3分でわかる技術の超キホン 主な希土類磁石と金属合金磁石 [サマコバ磁石,ネオジム磁石,アルニコ磁石]

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希土類磁石(レアアース)の解説

本コラムは磁性材料に関するお話です。
磁性材料には磁場を取り去った状態の磁化が大きい硬磁性材料と、取り去った状態の磁化が小さい軟磁性材料があります。
[※関連コラム:軟磁性材料/硬磁性材料に関する前提知識についてはこちらをご参照ください。]

硬磁性材料には「金属合金磁石」「フェライト磁石」「希土類磁石」がありますが、今回のコラムでは希土類磁石のサマコバ磁石・ネオジム磁石と、金属合金磁石のアルニコ磁石について、それぞれの特性や用途などの基礎知識を解説します。

1.磁性の源

最も小さい磁石(磁気モーメント)は電子が作ります。
電子のスピンにより電流の磁気作用と同じく周囲に磁場が発生します。

(※スピン:同じ電子軌道内に振る舞いの異なる二種類の電子が存在します。磁場が印加されていないときはスピンの向きはバラバラで、磁場が印加されるとスピンの向きは磁場に対して平行または反平行のどちらかになります。)

多くの原子の電子はスピンが互いに逆向きの電子対(ペア、electoron pair)となっているので、磁場は打ち消されてしまいます。

しかし、遷移金属の鉄・コバルト・ニッケルには、最外殻のN殻の内側のM殻3d電子軌道に不対電子(unpaired electron)があり、電子のスピンにより磁場が発生します。

また、希土類金属のネオジム・サマリウムには、最外殻のO殻の内側のN殻4f軌道に不対電子があり、鉄やコバルトと化合物を作ると相互作用で磁気モーメントの方向がそろい、磁場を発生させます。
 

2.金属合金磁石

遷移金属で構成される金属合金磁石の代表として、アルニコ磁石を紹介します。

アルニコ磁石とは?

アルニコ磁石は、鉄(Fe)に加えアルミニウム (Al)、ニッケル (Ni)、コバルト (Co) などを原料として鋳造されます。

「アルニコ」の名前の由来は、各元素記号を単純に並べたものですが、銅などを添加物として加えることがあり、強い永久磁石として利用されます。
20世紀半ばまで主流の磁石でしたが、原材料のコバルトの供給問題などにより、主役の座を奪われました。
 

《アルニコ磁石の磁気エネルギー向上》

最大エネルギー積(磁石に蓄えられる磁気エネルギの最大値で、磁束密度と保持力の積の最大値です)の推移で、永久磁石の磁気エネルギー向上の経緯を示します。

① アルニコ5(MK-5):最大エネルギー積38kJ/m3
鉄・ニッケル・アルミニウムを主成分とする析出硬化型のMK鋼アルニコ磁石に磁場中熱処理の技術を適用し、アルニコ5が開発されました。

② アルニコ6(MK-6):最大エネルギー積58kJ/m3
アルニコ5(MK-5)系の成分にチタンを添加し、アルニコ6(MK-6)が開発されました。

③ アルニコ8(MK-8):最大エネルギー積110kJ/m3
コバルトとチタン添加量を増加し、等温磁場熱処理をすることにより、アルニコ8(MK-8)が開発されました。
 

《アルニコ磁石の特性》

① アルニコ磁石の長所

  • 温度に対する影響が少なく、高温環境での使用に適している
  • 鋳造で製作されるので機械的強度に優れる

 
② アルニコ磁石の短所

  • 保磁力が小さく減磁しやすいので外部の磁場に影響されやすい
  • 減磁を抑制する必要がある場合、磁極間を長くするなど形状に制約がある。

 

《アルニコ磁石の用途》

外部の温度による磁気特性の変化が少ないため、安定した性能が求められる機器の素材として、計器、スピーカ、楽器などの需要があります。
 

3.希土類磁石(レアアース磁石)

希土類磁石として、「サマコバ磁石」と「ネオジム磁石」の基礎知識を解説します。
 

(1)サマコバ磁石(サマリウムコバルト磁石)とは?

