(57)【要約】【課題】耐熱ばね用、特に自動車、航空機、発電設備等のエンジン系、排気系等のような高温環境下で使用されるばね用材料として、特に高温強度と耐へたり性を改善する耐熱ばね用のステンレス鋼線と耐熱バネ製品を提供する。【解決手段】質量で、Ｃ≦０．２０％以下、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｎｉ：２５〜３０％、Ｃｒ：１０〜１６％と、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：１．０を越え２．０％以下、Ｔｉ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．１〜０．７％を少なくとも含み、かつＴｉ／Ａｌ＝１．８〜３．２と、１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ＝４．８〜６．２に調整しするとともに、溶体化熱処理と該熱処理後の冷間加工によって、引張強さ：９００〜１３００ＭＰａ、かつ０．２％耐力と前記引張強さとの比（耐力／引張強さ×１００）が８０〜９２％であることを特徴とする高温熱へたり性に優れた耐熱ばね用ステンレス鋼線と、それを用いた耐熱バネ製品。【選択図】    図１
2005015826.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ≦０．２０％以下、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｎｉ：２５〜３０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：１．０を越え２．０％以下、Ｔｉ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．１〜０．７％を少なくとも含み、
かつＴｉ／Ａｌ＝１．８〜３．２、及び１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ＝４．８〜６．２に調整したステンレス鋼からなり、
しかも溶体化熱処理と該溶体化熱処理後の冷間加工とによって、引張強さが９００〜１３００ＭＰａ、０．２％耐力と前記引張強さとの比（耐力／引張強さ×１００）が８０〜９２％であることを含む特性を有することにより高温耐熱へたり性を向上したことを特徴とする耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項２】
前記特性は、横断面におけるＪＩＳ−Ｇ０５５１の結晶粒度番号の平均値が、３〜７であることを含む請求項１に記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項３】
前記特性は、表面に０．２〜５μｍ厚さのＮｉメッキによって被覆したことを含む請求項１又は２に記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項４】
前記特性は、６００℃×１００Ｈｒの加熱におけるη相生成量が、横断面面積比で１０％以下であること含む請求項１〜３のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項５】
前記溶体化処理は、下記式（１）により算出した温度（℃）で行い、かつ前記冷間加工は加工率３０〜５０％の冷間伸線加工であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
温度（℃）＝｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）＋９５０｝…        （１）
【請求項６】
請求項１〜５のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線によってコイル巻されたばねからなる耐熱ばね製品。
【請求項７】
前記ばねは、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記耐熱ばね用ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜２０倍のねじり用ばねであることを特徴とする請求項６に記載の耐熱ばね製品。
【請求項８】
前記ばねは、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜１５倍のねじり用ばねであることを特徴とする請求項６に記載の耐熱ばね製品。
【請求項９】
前記ばねは、排気管内の排ガス経路切替用として用いられるものである請求項７又は８に記載の耐熱ばね製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱ばね、特に自動車、航空機、発電設備等のエンジン系、排気系等のような高温環境下で使用されるばねを形成するために、特に高温での強度と耐へたり性とを改善した耐熱ばね用ステンレス鋼線及びそれを用いてなる耐熱ばね製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンで発生する排ガスを浄化して環境を維持し、またエンジン回転に伴なう騒音の低減し、しかも自動車のレスポンス性を向上し、高出力化のためにマフラーが用いられている。
【０００３】
