Nimonic 901
Nimonic 901の概要
Nimonic 901は、ニッケル・鉄・クロム系の析出硬化型超耐熱合金であり、最大650°Cの環境下で高強度と耐食性を発揮することで知られています。他の多くのNimonicグレードと異なり、鉄を多く（約40%）含有するため、コスト面で有利で加工性にも優れつつ、優れた熱疲労特性および耐クリープ性を維持します。ジェットエンジン部品、ガスタービン、ならびに周期的な熱負荷・機械負荷下で高い強度と安定性が求められる原子力用途で広く使用されています。
最終用途が高信頼性を要求するため、Nimonic 901部品は、厳密な公差を満たし機械的健全性を確保する目的で、CNC加工サービスによって製造されることが一般的です。CNC加工は、航空宇宙構造部品や電力システム部品に不可欠な精度、再現性、表面品質の制御を提供します。
Nimonic 901の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic 901（UNS N09901 / W.Nr. 2.4662）は、時効熱処理およびγ′析出硬化により、高い降伏強さ、優れた疲労特性、ならびに寸法安定性を発揮するよう設計されています。
化学成分（代表値）
元素 | 含有量範囲（質量%） | 主な役割 |
|---|---|---|
ニッケル（Ni） | 40.0–45.0 | 母相；耐食性および耐酸化性を向上 |
鉄（Fe） | 35.0–45.0 | コスト効率の高い合金化；強度と加工性のバランスを最適化 |
クロム（Cr） | 11.0–14.0 | 高温下での耐酸化性を付与 |
モリブデン（Mo） | 5.0–6.5 | 固溶強化および耐クリープ性向上 |
チタン（Ti） | 2.8–3.3 | γ′相（Ni₃Ti）による析出強化 |
アルミニウム（Al） | ≤0.35 | 析出硬化に寄与 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工性を向上 |
ケイ素（Si） | ≤1.0 | 耐酸化性の補助 |
炭素（C） | ≤0.10 | 炭化物形成により高温クリープ強度を向上 |
ホウ素（B） | ≤0.01 | 粒界強度を向上 |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.06 | 粒界の延性および靭性を改善 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.14 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1320–1380°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 13.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.15 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.5 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 | 208 GPa（20°C） | ASTM E111 |
機械的特性（溶体化処理＋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%） | 690–860 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥20% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 220–250 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 650°C・1000時間で190 MPa | ASTM E139 |
疲労特性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic 901の主な特長
高温下での高い降伏強さ 最大650°Cの使用温度域でも690 MPa超の降伏強さを維持し、ジェットエンジンやガスタービンにおける荷重支持能力を確保します。
優れた溶接性および製作性 鉄含有量により被削性が向上し、ホットクラックを伴わない信頼性の高い溶接を可能にします。
γ′相による析出硬化 チタンに富むNi₃Ti析出物が、長期負荷下でのクリープおよび疲労耐性を大幅に向上させます。
耐酸化性および耐食性 連続的なCr₂O₃酸化皮膜を形成し、高温の酸化環境および軽度の腐食環境下で保護機能を発揮します。
寸法安定性 低い熱膨張と高い構造健全性により、熱サイクル下でも複雑形状・厳公差のCNC加工部品に適しています。
Nimonic 901のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
中程度の加工硬化
不適切な送り条件や摩耗した工具は表面硬化を引き起こし、工具寿命を低下させます。
炭化物の生成
MoおよびTiに富む析出物が研磨性の相として作用し、未コート超硬工具ではフランク摩耗を加速します。
熱制御
熱伝導率が低いため、熱の蓄積を抑えるには効果的な切りくず排出とクーラント流量の確保が必要です。
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 | 超硬（K30）、仕上げではセラミックインサート | 高い切削温度に耐える |
コーティング | AlTiNまたはTiSiNのPVD（3–5 µm） | 高温下での摩耗および摩擦を低減 |
形状 | 正のすくい角（6–8°）、ホーニング刃先（約0.05 mm） | 加工硬化を抑制し、表面品位を向上 |
切削条件（ISO 3685準拠）
加工工程 | 切削速度（m/min） | 送り（mm/rev） | 切込み量（mm） | クーラント圧（bar） |
|---|---|---|---|---|
荒加工 | 15–25 | 0.15–0.25 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 30–40 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Nimonic 901加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部ポロシティを除去し、機械特性の均一性を高めることで、疲労性能を20%以上向上させます。
熱処理
熱処理は、約1080°Cでの溶体化処理の後、760°Cで時効処理を行い、γ′強化相を十分に発達させます。
超耐熱合金溶接
超耐熱合金溶接では、同等組成の溶加材（ERNiFeCr-1）を使用し、母材強度の90%以上を保持する溶接継手を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは、表面の運転温度を最大200°C低減し、タービン部品の寿命を延長します。
放電加工（EDM）
EDMは、硬化域の複雑な穴形状や小さなコーナーRに対して、±0.005 mmの寸法公差を実現します。
深穴加工
深穴加工は、Ra <1.6 µm、真直度偏差<0.3 mm/m、L/D比>30:1を達成します。
材料試験および解析
材料試験には、高温引張、クリープ、SEM、超音波検査が含まれ、ASMEおよび航空宇宙規格に準拠します。
Nimonic 901部品の産業用途
航空宇宙エンジン：周期的な熱応力下で使用されるコンプレッサーディスク、タービン用ファスナー、エンジンケーシング。
発電分野：寸法安定性と耐疲労性が求められる高効率発電所向けのタービンブレードおよびベーン。
原子炉：放射線および熱負荷に曝される高温ボルトおよび圧力容器部品。
産業用加熱設備：高温連続運転向けの炉部品、治具、支持構造。
自動車用ターボシステム：熱サイクルを受ける高性能エンジン向けのバルブガイド、シール、ブラケット。
