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およびそのバリアント718Hは、高強度、耐腐食性、および高温性能の組み合わせが必要とされる場合によく指定されます。たとえば、航空宇宙の回転部品、ガスタービン、高圧バルブ、核用途などです。エンジニア、調達マネージャー、製造プランナーは、基準化学成分と熱処理の柔軟性（加工の容易さや溶接後の処理）を優先するか、必要な後処理を減らすが成形性や溶接の選択肢を制限する高強度/エイジ条件を受け入れるかという選択のジレンマに直面することがよくあります。
この2つのグレードの主な実用的な違いは、合金ファミリーの全体的な変更ではなく、供給される金属学的状態とそれが前硬化（前エイジ）状態に与える影響にあります。言い換えれば、718Hは通常、受け取ったときの強度を高めるか、高温安定性を改善することを目的とした供給条件またはわずかな化学調整で提供されるのに対し、標準の718は基本的なUNS N07718合金718の化学成分であり、下流処理および最終的なエイジ硬化のために最も一般的に溶液処理またはソフトアニーリングされた状態で供給されます。
1. 規格と指定
- 一般的な普遍的指定：
- UNS: N07718（合金718）
- 合金718を参照する一般的な航空宇宙/製造仕様：さまざまなAMS（航空宇宙材料仕様）およびバー、鍛造、プレート、溶接フィラーのASTM仕様。（バイヤーは、アプリケーションに必要な正確なAMS/ASTM/EN/GB/JIS番号を指定する必要があります。）
- 分類：ニッケルベースの析出硬化型スーパーロイ（炭素鋼または低合金鋼ではない）。
- 規格でカバーされる典型的な製品形状：バー、鍛造、プレート、シート、パイプ、および溶接フィラー（ロッド/ワイヤ）。
注：718Hは通常、組成のバリアントまたは—より一般的には—異なる供給/熱処理条件を示す業界または製鋼所の指定です。購入およびエンジニアリング文書で特定の標準/熱処理の呼び出しを常に確認してください。
2. 化学組成と合金戦略
以下の表は、標準合金718の典型的な組成範囲を示しています。718Hは通常、同じ基本化学（Ni–Cr–FeにNb、Mo、Ti、Alを含む）を保持し、時折生産者によってわずかな調整（たとえば、わずかに高い炭素または制御された微量元素）が行われ、クリープ強度や析出挙動を改善します。製鋼所の慣行が異なるため、最終的な注文仕様を確認する必要があります。
| 元素 | 典型的な合金718（範囲、wt%） | 718Hに関する注記 |
|---|---|---|
| C | 0.03 – 0.08 | 718Hは、高温強度を改善するために、いくつかの仕様でわずかに高い上限Cを指定されることがあります。POで確認してください。 |
| Mn | ≤ 0.35 | 微量合金のみ。 |
| Si | ≤ 0.35 | 脱酸剤/トランプ制御。 |
| P | ≤ 0.015 | 不純物制御。 |
| S | ≤ 0.015 | 不純物制御。 |
| Cr | 17.0 – 21.0 | 腐食および酸化抵抗。 |
| Ni | バランス（約50 – 55） | 基礎元素；マトリックスおよび高温強度を提供。 |
| Mo | 2.8 – 3.3 | 固体溶液強化；炭化物/相の安定性をサポート。 |
| V | 通常は微量 | 意図的な主要添加ではない。 |
| Nb (+Ta) | 4.75 – 5.5（Nb+Taとして） | γ''析出（強度）の鍵。 |
| Ti | 0.65 – 1.15 | Alと協力して強化析出物を形成。 |
| B | ≤ 0.006 | 小さな添加物が粒界強度を改善。 |
| N | ≤ 0.05 | 通常は低い；窒化物形成に影響。 |
合金戦略の機能： - Niはマトリックス相（Ni合金のオーステナイトマトリックス）および高温基礎強度を提供します。 - Crは酸化/腐食抵抗を与えます。 - Nb（およびTa）、Ti、Alは、主にγ''および一部のγ'の微細なコヒーレント析出物を形成し、エイジ硬化強度の大部分を提供します。 - Moは固体溶液強化および高温クリープ抵抗に寄与します。 - 微量合金元素（B、C）および低レベルのNは、粒界の結合性およびクリープ破壊挙動に影響を与えます。
3. 微細構造と熱処理応答
- 典型的な718の微細構造（溶液処理またはアニーリング状態）：主にγ（Niベースのマトリックス）で、炭化物と粗粒構造の背景がある場合、機械的に加工されていない場合。エイジ硬化後、微細なγ''（Ni3Nb）コヒーレントプレートレットといくつかのγ'（Ni3（Al、Ti））析出物が降伏強度を支配します。
- 718の熱処理ルート：
- 溶液処理（例：980–1020 °C）を行い、析出物を溶解するために制御冷却を行い、その後エイジ硬化（単一または二重エイジングサイクル）を行い、γ''およびγ'を析出させます。
