成果報告書詳細
管理番号20110000001534
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 希少金属代替材料開発プロジェクト NdーFeーB系磁石を代替する新規永久磁石の研究
公開日2011/12/13
報告書年度2009 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学 国立大学法人京都大学 学校法人千葉工業大学 学校法人加計学園倉敷芸術科学大学 独立行政法人物質・材料研究機構 戸田工業株式会社 帝人株式会社 トヨタ自動車株式会社
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約(1)窒化鉄系材料の合成とその基礎特性. ・間接合成法では、独自に構築した鉄化合物原料合成技術と熱処理の技術の融合により、グラムスケールで生成率80%を超える高純度のα”-Fe16N2ナノ粒子粉末の合成に成功した。これにより、本研究開発で掲げた当初目標値(80%以上)を達成した。(2)R-Fe-N磁石の高性能化に向けた要素技術開発. ・原料粉の微粉化は保磁力増加に効果がある。SFN粉末を0.53 mまで微粉化することにより、保磁力が0.91 MA/m (11.4 kOe)から1.27 MA/m (16.0 kOe)まで増加した。・Znを5 wt%添加し450 ℃で熱処理した等方性ボンド磁石において、保磁力1.6MA/m(20kOe)を超える保磁力が得られ、目標をクリアした。・SmFeN粉末と金属ガラス粉末を主とする金属バインダーとの混合粉末を、系統的にSPS法で圧縮成形を行った結果、Hc=7kOe, (BH)max=3.8(MGOe)の特性を得ることが出来た。・複合場焼結技術を高度化し,難焼結粉末であるSm-Fe-N磁石粉末への適用を行った.その結果,焼結密度90%以上,最大エネルギー積(BH)maxで16.1MGOeを有する等方性磁石を作製することができた.・冷間圧縮せん断法により作製した
等方性のSm-Fe-N磁石の最大エネルギー積は8MGOe程度であったが、異方性のSm-Fe-N磁石は最大エネルギー積で20MGOe以上の高性能なSm-Fe-N磁石であることわかった。・超高圧雰囲気下でR-Fe系化合物およびFe-X系の合成を行ない、新規化合物の探索行った結果、Nd-Fe系においては、NdFe2高圧相がほぼ単相で得られた。また、Fe-Sn系において新規化合物の合成に成功した。(3)新規磁石材料の高特性化に向けた指導原理獲得. ・第一原理計算から、ある金属元素M1あるいはM2で一部のFeサイトを置換したFe12M4N2材料では、Fe-III(4d)サイトをM1,2で置換することによりα-Feに匹敵する飽和磁気モーメントを維持しつつ、磁気異方性エネルギーが正の値を示し、永久磁石材料としてのポテンシャルを有していることが分かった。・Sm2Fe17Nx粉をメカニカルミリングと窒化により試作し、それを磁場中配向させスパークプラズマ焼結(SPS)法を用いて低温焼結を行い、Znとの混合量、SPS法のプロセス条件最適化によって、バルク材で約24kOeという高保磁力を達成した。詳細な組織解析の結果、結晶粒表面近傍に、Sm、Znの濃化とZnリッチ粒界相の形成が観察され、保磁力向上との関連が示唆された。・合成したα”-Fe16N2ナノ粒子粉末に対し、透過型電子顕微鏡観察およびEDS、電子線回折を用いて詳細に分析した結果、α”-Fe16N2ナノ粒子は単結晶α”-Fe16N2コアの周囲に酸化鉄(Fe3O4)シェルの複合構造となっていることが分かった。(4)モータ評価・解析.・市場より入手した主駆動モータを基準として,これをFe-N系磁石に置き換えた場合の特性をFEMにより算定した。その結果、高配向かつ高充填の理想的なFe-N系磁石を適用することで、トルクは40%程度向上することが分かった。・モータ構造の最適構造を検討した結果、両構造において磁石の不可逆減磁を抑制する最適な構造があることを見出した。特に、Fe-N系磁石の場合は,分布巻で埋込磁石構造とした方が,トルクおよび減磁耐力の面で有利であることが明らかになった。
英文要約(i) Direct/indirect synthesis of Fe-N nanoparticles (NPs) with single phase. - alpha-double-prime Fe16N2 NPs were partially obtained by an uniquely developed direct synthesis method. - Home-made precursors and uniquely modified annealing process has demonstrated 230 emu/g of saturation magnetization for high purity as high as 80% alpha-double-prime Fe16N2 NPs with gram-scale by optimizing gas type, gas flow rate, annealing temperature annealing time and sample weight. (ii) Basic technology for high performance R-Fe-N magnets. - For a Sm-Fe-N metal bond magnet, Zn or Zn-Ga additives could play a role of a binder with low melting point, resulting in higher coercivity than that without the additives. And, for Sm-Fe-N with 5% of Zn additives, over 20 kOe of coercivity could be achieved without less magnetization by reducing the average size of the magnet powder. - Furthermore, our developed sintering process under complex fields such as mechanical force, electromagnetic fields and so on was applied to Sm-Fe-N magnet powder, succeeding in fabrication of the isotropic sintered Sm-Fe-N magnet with 90 % up of sintering density and 16.1 MGOe of maximum energy product. - By applying our uniquely developed compression shearing method, 8 MGOe of maximum energy product was obtained for isotropic Sm-Fe-N magnet and over 20 MGOe for anisotropic Sm-Fe-N magnet. - Our uniquely developed ultra-high pressure process could synthesize Fe-Sn alloy with new magnetic phase and also synthesize NdFe2 with single phase stable under atmospheric pressure condition, which was usually realized under high pressure condition. (iii) Guiding principle for new magnetic materials. - Based on the first principle calculation, substitution effect of third element into alpha-double-prime Fe16N2 material on magnetic properties has revealed a remarkable enhancement of the magneto-crystalline anisotropy energy with minimal decrease in saturation magnetization. - Using Sm-Fe-N magnet powder synthesized by mechanical milling under nitriding condition, low-temperature sintered Sm-Fe-N magnet fabricated by SPS method could realize high coercivity of 24 kOe by optimizing the amount of Zn additives and SPS conditions. From the detailed SEM-EDS and atom-probe analysises, formation of densed Sm and Zn and/or Zn-rich phase could correlate with such high coercivity of Sm-Fe-N magnet. - From TEM observation, EDS and ED analysises, synthesized alpha-double-prime Fe16N2 nanoparticle consists of single crystalline alpha-double-prime Fe16N2 core and oxide (Fe3O4) shell structure. (iv) Characterization and analysis of motor application. - Our uniquely developed finite element method (FEM) analysis has suggested 40 % powerful torque of main drive motor by applying new Fe-N based magnet instead of conventional Nd-Fe-B permanent magnet. - Optimized wire-wound and rotator structures inside the motor equipping with the new Fe-N based magnet had advantages of torque and demagnetization properties.
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