磁性材料信息
研制出不含有镝的稀土永磁
2014年3月26号日本独立行政法人 物質・材料研究機構
（理事長：潮田 資勝）发布研制出不含有镝的稀土永磁。
其BrMAX和矫顽力，与加了8%的镝的钕铁硼一样。
据说其目的就是为了避免稀土原材料采购不稳定之原因。
引自 独立行政法人 科学技術振興機構 网站
http://www.jst.go.jp/pr/announce/20140326/
平成２６年３月２６日
独立行政法人 物質・材料研究機構
独立行政法人 科学技術振興機構
ジスプロシウムフリーネオジム磁石の開発
～微細組織の制御で熱間加工磁石を高性能化～
１．独立行政法人 物質・材料研究機構（理事長：潮田 資勝）元素戦略磁性材料研究拠点（拠点長：広沢 哲）宝野 和博 フェローらのグループは、希少金属のジスプロシウムを一切使用しないで、ジスプロシウムを４％含む焼結磁石と同等の保磁力注１）と同等以上の最大エネルギー積注２）をもつネオジム磁石を実証しました。
２．近年ハイブリッド自動車用モータの用途でネオジム磁石の使用量が急増していますが、使用中に温度が２００℃程度まで上がるため、耐熱性に効果のあるジスプロシウムが８％程度使われています。しかし、ジスプロシウムは原料の産地が限られた地域に偏在することや地政学的資源リスクが高いことから希少金属（レアメタル）に分類されており、その使用量の削減が強く求められています。一方で、耐熱性の指標となる保磁力の向上には磁石を構成する結晶粒の微細化が効果があることが知られており、これによりネオジム磁石の耐熱性を高める研究が進められていました。
３．本研究では、大同特殊鋼（株）から提供された、従来の焼結磁石の２０分の１程度の大きさの結晶からなる熱間加工ネオジム磁石に、低融点のＮｄ７０Ｃｕ３０合金を６５０℃で溶かして結晶粒の間に浸透させ連続的なネオジム銅（ＮｄＣｕ）合金層を形成しました。これにより、熱間加工磁石の保磁力を１．４０テスラ（Ｔ）から１．９７Ｔまで高めましたが、この方法では磁石の体積膨張を伴うため磁化が希薄化されて、磁力が下がってしまいます。そこでＮｄＣｕ拡散浸透時の体積膨張を押さえるという工夫で、室温で１．９２Ｔもの高保磁力を実現すると同時に、残留磁化注３）の減少を最小限に抑え室温で３５８ｋＪ／ｍ3の最大エネルギー積を維持しました。この膨張拘束拡散処理された熱間加工磁石は、従来の焼結磁石と比べて保磁力の温度依存性が低く、その結果、ジスプロシウムを一切用いずに、２００℃の最大エネルギー積で１９０ｋＪ／ｍ3という、４％ジスプロシウムを含む焼結磁石よりも優れた値を達成しました。今後は、室温で２．５Ｔ、２００℃で０．８Ｔ程度の保磁力を有するネオジム磁石の開発をめざして、さらに研究を進めていきます。
４．本研究は、独立行政法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ）戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「元素戦略を基軸とする物質・材料の革新的機能の創出」研究領域（研究総括：玉尾 皓平）における研究課題「ネオジム磁石の高保磁力化」の一環として行われたものです。本成果は、金属系材料の速報誌『Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ』誌のオンライン版に掲載されます。
＜研究の背景＞
ネオジム磁石は、携帯電話やハードディスクなどの小型電子機器や家電製品、医療機器のＭＲＩなど強力な磁力が必要な用途で広く使われています。最近ではハイブリッド自動車の駆動用モータへの応用が開拓され、その消費量が急速に拡大しています。しかし、通常のネオジム磁石は耐熱温度が比較的低く、自動車の駆動モータや風力発電など、使用温度が２００℃まで上がる用途では、室温で３テスラ（Ｔ）、２００℃では０．８Ｔ程度の保磁力が必要とされています。高温用のネオジム磁石では、保磁力を高める目的で重希土類元素注４）（重いレアアース元素）のジスプロシウム（Ｄｙ）やテルビウム（Ｔｂ）が用いられていますが、これらの元素は希少金属（レアメタル）に分類されており、ネオジムなどの軽希土類元素に比べて天然存在比が低い上に、原料が限られた地域に偏在することにより資源リスクが高い元素です。そこでジスプロシウムを一切用いないで磁石の保磁力を高める研究が産官学で精力的に進められています。
