による ニッケル協会ニッケルは地球上で 5 番目に豊富な元素です。ニッケルは、他の金属と容易に結合して優れた強度と耐腐食性を与える、非常に用途の広い合金元素です。しかし、これらの同じ特性が、CNC 加工用合金では大きな課題となります。
この記事では、業界で使用されているさまざまなニッケル合金、それらの加工プロセス、および CNC 加工操作中にそれらがもたらす特定の課題について説明します。
ニッケル合金を理解する: グループと特性
ニッケルは何千もの合金を形成するため、それぞれを把握するのは困難です。理解を深めるために、ニッケルベースの合金は、類似した特性に基づいて 5 つの主要なグループに分類されます。
グループA – ニッケル含有量の高い合金
これらの合金にはニッケルが多く含まれており、通常は 95% 以上です。そのため、ニッケル本来の特性である優れた耐腐食性、優れた熱伝導性、電気伝導性を備えています。一般的なニッケル合金には、ニッケル 200、201、205 などがあります。
グループ B – ニッケル銅合金
ニッケル銅合金（モネルシリーズ）は、ニッケル含有量が52～67%で、銅が主要成分であり、微量の他の元素が含まれています。グループA（純ニッケル）合金よりも強度は高いですが、靭性はやや劣ります。冷間加工により耐食性が向上し、特に海洋環境や化学環境において優れた特性を示します。インコネル400/アロイ400および インバー 36 このグループではよく知られている合金です。
グループ C – ニッケルクロム合金
グループ C はニッケルクロム合金で構成され、組成はオーステナイト系ステンレス鋼に似ています。クロムが含まれているため、特に高温で耐酸化性があります。クロムは保護酸化層を形成し、それ以上の腐食を防ぎます。これらの合金は、同じニッケルクロムマトリックスのため、固溶体強度も備えています。インコネル 600 と Nirmonic 75 は、このグループの代表的な合金です。
グループ D1-D2 時効硬化合金
このグループは次のように分割されます:
- D1（未熟成）： これらの合金は冷間加工によって強度が増し、熱処理前は優れた靭性を示します。
- D2（熟成）： これらの合金は、経年劣化により析出硬化を起こし、強度と耐久性が向上します。アルミニウムやチタンなどの元素を加えると析出物が形成され、合金が極度の力や温度に耐える能力が向上します。
グループ E – 切削性に優れた合金
グループ E は、モネル R-405 という単一の高機械加工性合金のクラスです。硫黄が添加されており、機械加工性が向上しています。耐食性などの物理的特性はグループ B 合金に似ていますが、機械的特性は若干異なります。
| グループ | 合金 | 構成 | 特性 | 用途 |
| グループA | ニッケル200 | 99.6% ニッケル | 優れた耐腐食性、優れた熱伝導性 | 化学処理、海洋環境、電子部品 |
| ニッケル201 | 99.6% ニッケル（低炭素） | ニッケル200に似ていますが、高温用途に適しています | 苛性ソーダ蒸発装置、電気めっき装置 | |
| ニッケル205 | 99.6% ニッケル | 高い電気伝導性、改善された機械的特性 | 電気部品、陽極板 | |
| グループB | インコネル400 | ニッケル63%、銅30% | 強度が高く、海水中での耐腐食性に優れています | 海洋工学、熱交換器 |
| インバー 36 | ニッケル36%、鉄64% | 極めて低い熱膨張 | 航空機制御、サーモスタット、光学機器 | |
| グループC | インコネル600 | ニッケル72%、クロム14～17%、鉄6～10% | 高温での耐酸化性、優れた機械的強度 | ジェット排気管、蒸発管、熱処理装置 |
| ニモニック75 | 80％ニッケル、20％クロム | 高温でも強度が高く、耐酸化性に優れている | ガスタービンブレード、工業炉 | |
| グループD1 | ジュラニッケル301 | ニッケル94%、鉄4.75% | 時効硬化性、高強度、耐腐食性 | 航空宇宙、高応力部品 |
| グループD2 | インコネル718 | ニッケル50～55%、クロム17～21%、モリブデン2.8～3.3% | 析出硬化、高強度、耐熱性 | ジェットエンジン、ガスタービン、原子炉、ゲートバルブ |
| グループE | モネル R-405 | ニッケル63%、銅30%、硫黄0.03% | 機械加工性、耐腐食性の向上 | 高速加工、海洋、化学機器 |
ニッケル合金の機械加工
業界では、ニッケル合金はさまざまな機械加工プロセスを経て、望ましい形状、サイズ、形態に加工されます。その中でも、最も多く採用されている機械加工プロセスは次のとおりです。
