ニッケル基合金の概要

2025,09,30

ニッケル基合金は、高い強度と、650 ～ 1000℃の高温での酸化や腐食に対する一定の耐性を備えた合金の一種です。ニッケル基合金は、その主な特性に基づいて、耐熱性ニッケル基合金、耐食性ニッケル基合金、耐摩耗性ニッケル基合金、精密ニッケル基合金、形状記憶ニッケル基合金にさらに分類できます。高温合金は母材の材質により鉄基高温合金、ニッケル基高温合金、コバルト基高温合金に分類されます。ニッケル基高温合金は、通常、単にニッケル基合金と呼ばれます。

起源と発展

ニッケル基合金の研究開発は 1930 年代後半に始まりました。英国は 1941 年に初めてナイモニック 75 (Ni-20Cr-0.4Ti) を製造しました。クリープ強度を向上させるためにアルミニウムが添加され、ニッケル基合金ナイモニック 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) が誕生しました。 1940年代半ばには米国、1940年代後半にはソ連、1950年代半ばには中国も相次いでニッケル基合金を開発した。ニッケル基合金の開発には、合金組成の改善と生産技術の革新という 2 つの側面が含まれます。たとえば、1950 年代初頭の真空溶解技術の開発により、アルミニウムとチタンの含有量が高いニッケル基合金を精製する条件が生み出され、強度と動作温度が大幅に向上しました。 1950 年代後半、タービンブレードの動作温度の上昇により、合金の高温強度に対する要求が高まりました。しかし、強度が高いと変形が困難または不可能になるため、精密鋳造技術を使用して良好な高温強度を備えた一連の鋳造合金が開発されました。 1960 年代半ばには、一方向凝固および単結晶高温合金、および粉末冶金高温合金の性能が向上しました。船舶および産業用ガスタービンのニーズを満たすために、1960 年代以来、優れた高温耐食性と安定した微細構造を備えた一連の高クロムニッケルベース合金が開発されてきました。 1940 年代初頭から 1970 年代後半までの約 40 年間に、ニッケル基合金の動作温度は 700℃ から 1100℃ まで上昇し、年間平均約 10℃ 上昇しました。現在、ニッケル基合金の使用温度は 1100℃を超えています。当初は単純なニモニック 75 合金から、最近開発された MA6000 合金は、引張強さ 2220 MPa、1100 °C での降伏強さ 192 MPa を誇り、1100 °C/137 MPa でのクリープ強度は約 1000 時間であり、航空機エンジンのブレードに適しています。

ニッケル基合金におけるさまざまな金属の役割

特定のニッケル基合金の場合、濃度、温度、換気、液体（ガス）流量、不純物、摩耗、循環プロセス条件など、特定の環境に多数の変数が存在します。これらの変数は、さまざまな腐食の問題を引き起こす可能性があります。ニッケルおよびその他の合金元素は、これらの問題に対処できます。金属ニッケルは、融点に達するまでオーステナイトの面心立方構造を維持します。これにより、延性と脆性の移行が自由になり、他の金属の共存によって引き起こされる製造上の問題が大幅に軽減されます。電気化学的シーケンスでは、ニッケルは鉄よりも不活性ですが、銅よりも反応性が高くなります。したがって、還元環境では、ニッケルは鉄よりも耐食性が高くなりますが、銅よりも耐食性が劣ります。ニッケルにクロムを添加すると合金に耐酸化性が付与され、その結果、還元環境と酸化環境の両方に対して優れた耐食性を備えたさまざまな合金が得られます。ステンレス鋼や他の鉄基合金と比較して、ニッケル基合金は、良好な冶金学的安定性を維持しながら、固溶体状態で幅広い種類の合金元素を収容できます。これらの特性により、ニッケル基合金にさまざまな合金元素を添加できるため、さまざまな腐食環境での幅広い用途が可能になります。

ニッケル基合金の一般的な元素には次のものがあります。

ニッケル (Ni): 冶金的安定性を提供し、熱安定性と溶接性を改善し、還元酸および苛性ソーダに対する耐性を強化し、特に塩化物および苛性ソーダ環境における応力腐食割れに対する耐性を向上させます。

クロム（Cr）：耐酸化性、耐高温酸化性、耐硫化性、耐孔食性、耐すきま腐食性を向上させます。

モリブデン (Mo): 還元酸腐食に対する耐性を向上させ、塩化物を含む水溶液中での孔食および隙間腐食に対する耐性を強化し、高温強度を高めます。

鉄（Fe）：耐高温浸炭性を向上させ、合金コストを削減し、熱膨張を制御します。銅（Cu）：還元酸腐食（特に硫酸）に対する耐性が向上します。

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