希土類磁石

希土類磁石は、希土類元素の合金から作られた強力な永久磁石です。1970 年代から 1980 年代に開発された希土類磁石は、製造された永久磁石の中で最も強力なタイプであり、フェライト磁石やアルニコ磁石などの他のタイプよりもはるかに強い磁場を生成します。希土類磁石によって生成される磁場は通常 1.2テスラを超えることがありますが、フェライト磁石やセラミック磁石は通常 0.5 ～ 1 テスラの磁場を示します。

ネオジム磁石とサマリウムコバルト磁石の2種類があります。希土類磁石は非常に脆く、腐食にも弱いため、通常は破損、欠け、粉々になるのを防ぐために メッキやコーティングが施されています。

希土類磁石の開発は、1966年頃に米国空軍材料研究所のKJ StrnatとG. Hofferが、イットリウムとコバルトの合金YCo ₅が、当時知られているどの物質よりも大きな磁気異方性定数を持つことを発見したときに始まりました。^{[1] [2]}

「希土類」という用語は誤解を招く可能性がある。なぜなら、これらの金属の中には、錫や鉛と同じくらい地殻に豊富に存在するものがあるからである^[3]。しかし、希土類鉱石は（石炭や銅のように）層には存在しないため、地殻の1立方キロメートルあたりでは「希少」である。^{[4] [5]} 生産量が最も多いのは中国である^{[6]が、中国は}ミャンマーから相当量のREE鉱石を輸入している。一部の国では希土類金属を戦略的に重要なものとして分類しており^{[7] 、中国によるこれらの物質の輸出規制により、}米国を含む他の国々は、希土類金属を必要としない強力な磁石を開発するための研究プログラムを開始した。^[8]

希土類元素（ランタノイド）は強磁性金属で、鉄と同様に磁化されて永久磁石になりますが、キュリー温度（強磁性が消失する温度）は室温より低いため、純粋な状態では低温でのみ磁性が現れます。ただし、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属と化合物を形成し、これらの化合物の一部はキュリー温度が室温よりはるかに高くなります。希土類磁石はこれらの化合物から作られています。

希土類磁石の強度が高いのは、主に次の 2 つの要因によるものです。

• まず、その結晶構造は非常に高い磁気異方性を持っています。つまり、材料の結晶は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す。他の磁石と同様に、希土類磁石は微結晶粒子で構成されており、製造中に強力な磁場内で整列されるため、それらの磁気軸はすべて同じ方向を向いています。結晶格子が磁化の方向を変えないようにすることで、これらの化合物には非常に高い磁気保持力（消磁に対する抵抗）が与えられ、完成した磁石内の強力な消磁場によって材料の磁化が低下することはありません。
• 第二に、希土類元素の原子は高い磁気モーメントを持つことができます。それらの軌道電子構造には多くの不対電子が含まれています。他の元素では、ほぼすべての電子が反対のスピンを持つペアで存在するため、磁場が打ち消されますが、希土類では磁気の打ち消しがはるかに少なくなります。これは、最大7つの不対電子を含むことができるf殻の不完全な充填の結果です。磁石では、同じ方向に回転するように整列した不対電子が磁場を生成します。これにより、材料に高い残留磁気（飽和磁化 J _s）が与えられます。最大エネルギー密度B·H _maxはJ _s ²に比例するため、これらの材料は大量の磁気エネルギーを蓄える可能性があります。ネオジム磁石の磁気エネルギー積B·H _maxは、体積で「通常の」磁石の約18倍です。これにより、希土類磁石は、同じ磁場強度の他の磁石よりも小さくなります。

永久磁石を比較するために使用される重要な特性には、磁場の強さを測る残留磁化( B _r ) 、材料の減磁に対する抵抗力である保磁力( H _ci ) 、磁気エネルギーの密度であるエネルギー積( B·H _{max )、および材料が磁性を失う温度である}キュリー温度( T _C ) などがあります。希土類磁石は他のタイプよりも残留磁化が高く、保磁力とエネルギー積もはるかに高いですが、キュリー温度は (ネオジムの場合) 低くなっています。次の表は、2 種類の希土類磁石、ネオジム (Nd ₂ Fe ₁₄ B) とサマリウムコバルト (SmCo ₅ ) の磁気性能を他のタイプの永久磁石と比較したものです。

