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ネオジム磁石（NdFeB、NIB、ネオ磁石とも呼ばれる）は、ネオジム、鉄、ホウ素の合金から作られ、Nd 2 Fe 14 B正方晶の結晶構造を形成する永久磁石です。[1] 最も広く使用されているタイプの希土類磁石です。[2]
1984年にゼネラルモーターズと 住友特殊金属が独自に開発したネオジム磁石[3] [4] [5]は、市販されている永久磁石の中で最も強力なタイプです。 [1] [6]コードレス工具の電動モーター、ハードディスクドライブ、磁気ファスナー など、強力な永久磁石を必要とする現代の製品の多くの用途で、他のタイプの磁石に取って代わりました。
NdFeB磁石は、製造プロセスに応じて焼結磁石と結合磁石に分類されます。[7] [8]
歴史
ゼネラルモーターズ（GM）と住友特殊金属は、1984年にほぼ同時にNd 2 Fe 14 B化合物を独自に発見しました。 [3]この研究は、以前に開発されていたサマリウムコバルト永久磁石（SmCo） の原材料費の高さによって推進されました。GMは溶融紡糸ナノ結晶Nd 2 Fe 14 B磁石の開発に注力し、住友はフル密度焼結Nd 2 Fe 14 B磁石を開発しました。[9]
GMは1986年にマグネクエンチ社を設立し、等方性ネオジウム粉末、結合ネオジウム磁石、および関連する製造プロセスの発明を商品化した（マグネクエンチ社はその後ネオマテリアルテクノロジー社の一部となり、その後モリコープ社に合併された）。同社は溶融紡糸法で製造されたNd 2 Fe 14 B粉末を結合磁石メーカーに供給した。住友の施設は日立の一部となり、焼結Nd 2 Fe 14 B磁石を製造しただけでなく、他社に製造ライセンスを与えた。日立はネオジム磁石に関する600件以上の特許を保有している。[9]
中国メーカーは世界の希土類鉱山の多くを支配しており、ネオジム磁石の生産において支配的な勢力となっている。[10]
米国エネルギー省は、永久磁石技術における希土類金属の代替品を見つける必要性を認識し、そのような研究に資金を提供してきました。エネルギー高等研究計画局は、代替材料を開発するための重要技術における希土類代替品（REACT）プログラムを後援しています。2011年、ARPA-Eは希土類代替品プロジェクトに3160万ドルの資金を提供しました。[11]風力タービンに使用される永久磁石の役割のため、ネオジムは再生可能エネルギーで稼働する世界で地政学的競争の主な対象の1つになると言われています。この見方は、ほとんどの風力タービンが永久磁石を使用していないことを認識しておらず、生産拡大に対する経済的インセンティブの力を過小評価しているとして批判されています。[12]
プロパティ
磁気特性
純粋なネオジムは磁性を持ち、具体的には反強磁性ですが、19 K (-254.2 °C、-425.5 °F) 未満の低温でのみ反強磁性です。ただし、鉄などの遷移金属とネオジムの化合物の中には強磁性があり、キュリー温度は室温よりはるかに高いものがあります。これらはネオジム磁石の製造に使用されます。
ネオジム磁石の強さは、いくつかの要因によって決まります。最も重要なのは、正方晶系Nd 2 Fe 14 B 結晶構造が非常に高い一軸磁気結晶異方性( H A ≈ 7 T – 磁場強度 H の単位は A/m、磁気モーメントの単位は A·m 2 ) を持つことです。[13] [3]これは、この材料の結晶が特定の結晶軸に沿って優先的に磁化しますが、他の方向に磁化するのは非常に困難であることを意味します。他の磁石と同様に、ネオジム磁石合金は、製造中に強力な磁場内で整列させられる微結晶粒子で構成されているため、それらの磁気軸はすべて同じ方向を向きます。結晶格子が磁化の方向を変えようとしないことで、この化合物は非常に高い保磁力、つまり脱磁されにくい性質を持ちます。
ネオジム原子は、電子構造に不対電子が4 つあるため[14]、大きな磁気双極子モーメントを持つことができます。これは、鉄が平均 3 つであるのに対し、ネオジム原子は 4 つの不対電子を持っているためです。磁石では、不対電子がスピンの方向が同じになるように整列し、磁場を生成します。これにより、Nd 2 Fe 14 B 化合物は高い飽和磁化( J s ≈ 1.6 Tまたは 16 kG ) と、通常 1.3 テスラの残留磁化を持ちます。したがって、最大エネルギー密度はJ s 2に比例するため、この磁性相は大量の磁気エネルギー ( BH max ≈ 512 kJ/m 3または 64 MG·Oe ) を蓄える可能性があります。
この磁気エネルギー値は、体積で「通常の」フェライト磁石の約 18 倍、質量で約 12 倍です。この磁気エネルギー特性は、最初に商品化された希土類磁石であるサマリウムコバルト (SmCo) 磁石よりも NdFeB 合金の方が高くなっています。実際には、ネオジム磁石の磁気特性は、合金の組成、微細構造、および使用される製造技術によって異なります。
