ニッケル鋼の技術者用手引書

ガリソン横断橋：ステンレス鋼が地域をつなぐ

フォーミュラ E 用長時間蓄電池

ニッケルは偉大な名脇役

2019年 第34号 第1巻

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ニッケルとその用途に関する専門誌

2 | 2019年 第34号 第1巻2 | 2019年 第34号 第1巻

ケーススタディ15モナコ拡張プロジェクト

世界で二番目に小さく最も人口密度の高い主権国家であるモナコ公国は、23億ドルをかけて市街地を海側に 6 ヘクタール広げるという意欲的かつ環境にも配慮したオフショア拡張プロジェクトに取り組んでいます。

仏 建 設会社 Bouyg ue s Travau x Publics 社が開発する海上インフラの建設は水中部分の工事が現在進行中で2020 年までには完工の見込みです。Anse du Portier（英語では Portier Cove として有名）は海岸沿いの景観に自然になじむように作られており、海岸近くの水流を妨げないように工夫されています。

海底をさらった後、コンクリートを充填したケーソン（潜函）と呼ばれる箱体を 18 体使って建設される護岸を支えるため、砕石を敷き詰めます。ケーソンひとつの大きさは長さ 30 ｍ、高さ 24 ｍ 、重量は 1 万ｔもあり、マルセイユからモナコまで船で牽引されて来ます。

仏・西会社である SENDIN 社はマルセイユ港の建設用浮きドック（船渠）で組み立てる巨大なケーソンに 4 千ｔを超えるステンレス鉄筋を使用しています。海水の塩化物に対する高耐食性、耐久性、先々の高メンテナンス費用の回避といった理由で選ばれた 2304 系 (UNS S32304) の直径 12 mｍ ならびに 14 ｍｍ の二相ステンレス鋼が使用されましたが、その供給元は Roldan-Acerinox グループです。

2025 年に完成予定の新しい地区 Anse du Porter には、眺望のよい公園、海沿いの遊歩道やマリーナがシンボル的に造成されますが、最終的には 1 千 世帯を収容できるマンションや戸建も建設されます。

4 千ｔ以上のステンレス鉄筋が使用されたケーソン（潜函）とその組立用浮きドック（船渠）

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2019年 第34号 第1巻 | 3

ニッケルは単独で役目を果たすことはめったにありませんが、様々な形をして脇役としての活躍には目覚ましいものがあります。時には目立ちながら、時にはさりげなく、でもいつでも技術やプロセスや製品を輝かせています。

その役割は「すべて自然」です。ニッケルが出来ることは全部その本来の特性によるもので、それにはあまり知られていない微量栄養素（ミネラル）という役割もあります。

ニッケルが必要不可欠であるということは周知の事実ではありません。ニッケル含有肥料には作物に対して特定の用途があるということも知られていません。同様に、ニッケル水素電池やニカド電池も「リチウム」によって世論では影が薄くなっていますが、現代のエネルギー貯蔵分野で支配的となってい

るリチウム系電池の画期的な成功においても、ニッケルがその中心的役割を果たしているということはほとんど理解されていません。

小さくて目に見えない例としてはジェットエンジン用の耐熱および消音機能を持ったニッケル超合金の発泡防音断熱材で、これは航空機の騒音到達範囲を狭めることで空港周辺の人々の生活をずっと住みやすいものにしています。

また至る所で見かけるニッケル含有ステンレス鋼でも新しい用途が発見されており、それにより機械装置や製造工程の効率が高まり、耐用年数も伸びています。

したがって本号では「ステンレス鋼」ではないニッケル含有合金鋼に焦点を当てました。総じて言えることは、それらは数多くのエンジニアリング技術に不可欠だということです。その際立った特徴と様々な用途の例をご紹介します。

ニッケルには多くの役割があります。強くて延性があります。導電性があり、磁力はある場合もない場合も。高温もしくは低温あるいはその両方も。固体、溶体、もしくは合金形状でも。そして生活に必要不可欠。主役は現れては消えますが、この

『名脇役』の多くの優れた素質と役割はずっと生き続けます。

クレア・リチャードソン ニッケル誌　編集者

編集者記：『名脇役』生活と物事を可能にするニッケル

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LNG 貯蔵といった極低温用途と 造船用の 9 % ニッケル含有鋼

元気に成長している枝葉とニッケルが補充されなかったものとの明確な差

4 | 2019年 第34号 第1巻

目次

Nickel Magazine はニッケル協会が発行しています。www.nickelinstitute.orgDr. Hudson Bates（会長）Clare Richardson (編集発行人)communications@nickelinstitute.org寄稿者：Gary Coates, Richard Matheson, Bruce McKean, Geir Moe, Kim Oakes, Nigel Ward, Odette Ziezoldデザイン: Constructive Communications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、如何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はあるが、ニッケル協会とその会員、スタッフおよ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、また本誌に示されている情報に関して如何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：Hayes Print Group (カナダ)、 再生紙使用画像出典：表紙： Shutterstock©Wojciech Wrzesien pg 3 Shutterstock.com©Alexyz3d pg 8 iStockPhoto.com©Bet_Noire pg 9 iStockPhoto.com©umenie pg 11 iStockPhoto.com©mypokcik, iStockPhoto.com©antpkr pg 16 Shutterstock©mariusz.ks 

