Nimonic 86
Nimonic 86の概要
Nimonic 86は、高強度のニッケル–クロム–コバルト系超合金で、極限の高温環境において卓越した機械的安定性、耐クリープ性、耐酸化保護を発揮するよう設計されています。モリブデンとアルミニウムを多量に含有し、固溶強化と析出強化の両機構によって強化効果を高めています。最高950°Cまでの使用温度域に最適化されており、タービンブレード、燃焼室、高荷重ボルト締結システムに非常に適しています。Nimonic 86は、航空宇宙、発電、原子力産業の厳しい要求に対応するため、CNC加工サービスを通じて加工されることが多い材料です。
熱疲労および酸化に対する抵抗性で知られるNimonic 86は、通常は鍛造で加工され、航空宇宙、発電、原子力分野で求められる厳格な寸法公差を満たすために、CNC加工によって精密仕上げが行われます。
Nimonic 86の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 86（UNS N07086 / W.Nr. 2.4972 / AMS 5854）は、γ′（ガンマプライム）相とモリブデン富化相の組み合わせにより、優れた高温性能と熱安定性を示す析出強化型合金です。
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（≥55.0） | 熱安定性と母材マトリックス強度を付与 |
クロム（Cr） | 19.0–22.0 | 耐酸化性および高温腐食抵抗を向上 |
コバルト（Co） | 15.0–20.0 | 耐クリープ性および疲労耐性を向上 |
モリブデン（Mo） | 4.0–6.0 | 固溶強化および炭化物形成 |
チタン（Ti） | 2.0–2.6 | Ni₃Tiのγ′析出物を形成 |
アルミニウム（Al） | 1.0–1.5 | 高温強度のためγ′相硬化を促進 |
鉄（Fe） | ≤2.0 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.10 | 炭化物析出により耐クリープ性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工特性を改善 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 耐酸化性を補助 |
硫黄（S） | ≤0.015 | 加工および溶接時の高温割れ防止のため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.35 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 11.0 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 | 13.4 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 | 1050–1180 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 730–800 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥18% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 230–260 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 850°Cで220 MPa（1000時間） | ASTM E139 |
疲労耐性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic 86の主な特長
高温強度の保持：850°Cでも引張強さ>1050 MPa、耐力>730 MPaを維持し、ガスタービンや発電設備部品での長時間運転を可能にします。
長期耐クリープ性：ASTM E139に基づき、850°Cで1000時間のクリープ破断強度220 MPaを示し、高温で持続荷重を受ける構造部品に最適です。
1000°Cまでの耐酸化性：Cr約20%とCo 15–20%により、安定で密着性の高いCr₂O₃酸化皮膜を形成し、1000°Cの繰返し酸化試験での質量減少を<0.3 mg/cm²に低減します。
熱疲労耐久性：線膨張係数13.4 µm/m·°Cと低く、加熱・冷却を繰り返す部品での応力蓄積を低減します。
構造安定性の向上：γ′（Ni₃Al、Ni₃Ti）とMo富化炭化物による二相強化により、粒界すべりに対する抵抗が増し、疲労を受ける回転部品やファスナーに重要な性能を提供します。
Nimonic 86のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
高硬度・高い研磨性
ガンマプライム相およびMo富化相により、未コーティング超硬工具の逃げ面摩耗やクレータ摩耗が加速します。
放熱性の悪さ
低い熱伝導率により切削域で温度が上昇し、熱膨張や寸法ドリフトの原因となります。
加工硬化
加工中に表面が急速に硬化するため、公差維持には高い剛性と鋭利な工具が必要です。
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（K30）、仕上げはCBNインサート | 高温域での耐摩耗性 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiN（3–5 µm PVD） | 熱と凝着（ガリング）から保護 |
形状 | 正すくい角、ホーニング刃（約0.05 mm） | 切削抵抗と振動を低減 |
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 | 10–16 | 0.20–0.30 | 1.5–2.5 | 100–120 |
仕上げ加工 | 25–40 | 0.05–0.10 | 0.3–1.0 | 120–150 |
Nimonic 86加工部品の表面処理
熱間静水圧プレス（HIP）
HIP は、疲労強度を20%以上向上させ、内部ポロシティを除去します。代表的な処理条件は1100°C、100–150 MPaで2–4時間であり、構造部品の100%緻密化を確保します。
熱処理
熱処理 は、約1120°Cでの固溶化焼なましの後、850–870°Cで時効処理を行い、γ′析出を最大化します。このプロセスにより、長期使用における耐クリープ性と寸法安定性が向上します。
超合金溶接
超合金溶接 は、適合フィラーメタル（例：ERNiCrCoMo-1）を用いることで、母材の90%以上の溶接強度と、圧力保持接合部における割れの最小化を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティング は、APSまたはEB-PVD法により、100–300 µmのイットリア安定化ジルコニア（YSZ）層を形成し、タービン部品の基材温度を最大200°C低減します。
放電加工（EDM）
EDM は、熱応力を導入せずに硬化部で±0.005 mmの公差を実現でき、冷却孔や薄肉構造に最適です。
深穴加工
深穴加工 は、L/D比>30:1での加工において、直進度<0.3 mm/mおよびRa<1.6 µmを確保し、高温ハードウェアの冷却流路に適しています。
材料試験および分析
材料試験 には、850°C/1000hでのクリープ破断評価、XRD相解析、SEMによる組織観察、ASME規格に準拠した超音波探傷が含まれます。
Nimonic 86部品の産業用途
航空宇宙用タービンエンジン：極限の熱・機械応力を受けるタービンブレード、ベーン、ディスク部品。
発電：ガスタービンおよび高効率排熱回収システムにおける燃焼器、トランジションダクト、構造用ボルト。
原子力エネルギーシステム：高放射線・高圧の原子炉環境で使用されるばね、バルブ内部品、スペーサー。
自動車向け高性能システム：耐酸化性と疲労耐性が求められる排気ブラケット、ターボ部品、遮熱シールド。
産業用加熱設備：最大1000°Cまでの温度に曝されるレトルト、ラジアントチューブ、熱処理治具。