高性能ネオジム磁石は一般には合金の粉を焼き固めて製品にする焼結法によって量産されています。これまでの研究から、焼結磁石では結晶の粒径が小さいほど保磁力が高まることが分っていました。結晶のサイズを０．３ミクロンまで微細化できれば、ジスプロシウムを用いずに室温で２．５テスラ（Ｔ）程度の保磁力が得られることが予測されており、実験室レベルではジスプロシウムを使わない１ミクロンの粒径の焼結磁石で２Ｔという高保磁力が達成されていました。しかし結晶粒のサイズをさらに小さくするには、工業的に高いハードルがあります。
高性能ネオジム磁石のもう一つの作製法として、熱間加工法が知られています。液体急冷法によって作製されたナノ結晶を含む粉を、熱間プレスおよび熱間押し出しで加工するもので、扁平でサイズが直径０．３ミクロン、厚さ０．０８ミクロンの小さい結晶になることが特徴です。このような熱間加工磁石は大同特殊鋼（株）のグループ会社である（株）ダイドー電子により量産されています。しかし結晶粒が一桁以上小さいにもかかわらず、磁気特性は焼結磁石より少し高い程度で、結晶粒の微細化の効果を十分に活用できていないと考えられていました。ＮＩＭＳではこの原因が、粒子間の磁気的な結合によるものと特定し、２００７年から２０１１年に実施された文部科学省 元素戦略プロジェクト（産学官連携プロジェクト）採択課題「低希土類元素組成高性能異方性ナノコンポジット磁石の開発」（研究リーダー 日立金属・広沢 哲）の一環として、特定組成で融点が低くなる非磁性のネオジム銅合金を微結晶ネオジム磁石に拡散させて粒子間の磁気的結合を切り、磁石の保磁力を高める方法を２０１０年に発表していました（H. Sepehri-Amin, Scripta Materialia, 63, 1124 (2010)）。この低温共晶合金拡散法は、ＮＩＭＳ以外のいくつかのグループでもネオジム磁石の保磁力を高める方法として研究されていました。
＜成果の内容＞
本研究では、まずこの低温共晶合金拡散法を熱間加工ネオジム磁石に適用し、その効果を確認しました。大同特殊鋼（株）から提供された５．６ｍｍの厚みの直方体状の熱間加工ネオジム磁石に、約５２０℃で溶ける性質のあるＮｄ７０Ｃｕ３０合金を６５０℃で溶かして熱間加工磁石の結晶粒界にそって浸透させます。すると、結晶粒界に非磁性のネオジム銅合金層が形成されます。図１は熱間加工ネオジム磁石を側面観察した走査電子顕微鏡写真です。この写真で暗く観察されているのが磁性を担うＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ化合物の結晶で、白く観察されるのが磁性を持たないＮｄの粒間層です。扁平なＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ粒子の磁化容易軸は平坦な面の垂直方向に向いています。（ａ）の拡散処理前の熱間加工磁石では大部分がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの扁平結晶で埋め尽くされていて、非磁性のＮｄは少ししか観察されません。（ｂ）はＮｄ－Ｃｕ合金で拡散処理した磁石で、白いＮｄＣｕの量が増えて、これらがＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの結晶を覆っています。これがＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの微細な磁石結晶を磁気的に分断して、高い保磁力を出す原因になります。
