硬貨でおなじみのニッケル (p.9)

スポンサーリンク

日本の6種類の硬貨のうち50円、100円、500円はニッケル合金です。

ニッケルは鉄とともに安定な元素で、水素から始まる核融合反応の最終段階は鉄またはニッケルで終わるとされています。

ここでは、いろいろな用途で使われるニッケルで、硬貨、鉄鋼、形状記憶合金、ニッケルによる金属アレルギーなどの話題を取り上げます。

日本の硬貨の話

日本の硬貨

このうち500円(ニッケル黄銅:8%Ni)、100円(白銅:25%Ni)、50円(白銅:25%Ni)がニッケル合金です。

Wikipediaに発行益が載っていますが、それから額面を引くと、50円、100円、500円の原価は20円、73円、43円となります。100円硬貨の原価が高いのはなぜでしょう?

この、原価が高い100円について見てみますと、いい加減な計算ですが、白銅の板材1gが5円とすると、100円硬貨の重さは4.8gありますので、地金代は24円です。

これを加工するのに50円程度かかっていると考えると、それでも、非常にうまく、そして安く作られていることがわかります。

実際の地金代はもっと安いと思いますので、この儲けというのは、誰が儲けて、それがどうなっているのでしょうね?????。

鉄鋼におけるニッケル

鉄とニッケルは同じ鉄属で全率固溶体とされており、様々な合金を製造しやすいといえます。ニッケルが持つ耐熱性から、Niは耐熱合金用の元素としてはなくてはならないものです。

超耐熱合金と呼ばれるジェット機のガスタービンなどに代表される耐熱材料があります。

その主成分から、Fe基(てつき)、Ni基(ニッケルき)、Co基(コバルトき)に分けられますが、Co基の一部の材種を除いて、ほとんどの材種にはニッケルが含まれています。

鉄基のインコロイ、コバルト基のインコネルといった名称の耐熱合金名が有名ですが、様々な合金名のものが存在します。

Niに耐熱性の高さから、需要な元素と言えます。

低温容器やLNG船舶用に9%Ni鋼があります。

これは、ステンレス鋼並みの特性で価格を抑えることで開発されたものですが、鋼は常温以下になるともろくなる性質があり(これを低温脆性といいます)、低温にさらされても容器が破損しないようにと考えられた、Ni料を少なくして低温用に使えるようにした溶接ができる鋼板です。

ステンレス鋼にもNiは重要です

鉄鋼種では、オーステナイト系のステンレスや耐熱鋼に分類される鋼種のほとんどにもニッケルが入っています。耐熱性、耐酸化性に対してはクロムやニッケルは欠かせない元素です。

工具鋼分野では、昭和50年代まで、ニッケルは鋼の品位を低下させるという考え方が主流でしたが、その後、焼入れ性やじん性を高める効果が見直され、2%程度を加えることで特性の優れた工具鋼などが製造されています。

しかし、鋼などの合金成分は添加量によって特性が大きく変わるので、定常的な効果ということが謳いにくく、このニッケルについても、現状でもいろいろな賛否があります。

形状記憶合金

ここでは、形状記憶や超弾性について、簡単に解説してみたいと思います。

古川マテリアル、大同特殊鋼、アクトメントさんのHP記事を参考にしています。

形状記憶合金には、Ni55%-Ti45%(ニッケル・チタン)の「ニチノール」と呼ばれる合金が有名で、形状回復温度範囲を変えるためにコバルトや銅を加えた製品があります。

【形状記憶とは】

ここでいう形状記憶とは、変形を加えた状態のものを熱を加えると元に戻るような性質で、例えばバネのような部品に力を加えて変形したものにドライヤーで温めると元に戻すことが出来たり、温度を変化させると、バネが伸びたり縮んだりできるなど、様々なものに応用されています。

温度範囲も上記の成分では20℃から100℃程度で回復温度をコントロールできるので、人間の体温を利用してスイッチのオンオフや形状を操作するなど、様々な用途が考えられます。

