ニッケル基合金とは何ですか? この記事を読んですべてを理解してください！

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ニッケル基合金とは、高強度、650 ～ 1000 度の高温での酸化や腐食に対する一定の耐性など、総合的な特性を備えた合金の一種です。

主な特性に応じて、ニッケル基耐熱合金、ニッケル基耐食合金、ニッケル基耐摩耗合金、ニッケル基精密合金、ニッケル基形状記憶合金に分類されます。

高温合金は、基材の違いに応じて、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。 このうち、ニッケル基の高温用合金をニッケル基合金と呼ぶ。

ニッケル基合金の代表的な材料には次のようなものがあります。

1. Incoloy800 などのインコロイ合金、主成分は次のとおりです。 32Ni-21Cr-Ti、Al; それは耐熱合金です。

2. Inconel600 などのインコネル合金、主成分は次のとおりです。 73Ni-15Cr-Ti、Al; それは耐熱合金です。

3. ハステロイ合金、例えばハステロイ C-276、主成分は次のとおりです。 56Ni-16Cr-16Mo-4W; それは耐食性合金です。

4.モネル合金、つまりモネル400などのモネル合金、主成分は次のとおりです。 65Ni-34Cu; それは耐食性合金です。

主な合金元素

主な合金元素はクロム、タングステン、モリブデン、コバルト、アルミニウム、チタン、ホウ素、ジルコニウムなどです。このうちCr、Aiな​​どは主に酸化防止剤の役割を果たし、その他の元素は固溶強化、析出強化、その他の作用を持ちます。粒界強化。

強度が高く、650～1000度の高温でも酸化や腐食に対して一定の耐性を持っています。 十分に高い高温強度と酸化や腐食に対する耐性があるため、航空機エンジンのブレード、ロケットエンジン、原子炉、エネルギー変換装置の製造によく使用されます。 高温部品。

開発の歴史

ニッケル基高温合金（以下、ニッケル基合金）は、1930 年代後半に開発されました。 英国は 1941 年に初めてニッケル基合金 Nimonic 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、アルミニウムを添加してナイモニック 80 (Ni-20Cr-2.5Ti-1.3Al) が開発されました。 -1940 年代半ばの米国、1940 年代後半のソ連、-1950 年代半ばの中国もニッケル基合金を開発しました。 ニッケル基合金の開発には、合金組成の改良と製造プロセスの革新という2つの側面が含まれます。 1950 年代初頭、真空溶解技術の開発により、アルミニウムとチタンを多く含むニッケル基合金を精製する条件が整いました。 初期のニッケル基合金のほとんどは変形合金でした。 1950年代後半、タービンブレードの動作温度の上昇により、合金にはより高い高温強度が求められました。 ただし、合金の強度が高いと、変形するのが困難または不可能になります。 したがって、インベストメント鋳造技術を使用して、優れた性能を備えた一連の合金が開発されました。 高温強度鋳造合金。 -1960 年代中期には、より優れた特性を備えた方向性結晶化、単結晶超合金および粉末冶金超合金が開発されました。 船舶や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構造を備えた高クロムニッケル基合金が数多く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 年間で、ニッケル基合金の動作温度は 700 度から 1100 度まで上昇し、平均して年間約 10 度上昇しました。

成分と特性

ニッケル基超合金が最も広く使用されています。 主な理由は、第一に、ニッケル基合金はより多くの合金元素を溶解し、より優れた構造安定性を維持できることです。 第二に、それらは凝集性と規則性のある A3B タイプの金属間化合物 [Ni3(Al, Ti)] を形成することができます。強化相として合金を効果的に強化し、鉄基超合金やコバルト基超合金よりも高い高温強度を得ることができます。 第三に、クロムを含むニッケル基合金は、鉄基超合金よりも優れた酸化特性と耐性特性を備えています。 ガス腐食能力。 ニッケル基合金には 10 種類以上の元素が含まれており、そのうち Cr は主に酸化防止と耐腐食の役割を果たし、その他の元素は主に強化の役割を果たします。 強化モードに応じて、タングステン、モリブデン、コバルト、クロム、バナジウムなどの固溶強化元素に分類できます。 アルミニウム、チタン、ニオブ、タンタルなどの析出強化元素。 ホウ素、ジルコニウム、マグネシウム、希土類元素などの粒界強化元素。

