的な産業へ

自動車用のニッケル：

かつてないほど多く使用 宇宙用のニッケル：

宇宙飛行エンジン めっき産業の見直し：

よりクリーンでより効率

的な産業へ

ニ ッ ケ ル と そ の 用 途 の 情 報 誌

永続性： シンガポール

のスポーツク

ラブ施設の屋

根の寿命

1900年代の最初の10年間の終わりまでには、クロム鋼及 びクロムニッケル鋼の諸特性がもっと良く理解され始めて いた。そしてこのことからいくつかの国の冶金学者がそれ ぞれステンレス鋼を開発することとなった。

ドイツのKrupp工場で、Eduard MaurerとBenno Strauss が高温用の多くの合金を試験しており、まもなくクロムが 20％以上のステンレス鋼は非常に優れた耐食性があるこ とを発見した。それから彼らはクロム20％、ニッケル7％の オーステナイト系合金V2Aを開発した。この組成は、今日 に至るまで最も多く生産されているステンレス鋼合金であ る18－8もしくはAISI304(UNS S30400)鋼種に非常に近 い。V2Aは多くの様々な環境で並外れた耐食性を有し、特 に硝酸に対し役に立つことが分かった。現在硝酸に対し最 も一般的に使用されている合金は、いまだにこの合金で低 炭素型の304L(S30403)である。V2A合金は1912年にドイ ツ特許を取得した。初期の用途は、実際は大部分が工業用 と思われる。

MaurerとStraussは、同時に、V1Mと呼んでいた約クロ ム14％とニッケル2％を含有するマルテンサイト系合金 であるニッケル含有焼入硬化型ステンレス鋼の特許も 取得した。ニッケルの添加が硬化状態で合金の靭性と耐 食性とを増大させる。AISI414(S41400),422(S42200)

、431(S43100 )といった合金をはじめとして、今日使用さ れているマルテンサイト系鋼種のいくつかは、ニッケルが 添加されている。また、溶接性をよくするためにニッケルを 含むマルテンサイト系の410NiMo(S41500)や主に沖合の 石油ガス産業で使用されているスーパーマルテンサイト鋼 種といったものもある。

これら二種類の合金から作られた製品が、1914年にスエ ーデンのMalmöで開催されたバルチック博覧会のドイツパ ビリオンに展示された。不幸にもその年の夏に第一次大戦 がはじまり、4年にわたる戦争の間、鉄鋼生産を軍事用途に 流用することが必要になった。

イギリスのシェフィールドでは、独学の冶金学者のHarry Brearleyが銃身の耐摩耗性を向上させるためクロムー鉄 合金を研究し始めた。実験では初期の目標は達成されなか ったが、Brearleyは、クロムが多い合金ほどそれらのミクロ 組織を明らかにするにはより侵攻性のあるエッチング液が 必要であるという事実に驚いた。彼はまた、これらの合金は 湿気にさらされてもさびないことに気がついた。1913年、

彼は12.8％のクロムと0.24％の炭素を含有する商業用の マルテンサイトステンレス鋼の鋳造品を 初めて製造した。

Brearleyは、最高の性質を得るために適切な熱処理を慎重 に行なった。彼はまた、正しい鍛造温度にすることがその材 料を容易にかつ満足がいくように確実に成形できることを 理解した。

Brearleyの合金で大きな可能性のある用途のひとつは家 庭用刃物類で、1914年に最初のナイフ用の鋼片が1914 年に鍛造されたのは大いに彼の頑固さのおかげである。

シェフィールドの様々な刃物業者がBrearleyのステンレス 合金を注文し始めたが、しかし再び戦争によりその商品化 が妨げられた。わずかにクロムの含有量が多いものを含め て、この種の鋼の大部分は戦争のために使われた(主には 航空機エンジンのバルブ用)。大英帝国ではこの鋼の特許 は全く申請されなかった。最初の特許は、1915年にカナダ で取得され、その翌年に米国で取得された。

Brearleyは最初、この金属が｢さびない鋼｣と呼ばれるの を好んだ。しかし、R.F.Mosley刃物工場のマネージャーの Ernest Stuartは「ステンレス」という名前を好んだ。酢で ナイフの合金を試験した後、彼は「この鋼はしみがつかな い。」といったと言われている。この名前がすぐに流行し た。Brearleyはしばしばステンレス鋼の発見者として認め られており、確かにステンレス鋼を一般に広めた張本人で ある。

次号では、米国における初期のステンレス鋼の開発を見る ことにする。

ステンレス鋼の歴史　３

最初の商業用ステンレス鋼

Eduard Mauer Benno Strauss Harry Brearley 初期の食卓食器類

写真「ライジング」：CRAIG WHITE, URBANTORONTO.CA ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） ニッケル: 焦点 3

ニッケルとその用途の情報誌 発行：ニッケル協会

プレジデント： Dr. Kevin Bradley 編集発行人： Stephanie Dunn [email protected]

デザイン：　Constructive Communications, Design 住所：

Nickel Institute Nickel Institute Eighth Floor Avenue des Arts 13-14 Brussels 1210, Belgium Tel. 32 2 290 3200 [email protected]

本誌は読者への一般情報提供を目的としており、しかる べき助言を確保せずして、いかなる特定の目的あるい は用途のために使用もしくは依拠されるべきではない。

本誌は専門的に見て正確であると信じられるものであ るが、ニッケル協会とその会員、スタッフ及びコンサルタ ントはあらゆる一般的な、もしくは特定の目的のための 適合性について、何ら表明もしくは保証するものではな く、また本書に示されている情報に関して、いかなる種 類の義務もしくは責任を負うものではない。

