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キュプロニッケル（銅ニッケル合金、 CuNi）は、銅とニッケルの合金で、強度を高めるために鉄やマンガンなどの他の金属が少量添加されるのが一般的です。銅の含有量は通常60～90パーセントです。（モネルはニッケルと銅の合金で、ニッケル含有量は最低52パーセントです。）
銅含有量が高いにもかかわらず、キュプロニッケルは銀色です。キュプロニッケルは塩水による腐食に非常に強く、そのため海水システムの配管、熱交換器、凝縮器、および船舶用ハードウェアに使用されます。高品質のボートのプロペラ、プロペラシャフト、船体に使用されることもあります。その他の用途としては、軍事機器、化学工業、石油化学工業、電気工業などがあります。[ 1 ]
装飾用途では、ニッケルシルバーと呼ばれる白銅合金が一般的だが、これは亜鉛は含まれているものの銀は含まれていない。
20世紀における白銅のもう一つの一般的な用途は、銀色の硬貨の製造でした。この用途では、典型的な合金は銅とニッケルの比率が3対1で、ごく少量のマンガンが含まれています。過去には、 1947年以降のポンド硬貨のように、本来銀貨であるはずの硬貨が白銅で改質されていました。
クプロニッケル（ドイツ語ではKupfernickel）は、もともとは砒化ニッケルの鉱物形態を指していました。天然の鉱床は銅鉱石と外見が似ており、地元の言い伝えでは、使用可能な銅がないことや砒素への曝露による健康被害は、精霊ニッケル（オールド・ニックを参照）のせいだとされていました。1751年、アクセル・フレドリック・クロンシュテット男爵は、このクプロニッケルのサンプルから初めて元素ニッケルを分離し、この新しい金属を精霊にちなんで名付けました。この鉱物は、 19世紀半ばまでに、ニケリンやニッコライトといった現代の名称が付けられました。
キュプロニッケルや銅ニッケル以外にも、この素材を表すためにいくつかの用語が使われてきました。例えば、アルパカ（Alpaka ）またはアルパッカ（Alpacca） 、アルジャンタン・ミナルジャン（Argentan Minargent）、登録されたフランス語の用語であるキュイヴル・ブラン（ cuivre blanc）、チャイニーズシルバー（Chinese silver ） 、そしてローマ字表記の広東語であるパクトン（Paktong ）、白銅（フランス語と広東語はどちらも「白い銅」を意味します）などです。
亜鉛を含む白銅合金はニッケルシルバーと呼ばれ、ホテルシルバー、ジャーマンシルバー、プラタ・アレマナ（スペイン語で「ジャーマンシルバー」）とも呼ばれる。 [ 2 ]
銅ニッケル合金は、海水腐食に対する耐性、優れた加工性、およびマクロファウリングレベルを低減する効果により、海洋用途に使用されています[ 3 ]。90% Cu–10% Niから70% Cu–30% Niまでの組成の合金は、さまざまな海洋用途の熱交換器または凝縮器チューブに一般的に指定されています[ 4 ] 。
銅ニッケル合金の重要な海洋用途には、以下のようなものがある。
銅ニッケルが硬貨に広く使用されているのは、耐腐食性、電気伝導性、耐久性、展延性、アレルギーリスクの低さ、刻印の容易さ、抗菌性、リサイクル性によるものである。[ 12 ]
ヨーロッパでは、スイスが1850年に銀と亜鉛を加えた白銅ビロン貨幣を5、10、20ラッペン硬貨に採用した。 [ 13 ] 1860/1861年からベルギーは純白銅（銅75%、ニッケル25%、銀と亜鉛は添加なし）の5、10、20サンチームを発行し、[ 14 ] [ 15 ]ドイツは1873/1874年から（1915/1916年まで）同じ75:25の比率で5および10ペニヒを発行した。[ 16 ] 1879年にはスイスも5および10ラッペン硬貨に、当時ベルギー、米国、ドイツで使用されていたより安価な75:25の銅対ニッケル比率を採用した。[ 17 ] [ 18 ] 1947年から2012年まで、英国の「銀」硬貨はすべて白銅で作られていました（ただし、2012年以降、英国の白銅硬貨の最小額面2つは、より安価なニッケルメッキ鋼貨に置き換えられました）。さらに、 1960年代/1970年代に銀価格が上昇した際、他のヨーロッパ諸国も、残りの銀貨を白銅に置き換えました。例えば、1968年から1/2から（写真の）5スイスフラン硬貨[ 19 ]、1975年から2001年までのドイツの5ドイツマルクなどです。1999年以降、 1ユーロ硬貨の内側部分と2ユーロ硬貨の外側部分にも白銅が使用されています。