ニッケル基高温合金には、その強化方法により固溶強化合金と析出強化合金とがあります。

生産工程

製錬に関しては、より純粋な溶鋼を得るために、ガス含有量と有害元素含有量を削減します。 同時に、一部の合金には Al、Ti などの酸化しやすい元素が存在するため、非真空精錬の制御が困難です。 より優れた熱可塑性を得るために、ニッケル基耐熱合金は通常、真空誘導溶解炉で製錬されるか、真空誘導溶解と真空消耗炉またはエレクトロスラグ炉再溶解法によって製造される場合もあります。

変形に関しては鍛造と転造加工を採用。 熱可塑性が低い合金の場合は、押出後に圧延するか、軟鋼 (またはステンレス鋼) の外装を施した直接押出プロセスが使用されます。 変形の目的は、鋳造構造を破壊し、微細構造を最適化することです。

鋳造: 通常、組成を確保し、ガスと不純物の含有量を制御するために母合金を精錬するために真空誘導炉が使用され、部品は真空再溶解精密鋳造を使用して製造されます。

熱処理: 変形合金および一部の鋳造合金には、溶体化処理、中間処理、時効処理などの熱処理が必要です。 ウドメット 500 合金を例にとると、その熱処理システムは 4 段階に分かれています。溶体化処理、1175 度、2 時間、空冷。 中間処理、1080度、4時間、空冷。 一次時効処理、843度、24時間、空冷。 二次時効処理、760度、16時間、空冷。 必要な組織ステータスと良好な全体的なパフォーマンスを獲得するため。

ニッケル基耐食合金

主な合金元素は銅、クロム、モリブデンです。 優れた総合性能を持ち、さまざまな酸腐食や応力腐食に耐えます。 最初の用途 (1905 年に米国で製造) は、モネル合金 (モネル合金 Ni 70 Cu30) としても知られるニッケル銅 (Ni-Cu) 合金でした。 さらに、ニッケルクロム（Ni-Cr）合金（つまり、ニッケル基耐熱合金、耐食合金の中でも高温耐食合金）、ニッケルモリブデン（Ni-Mo）合金（主にニッケルモリブデン合金を指します）があります。ハステロイ B シリーズまでの国内専門耐食合金メーカーには、北京鉄鋼研究所、上海康盛特殊合金有限公司、北京栄品科技有限公司、Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd.などがあります。 、など）、ニッケルクロムモリブデン（Ni-Cr-Mo）合金（主にハステロイCシリーズを指します。国内の専門的な耐食合金メーカーには、北京鉄鋼研究所、北京栄品科技有限公司、 Baoti Group Rare Metal Materials Co., Ltd.など）。 同時に、純ニッケルはニッケル基耐食合金の代表的なものでもあります。 これらのニッケルベースの耐食合金は、主に石油、化学工業、電力などのさまざまな耐食環境向けの部品の製造に使用されます。

カテゴリ ニッケル基耐食合金は、ほとんどがオーステナイト構造を持っています。 固溶および時効処理状態では、合金のオーステナイト母相および粒界に金属間相および金属炭窒化物が存在します。 さまざまな耐食合金はその組成に応じて分類されており、その特徴は次のとおりです。

Ni-Cu 合金の耐食性は、還元性媒体ではニッケルよりも優れており、酸化性媒体では銅よりも優れています。 酸素や酸化剤が存在しない場合、高温のフッ素ガス、フッ化水素、フッ化水素に対して耐性があります。 酸に最適な材料です (「金属腐食」を参照)。

Ni-Cr 合金はニッケルベースの耐熱合金です。 主に酸化媒体条件下で使用されます。 硫黄、バナジウム、その他のガスを含むガスによる高温酸化や腐食に耐性があり、クロム含有量が増加するにつれて耐食性も向上します。 このタイプの合金は、水酸化物 (NaOH、KOH など) 腐食に対する優れた耐性と応力腐食耐性も備えています。

Ni-Mo 合金は主に中程度の腐食を軽減する条件下で使用されます。 塩酸腐食に対して最も優れた合金ですが、酸素や酸化剤の存在下では耐食性が大幅に低下します。

Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ（Ｗ）合金は、上記のＮｉ−Ｃｒ合金とＮｉ−Ｍｏ合金の特性を併せ持つ。 主に酸化還元混合媒体条件下で使用されます。 このタイプの合金は、高温のフッ化水素ガス、酸素と酸化剤を含む塩酸およびフッ化水素酸溶液、および室温の湿った塩素ガス中で良好な耐食性を示します。

