Nimonic PE16
Nimonic PE16の概要
Nimonic PE16は、高温域で卓越した強度と耐酸化性を発揮するよう設計された高性能ニッケル基超耐熱合金です。主に航空宇宙、ガスタービン、発電分野の過酷な用途で使用され、部品が極端な熱的・機械的応力にさらされる環境に適しています。Nimonic PE16は優れた耐クリープ性、疲労強度、ならびに溶接性を備えており、重要なエンジンおよびタービン部品に適用可能です。
高応力部品の製造には高い精度が求められるため、Nimonic PE16から厳公差部品を製作する際にはCNC加工サービスが用いられます。CNC加工により、複雑形状の実現と、航空宇宙および発電業界が要求する厳格な性能基準への適合が可能になります。
Nimonic PE16の化学的・物理的・機械的特性
Nimonic PE16（UNS N07016 / W.Nr. 2.4955）は、高温環境下で優れた強度と耐酸化性を発揮するよう設計されており、強度と成形性の両立を可能にするバランスの取れた組成を備えています。
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） | 45.0–50.0 | 母相；耐食性と高温での安定性を付与 |
クロム（Cr） | 13.0–15.0 | 安定したCr₂O₃酸化皮膜を形成し耐酸化性を向上 |
コバルト（Co） | 10.0–12.0 | 強度および熱疲労耐性を向上 |
モリブデン（Mo） | 2.5–3.5 | 固溶強化により強度を高め、耐クリープ性を向上 |
チタン（Ti） | 3.0–4.0 | γ′相の生成を促進し、析出硬化を向上 |
アルミニウム（Al） | 1.0–2.0 | γ′相形成に寄与し強度を向上 |
鉄（Fe） | ≤2.0 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.08 | 炭化物を形成し高温強度と耐摩耗性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤1.0 | 熱間加工性を向上 |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 高温下での耐酸化性を向上 |
ホウ素（B） | ≤0.005 | 粒界を強化し耐クリープ性を向上 |
ジルコニウム（Zr） | ≤0.05 | 高温でのクリープ破断強度を向上 |
物理的特性
特性 | 代表値 | 試験規格／条件 |
|---|---|---|
密度 | 8.3 g/cm³ | ASTM B311 |
融点範囲 | 1330–1370°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 14.0 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.1 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 13.8 µm/m·°C（20–1000°C） | ASTM E228 |
比熱容量 | 450 J/kg·K（20°C） | ASTM E1269 |
縦弾性係数 | 210 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 | 1000–1100 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 700–850 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 | 800°C・1000時間で200 MPa | ASTM E139 |
疲労特性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Nimonic PE16の主な特長
高温強度 Nimonic PE16は最大800°Cでも引張強さ1000 MPa超を維持し、高い熱負荷を受ける重要部品に適しています。
耐酸化性および耐食性 クロムとアルミニウムにより保護酸化皮膜の形成能力が高まり、最大1050°Cまで優れた耐酸化性を発揮します。
析出硬化 熱処理により形成されるγ′相が合金の強度と耐クリープ性を高め、とくに高応力条件下で効果を発揮します。
耐熱疲労性 熱サイクルに対して構造健全性を維持し、温度変動下での割れや変形に抵抗します。
溶接性 強度低下を最小限に抑えて溶接できるため、複雑形状や補修が必要な用途に最適です。
Nimonic PE16のCNC加工における課題と対策
加工上の課題
工具摩耗および刃先欠け
高い硬さと固溶強化相の存在により、工具摩耗が急速に進行し刃先欠けが発生しやすくなります。
発熱
Nimonic PE16は熱伝導性が低く切削域温度が上昇しやすいため、熱変形や表面劣化のリスクが高まります。
加工硬化
中程度の加工硬化特性により加工中に表面硬化が起こりやすく、慎重な工具管理が必要です。
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（K20–K30）、仕上げではCBNインサート | 高い切削温度下でも硬さを維持 |
コーティング | AlTiNまたはTiSiNのPVD（3–5 µm） | 工具界面での摩擦と熱の蓄積を低減 |
形状 | 正のすくい角（6–8°）、ホーニング刃先（約0.05 mm） | 切削抵抗と表面の加工硬化を最小化 |
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 | 12–20 | 0.10–0.20 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 25–35 | 0.05–0.10 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Nimonic PE16加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは内部のポロシティを除去し、Nimonic PE16の疲労強度を25%以上向上させます。特にタービン部品に有効です。
熱処理
熱処理では、約1050°Cで溶体化処理を行い、その後800°Cで時効処理を行って、耐クリープ性を高める最適なγ′相形成を確保します。
超耐熱合金溶接
超耐熱合金溶接は、同等組成の溶加材を使用し、熱影響部でも機械特性の低下を最小限に抑えた高強度・無割れの接合を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは表面温度を最大200°C低減し、高い熱負荷下での部品寿命を延長することでタービンブレードの性能を向上させます。
放電加工（EDM）
EDMは、冷却チャネルや微細形状を高精度で加工でき、公差は±0.005 mmまで対応可能です。
深穴加工
深穴加工は、真直度偏差0.3 mm/m未満の深く高精度な冷却通路を形成するために不可欠です。
材料試験および解析
材料試験には、クリープ、疲労、引張、X線回折（XRD）試験が含まれ、業界標準に対する材料性能を確認します。
Nimonic PE16部品の産業用途
航空宇宙エンジン：周期的な熱・機械応力に曝される高性能タービンブレード、コンプレッサーディスク、燃焼器ライナー。
発電分野：陸上および海上発電設備で使用されるガスタービンブレード、ノズル、ベーン。
原子炉：高い放射線および熱応力に曝される圧力容器および熱交換器の重要部品。
自動車レース用エンジン：高性能車両向けのターボチャージャー部品、排気システム、耐熱シール。
産業用熱処理設備：伸縮ベローズやシールを含む高温炉部品および治具。