注：2018年 第33号 第3巻の10頁 図1の訂正版はオンラインで閲覧可

02 ケーススタディ15 モナコ拡張プロジェクト

03 編集者記ニッケルは『名脇役』

04 ニッケル・ニュース

06 ガリソン横断橋 ステンレス鋼が地域をつなぐ

08 ニッケル含有鋼 ニッケルは隠し味

12 薬品とワクチンとステンレス鋼 単回使用のバイオリアクタ

14 フォーミュラEレーシングカー長時間走行の車載電池

15 新刊書

15 UNS番号

16 巨大ヘラジカ ノルウェイのストレルゲン

お静かに航空機のエンジンが出す轟音を軽減すべく開発されたのが超合金発泡体です。A*STARのチームは通常のポリマー発砲体を雛形として使用し、耐熱性と消音機能を持つ超合金の金属発泡体（発泡金属）を製造しました。研究者はまずポリマー発泡体をニッケル基の超合金のスラリー（懸濁液）でコーティングし、次いでそのポリマーを焼き払うことで、元のポリマーと同じ構造を持つ連続気泡の金属発泡体だけを残しました。こうした金属発泡体の音響特性を検査した結果、細孔が小さければ小さいほど音波が材料を通過する経路はより長くそして難しくなることが判明しました。さらに熱音響効果（熱伝導・粘性効果）として知られる現象ですが、音響エネルギーを熱に変換することで材料が音響エネルギーを減衰させる時間がより長くなることも分かりました。

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ニ ッ ケ ル ・ ニ ュ ー スNICKEL N

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NICKEL, VOL. 34, NO. 1, 2019 | 5 2019年 第34号 第1巻 | 5

福島市に程近い日本の小さな町、浪江町では自動車メーカーの日産と 4R エ

ナジーという日産の系列会社が、使用済みの電気自動車用電池を太陽電池

式街灯に再利用しています。これはニッケル、マンガン、コバルト、リチウムを

多く含む電気自動車用電池をリサイクルする革新的方法として着想されました。

このプロジェクトは『The Reborn Light（生まれ変わった外灯）』と名付けら

れ、2011 年に地震と津波で壊滅した地区における復興事業の一環として、住

民に公共照明を提供しています。この新しいタイプの街灯は太陽光パネルと

日産の電気自動車「リーフ」の使用済み電池を組み合わせて電源としています。

この町の復興の一環として素晴らしいデザインの独立型街灯は送電線でつな

がっていない地域に電力を供給しているのです。

光るアイデア

わずかなニッケルでより成長今後、気候変動に対応した解決策がより一層重要となるでしょう。米国南部に生息しているペカンナッツの木は春季の低温と気温上昇の遅れのため、枝葉の成長期にミミナグサが繁茂するという状況になっています。これはニッケルが欠乏した結果、丸まった若葉の先、小さい葉や若葉、発育不全の木の組織、発育不良の根茎、遅い発芽、そして若葉の先が壊死という症状となり、代わりにミミナグサが繁茂します。その原因は土壌温度が低いと元気な枝葉にとって必要なニッケルの吸収が制限されてしまうからです。何かいい方法は？ペカンナッツは成長にそれほど大量のニッケルを必要とする訳ではないので土壌温度を毎年モニターし、必要に応じニッケルの葉面散布を行うことでこうした問題を防ぐことが出来ます。

わずかなニッケルでN

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火星でも長寿命米国航空宇宙局 (NASA) は火星探査機「オポチュニティ」の寿命が尽きたと 2019 年 2 月 13 日に正式に発表しましたが、苛酷な状況での思いがけない長耐用寿命という事実は記憶に残ることでしょう。この火星探査機は 2004 年に「オピー」という愛称で配備されてから 14 年間に渡って測定を行いました。太陽光パネルを装備し、リチウムイオン電池で余剰エネルギーを蓄えて、電力が必要なピーク時に役立てました。同探査機がうまく働き続けていたこともあり、リチウムイオン電池時代の初期はその化学組成を大き

く変えることはありませんでした。オポチュニティ搭載のニッケル・コバルト酸化物 (NCO) リチウムイオン電池の化学組成は、2018 年 11 月に開始された

「インサイト」によるミッションのためにニッケル・コバルト・アルミ (NCA) に改良されました。この化学組成に基づくリチウムイオン電池はより性能が向上しています。