サマリウムコバルト磁石（化学式：SmCo ₅）は、最初に発明された希土類磁石のグループですが、コストが高く磁場強度が低いため、ネオジム磁石ほど使用されていません。しかし、サマリウムコバルトはキュリー温度が高いため、高い動作温度で高い磁場強度が必要な用途でこの磁石のニッチな市場が生まれています。サマリウムコバルト磁石は酸化に対して非常に耐性がありますが、焼結サマリウムコバルト磁石は脆く、欠けたり割れたりしやすく、熱衝撃を受けると破損する恐れがあります。

1980 年代に発明されたネオジム磁石は、最も強力で最も手頃な価格の希土類磁石です。ネオジム、鉄、ホウ素の合金(Nd ₂ Fe ₁₄ B) でできており、NIB と略されることもあります。ネオジム磁石は、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、磁気固定具、ジュエリー留め具など、強力でコンパクトな永久磁石を必要とするさまざまな用途に使用されています。ネオジム磁石は磁場強度が最も高く、保磁力も高い(磁気的に安定する) ですが、サマリウムコバルト磁石よりもキュリー温度が低く、酸化されやすいという欠点があります。

腐食により、保護されていない磁石の表面層が剥がれたり、粉々に砕けたりすることがあります。金、ニッケル、亜鉛、スズメッキやエポキシ樹脂コーティングなどの保護表面処理を使用すると、腐食から保護できます。ネオジム磁石の大半は、強力な保護を提供するためにニッケルメッキを使用しています。

当初、これらの磁石は高価であったため、小型で高磁場強度を必要とする用途に限定されていました。原材料と特許ライセンスはどちらも高価でした。しかし、1990 年代以降、NIB 磁石は着実に安価になり、その低価格は磁気組み立て玩具などの新しい用途を刺激しました。

1990 年代に価格競争力が増して以来、ネオジム磁石は、強力な磁石を必要とする現代のテクノロジーの多くの用途で、アルニコ磁石やフェライト磁石に取って代わってきました。ネオジム磁石は強度が高いため、特定の用途ではより小型で軽量な磁石を使用できます。

希土類磁石の一般的な用途は次のとおりです。

• コンピュータのハードディスクドライブ
• 風力タービン発電機
• スピーカー/ヘッドフォン
• 自転車ダイナモ
• MRI スキャナー
• 釣りリールのブレーキ
• コードレス工具の永久磁石モーター
• 高性能ACサーボモーター
• ハイブリッド車および電気自動車のトラクションモーターと統合スタータージェネレーター
• 機械式懐中電灯。希土類磁石を使用して振動または回転（手回し式）運動で電気を発生させます。
• 製品の純度維持、機器の保護、品質管理などの産業用途
• 潤滑油（内燃機関のクランクケース、ギアボックス、差動装置）内の微細金属粒子を捕捉し、その粒子が循環しないようにすることで、可動機械部品の摩耗を起こさないようにする。

希土類磁石のその他の用途には以下のものがあります。

• リニアモーター（磁気浮上式鉄道などに使用）
• ストップモーションアニメーション: 従来のネジとナットによる固定が不可能な場合の固定手段として。
• 反磁性浮上実験、磁場ダイナミクスと超伝導 浮上に関する研究。
• 電磁軸受
• ジェットコースターやその他のスリル満点の乗り物に搭載されるジェットコースター技術を発表しました。
• LED Throwies は、ボタン電池と小さな希土類磁石に取り付けられた小さなLEDで、非破壊的なグラフィティや一時的なパブリック アートとして使用されます。
• デスク用おもちゃ
• エレキギターピックアップ
• ミニチュアフィギュアでは、希土類磁石がその小ささと相対的な強度により、モデル間の武器のベース付けや交換に役立つことから、ミニチュアゲームコミュニティで人気を博しています。
• がん治療の研究では、希土類金属から作られた磁性ナノ粒子（MNP）の使用が検討されています。 ^[13]磁気温熱療法では、MNPが腫瘍細胞内に局所的な熱を発生させ、選択的に破壊します。^[14]標的送達システムでは、MNPは治療薬に付着し、外部磁場によって誘導され、目的の部位に集中して保持されます。^[15]

