ニッケル・2024年39巻3号 by Constructive Communications

ニッケルとその用途に関する専門誌

ニッケル 2024 年 39 巻 3 号

戦略的ニッケル

ニッケル・ラテライト鉱の高圧浸出

戦略的かつ不可欠な原材料

未来を動かす：ニッケルベース電池の進歩

ケーススタディ32

ハンプトン・ローズ橋梁トンネル

長寿命と低メンテナンスを実現するために、18,000 ショートトン(16,329 トン)のステンレス鋼の鉄筋が二相合金 2304（UNS S32304）で指定され、重要な部分のコンクリートを補強しています。合金 2304 は、優れた強度と延性、そして厳しい海洋環境に対する優れた耐性を兼ね備えたコスト効果の高い材料です。ハンプトン・ローズ・ブリッジ・トンネルでは、700 ショートトン (635 トン) をはるかに超えるニッケルが使用される予定です。

これは米国ヴァージニア州の史上最大の輸送インフラプロジェクトです。ハンプトン・ローズ橋梁トンネル（HRBT）は現在 39 億米ドル規模の拡張工事を推進中です、そしてニッケル含有ステンレス鋼はこの複雑かつ革新的なプロジェクトにおいて、水面下及び陸上施設の両方で重要な役割を担っています。橋梁、橋脚、人工島およびトンネルからなる HRBT は長さが 3.5 マイル（5.6キロ）あります。

1957年に沈埋トンネル法を採用して最初のトンネルが設置された時、HRBT は驚嘆の目で見られました。

この拡張事業は交通量拡大と渋滞緩和のため新たに二つのトンネルを設置して４レーンを増やし,合計８レーンとするものです。100 年の設計寿命を満たすためステンレス鋼など高耐久性素材が選ばれました。

このデザイン・ビルド（設計施工一括発注方式）案件は、ドラガドス USA、フラットアイアン・コンストラクターズ、ヴィンチ・コンストラクション、ドディン・カンペロン・ベルナールの共同事業と

して行われ、HDR とモット・マクドナルドが主導設計を担当しています。

事業計画は 2014 年に開始されましたが、道路拡張、27 か所の橋梁取り換えと拡幅、地質工学的検討、環境適合性などが含まれていました。

2023 年にトンネル掘削機(TBM) が既存の 7500 フィート(2.3 km)の鋼製沈埋トンネルより約50フィート (15.2 m)の深部に新たに直径 46フィート(14 m)のトンネルを掘削し始めました。Mary（メリー）と呼ばれる 4,700 ショートトン(4,264トン)の TBM は重要な一里塚である最初のトンネル掘削を今年完了しました。

論説:

未来の戦略的金属

世界は気候変動についての対処として懸命に脱炭素に注力していますが、ニッケルは持続可能な経済にとっての要として浮上してきました。各国が徐々に化石燃料から脱却を図る上で、ほとんどすべての再生可能エネルギータイプに役に立つ成分であるニッケルは各国政府からエネルギー・経済政策にとり極めて重要と見なされています。この認識は単なる一時的なものではなく、ニッケルを21世紀の戦略的資産として位置づける、より広範な地政学的および経済的な変化を反映しています。各国はニッケルを必要としています。この号の「ニッケル」誌では、ニッケルが戦略的および重要な原材料の議論の中でどのような位置にあるかについて分析しています。

戦略的(せんりゃく・てき)：形容詞特定の目的達成または優位性の確保のための計画の一部

ハリタニッケル(NCKL)社の高圧酸浸出(HPAL)精錬所

ラテライト鉱を使用する新世代の HPAL 工場は、輸送システムの急速な電化のみならず、再生可能エネルギー生産用のステンレス鋼の需要増加に応じるのに不可欠なニッケルを供給しています。（6ページ参照）

A地点からB地点に人と物を効率的に運び渋滞を緩和する効率的な輸送システムほど戦略的なものがあるでしょうか。さらに、排出量削減のため効率的な電気自動車(EV)への転換を促すことも戦略的です。ここでもニッケルが戦略的な役割を果たします。米国の主要な幹線道路－ハンプトン・ローズ橋梁トンネルの拡張工事では 700 ショートトン(635 トン)をはるかに超える量のニッケルがステンレス鉄筋として使用され今後何十年もの運用を可能としています。そしてニッケルは今後の電気自動車を動かすバッテリーにとって不可欠です。最近の進展については、10 ページをご覧ください。