南北戦争中の銀の買いだめが一因となり、米国造幣局は1865年から3セント硬貨、1866年から5セント硬貨に白銅を初めて流通硬貨に使用した。それ以前は、米国では両額面とも銀のみで製造されていた。1971年以降、米国ハーフダラー（50セント）の両面に白銅が被覆されており、1964年以降に製造されたすべてのクォーター（25セント）とダイム（10セント）にも白銅が使用されている。現在、米国ジェファーソンニッケル（5セント） [ 20 ] 、スイスフラン、韓国500ウォンと100ウォンなどの一部の流通硬貨は、純白銅（75:25の比率）で作られている。[ 21 ]
ニッケルシルバー（白銅）は、食器やその他の装飾的な家庭用品において銀の代替品として広く使用されています。ニッケルシルバーは銀メッキのベースとしても使用され、その製品は電気メッキニッケルシルバー（EPNS）として知られています。[ 22 ]
熱電対接合部は、鉄-コンスタンタン、銅-コンスタンタン、ニッケル-クロム/ニッケル-アルミニウムなどの一対の熱電対導体から形成される。接合部は、銅、キュプロニッケル、またはステンレス鋼のシースで保護される場合がある。[ 23 ]
キュプロニッケルは極低温用途で使用されます。非常に低い温度でも高い延性と熱伝導率を維持します。鋼やアルミニウムなどの他の金属が粉砕して熱的に不活性になるのに対し、キュプロニッケルのこのような低温での特異な熱的および機械的性能により、多くのニッチな用途が可能になります。連続的に低温で多くのデューティサイクルを実行する必要のある機械や、極低温プラントの熱交換器は、極低温用途におけるキュプロニッケルの主な産業用途です。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]ニッチな用途も存在し、たとえば、この合金の低温での高い熱伝導率により、キュプロニッケルは凍結焼き印作業で広く使用されています。[ 27 ]
20世紀初頭には、この素材は弾丸のジャケットを作るのに使われていました。しかし、銃身内部の金属汚染を減らすために、すぐに金メッキ金属に置き換えられました。[ 28 ]
現在でも、白銅と洋白は銀メッキの食器の基本素材として使われています。機械・電気機器、医療機器、ファスナー、宝飾品、バイオリン属楽器の弦、ギターのフレットなどにも広く用いられています。フェンダー・ミュージカル・インストゥルメンツは、 1970年代にテレキャスターやスターキャスターなど様々なギターに搭載された「ワイドレンジ・ハムバッカー」ピックアップに「CuNiFe」磁石を使用していました。
高品質のシリンダー錠およびロックシステムでは、シリンダーコアは耐摩耗性に優れた白銅で作られています。
キュプロニッケルは錆びないため、従来の鋼鉄製油圧ブレーキライン（ブレーキフルードを収容するパイプ）の代替品として使用されています。キュプロニッケルは鋼鉄よりもはるかに柔らかいため、曲げ加工やフレア加工が容易であり、この特性により油圧部品とのシール性も向上します。
ニッケルの電気陰性度が高いため、銅のd軌道から電子が1つ失われ（純銅のd軌道の電子数10個に対し、9個となる）、銅色を呈さない。
キュプロニッケル合金の重要な特性には、耐食性、マクロファウリングに対する固有の耐性、良好な引張強度、焼きなまし時の優れた延性、熱交換器や凝縮器に適した熱伝導率と膨張特性、抗菌接触面特性における良好な熱伝導率と延性などがある。[ 29 ]
耐食性と強度の微妙な違いによって、どの合金が選ばれるかが決まります。表を下に行くほど、配管内の最大許容流量と引張強度が増加します。
海水中では、この合金は優れた腐食速度を示し、最大設計流速を超えない限り腐食速度は低く抑えられます。この流速は形状とパイプ径に依存します。他の合金系では問題となる隙間腐食、応力腐食割れ、水素脆化に対する耐性も高いです。銅ニッケル合金は、海水に曝されてから最初の数週間で自然に薄い保護表面層を形成し、これが継続的な耐性をもたらします。さらに、海水中に生息する大型付着生物（例えば、海草や軟体動物）の付着に対する高い固有の生物付着耐性も備えています。この特性を最大限に活用するには、この合金はあらゆる形態の陰極防食の影響を受けないか、または陰極防食から絶縁されている必要があります。