図２は、Ｎｄ７０Ｃｕ３０合金で拡散処理した試料と処理前の試料の減磁曲線です。磁場がゼロの時の磁化の値が残留磁化、磁化がゼロになる磁場の値が保磁力です。実験に用いた熱間加工磁石の拡散処理前の保磁力は１．４０テスラ（Ｔ）、残留磁化は１．３９Ｔでした。通常の拡散処理では、保磁力は１．９７Ｔまで高まりましたが、残留磁化は１．２７Ｔまで減少します。その原因は、磁石の体積膨張にあります。非磁性のＮｄ７０Ｃｕ３０共晶合金が磁石内部に拡散すると、図１（ｂ）に示されるようにＮｄＣｕの非磁性相が扁平な結晶に沿って形成されますが、そのため磁石の厚さが８％も膨張し、非磁性部分の体積が増えて磁化が希釈されます。磁化が低下すると、磁石の性能である最大エネルギー積（ＢＨ）ｍａｘも低下します。つまり、耐熱性の指標となる保磁力が増加しても、磁石自体の性能は低くなってしまいます。
そこで本研究では、磁化を低下させる原因となる体積膨張が一方向にだけ起きることに注目し、共晶拡散処理中に起こる体積膨張を拘束する冶具（図２の挿入図）を用いて、磁石に浸透する非磁性合金の量の制御を試みました。その結果、保磁力を１．９２Ｔまで高めながらも、残留磁化の低下を押さえ、１．３６Ｔの残留磁化を維持しました。図１に観察されたように、拡散処理前（ａ）では非磁性のＮｄの比率が少なく、各磁石粒子が直接接触し、磁気的に結合していることが分ります。通常の拡散処理後（ｂ）では、粒界層が扁平な磁石粒子に沿って形成され、面に垂直方向にだけ厚さが増加しています。その際、大量の非磁性合金が浸透することと磁石粒子の配向に乱れが生じることにより、８．６％も残留磁化が低下しました。一方、膨張拘束を行った拡散処理では、浸透するＮｄ－Ｃｕ相の量が適度に抑制されていることが分ります（ｃ）。磁石粒子の配向も保たれており、残留磁化の低下も２．６％に抑えることができました。
図３は、今回試作したＮｄ－Ｃｕの拡散処理前後の熱間加工磁石と商用の焼結磁石における保磁力および最大エネルギー積の値の温度変化をまとめたものです。Ｎｄ－Ｃｕの拡散処理を行った熱間加工磁石の室温での保磁力は、市販ネオジム焼結磁石（Ｄｙ４％）の２．２Ｔよりは少し低いことが分かります。しかし保磁力の温度依存性はＮｄ－Ｃｕ拡散処理した磁石の方が４％Ｄｙを含む焼結磁石よりも小さくなります。これは微結晶化により保磁力が高められたことによる顕著な効果です。最大エネルギー積については、室温の値は通常の拡散処理の磁石ではＤｙを４％含むものとほぼ同等で、膨張拘束を行った拡散処理磁石はさらに高い値を示します。また電気自動車や風力発電機などで要求される２００℃では、膨張拘束拡散処理磁石の最大エネルギー積は１９０ｋＪ／ｍ3に達しました。保磁力はまだ足りませんが、最大エネルギー積では８％のＤｙを含む焼結磁石よりも１０％以上高い特性を有することが分りました。
＜波及効果と今後の展開＞
本研究では、微細な結晶を含む熱間加工磁石を基に、ネオジム銅合金による膨張拘束拡散処理で結晶粒界に沿った非磁性層を形成し、最大エネルギー積の減少を最小限に抑えながら４％のジスプロシウムを含む焼結磁石と同等の保磁力に改善しました。さらに２００℃では、４％ジスプロシウム含有焼結磁石よりも優れた磁石特性が得られました。この知見は、磁石内部の微細組織の最適化によって、希少金属を使わなくても高い残留磁化と保磁力がネオジム磁石で得られることを示しており、従来の焼結磁石をさらに高特性化するための設計指針としても役立てられるものと期待しています。実用化のためには、２００℃で０．８Ｔを超える保磁力と少なくとも１５０ｋＪ／ｍ3の最大エネルギー積の実現が必要であり、一層の保磁力の増加が必要です。この目標に向けて今後さらに研究を進めて行きたいと考えています。
＜参考図＞
図１ Ｎｄ７０Ｃｕ３０合金による拡散処理前後の熱間加工磁石の微細組織の比較
暗く観察されているのがＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ化合物の結晶で、白く観察されるのがＮｄ。扁平なＮｄ２Ｆｅ１４Ｂ粒子の磁化容易軸は扁平な面の垂直方向に向いている。（ａ）の拡散処理前の磁石では大部分がＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの扁平結晶で埋め尽くされていて、ネオジムは少ししか観察されない。（ｂ）はＮｄ－Ｃｕ合金で拡散処理した磁石で、白いＮｄ（Ｃｕ）の量が増えて、これらがＮｄ２Ｆｅ１４Ｂの結晶を覆っている。（ｃ）は膨張拘束を加えて拡散処理した磁石で白いＮｄ（Ｃｕ）の量が少ないが、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂは扁平面に垂直な方向でＮｄ（Ｃｕ）により分断されている。Ｎｄ－Ｃｕ拡散処理後は磁化容易軸が分散するが、膨張拘束拡散処理後の結晶配向は処理前と同じ程度に改善されている。
