重希土類フリーの高耐熱希土類磁石粉末の合成法を開発～自動車駆動用モーター向け磁石の開発を推進～

2019-10-21 産業技術総合研究所,ＴＤＫ株式会社

ポイント

• 新たに開発した磁石粉末合成プロセスによりサマリウム-鉄-窒素系磁石粉末の保磁力を向上
• 重希土類フリーで室温での保磁力が30 kOe、200 ℃での保磁力が10 kOeを超えるサマリウム-鉄-窒素系磁石粉末を実現
• 高温下でネオジム-鉄-ホウ素系磁石を超えるモーター用磁石を期待

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）磁性粉末冶金研究センター【研究センター長 尾崎 公洋】岡田 周祐 主任研究員、高木 健太 研究チーム長らはＴＤＫ株式会社【代表取締役社長 石黒 成直】と共同で、重希土類元素を使わないで、室温での保磁力が30 kOeを超えるサマリウム-鉄-窒素（Sm₂Fe₁₇N₃）系磁石粉末を作製できる技術を開発した。

Sm₂Fe₁₇N₃磁石はポスト・ネオジム-鉄-ホウ素（Nd-Fe-B）磁石として期待されている。今回、還元拡散法に特化した回転式熱処理技術を開発して、Sm₂Fe₁₇N₃磁石粉末の保磁力を向上させた。さらに、これまでに開発した粒径微細化技術を適用して、室温で約32 kOe、自動車駆動用モーター用途の目安となる200 ºCでは約11 kOeという、重希土類フリーの希土類-鉄系磁石ではこれまでにない高い保磁力を実現した。Sm₂Fe₁₇N₃磁石は耐熱性に優れているため、今後、ハイブリッド自動車用駆動モーターなどの高温環境下ではNd-Fe-B磁石を超える磁石の実現が期待される。

なお、この成果は2019年10月22日～24日に名古屋大学東山キャンパス（名古屋市）で開催される粉体粉末冶金協会講演大会にて、発表される。

今回開発したプロセスと従来のプロセスで合成したSm₂Fe₁₇N₃微粉末の粒子径と室温保磁力の関係（左）、開発した磁石粉末の外観写真（右）

研究の社会的背景

エアコンや冷蔵庫、ハイブリッド自動車などに使われる高効率モーターの多くには、永久磁石を用いたIPMモーターが用いられている。特に、自動車の燃費向上のため電動化が見込まれていることから、自動車駆動用モーターの高性能化が重要となっている。

自動車駆動用モーターにはモーター内部の温度が200 ºC程度まで上昇するため、高い残留磁化とともに高い耐熱性が求められる。現在、自動車用IPMモーターにはNd-Fe-B磁石が用いられているが、Nd-Fe-B磁石はこのような高温では保磁力が激減してしまうので、ジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）といった重希土類元素を添加して保磁力を向上させ、保磁力の温度劣化を抑制することで耐熱性を確保している。しかし、これらの重希土類元素は地殻埋蔵量が少ないうえ、産出地域も限られており、価格や供給が不安定である。そのため、これらの重希土類元素を使わない耐熱性高性能磁石が求められている。

研究の経緯

産総研では、すでに性能の上限に近づきつつあるNd-Fe-B系磁石に代わるSm-Fe-N系磁石の技術開発に取り組んできた。特に、Sm-Fe-N系磁石の一種であるSm₂Fe₁₇N₃磁石はNd-Fe-B磁石と同等の飽和磁化をもちつつ、Nd-Fe-B磁石よりも150 ºC以上高いキュリー点（476 ºC）、3倍以上の高い異方性磁界（260 kOe）をもつことから高耐熱磁石としてのポテンシャルは高い。しかし、異方性磁界が高いものの、実際に発現できている保磁力は異方性磁界の10 ％以下である19 kOe程度で、200 ℃程度で使用するには、もっと高い保磁力が必要であった。異方性磁界が77 kOeのNd-Fe-B磁石でも20 kOe以上の保磁力が発現できることから、Sm₂Fe₁₇N₃磁石でも、もっと高い保磁力が発現できると考えられる。保磁力は粒径が微細になるほどに向上するので、産総研では還元拡散法の低温化による粒径の微細化により、これまでにないサブマイクロメートルサイズのSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末を作製し、最大で約25 kOeの保磁力を発現させることに成功していた。

研究の内容

今回、Sm₂Fe₁₇N₃磁石粉末の保磁力向上のため、還元拡散反応系の均一性向上に取り組んだ。従来の還元拡散法では、図(a)に示すように、Sm₂Fe₁₇N₃微粒子の他に粗大な凝集粒子が多数形成していた。この凝集粒子は主にSmを多く含んだSm-Fe合金相（Smリッチ相）で、一般的に磁気特性が低い。そのため、この凝集粒子の形成がSm₂Fe₁₇N₃磁石の保磁力を制限していると考えた。従来の還元拡散法ではSmとFeをマイクロメートルオーダーまで均一に反応させることは困難であり、この不均一性がSmリッチ相の液相を生み出し、結果として架橋効果による凝集粒子を形成したと考えられる。そこで、凝集粒子の形成を防ぐため、還元拡散反応を均一化することとした。

