高性能サマリウム磁石を開発

　日本特殊陶業と産業技術総合研究所(産総研)は9月10日、かねてより「ネオジム磁石の代替磁石」として有望視されている「サマリウム-鉄-窒素(Sm₂Fe₁₇N₃)系焼結磁石」(サマリウム磁石)を高性能化できる技術を開発したと共同で発表しました。サマリウム磁石はEVなどの高耐熱用途への応用が期待されています。開発のグループは、「日本特殊陶業-産総研カーボンニュートラル先進無機材料連携研究ラボ」であり、詳細は、9月19日の大阪大学で開催される日本金属学会秋期講演大会および、10月11日に名古屋市で開催される「未来モビリティ材料」共創フェアにおいて発表される予定です。
　但し、現在の段階では、ネオジム磁石の性能の領域には達していないこと、実用化した場合、サマリウム原料の高騰の不安などが今後の大きな課題となりそうです。

＜サマリウム磁石の長所＞
　近年の産業用モーターには、磁石内部配置型同期モーター（IPMSynRMモーター）が盛んに使用され始めました。特に、EV用モーターは高性能化、小型化、耐熱化が求められていて、ネオジム磁石を利用するモーター設計が主流になっています。
　しかしながら、EV用モーターには高耐熱磁石が必要であり、ネオジム磁石の耐熱化を計るためには、資源リスクの大きい「テルビウム」や「ジスプロシウム」といった重希土類の添加が必須となります。
　そこで、白羽の矢が立ったのがSm₂Fe₁₇N₃金属間化合物です。この化合物は、ネオジム磁石の主相化合物Nd₂Fe₁₄Bと比較して、理論的には磁気性能の熱安定性が優れていることから、重希土類フリーの永久磁石として期待されてきました。

＜新焼結助剤で高性能化＞
　ところが、Sm₂Fe₁₇N₃化合物は比較的低温（620℃程度）で分解してしまうため、高温加熱して、高密度の焼結磁石にすることは困難でした。そこで、グループは低温度でも焼結できて、高密度化可能な方法を探索し、開発した新たな焼結助剤を用いることにより、磁化低下を防ぎながら低温度焼結と高密度化に成功しました。

　この焼結助剤には、周期表第二族（アルカリ土類金属）に属する元素を含有する合金に着目し、試行錯誤を積み重ねた末に、目的に合致する合金を発見しました。この焼結助剤合金の微粉化にも成功し、微粉化された焼結助剤合金とサマリウム化合物の粉末の混合粉末に対し、結晶の向きを一方向にそろえるようにして焼結するプロセスも開発され、ついに、高密度化したサマリウム永久磁石の作製成功に至りました。

＜磁気特性の向上＞
　次の図は、「焼結助剤なし」と「焼結助剤を添加」した焼結体の磁化曲線（J-H曲線）です。今回開発したサマリウム磁石は、残留磁化［Br］が10%以上、最大エネルギー積［(B-H)max］が20%以上改善されました。発表では、この開発により、Sm₂Fe₁₇N₃系化合物の高性能永久磁石としての可能性が現実として引き出され、耐熱性が要求されるEVなどのモーター用磁石への展開へ一歩前進したとしました。

＜磁石プロの視点＞
１，磁気特性面から有望と言われていたサマリウム-鉄-窒素(Sm₂Fe₁₇N₃)系ですが、結晶の不安定性により高温度での熱処理が難しいため、ボンド磁石材料としての範囲に留まっていました。しかしながら、今回の開発は、最先端の粉末冶金技術および磁性材料プロセスを見事に融合して、(Sm₂Fe₁₇N₃)系の高性能化を前進させ、新たな永久磁石出現の可能性を引き出したことは画期的なことだといえます。

2，一方、開発品は現行のSm₂Co₁₇系と比較して残留磁化の強さは最高グレード品に匹敵しますが、保磁力［Hcj］が1/2以下であり、最大エネルギー積［(BH)max)］も2/3程度に過ぎません。ネオジム磁石と比較すると、さらに低い磁気特性となります。但し、磁化曲線の温度特性がSm₂Co₁₇系と同等であれば、高温度での磁気特性はネオジム磁石との差が縮小すると思われますので、温度特性の公表が待たれます。いずれにしても、実用化にはさらなる性能向上が必要でしょう。

３，次に、本開発品の課題をあげるとしたらやはり資源問題でしょう。
　レアメタルのコバルト（Co）を使わないためにSm₂Co₁₇系磁石よりも資源的には有利です。また、現在、サマリウムの価格は鉱石中の比率が低いのにもかかわらず、ネオジムの価格に比べて約1/5の低価格です。これは、ネオジム磁石用途のネオジムが大量に抽出・生産されているために、ネオジム抽出後の用途の少ないサマリウムを含む鉱石残さいの在庫が増え続けているためです。したがって、コバルトを使わないで低価格のサマリウムを使うサマリウム磁石は低価格希土類磁石といえます。また、一時的にはレアアース資源のバランス利用にも貢献してくれます。
　ただし、サマリウム（Sm）もレアアース（希土類）であり、原料鉱石から抽出・生産される国は偏在しています。また、比較的サマリウムが多く含有する中国や豪州のモナザイト鉱石（モナズ石）中の成分比は3%ほどで、ネオジム（Nd）の17%に比較するとわずかです。さらに、バストネサイトやゼノタイムなどを含む世界の埋蔵希土類鉱石全体に対する含有比率は1%程度になります。
　そのような希少資源としてのアキレス腱を抱えるサマリウム磁石の実用化、大量生産が始まったらどうなるでしょうか。もともと鉱石中の含有量が少なく、抽出・分離コストの高いサマリウムの大量使用は、ネオジムとのコストバランスが崩れ、あっという間に価格高騰が始まるでしょう。

4，したがって、基本的にはネオジムよりさらに希少なサマリウムを20重量%以上使う永久磁石が、ポストネオジム磁石になるのは難しいかもしれません。同時に、将来のEV時代のメインモーターとして利用することに対しては、原料コストがいずれ大きな障壁となります。さらに、サマリウム量を減らすなどの開発も不可欠になるでしょう。
　とはいうものの、現行のSm₂Co₁₇系磁石の代替やセンサーなど、小型で高温度使用や温度安定性が求められる用途には十分可能性があると思われます。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　2024年9月24日 ネオマグ株式会社