したがって、産業、政府、そして各国が持続可能な未来に向けての戦略を練るにあたり一つ確実なことは：ニッケルは不可欠な戦略物資であり、以前にも増して輝いているということです。本誌の裏表紙の主役、スワンナプーム国際空港の素晴らしい象のように。

クレア・リチャードソンニッケル誌編集長

02 ケーススタディ32

ハンプトン・ローズ橋梁トンネル

03 論説

戦略的ニッケル

04 ニッケルの注目話題

06 ニッケルの処理高圧酸浸出

08 戦略的及び不可欠ニッケルの位置づけは？

10 未来を動かすニッケルベース電池の進歩

12 輝くニッケル高温で

13 ニッケル合金高エントロピー合金

14 技術に関する Q＆A

15 なぜニッケル？

15 UNS詳細

16 スワンナプーム国際空港の象

Nickel magazine はニッケル協会が発行しています www.nickelinstitute.org

ハドソン・ベイツ博士（社長）クレア・リチャードソン（編集長） communications@nickelinstitute.org

寄稿者：Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Mark Mistry, Geir Moe, Kim Oakes, Pablo Rodríguez Domínguez, Frank Smith, Lyle Trytten, Odette Ziezold デザイン：コンストラクティヴ・コミュニケーションズ

記載事項は読者に対する一般情報としてまとめられたもので、これに基づく具体的適用もしくは判断根拠とすることにつきましては専門的意見を聞いてください。記載事項は技術的に正確であるとされていますが、ニッケル協会、その会員、職員及びコンサルタントはこれら事項の一般的あるいは特定目的の適用についての適合性について保証するものではなく、記載に関するあらゆる責任・責務を負うものではありません。

ISSN 0829-8351

Hayes Print Groupによりカナダで再生紙に印刷ストック写真クレジット

表紙：iStock©Henrik5000, ４㌻iStock©borzaya, 5㌻ iStock©Hispanolistic, iStock©Zocha_K,

NICKEL NOTABLES

ニッケル・ニュース

迅速な医薬品開発

オハイオ州立大学の研究者たちは、医薬品業界がより迅速に効果的な医薬品を開発できる新しいニッケル錯体を開発しました。アルキル結合形成を簡略化することで、この新しいツールは、これまで実現不可能だった有機化学プロセスを可能にします。本研究の主任研究員であるクリスト・セヴォフ氏は、「有機合成、金属化学、バッテリー科学をこれまでにないやり方で結合させることで、その驚くべき特性を引き出すことができました」と述べています。単一の化学反応から新しい分子を作り出すことで、今まで一つの医薬品を開発するのに要していた時間で最大96種類の新薬バージョンを創出することが可能になります。最終的には開発コストと市場投入までの時間を減らし、薬効を高め、副作用のリスクも低減しながら、命を救う医薬品の提供を可能にします。この研究成果は『Nature』誌に掲載されました。

高まった整形外科的強度中国・長春の吉林大学の研究者たちは、より優れた引張強度を持つ新しい SLM-NiTi 合金を開発しました。その結果、より個別化されたカスタマイズ可能な整形外科用インプラントが実現し、タイムリーで高額な再手術の必要性が減ると期待されています。ニッケル-チタン（NiTi）合金は、その独自の特性により医療業界で広く使用されています。Hao 氏たちのチームは、選択的レーザー溶融（SLM）技術を用いて斬新な NiTi 合金を製造しました。彼らは「レーザーのスキャン長さとスキャン方向を変更することで、材料内の一方向性の柱状結晶の生成を排除しその結果、SLM-NiTi の引張ひずみを 15.6% まで改善することができる」ということを発見しました。これは医師と患者の双方にとりさらなる前進となります。

た単結晶超合金

環境に優しいセメント

インドネシアのマカッサル州立大学（UNM）との共同研究により、スーボ・ストラテジック・ミネラルズ社(SSM)はニッケルスラグを高強度で低コスト、低炭素のセメントに変換することに成功しました。セメントの脱炭素化に向けた取り組みは重要な試みです。なぜなら、セメント業界は世界最大の温室効果ガス(GHG）排出者の一つであり需要は引き続き増加しているからです。ニッケルスラグ生産者である PT フアディ・バンタエング・インダストリアル・パーク社と協力し、スーボ社の子会社であるクライメート・テック・セメント社は、従来のクリンカーベースのセメントの代替として、環境に優しいジオポリマーセメントの製造を目指しました。SSM 社の取締役会長であるアーロン・バンクス氏は「わずか7日で最大 37.5 MPa（5.4 ksi）を達成したのは、初回試験としては素晴らしい結果です」と説明しています。彼は「セメント産業における排出削減は EVが内燃機関（エンジン）に取って代わる役割に似ています」とも付け加えています。