Nd 2 Fe 14 B の結晶構造は、鉄原子とネオジム-ホウ素化合物の交互層として説明できます。[3]反磁性ホウ素原子は磁性に直接寄与しませんが、強い共有結合によって凝集力を高めます。[3]希土類元素含有量が比較的低く (体積比 12%、質量比 26.7%)、ネオジムと鉄がサマリウムとコバルトに比べて相対的に多いため、ネオジム磁石は他の主要な希土類磁石ファミリーであるサマリウム-コバルト磁石よりも安価です。[3]
ネオジム磁石は残留磁化が高く、保磁力とエネルギー積もはるかに高いにもかかわらず、他の多くの種類の磁石よりもキュリー温度が低い。テルビウムとジスプロシウムを含む特殊なネオジム磁石合金はキュリー温度が高く、より高い温度に耐えられるように開発されている。[15]
物理的および機械的特性
腐食
焼結 Nd 2 Fe 14 B は、特に焼結磁石の粒界に沿って腐食しやすい傾向があります。このタイプの腐食は、磁石が小さな磁性粒子の粉末に砕け散ったり、表面層が 剥離したりするなど、深刻な劣化を引き起こす可能性があります。
この脆弱性は、多くの市販製品で、大気への露出を防ぐための保護コーティングを施すことで対処されています。ニッケル、ニッケル-銅-ニッケル、亜鉛メッキが標準的な方法ですが、他の金属によるメッキやポリマーやラッカーによる保護コーティングも使用されています。[17]
温度感度
ネオジムは負の係数を持ち、温度が上昇するにつれて保磁力と磁気エネルギー密度（BH max）は低下する。ネオジム・鉄・ホウ素磁石は室温では高い保磁力を持つが、温度が100℃（212℉）を超えると、キュリー温度（約320℃または608℉）に達するまで保磁力は急激に低下する。この保磁力の低下は、風力タービンやハイブリッド車のモーターなどの高温条件下での磁石の効率を制限する。ジスプロシウム（Dy）またはテルビウム（Tb）が添加され、温度変化による性能低下を抑える。この添加により、磁石の製造コストが上昇する。[18]
成績
ネオジム磁石は、単位体積あたりの磁束出力に関連する最大エネルギー積に従って等級分けされます。値が高いほど、磁石が強力であることを示します。焼結 NdFeB 磁石については、広く認められた国際分類があります。その値の範囲は N28 から N55 で、理論上の最大値は N64 です。値の前の最初の文字 N はネオジムの略で、焼結 NdFeB 磁石を意味します。値の後の文字は、固有の保磁力と最大動作温度 (キュリー温度と正の相関関係にあります) を示し、デフォルト (最大 80 °C または 176 °F) から TH (230 °C または 446 °F) の範囲です。[19] [20] [21]
焼結NdFeB磁石のグレード: [7] [さらなる説明が必要] [22] [信頼できない情報源? ] [23]
- N27 – N55
- 3000万ナイラ – 5000万ナイラ
- N30H – N50H
- N30SH – N48SH
- N28UH – N42UH
- N28EH – N40EH
- N28日～N35日
- N33VH/AH
生産
ネオジム磁石の製造方法には主に 2 つあります。
- 古典的な粉末冶金法または焼結磁石法[24]
- 焼結 Nd 磁石は、原料を炉で溶かし、鋳型に流し込み、冷却してインゴットを形成することで製造されます。インゴットは粉砕され、粉砕された後、粉末は高密度のブロックに焼結されます。ブロックはその後、熱処理され、形状に合わせて切断され、表面処理され、磁化されます。
- 急速凝固法または結合磁石法
- 結合型 Nd 磁石は、NdFeB 合金の薄いリボンを溶融紡糸して作られます。リボンには、ランダムに配向した Nd 2 Fe 14 B ナノスケール粒子が含まれています。このリボンはその後、粒子に粉砕され、ポリマーと混合され、圧縮成形または射出成形されて結合型磁石になります。
結合ネオジム-鉄-ボロン粉末は、熱可塑性ポリマーのマトリックスに結合され、磁石を形成します。磁性合金材料は、水冷ドラム上でスプラット急冷によって形成されます。この金属リボンは粉末に粉砕され、その後熱処理されて保磁力が向上します。粉末はポリマーと混合され、ガラス充填ポリマーに似た成形可能なパテを形成します。これは保管用にペレット化され、後で射出成形によって成形できます。成形プロセス中に外部磁場が適用され、完成した磁石の磁場が方向付けられます。[25] [26]
2015年、日本の日東電工はネオジム磁石材料を焼結する新しい方法を開発したと発表した。この方法は「有機/無機ハイブリッド技術」を利用して粘土のような混合物を形成し、焼結のためにさまざまな形に成形できる。焼結材料内の磁場の不均一な方向を制御して磁場を局所的に集中させ、たとえば電気モーターの性能を向上させることができると言われている。量産は2017年に予定されている。[27] [28] [更新が必要]
