Alnico

2 永久磁石材料

現在使用されている磁石は、ハードフェライト磁石、SmCoやNdFeBなどの希土類系磁石、アルニコ系磁石が一般的であるが、アルニコ系磁石は、そのような磁石の中でも、特に優れた特性を有している。 このうちアルニコ系磁石は保磁力が小さく、減磁特性が非線形である。 そのため、他の2種類に比べ、適用範囲が非常に限られている。 ハードフェライトはアルニコ磁石より保磁力が高く、減磁特性は線形である。 しかし、残留磁化とそれに伴う最大エネルギー積はすでに小さく、接合によりさらに低下する。 フェライト磁石は安価であるため、現在でも広く応用されていますが、対応する磁気デバイスの多くはかなり大型で、最適な性能とは程遠い場合が多いのです。 希土類磁石は保磁力が高く、直線的な減磁特性を示します(希土類磁石:材料参照)。 また、残留磁化が高く、焼結磁石のエネルギー積の代表的な値は、SmCo5で150kJm-3、Nd2Fe14Bで300kJm-3です。 このため、ボンド磁石では不可能な高温での使用も可能です。 SmCo5系はサマリウムとコバルトの価格が高く、高価な磁石です。 NdFeB磁石はサマリウムよりネオジム、コバルトより鉄が安いので有利で、粉末冶金の加工技術もSmCo5系と同程度です。 従って、Nd2Fe14BはSmCo5よりも性能・価格比が優れている。 ボンド磁石は、上記のすべての材料から製造できますが、ボンドフェライト磁石とボンドNd2Fe14B磁石だけが、それなりに市場に浸透しています。 フェライトは粉末で容易に入手できます(アルニコ、ヘキサフェライトの項参照)。 フェライト粉末をやや特殊な方法で加工すると六角板状になり、フレキシブルボンド磁石の形成過程で機械的に容易に整列させることができる。 Nd2Fe14Bの場合、鋳造または焼鈍したNd2Fe14Bインゴットから単純な粉末冶金法でボンド磁石に使用できる十分高い保磁力を持つ粉末を得ることは一般にできないため、状況はより困難となります。 しかし、保磁力の高いNdFeB粉末は、溶融紡糸によって得ることができる（金属フィラメントの項を参照）。 この方法では、高速回転するホイールの外面に溶融合金の細流を吹き付け、急速に急冷された薄いリボン状またはフレーク状にする。 溶融紡糸の間、材料は保護雰囲気中または真空中でこのプロセスを実行することによって酸化から保護される。 急冷速度は105 K s-1のオーダーで、スピニングホイールの回転速度を変えることにより変化させることができる。 急冷速度が異なると微細構造も異なり、それが溶融紡糸材料の磁気特性を決定する。 最適な溶融紡糸条件では、ネオジムリッチ共晶相の薄い層に囲まれたNd2Fe14Bという化合物の微細粒（通常30 nm）からなるナノ結晶合金が得られる。 実際には、急冷率をやや高くし、その後、慎重に制御された条件で溶融紡糸した材料をアニールすることで、より信頼性と再現性の高い結果を得ることができる。 溶融紡糸された材料はかなり脆いので、ボンド磁石の製造に適した微粉末に粉砕することができます。 Nd2Fe14Bの結晶粒はランダムな配向をしているため、ボンド磁石は等方性である。 射出成形では球状の粉末粒子の方が流動性が良く、高負荷率化が可能です。 このような粉末は、不活性ガスアトマイズ法で調製することができ、平均粒子径は45mmが代表的な値である。 アトマイズプロセスのさらなる利点は、粉末の生産率が高く、処理コストが低いことです (Ma et al. 2002)。保磁力 NdFeB 粉末につながる別のルートは、いわゆる HDDR プロセスからなります (「磁石：HDDR 処理」の項を参照)。 このプロセスは、低温でのNd2Fe14Bの水素化、Nd2Fe14BHxのNdH2.7 + Fe + Fe2Bへの分解、NdH2.7からのH2ガスの脱着、Nd + Fe + Fe2BのNd2Fe14Bへの再結合の4段階を本質的に含んでいる。 このプロセスは、最終段階のNd2Fe14B粒の形成が固相反応であるため、通常の鋳造プロセスで溶融物から凝固するよりもかなり低い速度で進行することが利点である。 さらに、HDDRプロセスは、異方性粒子を得るためにうまく利用できるという利点もある。 Takeshita and Nakayama（1992）は、特にジルコニウム、ハフニウム、ガリウムの添加剤が、異方性HDDR粉末の製造に非常に有効であることを発見しました。 