅｑ及び低Ｓｉ合金組成であるにもかかわらず、強度が１７００ＭＰａ以上でバイク懸架ばねに要求される超高強度物性を確保することができる。
本発明による超高強度ばね用鋼線は、結晶粒微細化を通じて断面減少率（ＲＡ）が３５％以上で、高延性を確保することができ、これにより常温で冷間成形されてバイク懸架ばねとして製造される。
［発明を実施するための最良の形態］
本発明の一実施形態による超高強度ばね用線材は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であることが好ましい。
式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
上記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
以下、本発明の実施形態について説明する。しかし、本発明の実施形態は、様々な異なる形態に変形されてもよく、本発明の技術思想は以下で説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
本明細書で使用される用語は、単に特定の例を説明するために使用されるものである。そのために、例えば、単数の表現は、文脈上明らかに単数でなければならないものでない限り、複数の表現を含む。さらに、本明細書で使用される「含む」または「備える」などの用語は、明細書上に記載された特徴、段階、機能、構成要素またはそれらを組み合わせたものが存在することを明確に示すために使用されるものであり、他の特徴や段階、機能、構成要素またはそれらを組み合わせたものの存在を予め排除するために使用されるものではない。
一方、特に定義のない限り、本明細書で使用されるすべての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有するものである。したがって、本明細書で明確に定義しない限り、特定の用語が過度に理想的または形式的な意味で解釈されない。例えば、本明細書における単数の表現は、文脈上明らかに例外がない限り、複数の表現を含む。
また、本明細書において「約」、「実質的に」などは、言及した意味に固有の製造及び物質許容誤差が提示されるとき、その数値またはその数値に近い意味で使用され、本発明の理解を助けるために正確かつ絶対的な数値が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に用いることを防止するために使用される。
本発明の発明者らは、優れた加工性を有する超高強度ばね用線材、鋼線を提供するため、表面脱炭及び低温組織形成の抑制が容易な低Ｃｅｑ及び低Ｓｉの最適な合金組成を導き出した。超高強度ばねは、本明細書に開示される鋼線を常温で冷間成形して製造されてもよく、鋼線は、本明細書に開示される線材を伸線して製造されてもよい。
本発明の一実施形態による超高強度ばね用線材は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなる。
以下、上記の合金組成に限定した理由について具体的に説明する。
炭素（Ｃ）：０．５５～０．６５重量％
炭素は、製品の強度を確保するために添加される元素である。炭素含量が０．５５重量％未満の場合、目的とする強度及び低Ｃｅｑを確保できない。これにより、鋼材を冷却するときにマルテンサイト組織が完全に形成されず、強度を確保することが困難である場合があり、完全なマルテンサイト組織が形成されても目的とする強度を確保することが困難である場合がある。炭素含量が０．６５重量％を超えると、衝撃特性が低下し、水冷時にクエンチングクラック（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｃｒａｃｋ）が発生することがある。したがって、本発明によれば、炭素含量は、０．５５～０．６５重量％に制御される。
シリコン（Ｓｉ）：０．５～０．９重量％
シリコンは、鋼の脱酸のために使用され、固溶強化による強度確保に有利な元素である。強度を確保するため、本発明においてシリコンは、０．５重量％以上で添加される。しかし、シリコンは、過剰に添加されると、表面脱炭を引き起こすおそれがあり、材料の加工において困難性があるため、これを考慮してその上限は、０．９重量％に制限される。このように本発明は、シリコンを０．９重量％以下に制御した低Ｓｉ合金設計を用いて表面脱炭を抑制し、十分な加工性を確保する。
マンガン（Ｍｎ）：０．３～０．８重量％
マンガンは、硬化能向上元素であり、高強度テンパードマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）組織鋼を形成するための必須元素の一つである。強度を確保するため、本発明においてマンガンは、０．３重量％以上で添加される。しかし、テンパードマルテンサイト組織鋼においてマンガン含量が過剰になると靭性が低下するので、マンガン含量の上限は、０．８重量％に制限される。
クロム（Ｃｒ）：０．３～０．６重量％
クロムは、マンガンとともに硬化能向上に有効で、鋼の耐食性を向上させる。このため、本発明においてクロムは、０．３重量％以上で添加される。しかし、クロムは、シリコンとマンガンに比べて相対的に高価な元素であり、Ｃｅｑを増加させるため、本発明におけるその上限は、０．６重量％に制限される。