米国のエネルギー省が、産業用ガスタービン(IGT)に使用される単結晶超合金の鋳造歩留まりの向上を目指した際に、イリノイ州に拠点を置くケステック・イノベーションズ社がその課題に取り組みました。優れたクリープ耐性を持っているためニッケル基超合金はガスタービンの高温ガス流路部品に使用されています。機械的能力を最大限に発揮させるためには、これらの材料を単結晶として鋳造する必要があります。この業界では通常、従来型の鋳造または方向性凝固ブレードを使用しています。統合計算材料工学技術分野のリーダーであるケステック社は、1 ％のレニウム(次世代の高性能IGTブレード合金よりも低い割合)を含む鋳造可能な新しい単結晶ニッケル超合金の開発に成功しました。これにより、高い鋳造歩留まり率と優れた用途特化型性能が実現し、効率性も新たなレベルにまで上がりました。これは、よりコスト効率の高い解決策でもあります。目標達成です。

ニッケル産業－その３

ニッケル・ラテライト鉱の高圧酸浸出処理

このシリーズの第3弾では、電池市場に混合水酸化物(hydroxide)やニッケル・コバルト混合硫化物(mixed sulphideprecipitates)などのニッケル中間製品を供給するためその生産能力を増強している高圧酸浸出法(HPAL)を見て行きます。この中間製品は電池生産に必要な純硫酸ニッケルを製造するのに使われます。

HPAL の起源は70年ほど前にさかのぼりますが、この技術はニッケルベース電池の需要に応えるためますます広く普及しています。

HPAL の概念はシンプルです：硫酸を加え、温度を上げて鉱石全体を溶かします。余分な硫酸を中和し、不要な金属を除去し、目的とする金属を回収します。

浸出工程

浸出は約 250℃ の高圧の下で行われ、鉱石中の鉄及びアルミのほとんどは残渣中に残り、一方有価金属は溶液中に溶け出します。この浸出工程は高温で酸性が強く、極めて激しいものであり、例えばチタンと炭素鋼を爆着（この方法により、腐食に対する耐性を持つ高価なチタンの薄い層と、強度を確保するために比較的安価な炭素鋼の厚い層が組み合わさります）したような高性能な素材が必要とされます。

湿ったラテライト鉱は水と混ぜられ粗い物質を除去するスクリーンにかけられた後、粘性はありながらもまだポンプ輸送可能な流体になるように濃縮されます。それからこのスラリーは反応温度まで加熱されます（加熱エネルギーの90%以上はスラリー中の固形物ではなく水分に使われます）。加熱のコスト削減のため排出されるスラリーは大気圧まで徐

々に減圧され、発生するフラッシュ蒸気（再蒸発蒸気）はこの工程の予熱源として再利用されます。

余剰酸の中和

金属回収の前に余分な酸は粉砕石灰石を添加して中和し石膏残渣とします。残渣の混合物は通常向流デカンテーション(CCD)により洗浄し尾鉱として堆積されます。標準の操業基準では、尾鉱は加工工場の隣接地にある技術的管理された尾鉱管理設備に濃縮スラリーとして堆積され、固形物の沈殿により分離された流体がリサイクルされます。

金属の回収

酸が中和された溶液にはニッケルとコバルトが主に含まれ、亜鉛及び銅が少量、またかなりの量の鉄、アルミ及びマンガン、さらに高濃度のマグネシウムが含まれます。銅及び亜鉛は経済価値はそれほどない（通常総価格の2%以下）ため除去され、廃棄物または副産物として処理されます。ニッケル及びコバルトはいくつかの方法で回収可能です。

