JP2007009300A - 冷間巻ばね用線材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面脱炭層が少なく、材料が軟質であるという相反する性質を備えた高品質の冷間巻ばね用線材の製造方法を提供する。
【解決手段】 熱間にて圧延された線材１４をコイル状に巻回してコンベア１８上に展開し且つ搬送する過程で冷却する冷却工程が、(a) 線材１４の共析変態点付近まで急冷する急冷工程Ｐ４と、(b) その急冷工程Ｐ４により急冷された線材１４をその急冷工程Ｐ４の冷却速度よりも低い冷却速度で徐冷する徐冷工程Ｐ５とを、含むことから、圧延後の線材１４はＡ_３線とＡ_１線（共析変態点温度）との間の脱炭領域を速やかに通過させられることによりフェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされるとともに、徐冷工程Ｐ５による徐冷によって十分に軟化されて常温加工性が高められるので、表面脱炭層が少なく且つ軟質であるという相反する性質を備えた高品質の冷間巻ばね用線材１４が得られる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷間巻ばね用線材の製造方法関するものである。

熱間において圧延された線材をコイル状に巻回し、コンベア上に展開して搬送する過程で冷却する冷却工程を有する冷間巻ばね用線材の製造方法が知られている。このような冷間巻ばね用線材は、車両の懸架装置のコイルばねに用いられる。近年、このような用途における冷間巻ばね用線材は、合金添加を用いないで低コストを維持しつつ、ばねの寿命を低下させないために表面脱炭層を少なくし、且つ塑性加工による冷間加工性を高めるために軟質とするという相反する性質が要求される。

これに対し、特許文献１が提案されている。この特許文献１は、熱間圧延により圧延された線材ではあるが、Ｃｒ、Ｍｏ、ＮｉおよびＭｎなどを多く含む焼き入れ性の高い合金鋼であっても、圧延のままで軟質組織が得られ且つ表面にフェライト脱炭の少ない線材を得るために、９００〜１２５０°に加熱した後で仕上げ前の圧延を表面温度６５０〜７５０°且つ６０秒以下で行い、最終仕上げ圧延を表面温度７００〜９００°且つ減面率３０％で行い、直ちに表面温度がＭｓ点を超え且つ８５０℃以下になるように冷却し、レーイング式巻取機で巻き取って１０〜５０本／ｍのリング密度でコンベア上に展開し、その最低温度部の温度が６５０℃以上で且つ最高温度の温度が８００℃以下になるまで冷却し、次いで、リング密度を１５０〜５００本／ｍとし、０．１５〜２℃／秒の速度で徐冷する技術を提案している。

また、特許文献２が提案されている。この特許文献２は、コイルばねへの製造後において安定した疲労強度が確保できるフェライト脱炭の少ない線材を得るために、熱間圧延に際して、仕上げ圧延を表面温度が８００〜１０００°の温度範囲で終了させた後、巻き取り後の冷却過程において、冷却条件を急変させることなく空冷以下の速度で変態完了まで冷却する技術を提案している。
特開２０００−２５６７４０号公報 特開２００３−２６８４５３号公報

ところで、上記特許文献１および特許文献２において提案されている技術はいずれも圧延中の温度と冷却中の温度を共に制御するものである。また、上記特許文献１にて提案されているばね鋼の製造方法では、圧延とレーイング式巻取機との間で表面温度がＭｓ点を超え且つ８５０℃以下になるように冷却する工程が必要であり、圧延から線材を巻き取ってコンベア上で冷却する過程のみでは対処できないことから、工程が複雑であるという問題があった。また、上記特許文献２にて提案されているばね鋼線材の製造方法では、巻き取り後の冷却過程において、冷却条件を急変させることなく空冷以下の速度で変態完了まで冷却する技術であるため、季節要因に大きく影響されるだけでなく表面脱炭層が大きくなるという問題があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、熱間圧延後の冷却条件の工夫によって、表面脱炭層を少なくし、且つ塑性加工による冷間加工性を高めるために軟質とするという相反する性質を備えた高品質の冷間巻ばね用線材の製造方法を提供することにある。

