21世紀において、産業インターネット、再生可能エネルギー、高速鉄道輸送、5G通信、インテリジェント製造などの分野での技術の急速な進歩は、世界の産業発展に大きな影響を与えています。2018年に中国で導入された「新インフラ建設」の概念は、これらのセクターが国の経済成長において重要であることをさらに強調しています。これらの進歩に不可欠な材料の中で、ネオジム-鉄-ボロン（Nd-Fe-B）永久磁石は、その卓越した磁気特性により、永久磁石市場の50%以上を占める重要な役割を果たしています。しかし、従来のNd-Fe-B磁石は、電気自動車の駆動モーターや風力タービン発電機など、高温安定性を必要とする用途で課題に直面しています。
従来のNd-Fe-B磁石の課題
商業的に焼結されたNd-Fe-B磁石、特に重希土類（HRE）を含まないものの主な制限の一つは、低い保磁力（約1200 kA/m）とキュリー温度（Tc = 312°C）です。保磁力は、磁石の組成と微細構造に密接に関連する外因性の磁気特性です。保磁力を増加させることで、高温での減磁に効果的に抵抗し、磁石の熱安定性を向上させることができます。
この問題に対処するために、いくつかのアプローチが検討されています。一つの方法は、コバルト（Co）合金元素を追加してNd2Fe14B相の一部の鉄（Fe）を置き換え、磁石のキュリー温度（Tc）を上げることです。しかし、過剰なCoは材料コストを上昇させるだけでなく、硬磁性特性を劣化させます。別の戦略は、ジスプロシウム（Dy）やテルビウム（Tb）などのHRE元素を導入して、2:14:1相のネオジム（Nd）を置き換え、より高い磁気異方性場を持つ（HRE, Nd）2Fe14B相を形成することです。残念ながら、HREは希少であり、地殻中の存在量はNdの10%未満であり、非常に高価です。従来の溶融によるHREの導入は、磁石のコストを大幅に増加させ、HRE材料がNd-Fe-B磁石の最終価格の30%から50%を占めることになります。さらに、HRE原子とFe原子の間の反強磁性結合は、磁石の残留磁化と磁気エネルギー積を必然的に低下させます。
粒界拡散（GBD）技術
高温Nd-Fe-B磁石の需要の高まりに応じて、GBD技術の開発が有望な解決策として浮上しています。2005年に中村らによって提案されたGBD技術は、HREの単一元素または化合物を拡散剤として利用します。拡散熱処理を通じて、HREは磁石の表面から粒界に沿って浸透し、粒界および粒子表面に分布してNd-Fe-B磁石の保磁力を向上させます。拡散プロセスは通常、Nd-Fe-B磁石の粒界に富む希土類相の融点を超える温度で行われ、液体に富む希土類相の粒界に沿った急速な拡散を促進します。
GBDの核心原理は、磁化反転ドメインが最初に粒子表面に形成され、これが磁石内の最も弱いリンクとなることです。粒子表面の異方性場を増加させることで、反転ドメインの形成を遅らせ、磁石全体の保磁力を向上させることができます。GBDはHREを主に粒界に分布させ、粒子内部への侵入を最小限に抑えます。このアプローチは、保磁力を向上させるだけでなく、HREが残留磁化に与える悪影響を軽減し、優れた全体的な磁気特性を実現します。
Ceを用いたGBD技術の利点
GBD技術は、特にセリウム（Ce）が組み込まれると、いくつかの利点を提供します。Ceはその豊富さからNdやHREsのコスト効果の高い代替品です。Ndの一部をCeで置き換えることで、材料コストを削減しつつ、磁気性能を維持または向上させることができます。研究によれば、GBDを通じて処理されたCe含有Nd-Fe-B磁石は、保磁力に大幅な改善を示しています。例えば、デュアルメインフェーズ法で調製された焼結（Ce,Nd）-Fe-B磁石へのTb拡散は、保磁力を最大65%向上させ、残留磁化と最大エネルギー積の減少は比較的少ないことがわかっています。
最近の開発と研究の方向性
近年、GBD技術は急速に進化し、産業化を達成しました。GBDの実用的な産業応用により、HREの消費が50%以上削減されました。しかし、いくつかの技術的および理論的な課題が残っています。重要な問題の一つは、GBDで効果的に処理できる磁石の厚さを増やすことです。現在の産業実践では、主に4 mm未満の厚さの磁石に焦点を当てており、8 mmを超えるものはほとんどありません。125°C以上で動作するモーターや発電機など、より高い安全マージンを必要とする用途では、より厚い磁石が好まれます。
この課題に対処するために、研究者たちは拡散剤の拡散速度を向上させ、より厚い磁石での拡散深度を増加させる方法を模索しています。一つのアプローチは、合金化やドーピングを通じて拡散剤の組成を変更し、より効率的な拡散チャネルを提供することです。例えば、Al + TbH2混合物を拡散剤として使用することで、TbH2単独使用と比較して6.5 mm厚の磁石の保磁力が大幅に向上することがわかっています。Alの導入は、2:14:1粒子間の連続した薄層粒界相の形成を促進し、減磁結合を強化し、保磁力を向上させます。
将来の展望
Ceを用いたGBD技術の未来は、高性能でコスト効果の高いNd-Fe-B磁石の開発において大きな可能性を秘めています。研究は引き続き、拡散剤の組成の最適化、拡散効率の向上、GBD磁石の微細構造と特性の関係の理解に焦点を当てています。さらに、より厚い磁石を効果的に処理する方法を開発する必要があり、GBD技術の適用範囲を拡大しています。
結論として、Ceを用いた最新のGBD技術の開発は、従来のNd-Fe-B磁石の限界を克服するための重要な一歩となっています。Ceの独自の特性を活用し、GBDプロセスを最適化することで、研究者たちはさまざまな産業で高性能でコスト効果の高い永久磁石の普及を促進し、21世紀のイノベーションと持続可能性を推進しています。