- 熱機械加工（鍛造/圧延）を行い、その後溶液処理およびエイジを行い、粒子を精製し、疲労およびクリープ強度を最適化します。
- 718Hの微細構造/応答：
- 718Hは通常、受け取ったときの強度および/または高温安定性を改善することを目的とした、より堅固な供給状態（部分的エイジングまたは安定化された微細構造）を生成するように処理または熱処理されます。これにより、下流の機械的成形のために利用可能な溶解の程度や、再溶解処理なしで実用的なさらなるエイジ硬化の範囲が制限されます。
- 718Hが炭素または微量元素の制限を変更した場合、それらの変更は主に炭化物析出および粒界化学に影響を与え、それがクリープ破壊および高温の長期安定性に影響を与えます。
実用的な意味：標準718は、配達後の処理の自由度が広く（成形、溶接、再熱処理が容易）、718Hは、成形性や溶接の自由度を犠牲にして、より高強度/安定化された状態で到着することにより、処理ステップを減少させます。
4. 機械的特性
合金718の特性値は、処理およびエイジ条件に強く依存します。以下の表は、定性的および典型的な範囲のガイダンスを提供します。正確な値は、適用される仕様または製鋼所の試験報告から取得する必要があります。
| 特性 | 典型的な合金718（溶液処理およびエイジ硬化） | 典型的な718H（供給時の前硬化/安定化） |
|---|---|---|
| 引張強度（UTS） | 高い；典型的な範囲はエイジ処理に依存（しばしば1000–1400 MPa範囲） | 前エイジングによる供給時の状態で同等またはわずかに高い |
| 降伏強度（0.2%オフセット） | 高い（しばしば700–1000 MPaを超える、エイジングに依存） | 通常は供給時に高い；エイジングによるさらなる増加の可能性は低い |
| 伸び（50 mmで） | 中程度（8–20%、状態に依存） | 高強度のため、ソフトアニーリングされた718と比較して延性が低い |
| 衝撃靭性 | 適切に熱処理されていれば室温で良好；粗粒または過エイジングで低下する可能性がある | 硬い状態で製造された場合、ソフト718と比較して低下する可能性がある |
| 硬度 | エイジングに応じて変化（通常はピークエイジ条件で約30–40 HRC） | 供給時の硬度は通常高い；再溶解なしでのその後のエイジングによる変化は少ない |
解釈： - どちらが強いか？供給時の形状では、718Hが通常強い。完全に制御されたエイジ硬化後、標準718は、溶液処理され適切にエイジングされていれば、同様のピーク特性に達することができます。 - どちらが靭性/延性が高いか？ソフト/溶液処理された状態または適切に焼き戻された状態で提供される標準718は、最終エイジング前により良い成形性と高い延性を提供します。718Hは、受け取った強度と安定性のために、いくつかの延性を犠牲にしています。
5. 溶接性
ニッケルベースの合金718ファミリーの溶接性は、一般的に高硬度鋼と比較して良好ですが、エイジ硬化、潜在的な分離、およびデルタ相またはラーヴェス相の形成の制御に注意が必要です。 - 主要な溶接要因：基材の炭素当量の影響は、鋼よりもNi合金ではあまり使用されませんが、Nb/Tiおよび炭素制御された析出物からの硬化性が重要です。溶接近くでの析出物形成は、熱影響部を脆化または硬化させる可能性があります。 - 有用な定性的指標： - 鋼の場合は炭素当量を使用しますが、Ni合金の場合は分離および析出物形成元素を考慮します。 - それにもかかわらず、溶接性を比較する際、実務者は標準鋼の公式を定性的な参考として使用することがあります。たとえば： $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - 解釈（定性的）：高い値は、より多くの予熱/後熱および制御冷却が必要であることを示唆します。718合金は、有害な析出物形成を避け、設計された機械的特性を回復するために、制御された予熱/インターパスおよび溶接後の熱処理を必要とします。 - 実用的な注意：前硬化/部分的エイジ状態で供給される718Hは、完全な再溶解および再エイジ処理なしでの溶接に対して耐性が低くなる可能性があります。広範な溶接が必要な場合は、溶液アニーリングされた718を指定するか、溶接後の溶解およびエイジ熱処理を計画してください。
6. 腐食および表面保護
- 合金718ファミリー：一般的な腐食抵抗が良好であり、多くの環境で中間温度までの酸化に対して優れた抵抗を示します。特別な合金が必要な高度に酸化的または塩素化された環境では、ステンレスクラスの「優れた」ものではありません。
- 非ステンレスまたは劣化した表面の表面保護：機械仕上げ、保護コーティング、またはサービスに応じた特殊なメッキが使用できます。
- PREN（ピッティング抵抗等価数）は通常ステンレス合金に適用されますが、Niベースの合金ではこの指標は一般的に使用されません。参考までに、PRENは： $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$ ですが、これは合金718の確立された性能指標ではありません。