希土類磁石が及ぼす大きな力は、他の種類の磁石では見られないような危険性を生み出します。数センチメートルを超える磁石は、2つの磁石の間、または磁石と金属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。^[16]磁石同士が近づきすぎると、脆い材料を削って粉砕するのに十分な力で互いに衝突し、飛び散った破片で傷害が発生することがあります。2005年以降、おもちゃや磁石組み立てセットから外れた強力な磁石が傷害や死亡を引き起こし始めました。^{[17]磁石を複数飲み込んだ幼児は、}消化管のひだを磁石に挟まれて傷害を引き起こし、腸穿孔、敗血症、死亡のケースもあります。 ^[18]

ネオジム磁石球などの小さな磁石を飲み込むと、手術が必要な腸損傷を引き起こす可能性があります。磁石は胃や腸の壁を通して互いに引き合い、腸に穴を開けます。^{[19] [20]}米国疾病予防管理センターは、2010年時点で手術が必要な症例が33件、死亡例が1件あったと報告しています。^{[21] [22]}磁石は幼児と10代の若者（舌ピアスのふりをするために磁石を使っていた）の両方によって飲み込まれています。^[23]

2007年には、強力な磁石を永久的に溶着して誤飲を防ぎ、つながっていない磁石の強度に上限を設けるという玩具の自主基準が採用された。^[17] 2009年には、大人向けの磁気デスク玩具の売上が急増したことで負傷者が急増し、2012年には救急外来を訪れた人が3,617人と推定された。^[17]これを受けて、米国消費者製品安全委員会は2012年に消費者製品における希土類磁石のサイズを制限する規則を可決したが、2016年11月、残った製造業者1社が起こした訴訟で、米国連邦裁判所の判決により無効とされた。^[24]この規則が無効とされた後、国内での誤飲事故の数は急増し、2019年には1,500件を超えると推定されており、CPSCは14歳未満の子供に磁石を使用しないよう勧告している。^[17]

2009年、バッキーボールの製造元である米国のマックスフィールド・アンド・オーバートン社は、球状磁石を再包装し、玩具として販売することを決定した。^[25]バッキーボールは2009年のニューヨーク国際ギフトフェアで発売され、米国消費者製品安全委員会が13歳以上と表示された包装の回収を発表する前に数十万個が販売された。^[26] CPSCによると、175,000個が一般に販売された。返品されたのは50個未満だった。^[27]「すべての子供の手の届かないところに保管してください」と表示されたバッキーボールは回収されなかった。^[要出典]その後、マックスフィールド・アンド・オーバートン社は「玩具」という表現をすべて「デスク用玩具」に変更し、この製品を大人のストレス解消具として位置付け、主に子供向けの製品を販売する店舗での販売を制限した。^[28]

米国では、2009年から2013年の間に「球形」または「高出力」磁石、あるいはその両方が原因で約2,900件の緊急治療室への搬送が発生したため、米国消費者製品安全委員会（CPSC）は、それらの販売を制限するための規則制定を進めている。^[29]

2012年に発表されたCPSCのさらなる調査では、2009年以来、幼児や十代の若者による磁石の摂取事故が増加傾向にあることがわかった。年長児や十代の若者が関与した事故は意図的ではなく、舌ピアスなどのボディピアスを模倣するために磁石を使用した結果であった。 ^[30]委員会は、体内の組織に複数の磁石が付着した場合の隠れた合併症を挙げた。^[要出典] 2012年には、米国でおもちゃとして販売されていた類似製品とともに、バッキーボールのリコールが発行された。他の同様の米国企業に対してもリコールと行政上の苦情が申し立てられた。マックスフィールド＆オーバートンはリコールを拒否し、デスクトップおもちゃの販売を続けた。同社はCPSCに対して政治キャンペーンを開始し、同社の共同創設者クレイグ・ザッカーはFOXニュースで安全委員会と討論した。^[31]

2012年6月、米国上院議員キルステン・ギリブランドが米国消費者製品安全委員会のイネス・テネンバウム委員長に宛てた書簡により、^[32]米国消費者製品安全委員会は行政上の苦情を申し立て、バッキーボール^[33]とゼンマグネット^[34]の販売を禁止しようとした。ゼンマグネットLLCは、被害記録がないままこの種の苦情を受けた最初の企業である。^[35] 2012年11月、バッキーボールはCPSCの訴訟により生産を中止したと発表した。^[36]