本発明者等は、以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、圧延後の冷却期間において、線材の共析変態点付近まで急冷した後で、積極的に徐冷すると、表面脱炭層が少なくなりしかも材料が軟質となるという事実を見出した。本発明はそのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、熱間圧延された線材をコイル状に巻回してコンベア上に展開し且つ搬送する過程で冷却する冷却工程を有する冷間巻ばね用線材の製造方法であって、該冷却工程は、(a) 前記線材の共析変態点付近まで急冷する急冷工程と、(b) その急冷工程により急冷された前記線材をその急冷工程における冷却速度よりも遅い冷却速度で徐冷する徐冷工程とを、含むことにある。

また、請求項２に係る発明は、前記急冷工程が、前記線材の少なくとも脱炭領域において２℃／秒以上の冷却速度で該線材を急冷させるものであることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記徐冷工程が、すくなくともパーライト変態終了温度まで１．０℃／秒以下の冷却速度で前記線材を徐冷するものであることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記線材が、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６１％、Ｓｉ：１．５０〜２．２０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｐ：０〜０．０３５％、Ｓ：０〜０．０３５％、Ｃｕ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るばね鋼であることを特徴とする。

すなわち、請求項１に係る発明によれば、熱間にて圧延された線材をコイル状に巻回してコンベア上に展開し且つ搬送する過程で冷却する冷却工程が、(a) 前記線材の共析変態点付近まで急冷する急冷工程と、(b) その急冷工程により急冷された前記線材をその急冷工程の冷却速度よりも遅い冷却速度で徐冷する徐冷工程とを、含むことから、圧延後の線材はＡ_３線とＡ_１線（共析変態点温度）との間の脱炭領域を速やかに通過させられることによりフェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされるとともに、徐冷工程による徐冷によって十分に軟化されて常温加工性が高められるので、表面脱炭層が少なく且つ軟質であるという相反する性質を備えた高品質の冷間巻ばね用線材が得られる。この冷間巻ばね用線材は、脱炭層が少なく、高い冷間加工性を備えたものとなる。

また、請求項２に係る発明では、前記急冷工程が、前記線材の少なくとも脱炭領域において２℃／秒以上の冷却速度でその線材を急冷させるものであることから、圧延後の線材がＡ_３線とＡ_１線との間の脱炭領域を速やかに通過させられることによりフェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされる。

また、請求項３に係る発明は、前記徐冷工程が、すくなくともパーライト変態終了温度まで１．０℃／秒以下の冷却速度で前記線材を徐冷するものであることから、その徐冷によって十分に軟化されるので、線材の常温加工性が高められるのでコイルばねとしての冷間成形が容易になる。

また、請求項４に係る発明は、前記線材が、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６１％、Ｓｉ：１．５０〜２．２０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｐ：０〜０．０３５％、Ｓ：０〜０．０３５％、Ｃｕ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るばね鋼であることから、脱炭の発生が少なく、高い冷間加工性を備えたばね用鋼が得られる。

ここで、前記熱間圧延は、たとえば、９００〜１２５０℃において圧延されるものであり、種々の圧延温度が選択され得る。

また、好適には、前記急冷工程は、圧延後にコンベア上で搬送される線材を、フェライトの析出による脱炭を可及的に少なくするために、そのフェライトの析出が終了する共析変態点付近すなわちＡ_３変態終了温度付近まで急冷するものであるが、必ずしも共析変態点を下回るまで急冷する必要はなく、Ａ_３線とＡ_１線との間の脱炭領域の少なくとも一部を速やかに通過させられるように急冷する点に意義がある。

また、好適には、前記徐冷工程は、急冷工程により急冷された前記線材をその急冷工程の冷却速度よりも低い冷却速度で徐冷するものであるが、パーライト相中における時間を長くして、パーライト変態を促進する点に意義がある。すなわち、上記冷却工程は、共析変態点より低く且つパーライト変態終了温度Ａ_０よりも高い温度領域内において、パーライト変態を促進する必要かつ十分な時間だけ維持するものである。これにより、十分に軟化されて常温加工性が高められるので、軟質の冷間巻ばね用線材が得られる。

また、好適には、前記急冷工程は、前記コンベア上の線材に対してブロアを用いて空気を吹きつけることにより前記線材を急冷させるものであるが、必ずしもこのようなブロアによる送風冷却構造に限られない。

