オリンピックの金メダルの中には金箔がはがれているものもある...銀メダルに金箔を貼る方法はいくつあるだろうか？

制作：中国科学普及協会

制作：張昊（大阪大学）

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

8月23日夜、東京オリンピックの女子トランポリン金メダリスト、朱雪英選手はソーシャルメディアのプラットフォームで「あなたのメダルも剥がれますか？」と質問した。

問題の金メダルの左上には剥がれがはっきりと見られる（写真提供：朱雪英のWeibo）

添付の写真は彼女が東京オリンピックで獲得した金メダルです。金メダルには10セント硬貨ほどの大きさの「はげ肌」の部分があり、肉眼でもはっきりとわかります。朱雪英さんは、金メダルをわざと傷つけたのではなく、メダルの一部が欠けているのを見つけたので汚れていると思い、手でこすったが変化がなかったため、もう一度こすったところ、予想外に皮が剥がれてしまったと説明した。

今日は、金メダルが「はげ皮」になっている理由についてはあまり触れず、主に東京オリンピックの金メダルの制作過程についてお話します。

メダルは何千もの家庭から回収された材料から作られている

東京オリンピック組織委員会の公開情報によると、東京オリンピックのメダルに使用された金、銀、銅の3つの金属はすべて、廃棄された携帯電話などの電子機器から抽出されたものである。

東京オリンピック組織委員会は2017年4月から2019年3月まで、「都市鉱山で作る、みんなのメダル」キャンペーンを日本全国で展開した。このキャンペーンでは、約8万トンの小型家電がリサイクルされました。最終的に、このプロジェクトでは金メダル32キログラム、銀メダル3,500キログラム、銅メダル2,200キログラムが獲得され、オリンピックとパラリンピックのメダル5,000個の需要を満たしました。

中古携帯電話（写真提供：twenty20.com）

回収された金属は精製され、元素原料の状態まで還元され、最終的なメダルのサイズに近い大きさに機械的に切断されます。

その後、冷間圧搾法を用いて、メダルの両面に勝利の女神ニケとオリンピックの五輪の図柄が刻まれました。

オリンピックの銀メダルは純銀、銅メダルは青銅（銅95％、錫5％）、金メダルは銀をベースに表面に金メッキを施して作られています。この金メッキ層の重さは6グラムです。メダルの構造の違いにより、銀メダル、銅メダル、金メダルの製造プロセスも異なります。

銀メダルと銅メダルは、冷間プレス工程の後に熱処理と表面研磨を施すだけで完成品として出荷できます。金メダルは特別なため、ベースに別のメッキ処理が必要です。

廃棄された電子部品から作られた工芸品（写真提供：twenty20.com）

金メダルに金メッキを施す方法は何通りありますか？

金属の 1 つの層を別の表面に接着できるようにする技術は数多くあります。業界で最も広く使用されているのは電気メッキと化学メッキです。また、マグネトロンスパッタリングも一般的な方法です。

電気めっきは、電流を利用して溶液中の金属イオンをめっきしたい表面に付着させる方法です。めっき前に、基板の表面の油や酸化物などの不純物を除去するために、複数の洗浄工程を経る必要があります。

実際に最終的な電気めっきタンクに入る前に、基板金属の表面は非常にきれいにする必要があります。このプロセスでは、表面に露出した新鮮な基質原子は非常に活性であり、表面エネルギーを下げるために他の物質と緊急に結合する必要があります。この方法でのみ、より安定した状態に到達できるからです。このとき、電流によって溶液中の異種金属イオンが基板の表面に押し出され、そこで単一物質に還元され、基板の金属と強固に結合することもできます。簡単に言えば、電気めっきプロセスは 2 つの金属を一緒に成長させることとして理解できます。

電気めっきにおける最大の制約は、基板が電気を伝導できなければならないことです。第二に、電気めっきで実現できるコーティング/基板の組み合わせは実際には限られており、多くの金属は電気めっきではめっきできません。さらに、多くの金属は、それらと互換性のある特定の金属表面にのみメッキできます。基質が変わると効果は大幅に減少します。