ISSN 0829-8351 印刷：カナダ。再生紙使用。

表紙： 構成：Constructive Communications

写真：iStock Photo:©Uyen Le 屋根の画像：Millenium Tiles

目次

焦点

編集者記 . . . 3

特集

中国の電気めっき団地. . . ４, ５ 自動車のコーティング. . . 8, 9

シンガポールの

中華スイミングクラブ . . . ６, 7 Zhang Huanの「ライジング. . . 10 コンプレッサーホイールと 無電解ニッケル被膜. . . 14 ハードデスクドライブ . . . 15 スパークプラグ . . . 16

Sabreエンジン . . . 11 火星上のキュリオシティ. . . 12,13 UNS詳細 . . . 14 ウエブリンク . . . 15

小さくかつ必須

様々な形でその特性を活用しているニッケルが我々に確実に、一貫し て、効率的にそして安全に行なうことを可能にしているのは、しばしば 小さな物、あるいは隠れて見えない物である。

自動車の表面あるいは表面下に多くの例が見られる。あなたはそこに信頼で きるイグニッション(16ページのスパークプラグの記事参照)、より完全な燃焼 と少ない排気ガス(14ページのコンプレッサーホイールの記事参照)そして 高反射性の表面、美しい細部の装飾および自動車の廃棄段階で自動車用フ ァスナーのカドミをニッケルに代えたことで環境にやさしい結果が得られて いる文字通り何百というニッケルの小さな用途を見つけるでしょう(少量のニ ッケルが大きな相違を生んでいるたくさんの場所は8～9ページを参照)。

こうした多くの品目は、一つの材料の層(あるいは、最終製品に望まれる特性 によるが、多くの材料の多重層)に別の材料を重ねることが含まれており、ニ ッケルはこうした多重層技術を可能にする優れた特性を有している。めっき あるいは表面処理技術は、環境と安全という課題を克服してこなければなら なかった。この２０年間にこの業界の操業には大きな変化があった。４ペー ジと５ページでわかるように、中国では多大な努力がなされつつある。めっき 工業団地で産業効率が上がることが期待できる一方、空気や水といった環境 面が改善され、労働者とその家族の生活の質も向上することが期待される。

本号でもまたステンレス鋼の一世紀にわたる貢献をヨーロッパにおけるいく つかのステンレス鋼の最初の商業用途についての記事でふりかえっている。

６ページと７ページでは非常に現代的な用法―シンガポールの複合プール 施設のトップにある電気化学的着色をしたカラーステンレス鋼の屋根につい て知ることができる。美的外観の話題は１０ページにもある。ここでは、すで にトロントのダウンタウンのランドマークとなっている、画家で詩人のZhang Huanの並はずれた新しい彫刻「ライジング」にハイライトをあてている。

動き回る宇宙実験室のCuriosityが火星の表面を探検しているようにあなた が探検できることが本号にはもっとあります(12、13ページを参照)。今後は、

ニッケルが可能にしている小さなもの、見えないもの、絶対必要なものを念頭 において、本号で取り上げたものの展開やその他の発展をさらに今後のニッ ケル誌で探究して行くつもりです

Stephanie Dunn

Editor, Nickel Magazine

ニッケル誌編集者

4 特集   ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

4 特集   ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

中国は製造業の急成長と共に、国内で電気メッキ需要が 増加を続けています。現在、中国にはおよそ15,000の電 気メッキ企業があり、年間売上は2,000万人民元(300万 米ドル以上)を上回ります。実際、電気メッキ産業は中国 経済全体を支える支柱の一つであり、現代の厳しい環境 条件を満たすため急激に変貌しつつあります。

中国では、電気メッキ作業のほとんどを大規模な工業団 地で行っており、そうした工業団地は産業発展のために 区画と計画が定められています。これまでに30を超える このような工業団地が完成しています。中でも広東省江 門市のYamen電気メッキ工業団地は最大規模で予定床 面積は130ヘクタールに達します。

新規事業用区画は床面積が40.5ヘクタール、予定総投資 額は約20億人民元(約3億2,000万米ドル)であり、電気メ ッキされる表面積の生産容量は年間200万m

を上回りま す。これまでに完成した施設は主に排水処理施設など環

境保護のための施設です。

Yamen電気メッキ工業団地に対する総投資額は現在ま でに15億人民元(2億4,000万米ドル)を超え、そのうち約 10億人民元(1億6,000万米ドル)が建設資金、5億人民元 (8,000万米ドル)が入居企業の出資金です。電気メッキ工 場の面積は300,000m

を上回り、工業団地のインフラの 多くがこの中にあります。60社を超える電気メッキ企業が この工業団地への入居契約を結んでおり、その半分がす でに生産を開始しています。

汚染防止が引き続き優先課題

2007年、汚染源に対する調査によって、金属製品産業 による重金属汚染物質の排出量が全国平均の20倍に達 していることが明らかになりました。近年では重金属の漏 出が関係する事故件数が増加しています。しかし2009年、

国家環境保護当局は重金属汚染に対する全体的な管理 を強化しました。中国環境保護部が他の部局および委員 会と共に「重金属汚染の予防と管理の強化に関する指導 意見」を定めました。この「指導意見」は、重金属汚染の 予防と管理のための5ヶ年計画の策定と共に、有効な管 理措置を2015年までに実施することを求めています。そ の内容は次のとおりです。

・ 表面処理と熱処理を行う産業は、工業団地の管理と 集中的な汚染防止を実施しなければならない。

・ 広東省珠江デルタの電気メッキ産業は、統一的な計 画体系に基づいて建設を行うと共に、工業団地の管理 と集中的な汚染防止を実施しなければならない。

・ 汚染防止施設を完備した特定の工業団地を除いて 電気メッキ企業は工場を建設してはならず、既存の企 業は重金属の排出限界に合格しなければならない。

Yamen工業団地は入居企業に対し支援サービスと汚染 物質処理施設を提供し、約4億人民元(6,500万米ドル)を 環境保護のために投資しています。

排水は、浄化した上で各種の電気メッキ企業に供給し再 利用されています。同様に、この工業団地には電気メッキ の技術的特性に良く適した排気処理施設もあります。こ れによって工業団地の大気の質は国家基準を満たし、好 適な労働環境作りに寄与しています。