最初の HPAL プラントは 1950 年代後半にキューバのモア・ベイに設置されました。そのプラントとその後に続くいくつかの施設では、水素硫化物を使用し

湿った鉱石（リモナイト）

硫酸 HPAL

蒸気蒸気リサイクル

水酸化マグネシウム／苛性ソーダまたは硫化水素 ≈ 250°C

石灰石

中和残渣分離

尾鉱

なる金属は許容レベルまで除去する必要があります。

HPAL の新世代

石灰石

金属除去

廃水

ニッケル・コバルト混合水酸化物またはニッケル・コバルト混合硫化物中間体

この 10 年でニッケル・コバルト混合水酸化物(MHP)の人気が非常に高まりましたが、このプロセスは苛性ソーダまたは水酸化マグネシウムを使用して低品位中間体を沈殿させます。この中間体はニッケルとコバルトを約40%含みますが含水率が非常に高く（重量で約 50%）、そのため出荷製品のニッケルとコバルトの重量は約 20% に過ぎません。

廃水の処理

有価金属すなわちニッケル・コバルトが回収された後は、かなりの廃水が残りますが、これには多量のマグネシウムと一定量のマンガンが硫酸塩として含まれます。節水のため一部はリサイクルされますがこれによりマグネシウムのレベルは上昇し、最終的にはマグネシウムを生産工程から除去するために排出する必要があります。

乾燥した気候ではこの廃水は蒸発し、蒸発池で金属硫酸塩は結晶化されますが、一方熱帯気候では廃水は海に放出されます。放出前に、クロム、マンガン、ニッケル及びコバルトなど規制の対象と

HPAL 設備は操業開始時期にかなりの問題に直面することがあり、その多くはチタンのライニングされたHPALオートクレーブや、ゴムやレンガのライニングの容器といった多層構造材料を必要とする過酷な条件や、複数の工程がすべての段階で同じ速度で作用する必要があるなどに起因しています。新世代のこれら設備がインドネシアで始まっていますが、今まで一連の設備の建設を通して得られた各社の経験が、ついに初日からうまく稼働することに繋がったように見えます。

HPAL 設備に係る環境問題はロータリーキルン電気炉(RKEF)とは大幅に異なります：即ちHPALは、特に現場で硫酸が製造される場合には温室効果ガスの排出が比較的少なくなります。しかし恒久的な貯蔵を必要とするかなりの量の処理工程の残渣が生じるのは事実です。貯蔵はリスクを最小限にとどめる方法でできますが、HPAL の残渣の影響を完全に無くすには処理工程に対しサーキュラーアプローチ（循環手法）を採用し残渣を鉄鉱石や骨材など異なる材料に再加工することしかありません。これは既に検討されていますが化学反応が複雑なためなかなか困難です。

向流デカンテーション(CCD)洗浄とは複数の連続するシックナーでの洗浄により残渣から有価物を含む溶液を洗い流します。各々の段階で前のシックナーから来るスラリーは次のシックナーの洗浄液と混合され,濃縮されて次に送られます。

最終段階では水または貧液で洗浄され溶液は工程をさかのぼり固形物はさらに下工程に行きます。

このプロセスでは有価物の濃度が各段階で約 50% ずつ減少するため、6 または7回の洗浄が終了した時点では 97%以上の有価物が回収されます。て混合硫化物中間生成物（MSP）を沈殿させ、これを精製してクラス１ニッケルにする方法を採用しました。MSP は約 50〜55％のニッケルとコバルトを含む湿った粉末として、そして、非常に純度が高く、密度が大きく、沈降性にも優れているため、輸送するのに適しています。

CCDの洗浄プロセス

中和されたろ過スラリー　固形物　35%

第1シックナー

洗浄水

第2シックナー

製品溶液

第3シックナー

尾鉱スラリー …固形物・45％

戦略的かつ極めて重要な原材料

ニッケルの位置づけは？

特定の原材料を「極めて重要な」あるいは「戦略的」と指定することがあります。それはこれらの原材料が主要産業、経済の安定、国家安全保障、そして技術革新に不可欠であるためです。こうした材料の安定した供給がなければ、防衛、エネルギー、通信、電子機器などの産業が大きな混乱に直面する可能性があります。

ニッケルは、そのような原材料の一つであり、世界中の政府から注目を集めています。

原材料は、自動車製造や機械工学から電子機器に至るまで、ほとんどすべての主要な産業のバリューチェーンの基盤を成しており、これらのバリューチェーンは、経済、産業、そして市民社会にとって欠かせないものです。

