| 研究課題/領域番号 |
17H06154
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
牧野 彰宏 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (30315642)
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| 研究分担者 |
北上 修 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (70250834)
小口 多美夫 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (90253054)
Sharma Parmanand 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 准教授 (80451623)
保田 英洋 大阪大学, 工学研究科, 教授 (60210259)
佐藤 和久 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 准教授 (70314424)
張 岩 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (80645135)
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| 研究期間 (年度) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| キーワード | 磁性 / ナノ結晶 / 磁石 / L10 / レア・アース / FeNi |
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| 研究実績の概要 |
Fe42Ni41.3Si8B4P4Cu0.7合金（Scientific report.)におけるL10-FeNi相の化学的規則度0.8、その体積分率8%、Hcmax700Ｏｅをスタート組成とし、より系統的に種々の合金組成を検討した。上記合金は6元系であり各元素の役割が複雑となっていて解り難いことからまず等比量のFe、Niにアモルファス形成元素であるBやPを加えシンプルな3元系からスタートし次いで、C、Si、Mn、Cr、V、Cu、Co、Ti、Zr、Nbなどの第4元素を添加して合金探査を展開しL10-FeNi相の体積分率向上大きいHcを実現する指導原理を見出す事を目指した。90を超える合金探査の結果アモルファス相が形成された大方の合金においてその結晶化により軟磁性から硬磁性への変化(保磁力の増加)が見られ、L10-FeNi相の形成が推察された。これはアモルファス合金の結晶化によるL10-FeNi相の形成は上記スタート合金組成に限った現象ではなく非常に一般的に起こる現象であると判明した。定性的にL10相形成の容易さ、高い体積分率、高いHcを実現するには個々の構成元素種よりアモルファス相の結晶化温度が低いことが重要なファクターであることを見出し今後の合金組成探査の大きな指導原理を得た。隕石中のL10-FeNi相に対する400℃未満のFe-Niの二元状態図は電子顕微鏡法を用いて実験的に決定されFeNiの規則-不規則温度は約320℃であり上述内容と符合する。アモルファス相形成と可能な限り低い結晶化温度（～320℃）の両立には多元系の複雑な合金探査が必須となり非常に高いハードルを越える必要がある。
合金探査で得られた薄帯のTEM観察の結果、平均粒径20～30nmの均一なナノ結晶から構成されEDS分析によりFeリッチ相、Niリッチ相そしてFeNi相が観察された。L10相の体積分率の向上には少なくともFeNi相の体積分率を増大することが必要と推察される。上述の低い結晶化温度と合わせてこの相分離を抑制しFeNi相を主相とする合金設計、熱処理法の開発が次の課題である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成30年度における90を超える組成の合金探査において、現時点で結晶化温度が低い合金組成における硬磁気特性は、面内で約620Ｏｅ、面外で約735Ｏｅ、そして最大保磁力Hcmaxは約1200Ｏｅとなり、スタート組成Fe42Ni41.3Si8B4P4Cu0.7合金の最大保磁力Hcmax 700Ｏｅに対し磁気特性を向上させた。
現状得られるサンプルは、コンポジットスプリング磁石に類似しており、その磁気的挙動が類似するとされているL10-FePtコンポジットスプリング磁石の実験結果及び論文から、硬磁性/軟磁性二重相系における軟磁性相の体積に保磁力が依存（軟磁性相の体積が増加すると保磁力が低下する）することから、硬磁性であるL10-FeNi相のみに起因する保磁力は、実測値よりさらに大きい値を示すと考察できる。また、マイクロマグネティックシミュレーションにより、L10 -FeNi粒子（Ku～1.3 x 10＾7 erg / cｍ3）がランダムに配向し、交換結合した薄帯形状（サイズ1000 x 1000 x 20 nm3、2D周期境界条件）の理想条件におけるL10-FeNi相の磁気ヒステリシス曲線を計算した結果、面内と面外ヒステリシス曲線は近似し、最大保磁力Hcmaxは約8700Ｏｅ、磁化困難軸は面内となった。実際のサンプルにおいて結晶粒の磁化容易軸がすべて一方向に揃うことは無いので、磁化容易軸のずれを平均10度と仮定し再計算した結果、最大保磁力Hcmaxは約6600Ｏｅと見積もれる。上記、合金組成探査により得られたサンプルの最大保磁力Hcmax約1200Ｏｅとの差は、合金組成探査の指導原理に従い最適組成を見出し、硬磁性であるL10-FeNi相の体積分率を更に向上させることで改善が見込まれる。
人工的L10-FeNi相の基礎物性調査として、平成30年度に導入した面内・極 磁区観察装置による観察や熱減磁による初期磁化曲線の解析から、硬磁性相の磁化反転磁場を増大させる重要な因子である磁壁のピン止めに関する研究を実施している。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究期間の３年目の平成31(2019)年度は、前２年間の基礎研究成果を中間的に総括するとともに、後半２年の工業化への課題の抽出、その解決法構築の準備に着手する。
この2年間で明確になった課題、すなわち低い結晶化温度の実現、結晶化時のFe,Niの分離の抑制、の課題解決に集中した研究を進める。前者については、SがFe基アモルファス合金の結晶化温度を著しく下げることが直近の実験で確認されており、この知見をもとに合金探査を行う。
さらに、2つの課題に関連し、前駆体としてのアモルファス相そのものの構造的変化を人為的に生じさせ、これによる結晶化組織の変化を系統的に調査する。直近の結果では、同じ組成の液体急冷アモルファス合金において結晶化温度が約50℃低下することを見出している。合金組成の探査だけでは320℃という極端に低い結晶化温度の実現は非常に難しいと考えられるが、この手法を合わせることにより実現して行く。高いL10相の体積分率が得られたならば、アモルファス合金からのナノ結晶化プロセスにおいて、より詳細に、いずれの段階で、材料中のどの場所で、どのようなメカニズムでL10-FeNi相が生成されるかを明らかにすることが可能となり、より一層、人為的な組織制御が可能となる。
上述の合金探査による合金組成の最適化、結晶化プロセスの制御と並行し、研究開発をとおして得られた化学的規則度の高いL10-FeNi相の磁気異方性エネルギー、飽和磁化の磁気特性を詳細に測定すると共に、高温環境での実使用を想定し、その課題を明らかにすることを目的として、平成29年度に導入した振動試料型磁力計へ低温測定用電気炉（-196℃～400℃）を付加し、可変温度環境下でL10-FeNi規則相の磁化測定を実施する。
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