実施されている電気メッキの種類は、黒ニッケル、パール ニッケル、硬質クロム、模造金、フレンチゴールド、青銅で す。新規企業の参入によって種類はさらに増える見込みで す。団地内に品質改善のために技術支援する電気メッキ に関する専門技術者チームが設置される計画です。

中国では今後も製造業の成長が継続し、その結果電気メ ッキ団地でも様々な改善が期待されます。産業集中は改 善され、より強力な公害防止が確立され、排水は集中処 理され、工場の配置やワークフローの最適化によって土 地資源の利用が集約化し、あらゆる種類の電気メッキプ ロセスを一つの団地で提供できるようになります。そうな れば、もっと進んだ技術の導入によって加工処理効率を 高め、より大きなエネルギー効率の改善とより少ない廃 棄物を実現することも可能になります。労働者も恩恵を 受けます。より安全でより清潔、しかも管理の行き届いた 環境で働き、最先端の技術や設備などにどこよりも早く 触れることができるようになるからです。こうしたすべての 点から、電気メッキ産業が省エネルギー、汚染削減、最 適な効率という持続可能な路線を進んでいることを示し ています。

労働者も恩恵を受けます。より安全 で清潔、しかも管理の行き届いた環 境で働き…

中国の電気メッキ団地：

成長を導く強い流れ

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BOMBARDIER MOVIA METRO © 2011, BOMBARDIER INC. OR ITS SUBSIDIARIES.写真：BEIJING SURFACE ENGINEERING ASSOCIATION ARTIST’S CONCEPT: YAMEN ELECTROPLATING INDUSTRIAL BASE

ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） 特集 5

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メッキ団地のチャート。

中国の電気メッキ団地：

成長を導く強い流れ

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空中写真：ISTOCK PHOTO:©UYEN LE 写真：MILLENNIUM TILES

6 注目される用途 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

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6 注目される用途 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

第一級の屋根

写真：MILLENNIUM TILES

シンガポールののどかな東海岸にある中華スイミングク ラブは、水泳ばかりでなく水球、バスケットボール、テニス、

スカッシュ、バドミントンなど様々なスポーツにおける輝か しい90年の歴史を持っています。

現在、このクラブにはもう一つの自慢したいものがありま す。それはニッケル含有ステンレス鋼を電気化学的に着色 したタイルだけでできているまばゆいばかりの屋根です。

モザイク状のこの屋根を設計したのは米国ウィスコンシン 州ElkhornのMillennium Tiles社です。シンガポールは降 水量が多いため(年平均2,340mm)、同社は雨への露出が 多い用途で高性能を発揮するType 304(UNS S30400)ス テンレス鋼を選択しました。

このタイルは、高性能の注文色が全種類入手可能です。着 色プロセスはステンレス鋼自身の化学に基づいて多彩な 色を作り出すため、決して太陽光線の暴露による色褪せ や、はがれ、傷などは生じません。しかもこのプロセス

は実際にステンレス鋼の耐食性も高めます。

可視光線はプリズムのように異なる波長に分 かれ、それが酸化物表面内に複数の色を 作り出します。酸化物は太陽の紫外 線によるダメージを受けません。

色は日中の光の条件に応じて 変化し、自然環境を反映

します。タイルの色彩

変化は有機物で見いだされるものと同様にわずかなもの です。Millennium Tiles社の創立者であるWalter Hauk社 長はこう説明します。「このような色の変化がタイルに目を 引く美しさと共に自然な外観を与えるのです。」

本来、着色プロセスは電気化学的であり、高温で酸化性 の酸を使用し、200～400ナノメートル近くの厚さのステン レス鋼に自然発生する酸化クロムを強化します。この酸化

物が入射光を反射して、色素をまったく添加しなくてもレ インボー効果を作り出します。これを「光干渉色」と呼び ます。

「ブルー、紫、ピーコック、緑だけでなく、小麦、青銅、ねず み色の色も作り出すことができ、どの色も設計者や建築家 にとって大きな魅力があります。その外観を決定するのは、

その下にあるステンレス鋼の仕上げです」

Type 304のニッケル含有ステンレス鋼が選択された理由 は主にその耐食性であり、これはシンガポールの海洋性 環境にとって特に重要な点です。大量の雨が降るため金 属表面に塩化物が蓄積しにくく、孔食のリスクは低減され ます。フェライト系ステンレス鋼はモリブ

デンを添加しない限り304に及び ませんが、添加したとしてもフェラ イト系にはニッケル合金系の非常 に優れた成形性が不足しています。

ステンレスタイルの重さは1m

当たり 4.5kgしかなく(平方フィート当たり0.9ポ ンド)、取り付けが容易です。それに対しア スファルト屋根板はその3倍を超える重量が あり、セラミックやコンクリートのタイルに至っ ては16倍です。Millennium Tiles社の製品は、最 高風速毎時250km(時速155マイル)の風力試験にも 合格しています。

「UV光線によってその色が変化することがないので、こ の色はステンレス鋼の寿命と同じだけ持続します。」と Hauk社長は語り、こう付け加えました。このプロセスを利 用した最初の製品は1970年代後半から1980年代に製造 したファサードですが、今日に至るまで品質は劣化してい

ません。

…同社は雨への露出が多い用途で高 性能を発揮するType 304ステンレス 鋼を選択しました。

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ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） 注目される用途 7

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8 特集 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

ニッケルは何千という多彩な用途に 用いられていますが、人々がそれに 気づくことは少なく、そもそもニッケル がそこで利用されていることさえほと んど知られていないでしょう。たとえ ば、2011年に製造された8,000万台 の自動車、具体的には6,000万台の 乗用車と2,000万台のあらゆる種類の トラックの1台1台に、何らかの形でニ ッケルが用いられています。

