Nimonic 90
Nimonic 90の概要
Nimonic 90は、主にニッケル、クロム、チタンから構成される高性能ニッケル基超合金で、優れた強度、耐酸化性、長期的な熱安定性を目的に設計されています。使用温度範囲は最大950°Cに及び、ガスタービン、発電、航空宇宙用途など、高い機械的応力および腐食環境にさらされる部品に特に適しています。本合金は、アルミニウム、チタン、モリブデンなどの合金元素の独自の組み合わせにより、高温域で優れた耐クリープ性と耐酸化性を発揮します。
優れた機械特性を有するため、Nimonic 90は航空宇宙、発電、原子力産業の厳しい要求を満たす目的で、CNC加工サービスを通じて加工されることが一般的です。この加工方法は、タービンブレード、燃焼室、その他の重要部品で要求される厳しい公差を実現するのに最適です。さらに、CNC加工により、極限環境下で使用される部品に高い精度を確保し、構造健全性と長期的な性能を提供します。
Nimonic 90の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 90（UNS N07090 / W.Nr. 2.4632 / AMS 5586）は、γ′（ガンマプライム）析出物の形成によって強化される析出硬化型超合金です。これにより、特に高温への長時間曝露を伴う用途で、合金の強度、耐クリープ性、熱安定性が向上します。
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（≥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・溶接時の高温割れを防ぐため管理 |
物理特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.65 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1340–1390°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 12.5 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.15 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
線膨張係数 | 13.5 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 445 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 | 1050–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 760–840 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥15% | ASTM E8/E8M |
硬度 | 230–260 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 850°Cで250 MPa（1000時間） | ASTM E139 |
疲労耐性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic 90の主な特長
高温強度の保持：850°Cでも引張強さ>1050 MPa、耐力>760 MPaを維持し、タービンエンジンなど高温システムで信頼性の高い性能を提供します。
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250 MPaを示し、航空宇宙および発電設備部品の長期安定性を確保します。
耐酸化性：最大950°Cまで酸化に強く、安定したCr₂O₃酸化皮膜を形成して、高温環境での質量減少や表面劣化を最小化します。
熱疲労耐久性：線膨張係数13.5 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′析出物とMo富化炭化物の双方により強化され、高い機械・熱応力を受ける回転部品やファスナーにおける耐クリープ性・疲労耐性を向上させます。
Nimonic 90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
ガンマプライム相などの硬質相により、特に未コーティング超硬工具では工具摩耗が急速に進行します。
放熱性の悪さ
Nimonic 90は熱伝導率が低く、切削域温度が高くなりやすいため、寸法ドリフトや熱割れの原因となります。
加工硬化
加工中に急速に加工硬化するため、表面品位と寸法精度を維持するには、適切な切削条件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 | 10–15 | 0.15–0.25 | 1.5–2.5 | 100–120 |
仕上げ加工 | 25–40 | 0.05–0.10 | 0.3–1.0 | 120–150 |
Nimonic 90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 90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。
