デンソーなど、鉄とニッケルが規則配列したFeNi超格子磁石材料の高純度合成に成功

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NITE法で合成したFeNi超格子のSTEM-EDX像  (a)左図の結晶上面から原子像を観察した結果  (b)左図の結晶側面から原子像を観察した結果

デンソーを主体とする東北大学、筑波大学の産学連携グループは2017年10月18日、鉄とニッケルが原子レベルで規則配列したFeNi超格子磁石材料の高純度合成に世界で初めて成功したと発表した。NEDOの「次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」プロジェクトにおける成果だ。

自動車の電動化の進展に伴い、モーターの省エネルギー化はエネルギー需給戦略の上で重要な課題の1つとなっている。NEDOプロジェクトにおいては、高効率モーター用磁性材料技術研究組合(MagHEM)が、供給リスクの高い重希土類や希土類元素(レアアース)を用いない高性能磁石の開発に取り組んできている。高性能磁石材料のうち、1960年代に発見されたFeNi超格子は、レアアースフリーながらネオジム磁石に匹敵する磁力を持ち、磁力を失うキュリー温度が550℃以上と高いため、高温が想定される車載モーター用磁石として期待されている。

MagHEMの組合員であるデンソーが主体となった産学連携グループでは今回、新たに考案したNITE(Nitrogen Insertion and Topotactic Extraction)法という規則合金形成プロセスにより、FeNi超格子磁石材料の高純度合成に初めて成功した。

一般的に規則合金は、ランダム合金を熱処理し原子を拡散させて得られるが、FeNi超格子の場合、規則化するための熱処理温度が低く、規則化までには天文学的な時間を要する。これまで様々な手法が提案されてきたが、規則度、もしくは含有率が低いといった課題が残されていた。

今回のNITE法は、規則化した安定中間物を経由した規則合金形成プロセスで、まず原料であるFeNiランダム合金の粉末を窒化することで規則化したFeNi窒化物を合成する。その後、規則構造を壊さずに窒素原子を引き抜くトポタクティック脱窒素により、短時間で高い規則度のFeNi超格子を得ることができる。窒化はアンモニアガスとの反応、トポタクティック脱窒素は水素ガスとの反応によって行い、それぞれ非常にシンプルなプロセスとなっている。

NITE法によるFeNi超格子の合成スキーム

NITE法で得られた粉末試料の構造を解析した結果、FeとNiが原子レベルで規則的に配列していることが明らかになり、FeNi超格子の合成が確認された。また中間物のFeNi窒化物が単一相で得られていることからも、FeNi超格子も単一相で得られたと考えられるという。

NITE法は、ガスとの反応を用いたシンプルなプロセスであるため工業的な生産に適している。また、FeNi超格子を単一相で、磁石化に適した粉末形状で得ることができる。この成果により、高性能レアアースフリー磁石であるFeNi超格子磁石開発の加速が期待できる。今後、FeNi超格子磁石のモーター用永久磁石への適用を目指して、保磁力をさらに高めるための結晶方向の整列、粒子形状制御や成形法を検討していくという。

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