ターニング
ターニング 回転するワークピースから材料を除去するために単一ポイントの切削工具を使用する機械加工操作です。この操作は CNC 旋盤で実行され、工具が表面に沿って移動して円筒形の部品を成形します。
ニッケル合金の場合、その靭性のため、旋削には精度が必要です。工具を最小限に抑え、材料を押し込むのではなく切断するために、正のすくい角を使用する必要があります。超硬工具は、加工中に発生する高温に耐えることができるため、この作業に最適です。
ニッケル開発協会は、ニッケル合金の旋削には鋼の機械加工よりも 30 ～ 50% 低い速度が必要であると提案しています。通常は 50 ～ 100 FPM (フィート/分) です。
旋削加工中に切りくずを制御するには、チップ カーラーまたはブレーカーを備えたツールが適しています。研究によると、これらのツールを使用すると、ツール寿命が最大 40% 延長されます。
フライス加工
フライス加工 回転カッターを使用して材料を成形することです。ニッケル合金の場合、表面硬化を最小限に抑えるために、従来の（アップ）ミリングよりもクライムミリングが好まれます。ニッケルの靭性を考慮すると、高速度鋼（HSS）または超硬エンドミルがニッケルに最適です。
さらに、プロセス中の過度の熱を防ぐために、専門家は送り速度を低く保つことを推奨しています。重切削の場合、12°～18°の正すくい角を持つ専用カッターが最適です。
訓練
ニッケル合金を穴あけする場合、穴の底の加工硬化を防ぐために、安定した送り速度が重要です。HSS ドリルは一般にグループ A および B の合金に効果的ですが、コバルト ドリルはより硬いグループ C および D の合金に最適です。これらのコバルト ドリルは HSS ドリルよりも 50% 長持ちします。
深穴の掘削には、スペード ドリルまたはガン ドリルが一般的です。この作業では、切りくずを排出し、熱の蓄積を防ぐために高圧切削液が必要です。掘削速度は、柔らかい合金の場合は 10 ～ 18 SFM (表面フィート/分) の範囲ですが、硬い合金の場合は 5 ～ 12 SFM です。
研削
ほとんどの機械加工プロセスでは、必要な表面仕上げと寸法精度を達成するために研削が伴うことがよくあります。ニッケル合金の研削を成功させる鍵は、酸化アルミニウムや炭化ケイ素などの研磨材を使用することです。
研究によれば、センターレス研削技術は真円度と寸法精度の維持に役立つため、ニッケル合金の精度を達成するのに効果的であることが示唆されています。
退屈な
ボーリング加工では、すでにドリルで穴を開けたり鋳造したりした穴を拡大します。ニッケル合金の場合、加工硬度を考慮すると、これを実現するのは困難です。工具の摩耗を減らすために、超硬チップのボーリングバーが使用されます。
機械工は、ニッケル合金の穴あけ作業は、柔らかい材料の場合よりも低速、通常は約 30 ～ 60 SFM で実行することを推奨しています。適切な潤滑、つまり硫化油または同様の高性能冷却剤を使用する必要があります。
統計的には、ニッケル合金の穴あけ作業では、標準的な鋼よりも工具の摩耗率が 30 ～ 40% 高くなります。つまり、工具の交換が頻繁に必要になります。
盗聴
既存の穴にねじ山を切ることをタッピングといいます。HSS およびコバルトベースのタッピング ツールは、耐熱性と耐久性に優れているため、この用途に適しています。最も硬いニッケル合金の場合、ツールの破損を防ぐために、連続タップ (タップするたびにねじ山の直径が大きくなる) が必要です。
さらに、標準の 60% ではなく 75% のねじ深さを使用すると、タッピングに必要なトルクが減り、タップが破損する可能性が低くなります。タッピング速度は通常、ドリルよりも遅く、10 ～ 20 SFM の範囲です。また、よりスムーズな操作のためには、流体をたっぷり使用する必要があります。
EDM（放電加工）
EDM は、電気放電（火花）を使用して材料を除去する非従来型の加工プロセスです。このプロセスは、正確な内部カットを行い、従来のプロセスでは作成できない形状を作成するために使用されます。ワイヤー EDM はニッケル合金で非常に一般的ですが、シンカー EDM は内部キャビティが必要な形状に使用できます。
EDM は従来の機械加工よりも遅く、材料除去速度は 0.1 分あたり 0.5 ～ XNUMX 立方インチですが、比類のない精度を提供するため、航空宇宙、医療、高性能アプリケーションに適しています。切削工具が存在せず、材料と接触しないため、工具の摩耗や材料の変形の問題はありません。
ウォータージェット切断