図２ Ｎｄ－Ｃｕ拡散理前後の減磁曲線の比較
通常の拡散処理および変形拘束拡散処理を行った結果が、それぞれ青色および赤色で示されている。
図３ 今回作製した熱間加工磁石と商用の焼結磁石の、保磁力および最大エネルギー積の温度変化
＜掲載論文＞
題目：High-coercivity hot-deformed Nd-Fe-B permanent magnets processed by Nd-Cu eutectic diffusion under expansion constraint
著者：Takahiro Akiya, Jun Liu, Hossein Sepehri Amin, Tadakatsu Ohkubo, Keiko Hioki, Atsushi Hattori, Kazuhiro Hono
雑誌：Scripta Materialia (2014) DOI: 10.1016/j.scriptamat.2014.03.002
＜用語解説＞
注１）保磁力
磁石の磁力にさからって磁場をかけたときに、磁石が磁力を失う磁場。モータで使うときに磁石に反対側の磁界がかかるが、保磁力がこの磁界よりも高くなければ、磁石は磁力を失う。保磁力は温度が高くなると低くなるので、モータを使用する温度で保磁力が反対側にかかる磁界よりも高くなければならない。
注２）最大エネルギー積
単位体積あたりに取り出せる磁気エネルギーの指標。磁石の磁化と保磁力の両立により高い最大エネルギー積が得られるので、保磁力だけでなく磁化も必要。
注３）残留磁化
磁石に外部から磁界がかかっていないときの、磁石が発生できる磁力。
注４）希土類元素（レアアース）
ランタノイド（周期律表の５７番～７１番）にＳｃ（２１番）とＹ（３９番）を加えたものを一般に希土類元素（レアアース）と呼ぶ。その名称から地殻存在比の低い元素と思われがちであるが、５７番から６０番までのＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄの軽希土類元素（軽いレアアース）は比較的資源が豊富である。一方、ＧｄからＬｕまでの元素は重希土類元素（重いレアアース）と呼ばれ、地殻存在比が低い上に、産地が限定される希少金属（レアメタル）に分類され、今後使用量の低減の努力が必要。重希土類元素中、特にＤｙとＴｂはネオジム磁石に高い保磁力を持たせて、耐熱性を高める元素として重要。
＜本件に関するお問い合わせ先＞
＜研究内容に関すること＞
独立行政法人 物質・材料研究機構 磁性材料ユニット
ユニット長 宝野 和博（ほうの かずひろ）
E-mail：
Tel：029-859-2718
URL：http://www.nims.go.jp/apfim/index_j.html
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
独立行政法人 科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
古川 雅士（フルカワ マサシ）
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
E-mail：
Tel：03-3512-3531 Fax：03-3222-2066
＜報道担当＞
独立行政法人 物質・材料研究機構 企画部門 広報室
〒305-0047 茨城県つくば市千現１－２－１
Tel：029-859-2026 Fax：029-859-2017
独立行政法人 科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
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