Monel K500
モネル K500 の概要
モネル K500 は、高強度で析出硬化可能なニッケル-銅合金であり、モネル 400 と同等の優れた耐食性を保持しながら、機械的特性が大幅に強化されています。アルミニウムとチタンの添加により時効硬化が可能となり、引張強さおよび耐力を高めつつ、塩化物による応力腐食割れや海水環境に対する耐性を維持します。
モネル K500 は、航空宇宙、海洋、石油、化学プロセス産業における重要部品のCNC加工材料として特に高く評価されています。極低温から 650°C までの温度域で強度と延性を維持できるため、高応力または高流速条件下で使用される締結部品、ポンプシャフト、非磁性部品にとって最適な選択肢です。
モネル K500 の化学的・物理的・機械的特性
モネル K500（UNS N05500 / ASTM B865 / AMS 4676）は、鍛造系のニッケル-銅-アルミニウム合金であり、時効処理中にγ′（Ni₃(Al,Ti)）相が析出することで強化されます。溶体化焼なまし、時効処理、熱間加工などの状態で提供されます。
化学成分（代表値）
元素 | 組成範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | ≥63.0 | 母材元素；耐食性を付与 |
銅（Cu） | 27.0–33.0 | 海水および酸に対する耐性を向上 |
アルミニウム（Al） | 2.30–3.15 | 析出強化（γ′相）を可能にする |
チタン（Ti） | 0.35–0.85 | 時効応答と強度を向上 |
鉄（Fe） | ≤2.0 | 靭性とコスト効率を維持 |
マンガン（Mn） | ≤1.5 | 熱間加工性を改善 |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 耐酸化性を向上 |
炭素（C） | ≤0.25 | 炭化物析出を抑制するため管理 |
硫黄（S） | ≤0.01 | 高温割れ・介在物欠陥を避けるため低減 |
物理特性
特性 | 代表値（典型） | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.44 g/cm³ | ASTM B311 |
融解温度範囲 | 1315–1350°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 17.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 0.43 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.8 µm/m·°C（20–300°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 410 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
ヤング率（弾性率） | 179 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（時効処理状態）
特性 | 代表値（典型） | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 960–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 690–860 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥20%（標点距離 25mm） | ASTM E8/E8M |
硬さ | 28–35 HRC | ASTM E18 |
衝撃靭性 | ≥100 J（-150°C） | ASTM E23 |
モネル K500 の主な特長
時効による高強度：モネル 400 と比べ、γ′相析出により引張強さは2～3倍に増加し、最大 1100 MPa に達します。
優れた耐食性：25°Cの3.5% NaClおよびフッ化水素酸溶液中で低い腐食速度（例：<0.05 mm/年）を維持し、15 m/sを超える流動条件でも良好な耐食性を示します。
耐海水性：高流速ブライン環境におけるキャビテーションおよびエロージョンに耐え、海水ポンプのインペラやシャフトに最適です。
非磁性の安定性：溶体化焼なまし状態では実質的に非磁性であり、時効後にわずかな磁性を示す場合がありますが、多くの非磁性アセンブリで許容されます。
温度域：極低温から 650°C まで運用可能。450°Cで10,000時間においてクリープ変形は0.5%ひずみ未満に抑えられます。
モネル K500 のCNC加工における課題と解決策
加工上の課題
時効後の高硬度
最大 35 HRC の硬さにより、一般的な工具では逃げ面摩耗や刃先欠けが発生しやすく、高品位超硬インサートが必要になります。
急速な加工硬化
浅切込みでは局所硬度が20～30%上昇し、工具形状が最適でない場合、工具のたわみや表面粗さ悪化のリスクがあります。
切りくず生成と熱保持
連続的で付着性の高い切りくずを生成し、特にドライ条件では切削域温度が600°Cを超えて工具寿命を低下させます。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | PVDコーティング超硬（K10–K20相当）またはセラミックインサート | 高温下でも耐摩耗性を維持 |
コーティング | AlTiN、TiAlN、またはAlCrN（2–4 µm） | 摩擦と熱負荷を低減 |
形状 | 正すくい（10–12°）、ホーニング刃先（R約0.02 mm） | 切削抵抗と切りくず付着を低減 |
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 | 100–120 |
仕上げ加工 | 30–50 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
加工済みモネル K500 部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部ポロシティを除去し、高圧用途部品の疲労強度を（>20%）向上させます。
熱処理
熱処理には、980°C ±10°Cで2時間の溶体化焼なましと、595°Cで8～16時間の時効処理が含まれ、析出硬化を最大化します。
超合金溶接
超合金溶接は、入熱管理と溶接後時効処理により機械的特性を回復させ、特に圧力保持部品で効果を発揮します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、ガスタービン用途向けに最大200 µmのYSZセラミックを適用し、排気系部品で最大 1000°C までの使用を可能にします。
放電加工（EDM）
EDMにより、硬化したK500に対して微細スロット加工や形状ディテール加工が可能となり、±0.005 mmの公差管理を実現します。
深穴加工（Deep Hole Drilling）
深穴加工は、ポンプシャフトや海洋用ロータにおいて、直径の最大50倍の長さまでの冷却／潤滑油路を加工します。
材料試験・分析
材料試験には、硬さマッピング、相解析のためのX線回折（XRD）、腐食試験（ASTM G28）、引張試験（ASTM E8）が含まれます。
モネル K500 部品の産業用途
海洋・海中（サブシー）
ポンプシャフト、バルブステム、水中用締結部品。
海水中の腐食速度：25°Cで流速 >10 m/s の条件でも <0.02 mm/年。
石油・ガス
非磁性ドリルカラー、コンプリーションツール、坑口ハードウェア。
H₂S環境向けにNACE MR0175規格に適合し、引張強さ >960 MPa を満たします。
航空宇宙
アクチュエータ部品、ランディングギア用ブッシュ、締結システム。
10⁷サイクルまでの繰返し荷重および振動疲労に耐え、破損なく使用できます。
化学プラント・発電設備
耐食シール、インペラ、フッ化水素酸（HF）取扱い部品。
pH 1～13 の環境で最大 150°C まで機械的健全性を維持します。