このページに掲載した図には、ほとん どの自動車でニッケルがどこに使用 されているかを示しています。必ずし もすべての自動車がすべての用途に ニッケルやニッケル含有合金を使用 するわけではありませんが、ニッケル を選択する理由は予想でき、かつ重 要なものです。すなわち耐久性、高性 能、美しさです。

ここに図示していない電気自動車や ハイブリッド自動車にも、同じくニッケ ルの最終用途が数多くありますが、そ れに加えてバッテリーではニッケル水 素電池および自動車用途に新開発さ れた多くのリチウムイオン電池の両方 の電池でニッケルは不可欠な役割を 果たしております。

耐久性のためのコーティングと合金

運転環境の中には特に苛酷なものも ありますが、全体的に見ると、たとえば 排気系統は、弱酸性の燃焼排気中に存 在する水分にさらされています。排気 系統の部品が故障する場合、部品は腐 食の結果として内部から「腐敗」してい るのが普通です。ここ数十年の間に、ス テンレス鋼が排気系統部品にとってほ ぼ標準的な素材になりました。11%の クロムのみを含有しニッケルを含有し ないフェライト系ステンレス鋼のType 409(UNS S40900)とその改良製品が 現在のところ多くを占めますが、最も苛 酷な環境で必要とされるより高品質の 系統では、Type 304(S30400)などのニ ッケル含有オーステナイト系ステンレ ス鋼を採用しています。

ニッケルには高温の苛酷な大気中でも 硬質で耐摩耗性に優れた表面を形成 できる能力があるため、ピストン、シリン ダーライナー、ターボチャージャー、

ブレーキ系統に採用されています。ニ ッケルは(場合によってはクロムととも に)耐摩耗性を主な理由としてそこに 採用されるようですが、それに加えて 燃費改善という利点もあります。これ は許容誤差が小さく、それを部品の寿 命を通じて維持できるからです。

デザインとスタイルは自動車産業の 中核部分であり、特定のモデルが市場 で成功を収めるためには不可欠です。

そのためデザイナーは、複数の材料基 板にしっかりと付着し、しかも魅力的 な外観を備えたニッケルの能力を選

高耐久性、高効率、そして「より環境に優しい」輸送を可能にしている

自動車用ニッケル

製造された8,000万台の

自動車の1台1台に、何

らかの形でニッケルが

用 い ら れ て い ま す

(2011年)。

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ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） 特集 9

Close up of Nickel chloride hexahydrate w

の写真：SHUTTERSTOCK

択し利用しています。またニッケルは クロムなど装飾的な仕上げ層の基板 にも利用できます。

そのほかの多様な用途

ニッケルは車両メーカーやエンジン 種類に応じて、他の様々な用途にも用 いられています。たとえばスパークプ ラグ、ディーゼルバルブ、触媒サポー ト、サーモスタット、ターボチャージャ ーのホイールと鋳造物、ギヤ、ドライ ブシャフト、エアバッグ部品、燃料およ びブレーキのラインなど数多くありま す。

変わりつつある材料の仕様

人間の健康や環境にリスクをもたら す可能性のある材料への懸念から、

少なくとも世界の一部の地域ではカ ドミウムや鉛の使用を(自動車の鉛蓄 電池以外でも)やめようとする動きが 生まれており、こうした動きが世界市 場では次第にメーカーにとっての標 準になりつつあります。ニッケルはし ばしば錫、亜鉛などの金属と組み合わ せて無鉛はんだやカドミウム非含有 の代替製品を作り出しています。これ

らの用途で自動車1台当たりに使用さ れるニッケルの量はごくわずかです が、毎年、何億個という部品が何千万 台もの自動車に用いられる状況なの で、部品の耐久性、効率、環境適合性、

外観の魅力を高めるために使用され るニッケルもかなりの量に達していま す。

自動車におけるニッケルのコーティン グと合金の図のオリジナルは、米国表 面処理協会(NASF)とニッケル協会が 作成したものです。

1. Stainless steels – mufflers, catalyst, wiper, fasteners, clamps, springs, etc

2. Alnico magnets – generators, motors 3. Ni alloys – heating elements, exhaust

valves

4. Ni alloys – pistons, cylinder liners, turbo- chargers, gears

5. CuNi alloys – brake fluid lines 6. Spark plug alloys

1. ZnNi plate on fasteners, fluid tubes 2. Ni plate under decorative chrome

3. Electroless Ni for wear, corrosion – pistons, suspension, brake systems, fuel lines, gears 4. Decorative Ni

5. Ni plating on Mg

6. Electroless Ni plating on plastics

7. Ni plating for electronic circuits, substrates 8. Electroless Ni/Pd/Au for wire bond,

Pb-free soldering 1. ZnNi plated fasteners

合金 OEMコーティング

グリーンコーティング

写真：CRAIG WHITE, URBANTORONTO.CA

ステンレス鋼の彫刻家、危機に

「立ち上がる」

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無類の能力を持つ点を主な理由とし て、ニッケル含有Type 316ステンレ ス鋼を選択しました。この彫刻はコ ンテナ5台でトロントまで海上輸送 され、現地で組み立てられました。

張洹がステンレス鋼を選んだその他 の理由には、硬度、溶接性、洗浄の 容易さ、耐食性(トロントの車道や 歩道には冬季に大量の塩を散布する ため、この点は特に重要です)があ ります。張洹はこれまでもステンレ ス鋼で作品を制作してきました。た とえば2010年、張洹は上海万博のた めにステンレス鋼で一対のパンダの 彫刻を作りました。