しかしながら、銅-ニッケル合金は、硫化物やアンモニアが存在する汚染された海水や停滞した海水では、高い腐食速度を示すことがあります。そのため、特に試運転時や改修時など、表面皮膜が成熟する間は、このような環境への曝露を避けることが重要です。海水システムに硫酸第一鉄を添加することで、耐食性を向上させることができます。
銅とニッケルは互いに容易に合金化し、構造も単純なため、これらの合金は延性があり、加工しやすい。各合金の強度と硬度は冷間加工によって向上するが、熱処理では硬化しない。90-10 (C70600) と 70-30 (C71500) の接合は、溶接またはろう付けの両方で可能である。どちらもほとんどの溶接方法で溶接可能であるが、自己溶接 (溶接消耗品を使用しない溶接) または酸素アセチレン溶接法は推奨されない。通常、両方の合金には 90-10 溶接消耗品よりも 70-30 溶接消耗品が好まれ、溶接後の熱処理は不要である。鉄の希釈効果を避けるために 65% ニッケル-銅溶接消耗品を使用すれば、鋼に直接溶接することもできる。C71640 合金は、管板に溶接するよりもシームレス管として使用され、拡張される傾向がある。ろう付けには適切な銀系ろう付け合金が必要である。しかし、銀ろう付けされる銅-ニッケル合金に応力がかからないように細心の注意を払う必要があります。応力が発生すると、ろう付け材の粒界に浸透が生じ、深刻な応力割れが発生する可能性があるためです（図参照）。したがって、潜在的な機械的応力を完全に除去するために、焼きなまし処理が必要です。
銅ニッケル合金の用途は長年にわたりその有効性が証明されており、現在でも広く使用されています。その用途は、海水配管、海軍艦艇の凝縮器や熱交換器、商船、多段式フラッシュ脱塩装置、発電所など多岐にわたります。また、海洋構造物の飛沫帯被覆材や船舶の船体保護被覆材、さらには船体そのものにも使用されています。
延性があるため、キュプロニッケル合金はさまざまな製品形状[ 33 ]や継手に容易に加工できます。キュプロニッケル管は、シェルアンドチューブ式熱交換器の製造用に管板に容易に拡張できます。
一般的な取り扱い、切断および機械加工、成形、熱処理、溶接準備、溶接準備、仮付け溶接、溶接消耗品、溶接プロセス、塗装、溶接部の機械的特性、および管およびパイプの曲げ加工を含む製造手順の詳細が入手可能です。[ 34 ]
銅ニッケルの鍛造品および鋳造品の注文には、 ASTM、 EN、ISO規格が存在する。[ 35 ]
温度変化に対して抵抗値が安定している熱電対や抵抗器には、銅55％とニッケル45％からなる合金コンスタンタンが使用されている。
紀元前3世紀頃から、中国では白銅合金は「白銅」として知られていた。戦国時代に作られた武器の中には、銅ニッケル合金で作られたものもあった。[ 36 ]バクトリアの白銅が中国起源であるという説は、 1868年にフライトによって提唱された。フライトは、これまで発見された中で最も古い白銅貨幣と考えられているものが、中国の白銅貨幣と非常によく似た合金でできていることを発見した。[ 37 ]
著者であり学者でもある何維は、西暦1095年頃に白銅の製造工程を詳細に記述した。白銅合金は、雲南省で自然に産出される鉱石の小粒を溶融銅の浴槽に加えることで作られると記されている。スラグの皮膜が形成されたら硝石を加え、合金をかき混ぜてすぐにインゴットを鋳造した。亜鉛も原料として挙げられているが、いつ加えられたかについての詳細は記されていない。この記述によれば、使用された鉱石は雲南省でのみ入手可能であったとされている。
「三茂春は、多くの人が亡くなった飢饉の年に丹陽にいた。そこで、英は特定の化学薬品を取り、それを銀に投影して金に変え、また鉄を銀に変えた 。こうして、偽の銀と金で穀物を購入することで、多くの人々の命が救われた。その後、銅を加熱して化学粉末を作り、投影によって変成させた者は皆、その方法を「丹陽の技法」と呼ぶようになった。」[ 37 ]
明末清代の文献には白銅（パクトン）に関する情報はほとんどない。しかし、1637年頃の『天公開武』で初めて白銅が具体的な名前で言及されている。