しかし、これらの原材料の重要性は様々な理由により不足するまでしばしば見過ごされがちです。供給と需要の不均衡、地政学的要因、リサイクルの限界など不足する理由は多岐に渡ります。

過去数十年間、鉄鉱石、原料炭、レアアース、マグネサイト、シリコンの不足が産業バリューチェーンを混乱させ経済全体に影響を及ぼしてきました。

これに対応して 2000 年代初頭には、特に米国やEUをはじめとするいくつかの地域で、原材料の「重要性評価」が開始されました。これらの評価は、供給リスクを予測し、必要不可欠な原材料の安定的な供給を確保することを目的として行われました。現在、25 か国以上がこのような評価を実施しており、自国の経済や産業にとって重要な原材料を特定するとともに、供給リスクを軽減するための対策を定めています。

原材料の重要性の定義

では、原材料の重要性はどのように定義されるのでしょうか？「極めて重要」な原材料を判定する基準は地域によって多少異なりますが、その基本的な原則は概ね一貫しています。供給リスクと経済的重要性という二つの主要な要素によりほとんどの評価は決まります。原材料が極めて重要であると判断されるのは、必要不可欠な産業バリューチェー

ンにおいて、重要な役割を果たしているにもかかわらず、供給が途絶える可能性がある場合です。こうした供給リスクは、生産が地理的に少数の国や企業に集中していること、貿易関係が不安定であること、リサイクル・インフラが不十分であること、または有効な代替品がないことに起因することが多いのです。

極めて重要か戦略的か

こうした中で次第に注目を集めている第二の用語が「戦略的」原材料です。EU では「戦略的」は、重要ではあるが現在のところ供給リスクがないため「極めて重要」とはみなされない原材料を表現するのに使われています。

ニッケルは、多くの地域で「極めて重要」な原材料と広く認識されており、特に米国、カナダ、中国、日本がその代表的な例として挙げられます。でも何故でしょうか？ニッケルが極めて重要であると位置づけされるのは、エネルギー転換とデジタルへの移行という面において極めて重要な役割を担っていることに起因しており、特に電気自動車（EV）用バッテリーや低炭素発電技術の重要な構成要素となっているからです。これらの技術への需要が拡大するにつれ、ニッケルの重要性も同様に高まっています。EUでは、ニッケルは「戦略的」かつ「極めて重要」な原材料とみなされています。このことはニッケルが現在、経済的に重要であるだけでな

く、今後も、中心的な役割を果たすとの期待を反映しています。

極めて重要または戦略的な状況の意味

しかし、ニッケル産業にとって、自社製品が「極めて重要」または「戦略的」とみなされることには何かメリットがあるのでしょうか？ニッケルの必要性がより強く認識されるようになったことで、安定供給を確保するためのさまざまな対策がとられるようになりました。各国政府は、国内生産を促進するために、許認可プロセスを簡素化し、リサイクル技術に投資し、そしてニッケルの豊富な地域へのアクセスを確保するため外交努力を始めています。ニッケル産業にとってこのような政策措置は、採掘、加工、リサイクルの取り組みに対する支援の強化や、研究開発資金の増額につながります。

極めて重要かつ戦略的耐腐食性や高温強度といった卓越した特性を持つ金属であるニッケルは、現代社会において欠かすことのできない役割を果たしています。インフラから、最先端技術に至るまで、あらゆる分野で使用されているニッケルは、世界経済の中核における地位を確固たるものにしています。そういうわけで、ニッケルは現在も将来も不可欠な役割を果たす、極めて重要で戦略的な原材料なのです。.

クリティカル・マテリアルズ・アセスメント（CMA）

極めて重要戦略的

未来を動かす：

ニッケルベース電池の進歩

ニッケルは、この数カ月の間に発表されたEVや電力用電池分野における多くの重要な進展の一翼を担っています。

電気自動車（EVs）の急速な普及に伴い、その電池の性能、安全性そしてコスト効率の向上が注目されています。この技術革新の核となるのはニッケルで、多くのEV電池の化学物質において極めて重要な材料となっています。

ニッケルはリチウムイオン電池のさまざまな配合に使用されており、エネルギー密度の向上に寄与することで、車両の走行距離を伸ばす役割を果たしています。そして EVs で広く使用されている NMC（ニッケル・マンガン・コバルト）電池に不可欠な構成要素となっています。これらの電池は、エネルギー密度、熱安定性そしてコストのバランスが取れているのが特長です。自動車メーカーが走行距離の延長を目指す中で、 NMC 正極におけるニッケル含有量を増やす傾向が見られます。