リン（Ｐ）：０．０１５重量％以下
リンは、結晶粒界に偏析して靭性を低下させ、水素遅延破壊抵抗性を低下させる元素であるため、鋼材から最大限排除されることが好ましい。本発明におけるその上限は、０．０１５重量％に制限される。
硫黄（Ｓ）：０．０１重量％以下
硫黄は、リンと同様に結晶粒界に偏析して靭性を低下させ、ＭｎＳを形成して水素遅延破壊抵抗性を低下させることができるため、鋼材から最大限排除されることが好ましい。本発明におけるその上限は、０．０１重量％に制限される。
アルミニウム（Ａｌ）：０．０１重量％以下
アルミニウムは、強力な脱酸元素で、鋼中酸素を除去して清浄度を高めることができる。しかし、アルミニウムは、添加時にＡｌ２Ｏ３介在物を形成して疲労抵抗性を低下させるという問題がある。これにより、本発明におけるその上限は、０．０１重量％に制限される。
窒素（Ｎ）：０．００５重量％以下
窒素は、鋼中アルミニウムまたはバナジウムと結合して熱処理時に溶解しない粗大なＡｌＮまたはＶＮ析出物を形成するという問題がある。これにより、本発明におけるその上限は、０．００５重量％以下に制限される。
ナイオビウム（Ｎｂ）：０重量％超過、０．０４重量％以下
ナイオビウムは、鋼中炭素と結合してＮｂ系炭化物を形成する元素で、結晶粒を微細化して加工性を向上させる。結晶粒微細化による加工性を向上させるため、本発明において、ナイオビウムは、０重量％を超えて添加される。しかし、ナイオビウムは、過剰に添加されると、粗大な炭化物が形成されて加工性が低下することがあるため、ナイオビウムは、０．０４重量％以下で添加される。加工性の向上の側面で、より好ましくは、ナイオビウムは、０．０２重量％以下で添加されてもよい。
ナイオビウムを添加して形成されたＮｂ系炭化物は、本発明による超高強度ばね用線材、鋼線の組織内に分布しうる。形成されたＮｂ系炭化物のサイズは、２０ｎｍ以下であることが好ましい。Ｎｂ系炭化物のサイズが２０ｎｍを超えると、むしろ加工性が低下するおそれがあるためである。また、Ｎｂ系炭化物は、１０００個／ｍｍ２以上で均等に分布することが好ましい。Ｎｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２未満で分布する場合、結晶粒が十分に微細化されないおそれがあるためである。上述したＮｂ系炭化物において、Ｎｂは、１０ａｔ％以上で含まれてもよい。
本発明の残りの成分は、鉄（Ｆｅ）である。ただし、通常の製造過程では、原料または周囲環境から意図しない不純物が不可避に混入することがあるので、これを排除することはできない。上記不純物は、通常の製造段階の技術者であれば誰でも分かるものであるため、そのすべての内容を特に本明細書で言及しない。
また、以上で述べた線材の合金組成に対する限定理由は、鋼線の合金組成に対する限定理由と同じであり、便宜上、鋼線の合金組成に対する限定理由は、省略する。
本発明の線材、鋼線の合金組成は、各合金元素の含量を上述した条件により制限すること以外にも、これらの関係を次のようにさらに限定してもよい。
式（１）の値：０．７７以上、０．８３以下
本発明は、線材圧延後、冷却時に発生しやすい表面脱炭と低温組織の形成を抑制できるようにＣｅｑ値を制御する。Ｃｅｑ値は、下記の式（１）で表される。本発明では、表面脱炭と低温組織の形成を抑制するため、式（１）の値を０．７７以上、０．８３以下に制御する。
式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
上記の式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。
式（１）の値が０．８３を超えると表面脱炭が発生し、低温組織が形成されるおそれがある。一方、式（１）の値が０．７７未満であると、目標とする強度を確保し難い。
以下、本発明による超高強度ばね用線材の製造方法について詳細に説明する。本発明による超高強度ばね用線材は、上述した合金組成及び式（１）の値の範囲を満たすインゴット（ｉｎｇｏｔ）を均質化熱処理し、線材圧延した後、冷却して製造される。以下、各製造段階について説明する。
本発明において均質化熱処理する段階は、加熱炉で加熱温度９００～１１００℃で１８０分以内で行われる。
本発明において線材圧延する段階の仕上げ圧延温度は、７３０～Ａｅ３℃であることが好ましい。７３０～Ａｅ３℃の温度範囲条件で仕上げ圧延を行うと、線材の主組織がオーステナイトからフェライトに変態することになる。言い換えれば、仕上げ圧延前の線材の主組織は、オーステナイトであり、仕上げ圧延後の線材の主組織は、フェライトである。
本発明の線材圧延する段階では、制御圧延を通じて結晶粒を微細化し、微細化された結晶粒により十分な加工性を確保できるようになる。一実施形態によれば、線材圧延の変形量は、０．３～２．０である。本発明における変形量は、以下の式で表される。
変更量＝－ｌｎ（１－減面率／１００）
上記の式において、減面率は、線材圧延前の線材の長手方向に垂直な断面積をＡ、線材圧延後の線材の長手方向に垂直な断面積をＡ１とするとき、（Ａ－Ａ１）／Ａ＊１００で計算される値である。
