Rene 104
Rene 104の概要
Rene 104は、高温強度、耐酸化性、耐クリープ性に優れる高性能ニッケル基超耐熱合金です。主に航空宇宙および発電用途向けに設計されており、タービンブレード、コンプレッサーディスク、ガスタービン部品など、極端な機械的・熱的負荷を受ける部品に最適です。Rene 104は1000°Cを超える温度域でも優れた強度保持と寸法安定性を発揮し、高効率タービンやエンジン向けの信頼性の高い材料の一つとされています。
これらの用途は要求が非常に厳しいため、Rene 104から高精度部品を製作するにはCNC加工サービスが採用され、厳しい公差と最適な性能を確保します。CNC加工は、こうした重要部品に必要な再現性、精度、信頼性を提供します。
Rene 104の化学的・物理的・機械的特性
Rene 104（UNS N07040 / W.Nr. 2.4954）は、強度、耐酸化性、熱的安定性を最大化するために高度に最適化された組成を持つニッケル基超耐熱合金です。
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） | 残部（約50.0） | 母相；高温での耐酸化性と強度を付与 |
クロム（Cr） | 13.0–16.0 | 安定したCr₂O₃酸化皮膜を形成し、優れた耐酸化性を付与 |
コバルト（Co） | 8.5–10.0 | 強度を高め、熱疲労耐性を向上 |
モリブデン（Mo） | 2.5–3.5 | 高温下での耐クリープ性と強度を向上 |
チタン（Ti） | 2.0–2.5 | 強化相（γ′、γ″）を形成し機械特性を向上 |
アルミニウム（Al） | 1.0–2.0 | γ′相（Ni₃Al）による析出硬化に寄与 |
鉄（Fe） | ≤1.0 | 残留元素 |
炭素（C） | ≤0.08 | 炭化物形成により強度と耐摩耗性を向上 |
マンガン（Mn） | ≤0.5 | 熱間加工性を改善し、炭化物生成を抑制 |
ケイ素（Si） | ≤0.5 | 耐酸化性と高温安定性を向上 |
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 | クリープ破断強度と高温安定性を向上 |
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 | 1325–1375°C | ASTM E1268 |
熱伝導率 | 13.2 W/m·K（100°C） | ASTM E1225 |
電気抵抗率 | 1.13 µΩ·m（20°C） | ASTM B193 |
熱膨張係数 | 14.0 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 | 1000–1200 MPa | ASTM E8/E8M |
耐力（0.2%） | 800–950 MPa | ASTM E8/E8M |
伸び | ≥20% | ASTM E8/E8M |
硬さ | 240–270 HB | ASTM E10 |
クリープ破断強度 | 900°C・1000時間で210 MPa | ASTM E139 |
疲労特性 | 非常に優れる | ASTM E466 |
Rene 104の主な特長
高温強度および耐疲労性 Rene 104は高温域でも卓越した引張強さを維持し、最大900°Cでも1000 MPaを超える値を示すため、ガスタービンなどの高温用途に最適です。
析出強化 合金の強度は主としてγ′相およびγ″相に由来し、溶接性を損なうことなく高い引張・疲労強度を実現します。
耐酸化性および耐食性 クロム含有量により安定した保護酸化皮膜が形成され、最大1050°Cの環境でも高い耐酸化性を発揮します。
耐クリープ性 900°Cで200 MPaを超えるクリープ破断強度を持ち、長期の熱負荷下でも大きな変形を抑え、タービンブレード等の健全性を確保します。
良好な溶接性 Rene 104の化学組成は信頼性の高い溶接性を可能にし、ホットクラックが少なく、溶接部でも良好な強度保持が得られるため、新規製作および補修用途の両方に適しています。
Rene 104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、加工中の超硬工具の摩耗や刃先欠けが加速されます。
発熱
適切に制御しない場合、Rene 104の低い熱伝導性により切削域の温度が上昇し、工具劣化や寸法変形の原因となります。
加工硬化
本合金は加工中に顕著な加工硬化を示し、表面硬度が最大30%増加する可能性があります。
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 | 超硬（K20–K30）、仕上げではCBNインサート | 耐摩耗性と耐熱性が高い |
コーティング | AlTiNまたはTiSiNのPVD（3–5 µm） | 摩擦と発熱の蓄積を低減 |
形状 | 正のすくい角（6–8°）、シャープな刃先（約0.05 mm） | 切削抵抗と加工硬化を低減 |
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 | 0.10–0.20 | 2.0–3.0 | 100–120 |
仕上げ加工 | 30–40 | 0.05–0.08 | 0.3–0.8 | 120–150 |
Rene 104加工部品の表面処理
熱間等方圧加圧（HIP）
HIPは部品密度を高め内部空隙を除去し、タービン部品の疲労強度を25%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′相を最適化して耐クリープ性と耐疲労性を向上させます。
超耐熱合金溶接
超耐熱合金溶接は、熱影響部を含めて機械特性の低下を最小限に抑えつつ、強度が高く割れのない溶接を実現します。
遮熱コーティング（TBC）
TBCコーティングは表面温度を最大250°C低減し、タービンブレードおよびノズルの耐久性を大幅に向上させます。
放電加工（EDM）
EDMにより、厳しい公差が求められる複雑形状や冷却孔を形成でき、高性能部品に不可欠です。
深穴加工
深穴加工は、L/D比>30:1、同心度偏差<0.3 mm/mの精密な内部流路を確保します。
材料試験および解析
材料試験には、クリープ、引張、疲労試験が含まれ、高温での性能確認に加えて、γ′相分布を検証するための微細組織解析も実施されます。
Rene 104部品の産業用途
航空宇宙用タービンエンジン：周期的な熱・機械応力に曝されるタービンブレード、コンプレッサーディスク、シール。
発電分野：高効率発電所で稼働するブレード、ベーン、ノズルなどのガスタービン部品。
原子炉：熱応力および放射線応力に曝される圧力容器、炉心部品、制御棒。
自動車用ターボシステム：排気バルブ、ターボチャージャー部品、耐熱エンジン部品。
産業機器：高温炉部品、フランジ、バルブなど、優れた耐クリープ性が必要な部品。