クロムメッキの食器は長期間輝きを保ちます（画像出典：twenty20.com）

化学めっきは基材の材質に限定されません。化学めっきも業界で一般的に使用されている金属めっき方法です。基板をめっき元素イオンを含む溶液に浸漬すると、特定の反応条件下でイオンが基板の表面に堆積します。これは電気メッキとは異なり、化学メッキでは電流駆動は必要ありません。

たとえば、硫酸銅溶液に鉄棒を挿入すると、銅イオンが鉄の表面に沈殿し、鉄はイオンの形で溶液に入ります。しばらくすると、鉄棒の表面に均一な銅のコーティングが形成されます。

また、銀鏡反応も化学めっき法の一つといえます。

化学めっきの最大の利点は、めっきを施すために基板が導電性である必要がないことです。たとえば、プラスチック、ガラス、さらにはシリコン ウェハーを化学的にメッキして、高密度のコーティングを形成することができます。たとえば、プラスチックの表面に明るいクロムの装飾層を電気メッキしたい場合、最初に化学メッキを使用してプラスチックの表面に金属層をメッキし、これに基づいて電気メッキを実行するしかありません。

化学メッキ処理されたニッケルメッキ部品（画像提供：AliceLr）

多くの種類のコーティングは、化学的または電気メッキによって行うことができます。例えば、銀メッキや金メッキは、上記の 2 つの方法で作成できます。しかし、化学めっきと電気めっきのコーティングの特性には依然として大きな違いがあり、特定のプロセス条件がコーティングの特性に大きく影響します。

化学メッキと比較すると、電気メッキの最大の利点は効率が高く、コーティングが非常に速く成長できることです。ただし、化学めっきでは反応速度を制御する必要があり、速すぎるとさまざまなコーティング欠陥が発生します。

集積回路基板は銀メッキや金メッキが必要な場合が多いですが、集積回路基板は一般的に樹脂製で電気を通しません。そのため、工場ではまず化学メッキを使用して、回路基板上のメッキが必要な場所にパラジウムの層をメッキします。このパラジウム層の厚さは、わずか数十ナノメートル程度です。しっかりと配列されており、強度も高いです。これらは、その後の電気めっきプロセスのための導体層を提供することができます。そのため、このパラジウム層はシード層と呼ばれることがよくあります。シード層により、その後の金電気めっきまたは銀電気めっきのプロセスを実行できます。

ところで、なぜ回路基板には大量の金、銀、銅の材料が必要なのでしょうか?

まず第一に、金は優れた抗酸化作用を発揮します。高温溶接時に液体はんだが十分に浸透し、高品質のはんだ接合部が得られます。

銀は、電気伝導性と熱伝導性が極めて高い金属であるため、回路基板の配線やコネクタとしてよく使用されます。

銅は比較的安価で、電気伝導性、熱伝導性に優れているため、回路基板の導電部品の基板としてよく使用されます。東京オリンピックでリサイクルされた大量の使用済み携帯電話が、メダルを作るのに必要な貴金属に精製されるのもこのためです。

回路基板には金、銀、銅が大量に含まれています（画像出典：twenty20.com）

高純度コーティングを製造するには、マグネトロンスパッタリングが唯一の選択肢です。マグネトロンスパッタリングの原理は、電気めっきや化学めっきとは異なります。マグネトロンスパッタリングは、高電圧電界を使用してターゲット材料の表面の原子をイオン化し、コーティングする基板の表面にプラズマの形で衝撃を与え、基板にしっかりと付着したコーティングを形成する方法です。

銀の板に金メッキをしたい場合は、ターゲットとして金を使用します。電気メッキと比較すると、マグネトロンスパッタリングの利点は純度が非常に高いことです。金属ターゲットはすべて高純度金属であり、プロセスは高真空チャンバー内で実行されるため、不純物がほとんど導入されません。

