Inconel 713
インコネル 713 の概要
インコネル 713 は、析出硬化型のニッケル基鋳造超合金であり、最大 980°C（1800°F）までの高温環境において、優れた強度、熱疲労耐性、耐酸化安定性を発揮するよう設計されています。もともとはタービンエンジンの構造部品向けに開発されましたが、長時間の高温曝露と高い機械的耐久性が求められる航空宇宙、エネルギー、産業用ガスタービン分野で広く使用されています。
主成分はニッケル（≥75%）で、クロム（12–14%）、アルミニウム（5.5–6.5%）、モリブデン（4–5%）、ニオブ（1.5–2.5%）を添加した組成により、優れたクリープ破断強度を実現し、過酷な使用条件下でも微細組織の健全性を維持します。鋳造によりニアネットシェイプ設計が可能ですが、最終的な寸法・表面要求を満たすために高精度CNC加工が必要となるケースが多くあります。
インコネル 713 の化学的・物理的・機械的特性
インコネル 713（UNS N07713 / AMS 5380）は、通常、ロストワックス精密鋳造後に時効処理された状態で供給され、航空宇宙グレードの高温部品向け仕様に適合します。
化学成分（AMS 5380）
元素 | 組成範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | 残部（約75.0%） | 母材；熱安定性と強度 |
クロム（Cr） | 12.0–14.0 | 耐酸化性・高温腐食耐性を付与 |
アルミニウム（Al） | 5.5–6.5 | γ′（Ni₃Al）析出により強化 |
モリブデン（Mo） | 4.0–5.0 | 耐クリープ性を向上 |
ニオブ（Nb） | 1.5–2.5 | 析出硬化相（NbC、γ″）を形成 |
チタン（Ti） | 0.6–1.2 | γ′相を強化 |
炭素（C） | 0.10–0.20 | 炭化物を形成しクリープ強度に寄与 |
ジルコニウム（Zr） | 0.05–0.15 | 粒界強度を向上 |
ホウ素（B） | 0.005–0.015 | 粒界の結合性を強化 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 微量の合金元素 |
ケイ素（Si） | ≤0.50 | 酸化を抑えるため管理 |
マンガン（Mn） | ≤0.50 | 鋳造性を向上 |
物理特性
特性 | 代表値（典型） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.00 g/cm³ | ASTM B311 |
融解温度範囲 | 1250–1330°C | ASTM E1268（DTA） |
熱伝導率 | 11.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.20 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.9 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 460 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 198 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（鋳造＋時効処理状態）
特性 | 代表値（典型） | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 950–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 620–750 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥3–6%（標点距離 25mm） | ASTM E8/E8M |
硬さ | 330–390 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | ≥165 MPa @ 871°C、100h | ASTM E139 |
インコネル 713 の主な特長
高温強度：900 MPa超の引張強さと、870°Cで100時間以上にわたり150 MPaを超えるクリープ耐性を維持—高温部ガスタービン部品に最適。
耐酸化性・高温腐食耐性：クロムとアルミニウムが安定した保護酸化膜（Cr₂O₃、Al₂O₃）を形成し、酸化・硫酸塩化環境で最大1000°Cまでの耐性を確保。
ガンマプライム強化：γ′体積率約60%により、耐力>700 MPaと、高応力・高温下での優れた寸法安定性に寄与。
鋳造性と精密加工：ニアネットシェイプの精密鋳造に適し、追加のCNC仕上げにより±0.02 mm公差およびRa ≤ 0.8 µmの表面粗さに対応。
インコネル 713 のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
高硬度と摩耗性
鋳造＋時効処理状態ではブリネル硬さが最大390 HBに達し、超硬工具にフランク摩耗やクレータ損傷が生じやすくなります。
熱感受性
低い熱伝導率（11.5 W/m·K）により刃先温度が1000°Cを超えやすく、急速な酸化摩耗やノッチ摩耗を引き起こします。
ワークの脆性
延性が限られる（伸び 3–6%）ため、強い切込みや振動を伴う加工では微小亀裂やエッジ欠けのリスクが増加します。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | CBNまたはセラミック工具（SiAlON、ウィスカー強化） | 高い赤熱硬さと耐熱衝撃性 |
コーティング | TiAlN または AlCrN（PVD）、3–6 µm | 拡散摩耗と摩擦を低減 |
形状 | 正すくい（10–12°）、ホーニングまたは面取り刃 | 工具寿命と面品位を向上 |
切削条件（ISO 3685）
加工 | 速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み（DOC）（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 15–25 | 0.20–0.30 | 2.0–3.0 | 80–120 |
仕上げ加工 | 30–45 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 100–150 |
加工済みインコネル 713 部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部の収縮孔を除去し、疲労強度を>25%向上させます。繰返し荷重を受けるタービンブレードや構造用鋳物において重要です。
熱処理
熱処理では、1160°Cでの溶体化処理および845°Cでの時効処理を行い、γ′析出を最適化して引張特性と破断特性を向上させます。
超合金溶接
超合金溶接は、予熱したTIGまたは電子ビーム溶接とNi-Cr系溶加材を用い、熱サイクル下でも溶接部の健全性を維持します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、150–250 µmのセラミックジルコニア層を形成し、表面温度を最大200°C低減して高温部品の疲労寿命を延長します。
放電加工（EDM）
EDMは、硬化したインコネル 713 に対して±0.01 mmの精度で形状加工を可能にし、ファーツリー溝や冷却孔に適しています。
深穴加工（Deep Hole Drilling）
深穴加工は、高アスペクト比の穴加工（L/D ≥ 40:1）に対応し、ブレード冷却流路や燃焼器ライナーの穿孔に不可欠です。
材料試験・分析
材料試験には、マクロ／ミクロ組織評価、X線検査、AMS 2175に準拠した超音波探傷が含まれ、構造健全性と寸法精度を検証します。
インコネル 713 部品の産業用途
航空宇宙用タービン
1段目タービンブレード、ノズル、ベーン。
高い熱勾配と遠心荷重下でも、クリープ変形なしに耐えます。
発電分野
定置式ガスタービン部品およびノズルセグメント。
定常および繰返し熱負荷下で優れた耐酸化性を発揮します。
産業用加熱システム
燃焼器ライナー、バーナーチップ、排ガスノズル。
高流速・高温流れの中でも強度と耐食性を維持します。
自動車用ターボチャージャー
タービンローターおよびハウジング部品。
急加速・急減速サイクルにおける熱衝撃と酸化に耐えます。