還元拡散反応を均一化する最良の手法は、粉末を撹拌しながら反応熱処理することであるが、還元拡散反応では非常に活性なSm-Fe液相やカルシウム（Ca）融体、Ca蒸気などが生じる。従って、多相系の撹拌と気密空間での熱処理を同時に行う必要がある。そこで今回、これらを同時に行えるよう、還元拡散反応に特化した回転式熱処理技術を開発した。この技術によりSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末を合成した結果、図(b)に示すように粗大な凝集粒子の形成をほぼ回避できた。さらSmリッチ相の液相を介する粒子の成長が抑えられ、より微細なSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末が得られるようになった。

今回開発した技術や、従来のプロセスで作製した Sm₂Fe₁₇N₃磁石粉末について、還元拡散温度などの合成条件を変えて異なる粒径の磁石粉末を合成し、その磁気特性を評価、比較した。概要の図に示すように従来の微細化技術による保磁力向上効果（図中破線）以上に高い保磁力をSm₂Fe₁₇N₃粉末に付与できることが分かった（図中実線）。また、室温保磁力が約32kOeの磁石粉末を加熱して保磁力を測定したところ、200℃での保磁力は約11kOeであり、自動車駆動用モーターとして使用できるだけの保磁力を保持していることが分かった。

図 (a) 従来法によるSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末と、(b) 今回開発した回転式熱処理技術で作製したSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末の電界放出型走査電子顕微鏡像

今後の予定

今回作製した30kOe以上の保磁力を示す磁石粉末は、粒子同士が部分的に強く結合している粒子もあることから、磁場中で配向成形処理した粒子の配向性が低く、配向成形体の磁化容易軸方向の残留質量磁化は85～100 emu/gであり、Sm₂Fe₁₇N₃の飽和質量磁化約160 emu/gに対し60％程度である。今後、粒子の分散性を向上させて残留磁化を改善する。また、現状の自動車駆動モーター用磁石は焼結磁石とする必要があるため、今回開発した磁石粉末の焼結技術の開発を行う。

用語の説明

◆重希土類元素

ランタノイド系列の15元素にイットリウム、スカンジウムを加えた17元素を希土類元素と呼ぶ。原子番号の比較的小さいランタンからユウロピウムまでを軽希土類元素、比較的大きなガドリニウムからルテチウムまでを重希土類元素と大別する。Nd-Fe-B系磁石に含まれるDyやTbは重希土類元素であり、事実上、イオン吸着型鉱床だけで採掘されている。NdやSmは軽希土類元素であり、比較的世界中に分布しているため資源開発によって確保できる可能性が高い。

◆保磁力

外部から逆の磁場をかけても磁石の極性が逆転しない最大の外部磁場の強さ。モーター設計にもよるが、目安として自動車用駆動モーターとして使用するには200 ℃において8 kOe以上の保磁力が求められる。

◆サマリウム-鉄-窒素（Sm-Fe-N）系磁石

1987年に入山恭彦らによって発見された磁石。Sm-Fe-N系の磁石粉末として、Sm₂Fe₁₇N₃構造とSm₁Fe₉N_1.5構造の2種類が開発されている。現在は、Sm₂Fe₁₇N₃系粉末は異方性の磁石粉末、Sm₁Fe₉N_1.5系粉末は等方性の磁石粉末として製造されており、どちらもボンド磁石（プラスチックやゴムに練り込んだ柔軟性のある磁石）として販売されている。

◆ネオジム-鉄-ホウ素（Nd-Fe-B）系磁石

1982年に佐川眞人らにより開発された希土類永久磁石。基本構造はNd₂Fe₁₄Bであり、元素添加により保磁力の向上や温度特性の改善を行う。特にDyやTbの添加により、保磁力が大きく改善する。液相焼結により焼結体を作製できるため、高密度の成形体を比較的簡単に作ることができる。

◆還元拡散法

希土類酸化物と遷移金属、CaもしくはCaH₂を混合し、アルゴン（Ar）雰囲気下で熱処理を行って希土類-遷移金属合金微粉末を製造する方法。コストの安い酸化物を原料とできるほか、微粉砕処理をしないでも、サブマイクロメートルサイズからマイクロメートルサイズの合金粉末を製造できる。今回開発した技術では化学プロセスにより合成したSm-Fe酸化物微粉末について、水素還元、Caを用いた還元拡散、窒化を行ったのち、CaOなどの還元拡散プロセスでの副生成物を洗浄除去、最後に真空乾燥してSm₂Fe₁₇N₃磁石粉末を合成する。

◆IPMモーター

Interior Permanent Magnetモーターの略語。ローターの内部に磁石を埋め込んだ構造をもつ回転界磁形式のモーター。

◆飽和磁化

磁石材料は外部から磁場を与えられることで磁化するが、いくら高い磁場を与えてもそれ以上高くならない（飽和する）磁石材料の磁化の値。

◆キュリー点

強磁性体が常磁性体へと変わる、つまりは磁石が磁力を完全に失う温度。

◆異方性磁界

磁石の保磁力の理論限界値とされる物性値。結晶には磁化しやすい方向と磁化しにくい方向があり、それぞれの飽和磁化に必要な磁界の差。