硬貨でおなじみのニッケル 

ニッケルの元素記号は「Ni」で、鉄とともに安定な元素で、磁石に引き寄せられます。

磁石につくものはFe(鉄)、Co(コバルト)、Ni で、これらは「鉄族」として「よく似たもの」に分類されますが、NiもCoの単体は、鉄ほどに吸引されませんし、Niを含む硬貨は磁石に付きません。

ステンレス鋼などでも、Feが多いフェライト系やマルテンサイト系と呼ばれるものなどは磁石にひっつきますが、Niが含まれるオーステナイト系(18-8ステンレスと呼ばれる8%Ni含有のSUS304など)ステンレス鋼は磁石につきません。

ステンレス鋼以外にNiを含む合金で話題性のあるものは、Ti(チタン)との形状記憶合金やCu(銅)などの合金で作られた硬貨でしょう。

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。

元素は宇宙での核融合反応で生じたとされますが、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ので、Niは非常に安定な元素ということです。ただし、経口毒性は殆どないようですが、「ニッケルアレルギー」と呼ばれるように、人間の皮膚などは拒否反応が強い元素です。

ここでは、いろいろな用途で使われるニッケルのうちで、硬貨、鉄鋼、形状記憶合金、そして、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。

 

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日本の硬貨の話

日本の硬貨

現在通常に流通している6種類の硬貨のうち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。

日本で流通する硬貨

発行益はウィキペディアの数値ですが、「発行益=額面-製造費用」なので、製造費用は、50円は20円、100円は73円、500円は43円と計算されます。 このように、非常に安くて、そして精工で素晴らしい硬貨が作られていることに驚きます。

硬貨は磁石に付きません

Niは強磁性ですが、これらの硬貨のすべてにネオジム磁石などの強力磁石を近づけてもひっつきません。磁石につくほどの含有量ではないのでしょう。

磁石につかないことは防犯対策上重要なことですが、成分の違いで透磁率などが変わるので、硬貨の自動選別などは利用できます。

もちろん、近年では、非磁性の銅やマンガンなどを強磁性に変える技術なども発明されているので、キャッシュディスペンサーなどの硬化の選別機構も複雑になり、難しくなってきそうですが、しかし、高額な貨幣であれば偽造して儲けることを考える人がいるかもしれませんが、このように、流通する硬貨は小額で、さらに驚くほど低価格で製造されているので、貨幣の贋金つくりは割に合わないと言えるでしょう。

昔の100円は銀貨でしたが・・・

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、大きさ、重さは現在と同様で、銀貨と言っても、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、銀1gは70円前後しますので、5g近い100円硬貨では、銀の価格だけで100円を超えてしまいます。

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、銀貨が「白銅貨」になったのは自明の理でしょう。

 

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(どのような割合でも合金になる)なので、様々な鉄合金を製造することができます。

さらに、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。

後で説明しているステンレス鋼や耐熱鋼にもNiが活躍しています。

「鋼」はFe(鉄)とC(炭素)の合金をいいますが、Feが主成分ですので、耐熱性や耐酸化性は超耐熱合金(Feは50%以下)と呼ばれる合金には勝てません。

この、超耐熱合金はジェット機のガスタービン用などの高温環境に耐える金属ですが、その主成分によって、Fe基(てつき)、Ni基(ニッケルき)、Co基(コバルトき)に分けられ、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。

例えば、ニッケル基のインコネルX750は約73%、ハステロイCは約57%のNi量です。

Niは耐熱性が高いことから、非常に重要な元素と言えます。そのために、戦略物資などに利用されるなどで価格変動が大きく、ステンレス鋼などの価格にも相場の影響を受けます。

 

低温容器やLNG船舶用に9%Ni鋼がたくさん使われています

Niを多く含む鋼は低温に対する強度も強いのですが、高価になるのが欠点で、そのためにLNG運搬容器などは、9%Ni鋼が多用されています。

これは、オーステナイト系ステンレス鋼並みの低温特性と強度があり、さらに鋼材価格を抑えるために開発された鋼種です。

ni鋼比較

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低温容器が破損しないことはもちろん、溶接性しやすいことと「強い」ことに加えてオーステナイト系ステンレスよりも安価です。

 

ステンレス鋼でも、Niは耐酸化性などを増す重要な元素です

上の表にオーステナイト系のステンレス鋼の2種類の成分例を示しましたが、耐熱性、耐酸化性に優れるオーステナイト系のステンレスやオーステナイト系耐熱鋼に分類される鋼種のほとんどに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と同様に、ニッケルは欠かせない合金元素です。

工具鋼分野では、熱処理をして品質向上を図りますが、焼入れにおいて、Niは焼入れ性を高めて品質を高めたり、じん性(強靭性)を高める効果があります。

もちろん、工具鋼の特性は成分だけでなく製造方法や熱処理方法などによって特性が大きく変わるうえに、ニッケルの短所もあるので、有効性を生かして適材適所に用いることが重要です。

 

形状記憶合金

ここでは、形状記憶や超弾性について、古川マテリアル、大同特殊鋼、アクトメントさんのHP記事を参考にして簡単に紹介します。

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す。

形状回復温度範囲を変えるために、ニチノール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したり、ステントのように、血管内に挿入して、体温を利用して拡張させる・・・など、様々な用途への応用が考えられています。

 

形状記憶合金の変化図

これを、古川マテリアルさんのHPの図で紹介します。

これは引張試験の様子を示しています。 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・・・ということを示しているのが(a)の図です。

それが、形状記憶合金では、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、元の状態に戻ります。(b)の図です。

もちろん、通常の金属でも、熱を加えると、残留応力などで少しはもとに戻る場合もありますが、形状記憶合金では、きっちりとした熱管理をすると、その変化が繰り返されます。

(c)は 形状記憶合金ではなくて「超弾性合金」の状態を示しており、引っ張って変形してしまった状態でも、引っ張ることをやめると、元の状態に戻ってしまうのが「超弾性合金」です。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。

この超弾性合金もNiが関係しており、Ni-TiにCrやCu、Feなどを加えたものが製品化されています。

【形状記憶合金の熱処理】

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 そして、→③④を繰り返す。・・・というような使い方になります。

②の熱処理方法は、400~600℃に加熱して冷却するだけです。

ニチノールの場合は、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。

これは、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に使用できるのですが、この動作条件は予備試験をして最良の条件を決めます。

形状記憶合金は面白そうで、WEBで探すと、魚釣の道具、自在ワイヤー、メガネ部品・・・など、いろいろ販売されています。

見ていても、感心するものもありますし、遊んでみるのも面白いですよ・・・
形状記憶合金の製品を探してみる: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す。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、金属から溶け出した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、「金属元素自体がアレルゲンというものではない」とされています。

 

装飾ニッケルメッキをされた製品は多いですし、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、どこにでもある品物にこれらニッケルなどが含まれていますので、周りにある多くの品物があらルギーの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ようになってきているものの、これらの合金は「有用金属」ですので、それを使わないようにすることも難しく、無くすることもないので、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ようです。

そのために、アレルギー反応が出たら、ともかく、疑われる金属類を肌に付着させないようにするようにしましょう。

もちろん、アレルギーを発症すれば、お医者さんに行くことをおすすめします。抗ヒスタミン剤やステロイド外用薬で治療するのが一般的です。

 

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、上にあげた鉄鋼用などを含めて、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ます。

 

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