線材圧延時の変形量が０．３未満の場合、結晶粒を十分に微細化することが難しく、変形量が２．０を超える場合、加工量が高すぎるので、生産工程時に無理がある。したがって、本発明によれば、変形量は、０．３～２．０に制御されることが好ましい。
上述した条件で線材圧延すれば結晶粒を微細化しうる。一実施形態によれば、仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒の平均サイズは５～１５μｍである。また、仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒の平均サイズを微細化すれば、後続する仕上げ圧延、冷却段階を経た最終線材組織のフェライト結晶粒の平均サイズも微細化できるようになる。
本発明において冷却する段階は、３℃／ｓ以下の冷却速度で線材を冷却する。冷却速度が３℃／ｓを超える場合には、低温組織の形成を抑制しにくい。
上述した合金組成及び製造方法により製造された本発明による超高強度ばね用線材は、微細組織としてパーライト、フェライトを含み、一実施形態によれば面積分率で、６０％以上のパーライト、残りのフェライトを含んでもよい。
本発明によれば、上述した合金組成と式（１）の値の範囲を満たす低Ｃｅｑ合金組成を通じて低温組織の形成を抑制しうる。本発明の一実施形態による超高強度ばね用線材は、線材の長手方向に垂直な断面上に低温組織が殆ど含まれない。一実施形態によれば、長手方向に垂直な断面（Ｃ断面）上で硬度が４００Ｈｖ以上のベイナイトとマルテンサイトの面積分率の合計が１％以下であってもよい。一方、本発明において低温組織は、ベイナイト、マルテンサイトを意味する。本発明の超高強度ばね用線材は、低温組織の形成を抑制することにより、十分な加工性を確保しうる。
本発明によれば、上述した合金組成と式（１）の値の範囲を満たす低Ｃｅｑ及び低Ｓｉ合金組成を通じて表面脱炭現象を抑制しうる。一実施形態によれば、線材のフェライト脱炭層の厚さが１μｍ以下でありうる。
本発明によれば、Ｎｂ系炭化物及び制御圧延を通じてフェライト結晶粒を微細化できる。本発明の一実施形態による線材のフェライト結晶粒の平均サイズが１０μｍ以下でありうる。本発明の超高強度ばね用線材は、結晶粒を微細化して十分な加工性を確保しうる。
本発明の一実施形態による超高強度ばね用線材は、引張強度が１２００ＭＰａ以下でありうる。
本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であり、面積分率で、テンパードマルテンサイトを９０％以上含んでもよい。
鋼線の合金組成及び式（１）の値の範囲に対する限定理由は、上述した線材の合金組成及び式（１）の値の範囲に対する限定理由と同一であるので、便宜上、その説明を省略する。
以下、本発明による超高強度ばね用鋼線の製造方法について詳細に説明する。本発明による超高強度ばね用鋼線は、上述した合金組成及び式（１）の値の範囲を満たす線材を伸線し、加熱した後、高圧で水冷した後にテンパリングした後、水冷して製造される。以下、各製造段階について説明する。
本発明において加熱時に焼入温度まで加熱する手段とテンパリングする手段は、急速加熱して後続の水冷時に表面を十分に硬化させることができるように誘導加熱を活用する。本発明は、上述した合金組成と式（１）の値の範囲を満たす低Ｃｅｑ及び低Ｓｉ合金組成において誘導加熱と水冷を活用することにより、合金元素の含量を自動車懸架用ばねに比べて下げながらも、目標とする超高強度を確保できるようになる。
本発明の伸線する段階では、上述した合金組成及び式（１）の値の範囲を満たす線材をバイク懸架ばねに適用できる１５ｍｍ以下の線径まで伸線して鋼線に製造する。
次に、伸線した鋼線をＱＴ熱処理するために本発明の加熱する段階では、伸線した鋼線を焼入温度である９００～１０００℃まで１０秒以内に加熱した後、５～６０秒間保持して鋼線の組織をオーステナイト化する。目標温度である９００～１０００℃までの加熱時間が１０秒を超える場合には、結晶粒が成長して所望の物性を確保しにくい。保持時間が５秒未満の場合、パーライト組織がオーステナイトに変態しないことがあり、６０秒を超える場合、結晶粒が粗大化することがあり、維持時間は、５～６０秒に制御することが好ましい。
また、伸線した鋼線を誘導加熱を活用して急速に加熱した結果、オーステナイト化した鋼線のオーステナイト結晶粒の平均サイズは、１０μｍ以下に微細化される。この段階でオーステナイト結晶粒を微細に制御した結果、後続の高圧水冷、テンパリング、水冷を経て製造される最終の超高強度ばね用鋼線の結晶粒も微細に制御される。これにより、本発明による超高強度ばね用鋼線は、結晶粒が微細かつ加工性に優れており、常温で冷間成形されてバイク懸架ばねとして製造される。
本発明において高圧で水冷する段階は、鋼線の主組織をオーステナイトからマルテンサイトに変態させる段階であり、全段階のオーステナイト化された鋼線の沸騰膜を除去できる程度の高圧で水冷する。このとき、冷却を水冷ではなく油冷で行う場合、低Ｃｅｑ及び低Ｓｉ合金組成により目的とする強度を確保できない。また、水冷時に沸騰膜を除去できる程度の高圧でない場合、焼入時に亀裂（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｃｒａｃｋ）発生の可能性が高くなるため、水冷時に最大限高い圧力で高圧水冷することが好ましい。また、上述した加熱する段階で焼入温度まで誘導加熱を活用して急速に加熱した後、次にこの段階で水で急速冷却することで鋼線の表面を十分に硬化させる。水冷時の冷却速度は、一実施形態によれば１００℃／ｓ以上である。