このマフラーとして最近では例えば図５に示すように、１〜３個（図５の例では２個）の壁により小室ａ１，ａ２、ａ３に区切りかつ小室ａ１で開口する排気管ｂを架け渡して金属製容器ｃで被包したものであって、流入管ｄから流入した排ガスが、小径の細穴から小室ａ２内に流入する際に容積が膨張する容積増幅作用によって、騒音低下等の前記機能を発揮させる。この排ガスは小室ａ２で開口する側管ｅをへて小室ａ１を通り前記排気管ｂをへて排出される。また前記流入管ｄと排気管ｂとに並べてその間には、小室ａ１，ａ３とで開口しかつ小室ａ３端に、エンジンの回転状況、排気の量などに応じて小室ａ３の内圧が大となるとき内圧に応じて徐々に開放するダンパーｆが付設された戻り管ｇを設けている。なおダンパｆは排ガスの流入圧力が大となることによりばねｈに抗して開放され、これにより図５に破線で示す戻り管ｇを通る排ガス通路を生じて排ガス量を増加させる。
【０００４】
ところで、近年の自動車性能の飛躍的な向上に伴なって排ガス温度も高温化しそのため、マフラー、付属用部品等、特に前記ばね製品については、高温環境中でも予め設定されたばね特性を維持すべく、耐熱性、耐酸化性などとともに、ばね製品としての弾性、熱による耐へたり性を高めた製品が不可欠となっている。
【０００５】
従来、このような高温状態で使用されるばね用材料として、従来、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ６３１，ＳＵＳ６３１Ｊ１などに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼線が用いられ、又ＪＩＳ−Ｇ４３１１の「耐熱鋼棒」、例えば高ＮｉとしたＳＵＨ６６０などが耐熱材として、ときにばね用途で用いられている。
【０００６】
しかし、これらステンレス鋼の耐熱温度はせいぜい４００〜５００℃程度に留まり、更に高い温度では例えばσ相を形成して高温酸化、熱腐食を発生させ、また高温時には弾性が低下し、繰返し使用に伴なってへたり性が大きくなるなど、寿命面においても満足できないものであり、使用範囲も前記温度以下程度で制約されている。
【０００７】
こうした要請に応えるべく、例えば１８Ｃｒ−３Ｍｏ−５ＮｂにＴｉ，Ａｌ等を添加したＮｉ基合金のＩｎｃｏｎｅｌ７１８材（Ｉｎｃｏｎｅｌは登録商標）が提案されている。このものは、Ｃ≦０．１，Ｃｒ：１８．０〜２１．０、Ｃｏ：１２．０〜１５．０、Ｍｏ：３．５〜５．０、Ｔｉ：２．０〜４．０％と、Ａｌ：１．０〜３．０を含み残部実質的にＮｉからなるＮｉ基合金である（特許文献１）。
【０００８】
また、Ｃ：０．０２〜０．３０％，Ｓｉ：０．０２〜３．５％，Ｍｎ：０．０２〜２．５％，Ｎｉ：１０〜５０％，Ｃｒ：１２〜２５％，Ｔｉ：１．０〜５．０％，Ａｌ：０．００２〜１．０％を含有し、かつＮｂ：０．１〜３．０％，Ｂ：０．００１〜０．０１％，Ｍｏ：０．１〜４．０％の１  種以上を含有して、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎｂが３．０〜７．０％とする耐熱ステンレス鋼線が、耐へたり性を向上するものとして提案されている（特許文献２）。
【０００９】
特許文献１        特開２０００−１０９９５５号公報
特許文献２        特願平１１−１６１５７４号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば前者のＩｎｃｏｎｅｌ７１８材は、特許文献１に記載のごとくＮｉ基合金製のばね用材料であり、耐熱特性自体は前記ＳＵＨ６６０材に比して優れているものの、Ｎｉを５０％以上含み、さらに１２〜１５％のＣｏも含むなど高価であって、しかも溶解、熱間圧延での製造歩留まりが良好とはいえず、生産性も良好とはいえず普及には至っていない。
【００１１】
さらに特許文献２の提案によるものは、粒界に析出するη相と、基地であるγ相結晶内に析出するγ’相との重量比を０．０１〜３０％としている。ところでこのη相と熱へたり性との関係を調べた結果、η相が存在すると高温強度が急激に低下して、熱へたり性は大きくなりやすい傾向にあることが判明した。また、Ｔｉ、Ａｌ，Ｎｂなどの第三元素において、例えばＴｉ／Ａｌの比を５以上と大きくしたものでは７００℃のような高温環境に長時間晒すと、疑安定な前記γ’が有害なη相に変態し、その結果高温強度を低下させることも判明した。
【００１２】
したがってこのような材料では、自動車用のマフラーなどの長期に亘って高温に晒され、しかもコストダウンが必須の用途には採用しがたい。
【００１３】
本発明は、Ｆｅ基のオーステナイト系ステンレス鋼線中の各成分の調整による基地強化とγ’相による析出強化を図りながらη層の生成を抑えるとともに、大して高価格とすることなくばね製品としての加工性と高温環境中でのばねへたり性とを改善し得る耐熱ばね用のステンレス鋼線とそれを用いた耐熱ばね製品の提供を目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本件請求項１に係る発明は、質量％で、Ｃ≦０．２０％以下、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｎｉ：２５〜３０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：１．０を越え２．０％以下、Ｔｉ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．１〜０．７％を少なくとも含み、
かつＴｉ／Ａｌ＝１．８〜３．２、及び１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ＝４．８〜６．２に調整したステンレス鋼からなり、
しかも溶体化熱処理と該溶体化熱処理後の冷間加工とによって、引張強さが９００〜１３００ＭＰａ、０．２％耐力と前記引張強さとの比（耐力／引張強さ×１００）が８０〜９２％であることを含む特性を有することにより高温耐熱へたり性を向上したことを特徴とする耐熱ばね用ステンレス鋼線である。
【００１５】