6 | 2019年 第34号 第1巻

ガリソン横断橋： 地域をつなぐステンレス鋼

カナダのトロント市 中心 部 の 繁 華 街 のすぐ西 側 にある 17.4 ヘクタール の For t York 歴史地区は活気に満ちた街の中にある静かなオアシスです。この小さな町が York という名前だった 1793 年に始まり、駐屯部隊が配備され港を防御する務めを果たしてきました。ここは今では観光名所ですが、Garrison Commons として知られる緑地は町の住民にとても人気があります。しかし、歩行者や自転車がここに来るには主要鉄道の二線路を横断する交通量の多い道路橋を渡らなければなりませんでした。

今 や「ガ リソン 横 断 橋 」として 知ら れ る 二 か 所 の 歩 行 者・自 転 車用 の 橋 の 建 設 は コ ン ペ が 行 われ、Dufferin Construction 社が率いる共同企業体が受注しました。革新的な国際的エンジニアリング会社である Pedelta Structural Engineers 社が北米では初めて、すべてがステンレス鋼製の橋を考案しました。二相合金の 2205系 (UNS S32205) が選ばれましたが、その理由は寒い気候に必要な高強度とその他の構造的な特性に加えて、凍結防止塩に対する高耐食性があるためでした。長期の耐用年数を通して塗装の必要がなく維持費用も低く済みます。Pedelta 社の社長であり、このプロジェクトの筆頭デザイナーである Juan Sobrino 氏はこう説明しています。

「私は欧州で多くの橋にステンレス鋼を使っており、ガリソン横断橋プロジェクトの構造材にそれをどのように使用すべきか熟知していました。」それでもいくつかの克服すべき課題がありました。北米にはステンレス鋼を対象とした橋

脚用の規格がなく、管轄省庁にこの設計が安全かつ低コストであることを納得してもらわなければなりませんでした。いくつかのアイデアをうまく組み合わせ、すべての関係者が高次元で協力する必要もありました。米国鉄鋼構造物学会 (AISC) が 2013 年に構造用ステンレス鋼設計ガイドラインを発表しましたが、そこには欧州規格も盛り込まれ、さらに詳しいガイドラインも追加されました。

橋 の 組 立 はもち ろん 非 常 に 重 要な部分で、その 作 業は 地 元 企 業の Mariani Metal Fabricators 社に託されました。Mariani 社はこれまでワシントン D.C. 近郊にある空軍記念館といった目を見張るほど素晴らしいステンレス鋼の組立工事を行っています。以前にも二相ステンレス鋼の組立はしていますが、今回は 2205 系をおよそ 350 ｔ も使うため同社としても二相ステンレス鋼組立の経験上最大の工事でした。同社の社長で創業者でもある Vince Mariani 氏は次のように語ります。

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北米にある他の歩道橋が構造物の一部にステンレス鋼を使ったり、 多くの高速道路橋ではコンクリートにステンレス鉄 筋を使ったりして いますが、すべてがステンレス鋼 製の橋梁というのはガリソン横断橋が初めてです。

ニッケル含有の 2205 系二相ステン レス鋼が凍結防止塩に対する高耐食 性があるという理由で選ばれてい ます。

2019年 第34号 第1巻 | 7

「この仕事は難しいが、やりがいがある

ことをよく分かっていました。課題は特

別な板材の厚さと公差であり、加工工

場と現場を清潔にすることや、とりわ

け溶接する際の特別な要件でした。」

鋼材の表面仕上げが決定的に重要と

いうことですべての部材はガラスビー

ズ研磨が施されています。手すりです

ら 2205 系が使われています。

橋は既に架けられており、最終仕上げ

も施されています。これはもはや単なる

橋梁ではなく、持続可能で環境にやさ

しく、そして長く続く地域をつなげるた

めのひとつの手段なのです。

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左：アーティストによる完成した橋の印象

上：Mariani Metal Fabricators 社が組立てた橋梁のひとつ

下：手すりを付けて完成する前の橋梁

8 | 2019年 第34号 第1巻

丈夫、堅く、強いニッケル含有合金鋼は多様な用途に対応

ニッケル生産のほとんどはステンレス鋼向けです。しかしながら 8 % の割合は特殊で重要な用途に必要な特質を出すため合金鋼の生産に使用されます。

合金鋼は広範囲の鋼ベースの素材を含みます。ニッケルの含有量はある合金鋼では極めて低い 0.3 % 以下からマルエージング鋼（ 超硬度鋼）では 20 % まで多く含まれます。各々の合金は通常の炭素鋼に比べより高い強度、堅さ、耐摩耗性または強靭性のいくつかの組み合わせを考慮して製造されます。

これらは動力を伝えたり、また金属の形成あるいは切削したりする装置に広

く使用され、また低温度で強靭性が著しく低下する炭素鋼に代わって使用されます。単純化するとニッケル合金鋼は特定の最終用途別に特性を持ついくつかのタイプに分類されます。ニッケル合金鋼は、産業が工具あるいは機械の製造をする上で使用する製造用工具ならびに機械に欠かせないものです。 9 ページの表参照。