本発明においてテンパリングする段階は、水冷された鋼線の主組織であるマルテンサイトを加熱してテンパードマルテンサイトでテンパリングする段階である。テンパリングする段階は、４００～５００℃まで１０秒以内に加熱した後に３０秒以内で維持される。テンパリング温度が４００℃未満の場合、靭性が確保されず加工が困難で、製品が破損するおそれが高くなり、５００℃を超える場合、強度が低下するので、上述した温度範囲にテンパリング温度を制限する。また、テンパリング時に上述した温度範囲まで１０秒以内に加熱できなければ、粗大な炭化物が形成されて靭性が低下するおそれがあるため、１０秒以内に急速加熱することが好ましい。
次に、テンパリングされた鋼線を常温まで水冷する。
上述した合金組成及び式（１）の値の範囲を満たし、上述した製造条件により製造されたばね用鋼線は、面積分率で、テンパードマルテンサイトを９０％以上含みうる。
また、本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、サイズが２０ｎｍ以下のＮｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２以上で分布している。
また、本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、旧オーステナイト平均結晶粒のサイズが１０μｍ以下である。ここで、旧オーステナイトとは、本発明の伸線した鋼線をＱＴ熱処理するために加熱する段階以後における鋼線のオーステナイト組織を意味する。
また、本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、線径が１５ｍｍ以下であり、バイク懸架ばね用鋼線として好適な細径を有する。
また、本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、強度が１７００ＭＰａ以上であり、バイク懸架ばねに要求される超高強度物性を確保しうる。
また、本発明の一実施形態による超高強度ばね用鋼線は、断面減少率（ＲＡ）が３５％以上であって高延性を確保でき、これにより常温で冷間成形されてバイク懸架ばねとして製造される。本発明は、Ｎｂを添加して線材圧延時に仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒を微細化させることができるため、断面減少率（ＲＡ）をさらに改善しうる。本発明の好ましい実施形態による超高強度ばね用鋼線は、断面減少率（ＲＡ）が４５％以上である。
以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。ただし、下記実施例は、本発明を例示してより詳細に説明するためのものであり、本発明の技術範囲を限定するためのものではない。
実施例
下記の表１の合金組成を有する材料をインゴットに鋳造した後、１１００℃で均質化熱処理を行った後、１０３０℃から７５０℃まで温度を下げながら、最終厚さ１２ｍｍで線材圧延した後、３℃／ｓの速度で冷却して線材に製造した。
Figure 2023508314000001
下記の表２の結果は、上述した過程で製造された線材の物性を測定した結果である。表２の低温組織面積分率は、線材の長手方向に垂直な断面上でのベイナイトとマルテンサイトの面積分率との合計を意味する。
表２のＡＧＳは、線材圧延する段階で仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒の平均サイズを意味し、ＡＳＴＭ Ｅ１１２規格を用いて測定した。
フェライト脱炭層の厚さは、線材圧延後に鋼表面に脱炭でできたフェライトのみからなる層の厚さを測定したものであり、全脱炭層の厚さは、脱炭層の表面から母材の炭素濃度と同じ炭素濃度を有する地点までの垂直距離を測定したものである。
Figure 2023508314000002
表２の線材を直径１０ｍｍの鋼線に伸線した後に加熱した後、高圧水冷を行った。高圧水冷以後にはテンパリングを行い、一般水冷を行って最終の超高強度ばね用鋼線を製造した。下記の表３において加熱温度は、伸線した後鋼線を加熱した温度を意味し、テンパリング温度は、高圧水冷以後に鋼線をテンパリングした温度を意味する。ＲＡは、断面減少率を意味する。
Figure 2023508314000003
表１～３を参照すると、発明例１、２は、本発明の合金組成、式（１）及び製造条件を満たした結果、線材の低温組織及びフェライト脱炭層の形成が抑制され、Ｎｂを添加して線材圧延時に仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒が微細化された。また、表３に示すように引張強度が１７００ＭＰａ以上であり、断面減少率が３５％以上であった。一方、比較例１は、Ｓｉ含量が高く、冷却時にフェライト脱炭層が厚く形成された。比較例２は、式（１）の値が０．７７よりも低く、目標とする１７００ＭＰａ以上の強度を確保できなかった。比較例３は、Ｎｂが添加されず、結晶粒粗大化が発生して目標とするオーステナイト結晶粒の平均サイズを確保できなかった。これにより、断面減少率（ＲＡ）がＮｂ添加素材に比べて低かった。
