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金属ファミリーの中には、スーパーマテリアルまたは超合金として知られる材料がある。これらの材料は通常、高度な特性を備えている。例えば、より高い温度や特定の応力下でも物理的特性を維持することができます。
素材の世界における超合金の最良の例のひとつが、ニッケル基超合金である。この合金は、鉄やコバルト基超合金などの他の材料や超合金よりも優れた卓越した特性を持っています。耐高温性に加え、これらのニッケル合金は高腐食や過酷な使用条件にも耐えることができます。
しかし、なぜニッケル基合金が超 合金と呼ばれるのかについて、しばしば説明を 求められることがあります。その答えは、単にニッケル合金の顕著な特性にあります。それでも、この記事は、この質問に関する明確な概念を構築するのに役立ちます。
それでは、早速記事に飛び込もう！
ニッケル基合金とは？
その名の通り、ニッケル基合金は主にニッケルとその他の合金で構成されている。高い耐食性と優れた高温強度で有名です。さらに、これらの合金は、疲労、クリープ、引張強さに耐えることができます。上記の特徴から、通常ニッケル基超合金と呼ばれています。
さらに、タービン、熱交換器、航空エンジンの用途に最適とされている。
ソースYoutube
ニッケル基超合金の製造と加工
ニッケル超合金の製造と加工は通常、その組成に依存する。しかし、組成は使用される材料の量に依存する。一般に、ニッケル基超合金を形成するために は、2種類から最大10種類の合金元素を使用す ることができる。これらの元素は超合金の全重量のほぼ半分を占める。
通常、ニッケルがアルミニウムやチタンなどの溶質と結合すると、ガンマプライムとガンマからなる平衡微細構造が形成される。これにより、高温下での超合金の強度が確保されます。
ニッケル超合金は、粉末、鋳造、鍛造など様々な方法で製造することができる。これらの超合金は、析出強化や固溶化処理によって材料強度を吸収する。固溶体強化には、クロム、モリブデン、コバルト、ニオブ、鉄、タングステン、タンタルが一般的に使用される。
ニッケル基超合金の特徴とは？
以下は、超合金とニッケル合金の両方に当てはまる特徴です。これが、これらの合金が超合金とみなされる理由です。詳しく見てみましょう！
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高耐熱性
通常、金属は高温にさらされると強度が低下する。しかし、ニッケル超合金は高温に耐える力を持っており、現在最も広く使われている超合金となっている。その理由は、ニッケルが室温からニッケル溶解温度まで同じ構造（面心立方）を維持できるからである。超合金固有の熱保護が、材料の完全性を維持する。
一般的に、高熱に耐えられるかどうかは、ニッケル基合金に混合される様々なニッケル組成に依存する。例えば、インコネル718ニッケル合金は、55%のニッケル、6%の鉄、21%のクロム、およびわずかな割合のマンガン、炭素、銅で構成されています。高温に対する優れた耐久性と、酸化や腐食に対する保護を提供します。また、ニッケル合金のデュラニッケルは、94%以上のニッケル含有量を持っています。316℃までの優れたバネ特性を持ち、熱処理を施すとより頑丈になります。
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卓越した強さ
外部荷重は、材料の変形を伴わずに加えられる材料の強度を決定する。ニッケル基超合金は、700MPaを超える引張強さと275MPaの降伏強さを示すことができる。 最も一般的に、これらの合金は650～1000℃の極端な温度でも高い強度を示すことができる。
驚くべきことに、ニッケル基超合金の中には、ダイヤモンドの強度を上回る1125MPaの降伏強度を示すものもある。間違いなく、このような並外れた強度は超合金にしか期待できない。
ディスクとタービンの用途では、この超合金の相はニオブまたはバナジウムを含んでいる。この相を使用することで、メーカーは効率的に材料の強度を高めることができる。
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耐食性
海洋や化学のような環境では、腐食や酸化が比較的早く発生し、金属機械に悪影響を与えます。幸いなことに、ニッケル合金は腐食性の強い複雑な酸性環境に対して優れた耐性を有しており、これもまた超合金の優れた特徴の一つである。このような環境での腐食に耐えるために、これらの合金は主に10種類までの合金元素を含んでいます。
さらに、ニッケル元素自体は、苛性アルカリ腐食やClイオンの応力腐食に対して優れた耐性を持つ。しかし、ニッケル基合金に不動態化元素を添加すると、基質相と固溶体を形成し、材料の腐食電位と熱力学的安定性を高めるのに役立ちます。例えば、銅(Cu)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)を添加することで、合金の耐食性を高めることができます。
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加工性
技術者は、機械加工が容易な材料を探す必要がある。この点で、ニッケル基合金は降伏強度、せん断応力、高温に対する耐性に優れている。その結果、溶接性の点で他の金属を凌駕しています。
市場で入手可能なニッケル基合金の有名な例をいくつか挙げると、以下の通りである：
- 化学工業用合金：インコネル、モネル、インコロイ。
- 電気抵抗合金用：インコロイ800、レジストーム、ブライトレー。
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過酷な作業環境に強い
ニッケル合金は、航空宇宙ガス室、酸性環境、原子力構造部品、石油、海洋産業などの過酷な使用条件に耐えることができます。さらに、化学的安定性が高いため、水、温風、特定の水溶液の影響を受けません。
