718対718H – 組成、熱処理、特性、および用途
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はじめに
合金718およびその密接に関連するバリアント718Hは、航空宇宙、発電、石油化学産業の高性能部品で広く使用されています。エンジニアや調達専門家は、これらの選択肢の間で強度と高温でのクリープ抵抗を最適化するか、溶接性、靭性、コスト効率を最大化するかのトレードオフに直面することがよくあります。典型的な意思決定の文脈には、疲労抵抗を必要とする回転部品、高温にさらされるボルトおよびファスナー、溶接後の熱処理が制約される溶接アセンブリが含まれます。
718と718Hの主な実用的な違いは、それぞれの意図された金属組織状態と熱処理ウィンドウにあります。718Hは、制御された化学成分と熱処理の実践を通じて、長期的な高温曝露下での安定性とクリープ性能を向上させるように指定されていますが、標準の718はピークエイジ硬化と室温の機械的特性および加工性のバランスを最適化しています。両方のグレードは同じベース合金システム（Ni–Cr–FeにNb/Ta、Mo、Ti、Alを含む）を共有しているため、設計が長期的な高温強度、溶接修理、および後処理戦略に関する判断を必要とする場合に一般的に比較されます。
1. 規格と呼称
合金718ファミリー製品の一般的な仕様および業界の呼称には、製造業者や購入者が使用する国際的および国内の文書が含まれます：
- AMS/SAE/ASTMスタイルの仕様（航空宇宙および産業供給チェーンで使用される）。
- ヨーロッパのニッケル合金に対するEN/DIN同等物。
- 日本の供給者向けのJIS規格。
- 中国の生産および調達に対するGB/Tシリーズ。
分類：合金718および718Hは、ニッケルベースの析出硬化型スーパーロイ（炭素鋼、工具鋼、またはHSLAではない）です。通常、バー、プレート、鍛造、および溶接製品形状に指定されます。
2. 化学組成と合金戦略
合金718ファミリーは、主に秩序化された金属間化合物相（$\gamma''$および$\gamma'$）と制御された微量合金炭化物/ホウ化物によって強化されたNi–Cr–Feマトリックスです。標準合金718の典型的な化学組成（名目範囲、wt%）は以下に示されています。正確な限界は制御仕様に依存します。
| 元素 | 典型的な組成（合金718、wt%） | 718Hに関する注記 |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718Hはしばしばより厳密に制御されており、クリープ/炭化物の安定性を改善するためにCの小さな増加が許可される場合があります |
| Mn | ≤ 0.35 | 有害な相を最小限に抑えるために低く保たれています |
| Si | ≤ 0.35 | 脱酸化；溶融と不純物を制御するために制限されています |
| P | ≤ 0.015 | 延性と耐食性を維持するために低く保たれています |
| S | ≤ 0.015 | 熱割れを避けるために低く保たれています |
| Cr | 17.0 – 21.0 | 酸化および腐食抵抗を提供します |
| Ni | 50.0 – 55.0 | 主なマトリックス元素 |
| Mo | 2.8 – 3.3 | 固溶体強化 |
| V | 微量 | 標準718では意図的な添加ではありません |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5 (Nb+Ta) | $\gamma''$析出強化の鍵 |
| Ti | 0.65 – 1.15 | $\gamma'$および$\gamma''$の形成に寄与します |
| B | ≤ 0.006 | 微量添加物が粒界強度を改善します；718HはクリープのためにBを制御する場合があります |
| N | 微量 | 制御された低レベル |
合金戦略：高いNiは腐食抵抗を持つ延性マトリックスを提供します；Cr、Mo、およびFeは酸化と強度のバランスを取ります；Nb/Ta、Ti、およびAlは析出硬化を可能にします（$\gamma''$ Ni3Nbが主な硬化相です）。微量のBとCは粒界で結合し、クリープおよび破裂挙動に影響を与えます。718Hバリアントは根本的に異なる合金ではなく、長期的な高温安定性とクリープのために最適化された化学成分と熱処理の実践を持つ指定されたバリアントです。
3. 微細構造と熱処理応答