本件請求項２に係る発明は、前記特性が、横断面におけるＪＩＳ−Ｇ０５５１の結晶粒度番号の平均値が、３〜７であること、請求項３に係る発明は、表面に０．２〜５μｍ厚さのＮｉメッキによって被覆したことを含むこと、請求項４に係る発明は、６００℃×１００Ｈｒの加熱におけるη相生成量が、横断面面積比で１０％以下であることを含むことを夫々特徴としている。
【００１６】
又請求項５に係る発明は、    前記溶体化処理が、下記式（１）により算出した温度（℃）で行い、かつ前記冷間加工は加工率３０〜５０％の冷間伸線加工であることを特徴とする。
【００１７】
温度（℃）＝｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）＋９５０｝…        （１）
【００１８】
さらに請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線によってコイル巻されたばねからなる耐熱ばね製品であり、請求項７に係る発明は、前記ばねが、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記耐熱ばね用ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜２０倍のねじり用ばねであること、請求項８に係る発明は、前記ばねがコイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜１５倍のねじり用ばねであること、請求項９に係る発明は、前記ばねが、排気管内の排ガス経路切替用として用いられるものであることを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る耐熱ばね用ステンレス鋼線は、その組成として、質量％で、Ｃ≦０．２０％以下、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｎｉ：２５〜３０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：１．０を越え２．０％以下、Ｔｉ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．１〜０．７％を少なくとも含み、残部を主としてＦｅとしたステンレス鋼であつて、かつ不可避不純物を包含できる。
【００２０】
「残部を主としてＦｅとした」とは、例えば前記組成に加えて、０．０２％以内のＢ，Ｍｇ，Ｃａのいずれか１種以上の添加、及び／又は０．２％以内のＺｒの添加させることもできる意味であり、前記Ｂ、Ｚｒの添加は粒界強化作用による高温での強度を高め、他方、前記ＣａやＭｇは熱間加工時の延性を改善するとともに、高温引張りを向上することで有効である。さらにこれら以外の本発明の特性を向上するために有効な元素を含ませうる。
【００２１】
さらに、耐熱ばね用ステンレス鋼線においては、Ｔｉ／Ａｌ＝１．８〜３．２とし、かつ１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ＝４．８〜６．２に調整している。通常、これらＡｌ，Ｔｉ及びＮｂの添加は、その後の時効処理などによって母材中のＮｉと化合した金属間化合物γ’相（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ））を析出させ、高温強度を高めることができるが、一方ではγ’はより安定なη相に変化しやすく、それに伴なって高温強度を低下させる要因ともなっている。
【００２２】
したがって、特に使用温度が６００〜８００℃での高温特性を長時間にわたって安定維持させる為には前記γ’をより安定な状態で存在させる必要があり、前者関係式（Ｔｉ／Ａｌ）でη相の生成を抑えながらも、後者関係式（１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ）によって高温引張り強度を維持させることが好ましいとの結論に至り、両者の最適範囲として、各々１．８〜３．２と、４．８〜６．２とした。
【００２３】
すなわち、前記成分のステンレス鋼において、前者Ｔｉ／Ａｌの関係が３．２を越えるものでは、η相の生成が比較的低い温度で起こり、一方、１．８を下回るように小さくすると各成分同士のバランスを損ねて、加工性低下などの問題の原因となり、より好ましくは２．０〜３．０とする。
【００２４】
また、後者の１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂについても、４．８未満では高温引張り強度が満足できず、逆に６．２を越える程大きいと熱間加工性が低下することとなってコストアップの要因となり、より好ましくは５．２〜５．８とする。
【００２５】
こうして調整されたステンレス鋼は、溶体化熱処理と冷間加工、例えば冷間伸線加工によって所定線径に加工し、この冷間加工によって引張強さ９００〜１３００ＭＰａの半硬質状態でありながらも、０．２％耐力と引張強さとの耐力比（０．２％耐力／引張強さ×１００）を８０〜９２％とする。
【００２６】
すなわち、一般的なばね用ステンレス鋼線を規定している例えばＪＩＳ−Ｇ４３１４では、引張強さとして約１６００〜２２００ＭＰａの高強度にすることとし、高強度化によってばね弾性を向上させている。しかし、高温環境に晒されることを前提とする金属材料では、熱によって材料強度が低下（軟化）しやすい傾向を有するが、この時の強度低下率、即ち熱へたり率は、１３００ＭＰａを越える程高くした引張強さでは低下率が大きくなり、一方、当初強度が９００ＭＰａを小さいものではばね材料として弾性を欠き好ましくないことから、ばね用鋼線として十分な弾性を発揮する引張強さとして９００〜１３００ＭＰａ（好ましくは、１０００〜１２００ＭＰａ）の範囲に設定している。
【００２７】