つまり、超合金製造は、高圧、高温、腐食性の条件に効果的に耐えることができる。
一般的に使用されるニッケル基合金の種類
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ニッケル基合金の種類 |
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種類 |
定義 | アプリケーション |
例 |
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ニッケル鉄合金 |
ニッケルに若干の鉄を混ぜたニッケル鉄合金は、過酷な条件下でも非常に低い熱膨張を示す。 | 精密測定機器
サーモスタット・ロッド トランスフォーマー メモリー記憶装置 インダクタ |
インバー 36
インバー 42 |
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ニッケル銅合金 |
ニッケル銅合金は銅を構成する材料であるため耐食性に優れ、磁性を持たないため様々な用途に応用できる。 | マリン・アプリケーション
配管システム 海水バルブ ポンプシャフト |
モネル400
モネルR405 モネルK500
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ニッケルクロム合金 |
ニッケル・クロム合金は、高温強度、優れた電気抵抗、あらゆる温度での優れた耐食性を特徴とする。 | 電気抵抗ヒーター
トースター その他の発熱体 |
ルネ 41
Ni70Cr30 |
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ニッケルチタン合金 |
ニッケルチタン合金は、その形状抵抗性で有名です。部品の元の形状を変形させるとき、それは最初の形状を記憶し、必要なときにいつでも元の形状に変換することができます。 | 圧力容器
配管製品 ポンプとバルブ 熱交換器 バルブ |
合金B-2 |
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ニッケルモリブデン合金 |
ニッケルモリブデン合金のモリブデンの存在は、硫酸、塩酸、リン酸のような還元性酸に対する高い耐薬品性を保証する。 | 建設用ショックアブソーバー | ニチノール |
ニッケル基超合金の用途
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航空宇宙
船舶や産業用ガスタービンの製造には、耐熱腐食性に優れ、安定した組織を持つ高Crニッケル基合金が最適とされている。特に航空機は、過酷な条件下で多くの仕様が要求される複雑な機械です。航空宇宙エンジニアは、過酷な環境条件に耐えうる部品を設計するために、主にニッケル基合金に依存しています。これらの合金は、安全な使用を保証するために極端な気象条件に耐える能力を持っています。
ガスタービンは航空宇宙産業で最も優れた用途のひとつである。タービンは、風力タービンのように回転し、動力源を使って発電するファンである。加圧されたガスは、タービンを回転させるのに必要なエネルギーを発生させる。
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燃焼室
燃焼室の材料は、比較的低い強度が要求される。しかし、1100℃以上の使用温度まで強度を維持しなければならない。さらに、耐酸化性、耐熱疲労性、耐座屈性は最も重要なニーズである。
加工をより容易にするために、材料は優れた成形性と溶接性も備えていなければなりません。そのため、燃焼室にはニッケル基超合金が最適なのです。
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タービンブレード
タービンブレードの翼形部には、650～980℃の温度範囲と138MPaの圧力がかかる。760 °Cでは、ディスクに取り付けられたブレードルートは、高温ガス経路の外側で276～552MPaの引張応力を受けます。このため、タービン材料にはクリープ変形に耐えるだけの延性が求められます。そのため、機械的特性を長期間維持できるニッケル基合金がタービンブレードの製造に使用されています。
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蒸気タービン
ニッケル基超合金は蒸気タービンのディスクに使用される。タービンディスクは、ハブ運転温度での破裂防止のため、高いクリープ強度と引張強度を必要とします。蒸気タービンディスクの作動温度は最高760℃です。この温度は、ブレードが取り付けられている外周リムでのみ発生します。その上、遠心荷重による運転応力はリムで高い。この応力は回転部品の中心に向かって高くなり、483MPaを超える。
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原子力応用
高温と高水準の腐食は原子力発電所の環境を特徴づける。制御棒、炉心、およびその他の部品は、ニッケル基合金を使用して製造されています。その結果、原子力産業はこの超合金から大きな利益を得ることができる。
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エンジン部品
超合金は耐熱性に優れているため、熱交換器のような熱を発生する用途に最適である。これは、エンジン部品の製造に超合金が使用されているためである。さらに、飛行機や航空宇宙機器の付属品にもNi基超合金が使用されている。
結論
なぜニッケル基合金は超合金なのか？超合金の優れた特徴と用途が、超合金を完璧な超合金にしているのです。一言で言えば、ニッケル基超合金は、耐熱性、耐食性、耐 強度が要求される用途に使用できます。これらの合金を製品の製造材料として使用することは、製品に実に良い影響を与えます。
