窒化鉄: レアアース元素を含まない強力な磁石

比較的最近商業シーンに登場して以来、希土類磁石は一般の人々の想像力に大きな影響を与えてきました。 これらの小さくて輝く物体に詰め込まれた磁気エネルギーの量は、携帯電話の振動モーターやイヤホンや補聴器の小さなスピーカーのように、それらが登場する前には不可能だった技術的飛躍をもたらしました。 そして、電気自動車のモーターや風力タービンの発電機はもちろんのこと、数え切れないほどの医療、軍事、科学用途にも使用されています。

ただし、これらの進歩には代償が伴う。なぜなら、それらを作るのに必要なレアアース元素の入手が難しくなっているからだ。 ネオジムのような希土類元素が地質学的にそれほど珍しいわけではありません。 むしろ、鉱床は不均一に分布しているため、金属が終わりのない地政学的なチェスの駒になりやすいのです。 さらに、環境への配慮がますます高まっている時代において、鉱石からそれらを抽出することは困難な作業です。

幸いなことに、磁石を作る方法は複数あり、希土類金属を使用せずにネオジム磁石と同じくらい強力な永久磁石を作ることが間もなく可能になるかもしれません。 実際、それらを作るために必要なのは、鉄と窒素、そして結晶構造の理解と工学的な工夫だけです。

まず、永久磁石とは何でしょうか? 自然に関する多くの単純な質問と同様、かなりの量の手を振る必要がない簡単な答えはありません。 物理学者でさえ、最終的には「分からない」という答えに行き着くのです。 しかし、それは磁気が完全な謎であるという意味ではなく、磁気について私たちが知っていることは非常に単純で、実際に希土類磁石とその代替磁石の両方がどのように機能するかを理解するのに役立ちます。

これまでに磁気の基礎について少し触れてきましたが、要約すると、電子のような荷電粒子には固有磁気モーメントと呼ばれるものがあり、小さな磁石のように機能します。 満たされた電子殻を持つ原子では、電子の各対が反対方向を指すモーメントを持つため、これらの磁気モーメントは互いに打ち消し合います。 しかし、外殻に不対電子を持つ原子では、磁気モーメントを打ち消すものは何もありません。つまり、これらの元素は磁性を持っています。 これらの元素は、周期表の 2 つの特定の領域に由来する傾向があります。コバルト、ニッケル、鉄などの d ブロック金属と、サマリウム、ネオジム、プラセオジムなどの希土類金属を含む f ブロック アクチニド ランタニドです。

ただし、磁石には、その成分が周期表上のどこから来たかだけではありません。 磁気とは、すべての固有の磁気モーメントを並べて同じ方向に作用させることです。 磁性元素の原子内の電子が互いに争ってはいけないのと同じように、原子も磁気モーメントがすべて同じ方向を向くように配置する必要があります。 これを磁気異方性が高いといい、強い磁石の特徴の一つです。 ネオジムなどの希土類金属は非常に高い磁気異方性を持っており、これが希土類磁石の強度に貢献します。

しかし、希土類金属自体は、少なくとも実用レベルでは、実際にはかなり貧弱な磁石を作ります。 これは、物質が磁気特性を失う温度であるキュリー点が比較的低いためです。 室温では、純粋なネオジム棒はまったく磁石になりません。 実際、磁気特性を得るには 20 K 以下に冷却する必要があります。 これを回避するために、希土類金属を他の強磁性元素と混合して、高い保磁力を持ちながら適切なキュリー点を持つ合金を形成します。 最も一般的な希土類磁石合金は、鉄、ネオジム、ホウ素を組み合わせたもので、元素の正確な混合に応じて 300 ～ 400°C の範囲のキュリー温度を持ちます。

磁性のウサギの穴をさらに深く進むには、結晶学の概念に慣れる必要があります。 これは恐ろしく複雑な主題であり、命名法や専門用語が標準的な化学式表記と同じであるように見えて混乱を招くものですが、明らかに違います。 鉄にネオジムを加えると強力な永久磁石がどのようにして作られるのか、そしてレアアースを使用せずに強力な磁石を作ることがどのように可能なのかを完全に理解するには、ここで説明するスペース以上に結晶学をさらに深く掘り下げる必要があります。 幸いなことに、基本的なことと少し手を振るだけで十分です。 そして、ここで私がこれらの難しいトピックについて理解できるように協力してくれた友人のザカリー・トンの功績を称えたいと思います。

物質の結晶構造は、その原子がどのように集まって規則正しい配置になるかによって決まります。 結晶の構成要素は単位胞と呼ばれ、結晶の可能な最小の繰り返し単位です。 ネオジム磁石の場合、単位胞式は Nd2Fe14B です。 これは、2 個のネオジム原子と 14 個の鉄よりはるかに多くの結晶構造の図を見ると混乱を招きます。 しかし、ここで重要なことは、Nd2Fe14B の単位胞の形状が単純正方晶 (ST) として知られているものであるということです。これはピラミッドであるべきように聞こえますが、実際には 1 つの軸に沿って引き伸ばされた立方体です。 この軸の非対称性により、各結晶に高度の磁気異方性が与えられます。これがネオジム磁石が非常に強力である理由の 1 つです。 もう 1 つの要因は、ネオジムが普通の鉄だけの場合と比較して合金内の不対電子の数を増やし、全体的な磁気モーメントを強くすることです。