テスラ

例えばテスラは電池の設計を従来

の NMC 811組成(ニッケル 80%)から、NMC 955 組成(ニッケル 90%、マンガン5%、コバルト 5%) に移行すると発表しました。この調整によりバッテリーセルのエネルギー密度がさらに向上するとともに、コバルトへの依存度がわずかながら低減すると期待されています。さらに、テスラは NMC 973 組成(ニッケル90％、マンガン 7％、コバルト 3％) の実験も行っています。これらの化学物質におけるニッケル含有量の増加は、電池容量の向上や走行距離の拡大を可能にしますが、一方でセルの安全性と寿命のバランスをとることは依然として技術的な課題となっています。

より効率的な正極

ニッケルベース電池における重要な技術的進展のひとつは、最先端の正極材料とより効率的な製造プロセスの進歩です。電池材料のリーダーであるノボニクス社は、ニッケルベースの正極を合成するための完全乾式で、廃棄物ゼロの方法を導入しました。この革新的なプロセスは溶剤が不要で廃棄物を出さないため、電池製造における環境負荷を大幅に削減します。さらに、この技術は正極材料の性能を向上させ、より効率的で持続可能なものにしています。

高エネルギー密度と安定性の両立 LG エナジー・ソリューション(LGES)社も、2025 年までに高電圧・中ニッケル電池を量産する計画を立てており、進歩に貢献しています。これらの電池は、EVに不可欠な高エネルギー密度と安定性が両立するよう設計されています。

EV 用電池分野におけるもう一つの重要な進展は、パナソニックによる 4680 型円筒形リチウムイオン電池の量産です。

このバッテリーフォーマットは容量が従来の 2170 型セルの 5 倍となり、車両の走行距離が延び、バッテリーパックに必要なセルの総数が減るため EV 業界に革命をもたらすと期待されています。

パナソニックの和歌山工場が 4680 型電池の主要生産拠点となります。同社は、この施設に先進的な生産方式を統合していますが、さらにこの施設は世界的な製造の実証拠点としても機能する予定です。4680 型セルは EV の生産コストを大幅に削減すると期待されており、これにより電気自動車がより広範な市場に普及することになるでしょう。

ニッケル・亜鉛電池ニッケルは依然として高性能 EV 電池の重要な材料ですが、代替となる化学物質も研究されています。ニッケル・亜鉛（NiZn）バッテリーソリューションのリーダーであるジンクファイブ社は即時電力

用途の電池を生産するため、米国での事業を拡大しています。NiZn電池はリチウムイオン電池に比べて出力が高く、安全性にも優れていることから注目を集めています。これらの電池は、データセンターやグリッドストレージなど、迅速な電力供給が求められる用途に特に有用です。

NiZn 電池は、リチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が低いため、大規模な EV への導入にはまだ適していませんが、その安全性に加え、環境面でも優れているため、特定の用途では魅力的な選択肢となります。

全固体電池

将来を見据えると、今までのリチウムイオン電池の液体電解質を固体電解質に置き換えた全固体電池は、より高いエネルギー密度と安全性の向上を実現する可能性を秘めています。メルセデス・ベンツ社はファクトリアル社と共同で、”ソルスティス”プロジェクトのもとで全固体電池を開発しています。これらの電池は、ニッケルを多く含む正極材料の進歩もあり、現在のリチウムイオン技術と比べてエネルギー密度が 80％向上すると期待されています。

ニッケルを核として電気自動車産業が成長を続ける中、バッテリー技術におけるニッケルの役割はますます顕著になっています。テスラが採用している高ニッケル正極から LGES の高電圧中ニッケル正極に至るまで、ニッケルは走行距離の延長、性能の向上、コストの削減を実現する技術革新の中核を担っています。同時に安全添加剤や NiZn などの代替化学物質、そして全固体電池の進展が、より安全で効率的な EV 電池の未来を垣間見せてくれます。