しかし、電気メッキは違います。めっき槽環境は複雑で、さまざまな無機塩と有機物が混在するシステムです。コーティングには、多くの場合、多数の含有物が含まれています。これらの介在物はメッキ工程が進むにつれてコーティングに混ざり、除去することはできません。

マグネトロンスパッタリングには、電気メッキとは異なり、実現不可能な組み合わせが多数存在するという別の利点があります。基本的には、対象材料にできるものであれば、基板上に良好にめっきすることができ、金属種の組み合わせの条件はそれほど厳しくありません。

もちろん、反応条件は逆になります。マグネトロンスパッタリングには高真空環境が必要であり、コストは電気メッキよりも明らかに高くなります。メッキ槽は長さ数十メートル、幅数メートルにもなりますが、マグネトロンスパッタリングチャンバーは真空度に制限があり、そこまで大きくするのは困難です。工業用機器のチャンバーでさえ、洗濯機のドラムと同じ大きさしかない場合があります。

マグネトロンスパッタリング。写真の紫色の光はターゲット上のプラズマです（画像出典：著者撮影）

東京オリンピックの金メダルが「電気メッキ」技術を使って作られたと私が思うのはなぜでしょうか?

少なくとも3つの方法があるとして、東京オリンピックでは銀メダルの金メッキにどの方法が使用されたのでしょうか。

分析した結果、「電気メッキ」であるべきだと思います。

なぜそんなことを言うのですか？

今オリンピックの金メダルに使用されている金メッキの量は6グラムです（IOCの金メダルの規格に関する規定に準拠）。金の密度は1立方センチメートルあたり19.32グラムです。これに基づいて、金メッキ層の総体積は 0.31 立方センチメートルであると計算できます。メダルのサイズは直径8.5センチメートル、メダルの2つの表面の合計面積は113.43平方センチメートルです。したがって、金メッキ層の平均厚さは約27ミクロンとなります。

この数字は大きくないように思えるかもしれませんが、実際には化学メッキとマグネトロンスパッタリングの処理限界を超えています。これは、これら 2 つのコーティングの成長速度が 1 時間あたり約 1 ミクロンしかないためです。 27ミクロンのコーティングを電気メッキするには、完了するまでに数十分しかかかりません。これは生産効率の点で有利であり、他の2つの方法と比較してコストが最も低くなります。

「金メダル皮剥け事件」後、筆者は上記の分析と計算を通じて、東京オリンピックの金メダルに使用されたコーティング工程は電気メッキにしかあり得ないことに気付いた。

これはオリンピック委員会が公開したプロモーションビデオの証拠によっても裏付けられています。

金メダルの電気メッキ工程（3つの電流接点に注目）（画像出典：IOC公式YouTube）

電気メッキ、化学メッキ、マグネトロンスパッタリングなど、これらはすべて人類が長年使用してきた成熟した金属コーティング技術です。プロセスフローが十分に強力である限り、通常はコーティング不良は発生しません。ほとんどの場合、コーティングの接合部は非常に強力です。たとえ界面が破損したとしても、界面全体にわたって剥がれるのではなく、金属層に近い側で破損が発生することが多いです。

銀の上に金を電気メッキする方法は、最も古い電気メッキ方法の 1 つです。これは、金が安定した特性を持つ希少かつ貴金属であり、電解質溶液中で還元される傾向があるためです。一方、銀と金は結晶構造が似ており、原子サイズも似ているため、「同類のものには溶ける」ことができます。

実際、金銀合金の組成率は 1% から 100% の範囲で変化し、無限固溶体と呼ばれる現象が発生します。この意味では、銀の表面に金メッキを施すことは難しい工程ではありません。しかし、プロセスである以上、パラメータ設定の合理性や歩留まりの問題は必ず存在します。

今回の事故の原因が何であれ、製造業に携わる者として、品質意識を高めることでしか、長く愛用していただける製品を提供することはできないということを、私自身や同僚に伝えていきたいと思います。