JPH0742560B2 - 高温バネの製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、各種機械，機器などの高温で長時間使用され
る高温バネに関する。

（従来の技術） 蒸気タービンやガスタービン、その他内燃機関などの高
温で長時間使用される各種機械，機器などには高温バネ
が使用されている。

従来より使用されている高温バネは重量％で炭素0.1％
以下、硅素１％以下、マンガン１％以下、クロム10〜20
％、アルミニウム0.3〜１％、チタン２〜３％、ニオブ
0.5〜1.5％、鉄５〜10％、残部ニッケルよりなるNi基析
出強化合金の線材，棒材，板材などの所定のバネ形状に
成形後、時効処理したものである。

しかし、この従来のバネを高温で使用すると時間の経過
と共に、バネ強さがリラキゼーションにより急激に低下
し、常に一定のバネ強さを維持できず、設計段階で所定
幅の許容範囲を有する設計値の範囲内にバネ強さを長時
間維持できないという欠点がある。また、最近の熱効率
向上に伴う各種機械，機器の高温化や小形化に対してバ
ネ強さが小さいという欠点も有している。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、かかる従来の事情に鑑みて成されたもので、
従来の高温バネに比べバネ強さが強く、また使用中のリ
ラキゼーションによる変形およびバネ強さの低下が小さ
い、強度耐リラキゼーションに優れた高温バネの製造方
法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段と作用） 本発明は、バネ素材であるNi基析出強化合金の線材、棒
材あるいは板材を980℃以上で溶体化処理し、その金属
組織の過半を等軸晶とする工程と、バネ強さを所要の強
さ以上になるような形状に成形する工程と、高温バネの
使用状態の応力負荷加熱により使用時におけるバネの強
さの変化が小さい安定したバネ強さを付与する安定化処
理の工程とを経て製造されることを特徴とした高温バネ
の製造方法である。

また、バネ素材が、重量パーセントで炭素0.1％以下、
硅素１％以下、マンガン１％以下、クロム10〜25％、ア
ルミニウム0.1〜１％、チタン0.1〜２％、ニオブ1.5〜
６％、鉄２〜25％、モリブデン２〜10％、残部ニッケル
よりなる合金で、かつ前述した各工程を経て成ることを
特徴とする高温バネの製造方法である。

ここで、本発明の各工程の限定理由について説明する。

まず、バネ素材であるNi基析出強化合金の線材、棒材あ
るいは板材を980℃以上で溶体化処理し、その金属組織
の過半を等軸晶とする工程の理由は、熱間鍛造，熱間圧
延あるいは熱間伸線などの加工工程がそのほとんどであ
る場合は、耐リラキゼーション性が得られないためであ
る。なお、溶体化処理温度は溶体化処理の効果および金
属組織の過半を等軸晶とするためには980℃以上、望ま
しくは1000℃以上が良い。

また、そ溶体化処理後に、若干の冷間加工を加えても良
い。

次に、バネ強さを所要の強さ以上になるような形状に成
形する工程の理由は、次の工程の安定化処理の工程によ
り所要のバネ強さおよび形状にするために必要な工程
で、最初から所要の形状にしておいた場合には安定化処
理による変形で、所定のバネ強さ，形状が得られないた
めである。

次に、高温バネの使用状態の応力負荷加熱により使用時
におけるバネ強さの変化が小さい安定したバネ強さを付
与する安定化処理の工程の理由は、所要のバネ強さと形
状および耐リラキゼーション性を付与するためである。
この安定化処理の工程がない場合には、高温で使用中に
バネ強さおよびバネ形状の変化が大きく、長時間安定し
たバネ強さを発揮する高温バネは得られない。

この安定化処理の工程は、所要の強さ以上のバネ強さと
した後、高温バネの使用状態の応力負荷加熱により、高
温バネのバネ強さを設計段階で設定される所定幅の許容
範囲を有する設計値までリラキゼーションにより低下さ
せることにより、バネ強さの変化が小さい安定したバネ
強さを得るのである。これは、この際の応力付加は使用
時と全く同一の応力を負荷する必要はない。

ここで、高温バネの使用状態の応力負荷化熱とは、高温
バネはその用途により圧縮，引張あるいは曲げなど各種
の応力を負荷される状態で使用されるが、この意図する
高温バネが負荷される応力の状態と同様の圧縮，引張あ
るいは曲げを行った状態で加熱を行うことである。な
お、この加熱条件および応力は加熱温度，時間などによ
り適宜設定することができる。

なお、この安定化処理の工程は、時効処理の後に行うの
が望ましいが、時効処理を兼ねて行っても良い。

次に、バネ素材であるNi基析出強化合金の組成の限定理
由としては、線材、棒材あるいは板材などに加工できる
と共に、所要のバネ形状に容易に成形できることと、従
来の高温バネよりも優れた耐リラキゼーション性が得ら
れることによる。