全固体電池は、ニッケルを多く含む正極材料の進歩もあり、現在のリチウムイオン技術と比べてエネルギー密度が 80% 向上すると期待されています。

高温で輝くニッケル

これらのトレイは、925°C（1700°F）で浸炭熱処理を施した後、845°C（1550°F）で中性硬化処理を受ける歯車などを積み重ねるために使用されます。縦方向に均等な間隔でトレイを配置した柱は押出し鍛造合金 RA330® で作られています。従来、低い延性により真っ直ぐに修正できず、寿命が短かった鋳造合金の柱に代わるものとして採用されています。

自動車、航空宇宙、エネルギーなどの産業において、部品の特性を最適化するための多様な熱処理技術は、重要な役割を担っています。特に現在では、電気自動車においてその重要性が一層増しており、熱処理を施した部品は、軽量化による走行距離の延長や、全体的な性能向上の実現において欠かせない要素となっています。

300 シリーズのニッケル含有ステンレス鋼およびニッケル基合金は、熱処理炉の治具に最適な材料です。こ

れらの合金は、浸炭（炭素を金属表面に拡散させる処理）や窒化処理（窒素を使用した同様の処理）により、硬く耐摩耗性のある表面を保持しつつ、強度と延性に優れたコアを維持します。トレイやベルト、その他の治具に使用されるニッケル含有合金は、多数のサイクルを経ても高い耐久性を発揮します。

これらの材料は、高温下でも優れた強度と延性を保ち、酸化雰囲気でも優れた性能を発揮します。さらに、様々な形状で供給され、加工や溶接が容易です。高温用途に特化したニッケル基合金は、300 シリーズを基にし、過酷な条件下で必要となるより優れた特性を持ちます。

これらの合金の鋳物及び展伸材は共に高温用途に使用されます。鋳物は最終形状に近く、クリープ強度を高めるために炭素含有量が多い場合があります。例えば、合金 HK 40 （UNS J94204）は 0.35〜0.45％の炭素を含み、タイプ310S（S31008）は 0.08％の炭素を含んでいます。い

ずれも 25％の Cr と 20％のNiを含み、その他の特性は類似しています。鋳物は展伸材よりも壁厚が大きく、多くの用途で有利ですが、重さが問題となる場合があります。さらに、鋳物は結晶粒が大きいため、溶接性に問題が生じることがありますが、適切に管理すれば解決できます。

高温合金は、砂型鋳造、インベストメント鋳造（ロストワックス鋳造等）、遠心鋳造などの方法で製造できます。一方、展伸材（プレート、シート、パイプ、棒など）は、溶接や部品加工を目的として設計されています。これらの材料は低炭素であるため、溶接性が増し、特に修理時には有効です。すべての設計には、高温での金属膨張を考慮し、歪みを避けるための配慮が必要です。合金 330（N08330）は熱処理でよく使用され、耐酸化性や延性、浸炭環境でのシリコン付与特性を持ちます。展伸材には、クリープ強度や耐酸化性、金属組織の安定性を高めるために、セリウムや窒素などの元素が添加されることがあります。

一般的に、ニッケル含有合金はほぼすべての高温用途において優れた性能を発揮します。

高エントロピー合金

従来の合金設計では、鉄、銅、アルミニウムなどの主要元素がその特性に基づいて選ばれ、その後、特性を向上・強化させるために少量の他の元素が加えられます。最もシンプルな例としては鋼があり、これは鉄（約99％）と炭素（最大約 1 ％）の合金です。炭素は鋼の強度を大幅に向上させます。より複雑な合金の一例としては、タイプ 304L ステンレス鋼（UNSS30403）があり、その組成はおおよそFe72％、Cr18％、Ni8％です。CrとNiは、加工性の高い耐食鋼合金を製造するために不可欠な元素です。

2003 年、研究者たちは現在「高エントロピー合金（HEA）」として知られる新しいタイプの合金を発見しました。この合金は、5 種類以上の元素が等しい原子量で構成されています。初期の研究では、CoCrFeMnNi からなる合金が使用され、優れた低温機械的特性と高い破壊靭性を持つことが確認されました。試験温度を室温から -196°C （-321°F）に下げると、延性と降伏強度の両方が向上しました。

この合金は、低温用途の構造材料や、高い靭性を活かしたエネルギー吸収材料としての応用が期待されます。

さらに、少量のアルミニウムを加えた Al 0.5 CoCrCuFeNi 合金は、高い疲労寿命と耐久限界を持ち、従来の鋼やチタン合金を凌駕する可能性があることが示されました。しかしながら、結果には大きなばらつきがあり、さらなる詳細な調査が求められます。