以上、本発明の例示的な実施形態を説明したが、本発明は、これに限定されず、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の概念と技術範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更及び変形が可能であることを理解できる。
本発明による超高強度ばね用線材は、自動車、バイク、各種移動手段の懸架ばねまたは様々な産業分野において用いられるばねとして適用される。

Claims (15)

  1. 重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であることを特徴とする超高強度ばね用線材。
    式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
    （前記式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。）
  2. 長手方向に垂直な断面上において、
    硬度が４００Ｈｖ以上のベイナイトとマルテンサイトの面積分率の合計が１％以下であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度ばね用線材。
  3. フェライト脱炭層の厚さが１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度ばね用線材。
  4. フェライト結晶粒の平均サイズが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度ばね用線材。
  5. サイズが２０ｎｍ以下のＮｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２以上分布することを特徴とする請求項１に記載の超高強度ばね用線材。
  6. 引張強度が１２００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度ばね用線材。
  7. 重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、
    以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下のインゴットを加熱温度９００～１１００℃で１８０分以内で均質化熱処理する段階と、
    仕上げ圧延温度を７３０～Ａｅ３℃で線材圧延する段階と、
    ３℃／ｓ以下の冷却速度で冷却する段階と、を含むことを特徴とする超高強度ばね用線材の製造方法。
    式（１）Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ
    （前記式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。）
  8. 前記線材圧延する段階において変形量は、０．３～２．０であることを特徴とする請求項７に記載の超高強度ばね用線材の製造方法。
  9. 前記線材圧延する段階において仕上げ圧延前のオーステナイト結晶粒の平均サイズが５～１５μｍであることを特徴とする請求項７に記載の超高強度ばね用線材の製造方法。
  10. 重量％で、Ｃ：０．５５～０．６５％、Ｓｉ：０．５～０．９％、Ｍｎ：０．３～０．８％、Ｃｒ：０．３～０．６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｎ：０．００５％以下、Ｎｂ：０％超過、０．０４％以下、残りは、Ｆｅ及び不可避な不純物からなり、以下の式（１）の値が０．７７以上、０．８３以下であり、
    面積分率で、テンパードマルテンサイトを９０％以上含むことを特徴とする超高強度ばね用鋼線。
    式（１）０．７７≦Ｃ＋１／６＊Ｍｎ＋１／５＊Ｃｒ＋１／２４＊Ｓｉ≦０．８３
    （前記式（１）において、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉは、各元素の含量（重量％）を意味する。）
  11. サイズが２０ｎｍ以下のＮｂ系炭化物が１０００個／ｍｍ２以上分布することを特徴とする請求項１０に記載の超高強度ばね用鋼線。
  12. 旧オーステナイト平均結晶粒のサイズが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の超高強度ばね用鋼線。
  13. 線径が１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載の超高強度ばね用鋼線。
  14. 強度が１７００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の超高強度ばね用鋼線。
  15. 断面減少率が３５％以上であることを特徴とする請求項１０に記載の超高強度ばね用鋼線。

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