以下に、好ましいNi基析出強化合金の組成の限定理由に
つい述べる。

炭素（Ｃ）は、合金中に固溶し強度を向上させるために
必要な元素である。しかし、多量の含有は炭化物が結晶
粒界に析出し、耐粒界腐食性や靭性を害するので、その
炭素の含有量は0.1重量％以下が好ましい。さらに好ま
しくは0.02〜0.06重量％程度である。

硅素（Si）は、溶解時に脱酸剤として添加する元素であ
る。しかし、多量の含有は靭性や加工性を害するので、
その硅素の含有量は１重量％以下が好ましい。さらに好
ましくは0.1〜0.6重量％程度である。

マンガン（Mn）は、溶解時に脱酸，脱硫剤として添加す
る元素である。しかし、多量に添加してもその効果が小
さくなるので、そのマンガンの含有量は0.1重量％以下
が好ましい。さらに好ましくは0.1〜0.5重量％程度であ
る。

クロム（Cr）は、合金の強度や耐酸化性，耐食性を向上
させるために必要な元素である。しかし、その量があま
り少ないと効果が少なく、逆にあまりその量が多いと加
工性を害するので、そのクロムの含有量は10〜25重量％
が好ましい。さらに好ましくは15〜20重量％である。

アルミニウム（Al）は、ニッケルとの金属間化合物を生
成して合金中に析出し、合金の強度を向上させるために
必要な元素である。しかし、その量があまり少ないと効
果が少なく、逆にあまりその量が多いとチタンやニオブ
の含有量の兼ね合いもあるが加工性を害するので、その
アルミニウムの含有量は0.1〜１重量％が好ましい。さ
らに好ましくは0.2〜0.7重量％である。

チタン（Ti）は、アルミニウムと同様にニッケルとの金
属間化合物を生成して合金の強度を向上させるために必
要な元素である。しかし、その量があまり少ないと効果
が少なく、逆にあまりその量が多いとアルミニウムやニ
オブの含有量の兼ね合いもあるが加工性を害するので、
そのチタンの含有量は0.1〜２重量％が好ましい。さら
に好ましくは、0.2〜２重量％である。

ニオブ（Nb）は、アルミニウムやチタンと同様にニッケ
ルと金属間化合物を生成して合金の耐磨耗性と強度を向
上させるために必要な元素である。しかし、その量があ
まり少ないと効果が少なく、逆にあまりその量が多いと
アルミニウムやチタンの含有量の兼ね合いもあるが加工
性を害するので、そのニオブの含有量は1.5〜６重量％
が好ましい。

鉄（Fe）は、合金の熱間加工性を向上させるのに必要な
元素である。しかし、その量があまり少ないと効果が少
なく、逆にあまりその量が多いと耐食性を害するので、
その鉄の含有量は２〜25重量％が好ましい。

モリブデン（Mo）は、合金の強度を向上させると共に耐
食性を向上させるのに必要な元素である。しかし、その
量があまり少ないと効果が少なく、逆にあまりその量が
多いと加工性を害するため、そのモリブデンの含有量は
２〜10重量％が好ましい。（実施例） 実施例１ 高周波誘導溶解炉を用いて、重量％でC:0.31％,Si:0.23
％,Mn:0.2％,Cr:18.4％,Fe:17.5％,Ti:0.77％,Al:0.43
％,Nb:5.4％,Mo:3.6％，残部Niより成る合金インゴット
を得た。

次いで、このインゴットに熱間鍛造や伸線加工を施し、
直径1.4mmの線材とした。

このようにして得た線材の一部を切出し、1020℃で30分
間加熱後急冷した後、冷間で伸線を行い直径1.2mmの線
材のした。

引続き、この線材で中心径11mm,自由長21.5mm,有効巻数
4.5回，全巻数6.5回のコイルバネを成形した後、718℃
で８時間、621℃で８時間の時効処理を施すことにより
バネの強さを所要の強さ以上とした。

さらに、このコイルバネを圧縮してコイル長さを12mmと
した状態で700℃,25時間の安定化処理を施し試験に供し
た。なお、コイルバネの金属組織を観察した結果、双晶
が見られる等軸晶であった。

比較例１ 上記実施例１で用いた直径1.2mmの線材で、中心径11mm,
自由長20mm,有効巻数4.5回，全巻数6.5回のコイルバネ
を成形した後、718℃で８時間、621℃で８時間の時効処
理を施すことによりバネ強さを所要の強さ以上とした状
態、すなわち実施例１のコイルバネの安定化処理を行わ
ない状態で使用するコイルバネで試験に供した。

