Nimonic 80A
Nimonic 80Aの概要
Nimonic 80Aは、チタンおよびアルミニウムで強化された析出硬化型のニッケル–クロム合金で、卓越した機械的強度、耐クリープ性、耐酸化性が重要となる高温環境向けに設計されています。Nimonic 75よりも高温強度が向上しており、連続使用では最大815°Cまで、断続的な曝露では1000°Cを超える条件でも構造健全性を維持します。
優れた熱疲労特性と耐食性により、航空宇宙用タービン、原子力用バルブ、高圧ばね、自動車用ターボチャージャー部品などで好まれる材料です。Nimonic 80Aの部品は、鍛造または鋳造で製造されることが多く、性能が重要で厳しい公差が求められる用途に向けて、CNC加工による精密仕上げが頻繁に行われます。
Nimonic 80Aの化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 80A（UNS N07080 / W.Nr. 2.4952 / ASTM B637, B408）は、γ'（ガンマプライム）強化型合金であり、クリープや疲労が支配的となる環境における高温強度、耐酸化性、構造信頼性を目的として設計されています。
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（≥69.0） | 耐酸化性と高温強度を担うマトリックス |
クロム（Cr） | 18.0–21.0 | 保護酸化皮膜を形成し、耐食性を向上 |
チタン（Ti） | 1.8–2.7 | γ'-Ni₃(Al,Ti)形成による析出硬化 |
アルミニウム（Al） | 1.0–1.8 | ガンマプライム相により合金を強化 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.10 | 炭化物析出とクリープ挙動を制御 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 高温加工性を改善 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 耐酸化性と鋳造特性を向上 |
銅（Cu） | ≤0.2 | 熱脆化を最小化するため制限 |
硫黄（S） | ≤0.015 | 溶接時の高温割れ低減のため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.19 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.4 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.08 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 13.3 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 | 200 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 | 965–1080 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 690–760 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥20% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 200–230 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 750°Cで180 MPa（1000時間） | ASTM E139 |
疲労強度 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic 80Aの主な特長
高温強度：Ni₃(Al,Ti)相の析出により、連続使用で最大815°Cまで高い引張強さとクリープ強度を実現します。
耐酸化性：断続的に1000°Cを超える曝露があっても、酸化性環境下で機械特性を維持します。
優れた疲労特性および耐熱衝撃性：熱的・機械的応力が繰り返されるタービン部品やばね用途に適しています。
耐クリープ性・破断寿命の向上：特にタービンや原子炉のボルト、バルブガイド、圧力シール部品に適しています。
Nimonic 80AのCNC加工における課題と対策
加工上の課題
加工硬化
析出硬化組織により表面硬度が急速に上昇し、工具の早期摩耗や公差問題につながる可能性があります。
工具寿命の低下
高温強度と、γ'-Ni₃(Al,Ti)のような金属間化合物相による摩耗により、超硬工具では逃げ面摩耗やクレータ摩耗が発生します。
発熱
熱伝導率が限られているため放熱が不十分になり、熱割れや刃先変形の発生確率が高まります。
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 | 微粒超硬（K20–K30）、仕上げではCBN | 熱応力下で高い耐摩耗性を発揮 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiN（3–5 µm PVD） | 酸化と凝着に強く、工具寿命を延長 |
形状 | 正すくい角、鋭利な刃先、0.05 mmエッジホーニング | 切削抵抗を低減し、刃先欠けを防止 |
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 | 12–20 | 0.15–0.20 | 1.5–2.5 | 100–120 |
仕上げ加工 | 30–45 | 0.05–0.10 | 0.2–1.0 | 120–150 |
Nimonic 80A加工部品の表面処理
熱間静水圧プレス（HIP）
HIP は、鋳造またはAM（積層造形）部品の内部気孔を除去することで、疲労寿命と寸法安定性を向上させます。
熱処理
熱処理 は、ガンマプライム相を安定化させ、高応力・高温条件に適した機械特性へ最適化します。
超合金溶接
適合フィラー材を用いた超合金溶接 により、圧力境界の接合部やアセンブリでの健全性を確保します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティング は、900°Cを超える条件で作動するタービンおよび排気部品を保護します。
放電加工（EDM）
EDM は、残留応力を導入することなく、熱処理面に対して10 µm未満の公差を実現します。
深穴加工
深穴加工 は、L/D > 20:1のボルト、ばね、燃料ラインなどの内部形状加工に用いられます。
材料試験および分析
材料試験 には、引張試験、クリープ寿命、組織検証、超音波検査または浸透探傷検査が含まれます。
Nimonic 80A部品の産業用途
航空宇宙用タービンシステム
熱サイクル環境で使用されるタービンブレード、燃焼部品、シール、ノズルベーン。
原子力および発電
長期的な機械特性と耐クリープ安定性が求められる原子炉のバルブスピンドル、制御棒、ガイドスリーブ。
自動車用ターボチャージャーシステム
熱的・機械的負荷が変動する環境にさらされるばね、ブラケット、ハウジング。
工業炉および熱処理
最大1000°Cまでの酸化性または浸炭性雰囲気に曝されるレトルト、ハンガー、グレート。