2012年現在、中国では毎年5万トンのネオジム磁石が公式に生産されており、 2013年には「企業ごとに」8万トンに増加した。[29]中国は希土類元素の95％以上を生産しており、世界の希土類磁石の約76％と世界のネオジムの大部分を生産している。[30] [9]
アプリケーション
既存の磁石の用途
ネオジム磁石は、強力な永久磁石が必要とされる現代の技術のさまざまな用途の多くで、アルニコ磁石やフェライト磁石に取って代わっています。これは、ネオジム磁石の強度が高いため、特定の用途でより小型で軽量な磁石を使用できるからです。次に例をいくつか示します。
- コンピュータハードディスク用ヘッドアクチュエータ
- 機械式電子タバコ点火スイッチ
- ドアのロック
- スピーカーとヘッドフォン
- 携帯電話
- 磁気軸受とカップリング
- ベンチトップNMR分光計
- 電気モーター[31]
- 風力タービン用発電機（永久磁石励磁のもののみ）
- 小売メディアケースデカップラー[説明が必要]
- プロセス産業では、強力なネオジム磁石が異物を捕らえ、製品やプロセスを保護するために使用されています[32]
- さまざまな物体（カトラリー、コイン、宝石など）に含まれる貴金属の識別
新しいアプリケーション
ネオジム磁石の強度の高さは、磁石がこれまで使われていなかった分野での新しい用途を刺激した。例えば、磁気ジュエリー留め具、ホイル絶縁の維持、子供用磁気組み立てセット（およびその他のネオジム磁石玩具）、現代のスポーツ用パラシュート装備の閉鎖機構の一部などである。[33]ネオジム磁石は、かつて人気だった卓上玩具の磁石「バッキーボール」や「バッキーキューブ」の主金属であるが、米国の小売業者の中には、子供の安全上の懸念からこれらの磁石の販売をやめたところもある。 [34]カナダでも同じ理由で禁止されている。[35]米国でも同様の禁止が2016年に解除されたが、CPSCが推奨する最低年齢要件は現在14歳であり、新しい警告ラベルの要件も存在する。[36]
ネオジム磁石の強度と磁場の均一性は、超伝導線のコイルを使用して磁場を生成する超伝導磁石の代替として、放射線科で人体を画像化するために使用されるオープン磁気共鳴画像（MRI）スキャナーの導入により、医療分野での新たな用途も開拓しました。[37]
ネオジム磁石は、胃食道逆流症（GERD）の治療のために下部食道括約筋の周りに外科的に埋め込まれた磁石の帯である外科的逆流防止システムとして使用されています。[ 38 ]また、磁場の感覚知覚を提供するために指先に埋め込まれたこともありますが、 [40]これはバイオハッカーやグラインダーの間でのみ人気のある実験的な手順です。[41]
ネオジムは、磁力で物を持ち上げる吊り上げ装置である磁気クレーンとして使用されています。[42]これらのクレーンは、継続的な電源供給を必要とせずに、永久磁石の持続的な磁場を使用して、鋼板、パイプ、スクラップ金属などの鉄材料を持ち上げます。[43]磁気クレーンは、スクラップヤード、造船所、倉庫、製造工場で使用されています。[44]
危険
希土類磁石が及ぼす大きな力は、他の種類の磁石では発生しない可能性のある危険を生み出します。数立方センチメートルを超えるネオジム磁石は、2つの磁石、または磁石と鉄金属表面の間に挟まれた身体の一部に傷害を引き起こし、骨折を引き起こすほど強力です。[45]
磁石が近づきすぎると、脆い磁石が欠けたり砕けたりするほどの力でぶつかり合う可能性があり、飛び散った破片がさまざまな傷害、特に目の傷害を引き起こす可能性があります。小さな子供が磁石を数個飲み込んで、消化管の一部が2つの磁石の間に挟まれ、傷害や死亡を引き起こしたケースもあります。[46]また、磁石が内蔵または取り付けられている機械を扱う場合、これは深刻な健康リスクとなる可能性があります。[47]
より強い磁場は、フロッピーディスクやクレジットカードなどの磁気媒体を消去したり、他の種類の磁石よりも遠くにある時計やCRT型モニターのシャドウマスクを磁化したりするため、機械や電子機器に危険を及ぼす可能性があります。 一部のネオジム磁石にはフェロセリウムが含まれているため、欠けた磁石が集まってライターの火打ち石のように火花を散らし、火災の危険となる場合もあります。
参照
- マグネットフィッシング – 屋外の水域で強磁性体を探す
- 希土類磁石 – 希土類元素の合金から作られた強力な永久磁石
参考文献
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さらに読む
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