「ライジング」は制作に2年を要しま した。昨年5月の除幕式の際、張洹 はその式典のために書いた散文詩を 朗読しました。それは、集まった著 名人やゲストに対して彫刻自身が語 りかけるかのような一人称の詩でし

た。翻訳するとこうなります。

「我が名はライジング。獣として生 まれたが、大地を離れ天に昇ろうと している。そこは美と調和が支配す る神話のような夢の世界。その夢の 世界こそがトロント。そこで私は長 い時を生きていくのだ。」

ニッケル含有ステンレス鋼の美しさ と耐久性を示すこれ以上の証がある でしょうか。

唆しています」とパフォーマンスア ーティストとしても有名な張洹は述 べています。「私が伝えようとした メッセージは、人間は自然と調和し て生きることが可能であり、私たち の都市も、こうした繊細なバランス を保つことができればもっと暮らし やすい場所になるということです。」

「私は、モンスターのような形の木 の作品により生態系の保護に加え て、人間と自然との調和のとれた関

係を提唱しています…。人類と自 然とが共有し得る美しい都市生活が 私の願いです。」

この彫刻は、新たにオープンしたシ ャングリラ・ホテルと居住区画であ るリビング・シャングリラ・コンド ミニアムの入口を飾っており、高さ 10m、長さ19m、重さが約22トンで す。

彫刻の足元には光を反射して輝くプ ールがあり、すでに複雑なデザイン に、さらにこれが加わっています。

張洹が拠点を置く上海スタジオで 働くアシスタントの 一人Yolandaによ れば、張洹は光 を 反 射 す る 昨年の春、カナダ・トロントにある

オンタリオ美術館が、著名な中国人 アーティスト張洹(Zhang Huan)によ る線香の灰を使った絵画や彫刻を施 した木の扉を展示しましたが、同時 期にこのアーティストによる永続 的な屋外設置彫刻の除幕式が行われ ました。それは美術館の中ではな く、数ブロック南にあるトロントの

金融街の屋外でのことです。

「ライジング」という名のこの彫刻 は、張洹のウェブサイトの説明によ れば「私たちを取り巻く世界の哲学 的反映」としてデザインされまし た 。 鏡 面 仕 上 げ の ス テ ン レ ス 鋼 (Type 316、UNS S31600)ですべてを

制作したこの作品は、世界平和の 象徴である鳩が無数に空を飛ぶ 様と、龍の胴体を思わせるねじ れた木の枝とを表現していま す。「この彫刻は私たちの住 む地球が直面する

危 う い 状 況 を 示

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10 注目される用途 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） ニッケルによる技術革新 11

写真：CRAIG WHITE, URBANTORONTO.CA 写真と図©REACTION ENGINES LIMITED

宇宙技術が持つあらゆる可能性を実現するためには、軌 道投入に要する費用を削減する必要があり、そのための鍵 となるのは、成層圏を超える航空機に動力を供給するハ イブリッドロケットエンジンかもしれません。

そのエンジンでニッケル合金が重要な役割を担っています。

英国オックスフォード近郊にあるカルハム・サイエンス・セ ンターで、Reaction Engines社はSABREエンジンの開発を 進めています。SABREエンジンは、空気吸入方式と従来型 ロケットエンジン方式という二つの方式で作動します。

この2方式により、航空機での輸送を要する酸化 剤重量を大きく低減すると共に、使い捨ての 大型打ち上げロケットが不要になります。

Reaction Engines社の技術担当重役であ るRichard Varvillのような人々にとって、

単一段の推進システムによる地球軌道投 入は、宇宙飛行設計における究極の次のス テップです。Varvillは言います。「現在、宇 宙に行くのにかかる費用は1回の打ち上げで 約1億5,000万米ドルです。我々はこの費用を少 なくとも10分の1に減らすことを目指しており、願わ くは約1,000万ドルにしたいと考えています。」

た だしV a r v i l l が 説 明 するように 、空 気 吸 入 式 ロ ケ ットエ ン ジ ン の 作 動 に は 技 術 的 な 問 題 点 をと も な い ま す。「 空 気 は 、エ ン ジ ン の 燃 焼 室 へ の 噴 射 前 におよそ14 0 b a r まで 圧 縮 する 必 要 が あり ま す。この 圧 縮 作 業 に よって 空 気 温 度 は 数 千 ℃ にまで達します。これはエンジンの構成部品が瞬時に溶融 するほどの温度です。」

こうした危険な温度上昇を避けるため、SABREは予冷却 器系統に新しい超軽量の高性能熱交換器を設置し、それ により空気温度をほぼ液状になる段階まで低下させていま す。これを可能にする技術の鍵がニッケルです。

熱交換器は、圧力200barの低温気体ヘリウムを使って吸気 をマイナス150℃前後に予冷しなければなりません。また熱 交換器は、海水面における10℃から航空機がマッハ5(音速

の5倍かそれ)以上で飛行する際の1,000℃まで変 化する外気温にも対応する必要があります。

こうした熱交換器の配管に用いられているのがニ ッケルクロム超合金Inconel®718(UNS N07718)であ り、これがエンジン設計にきわめて重要な役割を果たして います。Varvillは言います。「約52%ニッケルを含んだこの 合金を使うのには、当然の理由がいくつもあります。これ は高温用途であり、Inconel 718は優れた引張強度とクリ ープ強度を持ち、酸化や腐食に対してとてつもなく高い耐 性を示すからです」

Reaction Engines社はすでに初めての完全な予冷却器シ ステを作り、現在カルハムで試験中です。一方、同社のチー ムは開発プロセスの次の段階を計画中です。Varvillは言 います。「次の段階ではSABREエンジンの全体から部品レ ベルまで詳細な設計が含まれます。さらに2～3台の小型 実証エンジンも製造します。1台は地上における空気吸入 式実証エンジンで、カルハムで液体水素燃料で運転しま す。もう1台は実証用のロケットエンジンで、ヨーロッパのど こかで試験を行います。」