形状記憶合金の変化図

これは、古川マテリアルさんのHPの図です。

引張試験をすると、通常の金属では(a)のように品物を引っ張ると、弾性領域では加えた力と伸びが比例しますが、それを過ぎると「降伏」といって、引っ張る力に対抗出来なくなって変形だけが進みます。

さらに引っ張ると切れてしまうのですが、切れてしまう前に引っ張るのをやめると、永久変形と書いてある「伸びた状態」になったままです。

形状記憶合金(b)では、この伸びた状態のものを、100℃程度までの温度にすると、伸びたものが縮んでいって、元の状態になります。

【形状記憶と超弾性】

上図の(c)は超弾性という現象の説明図ですが、(b)の形状記憶合金では、温度を上げないと元の状態に戻らなかったのですが、超弾性体(超弾性物質)は、降伏状態を過ぎた時点で引っ張るのをやめると、元の状態に戻ります。

言い換えると、形状記憶合金を形状回復温度において変形させると超弾性体になるということです。このために、形状記憶合金に変形を加えた後に、温度を変化させることで形状変化をコントロールすることが可能です。

形状記憶合金の一般的な使い方は、①ある製品の形状にする ②熱処理をする ③品物に変形(外力)を加える ④元の形状に戻すために温度を加える →③④を繰り返す。というような使い方になります。

【形状記憶合金の熱処理】

②の熱処理温度は400~600℃に加熱して冷却するだけです。

通常は500℃程度で最大の回復状態が得られますが、加熱温度を変えることで、元の形状に戻す「回復温度」(通常は20℃から100℃程度)や回復率を調整できますので、例えば温度によってストロークを変化させるアクチュエーターなどを考える場合は、予備試験をしてその条件を決めます。

形状記憶合金は面白そうで、WEBで探すと、いろいろ販売されています。遊んでみるのも面白いかも・・・
形状記憶合金を探す:楽天

ニッケルアレルギーの話

様々なアレルギーのうちでモノが肌に触れたときに皮膚におこる炎症を接触皮膚炎といい、その原因が金属によるものを金属アレルギーと呼ばれています。

これには20種類ほどが知られており、ニッケル、コバルト、クロム、などに発症例が多いようで、金、銀、チタン、ジルコニウムなどはアレルギーを起こしにくいとされています。

これは、アレルギーの原因が、金属から溶け出してイオンがタンパク質と結合して変化するためと考えられており、金属元素自体はアレルゲンではないとされています。

装飾ニッケルメッキをされたものは多いですし、時計・食器などのステンレス、ブラジャーに用いられる形状記憶合金、硬貨などどこにでもあるものが原因物質になります。

近年ではそれらの対応として、敏感肌部分に直接接触しないようにしたり、原因物質を使わないようにする方向にはなっているものの、有用金属ですので使われなくなることはないので、例えば「パッチテスト」でアレルギー検査をしてもわからないことも多いので、アレルギー反応が出たらその金属類を肌に付着させないようにします。

もちろんお医者さんに行くことをおすすめします。一般的には抗ヒスタミン剤やステロイド外用薬で治療します。

その他のニッケルの話

国際的にニッケルの使用量は毎年4%ずつ増加しているようで、様々な用途に用いられています。

上にあげた以外に、ニッケル水素電池やニッケルメッキの話を書きたかったのですが、これは別の機会にして、旧100円硬貨の話で終わります。

現在の100円硬貨はニッケル25%の銅合金(白銅)で、50円にも同材料が使われていますが、その昔、100円硬貨は「鳳凰」「稲穂」という図柄の銀貨でした。

大きさ、重さは現在と同様で、もちろん純銀ではなく、銀60%、銅30%、亜鉛10%の合金でした。

上に書いた原価の考え方でこれを見ると、現在は銀1gは70円程度ですので、銀価格だけで200円を超えてしまいますので、これを溶かして売ってしまう輩が出てこないとも限りませんので、白銅貨になったのは自明の理でしょう。

前の話を読む → 鉄鋼で重要な合金元素クロム   次の話 → 夢の素材 チタン

スポンサーリンク