Ni-Cr-Mo-Cu 合金は、硝酸と硫酸の両方の腐食に対して耐性があり、一部の酸化還元混酸に対しても良好な耐食性を示します。

ニッケル基耐摩耗合金

主な合金元素はクロム、モリブデン、タングステンで、少量のニオブ、タンタル、インジウムも含まれています。 耐摩耗性に加えて、優れた抗酸化性、耐食性、溶接性も備えています。 耐摩耗部品の製造に使用でき、また、仕上げやスプレープロセスを通じて他の基材の表面を覆うコーティング材料としても使用できます。

ニッケル基合金粉末には、自溶性合金粉末と非自溶性合金粉末とが含まれる。

非自溶性ニッケル基粉末とは、B、Siを含まないか、またはBおよびSiの含有量が低いニッケル基合金粉末を指します。 このタイプの粉末は、プラズマ アーク スプレー コーティング、フレーム スプレー コーティング、およびプラズマ表面強化に広く使用されています。 主に含まれるもの：Ni-Cr合金粉末、Ni-Cr-Mo合金粉末、Ni-Cr-Fe合金粉末、Ni-Cu合金粉末、Ni-PおよびNi-Cr-P合金粉末、Ni-Cr-Mo-Fe合金粉末、Ni-Cr-Mo-Si高耐摩耗合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al合金粉末、Ni-Cr-Fe-Al-B-Si合金粉末、Ni-Cr-Si合金粉末、Ni・Cr-W系耐摩耗・耐食合金粉末など

ニッケル合金粉末に適量のBとSiを添加すると、ニッケル基自溶合金粉末が形成されます。 共晶合金や硬化合金としても知られる、いわゆる自溶合金粉末は、低融点の共晶を形成できる合金元素 (主にホウ素とシリコン) をニッケル、コバルト、鉄に添加することによって形成される一連の粉末です。ベースの合金。 材料。 一般的に使用されるニッケル基自溶合金粉末には、Ni-B-Si 合金粉末、Ni-Cr-B-Si 合金粉末、Ni-Cr-B-Si-Mo、Ni-Cr-B-Si-Mo-Cu などがあります。 、高モリブデンニッケル基自溶合金粉末、高クロムモリブデンニッケル基自溶合金粉末、Ni-Cr-WC基自溶合金粉末、高銅自溶合金粉末、タングステンカーバイド分散ニッケル自溶合金粉末 合金粉末等

合金におけるさまざまな元素の役割:

●ホウ素とシリコン元素の役割：合金の融点を大幅に下げ、固液相温度帯を拡大し、低融点共晶を形成します。 脱酸素還元およびスラグ化機能を有する。 コーティングを硬化および強化します。 運用プロセスのパフォーマンスを向上させます。

●銅元素の役割：非酸化性の酸に対する耐食性を向上させます。
●クロム元素の役割：固溶強化と不動態化。 耐食性と耐高温酸化性を向上させます。 過剰なクロムは、炭素およびホウ素とともに炭化クロムおよびホウ化クロム硬質相を容易に形成し、合金の硬度と耐摩耗性を向上させます。

●モリブデン元素の役割：原子半径が大きいため、固溶後の結晶格子に大きな歪みが生じ、合金マトリックスが大幅に強化され、マトリックスの高温強度と赤色硬度が向上します。 コーティング内のネットワーク構造を切断して縮小することができます。 耐ガス性が向上します。 ニッケルベースの精密合金の腐食および浸食能力。

ニッケル基軟磁性合金、ニッケル基精密抵抗合金、ニッケル基電熱合金などがあります。最も一般的に使用される軟磁性合金は、ニッケルを約80％含むパーマロイです。 最大透磁率、初透磁率が高く、保磁力が低い。 エレクトロニクス産業において重要な鉄心材料です。 ニッケル基精密抵抗合金の主な合金元素は、クロム、アルミニウム、銅です。 この合金は、抵抗率が高く、抵抗温度係数が低く、優れた耐食性を備えており、抵抗器の製造に使用されます。 ニッケル基電熱合金は、20%のクロムを含むニッケル合金です。 耐酸化性、耐腐食性に優れ、1000～1100度の温度で長期間使用できます。

ニッケル基形状記憶合金

50(at)%のチタンを含むニッケル合金。 回復温度は70度で、形状記憶効果が良好です。 ニッケルチタン成分の比率を少し変えると、回収温度が 30 ～ 100 度の範囲で変化します。 主に、宇宙船で使用される自動開閉構造部品、航空宇宙産業で使用される自励式留め具、生物医学で使用される人工心臓モーターなどの製造に使用されます。