主にサマリウム(Sm)とコバルトを原料とした粉末・焼結磁石です。
強磁性体のコバルトにサマリウムが結合すると、高い磁気エネルギーと磁気異方性が出現し高い保磁力も得られます。
 

《サマコバ磁石の磁気エネルギー向上》

① SmCo5:最大エネルギー積140kJ/m3
希土類元素を用いた初めての磁石で、開発当初はサマリウム1に対してコバルト5の割合で製作される1-5系が主流でした。

② Sm2Co17:最大エネルギー積240kJ/m3
コバルトの一部を高保磁力化用の銅や、磁気エネルギー向上用の鉄等に置換する改良が行われるとともに、サマリウム2に対してコバルト17の割合で製造される2-17系が開発され、主流製品となっています。
 

《サマコバ磁石の特性》

① サマコバ磁石の長所

  • ネオジム磁石に次ぐ最大エネルギー積を有している。
  • キュリー温度は700~800℃で高温による使用に向いている
  • 耐食性に優れ、特別な使用条件以外では表面処理が必要ない

 
② サマコバ磁石の短所
ネオジム磁石より脆く欠けやすいので、使用できる条件に制限があります。
 

《サマコバ磁石の用途》

ネオジム磁石に比べて耐熱温度と熱安定性が優れていること、また錆にくい性質を活かして、高い温度の使用を想定したモーター、センサーなどの製品に使用されます。
 

(2)ネオジム磁石とは?

製品として流通している最も強い磁気エネルギーを有する磁石であり、ネオジム(Ne)・鉄・ボロン(B)を基本組成とした粉末・焼結磁石です。

ネオジムは、磁化しやすい方向に鉄原子の向きを揃え維持し、特定の方向で磁化されやすくなり、結晶磁気異方性を向上させます。
は、透磁率が高く磁化しやすいので、磁気エネルギーを調整します。
ボロンは、鉄原子と結合し鉄の原子間距離を広げることにより磁気エネルギーを高くします。

ネオジム磁石には基本組成の他に、熱による減磁を防ぎ保磁力を維持するために、希土類金属のジスプロシウム(Dy)が添加されます。
 

《ネオジム磁石の磁気エネルギー向上》

① Nd-Fe-B(開発当初):最大エネルギー積288kJ/m3
多くのR2Fe14B(ここでRは希土類元素)化合物の検討から、最も高い最大エネルギー積が得られるNd2Fe14B磁石が開発されました。

② Nd-Fe-B(製品改善):最大エネルギー積474kJ/m3
ネオジム磁石は、材料粉の粒度の均一化、不純物排除によるNd2Fe14B相の存在比率の増加、製造工程中に含まれる酸素量の制御によるNd酸化物(Nd2O3)の削減などにより、最大エネルギー積が向上されています。
 

《ネオジム磁石の特性》

① ネオジム磁石の長所

  • 磁石に蓄えられる最大エネルギー積が、流通している磁石の中で最も大きい
  • 硬度が高く、衝撃にも強いので割れや欠けが発生しにくい

 
② ネオジム磁石の短所

  • 腐食には弱く、使用条件に応じて表面処理が必要な場合が多い。
  • キュリー温度は約300℃でサマコバ磁石に比べ低く、熱に弱い

 

《ネオジム磁石の用途》

小型でも強力な磁力を発揮するため、自動車・家電品のモーターなど工業製品から各種雑貨まで幅広い用途があります。

 

4.特性の比較・まとめ(アルニコ/サマコバ/ネオジム)

上記3種類の磁石の特性について、表1にまとめました。
表中、グリーンはイエローより、イエローはピンクより特性が良好です。

磁石の特性
【表1.各磁石の特性】

サマコバ磁石、ネオジム磁石の磁気エネルギ(最大エネルギ積)は、アルニコ磁石との比較で約3倍、約6倍に向上しました。これによる製品の小型化、省エネルギー化に及ぼす貢献度は計り知れません。

一方、サマコバ磁石とネオジム磁石は、ビッカーズ硬度などで示される耐久性、キュリー温度などで示される耐温度特性の観点では、アルニコ磁石と比較した場合改善の余地があり、今後も磁石用磁性材料として更なる特性改善が求められています。
 

(日本アイアール株式会社 特許調査部 Y・O)

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