必要な添加物の量も驚くほど少ない（例えば、Nd12.5Fe69.9Co11.5B6Zr0.1など）。 Harris (1992)が行った顕微鏡観察では、鋳造したままの合金の結晶粒の中に大きな切子状のHDDR結晶粒が形成されていることが分かりました。 これらの結晶粒は共通の方位を持っており、おそらく元の結晶粒の方位と同じであると思われます。 Nd12.5Fe75.9Co11.5B8Zr0.1などの合金のHDDR粉末の異方性は、HDDR粒子がサブミクロン粒から元の鋳造粒領域内で核生成し成長したと仮定することによって可視化できます（Harris 1992）。Tomidaら（1996）は、X線回折を用いて、最終的なHDDR粉末の異方性と水素化処理で未反応のNd2Fe14B相の量との相関を確立しています。 Tomidaらによる最適エネルギー製品条件で水素化した粉末のTEM研究では、水素化後の粉末は主に粗粒のα-FeとFe2Bからなり、その間にナノ結晶粒子が埋め込まれていることが示された。 これらの粒子は電子線回折によりNdH2粒子であることが確認された。 しかし、多くの粒子は、鋳造されたNd2Fe14B粒子とほぼ同じ結晶方位を持つNd2Fe14B粒子であることが確認された。 さらに、エネルギー分散型スペクトルから、これらの粒子は出発合金の平均濃度よりも高いコバルトおよびガリウム濃度であることがわかった。 これらの結果から、富田らは、この種のナノ結晶Nd2Fe14B粒子が再結合プロセスの開始点として機能し、HDDR粉末の配向記憶効果の起源となっていることを提唱している。 特殊な環境下では、二相複合材料は最も興味深い保磁力挙動を示すことがある。 このような挙動は、Kneller and Hawig (1991)によって記述されている。彼らは、微細に分散し相互に交換結合した2つの磁性相の複合効果について研究した。 これらの相のうち1つは大きな一軸異方性定数を持ち、高い保磁力を発生させることが可能である。 一方、第二相は磁気的にソフトである。 ハード相に比べ、磁気秩序温度が大きく、それに伴い平均交換エネルギーも大きくなる。 軟質相の飽和磁化が比較的大きいため、軟質相を硬質相と交換結合させると、複合磁性体に高い残留磁化を与えることができるのである。 残留磁化の増大が報告されているほとんどの系では、軟磁性相がα-Fe、または鉄過剰あるいはコバルト過剰の合金であることが多く、残留磁化の増大を示す磁石を作製できる可能性がこの分野の研究の引き金となった（磁石：残留磁化増大の項参照）。 磁気的に硬い相の例としては、Nd2Fe14B, Sm2Fe17N3, Sm2Co17, Nd(Fe,Mo)12Nx がある。 これらの複合磁石に共通するのは、磁性粒子がナノメートルオーダーで微細に分布していることである。 この微細な分布を実現するために、溶融紡糸やメカニカルアロイング（「磁石：メカニカルアロイング」参照）など、さまざまな技術が用いられている。 このような材料群をリーン型希土類永久磁石と呼んでいます。 標準合金と比較して、耐食性に優れ、比較的低い印加磁界で飽和状態になることが利点です。 一方、保磁力は比較的低い。 もう一つの興味深い材料は、格子状に修飾された R2Fe17 化合物である。 R2Fe17化合物はキュリー温度が低く、結晶磁気異方性が比較的小さいため、永久磁石材料としての応用は難しいが、これらの材料と炭素や窒素を組み合わせて得られる格子間固溶体を形成することにより、キュリー温度異方性と保磁力が大幅に改善された。 対応する三元系窒化物および炭化物R2Fe17CxおよびR2Fe17Nxの組成は、一般に0≦x≦3の範囲に制限されていると考えられている。 格子間原子の形成範囲や位置に関する詳細は、Fujii and Sun (1995)の総説に記載されている。窒素析出Sm2Fe17粉末からBHmax =136 kJm-3, Br = 9.高温用途に適した磁石体の保磁力の低温係数を調べるために、Rodewald ら (1993) と Kuhrt ら (1993) は、錫と亜鉛のボンド磁石を研究している。 しかし、これらの場合、得られた残留磁化はかなり低いものであった（Br<0.7T）

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