典型的な微細構造（加工後） - マトリックス：面心立方（FCC）$\gamma$（Ni–Fe–Cr固溶体）。 - 強化析出物：コヒーレント$\gamma''$（Ni3Nb）プレートレットおよび$\gamma'$（Ni3(Al,Ti)）球状/秩序化粒子。 - 第二相：MC炭化物（Nb/Ti炭化物）、粒界相（ホウ化物、炭化物）、および特定の熱履歴の下での可能な$\delta$（Ni3Nb）析出物。
熱処理応答 - 溶解処理および時効：標準718は溶解アニーリングされ（通常980–1066 °C、製品形状に依存）、既存の析出物を溶解させた後、$\gamma''$および$\gamma'$を析出させるために制御された二重時効を行い、ピーク強度を生成します。ピーク時効は最大の降伏強度と引張強度を生成しますが、熱履歴に応じて粒界析出物に対する感受性を残す場合があります。 - 718Hの実践：718Hは、粗い脆い$\delta$または粒界相の形成を最小限に抑えつつ、長期的なクリープのために細かい強化析出物の安定した分布を促進する溶解アニーリングおよび時効スケジュールを強調します。Hバリアントは、長期的な安定性を優先するために、異なる溶解温度や保持時間、より厳密な化学制御（C、B）を使用する場合があります。 - 熱機械加工：鍛造および制御冷却は粒サイズおよび炭化物/ホウ化物の分布に影響を与えます；718Hは、クリープ寿命を向上させるために有害な粒界析出物を減少させる加工から利益を得ることがよくあります。
4. 機械的特性
718ファミリーの機械的特性は、熱処理および製品形状に依存します。以下の表は、単一の固定値ではなく、機能的傾向を比較しています。
| 特性 | 合金718（典型的なピークエイジ状態） | 合金718H（高温安定性のためのH状態） |
|---|---|---|
| 引張強度 | ピークエイジ後に非常に高い（中程度の温度での静的および疲労荷重に最適化されています） | 高温で比較可能またはそれ以上；優れた長期的な引張/クリープ強度のために設計されています |
| 降伏強度 | ピークエイジ状態で高い | 微細構造の安定性により、長期的なサービス温度で同等またはわずかに高い |
| 伸び（延性） | 室温で良好な延性 | 炭化物/析出物の制御により、一部のH仕様では室温での延性がわずかに低下する場合があります |
| 衝撃靭性 | 適切に時効および熱処理された場合、一般的に良好 | 微細構造がクリープに最適化されている場合、わずかに低下する可能性があります（トレードオフ） |
| 硬度 | 高い（エイジ硬化） | 時効スケジュールに応じて同等またはわずかに高い；熱曝露下での安定性のために設計されています |
なぜ違いが生じるのか：718は、細かい$\gamma''$および$\gamma'$粒子の析出によって高強度を達成します。718Hの熱処理および組成の許容範囲は、長時間の高温曝露中に強度と延性を保持するために析出物の安定性と粒界化学を優先しますが、これが短期的なピーク機械的指標にわずかに影響を与える可能性があります。
5. 溶接性
溶接性は、組成、熱サイクル、および割れに対する感受性に依存します。
- 炭素当量および合金効果：ニッケルベースの合金は、多くの高強度鋼よりも溶接性が高いですが、合金718は熱影響部での液化割れや、適切に溶接後処理されない場合の応力エイジ割れに対して感受性がある可能性があります。
- ニッケル合金の溶接性を評価する際、IIW炭素当量や$P_{cm}$のような式は鋼に特化していますが、以下は定性的な解釈や混合金属の文脈で有用です： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
- 解釈：高レベルのNb、Ti、および微量元素は、合金の硬化性および急速な熱サイクル下での固化または応力エイジ割れの傾向を高めます。したがって：
- 予熱、制御されたインターパス温度、およびフィラー金属の一致は標準的な実践です。
- 溶接後の溶解アニーリングおよび時効は、腐食および機械的完全性を回復するために一般的に必要です。
- 718Hは、長期的な高温サービスのために指定されているため、設計されたクリープおよび破裂特性を達成するために、より厳格な溶接手順および完全な溶接後熱処理を必要とすることがよくあります。
6. 腐食および表面保護
- 合金718は、高いNiおよびCr含有量により、多くの環境で本質的に腐食および酸化に対して抵抗があります。腐食のない用途や攻撃的な環境でのサービスの場合、追加の表面処理が適用される場合があります。