「炭酸亜鉛（カラミン）または亜鉛金属を銅と混ぜ合わせると、『黄銅』（普通の真鍮）が得られる。これに砒素やその他のヒ素物質を加熱すると、『白銅』または白銅（白銅）が得られる。ミョウバンや硝石などの化学物質を混ぜ合わせると、青銅（緑銅）が得られる。」[ 37 ]
西暦300年に高鴻は「丹陽銅は、丹陽銅に水銀の霊薬を注ぎ、加熱することで作られ、金が形成される」と述べた。しかし、『佛誼』と『神易経』は、西方の省にある像が銀、錫、鉛、そして 金のように見える丹陽銅でできており、器や剣のメッキや象嵌に鍛造できると述べている。[ 37 ]
ジョセフ・ニーダムらは、紀元前120年の雲南の劉安の治世には、少なくとも中国人は白銅を独自の合金として認識していたと主張している。さらに、雲南の天国は紀元前334年に楚の植民地として建国された。現代の白銅は当時の中国人には知られていなかった可能性が高い が、雲南で自然に産出される白銅合金は貴重な国内貿易品であったと考えられる。[ 37 ]
1868年、W. Flightは、表面にエウテュデモス2世の胸像が描かれた、ニッケル含有率20%のグレコ・バクトリア硬貨を発見した。この硬貨は紀元前180年から170年のものと推定された。同様の合金で作られた、弟のパンタレオンとアガトクレスの胸像が描かれた硬貨は、紀元前170年頃に鋳造された。硬貨の組成は、後に伝統的な湿式法と蛍光X線分析法を用いて検証された。[ 37 ] 1873年、カニンガムは「バクトリアニッケル説」を提唱し、これらの硬貨は中国からインドを経由してギリシャに至る陸路貿易の結果であると示唆した。カニンガムの説は、W.W. Tarn、ジョン・マーシャル卿、J. Newton Friendなどの学者によって支持されたが、E.R. CaleyとS. van R. Cammannによって批判された。[ 37 ]
1973年、チェンとシュヴィッターは新たな分析で、バクトリアの合金（銅、鉛、鉄、ニッケル、コバルト）は中国の白銅に非常に似ており、既知のアジアのニッケル鉱床9つのうち、中国のものだけが同一の化学組成を提供できると示唆した。[ 37 ]カマンはチェンとシュヴィッターの論文を批判し、白銅貨幣の衰退はシルクロードの開通と一致するはずがないと主張した。カマンによれば、バクトリアのニッケル理論が正しければ、シルクロードは白銅の供給を増加させたはずである。しかし、グレコ・バクトリアの白銅貨幣の終焉は、エウテュデモス家の終焉など他の要因に起因する可能性がある。[ 37 ]
この合金は、西洋で錬金術の実験中に再発見されたようです。特に、アンドレアス・リバヴィウスは、 1597年の著書『アルケミア』の中で、水銀または銀で表面を白くした銅合金について言及しています。しかし、1599年に出版された『De Natura Metallorum in Singalarum Part 1』では、同じ用語が東インド諸島（現在のインドネシアとフィリピン）産の「錫」に適用され、スペイン語でtintinasoという名前が付けられました。[ 37 ]
ケンブリッジ大学のリチャード・ワトソンは、白銅が3種類の金属の合金であることを最初に発見した人物と思われる。白銅の秘密を再発見しようと試みたワトソンは、ジャン＝バティスト・デュ・アルドの『中国史』 （1688年）が白銅という用語を混同していると批判した。彼は、当時の中国人は白銅を合金として製造するのではなく、容易に入手できる未加工の鉱石を精錬していたと指摘した。
「…北京で行われた膨大な一連の実験から、この地域で採掘された鉱石として自然に発生した銅の中で最も珍しいのは白銅、すなわち白銅であることが明らかになった。それは鉱山から掘り出されたときは白く、内側は外側よりもさらに白い。北京で行われた膨大な数の実験から、その色は混合物によるものではないことが明らかになった。それどころか、あらゆる混合物はその美しさを損なう。なぜなら、適切に処理すれば銀と全く同じように見え、それを柔らかくするために少量の鉄やそのような金属を混ぜる必要がなければ、この種の銅は中国以外ではどこにも見つからず、雲南省でのみ見られるため、さらに珍しいものとなるだろう。」ここで銅の色が混合物によるものではないと述べられているにもかかわらず、我々にもたらされた中国の白銅は混合金属であることは確かである。したがって、それが抽出された鉱石はさまざまな金属物質から構成されているに違いない。そして、もし天然のオリハルコンが存在したとすれば、それはそのような鉱石から作られたであろう。」[ 37 ]
