Nimonic 81
Nimonic 81の概要
Nimonic 81は、アルミニウムとチタンで強化された高強度のニッケル–クロム系超合金で、過酷な高温環境において優れた機械的強度、耐クリープ性、表面安定性を発揮するよう設計されています。析出硬化型であり、高温下での長期使用が求められる用途に最適化されているため、航空宇宙、原子力、発電分野の部品に適しています。
最大870°Cまでの使用能力を備え、優れた熱疲労特性と高い耐酸化性を両立します。一般に固溶化焼なまし＋時効処理の状態で供給され、CNC加工によって、タービンブレード、構造用ファスナー、ばね、さらに厳しい寸法公差と優れた表面仕上げが要求される高精度部品の製造に用いられます。
Nimonic 81の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 81（UNS N07081 / W.Nr. 2.4635 / ISO 15156-3）は、γ′（ガンマプライム）相を有する析出強化型ニッケル合金であり、応力および熱曝露下での機械特性を向上させます。
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（≥70.0） | 高温での耐酸化性・耐クリープ性を担う基礎元素 |
クロム（Cr） | 19.0–22.0 | 耐食性およびスケール抵抗を向上 |
チタン（Ti） | 2.0–2.8 | 析出硬化のためのNi₃Ti γ′相を形成 |
アルミニウム（Al） | 1.0–1.5 | 熱疲労耐性のためγ′マトリックスを強化 |
炭素（C） | ≤0.08 | 炭化物形成により高温クリープ強度を向上 |
鉄（Fe） | ≤3.0 | 残留元素；強度を付与 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 高温加工性を補助 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 耐酸化性を向上 |
銅（Cu） | ≤0.2 | 熱脆化を低減するため制限 |
硫黄（S） | ≤0.015 | 溶接性および高温割れ抵抗のため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.15 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.2 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 | 430 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 | 1000–1150 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 700–800 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥18% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 220–250 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 750°Cで200 MPa（1000時間） | ASTM E139 |
熱疲労寿命 | 非常に優れる | ASTM E606 |
Nimonic 81の主な特長
高いクリープ強度：ガンマプライムによる強化機構により、最大870°Cでの長時間応力下でも機械的信頼性を確保します。
耐酸化性・耐スケール性：クロム富化マトリックスが安定したCr₂O₃皮膜を形成し、酸化雰囲気中で部品を保護します。
熱サイクル下での疲労耐性：数千回の熱サイクル後も、組織安定性と寸法精度を維持します。
良好な溶接性と加工性：管理された条件で溶接およびCNC加工が可能で、厳しい公差が要求される重要部品に適用できます。
Nimonic 81のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
高い加工硬化率
特に時効処理状態では、切削中に表面硬度が急速に上昇し、工具摩耗や部品公差のばらつきにつながります。
研磨性の炭化物粒子
炭化物およびγ′析出物が、未コーティングの超硬工具や高速度鋼（HSS）工具の摩耗を加速させます。
低い熱伝導率
切れ刃への熱蓄積により、乾式または冷却不足の加工では工具の熱軟化や刃先欠けが発生しやすくなります。
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 | 荒加工は超硬（K20–K30）、仕上げはCBN | 摩耗と熱負荷に耐える |
コーティング | AlCrNまたはTiSiN（3–5 µm PVD） | 酸化とBUE（構成刃先）の形成を低減 |
形状 | 正すくい角、ホーニング刃（0.05 mm） | 切削圧力と振動を最小化 |
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 | 10–18 | 0.20–0.25 | 1.5–2.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 30–45 | 0.05–0.10 | 0.3–1.0 | 120–150 |
Nimonic 81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）部品の微小空隙を除去することで、クリープ強度と組織の均一性を向上させます。
熱処理
熱処理 は、ガンマプライム析出を活性化し、高温疲労耐性を向上させます。
超合金溶接
超合金溶接 により、原子力および航空宇宙用ハードウェア向けに、強固で耐酸化性の高い接合を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティング は、タービンブレード、燃焼リング、ホットガス系ハードウェアに熱保護を付与します。
放電加工（EDM）
EDM は、冷却孔、ノッチ、シール面などの硬化部形状に対して高精度を確保します。
深穴加工
深穴加工 は、高い長さ／径比を持つ冷却流路やインジェクターチャネルの製造を支援します。
材料試験および分析
材料試験 には、微小硬さプロファイル、結晶粒度分析、応力破断試験、非破壊検査（NDT）が含まれます。
Nimonic 81部品の産業用途
航空エンジン部品
高温および繰返し応力に曝されるタービンディスク、ブレードルート、燃焼器の細部部品。
原子炉システム
中性子フラックスおよび高圧下で作動する燃料棒スペーサー、締結部品、ばね。
発電
700°Cを超える条件で使用されるファスナー、熱交換器サポート、タービンシール。
自動車用ターボチャージャーおよび排気系
疲労がクリティカルな領域向けに設計されたスプリングワッシャーおよび高荷重ブラケット。