ウォータージェット カッターは、熱を発生させずにニッケル合金の厚い板を切断するのに最適なソリューションです。研磨剤を混ぜた高圧水を使用して切断します。このプロセスは、最大 10 インチの厚さのニッケル合金を ±0.005 インチの精度で切断するために、大規模なセットアップで使用されます。
熱影響部 (HAZ) がないため、ウォータージェット切断は精度と材料の完全性が重要になる場合に役立ちます。EDM より精度は劣りますが、処理速度はかなり速くなります (通常の速度は 6 ～ 10 IPM)。
ニッケル合金加工における課題
ニッケル合金は、強度をあまり失うことなく高温に耐えることができます。しかし、機械加工となると厄介な問題が生じることがあります。機械工は次のような複数の課題に直面しています。
過剰な発熱
ニッケル合金は、機械加工中に過度の熱を発生することで有名です。この熱は主に、切削工具と材料の摩擦接触と、機械加工中の塑性変形という 2 つの原因で発生します。
ニッケル合金は熱伝導率が低いため、摩擦熱は拡散せず、切削領域に集中します。この局所的な温度上昇により、材料の表面に変化が生じ、工具に負担がかかります。
加工硬化
ニッケル合金の加工硬化は、塑性変形、発熱、連続加工の同時効果によって悪化します。すべての材料はある程度の加工硬化を受けますが、ニッケル合金はより激しく硬化します。このプロセスにより、加工される各層は次第に硬くなります。
ツールの接着
熱発生に関連するもう 800 つの一般的な問題は、ニッケル合金の切削片が切削工具に付着する工具固着です。ほとんどの工具は XNUMX℃ を超える高温に耐えられません。ほとんどの場合、その結果、ワークピースの材料が工具に溶着します。工具の効率が低下すると、切削が困難になります。
ツールの故障リスク
ニッケル合金は、その強靭性により、工具の摩耗を加速させ、早期の工具故障につながる可能性があります。過度の熱、高い切削力、材料の硬度の組み合わせにより、切削工具に大きなストレスがかかります。さらに高温になると、熱亀裂により工具の構造的完全性が弱まる可能性があります。
ニッケル合金をCNC加工する際の考慮事項
すでに、各加工プロセスに関する役立つヒントを多数ご紹介してきました。ニッケル合金の加工で総合的に正しく設定する必要がある事項を、以下に一般化して示します。
設計上の考慮事項
ニッケル合金で加工する部品を設計する場合、材料の加工硬化と発熱を考慮することが重要です。工具の過度な摩耗や表面仕上げの劣化を避けるため、形状はシンプルで、移行がスムーズである必要があります。複雑な形状や鋭い角があると、これらの問題が悪化し、許容誤差と工具の安定性を維持するのが難しくなります。
おそらく、この製品は、後で組み立てられるいくつかのより単純な形状を持つように設計できるでしょう。機械加工性を最適化するには、効果的な熱放散も考慮した設計にする必要があります。
切削工具
ニッケルには、その硬度を超える工具が必要です。超硬工具は耐久性と耐熱性があるため、連続切削に広く好まれ、HSS 工具は断続切削や仕上げ作業に適しています。
切りくずをよりよく排出するには、6 ～ 8 枚の刃を持つ工具が最適です。さらに、工具に材料が堆積するのを防ぐには、チップ カーラーまたはブレーカーが最適です。
加工パラメータ（切削速度、送り速度）
熱の発生と加工硬化を抑えるために、加工パラメータを注意深く最適化する必要があります。切削速度と送り速度は加工プロセスによって異なるため、それに応じて調整する必要があります。たとえば、フライス加工は通常 100 ～ 330 SPM で実行されます。一方、旋削の場合は 50 ～ 100 SFM です。
切削油剤
切削液は、主に温度を制御し、摩擦を減らすことで、ニッケル合金の加工において重要な役割を果たします。最適な放熱のためには、通常 1000 psi 以上の高圧クーラントが推奨されます。水と硫化鉱油の両方をクーラントとして使用できます。
機械加工ニッケル合金の用途
ニッケル合金は、高強度、耐熱性、耐腐食性などの特性を備えており、さまざまな業界の用途に最適です。
| 業種 | 用途 |
| 航空宇宙 | タービンブレード、ロケットエンジン部品 |
| ケミカルプロセス | タンク、配管、混合装置 |
| 石油とガス | ポンプ、パイプ、圧力容器、熱交換器 |
| 医療機器 | 外科用器具、整形外科用インプラント、ステント（ニチノール®） |
| 電気電子 | 電気接点、変圧器、記憶装置 |
| 船舶 | プロペラ、ビルジポンプ、バルブ |
| 精密機器 | 気密シール、温度スイッチ |
| 発電 | 熱交換器、ガスタービン、原子炉部品 |
| 自動車 | 排気システム、ターボチャージャー |
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