- 718および718Hは、基本的なCrおよびNi含有量が本質的に変わらないため、広く類似した腐食挙動を共有します。析出物（炭化物、ラーヴェス相）を変更するわずかな化学または熱処理の違いは、サービス寿命にわたる局所的な腐食感受性および粒界挙動に影響を与える可能性があります。
7. 加工性、機械加工性、および成形性
- 機械加工性：ニッケルスーパーロイは低合金鋼よりも加工が難しいです。718と718Hは切削特性が似ていますが、718Hの供給時の硬度が高いため、工具寿命が短くなり、より重い工具パラメータが必要になることがあります。
- 成形性：標準の溶液処理された718（ソフト）は冷間成形および成形により適しています。前硬化状態の718Hは成形性が低く、重要な成形の前に熱間加工または再溶解処理が必要になる場合があります。
- 仕上げ：表面研削、研磨、およびEDMが一般的です。厳密な公差の部品には熱処理および残留応力を考慮する必要があります。
8. 典型的な用途
| 合金718（標準） | 合金718H |
|---|---|
| 製造者またはユーザーによって後加工エイジングが行われる航空宇宙の回転部品；制御されたエイジ処理後に高強度が必要な部品；機械加工およびその後の熱処理を目的とした鍛造およびバー。 | 高強度または安定化された状態で到着することが指定された部品（例：バルブ、フィッティング、または工場内エイジングが実用的でない部品）；供給時のクリープ安定性が改善されることが求められる用途。 |
| 溶接および再熱処理が計画されている修理可能な部品 | さらなる処理の必要性が減少することが優先される部品；溶接後の溶解およびエイジングの能力が限られた現場設置 |
| 設計者が最高の特性のために完全な溶液およびエイジサイクルを指定する高強度用途 | 調達が受け取った高強度および寸法安定性を求める状況；時にはさらなるエイジングサイクルなしで長期の高温サービスが期待される場合に使用される |
選択の理由： - 下流の成形、溶接、または特注のエイジ硬化が必要な場合は、標準718を選択してください。 - 調達が受け取った高強度/安定性を要求し、後続の熱サイクルが実用的でない場合、または長期の高温サービスのために製鋼所で証明された安定性が必要な場合は、718Hを選択してください。
9. コストと入手可能性
- 相対コスト：どちらもニッケルベースのスーパーロイであり、高い原材料コストがかかります。718Hは、製鋼所が追加の安定化/処理を行う場合や、微量元素の厳密な制御が必要な場合に、わずかなプレミアムがかかることがあります。
- 入手可能性：合金718は標準仕様で、バー、鍛造、プレート、溶接フィラーで世界中に広く入手可能です。718Hの入手可能性は製鋼所特有であり、必要な熱処理および文書に応じて、認証オプションが限られているか、リードタイムが長くなる場合があります。
- 製品形状が重要：バーおよび鍛造は一般的に在庫されています。カスタムサイズや特殊な熱処理条件（718H）は、より長いリードタイムが必要になる場合があります。
10. まとめと推奨
| 属性 | 718（標準） | 718H |
|---|---|---|
| 溶接性 | 標準的な注意で良好；溶液アニーリング状態で供給される場合は容易 | より制限的；前硬化状態は、溶接後の溶解/エイジなしでは溶接を複雑にする可能性があります |
| 強度–靭性のバランス | 柔軟：強度と靭性のバランスを取るために熱処理で調整可能 | 受け取った強度が高い；ソフト718に対して延性と靭性が低下する可能性があります |
| コスト | 合金718の基準 | 前安定化/エイジ製品に対してわずかなプレミアムが可能 |
結論 — 明確なガイダンス： - 柔軟性が必要な場合は718（標準UNS N07718）を選択してください：最終熱処理の前に重要な成形、機械加工、または溶接が行われる場合、またはピーク特性を達成するために施設内で制御された溶液処理およびエイジングを行う予定がある場合。 - より高強度または安定化された状態で到着する部品が必要な場合（その後の熱処理の必要性が減少）、サービスにおける長期的な高温安定性が優先される場合、または調達の制約が即使用可能な高強度の供給条件を要求する場合は718Hを選択してください。ただし、成形性が低下し、より制限的な溶接/溶接後の手順を計画してください。
最終的な注意： “718H”は製鋼所または購入者特有の指定である可能性があるため、購入文書に必要な化学成分、機械的特性、熱処理、および溶接後の要件を常に指定してください。製鋼所の試験報告および熱処理記録を要求し、供給された材料が溶液アニーリング、完全エイジング、または前安定化されているかを確認し、加工およびサービス性能が予測可能であることを確認してください。