Nimonic 105
Nimonic 105の概要
Nimonic 105は、卓越した高温強度、疲労耐性、そして極限の運転条件下での構造安定性で知られるニッケル基超合金です。本合金は、ガンマプライム（γ′）析出物の高い体積分率に加え、コバルトやモリブデンなどの固溶強化元素によって強化されています。1050°Cまでの温度域でも信頼性の高い性能を発揮するため、ガスタービンディスク、ジェットエンジン部品、長期的な熱応力にさらされるファスナーに最適です。
Nimonic 105は、航空宇宙およびエネルギーシステムで要求される厳しい公差を実現するため、通常 CNC加工サービス を通じて加工されます。CNC加工 は、この高強度材料から複雑形状や重要部品を製造するために必要な精度と再現性を提供します。
Nimonic 105の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 105（UNS N13021 / W.Nr. 2.4634 / BS HR6）は、析出硬化型の高強度ニッケル合金であり、高温で高負荷を受ける回転部品に広く使用されています。
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（wt.%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | 残部（≥50.0） | 耐食性および母材マトリックスの安定性を付与 |
コバルト（Co） | 19.0–21.0 | 強度と疲労寿命を向上 |
クロム（Cr） | 14.0–16.0 | 1050°Cまでの耐酸化性を付与 |
モリブデン（Mo） | 4.5–5.5 | 固溶強化および耐クリープ性 |
チタン（Ti） | 1.0–1.5 | γ′析出強化 |
アルミニウム（Al） | 4.5–5.5 | γ′相形成により高温強度を向上 |
炭素（C） | ≤0.12 | 炭化物を形成して耐クリープ性を向上 |
鉄（Fe） | ≤1.0 | 残留元素 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工性を改善 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 耐酸化性を補助 |
ホウ素（B） | ≤0.01 | 粒界の結合力を高める |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.15 | 粒界を微細化し、耐クリープ強度を向上 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.25 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1335–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.8 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.10 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 13.2 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 435 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 210 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（固溶化処理＋時効処理）
特性 | 代表値 | 試験規格 |
|---|---|---|
引張強さ | 1100–1300 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 850–960 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥15% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 260–290 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 950°Cで230 MPa（1000時間） | ASTM E139 |
疲労耐性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic 105の主な特長
卓越した高温強度：最大950°Cの使用温度域において、引張強さ1100 MPa超、耐力850 MPa超を維持します。
耐クリープ性・耐疲労性：950°Cで1000時間のクリープ破断強度が230 MPaを超え、長期の熱・機械負荷下でも安定性を確保します。
ガンマプライム強化：Ni₃(Al,Ti)のγ′相が高い体積分率で存在し、高温での強度保持を高め、組織劣化に抵抗します。
耐酸化性：Cr₂O₃保護酸化皮膜により、タービン環境で1050°Cまでの長期的な耐酸化性・耐スケーリング性を実現します。
寸法安定性：線膨張係数が低い（13.2 µm/m·°C）ため、熱サイクル加熱時の熱変形を最小化します。
Nimonic 105のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
工具摩耗および欠損
γ′析出物およびMo富化相により、未コーティング工具では逃げ面摩耗やクレータ摩耗が顕著になります。
熱の滞留
熱伝導率が低いため工具温度が上昇しやすく、強い切削条件では刃先の早期損傷につながります。
加工硬化
加工中に表面硬さが大きく増加するため、多工程の仕上げ加工が難しくなります。
最適化された加工戦略
工具選定
項目 | 推奨内容 | 理由 |
|---|---|---|
工具材質 | 超硬（K20–K30）、仕上げはセラミックまたはCBN | 高温硬さと靭性に優れる |
コーティング | TiAlNまたはAlCrN（3–5 µm） | 摩耗と熱侵入を低減 |
形状 | 正すくい角（6–8°）、ホーニング刃（約0.05 mm） | 切りくず負荷とたわみを制御 |
切削条件（ISO 3685準拠）
工程 | 切削速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み深さ（mm） | クーラント圧力（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 12–18 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 25–35 | 0.05–0.10 | 0.5–1.0 | 120–150 |
Nimonic 105加工部品の表面処理
熱間静水圧プレス（HIP）
HIP はポロシティを除去し、特にタービンディスクや燃焼器部品に重要な疲労寿命を20%以上向上させます。
熱処理
熱処理 は、約1140°Cでの固溶化焼なまし後、850°Cで時効処理を行い、最適なγ′析出を促進します。
超合金溶接
超合金溶接 では、ERNiCrCoMo-1フィラーを用いることで、母材強度の90%以上を有し、ミクロ偏析を最小化した接合部を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティング は、タービン翼の熱吸収を低減するために、100–300 µmのYSZ層を形成します。
放電加工（EDM）
EDM は、硬化域を熱的に損傷させることなく、±0.005 mmまでの微細形状精度を可能にします。
深穴加工
深穴加工 は、冷却流路や燃料ライン向けに、L/D>30:1で同心度偏差<0.3 mm/mを達成します。
材料試験および分析
材料試験 には、950°Cでのクリープ破断試験、SEMによる組織検証、超音波探傷による欠陥検出が含まれ、重要部品の無欠陥性を保証します。
Nimonic 105部品の産業用途
航空宇宙用タービンエンジン：ジェット推進システムにおけるタービンディスク、排気ノズル、ブレードルート。
発電：高温蒸気サイクル向けのタービンシャフト、ボルト、シール部品。
原子炉：高圧・耐放射線の締結システムおよび支持ブラケット。
自動車向け高性能用途：ターボチャージャー部品、遮熱シールド、エンジンバルブシート。
産業用ガスタービン：熱サイクルと振動にさらされる高速回転部品。