はるか上空の彼方へ

ニッケルクロム合金が費用効果の高い宇宙飛行の実現を促進する

Ni r SABREエンジンは基本的には閉サイクルロケットエンジ ンであり、付属する予冷ターボコンプレッサーが燃焼室 へ高圧空気を供給します。

v SABREの作動に不可欠な予冷システムの熱交換器は その52%がニッケルです。

12 ニッケルによる技術革新 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

画像：NASA/JPL－CALTECH/MSSS

r 左上：打ち上げ前に試験を受けているキュリオシティ 。 r 最上段：火星探査機キュリオシティ、アーティストによるコンセ

プト図 。

r 右上：ニッケルを含んでいた石「ジェイク・マティアビッチ」。赤 の斑点がレーザーの標的であり、円形部分はアルファ粒子X線分光 計で分析した領域です。

宇宙空間の真空や火星の低温大気が電流生成

に必要な温度差を作り出し、この装置のニッケ

ル製「ホットシュー」が反応熱を伝えます。

画像：NASA

ISTOCK PHOTO © HEIDI KRISTENSEN

ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） ニッケルによる技術革新 13

2012年8月にNASAのキュリオシティが火星の地表探査を開始し て間もなく、地球上から操作する制御装置がレーザーとX線のプ ローブを用いて、奇妙な色をした岩石、通称「ジェイク」の分析を 行いました。発見した様々な元素の中に、まさにその計器への電 力供給に寄与する一つの元素がありました。ニッケルです。

キュリオシティは、昨年夏に水と生命の痕跡を求めて火星のゲー ルクレーターに着陸した移動式の科学研究施設であり、汎用放射 性同位体熱電発電機(MMRTG)を搭載した初めての宇宙機で す。MMRTGは基本的には、核燃料の崩壊熱を電力に変換する搭 載型発電装置です。

燃料のプルトニウム238はおよそ125ワットの電力を発電し、これ はロボット型ローバー「キュリオシティ」搭載の計器、コンピュー タ、通信システム、機械システムを作動させるのに十分な電力で す。それに加えて2,000ワットの熱エネルギーが、宇宙空間におい ても火星の地表においても、これらのシステムを所要の作動温度 に維持します。

プルトニウムの自然崩壊で生じる熱を電流に変換するのが熱電 対―2個の異種導電性金属―で宇宙空間の真空や火星の低温大 気が電流生成に必要な温度差を作り出し、この装置のニッケル製

「ホットシュー」がその反応熱を伝えます。

「MMRTGには可動部品が一つもなく、それゆえ非常に頑健で す。」とRocketdyne社のLarry Trager本部長は言いま す。Rocketdyne社は米国エネルギー省と協力してこの発電装置 を開発しました。Tragerは、このシステムは「最も苛酷な環境下で も作動できる。」と付け加えます。

この発電装置は、米国の宇宙機を作動させるために用いられてき た一連の原子力電源の8番目の製品です。以前の製品はアポロミ ッションにおける衛星や、ボイジャーなどの深宇宙探査機に用い られており、ボイジャーでは1977年の発射から30年以上が経過 してもなお作動を続けています。

この発電装置のおかげで、宇宙機は太陽光線があまりに微弱で ソーラーパネルを利用できない深宇宙や惑星表面でも活動する ことができます。またソーラーパネルには火星大気中のダストが 積もり、パネルの有効性と寿命を低下させます。

こうした柔軟性はキュリオシティの使命にとり不可欠でした。小型 車サイズのローバーは、行き先が決まる前に設計されたものであ り、MMRTGは昼が短く冬が長い火星で太陽光線が当たりにくい

環境の高緯度地でもローバーが作動できることを保証していま す。

円筒形のMMRTGはコンパクトです。長さ66cm、直径64cmしかな く、ローバーの重量900kgのうちわずか43kgを占めるに過ぎませ ん。

ローバーの製造にはステンレス鋼やその他のニッケル含有合金 が用いられました。MMRTGの配管の一部は304L(S30403)およ び316L(S31603)ステンレス鋼製であり、ニッケルクロム合金 Inconel® 718(N07718)製のナットとボルトがローバーの構造体 であるアルミ部品の多くを連結しています。合金718は、高い強度 を維持して650℃までの温度に耐えることができます。

さらに、火星の岩石の化学分析を実施する計器APXS(アルファ粒 子X線分光計)の較正のため、ニッケルプレートが基準標本の玄 武岩質岩を保持しています。

ローバーは8月の着陸以来、性能を存分に発揮し、NASAは予定し ていた2年の使命を延長しました。MMRTGは少なくとも14年の 耐用年数を持つと評価されていますが、キュリオシティはそれより もっと長く火星の地表をつつき回すことになるかもしれません。

「すでに決定しました…。科学的に可能な限り、キュリオシティを 運用し続けます。」とNASA科学ミッション局副局長John Grunsfeld は述べています。きわめて苛酷な火星の環境下でキュリオシティ が機能し続ける上で不可欠な構成部品の一部にニッケルとニッ ケル合金が存在します。