また、好適には、前記急冷工程は、圧延後の線材がＡ_３線とＡ_１線との間の脱炭領域を速やかに通過させために、少なくともその脱炭領域において、２℃／秒以上、好ましくは３℃／秒以上、さらに好適には４℃／秒以上の冷却速度で、前記コンベア上の線材を急冷させる。冷却速度が高いほど、Ａ_３線とＡ_１線との間の脱炭領域を速やかに通過させられるので、フェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされる。

また、好適には、前記徐冷工程は、フードで覆われた空間内においてヒータを用いて前記コンベア上の線材を常温放置よりも積極的に徐冷するものであるが、そのヒータは、輻射加熱を主体とする遠赤外線ヒータが好適に用いられるが、温風を発生させるセラミックヒータを用いるなど、常温放置よりも積極的に温度を保持して緩やかに徐冷させる種々の徐冷構造が用いられ得る。

また、好適には、前記徐冷工程は、パーライト変態終了温度付近まで１．０／秒以下、好ましくは０．６℃／秒以下の冷却速度で前記線材を徐冷するものである。冷却速度が遅いほど、パーライト変態が促進されて機械的性質が軟質で常温加工すなわち、コイルばねの冷間での成形が容易な線材が得られる。

また、好適には、前記徐冷工程は、線材をパーライト変態終了点付近まで徐冷させるが、。必ずしもパーライト変態終了点を下回るまで徐冷する必要はなく、軟質であることを示す大きな絞り（Ｒａ％）値が得られるまでパーライト相内で徐冷されればよい。

また、好適には、前記線材には、炭素Ｃが０．７質量％以下の低炭素鋼であって、珪素Ｓｉが１．０質量％以上の高Ｓｉ鋼が好適に用いられる。たとえば、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６１％、Ｓｉ：１．５０〜２．２０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｐ：０〜０．０３５％、Ｓ：０〜０．０３５％、Ｃｕ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るばね鋼が上記線材に好適に用いられるが、必ずしも、この化学成分に限られない。なお、必要に応じて、Ｎｉを１％以下、Ｃｒを０．６０％以下、Ｖを０．３０％以下の範囲で適宜添加しても良い。

図１は、熱間圧延後の冷却装置を説明する図である。図１において、たとえば３０〜７０％、好ましくは５０％程度の所定の減面率で圧延されて圧延装置１２から出力された冷間巻ばね用線材（以下線材という）１４は、傾斜した軸線まわりに回転させられるレーイングヘッド１６によってループ状に巻回されつつ、コンベア１８上に重ねた状態で展開される。コンベア１８は、ループ状に巻回され且つ重ねられた線材１４を搬送するように、僅かに傾斜した複数のループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ９が一列に連ねられることにより構成されている。

図１のコンベア１８において、圧延装置１２に隣接して配置されているループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ４の搬送区間には、複数台のブロア２０が設けられ、空気がループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ４上の線材１４を強制冷却するためにその線材１４に対して空気（大気）が強制的に吹きつけられる。このループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ４上での搬送工程が、線材１４を急冷するための急冷工程に対応している。

上記ループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ４に続いて配置されたループコンベアＬＣ５乃至ＬＣ８には、それらループコンベアＬＣ５乃至ＬＣ８上の線材１４を覆うフード２２と、そのフード２２の内壁面に取り付けられて、そのフード２２で覆われた空間内において線材１４を徐冷するために加熱する複数個のヒータ２４とが設けられている。このフード２２で覆われたループコンベアＬＣ５乃至ＬＣ８上での線材１４の搬送工程が、大気中放置のような自然冷却よりも積極的に線材１４を保温しつつ徐冷する徐冷工程に対応している。

上記フード２２の入口および出口には、線材１４の温度を検出するための入口温度センサ２６および出口温度センサ２８が設けられている。図示しない制御装置は、入口温度センサ２６および出口温度センサ２８により検出された線材１４の温度を表示させるだけでなく、後述の徐冷工程Ｐ５における冷却曲線が得られるようにヒータ２４の出力を制御し、ループコンベアＬＣ５乃至ＬＣ８の速度を制御する。