しかも、このような比較的低い引張り強度を補足する必要から、前記耐力比を高くすることによって、結果的にばねとしての必要な弾性効果を発揮させる。このため、前記耐力比の範囲を８０〜９３％としている。即ち、前記耐力比が８０％未満のものでは弾性特性が十分とは言えず所定のばね応力が発揮できず、また９３％を越える程大きくしたものでは、使用環境温度に伴なう熱へたり率が大きくなって、寿命低下の原因となる。
【００２８】
この耐力比を、一般的なばね用ステンレス鋼線、例えばＳＵＳ３０４ステンレス鋼線と比較すると、ＳＵＳ３０４鋼線を仮に本発明の引張強度と同等程度の引張強さとなるように加工した場合の耐力比は６０〜７０％程度と低く、また、これを更に加工した硬質仕上げのものでも約８０％よりも小に留まるものであったことから、本発明の前記組成、特性の高強度ステンレス鋼線の弾性特性が優れていることが解る。このように、本発明の耐熱ばね用ステンレス鋼線は、比較的低い強度でありながらもＳＵＳ３０４の硬質線材よりも高い耐力比を有しており弾性特性に優れているものと言える。耐力比でより好ましくは８３〜９３、さらには８５〜９３である。
【００２９】
こうした機械的特性とする為には、前記組成の調整とともに該鋼線の横断面における結晶粒度の大きさの平均値を３〜７の粗大結晶にするのがよい。この結晶粒度の大きさ表示については、ＪＩＳ−Ｇ０５５１に規定の計測方法、基準に基づき、例えば粒度番号３とは結晶粒の断面積が０．０１５６ｍｍ２  、また同粒度番号７では０．０００９８ｍｍ２  に相当する大きさとされている。なおその測定においては、鋼線の横断面を顕微鏡観察によって任意に選択した１０点以上の結晶粒について測定した値を換算し、その平均値で示すこととする。
【００３０】
このような粗大結晶粒度は、例えばオーステナイト系ステンレス鋼では通常の熱処理状態で得られるものと同程度のものであって、仮にこれを前記強度が得られる程度の伸線加工をしたものでは、その加工に伴って長手方向に伸びた長形の結晶粒に変化し、横断面方向での結晶粒大きさも微細化するにも拘わらず、本発明では、実質的に熱処理状態と同程度の前記範囲を有するものである。
【００３１】
一方、前記η相（Ｎｉ３Ｔｉ：ＨＣＰ構造）については、例えば図４に示すように、樹枝状に粒界に生成する組織であって、加熱温度の上昇に伴なって結晶中の疑安定なγ’（Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂ））が変化することにより生ずる。このη相が析出すると高温での強度が急激に低下し、耐熱へたり性が低下して寿命が短くなることから、本発明では、少なくとも６００℃×１００Ｈｒでのη相の析出量が、横断面面積比で１０％以下、好ましくは５％以下にすることが好ましい。その為に、予め調整されたステンレス鋼材料を選定し、かつ所定の引張強さ及び耐力比になる条件での溶体化熱処理、冷間加工を施す。
【００３２】
また前記η相は、例えば１０％シュウ酸溶液中での電解エッチングや、王酸など強酸溶液中に浸して腐食させ、顕微鏡による通像解析、あるいはＴＥＭ（Ｔｒａｓｍｉｓｓｉｏｎ    Ｅｌｅｃｔｒｏｎ    Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などでの残器分析によって確認できる。
【００３３】
このような特性を持つ本発明のステンレス鋼線を得るには、前記調整された組成のステンレス鋼を所定線径になるまで伸線加工と熱処理をくり返し、さらに最終の溶体化熱処理を、    温度（℃）＝｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）＋９５０｝で、具体的には｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）｝＋（９２０〜９８０）｝の許容範囲の温度条件で行って結晶粒を粗大にした上で冷間伸線するのがよく、さらに好ましくは鋼線の表面に０．２〜５μｍ程度のＮｉメッキが残留するように皮膜処理し、伸線加工、その後のばね成形加工での潤滑性を高める。また、前記伸線加工としては例えば３０〜５０％程度の比較的低い加工率で行なわれる。
【００３４】
高強度ステンレス鋼線は、単に冷間加工した前記鋼線を所定長さにカットし、コイリング加工などばね成形したままのもの、あるいはその後に、例えば温度６００〜７５０℃×３０ｍｉｎ．〜２４Ｈｒ．程度の条件でエージング処理を施し、より強度向上を図ることも好ましい。
【００３５】
なお高強度ステンレス鋼線の組成において、Ｃは、鋼線中のＣｒやＮと結合して炭窒化物を形成し高温強度を高めることで有効であるが、多量に含有すると耐食性を低下させる原因となる。この為、その上限を０．２０％とし、好ましくは０．０２〜０．０８％としている。
【００３６】
Ｓｉは、溶解時の脱酸剤として用いられ、固溶することで耐熱特性を高めることとなるが、過度の添加は高温強度を低下させることとなる為、１．０％以下、好ましくは０．５％以下とする。
【００３７】
またＭｎについても前記Ｓｉと同様に脱酸剤として用いられ、母材ステンレス鋼のγ相の相安定元素として有効であるが、２．０％を越える程の添加は高温環境での組織安定性、耐酸化性に弊害をもたらす。
【００３８】
Ｎｉは、安定したオーステナイト相をもたらし高温強度を高めることとなるが、２５％以下では耐熱性が得られにくく、また３０％を越える程の添加は価格上昇の原因となることから２５〜３０％、好ましくは２６〜２８％とする。
【００３９】
Ｃｒは、鋼線に耐食性と耐酸化性を付与する上で必須の元素であり、耐熱ばねととして高温環境での使用に耐える為には少なくとも１０％は必要であり、一方、１６％を越える程多量に含有すると組織的不安定となって、クリープ破断強度や延性の低下をもたらすことから１０〜１６％とし、好ましくは１２．５〜１４．５％とする。
【００４０】