比較例２ 上記実施例１で用いて直性1.4mmの線材の一部を切出
し、954℃で１時間加熱後急冷した後、冷間で伸線を行
い直径1.2mmの線材とした。

次いで、この線材で中心径11mm,自由長21.5mm,有効巻数
4.5回，全巻数6.5回のコイルバネを成形した後、718℃
で８時間、621℃で８時間の時効処理を施こした。

さらに、このコイルバネを圧縮してコイル長さを12mmと
した状態で600℃,15時間の安定化処理を施し試験に供し
た。

比較例３ 従来の高温バネ素材である重量％でC:0.06％,Si:0.13
％,Mn:0.62％,Cr:15.4％,Fe:7.2％,Ti:2.5％,Al:0.83
％,Nb:0.82％，残部Niより成る合金を高周波誘導溶解炉
により溶製し合金インゴットを得た。

次いで、このインゴットに熱間鍛造や伸線加工を施し、
直径1.4mmの線材のした。

このようにして得た線材の一部を切出し、1093℃で30分
間加熱後急冷した後、冷間で伸線を行い直線1.2mmの線
材とした。

引続き、この線材で中心径11mm,自由長20mm,有効巻数4.
5回，全巻数6.5回のコイルバネを成形した後、650℃で
５時間の時効処理を施こし試験に供した。

試験は、前述した実施例１と比較例１〜３の圧縮コイル
バネを12mmに圧縮固定した状態で600℃および700℃の炉
中に装入し、所定時間加熱した後室温に取出し加重を取
り除いた後、バネの自由長とバネの長さを12mmに圧縮す
るに要する荷重を測定した。その試験結果を第１図およ
び第２図に示す。なお、バネの金属組織は等軸晶であっ
た。

第１図および第２図より明らかなように、本発明に係る
高強度，耐リラキゼーション性に優れた高温バネは、比
較例のバネに比較し、高温で長時間応力が加わった状態
で使用されてもコイル長さおよびバネ強さはほとんど変
化していない。具体的に説明すると、本発明の所要の強
さ以上のバネ強さを付与した後安定化処理を施した本発
明に係る実施例１は、設計段階で所定幅の許容範囲を有
するバネ強さの設計値の範囲内で長時間安定したバネ強
さを有しているのに対し、時効処理までは実施例１ど同
一の処理を施してはいるものの安定化処理を行っていな
い比較例１は急激にそのバネ強さが低下している。この
ように、安定化処理を行わずに高いバネ強さを付与した
状態のまま使用すると、バネ強さは使用時において急激
に低下するのであり、本発明のように、所要の強さ以上
のバネ強さを付与した後、安定化処理によりそのバネ強
さを設計値の範囲内まで低下させなければ長時間安定し
たバネ強さを得ることはできないのである。

また、本発明において安定化処理により低下させるバネ
強さ、言い換えれば設計値の範囲内のバネ強さを最初か
ら得ていると、比較例２あるいは比較例３のようにバネ
強さが低下するだけであり、長時間安定したバネ強さを
得ることはできないのある。

以上のように、本発明の高温バネの製造方法によりれた
高温バネは、優れた耐リラキゼーション性を有し、常に
一定のバネ強さを長時間保持できる工業上有用なバネで
あることが判る。

（発明の効果） 本発明の高温バネの製造方法は、従来の高温バネに比べ
バネ強さが強く、また使用中のリラキゼーションによる
変形およびバネ強さの低下が小さい、強度耐リラキゼー
ションに優れた高温バネを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明に係る高強度，耐リラキ
ゼーション性に優れた高温バネおよび比較例の高温バネ
に加重を加えバネ長さ12mmに圧縮した状態で加熱した
後、加重を取り除いたときのバネの自由長とバネの長さ
を12mmに圧縮するに要する荷重を測定した試験結果を示
す特性図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バネ素材であるNi基析出強化合金の線材、
   棒材あるいは板材を980℃以上で溶体化処理し、その金
   属組織の過半を等軸晶とする工程と、バネ強さを所要の
   強さ以上になるような形状に成形する工程と、高温バネ
   の使用状態の応力負荷加熱により使用時におけるバネ強
   さの変化が小さい安定したバネ強さを付与する安定化処
   理の工程とを経て製造されることを特徴とする高温バネ
   の製造方法。
2. 【請求項２】バネ素材が、重量パーセントで炭素0.1％
   以下、硅素１％以下、マンガン１％以下、クロム10〜25
   ％、アルミニウム0.1〜１％、チタン0.1〜２％、ニオブ
   1.5〜６％、鉄２〜25％、モリブデン２〜10％、残部ニ
   ッケルよりなる合金であることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の高温バネの製造方法。