硬化性低合金鋼

硬化性低合金鋼は通常の炭素鋼に比べ優れた機械的特性を持つ鉄鋼素材の分類に属します。この特性はニッケル、クロム、モリブデンといった添加合金成分を加え、その後焼き入れ（急速冷却）および焼き戻しをすることで得られます。これらの添加成分は焼き入れ前にオーステナイト中に溶解されると硬化性（焼き入れ性）を高めます。ニッケルはクロムおよびモリブデンの硬化効果を補い、焼き入れおよび焼き戻しの熱処理により得られる硬化マルテンサイト結晶構造に強靭性をもたらすのに重要です。下記表を参照。

工具鋼工具鋼とは超硬性、耐摩耗性を持つ様々な鋼を意味し、用途としてはダイス

（プレス加工または押し出し加工）、切削あるいは剪断、鋳型製造、または

AISI 4340 鋼の焼きなまし、焼き入れおよび焼き戻し状態での典型的な機械的数値と AISI 1045 炭素鋼との比較

径75MM 丸棒降伏強度メガパスカル(ｷﾛﾎ ﾝ゚ﾄ゙ /平方ｲﾝﾁ)

抗張力メガパスカル(ｷﾛﾎ ﾝ゚ﾄ゙ /平方ｲﾝﾁ)

伸長強度 %

AISI 4340 焼きなまし 588 (86) 752 (110) 21

AISI 4340 ASTM A434 クラス BD 847 (124) 963 (141) 18

AISI 1045 焼きならし 410 (60) 629 (92) 22

硬化性低合金鋼はクランクシャフト、ギアならびに航空機着陸装置に使用されます－ すべてニッケル成分の恩恵を受けています。

工具鋼 － 空気焼き入れ鋼の剪断刃

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2019年 第34号 第1巻 | 9

主要ニッケル含有合金鋼の典型的な化学組成

鋼種 品種 炭素 ﾆｯｹﾙ ｸﾛﾑ 鉄 その他 用途

硬化性低合金鋼

AISI 4340 (G43400) 0.4 1.8 0.8 bal Mo トランスミッションギア、シャフト、航空機着陸装置

AISI 4320H (H43200) 0.2 1.8 0.5 bal Mo 耐摩耗のため表面硬化されているが強靭な核を持つギア、

ピニオン歯車

AR450 0.26 0.70 1.0 bal Mo 物を滑らせて移動させるシュート装置、ダンプ車の荷台部分、暖炉の火床、防弾用の耐摩耗鋼板

工具鋼 空気焼き入れ A9 (T30109) 0.5 1.5 5.0 bal Mo, V 引き抜きおよび成型ダイス、剪断刃

工具鋼 プラスチック成型 P6 (T51606) 0.1 3.5 1.5 bal 亜鉛ダイキャストおよびプラスチック射出成型ダイス

高強度低合金鋼 「対候性鋼」

A588 Gr C (K11538) 0.1 0.35 0.5 bal Cr, Cu, V 通常の炭素鋼に比べ重量当たりの強度が高く、大気耐食

性が強いため橋梁建設に使用される

ニッケル鋼 9% Nickel steel (K81340) 0.13 9.0 - bal LNG 貯蔵など低温下用

マルエージング鋼 Maraging 300 (K93120) 0.03 18.5 - bal Co, Mo,

Al, Tiロケットモータのクランク室、機体、伝導軸、航空機着陸装置、射出成形金型、ダイス

ハンマー（個人用または工業用）などの打撃系工具などを意味します。この熱処理は硬化性低合金鋼と同様です。

空気硬化工具鋼は急速水冷却焼き入れにより起こるねじれを減らし、耐摩耗性と強靭性を程よいバランスで有しています。

低炭素鋼であるプラスチック成型用工具鋼は低炭素鋼を浸炭硬化させた後、更に表面を超硬させる焼き入れを行うもので射出成型鋳型および鋳物用のダイキャストに最適です。

高強度低合金鋼（対候性鋼）この鋼の細かな結晶粒組織により通常の炭素鋼に比べ強度が増します。この細かな結晶粒は変態温度を変えることでオーステナイトからフェライトおよびパーライトへの変態が空冷過程において、より低温で起きるようになります。高強度低合金鋼は概して低い炭素レベルでは、シリコン、銅、ニッケルおよびリンなどの成分はきめ細かいパーライト構造に効果的です。