2016年3月、ゼン・マグネット（ネオジム磁石球の製造業者）は、球状磁石の「欠陥のある」警告ラベルがもたらす危険性に関する2014年の大規模な法廷審問で勝訴した。^[37]ワシントンDCの裁判所^[38]（CPSC事件番号：12-2）は、「ゼン・マグネットとネオボールを適切に使用すれば、いかなる危険にもさらされることはない」と判決を下した。^[39] 2017年1月現在、ゼン・マグネットを含む多くの磁石球ブランドは、ゼン・マグネットが第10巡回区控訴裁判所に上訴して勝訴したことを受けて、小型ネオジム磁石球の販売を再開している。この控訴により、これらの製品を禁止する2012年のCPSC規制が無効となり、小型ネオジム磁石の販売が米国で再び合法となった。^[40]これは、CPSCにとって30年以上ぶりの敗訴であった。^[41]

小児消化器学・栄養学ジャーナルに掲載された研究では、2017年以降、子供による磁石の摂取が大幅に増加し、「磁石の複数回の摂取に対する治療の強化が5倍に増加」していることが明らかになりました。^[42] 2020年6月3日、CPSCは請願が取り下げられた後も、委員会に「請願対応スタッフブリーフィングパッケージ」を提出しました。このパッケージでは、2021年に調査を実施し、2022年に投票にかける規則案を提案したいという希望が概説されています。^[43]

2019年現在、製造業者はASTMで同様の自主基準に取り組んでいる。^[44] 2017年10月26日、CPSCはZen Magnetsに対して行政上の苦情を申し立て、磁石セットには子供に重大な傷害の危険をもたらす製品欠陥が含まれていると主張し、「連邦法の下では、いかなる者もZen MagnetsおよびNeoballsを販売、販売の申し出、製造、商業的に流通、または米国に輸入することは違法である」と宣言した。^[45]

カナダでは2015年以降、「小型で強力な磁石を備えた特定の製品」の販売が禁止されている。^[46]

2012年11月、ニューサウスウェールズ州での暫定禁止に続き、^[47]オーストラリア全土でネオジム磁石の販売の永久禁止が発効しました。^[48]

2013年1月、消費者問題担当大臣サイモン・ブリッジスは、2013年1月24日からニュージーランドにおけるネオジム磁石セットの輸入と販売を禁止すると発表した。^[49]

欧州連合のETN-デメタープロジェクト（ハイブリッド車や電気自動車における希土類永久磁石モーターと発電機の設計とリサイクルのための欧州トレーニングネットワーク）^[50]は、車両に使用される電気モーターの持続可能な設計を検討しています。例えば、希土類金属をリサイクルするために磁石を簡単に取り外せる電気モーターを設計しています。

欧州連合の欧州研究会議は、主任研究員のトーマス・ゼンブ教授と共同主任研究員のジャン＝クリストフ・P・ガブリエル博士に、希土類元素のリサイクルのための新しいプロセスを見つけることを目的としたプロジェクト「有害物質の排出が少ない希土類元素のリサイクル：REE-CYCLE」の先端研究助成金を授与した。^[51]

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、そのような研究への資金提供を開始した。エネルギー高等研究計画局（ARPA-E）は、代替材料の開発を目的とした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る。2011年、ARPA-Eは希土類代替プロジェクトに3,160万ドルの資金を提供した。^[8]

• 循環型経済 - 廃棄物と排出物を最小限に抑える生産モデル
• ランタノイド – 三価金属希土類元素
• マグネットフィッシング – 屋外の水域で強磁性体を探す
• リサイクル – 廃棄物を新しい製品に変える

• Furlani Edward P. (2001)。「永久磁石と電気機械装置: 材料、分析、応用」。Academic Press 電磁気学シリーズ。ISBN 0-12-269951-3。 
• キャンベル・ピーター (1996)。「永久磁石材料とその応用」 (ケンブリッジ磁気研究)。ISBN 978-0-521-56688-9。 
• Brown, DN; B. Smith; BM Ma; P. Campbell (2004). 「希土類-鉄-ホウ化物磁石の磁気特性と熱間加工性の組成への依存性」(PDF) . IEEE Transactions on Magnetics . 40 (4): 2895–2897. Bibcode :2004ITM....40.2895B. doi :10.1109/TMAG.2004.832240. ISSN  0018-9464. S2CID  42516743. 2012-04-25 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。

• 永久磁石材料の標準規格（磁性材料工業会）
• エドワーズ、リン (2010 年 3 月 22 日)。「鉄窒素化合物が史上最強の磁石を形成」。PhysOrg。