ニッケル・ニッケル合金とは
I. 概要
ニッケルは銀色で美しく、実用上十分な強度と延性を持つ金属です。高温下でも比較的強度の低下が少なく耐候性・耐食性に優れ加工性も上がることから、鋼の合金元素として古くから用いられています。
この特長をさらに高めてより過酷な環境に対応するためニッケルの成分比を50％以上に上げたものをニッケル基合金（またはニッケル合金）と呼びます。ニッケル合金には、純ニッケル、ニッケル鉄系、ニッケル銅系、ニッケルクロム系、ニッケルクロム鉄系、ニッケルモリブデン系などがあります。これらはさまざまな雰囲気に対してそれぞれ特徴的な耐食性・耐熱性を持っており、材質選択が的確であれば優れた効果を得ることができます。化学工業における使用環境は、近年ますます多様化かつ過酷となっており、これに耐えうる金属材料としてニッケル合金は今後も使用されていくことでしょう。
他方、耐食性や耐熱性以外の機械的性質や物理特性に優れたニッケル合金が開発されているように、今後の社会的需要の変容に対応した特性や適用範囲へ拡充しますます伸長していくものと思われます。
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I-1. ニッケルの産地
ニッケルの原料であるニッケル鉱石には、硫化鉱と酸化鉱の2種類があります。硫化鉱の産出国は主に、ロシア、カナダ、豪州、中国などの大陸国です。一方、酸化鉱は、インドネシア、フィリピン、キューバなどの熱帯諸国の地表近くにニッケル鉱石が存在するといわれています。最近のニッケル市場では、安価なニッケル銑鉄を多く産出する中国の存在感が大きくなってきています。
I-2. ニッケル合金の分類
(１) 純ニッケル
純ニッケルとは、ニッケルが99％以上となるよう調整した工業用金属材料で、必要とされる特性のために純度や炭素含有量を変えた複数の材種があります。
耐食性や導電性が良くメッキ材料として広く使用されていますが、化学工業においてはアルカリに対して良好な耐食性を示すことで知られています。このため、純金属ながら他のニッケル合金と同列で材質選定の候補とすることが多いようです。
(２) ニッケル鉄合金
ニッケル鉄合金には、パーマロイ、インバー、42アロイ、コバールなどがあり優れた低膨張材料や磁性材料として、主として半導体製造設備など電子部品に用いられています。
(３) ニッケル銅合金
ニッケルそのものが銅鉱石から分離抽出して製造されたとの冶金学的背景もあり、合金の歴史としては純ニッケルよりニッケル銅合金の方が長いといえます。
ニッケル銅合金には、白銅（キュプロニッケル）やコンスタンタンなど汎用性の高い合金がありますが、化学工業においてもっとも著名な合金はモネルメタルです。鍛圧材として一般的なモネル400のほか、特殊用途に用いるモネルK500があります。
ニッケル銅合金は文字通り銅を含んでおり、大気、海水、ハロゲン、アルカリ、希塩酸など幅広い環境に耐えることに加え、フッ酸に対して良好な耐食性を示す貴重な合金でもあります。
(４) ニッケルクロム合金
クロムを10～30％添加させたニクロムは、高温での耐酸化性に優れた抵抗合金で電熱線として使用されます。また、ナイモニックは耐熱合金として有名です。
なお、構造材としては、加工性を改善するため一定程度以上の鉄を加えたニッケル・クロム・鉄合金（次項）の方が一般的です。
(５) ニッケルクロム鉄合金
代表的な合金は、ニッケル76％、クロム16％、鉄8%の「インコネル600」です。他の合金と比べても加工性に優れ、様々な形状で使用されます。ニッケル合金の特徴である耐食性に加え高温での強度が高く、耐食・耐熱いずれの環境下でも広く用いられる優れた合金です。
インコネル600シリーズでは、ほかに601、625など、特異な雰囲気や使用条件に適した合金が開発されています。
(６) 高ニッケル鉄基合金
ニッケルの含有率は50％を超えないが、特性上も用途上もニッケル合金とほぼ同様に扱う特殊鋼を言い、高級ステンレス鋼に分類される場合もある合金です。
代表的なものとして、カーペンター20Cb-3、インコロイ825などがあり、前者は耐硫酸、後者は耐サワーガス（硫化水素を大量に含む天然ガス）用途でよく用いられます。
(７) ニッケルモリブデン合金
代表的な合金として「ハステロイ」が挙げられます。これはニッケルにモリブデンを固溶させた合金で、耐食性能の源である不動態化皮膜を破壊するほど過酷な塩酸や酢酸など還元性（非酸化性）の腐食環境でも孔食や隙間腐食を起こさない特異な耐食性を示します。この性能を最も高く有しているのが、ハステロイのBシリーズです。
一方、こうした雰囲気に硝酸などの酸化性酸、遊離鉄・銅イオン、溶存酸素などが混入する（混酸状態になる）とこの耐食性はたちまち失われてしまいます。そこでこれを補い改善するため、さらにクロムを固溶させたニッケル・クロム・モリブデン合金が開発されました。これがハステロイＣシリーズで、さらにMAT21・アロイ59など、使用環境に応じたさまざまな合金の開発に続いています。
(８)ニッケル基耐熱合金