r

Ni

キュリオシティはニッケルを利用

して火星上で発電

UNSの詳細

UNS No. Al B C Cb Co Cr Cu Fe Mn Mo Ni P S Si Ti V W

N06600

p. 15 - - 0.15

max. - - 14.00-

17.00 0.50 max. 6.00-

10.00 1.00

max. - 72.0-

min - 0.015

max. 0.50

max. - - -

N06601

p. 15 1.0-

1.7 - 0.1

max. - 1.0

max. 21.0-

25.0 1.0

max. rem. 1.0

max. - 58.0-

63.0 - 0.015

max. 0.50

max. - - -

N07718

p. 11, 13 0.20- 0.80 0.006

max. 0.08

max. 4.75- 5.50 1.00

max. 17.0-

21.0 0.30

max. rem. 0.35

max. 2.80- 3.30 50.0-

55.0 0.015 max. 0.015

max. 0.35

max. 0.65-

1.15 - -

S30400

p. 2,7,8,13 - - 0.08

max. - - 18.00-

20.00 - - 2.00

max. - 8.00-

10.50 0.045 max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

S30403

p.2 - - 0.030

max. - - 18.00-

20.00 - - 2.00

max. - 8.00-

12.00 0.045 max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

S31600

p.10,15 - - 0.08

max. - - 16.00-

18.00 - - 2.00

max. 2.00- 3.00 10.00-

14.00 0.045 max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

S31603

p.2 - - 0.030

max. - - 16.00-

18.00 - - 2.00

max. 2.00- 3.00 10.00-

14.00 0.045 max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

S40900

p. 8 - - 0.08

max. - - 10.50-

11.75 - - 1.00

max. - 0.5-

max. 0.045 max. 0.045

max. 1.00

max. 6xC-

0.75 - -

S41400

p. 2 - - 0.15

max. - - 11.50-

13.50 - - 1.00

max. - 1.25-

2.50 0.040 max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

S41500

p.5 - - 0.05

max. - - 11.5-

14.0 - - 0.50-

1.00 0.50- 1.00 3.50-

5.50 0.030

max. 0.030

max. 0.60

max. - - -

S42200

p. 2 - - 0.20-

0.25 - - 11.00-

12.5 0.50

max. - 1.00

max. 0.75- 1.25 0.50-

1.00 0.040

max. 0.030

max. 0.75

max. - 0.15-

0.30 0.75- 1.25 S43100

p. 2 - - 0.20

max. - - 15.00-

17.00 - - 1.00

max. - 1.25-

2.50 0.040

max. 0.030

max. 1.00

max. - - -

ISTOCK PHOTO © LEE PETTET

写真：COLLINI GROUP

14 注目される用途 ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号）

近年、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの設計者は自動 車の燃費を飛躍的に向上させている。現在のエンジンは、わずか ２～３年前に製造されたエンジンよりはるかに燃費が良くなって いる。性能が増すと同時に、そうしたエンジンからの有害な排気 ガスの排出も大幅に減っている。燃費に関連した総合的なエン ジンの性能の向上は温室効果ガス排出削減と化石燃料の保存 に極めて重要なことから、そうしたことはすべて良いニュースで ある。

最近の一つの革新的なものは、作動能率を高めるためにエンジ ンンの排出ガス再循環系についている小さなアルミ合金「コンプ レッサーホイール」である。このホーイールは、800℃で排ガスを 動力とするチタニウム製タービンに連結したシャフトに接続して おり、毎分250,000回転しなければならない。

このコンプレッサーホーイールの性能に重要なのは、オーストリア

のHohemsのColliniグループにより開発された厚さ30ミクロンの 無電解ニッケル―リン合金保護被膜である。このホイールの要 求性能はまさに注目に値する。250℃(480℉)の排気系の熱の中 で機能しなければならない。それはエンジン系全体の寿命と同 じでなければならないことを意味する。耐用期間中ずっと炭素の

「コークス化」を防止するために油分と反応しない特性と共に、

排出ガスによる腐食への優れた耐食性、固体粒子からの保護を 提供しなければならない。

基本的な構成部品はアルミ合金で製造され、使用される被膜 技術は250℃(480℉)を超えてはならない。さもないとアルミ合 金基質が再結晶化し、機械的強度の低下を引き起こし、したが ってホイールが損傷する。無電解ニッケルは、過酷な稼働環境 に耐えるだけでなく、被膜工程で使用される溶液の温度が約 90℃(195℉)－ベースメタルの再結晶化に危険なレベルよりはる かに低い温度ーで作業することから選択された。

ホイールの改革

無電解ニッケル被膜が自動車のエンジンの効率を高める

Ni

r 左上：500,000㎞以上でもエンジンの効率および低排ガスを可能にするニッケル－リン被膜のコンプレッサーホイール

デジタルの記憶検索装置は、人間にとっての心臓と同様、コン ピュータに必要不可欠なものであり、そこでニッケルが二つの 形できわめて重要な貢献をしています。

すべてのコンピュータにデータを記憶し検索する何らかの方 法が必要であり、最も一般的なのはハードディスクドライブ (HDD)です。現在のほとんどのHDDは複数のディスクが積み重 なっています。ただしコンピュータユーザーの大多数は、実に 素晴らしいエンジニアリング製品であるハードディスクに不可 欠な要素の一つが無電解ニッケル層であることを知りません。

こうしたディスクのほとんどはアルミ合金で製造されています。

アルミは軽量で剛性があり、完全な平面に加工することが容易 だからです。しかしアルミは必要とされる水準まで研磨すること ができないため、コーティングが必要です。

まさにそのコーティングはアルミ合金ディスク表面に蒸着させ た高リン無電解ニッケルです。これがこの用途に使用できる唯 一のコーティングです。無電解ニッケルは蒸着厚が完全に均一 であるため、不可欠である平坦性を維持することができます。ま

たコーティングは、必要な仕上げ水準まで研磨できるようにき わめて硬質でなければならず、最大粗度はおよそ4オングスト ロームです。これほど高い精度基準が求められるのは、ディスク と読み書きヘッドとの間隔が2ナノメートルにまで小さくなるこ とがあるためです。高リン無電解ニッケルを使用するもう一つ の理由はそれが非強磁性だからです。

次のステップは、スパッタリングとよく呼ばれる物理蒸着法 (PVD)技術を高真空で実施し、非常に薄い軟質な磁性の下層 を形成することです。この下層は一般的にニッケル、コバルト、