クロム、銅ならびにニッケルを添加することにより鋼本体に付着する安定した

ニッケル 18 ％ 含有のマルエージング鋼は航空機着陸装置に必要な衝撃疲労強度が備わっています。

10 | 2019年 第34号 第1巻

さび層が出来ますがこれは通常の構

造用鋼に生じるさび層に比べはるかに

多孔性が低いもので、その結果、耐腐

食性がありコーテイングなしでの使用

を可能にしています。

下記の表は ASTM A36 構造用炭素鋼

と A588 C グレード構造用高強度低合

金鋼の機械特性の違いを表したもの

です。

ニッケル鋼

通常 3 ％ 以上の高いニッケルを含むフ

ェライト鋼は 0 ℃ から －196 ℃ の温度

に晒される用途に広く使用されます。こ

れら用途の例としては液化炭化水素ガ

ス用貯蔵タンクならびに寒冷地域仕様

の構造物や機械類です。この鋼は衝撃

転移温度を低下させる効果のあるニッ

ケル成分を添加し、低温での強靭性を

増しています。

炭素鋼ならびに大部分の低合金鋼は

温度が 24 ℃ (75 ℉) 以下になると強度

および硬さは増しますが、引張延性お

よび強靭性は低下します。ニッケルは

図 １ のシャルピー衝撃試験結果から分

かるように低温での強靭性を増加させ

ます。

1952 年に液体酸素格納容器に初め

て使用された 9 ％ ニッケル鋼はその

後 LNG タンクの内殻に主に使用されて

きました。これはオーステナイト系ステ

ンレス鋼の代わりに、－196 ℃までの

超低温での強さと信頼性の高い破壊

靭性により選ばれています。

マルエージング鋼（超硬度鋼）

マルエージング鋼は低炭素の鉄ニッケ

ル合金で 18 ％ までのニッケルとさら

にコバルト、モリブデン、チタンその他

成分と混合されています。この合金は

マルテンサイトに焼き入れされ、その

後 480 ～ 500 ℃ での析出硬化処理が

施され Ni3Mo や Ni3Ti などの金属間化

合物の析出が促進されます。これらの

鋼は高度の破壊靭性があり、その優れ

た衝撃疲労強度は電気機械部品など

繰り返される衝撃負荷に有効です。比

較的低温の熱処理温度により、硬化性

低合金鋼の焼き入れに比べゆがみが

遥かに少ないため長尺の薄い部品に

適しています。

これらの合金鉄に使用されるニッケル

量はステンレス鋼生産物に比べると大

きくありませんが、合金鉄の種類は広

範囲であり産業界にとり重要な名脇役

です。

技術者ならびに仕様作成者による用

途 別の最 適な素 材選 定をサポート

するため、ニッケル協会は無料の技

術指導サービスを提 供しています。

www.nickelinstitute.org

マルエージング鋼の優れた特性をまとめると下記のようになります。

• 常温での超強度

• 簡単な熱処理の結果として得られるねじれの極小化

• 同程度の強度の焼き入れ焼き戻し鋼に比べ優れた破壊靭性

• 加工が容易かつ溶接性の良さ

次の表は ASTM A36 炭素構造用鋼と ASTM A588 C グレード高強度低合金構造用鋼との機械的特性の違いを表しています

品種降伏強度

最小メガパスカル(ｷﾛﾎ ﾝ゚ﾄ゙ /平方ｲﾝﾁ)

抗張力最小メガパスカル(ｷﾛﾎ ﾝ゚ﾄ゙ /平方ｲﾝﾁ)

最小伸長強度 ％

ASTM A36 250 (36) 400 (58) 23

ASTM A588 グレード C 345 (50) 485 (70) 21

図１：焼きならし焼き戻し低炭素鋼 2 分の 1 インチ鋼板のニッケルの衝撃強度に及ぼす影響

シャルピー衝撃試験（鍵穴形の切り欠き入り試験片

FT/L

B

-300 -200 -100 0 1 0 0 (-185) (-129) (-73) (-18) (38)