Ｍｏは、オーステナイト相内に固溶し、高温強度を高めるとともに耐へたり性を向上する有効な元素であり、６００℃以上の高温環境で所定の耐へたり性をもたせる為には少なくとも０．１以上の添加が必要である。しかし、１．０％以上の添加すると伸線加工性やコイリング加工性を低下させ、また組織的不安定による耐食性への影響が懸念されることから０．１〜１．０％、より好ましくは０．２〜０．６％とする。
【００４１】
Ａｌは、鋼中に金属間化合物Ｎｉ３（Ａｌ，Ｔｉ）γ’相を析出させ、析出硬化による分散強化現象によって材料の強度や耐力を高めることから少なくとも１．０％を越える添加が必要であるが、２．０％を越えると熱間加工性が低下し、また介在物発生による耐食性低下などの原因となることから１．０％を越えて２．０％とし、好ましくは１．２〜１．４％とする。
【００４２】
Ｔｉは、前記ＡｌやＮｂとともにＮｉに結合してγ’相を生じさせ高温強度を高めることとなるが、多量に添加するとη相の析出を促進し耐熱特性を低下させることとなることから、本発明では、２．５〜３．５％とした。
【００４３】
Ｎｂも前記ＡｌやＴｉなどと同様にγ’相による高温強度を高める上で必要で、少なくとも０．１％以上の添加とするが、ＮｂはＦｅに固溶しにくく、０．７％以下とした。
【００４４】
高強度ステンレス鋼線を用いて、例えばコイリング加工されることによりコイル巻きされたコイルばねからなる耐熱ばね製品を形成する。前記コイルばねからなる耐熱ばね製品は、コイルばねの利点として、用いるステンレス鋼線の全体に亙ってほぼ均等に圧力が加わることから、局部変形を防ぐことができ、また該ばねにおけるコイル中心径（Ｄ）と用いるステンレス鋼線の線径（ｄ）との比率（Ｄ／ｄ）を適宜調整することで、最適なばね発生力や弾性特性を得ることができる利点がある。
【００４５】
バネの形状や寸法については、これを用いる用途などから適宜設定できるものであり、例えばばねの軸方向に沿って応力を作用させるようにコイル巻した圧縮コイルばねや、密着巻きしてなる引張コイルばね等の他、例えば図６のようにばねの両端部の線材を突出させ、この突出部同士に周方向の応力が付加するようにしたねじりコイルばねとしても形成できる。又トーションバーとして用いることもでき、高強度ステンレス鋼線を平坦処理することにより板ばね状とするなど、種々なばね製品とすることもできる。
【００４６】
またばねの形成寸法についても何等限定するものではないが、例えばその用途が図５に例示したマフラー内ダンパー開閉用のばねｈとして用いるものでは、０．３〜３ｍｍのステンレス鋼線により、２０ｍｍ以下の径に巻回したものが用いられ、特に前記ねじりコイルばねとしては、前記ばね比率（Ｄ／ｄ）を３〜２０とし、一方圧縮ばねにあっては３〜１５とすることによりステンレス鋼線自体にかかる付加応力が比較的小さく疲労特性が安定する。特に、前記Ｄ／ｄ比率を必要以上に大きくしたものでは十分なはね発生力が得られにくく、又３を下回るものでは、成形加工が困難となる。
【００４７】
こうして成形されたばねは、そのまま使用してもよいが、そのバネ特性をさらに向上させる為に低温熱処理を施すことが好ましい。この低温熱処理は、例えば温度５５０〜７５０℃、さらには６００〜７００℃×１０分〜５時間の条件で行うのが好ましく、雰囲気は大気中でも無酸化雰囲気中であってもよい。この場合、該バネに一定の応力が付加できるようにした状態で低温熱処理することによって、ばね特性を向上させることもできる。
【００４８】
こうして製造された例えば図６のばねｈは、排気管内の排ガス切替用として例えば図５に示すようなマフラー内の戻り管ｇの小室ａ１に位置する端部のダンパーｆをねじり力により押圧し、エンジン回転数の上昇に伴って送られる排気ガスが一次側の小室ａ３内に充満し、その室内圧力が前記ばねｆの弾性以上に達した時に該バネｈによって押圧封鎖されていた前記ダンパーｆが圧力に応じて開放し、新たな破線で示す流路を形成する。
【００４９】
したがって、ガスの充満圧力と前記ばねｈの弾性特性との関係付けが適正となるように予め調整することにより、マフラーの性能は常に安定したものとなり、しかも、前記ねじりコイルバネは設置スペースが小さく、また取付け容易でしかも大きな発生力を得ることができる。
【００５０】
【実施例】
以下、前記ステンレス鋼線及びそれによる耐熱ばねについて以下のテストを行った。
【００５１】
まず、高周波真空誘導炉で溶製し熱間圧延を施して線径５．５ｍｍとした表１に示す化学組成の本発明に係る実施例材（試料Ａ１〜Ａ４）、並びに比較例材として、Ｉｎｃｏｎｅｌ    ７１８合金と、ＳＵＨ６６０、及び本願発明の組成とはＭｏ，Ａｌ量が異なる線材（試料Ｂ１〜Ｂ３）を選定した。これら各線材に各々冷間伸線加工と熱処理を繰り返しながら細径化して、最終加工率（３０〜６５％）を考慮した２種類の中間素線径にした後、これを温度１１５０℃で連続熱処理を行ない、得られた軟質素線を出発材料とした。
【００５２】
【表１】
2005015826.tif 000003
【００５３】
次に、この軟質素線をスルファミン酸ニッケル浴によるメッキ法によって、表面にＮｉ層を形成し、これを潤滑剤として加工率４０％，６０％での連続伸線加工（冷間伸線）を行い、目標仕上線径各々２．４ｍｍのステンレス鋼線を得た。得られた各鋼線の機械的特性を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2005015826.tif 000004
【００５５】
この結果に見られるように、実施例材の試料Ａ１〜Ａ４は、いずれの加工率のものも引張強さ９００〜１３００Ｎ／ｍｍ２  で比較例材よりも若干低いものの、０．２％耐力値が大きくまた耐力／引張強さ×１００で示される耐力比についても比較鋼線よりも優れ改善されていた。
【００５６】