1750年から1800年にかけて、ヨーロッパにおける中国産白銅の輸入がピークに達した時期には、その成分の解明にますます注目が集まった。ピートとクックソンは、「最も色の濃い白銅にはニッケルが7.7％含まれており、最も色の薄い白銅は銀と見分けがつかないほどで、叩くと特徴的な鐘のような響きがあり、腐食に対する耐性もかなり高い11.1％のニッケルを含んでいる」ことを発見した。
アンドリュー・ファイフによる別の試験では、ニッケル含有量は31.6%と推定された。推測は、マカートニー使節団のジェームズ・ディンウィディが1793年にかなりの個人的リスクを冒して（白銅鉱石の密輸は中国皇帝によって死刑に値する犯罪とされていた）、白銅の原料となる鉱石の一部を持ち帰ったことで終わった。[ 38 ] 1823年にE・トマソンが王立芸術協会に提出した論文（後に新しい知識ではないとして却下された）で白銅が広く知られるようになった。
ヨーロッパでは、中国の白銅を完全に再現しようとする試みが、必要なコバルト・ニッケル・ヒ素の複合鉱物が天然に産出する鉱石が一般的に不足していたため、失敗に終わった。しかし、有名なブラウファーベンヴェルケ社がコバルトブルーなどの顔料を製造していたドイツのシュネーベルク地区には、ヨーロッパで唯一、必要なコバルト・ニッケル・ヒ素の複合鉱物が産出していた。
同時に、プロイセンのVerein zur Beförderung des Gewerbefleißes（勤勉性向上協会）は、その工程の習得に対して賞を授与した。当然のことながら、シュネーベルクのEAガイトナー博士とJRフォン・ゲルスドフが賞を受賞し、アルゲンタンと ノイジルバー（新銀）という商標名で「ジャーマンシルバー」ブランドを立ち上げた。[ 38 ]
1829年、パーシバル・ノートン・ジョンストンはゲイトナー博士を説得してロンドンのリージェンツ・パーク運河の裏手にあるボウ・コモンに鋳造所を設立させ、ニッケル18％、銅55％、亜鉛27％の組成のニッケル銀のインゴットを入手した。[ 38 ]
1829年から1833年にかけて、パーシバル・ノートン・ジョンソンはイギリス諸島で初めて白銅を精製した人物となった。彼は年間16.5トン以上を生産し、富豪となった。この合金は主にバーミンガムのウィリアム・ハットン社によって刃物に加工され、「アルゼンチン」という商標で販売された。
ジョンソンの最も強力なライバルであるチャールズ・アスキンとブロック・エバンスは、優秀な化学者EWベンソン博士の下で、コバルトとニッケルの懸濁方法を大幅に改良し、「ブリティッシュ・プレート」と呼ばれる独自のブランドのニッケルシルバーを販売した。[ 38 ]
ジョン・フェアフィールド・トンプソンは、3:1の銅ニッケル合金が1860年にベルギーで貨幣用に開発されたと記している。[ 39 ] 1866年、米国議会は銅75％、ニッケル25％からなる3セント硬貨の製造を認可する法律を可決し、ニッケルとして知られるようになった硬貨が誕生した。[ 40 ]ブラジルは1870年にこの合金を貨幣に採用し、ドイツ帝国は1873年にそれに続いた。[ 41 ]フランスとギリシャは20世紀にこの技術を採用した。
ドイツ統一後、ドイツ貨幣法によって白銅貨幣が導入され、1873年から1876年にかけて鋳造された数千万枚の5ペニヒ[ 42 ]と10ペニヒ[ 43 ]硬貨に対するニッケルの需要が急増したことで、それまで平穏だった市場に大きな衝撃が走り、価格が3倍以上に高騰し、供給が大幅に拡大した[ 44 ] 。
1902年までに、この合金は英国で弾丸のジャケットに使用されるようになった。[ 45 ]
1920年代までに、海軍用復水器用に70-30銅-ニッケル合金が開発された。その後まもなく、海水中の砂の混入量が多いため耐侵食性の向上が求められた英国の発電所向けに、現在合金C71640として知られる2%マンガンと2%鉄の合金が導入された。90-10合金は1950年代に初めて入手可能となり、当初は海水配管用であったが、現在ではこの用途でより広く使用されている合金となっている。[ 46 ]
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