温度華氏（摂氏）

60

40

20

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81.3

54.2

27.1

0

9% Ni

3.5% Ni

2.2

5% N

i0%

Ni

ジュ

ール

オーステナイトは 727 ℃ 以上で存在す

る鋼の原子構造です。これは非磁性の

鉄ならびに炭素の固溶体です。

セメンタイトは鉄と炭素の混合物で化

学式は Fe3C です。

鋼中の炭素含有量が増加するにつれて

セメンタイトとパーライトも増加し、そ

れにつれて強度も増します。炭素含有

量を増やすのが機械的強度を増す最

も簡便な手段です。しかし強度が増す

と強靭性は弱まります。

注：結晶粒を小さくする（より細かくす

る）ことでも機械的強度は強靭性を弱

めることなく増加します。

シャルピー衝撃試験は標準化された

試験で標準サイズの金属片が破砕さ

れる際に吸収されるエネルギーを測定

するものです。

フェライトは 727 ℃ 以下で存在する鋼

の原子構造です。フェライトはオーステ

ナイトに比べ炭素溶融性が低く、従っ

て 727 ℃ 以下に冷やされた場合、過剰

の炭素はセメンタイトとなり、それがフ

ェライトの層となってパーライトを形成

します。従って常温での鋼の微細構造

はフェライト中にパーライト層のある形

です。

硬化性は急冷（焼き入れ）後に一定の

硬度が得られる鋼の性質です。

マルテンサイトはオーステナイトの焼き

入れを急速に行うことで、血漿中の炭

素原子がセメンタイトを形成するだけ

の量の拡散が行われないため形成さ

れる磁性の鋼構造です。この焼き入れ

後、オーステナイトは炭素が過飽和状

態の歪構造に変態され機械的強度と

硬度が増加します。

パーライトはフェライトとセメンタイト

が交互に重なる層状構造です。

析出硬化は金属の結晶構造を硬くする

金属化合物（金属間化合物）微粒子の

拡散形成（析出）を促進することで、可

鍛性金属の機械的強度または硬度を

増すために使われる熱処理技術です。

強靭性は素材のエネルギー吸収と塑

性変形能力で、圧迫された際に破砕し

にくくするものです。

2019年 第34号 第1巻 | 11

用語集

マルエージング鋼は高性能素材で高級ゴルフクラブのヘッド全体またはフェース面に使用されています。

12 | 2019年 第34号 第1巻

薬品とワクチンとステンレス鋼多品目対応かつ迅速な生産方式

生物製剤（生きている微生物、植物や動物の細胞などの材料を使用し製造された複合分子薬品）への需要が急速に高まっています。年間 2 千～ 3 千kg 規模の生物製剤の製造を経済的に行うためニッケル含有ステンレス鋼が貢献しています。それ以下の生産レベルでは、一回使い切り（単回使用）のシステムの方が高い費用対効果を発揮するからです。

生物製剤の開発は、効能が高くより特定の病気に特化した薬品の製造を可能にします。この結果、製品品目が増加する一方で、個々の製造規模が小ロット化するため、変化する需要により素早くより柔軟に対応できる生産工程が必要となってきます。

この新しい生産方式に応えるものとして単回使用の生物反応装置（バイオリアクタ）が開発されました。バイオリアクタとは制御された条件下で色々な生物（酵母菌、細菌、動物の細胞など）を増殖させる容器です。

これらの容器は、通常 304L 系ステンレス鋼製 (UNS S30403) ですが、容器内面の内張は生物製剤と接触するため単回使用です。バイオ医薬品業界の工業プロセスでの使用が増加しており、バイオ医薬品、ワクチン、各種抗体、遺伝子細胞治療薬、バイオ後続品などが製造されます。

単回使用のバイオリアクタは、特定の分子のバッチ製造のため、ステンレス鋼製支持容器に医療用等級のポリエチレン製のライナーで内張が施されています。そしてこの内張は各々のバッチ

製造終了時にその都度廃棄処分されます。つまり何種類もの分子の異なる少量バッチの薬剤が同じステンレス鋼製の設備で製造できるということです。これまでは、製造品目を変える場合、製造設備は広範囲に徹底的な清浄処理を行うか新規に制作しなければなりませんでした。バイオテクノロジーの世界では汚染回避は極めて重要なため、清浄工程は 3 ～ 4 日に及ぶこともあり、また膨大な量の用水を消費することとなります。取り外し可能な内張により設備の清浄工程を排除もしくは最小限の形で行うことができ、次工程の前とは全く異なる化合物の製造に移ることが可能となります。これは設備の稼働率を高め、また休止時間を最短化します。

単回使用のバイオリアクタの将来この先、新薬や新しい化学品の需要の高まりが続くことが見込まれる中、個々の生産量が小ロットのこれら製品の製造には、適応性がありコンパクトなシステムの単回使用バイオリアクタが実用的で適切な対応手段となります。単回使用システムのメリットとしては、清浄工程の低減、蒸気殺菌処理の軽減、光