また、実施例材の結晶組織を観察した結果、４０％加工品では４〜６、また６０％加工品でも６〜７の横断面結晶粒度を有するものであり、比較例材よりも大きい結晶組織を有するものであった。その要因としては、前記成分調整とともに冷間加工前の熱処理を十分に行ったことによるものと推測される。
【００５７】
又その縦断面での結晶組織について観察したところ、前記伸線加工によってその長手方向に沿って若干引き伸ばされた程度のオーステナイト組織が確認され、この結晶組織について任意に抽出された各結晶粒の長さ寸法（Ｌ）と幅寸法（ｄ）との比、すなわちＬ／ｄ×１００の結晶アスペクト比の平均値を求めたところ、１．５〜８倍程度であった。
【００５８】
そこでこれらステンレス鋼線のばね特性を評価する為、次の試験を行った。
【００５９】
（試験１）    時効処理温度に伴なう引張強さと耐力の増減特性
前記冷間加工したステンレス鋼線は通常、ばね形状に成形した後、ばね強度を高める為に、通常、時効処理が施されることから、評価時効として時効処理温度に伴なう引張強さ、耐力の変化を調査した。試験は、各試料について６００〜８００℃まで５０℃毎に処理し調べたものであって、加熱時間は４Ｈｒとした。
【００６０】
図１に見られるように、実施例材Ａ１は試験温度６００〜７５０℃の範囲でほぼ安定しているのに対し、例えば比較例材Ｂ１のＳＵＨ６６０は温度６５０℃で最大を示しながらもそれ以降急激に低下している。このことから、本発明の高強度ステンレス鋼線は    時効処理温度に伴なう引張強さと耐力の増減特性において優れている。
【００６１】
（試験２）    鋼線の高温引張特性
図２は、試験１の時効条件（６００℃〜８００℃）で処理した実施例材Ａ１を実際の使用状態を想定した特性試験として、環境温度６００℃に加熱された状態で引張強さがどのように変化するかを比較したものであり、比較試料として、前記比較例材Ｂ１を選択した。
【００６２】
これら結果から明らかなように、実施例材Ａ１はいずれの温度においても引張強さの低下率が小さく、特に加工率４０％の７００℃では１２％と優れている。他方、比較例材Ｂ１は、加工率による差はあまり見られず、また温度７００℃のもので低下率１５％を示したが、それ以外の温度はいずれも１８％を越え、熱影響を受け易いものであることが分かる。
【００６３】
（試験３）    ばねの熱へたり試験
図３は、環境温度雰囲気中おけるばねとしての熱へたり特性を調べたものであり、ばねは前記実施例材Ａ２と比較例材Ｂ１，Ｂ４の３種類の鋼線について、外径１９ｍｍ、有効巻数４．６、ばね長さ４０ｍｍのコイルばねを試作した。これを６００Ｎ／ｍｍ２  の圧縮荷重を付加して１００Ｈｒ放置した後、荷重を外した時のばね長さと、当初のばね長さとの比率で示したものであって、数値が大きいもの程、大きく変化したことを示している。
【００６４】
この結果に見られるように、周囲温度の上昇に伴なってへたり率が放物線的に増加しているが、実施例材Ａ１ではへたり率の上昇は少なく、比較例材Ｂ３のＩｎｃｏｎｅｌ    ７１８と同等の特性を発揮した。このことから、本発明の高強度ステンレス鋼線は組成的に、比較例材Ｂ３に比して安価であるに拘わらず、へたりの少ない寿命向上できるばね製品を提供できる。
【００６５】
（試験４）    顕微鏡組織調査
前記試験３で用いたばねについて、環境温度に伴なうη相の生成量の変化を、６００℃と７００℃で１００Ｈｒ処理したものを王水でエッチングした顕微鏡組織を画像解析し、面積比を求めた。
【００６６】
実施例材Ａ１のばねは、６００℃×１００Ｈｒでは面積比２．３％と非常に少なく、また７００℃でも８．２％であり、前記優れた耐熱へたり性の発揮に寄与していると推定できる。比較例材Ｂ１のばねは、６００℃で６．８％、７００℃では１４．２％の析出が確認された。
【００６７】
（試験５）
次に、ねじりばね（トーションばね）としての特性を評価するために、試験３で用いた実施例材Ａ１と比較例材Ｂ３の線径２．４ｍｍの鋼線を用いて同ばねを製作した。
【００６８】
ばねは、図５のマフラーダンパー開閉用として用いる場合、例えばコイル内径９．５ｍｍ、巻数１４．７、自由角度２５４度とした図６に示すように密着成形したトーションコイルばねｈであり、７３０℃×４Ｈｒの時効処理をしている。この各ばねを応力負荷装置にセットし所定の締付け応力を加えた状態における環境温度と放置時間の違いによるトルク減少率の変化を見た。その結果を図７及び図８に示している。
【００６９】
図７は、締付け応力５９６Ｎ／ｍｍ２  を負荷したまま試験温度６００℃の環境中に所定時間放置した時のトルク減少率の変化を見たものであり、５０Ｈｒ経過後いずれのばねも緩やかに上昇しているが、実施例材Ａ１のばねの減少率が小さく優れていることが分かる。
【００７０】
また図８は、同様の応力で締め付けたまま試験温度５００〜６５０℃に変化させ、１００Ｈｒ放置したものであり、図７の場合と同様に実施例材Ａ１のばねがすぐれた結果となった。特に温度が高い程優位性が認められ、更にこうしたトーションばねにおける最適な時効処理温度を残留剪断歪から検証したところ、７００〜７５０℃（好ましくは７１０〜７４０℃）とするのが最も優れた結果となった。
【００７１】
これら結果から明らかなように、本発明の耐熱ステンレス鋼線は、ｉｎｃｏｎｅ１    ７１８と同等以上の耐熱性を備えながらもコスト性、加工性に優れ、特にねじりばねとしたときのばね特性が優れていることが判明した。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の耐熱ばね用ステンレス鋼線は、Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｎｂを含むとともに、１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５ＮｂとＴｉ／Ａｌとを各々所定範囲に調整した組成のステンレス鋼に、熱処理と所定の冷間加工を施こし、１０００〜１３５０ＭＰａの引張強さと８０〜９３％の耐力比を有することから、引張強さに比してより大きな弾性をもたせることとなり、６００℃以上の高温環境温度においても優れた熱へたり性を発揮することができる。