図２は、上記線材１４の製造工程の要部を説明する工程図である。図２において、鋼片整検工程Ｐ１では、たとえば、質量％で、Ｃ：０．４８％、Ｓｉ：２．００％、Ｍｎ：０．７０％、Ｃｕ：０．２０％、Ｎｉ：０．６０％、Ｖ：０．２０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るばね鋼の素材に対して、傷取りが施され且つ形状が整えられる。次いで、加熱工程Ｐ２では、上記素材に対して、所定の加熱炉内で９００〜１２５０℃の加熱が施される。この加熱では、たとえば１０００℃に上記素材が加熱される。熱間圧延工程Ｐ３では、前記圧延装置１２において、全域で９５０℃以上の温度で素材に対して圧延が施され、所定の断面寸法の線材１４とされる。急冷工程Ｐ４では、前記ループコンベアＬＣ１乃至ＬＣ４上において複数台のブロア２０からの送風により線材１４が３．０℃／秒以上の冷却速度で、直ちに急冷が施される。そして、徐冷工程Ｐ５では、続くループコンベアＬＣ５乃至ＬＣ８上において、フード２２で覆われるとともにヒータ２４により必要に応じて熱が供給されることにより、１．０℃／秒以下の冷却速度でパーライト変態終了点付近まで徐冷される。次いで、必要に応じて寸法や表面のキズの検査が行われる。

図３は、上記急冷工程Ｐ４および徐冷工程Ｐ５における線材１４の温度変化を実線の冷却曲線で示している。破線は、従来のコンベア１８上における線材１４の等速冷却の冷却曲線を示す。また、図３において、二点鎖線は、オーステナイト相でフェライトの析出が開始されるＡ_３変態開始点の温度に対応するＡ_３線を示し、三点鎖線は、フェライトの析出が終了する共析変態点として知られるＡ_３変態終了点の温度に対応するＡ_１線を示し、一点鎖線は、パーライト変態終了点の温度に対応するＡ_０線を示している。図３において、破線は従来の工程で製造された線材１４の等速冷却による冷却曲線を示し、実線は本実施例の工程Ｐ１乃至Ｐ５で製造された線材１４の冷却曲線を示している。図３において、実線に示す冷却曲線の変曲点Ｓよりも高温側が急冷工程Ｐ４での冷却曲線であり、変曲点Ｓよりも低温側が徐冷工程Ｐ５での冷却曲線である。この変曲点Ｓは上記共析変態点（Ａ_３変態終了点）に対応するＡ_１線上またはその近傍に位置している。

図４はＦｅ−Ｃ系の平衡状態図のうち、炭素の割合が１．０％以下の領域を拡大して示す図である。この図４と対比して説明すると、上記図３の破線にて示される従来の工程で製造された線材１４の冷却曲線によれば、Ａ_３変態開始点から共析変態点温度Ａ_１までのオーステナイト相とフェライト相との２相温度領域であるフェライト脱炭領域を速やかに通過させられるとともに、共析変態点温度Ａ_１からパーライト変態終了点Ａ_０までのパーライト相温度領域も速やかに通過させられることから、表面フェライト層が少ないもののパーライト変態が不充分であるために充分な軟質な材料が得られなかった。これに対し、図３の実線に示す本実施例の工程Ｐ１乃至Ｐ５で製造された線材１４の冷却曲線によれば、急冷工程Ｐ４により上記フェライト脱炭領域では速やかに通過させられるとともに、徐冷工程Ｐ５により上記パーライト相領域では緩やかに時間をかけて通過させられるので、表面フェライト層が少なくしかも充分なパーライト変態により常温加工に対して充分な軟質のばね用線材が得られた。

以下において、フェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）、および機械的性質を示す絞りＲａ（％）について、上記従来と本実施例の工程で製造された線材１４のそれぞれについて、本発明者等が行った測定結果を、図５乃至図８を用いて説明する。図５および図６は上記従来の工程で製造された線材１４におけるフェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）および絞りＲａ（％）を示す。これによれば、フェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）については規格値０．０２ｍｍを超えるものがある程度存在するとともに、絞りＲａ（％）については規格値４０％を下回るものもある程度存在した。しかしながら、本実施例の工程で製造された線材１４では、図７および図８に示すように、フェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）については規格値０．０２ｍｍよりも大幅に低いものばかりとなるとともに、絞りＲａ（％）については規格値４０％を下回るものも皆無となった。