上：GE Healthcare 社製撹拌タンク型反応装置 Xcellerex™

素早い立ち上げ、製造の迅速な変更など、単回使用技術によって製造業者は市場の変化にいち早く対応することが出来るようになります。

開放操作の必要度が軽減されるということは、汚染のリスクも少なくなるということです。

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2019年 第34号 第1巻 | 13

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熱費や水道代の低減、設備設計の自

在化、資本効率の改善などが挙げられ

ますが、このことは単回使用のバイオリ

アクタが新興市場においての生産施設

建設を容易にし、分散型生産に資する

ことにも通じます。

頼れる材料どのような製法であれ製薬業では、製

品の安全性、純正度ならびにその効能

は不可欠なものです。ニッケル含有ステ

ンレス鋼は製薬機器の材料として重要

でコスト効率の良いもので、その機器

や配管の滑らかな表面は洗浄や消毒

また必要に応じて汚染除去が容易に

行えるものです。医薬品産業界で、代

表的に「頼れる材料」とされているの

は、反応物質との接触がある処理装

置には 316 系ステンレス鋼 (S31600) 、

支持構造材には 304 系ステンレス

鋼 (S30400) です。どちらも特段の処

理を加えずそのまま複雑な加工機器に

使用され組み込まれます。

左：GE Healthcare 社製撹拌タンク型反応装置 Xcellerex™

単回使用バイオリアクタの利点： 

•費用や時間のかかるバッチ間の清浄作業や殺菌の妥当性検証処理を軽減

•固形廃棄物の量を削減

•年間生産能力の増大に寄与

•資本費用や運転費用を低減

•製造工程構築の高速化や柔軟性の拡大、製造開始や切り替えの迅速化

•急速に変わる市場ニーズへの素早い対応が可能

•工程内の加工材料に接触するすべての部材が使い捨てユニットの中に封入されるため汚染リスクを最小化

先駆者は Flex Factory システム

バイオ医薬品はタンパク質系製剤で、がん、リウマチ性関節炎、糖尿病、血液凝固障害など多くの疾病治療に使われています。世界的な人口高齢化ならびに精密な標的治療の方向への進みとも相まってこの種の医薬品の需要は急速に伸びています。この需要にこたえる形で、GE Healthcare 社のライフサイエンス事業部上席技術責任者（バイオ関連製造上流工程担当）の Parrish Galliher 氏は FlexFactory システムを開発しました。これは単回使用の最新技術に基づくもので、これにより生産者は新設既設を問わずいかなる施設にもぴったり合う、まさしくオーダーメイドの生物製剤の生産施設が迅速に構築できるということになります。またそれは生産者にとって変更の必要性に応じて個々の生産工程の改造が柔軟的にでき、 9 ～ 12 ヵ月以内に全く新しい生産ラインでさえ構築できるようになることを意味します。「従来は生産工場の建設は 5 年も前から始めなくてはなりませんでした。なぜなら建設にはそれくらいの年数を必要としていたからです。しかし日進月歩のバイオテクノロジーの世界では 5 年は永遠に等しい時間です。」と Galliher 氏は述べています。また「医薬品業界での流行り廃りにはさまざまな事由があり、半数の設備はそれが完成した時点で陳腐化されてしまいます。これはこの業界の変化の速さを表しているでしょう。」とも同氏は語っています。

14 | 2019年 第34号 第1巻

フォーミュラＥ（電気自動車の F1）が世界中の大手自動車メーカーの関心を集めています。2011 年に発案され、2014 年 9 月に北京で初めて実現したフォーミュラＥレース、電気自動車選手権の観客数は急速に増加して既に 2 百万人を超えており、走行スピードも時速 220 km から 299 km（137 マイルから 186 マイル）までに加速し、レースごとの走行距離も 2 倍以上になっています。

スピードと距離アップの推進力は電池の革新にありいずれのフォーミュラＥチームも同じ電池技術を使わなくてはならず、当初は容量 28 kWh のリチウムイオン電池でした。最初のバッテリーは Williams 社が委託を受けて製造しましたが、現在は McLaren Applied Technologies 社が供給契約をしています。新規の電池開発を進め、利用可能エネルギーは 2 倍近くの 54 kWh に達しており、各ドライバーは全レース区間を 1 台の車で走破できるようになっています。Williams 社の時と同様に、McLaren 社のフォーミュラＥ搭載電池内部の化学組成は技術上の極秘事項となっていますが、ひとつの可能性としてエネルギー密度の向上を図るためニッケルを主成分とする 8 : 1 : 1 組成（ニッケル80 % に対してコバルトとマンガン各 10 % ずつ）が考えられます。

このMcLaren 社製車載電池の秘密が明らかになるのはずっと先のこととなりそうですが、その間エキサイティングで技術革新が期待できるこのスポーツを楽しみましょう。

チャンピオンを目指せ電気自動車用電池の長寿命化

「ともかくも McLaren 社は重量制限を極限まで押し広げ、1 台当たりの搭載電池数を 165 から 209 個まで増やし、エネルギー密度を倍近くまで強化するという不可能を可能にしてしまいました。それをどのようにして達成させたのか、皆、興味津々です。」