これらすべてを念頭に置いた上で、鉄に窒素を添加すると、どのようにして希土類磁石に匹敵する特性を持つ磁石ができるのでしょうか? 繰り返しますが、これは部分的には結晶構造に関係し、部分的には合金内の元素の電子構造に関係します。 鉄は通常、8 つの鉄原子が完全な立方体の角の中心にあり、1 つの原子が中心にある体心立方晶 (BCC)、または原子が 1 つある面心立方晶 (FCC) の単位胞を持っています。各コーナーと各面の中央に 1 つずつあります。 しかし、窒素が鉄と合金化されると、立方体の単位胞構造が体心正方晶 (BCT) 構造として知られる構造に歪みます。 何が起こるかというと、窒素原子が結晶の隙間に取り込まれ、片側が長くなります。 この非対称性は、ネオジム磁石の正方晶系の結晶構造に似ています。 鉄の強磁性特性と組み合わせることで、希土類金属を必要とせずに強力に磁化可能な合金が得られます。

窒化鉄は新しいものではありません。 加熱した鋼をアンモニアにさらすガス窒化などの窒化プロセスは、1 世紀以上にわたって鋼の仕上げに使用されてきました。 より複雑な窒化鉄 α"-Fe16N2 は 1951 年に初めて発見されました。その磁気特性は 1970 年代初期に調査され、ハード ドライブやその他の磁気記録媒体用の新しく優れたヘッドの探索の一環として 1990 年代に再び調査されました。

この合金は磁性において有望であることを示しましたが、結果を簡単に再現できないため、研究が非常に困難であることが判明したため、α"-Fe16N2 への関心は、この材料の薄膜を製造する方法が開発された 2000 年代後半まで下火になりました。これらの実験は、次のことを示しました。これらの膜は、磁石の強度を決定する上で重要な測定値である磁気エネルギー積がネオジム磁石よりも 2 ～ 3 倍ある可能性があり、これまでに発見されている他のすべての特性と合わせて、窒化鉄は新しい種類の優れた候補となっています。希土類元素を含まない磁石です。

ほとんどの科学的発見では、研究室から実際の商品化までには長い道のりがあり、これは窒化鉄磁性体にも当てはまります。 窒化鉄永久磁石の最近の進歩の多くは、ミネソタ大学電気コンピュータ工学科の Jian-Ping Wang の研究室から生まれました。 そこでは、α"-Fe16N2 バルク材料を合成するための 4 つの異なる方法が開発されており、そのうちのいくつかは産業環境である程度の有望性を示しています。

α"-Fe16N2 を製造する初期の方法では、窒化サンプルを急速に急冷する高温プロセスが必要でしたが、これでは工業生産へのスケールアップには適していません。これを回避する最初の試みの 1 つはイオンの使用でした。イオンを強力な電場によって真空中で加速し、ターゲット基板に叩きつけるこの技術は、半導体製造において一般的であり、シリコンウェーハにドープするために使用されます。窒化鉄磁石を製造するには、純鉄箔 500厚さ nm のシリコン基板上にマウントされ、原子状窒素イオンを衝突させます。その後、注入された窒素を活性化し、材料に熱ひずみを生成する一連のアニーリング ステップが続き、ホイルの結晶構造内に窒素をトラップします。このようにして作られたα"-Fe16N2箔は硬磁性の挙動を示し、箔を層状に積み重ねて一体化することで実用的な磁石を作ることができる。

酸化鉄ナノ粒子を出発原料として低温窒化も可能です。 この方法では、粒子をアンモニアガスで処理して結晶構造に窒素を取り込みます。 あるいは、酸化鉄を遊星ボールミルで硝酸アンモニウムと混合することもできます。 600 rpm で数日間粉砕すると、ステンレス鋼のボールが硝酸アンモニウムを元素窒素に分解し、窒素元素が鉄ナノ粒子に拡散します。 得られたα"-Fe16N2 は磁石で分離され、固体の形状に成形することができます。この方法は工業プロセスへのスケールアップが容易と思われます。

鉄箔や線材の高温窒化も可能です。 この方法では、鉄-銅-ホウ素合金のリボンを使用し、アンモニアと水素の雰囲気に 550°C で 28 時間さらし、その後 700°C で急速処理し、氷水で急冷します。 この方法のバリエーションとして、高純度の鉄を尿素を含むるつぼ内で溶解する歪みワイヤ法があります。 尿素から分解した窒素は鉄の中に拡散し、混合物は熱処理と焼入れのステップを経てから、ハンマーで平らに叩かれて細片に切断されます。 ストリップは歪み装置に入れられ、アニーリングステップ中に引き伸ばされます。これにより、結晶構造が引き伸ばされ、拡散した窒素が捕捉されます。

窒化鉄が役立つ可能性があるのは強力な永久磁石だけではありません。 保磁力の低い材料である軟磁性材料は、トランスやインダクターのコア、磁気メディアの読み書きヘッドなどに適していますが、α"-Fe16N2 に炭素、酸素、これらのドーパントは結晶構造の磁気異方性を減少させ、高い飽和磁化を維持しながら永久磁化することを困難にします。

いわゆる「クリーンアース」磁石には多くの期待があり、そのコンセプトとプロセスを製品化するためにミネソタ大学が Niron Magnetics という会社を分離したほどです。 私たちはこの技術がどのような方向に進むのかに注目しており、錆と肥料だけで作られた強力な磁石を楽しみにしています。