【００７３】
また耐熱ばね用ステンレス鋼線はｉｎｃｏｎｅｌ    ７１８のように高価なＮｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂの分量を抑え、また溶解歩留りや比較的少ない加工率での冷間加工による製造歩留まりが向上して妥当な範囲のコスト低下も可能となる。
【００７４】
したがって、このステンレス鋼によって形成したばね製品は、優れた耐熱性と必要な弾性特性を備えたコイルばねにすることができ、これを排気ガスの経路切替用として、例えばマフラー内のダンパー開閉器に付設することで安定したマフラー性能を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鋼線の時効処理温度に伴なう引張強さの特性比較図である。
【図２】環境温度６００℃での引張強さの低下率の変化を示す図である。
【図３】試験温度に伴なう熱へたり率の変化を示す図である。
【図４】η相を示す鋼線の横断面写真（２００倍）の一例である。
【図５】（Ａ）はマフラーの構造を示す斜視図、（Ｂ）はダンバーを例示する斜視図である。
【図６】ばね試験に用いたねじりばねを例示する斜視図である。
【図７】図６のねじりばねにおける試験時間とトルク減少率の変化を示す図である。
【図８】図６のねじりばねにおける加熱温度とトルク減少率の変化を示す図である。
【図１】
2005015826.tif 000005
【図２】
2005015826.tif 000006
【図３】
2005015826.tif 000007
【図４】
2005015826.tif 000008
【図５】
2005015826.tif 000009
【図６】
2005015826.tif 000010
【図７】
2005015826.tif 000011
【図８】
2005015826.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月16日(2003.7.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ≦０．２０％以下、Ｓｉ≦１．０％、Ｍｎ≦２．０％、Ｎｉ：２５〜３０％、Ｃｒ：１０〜１６％、Ｍｏ：０．１〜１．０％、Ａｌ：１．０を越え２．０％以下、Ｔｉ：２．５〜３．５％、Ｎｂ：０．１〜０．７％を少なくとも含み、
かつＴｉ／Ａｌ＝１．８〜３．２、及び１．８Ａｌ＋Ｔｉ＋０．５Ｎｂ＝４．８〜６．２に調整したステンレス鋼からなり、
しかも溶体化熱処理と該溶体化熱処理後の冷間加工とによって、引張強さが９００〜１３００ＭＰａ、０．２％耐力と前記引張強さとの比（耐力／引張強さ×１００）が８０〜９２％であることを含む特性を有することにより高温耐熱へたり性を向上したことを特徴とする耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項２】
横断面におけるＪＩＳ−Ｇ０５５１の結晶粒度番号の平均値が、３〜７であることを含む請求項１に記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項３】
表面に０．２〜５μｍ厚さのＮｉメッキによって被覆したことを含む請求項１又は２に記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項４】
６００℃×１００Ｈｒの加熱におけるη相生成量が、横断面面積比で１０％以下であることを含む請求項１〜３のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
【請求項５】
前記溶体化処理は、下記式（１）により算出した温度（℃）で行い、かつ前記冷間加工は加工率３０〜５０％の冷間伸線加工であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線。
温度（℃）＝｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）＋（９２０〜９８０）｝…    （１）
【請求項６】
請求項１〜５のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線によってコイル巻されたばねからなる耐熱ばね製品。
【請求項７】
前記ばねは、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記耐熱ばね用ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜２０倍のねじり用ばねであることを特徴とする請求項６に記載の耐熱ばね製品。
【請求項８】
前記ばねは、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜１５倍の圧縮コイル用ばねであることを特徴とする請求項６に記載の耐熱ばね製品。
【請求項９】
前記ばねは、排気管内の排ガス経路切替用として用いられるものである請求項７又は８に記載の耐熱ばね製品。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【従来の技術】