鉄を含む合金で製造されます。ディスクによってはこの材料は 厚さがわずか原子4個分のルテニウム層で隔てられる二層構 造になります。

下層の上に複数のデータ記憶層を、一般的にコバルト、クロ ム、白金からなる合金でPVDにより形成します。これらの層もま たルテニウムの薄層でしばしば隔てられます。その上に保護用 の最上層が重なります。

無電解ニッケルとニッケル含有磁性下層を使用したハードディ スクは、全世界で年間3億～5億台生産されると推定されてお り、自動車の制御システムやその他の製造分野にも新しい用 途が生まれつつあります。ハードディスクドライブは、カメラのよ うなもっと小型の機器に用いられるフラッシュ(すなわちソリッ ドステート)ドライブのような他の記憶デバイスと激しい競争を 繰り広げています。これは記憶容量1ギガバイト当たりの価

格が大きく下落しているためです。

PHOTO © SEAGATE

ニッケル誌第28巻第1号（2013年3月号） 注目される用途15

Ni

メモリーのためのニッケル：

デジタルの記憶と検索に不可欠

w

オンライン版ニッケル誌

ニッケル誌の無料購読とウェブサイト掲載の お知らせを希望する場合：www.nickel institute.org/NickelMagazine/Subscription ニッケル誌を7ヶ国語(英語、中国語、日本語、

ロシア語、フランス語、ドイツ語、スペイン語) でウエブサイトに掲載：www.nickelinstitute.

org/NickelMagazine/MagazineHome ニッケル誌のバックナンバーの検索： 2002 年7月号以降のニッケル誌を掲載(英語のみ） ： www.nickelinstitute.org/en/NickelMaga- zine/MagazineHome/AllArchives ユーチューブでニッケルに関する9本の短い ビデオが見られます。「Nickel Institute」で検 索、Nickel Institute Channelにアクセス。ニ ッケル協会のビデオ｢気候温暖化への取り 組み｣、BBCワールドコマーシャル3本及び再 生可能なステンレス鋼に関する広告3本、そ の他掲載。

www.youtube.com/user/NickelInstitute

www.nickelinstitute.org

スパークプラグのイメージ：FEDERAL MOGUL CORP.

大型か小型かを問わず(つまり自動車のフード 下に収まるコンパクトな4気筒エンジンから 部屋の大きさほどの発電装置に至るまで)内 燃機関の設計者は、信頼できるスパークプ ラグが火花を円滑に供給し続けることを必 要としています。そこでスパークプラグの メーカーは、プラグの発火に関して高い信 頼性と耐久性を兼ね備えた電極を製造す るため、ニッケル合金に依存しています

「 ニッケル 合 金 はスパ ークプラグ の 発 火と いう世 界 で は 既 定 の 電 極 材 料 で す。」有名なChampion®ブランドのメーカ ー、Federal-Mogul社で発火関係の製品エン ジニアリングを担当するRichard Keller取締役 は言います。「電極材料としてニッケル合金が 利用できないとしたら、生活がほとんど不可能 になってしまうことでしょう。」

スパークプラグには二つの電極があります。中 央の電極はプラグ底部から突き出しており、L 字形の接地電極は火花が発生する狭い隙間を 作っています。

米 国ミシガン 州 サウスフィー ルドに本 社 を 置 くFederal-Mogul社は、ほとんどの電極にAlloy 600(N06600)と601(N06601)および80～97%

ニッケルを含 有する同 社 独自のニッケ ルクロム合 金を含 む 高ニッケル 合 金を 使用しております。少数のプラグはType 316(S31600)ステンレス鋼製の電極を使 用していますが、高ニッケルやニッケルク ロムは「性能と費用のベストバランス」をも たらすとKellerは言います。

電極は、長期間高温に耐えることができなければならないと同 時に、常に火花を生成する必要があり、しかも酸化や化学品暴 露に耐性がなければなりません。大きな課題は電極に「スパー クエロージョン」への耐性を持たせることです。スパークエロー ジョンは、金属損失によって電極間の隙間が次第に広がり、エ ンジン性能に影響を及ぼします。

一定の火花間隙を維持することは、エンジ ンがポンプや発電機の動力である場合は 特に、不点火やエンストを防ぐうえで「極め て重要」なことだとKellerは言います。運転 の中断は多額の費用をともなう場合があ るからです。顧客が定格4,000時間持続す るプラグを購入した場合、「顧客はきっち り4,000時間の耐久性を期待します」と Kellerは言います。「私たちの業界では、

想定した耐用期間に満たないことも、それ を超過することも、ほとんど最悪の事態な のです」

電極の耐浸食性を高めるため、ほとんどのプラ グでは発火表面に白金とイリジウムのような耐 久性の高い貴金属の合金を添加しています。ニ ッケル合金は、その溶接性によって貴金属表面 を電極に結合させておくばかりでなく、ニッケル 自体が白金と組み合わせるのに最適な材料で もあります。

「ニッケルと白金を組み合わせると非常に素晴 らしい性能を発揮します」とKellerは言います。プラ グ先端部に用いられる白金合金 では、ニッケルが10%から場合に よっては1/3近くまで用いられることがあり ます。ニッケルはまた、産業用プラグや高性 能のレース用プラグの製造でも重要な役 割を演じています。亜鉛メッキは自動車用 プラグを腐食から守る一方、要求の厳しい これらの用途のために設計されたプラグは 通常、特殊なプロセスを用いて製造されま す。そうしたプラグのボディにニッケルメッ キの鋼を用いるのは、ニッケルが高温の捲縮プロセスに耐えら れるからです。

Federal-Mogul社はバスや自動車、トラック用のスパークプラ グのほか、タービンエンジン、発電所、パイプラインのポンプ場 など産業用途のスパークプラグを生産しています。

r ニッケル合金は、両方の電極に強

接地電極

Ni

スパークプラグを点火させるニッケル合金 発火させ続ける:

中央電極 ギャップ