耐熱用途の非鉄合金には、ニッケル系、コバルト系、チタン系があります。これらは主として、航空機・ガスタービン用に高温強度を重んじた析出強化型合金と、高温で使用される炉体や部品の製作が比較的容易となるよう加工性を重んじた固溶強化型合金とに分類されます。前者にはインコネル700シリーズやナイモニックがあり、後者にはインコネル600シリーズやインコロイ800H/HTなどがあります。後者のうち600、601，625は耐食合金としても採用されています。
析出強化型合金は高温における引張強さやクリープ強度を高めるため時効処理により析出物を発生させます。この析出物は延性に乏しいため加工が困難であり、鋳造品や鍛造品を機械加工するか薄板を塑性加工して製作する場合がほとんどです。一方、固溶強化型は焼きなましもしくは固溶化熱処理上りの板を用いることとなるため、溶接を含むほとんどの加工が可能です。
なお、ニッケル・ニッケル合金おのおのの詳細についてはこちら↓。
Ⅱ. 最近の需給状況
ニッケルの最近の需給状況については下記をご参照ください。
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構（JOGMEC)
金属資源情報 鉱物資源マテリアルフロー
Ⅲ. ニッケル合金の特徴・特性、取り扱い方
ニッケル合金の大きな特性として、耐食性が挙げられます。前述の通り、ニッケル合金のラインナップはほとんど全ての種類の酸・アルカリ雰囲気の広範囲な濃度・温度条件をカバーしており、それぞれが一般的なステンレス鋼や耐食金属と比較して優れたもしくは遜色のない耐食性を示します。中でも特筆すべきなのは、最も代表的な不銹鋼であるオーステナイト系ステンレス鋼が腐食されてしまうほどの還元性雰囲気でも優れた耐食性をもつ合金があることです。また、有機酸やハロゲン系のガスにも耐食性を持つ合金もあります。
このため、使用環境の腐食因子や組成をうまく特定し材質選定することができれば、仮に複数の腐食因子が混じり合った雰囲気であっても、既存材からの際立った改善効果が得られる可能性があります。但し、運転開始後に
① 異なる腐食因子の混入
② 温度や濃度の顕著な変化
③ 残留応力の影響
などの環境変化の影響で、期待と違い逆に腐食が進行する場合もありえるので、継続的な運転管理と定期的な観察が必要です。
なお、取扱上の注意としては、
① 不銹材なので受け入れ材や切断屑は大気中でも安定して保管可能
② 但し微粉末状では発火性がありチタン屑などと同様の管理が必要
③ 色や肌触りではステンレス鋼との見分けがつかないので厳格な識別管理が必要
などが挙げられます。
Ⅳ. ニッケル合金の用途
ニッケルは、古くからその光沢と加工性の高さを生かし、銅、ニッケル、亜鉛との合金成分として、装身具や洋食器、貨幣等に使用されてきました。近世からは、その化学的、物理的特徴を生かし、低温用ニッケル鋼・ニッケルクロム鋼・ステンレス鋼を代表とする合金鋼の合金ないしは添加成分として用いられるようになりました。
さらにその特性を生かすため、ニッケルを基材としたさまざまな合金が開発されています。これらは、開発したメーカーごとに各用途に応じてラインナップされています。
そして、個々の合金の特徴が有効に生かせる、エネルギー産業、製鉄業、化学産業、医薬品・食品産業、輸送機器産業、産業機械産業、航空宇宙産業、半導体他電子部品産業などに至るまで幅広く採用されています。
Ⅴ. ニッケル合金の溶接
ニッケル合金の溶接に用いる溶接機は、特段ステンレス鋼に用いるものと変える必要はありませんが、採用する溶接方法と施工条件に適合する適切な仕様とする必要があります。
ニッケル合金の溶接では比較的TIG・MIG・プラズマなどの不活性ガス溶接が多用されます。これには下記のような理由があります。
① 合金の性格上多品種少量生産となり、製造コストの嵩む被覆アーク棒やフラック
ス入りワイヤは開発・普及しづらい。
② 複数材で構成される機器で、一連の工程内で溶接する材質を切り替えることが多い
場合は、切り替えが容易なTIG法が採用されやすい。
③ そもそもニッケル合金を選択する機器では合金特性に対する要求レベルが高いた
め、不活性ガスなどによる高品質なガスシールドが必須となる場合が多い。
一方、溶接入熱量をコントロールし溶接部の品質を確保するやニッケル合金の溶接割れを無くすためには？のように、ニッケル合金は溶接入熱量をシビアに管理する必要があります。この管理が十分でないと、せっかくの耐食性を発揮できないことに加え、溶接歪みの矯正工程などに手間取り、製造工程に悪影響を与えることになります。
Ⅵ. ニッケル合金の溶接材料
ニッケル合金にはそれぞれ対応する溶接材料も開発・製造されていますが、母材とする材料ブランドの系列により対応する番手が異なります。
① ハステロイ系＝概ね共材の番手
② インコネル系＝母材名称（番号）とは異なる溶接材料
となります。いずれも使用される母材の化学成分に溶接性などを改善する成分を添加し調整され、TIG溶加棒やMIGワイヤなどが市販されています。
ニッケル及びニッケル合金に用いる溶接材料
なお、ニッケル合金と炭素鋼やステンレス鋼を直接接合する継手（異材継手）の場合は、原則としてニッケル合金側の溶接材料を用います。
耐食合金の溶接には上位鋼種を使用する
但し、組み合わせによってはバタリングを行う場合があります。
モネル400と炭素鋼・ステンレス鋼を直接溶接で接合する