上述のように、本実施例によれば、熱間にて圧延された線材１４をコイル状に巻回してコンベア１８上に展開し且つ搬送する過程で冷却する冷却工程が、(a) 線材１４の共析変態点付近まで急冷する急冷工程Ｐ４と、(b) その急冷工程Ｐ４により急冷された線材１４をその急冷工程Ｐ４の冷却速度よりも低い冷却速度で徐冷する徐冷工程Ｐ５とを、含むことから、圧延後の線材１４はＡ_３線とＡ_１線（共析変態点温度）との間の脱炭領域を速やかに通過させられることによりフェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされるとともに、徐冷工程Ｐ５による徐冷によって十分に軟化されて常温加工性が高められるので、表面脱炭層が少なく且つ軟質であるという相反する性質を備えた高品質の冷間巻ばね用線材１４が得られる。この冷間巻ばね用線材は、高い冷間加工性を備えたものとなる。

また、本実施例によれば、急冷工程Ｐ４が、コンベア１８上の線材に対してブロア２０を用いて空気を吹きつけることにより線材１４を急冷させるものであることから、比較的簡単な設備で容易に急速冷却が可能となる。

また、本実施例によれば、急冷工程Ｐ４が、線材１４の少なくとも脱炭領域において２℃／秒以上の冷却速度で該線材を急冷させるものであることから、圧延後の線材１４がＡ_３線とＡ_１線との間の脱炭領域を速やかに通過させられることによりフェライトの析出すなわち表面脱炭層の形成が可及的に少なくされる。

また、本実施例によれば、徐冷工程Ｐ５が、フード２２で覆われた空間内においてヒータ２４を用いてコンベア１８上の線材１４を徐冷するものであることから、比較的簡単な設備で容易に急速冷却が可能となる。

また、本実施例によれば、徐冷工程Ｐ５が、すくなくともパーライト変態終了温度まで１．０℃／秒以下の冷却速度で前記線材を徐冷するものであることから、その徐冷によって十分に軟化されるので、線材の冷間加工性が高められる。

また、本実施例によれば、線材１４が、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６１％、Ｓｉ：１．５０〜２．２０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｐ：０〜０．０３５％、Ｓ：０〜０．０３５％、Ｃｕ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成る化学組成内のものであるので、疲労寿命が長く、高い冷間加工性を備えたばね用鋼が得られる。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

熱間圧延後においてループ状に巻回されてコンベア上に展開された線材を冷却するための冷却装置を概略説明する図である。 本発明の一実施例の製造方法の要部を説明する工程図である。 図２の急冷工程および徐冷工程における冷却曲線を、各変態点および従来の冷却曲線と対比して説明する図である。 図２の構成により製造される線材の冷却過程における状態を説明する平衡状態図である。 従来の製造工程で製造された線材のフェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）のばらつきを示す図である。 従来の製造工程で製造された線材の絞りＲａ（％）のばらつきを示す図である。 図２の製造工程で製造された線材のフェライト脱炭量Ｄ（Ｆ）（ｍｍ）のばらつきを示す図である。 図２の製造工程で製造された線材の絞りＲａ（％）のばらつきを示す図である。

符号の説明

１４：冷間巻ばね用線材（線材）
１８：コンベア
２０：ブロア
２２：フード
２４：ヒータ
Ｐ４：急冷工程
Ｐ５：徐冷工程

Claims (4)

1. 熱間圧延された線材をコイル状に巻回し、コンベア上に展開して搬送する過程で冷却する冷却工程を有する冷間巻ばね用線材の製造方法であって、該冷却工程は、
   前記線材の共析変態点付近まで急冷する急冷工程と、
   該急冷工程により急冷された前記線材を、該急冷工程における冷却速度よりも遅い冷却速度で徐冷する徐冷工程と
   を、含むことを特徴とする冷間巻ばね用線材の製造方法。
2. 前記急冷工程は、前記線材の少なくとも脱炭領域において２℃／秒以上の冷却速度で該線材を急冷させるものである請求項１の冷間巻ばね用線材の製造方法。
3. 前記徐冷工程は、すくなくともパーライト変態終了温度まで１．０℃／秒以下の冷却速度で該線材を徐冷するものである請求項１または２のいずれかの冷間巻ばね用線材の製造方法。
4. 前記線材は、質量％で、Ｃ：０．４０〜０．６１％、Ｓｉ：１．５０〜２．２０％、Ｍｎ：０．６０〜１．００％、Ｐ：０〜０．０３５％、Ｓ：０〜０．０３５％、Ｃｕ：０〜０．３０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物から成るばね鋼である請求項１乃至３のいずれかの冷間巻ばね用線材の製造方法。
   
   

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