― Global Mining Observer 誌

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オンライン版ニッケル誌

ニッケル協会は、ニッケル含有材料の有効利用に資する技術手引書 2 冊を改訂

発刊しました。

全面的に改 訂された『耐食性部材

用ニッケル合金の溶接加工指針書

(11012)』は溶接工、材料エンジニア、

設計技術者の皆様にとって有用な情

報を提供します。溶接工にとっては、エ

ンジニア以外の方にも役立つような

「ハウツー」形式の手引書となっていま

す。材料エンジニアにとっては、様々な

種類のニッケル合金の冶金学的特性

の概説、また加工品質を確保する非破

壊検査に関する記述が非常に参考とな

るでしょう。設計技術者にとっては、各

種ニッケル合金の防食の最適デザイン

を検討する際や、溶接肉盛り、シートラ

イニングや合わせ版など、耐食性に優

れた表面層に関する記述が参考になり

ます。『塩素、塩化水素、塩酸中で使用

される合金の選択 (10020)』では、塩

素、塩化水素、塩酸が様々な条件下で

鋼鉄、ステンレス鋼、ニッケル系合金、

銅系合金、チタン、ジルコン、タンタル

などの各種金属に及ぼす腐食作用につ

いて概説しています。全面的に改訂さ

れたこのニッケル協会発刊の技術書は

材料エンジニアに役立つ手引書です。

ダウンロード（無料）はこちらから：

www.nickelinstitute.org

2019年 第34号 第1巻 | 15

新刊書

UNS Al C Co Cr Cu Fe Mn Mo N Ni P S Si Ti V

S30400p. 13

- 0.03max.

- 18.0-20.0

- bal 2.00max.

- 0.10max

8.0-12.0

0.045max

0.030max

0.75max

- -

S30403p. 12

- 0.08max.

- 18.0-20.0

- bal 2.00max.

- 0.10max

8.0-10.0

0.045max

0.030max

0.75max

- -

S31600p. 13, 16

- 0.08mas

- 16.0-18.0

- bal 2.00max.

- 0.10max

10.0-14.0

0.045max

0.030max

0.75max

- -

S32304p.2

- 0.03max.

- 21.5-24.5

0.05-0.60

bal 2.50max

0.05-0.60

0.05-0.20

3.0-5.5

0.040max

0.030max

1.00max.

- -

S32205p. 6

- 0.030max

- 22.0-23.0

- bal 2.00max

3.00-3.50

0.14-0.20

4.50-6.50

0.030max

0.020max.

1.00max

- -

G43400p. 8

- 0.37-0.43

- 0.70-0.90

- bal 0.60-0.80

0.20-0.30

- 1.65-2.00

0.035max

0.040max

0.15-0.30

- -

H43200p. 8

- 0.17-0.23

- 0.35-0.65

- bal 0.40-0.70

0.20-0.30 - 1.55-2.00

0.035max

0.040max

0.15-0.30

- -

T30109p. 8

- 0.45-0.55

- 4.75-5.50

0.25max

bal 0.5max

1.30-1.80

- 1.25-1.75

0.03max

0.03max

0.95-1.15

- 0.80-1.40

T51606p. 8

- 0.05-0.15

- 1.25-1.75

0.25max

bal 0.35-0.70 - - 3.25-3.75

0.03max

0.03max

0.10-0.40 - -

K11538p. 8

- 0.15max

- 0.30-0.50

0.20-0.50

bal 0.80-1.35 - - 0.25-0.50

0.04max

0.05max

0.15-0.30

- 0.001-0.10

K81340p. 8

- 0.13max

- - - bal 0.90max

- - 8.5-9.5

0.035max

0.040max

0.15-0.30

- -

K93120p. 8

0.05-0.15

0.03max

8.5-9.5

0.5-max

0.5max

bal 0.10max

4.6-5.2

- 18.0-19.0

0.010max

0.010max

0.10max

0.5-0.8

-

UNS番号別詳細 本誌に記載されたニッケル含有合金およびステンレス鋼の化学的組成（重量パーセント）

16 | 2019年 第34号 第1巻2019年 第34号 第1巻

ノルウェイの E3 号線沿いに、高さ 10.3 m、幅 11.6 m の雄大なヘラジカ形の建物がそそり立ちます。これはヘラジカの像としては世界最大です。Storelgen（ストレルゲン、大きなヘラジカ・大鹿の意味）として知られるこのマンモス級のヘラジカ像は、そのピクニック場内に散らばったヘラジカの巨大な糞と共に、運転で疲れた旅行者の心を和ませます。

ドライバーの休憩のために停車し手足を伸ばしてもらうのと、その地方の野生 動物への注意を喚 起するために、このヘラジカ像の設置場所が選ばれました。Storelgen が設置されたのは 2015 年 10 月ですが、その一年間だけで千頭を超えるヘラジカが自動車にはねられているからです。

Store lgen はノルウェイの芸 術家、Linda Bakke 氏がノルウェイ道路交通局と連携して創作したもので、製

作費は 約 236 千米ドル。この像は中国で製造加工され、材料は 316 系ステンレス鋼 (UNS S31600) で鏡面研磨仕上げにすることで「可能な限り耐久性を上げ、メンテナンス不要の状態にしました。」と作者は述べています。

「また私たちが目標にしていたのはカナダの Mac the Moose を追い抜いて世界一大きいヘラジカ像を作ることでした。また一番可愛いものにしようと考えました。」とも語っています。

Storelgen は完成するまでに 6ヵ月を要し、複数体に分けて中国から搬送されました。

またカナダの Mac the Moose より 50 cm ほど背が高くなっています。

ストレルゲン、巨大ヘラジカ