自動車エンジンで発生する排ガスを浄化して環境を維持し、またエンジン回転に伴なう騒音を低減し、しかも自動車のレスポンス性を向上し、高出力化のためにマフラーが用いられている。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本件請求項２に係る発明は、横断面におけるＪＩＳ−Ｇ０５５１の結晶粒度番号の平均値が、３〜７であること、請求項３に係る発明は、表面に０．２〜５μｍ厚さのＮｉメッキによって被覆したことを含むこと、請求項４に係る発明は、６００℃×１００Ｈｒの加熱におけるη相生成量が、横断面面積比で１０％以下であることを含むことを夫々特徴としている。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
温度（℃）＝｛４８０／（Ｔｉ／Ａｌ）＋（９２０〜９８０）｝…    （１）


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
さらに請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいづれかに記載の耐熱ばね用ステンレス鋼線によってコイル巻されたばねからなる耐熱ばね製品であり、請求項７に係る発明は、前記ばねが、コイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記耐熱ばね用ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜２０倍のねじり用ばねであること、請求項８に係る発明は、前記ばねがコイル巻中心径（Ｄ）とこれを構成する前記ステンレス鋼線の線径（ｄ）との比（Ｄ／ｄ）が、３〜１５倍の圧縮コイル用ばねであること、請求項９に係る発明は、前記ばねが、排気管内の排ガス経路切替用として用いられるものであることを特徴としている。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
すなわち、一般的なばね用ステンレス鋼線を規定している例えばＪＩＳ−Ｇ４３１４では、引張強さとして約１６００〜２２００ＭＰａの高強度にすることとし、高強度化によってばね弾性を向上させている。しかし、高温環境に晒されることを前提とする金属材料では、熱によって材料強度が低下（軟化）しやすい傾向を有するが、この時の強度低下率、即ち熱へたり率は、１３００ＭＰａを越える程高くした引張強さでは低下率が大きくなり、一方、当初強度が９００ＭＰａ未満のものではばね材料として弾性を欠き好ましくないことから、ばね用鋼線として十分な弾性を発揮する引張強さとして９００〜１３００ＭＰａ（好ましくは、１０００〜１２００ＭＰａ）の範囲に設定している。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
また前記η相は、例えば１０％シュウ酸溶液中での電解エッチングや、王水など強酸溶液中に浸して腐食させ、顕微鏡による通像解析、あるいはＴＥＭ（Ｔｒａｓｍｉｓｓｉｏｎ    Ｅｌｅｃｔｒｏｎ    Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などでの残器分析によって確認できる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
Ｃｒは、鋼線に耐食性と耐酸化性を付与する上で必須の元素であり、耐熱ばねとして高温環境での使用に耐える為には少なくとも１０％は必要であり、一方、１６％を越える程多量に含有すると組織的不安定となって、クリープ破断強度や延性の低下をもたらすことから１０〜１６％とし、好ましくは１２．５〜１４．５％とする。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
Ｍｏは、オーステナイト相内に固溶し、高温強度を高めるとともに耐へたり性を向上する有効な元素であり、６００℃以上の高温環境で所定の耐へたり性をもたせる為には少なくとも０．１以上の添加が必要である。しかし、１．０％以上を添加すると伸線加工性やコイリング加工性を低下させ、また組織的不安定による耐食性への影響が懸念されることから０．１〜１．０％、より好ましくは０．２〜０．６％とする。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
（試験１）    時効処理温度に伴なう引張強さと耐力の増減特性
前記冷間加工したステンレス鋼線は通常、ばね形状に成形した後、ばね強度を高める為に、通常、時効処理が施されることから、評価項目として時効処理温度に伴なう引張強さ、耐力の変化を調査した。試験は、各試料について６００〜８００℃まで５０℃毎に処理し調べたものであって、加熱時間は４Ｈｒとした。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
（試験３）    ばねの熱へたり試験
図３は、環境温度雰囲気中におけるばねとしての熱へたり特性を調べたものであり、ばねは前記実施例材Ａ２と比較例材Ｂ１，Ｂ３の３種類の鋼線について、外径１９ｍｍ、有効巻数４．６、ばね長さ４０ｍｍのコイルばねを試作した。これを６００Ｎ／ｍｍ２  の圧縮荷重を付加して１００Ｈｒ放置した後、荷重を外した時のばね長さと、当初のばね長さとの比率で示したものであって、数値が大きいもの程、大きく変化したことを示している。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
この結果に見られるように、比較例材Ｂ１は周囲温度の上昇に伴なってへたり率が放物線的に増加しているが、実施例材Ａ１ではへたり率の上昇は少なく、比較例材Ｂ３のＩｎｃｏｎｅｌ    ７１８と同等の特性を発揮した。このことから、本発明の高強度ステンレス鋼線は組成的に、比較例材Ｂ３に比して安価であるに拘わらず、へたりの少ない寿命向上できるばね製品を提供できる。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2005015826.tif 000013