鋳造用語集

レニウム
Rhenium

レニウムは、原子番号75、元素記号Reで表される金属元素であり、周期表では第6周期・第7族に属する遷移金属である。銀白色の金属光沢を持ち、非常に高い融点と優れた高温強度を持つマンガン族のレアメタル。

レニウムは1925年、ドイツの化学者ヴァルター・ノダック（Walter Noddack）、イーダ・タッケ（Ida Tacke、後のIda Noddack）、オットー・ベルク（Otto Berg）によって発見された。
3人は白金鉱石やコルンブ石などを分析し、当時まだ空席となっていた原子番号75の元素を探索した。その後、モリブデナイト（輝水鉛鉱：MoS₂）を大量に処理することで新元素を分離することに成功した。
元素名Rheniumは、ドイツを流れるライン川（Rhine）のラテン語名「Rhenus」に由来する。

レニウムの発見は周期表の歴史においても重要である。レニウムは、天然に存在する元素の中では最も遅く発見された元素の一つであり、一般には天然に存在する安定元素として最後に発見された元素として知られている。
レニウムは地殻中に極めて少量しか存在しない。しかも、レニウムを主成分とする鉱石は非常に稀であり、通常はモリブデン鉱石などに微量含まれている。
特に斑岩銅鉱床に伴うモリブデナイト（MoS₂）中に微量のレニウムが含まれるため、銅・モリブデン製錬の副産物として回収される。
モリブデナイトを焙焼すると、レニウムは揮発性を持つ酸化物として排ガス側へ移行する。このため製錬所の煙道ダストやスクラバー液などからレニウムを回収し、過レニウム酸アンモニウム（NH₄ReO₄）などとして精製した後、還元して金属レニウムを得る。
つまりレニウムは、鉱山から「レニウム鉱石」として大量に採掘するというより、ほかの金属を製錬する過程で回収される副産物型の希少金属である。

レニウムの電子配置は [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s² である。第7族元素であり、マンガン（Mn）・テクネチウム（Tc）と同じ族に属する。
代表的な酸化数として−1から+7まで幅広い状態をとり、特に+7の酸化状態では過レニウム酸イオン（ReO₄⁻）を形成する。

金属レニウムの最大の特徴の一つが、非常に高い融点である。
融点は約3,186 ℃であり、金属元素の中ではタングステンに次ぐ極めて高い値を持つ。また沸点も非常に高く、高温環境において優れた安定性を示す。
さらにレニウムは、高温になっても強度を維持しやすく、クリープ変形に対する抵抗を向上させる元素として重要である。

元素記号	Re
陽子数	75
価電子数	7 　※遷移金属として5d・6s電子を含めた場合
原子量	186.207
融点	約3186
沸点	約5596
密度	21.02
存在度	地球 0.0007 ppm 宇宙 0.0002 ppm
代表的な製品	Ni基超合金・ジェットエンジン用タービンブレード・W-Re合金・熱電対・石油改質触媒・高温用温度センサー先端部

ジェットエンジンとレニウム

現在のレニウムの代表的な用途が、航空機用ジェットエンジンやガスタービンに使用されるニッケル基超合金（Ni基超合金）である。
ジェットエンジンでは、燃焼ガスの温度を高くするほど熱効率を向上させることができる。しかし、タービンブレードは極めて高い温度と大きな遠心力に同時にさらされる。
そのため、通常の耐熱鋼では十分な耐久性を確保することが難しい。
そこで使用されるのがニッケルを主体とした超合金である。
レニウムを少量添加すると、高温における原子の拡散や組織変化を抑え、クリープ強度を大幅に向上させる効果が得られる。
特に単結晶タービンブレード用の第2世代・第3世代ニッケル基超合金では、レニウムが重要な添加元素となっている。

ただし、レニウムを増やせば無条件に性能が向上するわけではない。
過剰なレニウム添加は、TCP相（Topologically Close-Packed Phase）と呼ばれる脆い金属間化合物相の生成を促進する場合がある。このため、レニウム量は他の合金元素とのバランスを考慮して設計される。
レニウムは、「非常に少量の添加によって高温材料の限界性能を引き上げる元素」の代表例である。

単結晶鋳造とレニウム

レニウムは鋳造技術とも深い関係を持つ。
航空機用タービンブレードの一部は、精密鋳造によって製造される。
一般的な金属材料は多数の結晶粒から構成されるが、高温環境では結晶粒界がクリープ変形や破壊の起点となる場合がある。
そこでタービンブレードでは、方向性凝固技術を利用して結晶粒界を制御し、さらに高度なものではブレード全体を一つの結晶として凝固させる単結晶鋳造が利用される。
この単結晶Ni基超合金にレニウムを添加することで、高温クリープ強度をさらに高めることができる。

したがって、高性能タービンブレードは、
精密鋳造＋方向性凝固・単結晶化＋ Ni基超合金＋レニウム
という複数の材料・鋳造技術を組み合わせることで成立している。

触媒としてのレニウム

レニウムは石油化学分野でも触媒として利用される。
代表例が、白金とレニウムを組み合わせたPt-Re触媒である。
石油精製における接触改質工程では、低オクタン価の炭化水素を高オクタン価のガソリン成分などへ変換するために触媒が使用される。
白金にレニウムを組み合わせることで触媒の性能や安定性を向上させることができるため、レニウムは石油精製においても重要な役割を持っている。

ーこぼれ話ー
地球上で希少なのに、隕石にはレニウムがある

レニウムは、地殻中に極めて少ない元素です。
ところが、「地球全体にもほとんどレニウムがない」という意味ではありません。
実はレニウムは、鉄と親和性を持ちやすい親鉄元素としての性質を持っています。
地球が誕生した初期、地球内部が高温で溶融し、鉄を主体とする金属が中心部へ沈んで地球の核を形成しました。その際、レニウムの多くも鉄とともに地球内部へ移動したと考えられています。
その結果、私たちが採掘できる地殻にはレニウムがほとんど残りませんでした。

一方、隕石、特に鉄隕石などを調べるとレニウムが検出されます。
この性質は、地球や太陽系がどのように形成されたのかを研究するうえでも利用されています。
特に重要なのが、放射性同位体のレニウム187（¹⁸⁷Re）です。
¹⁸⁷Reは非常に長い半減期を持ち、時間をかけてオスミウム187（¹⁸⁷Os）へ変化します。
この関係を利用したものが、レニウム－オスミウム年代測定法（Re-Os法）です。
岩石や隕石に含まれるレニウムとオスミウムの同位体比を調べることで、非常に古い地質現象や隕石が形成された時代を研究することができます。
ジェットエンジンの中で超高温に耐えているレニウムが、一方では約46億年前の太陽系の歴史を調べる「時計」として使われているのです。
工業材料と宇宙の歴史。一見まったく関係のない二つの世界をつないでいるところも、レニウムという元素の面白さです。

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