- ステンレス鋼の類似物に対して、合金はPRENのような指標で評価されます： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ しかし、PRENはNiが支配し、Nb/Ti/Moが異なる役割を持つニッケルベースのスーパーロイには意味がありません。
- 表面保護：718ファミリー部品に対する一般的な実践には、保護コーティング（高温用の熱バリアコーティング）、疲労寿命改善のためのショットピーニング、および表面仕上げの厳格な管理が含まれます；高温ニッケル合金に対しては、亜鉛メッキや単純な塗装は一般的ではありません。
7. 加工、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：合金718は、作業硬化傾向と高強度のため、加工がやや難しいです；炭化物工具、正の切削角度、および制御された送りが推奨されます。718Hは、類似の化学組成を持ち、同様の加工要求があります；加工パラメータは、焼戻しや部分的な軟化を避けるために厳しくすることができます。
- 成形性：冷間成形は制限されています；大きな部品には熱鍛造および制御された熱加工が標準です。718Hは、粗い析出物による脆化を避けるために特定の熱履歴を必要とする場合があります。
- 仕上げ：研削、EDM、および表面応力緩和技術が一般的です。重要な熱的または機械的加工の後、特にクリープサービス用の718H部品に対して、後処理熱処理（溶解 + 時効）がしばしば義務付けられます。
8. 典型的な用途
| 合金718 | 合金718H |
|---|---|
| 高強度と疲労抵抗が必要なタービンシャフト、ディスク、およびファスナー | 長いクリープ寿命のために設計された高温ボルト、バルブ、およびガスタービン部品 |
| ジェットエンジン部品およびローターハウジング（ピークエイジ特性が利用される場所） | 合金の温度限界近くでの長期曝露を意図した部品で、安定した微細構造が重要です |
| 強度と靭性が必要な低温および室温の構造部品 | クリープ破裂寿命が優先される発電および石油化学プラントの圧力を含む部品 |
選択の理由：ピークエイジ硬化、室温靭性、および加工性が主なニーズである場合は標準718を選択します。高温での設計寿命、熱曝露下での特性劣化の最小化、および長期的なクリープ強度の保証が重要な場合は718Hを選択します。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：両方のバリアントは同じベース合金に基づき、同じ加工ルートを使用しています；コストの違いは通常控えめで、仕様の厳しさ、製品形状、および熱処理/検査要件によって駆動されます。718H部品は、より厳密な化学許容範囲およびより要求の厳しい熱処理とテストのために、コストが高くなる場合があります。
- 入手可能性：合金718は、世界中で最も広く入手可能なニッケルスーパーロイの一つです；718Hも一般的ですが、特定のH仕様に対して注文するか、重要な部品のために専門の供給者を通じて注文する必要がある場合があります。
10. 概要と推奨
| 基準 | 合金718 | 合金718H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 適切な手順で良好；溶接後熱処理が通常必要 | クリープ要件を満たすために、より厳格な溶接管理と完全なPWHTが必要 |
| 強度–靭性 | 標準的な時効後に優れたピーク強度と良好な靭性 | 温度での長期的な強度に最適化されている；短期的な靭性をわずかにトレードオフする可能性があります |
| コスト | 広く入手可能；基準コスト | クリープ安定性のための厳密な化学/加工に対してわずかなプレミアム |
推奨 - 高い静的および疲労強度、良好な室温靭性、標準的なエイジ硬化応答が主なニーズである場合は合金718を選択してください。従来の溶接および溶接後熱処理が許可されます。 - コンポーネントが長時間の高温曝露で強度を保持し、クリープ/破裂に抵抗する必要があり、仕様レベルの制御（化学、溶解/時効サイクル）が必要な場合は合金718Hを選択してください。
最終的な注意：718ファミリーは非常にプロセスに敏感であるため、調達仕様には、意図されたサービスに必要な正確な製品形状、溶解/時効サイクル、および受け入れ基準（例：引張、クリープ破裂、硬度、微細構造）を明記する必要があります。重要な部品のために718と718Hの間で選択する際には、制御材料仕様および供給者の金属技術者に相談してください。