アシュビーチャート：降伏強度と破壊靭性の関係

ニッケル合金 \ ステンレス鋼 \ CrMnFeCoNi \ ニッケル基超合金 / CrCoNi / 金属および合金 ——チタン合金高エントロピー合金 \

高エントロピー合金（HEA）は、優れた機械的特性と耐腐食性を兼ね備えた先進的な材料として注目されています。特にニッケルを含むHEA は、その卓越した強度、延性、酸化耐性において際立っています。しかし、これらの合金に使用される金属は高価であるため、応用範囲に制約をもたらす可能性があります。それにもかかわらず、これらの合金が持つ潜在的な優れた特性は、高温強度や熱安定性が求められるジェットエンジンや極超音速機のような用途において、また高い強度と靭性が要求される自動車分野や優れた靭性が必要な極低温環境での用途において、大きな利点をもたらす可能性を秘めています。

花こう岩

降伏強度と破壊靭性の関係を示すアシュビー・プロットにおいて、CoCrNi ベースの高エントロピー合金は、記録上、最も損傷に耐える材料の一つであることが示されています（ベアンド・グルドヴァッツ）。プロットの軸は対数軸であるため、102 は 100 の 100 倍に相当し、これにより高エントロピー合金（HEA）が他の既知のエンジニアリング材料と比較して、降伏強度および破壊靭性において顕著な向上を示していることが明らかになります。

Geir Moe は専門技術士であり、ニッケル協会の技術サポート・サービスの責任者です。同氏は世界各地に配属された素材の専門家らと共に、技術的アドバイスを求めるニッケル含有材料のエンドユーザーや仕様を設定する方々のサポートをしています。同氏の専門家チームは、ステンレス鋼、ニッケル合金、ニッケルメッキなどの幅広い用途に関する技術的なアドバイスを無料で提供し、ニッケルを安心してご利用いただけるよう努めています。

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技術サポートに寄せられる【よくある質問】

Q：海から約 2km 離れたビルの屋上にソーラーパネルを設置しており、取り付けブラケットはアルミニウム製で、中央のボルトはタイプ304 （UNS 30400）ステンレス鋼製です（ワッシャーを使用せず、ステンレス鋼が直接アルミニウムと接触しています）。このような構造において、アルミニウムとステンレス鋼の異種金属接触による腐食のリスクについて懸念するべきでしょうか？

A: このような大気に曝露される環境では、結合部の電解腐食を避けるために、アルミニウム合金にはステンレス鋼製の結合材が推奨されます。アルミニウム合金は、ステンレス鋼をガルバニック腐食から保護しますが、これは両者が湿った状態であり、かつアルミ合金とステンレス鋼の接触部でのみ効果があります。さらに、大気に対して本質的に耐性のあるアルミニウムおよびステンレスの合金の選定も重要です。

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海から 2 km（1.24vマイル）の距離では、塩分（塩化ナトリウム）が雨水や結露水とともに堆積し、一部の合金に孔食や隙間腐食を引き起こす可能性があります。この距離で塩分がどの程度蓄積するかは、温度、卓越風の強さや方向、降雨頻度、湿度など、いくつかの要因によって異なります。

理想的には、海洋環境では Al-Mg（5000シリーズ）や Al-Mg-Si（6000シリーズ）が最も適しています。ステンレス鋼の場合、304 は海洋大気中で隙間腐食に悩まされることがあり、316（S31600）がより適切な選択です。ガルバニック腐食に関しては、すべてのステンレス鋼の電気化学的電位は似ており、304 と 316 の間に大きな差はありません。ガルバニック腐食に影響を与える主な要因は、二つの金属の面積比と、より貴（正の電位）な金属のカソードとしての効率です。

大気中の腐食では面積比はほぼ1:1であり、ステンレス鋼は湿った大気中では効率的なカソードとして機能しません。これが、ステンレス鋼がアルミニウム合金の結合材として使用できる理由です。もし 304 を使用する場合は、毎年結合部の点検を行い、腐食の有無や進行状況を確認することが重要です。

腐食が進行しすぎている場合は、影響を受けた結合部材の交換が必要です。

ニッケルはナノワイヤからステンレス鋼合金まで様々な形で存在します。しかし如何なる特性がニッケルを日常品においても不可欠な要素としているのでしょうか？