Sm$2$Co${17}$型二元および三元Sm-Co-Zr磁石におけるセルラー/ラメラナノ構造の形成

核心概念

Zr添加と2:17相双晶がSmCo磁石のセルラー/ラメラナノ構造形成に重要な役割を果たすが、高い保磁力を得るにはナノスケールの化学的勾配が不可欠である。

摘要

SmCo7.7-xZrx単結晶粒におけるセルラー/ラメラナノ構造形成におけるZrと双晶の役割

本論文は、時効処理したSmCo7.7およびSmCo7.6Zr0.1単結晶粒の磁気特性と微細構造を、メソスケールからナノスケールまで分析したものである。

Zr無添加(SmCo7.7)の場合

• Zr無添加の場合、必要なセルラー/ラメラナノ構造が形成されず、メソスケールでの相分離が起こる。
• 1180℃での均質化処理中にZrが存在しないため、高温相が安定化せず、急冷前に合金が分解してしまうと考えられる。

Zr添加(SmCo7.6Zr0.1)の場合

• Zr添加により準安定な2:17H相が可能となり、急冷前に合金の均質性が確保される。
• 1 at.%を超えるZrを含む領域(Zrリッチ)では、歪んだセルと不連続で薄いZプレートレットを持つセルラー/ラメラナノ構造が形成される。
• 1 at.%未満のZr(Zrプア)では、発達したセルラー/ラメラナノ構造は形成されない。
• SmCo系合金におけるナノ構造形成のZr閾値が1 at.%であることは、これまで報告されていない知見である。
• Zr量と均質化処理時間を最適化することで、Zrプア領域をなくし、試料全体にわたって最適なナノ構造を促進できる可能性がある。

Zrプア領域における双晶の役割

• Zrプア領域は2:17双晶に富んでおり、これは五元系Sm-Zr-Co-Cu-Fe磁石の熱処理プロセスにおけるラメラ[1,4,45]およびセルラー[29]ナノ構造形成を助けることが示唆されている。
• 双晶は磁性系によく見られるものであり[46–48]、炭素鋼と同様に、急冷応力によって誘起される可能性がある[49]。
• Wuら[29]が示唆するように、2:17R微細双晶の移動によって初期段階のセルラーナノ構造形成が促進され、逆位相境界が形成される。
• 逆位相境界は、1:5セル境界相の核生成サイトとなるとともに、この相へのCu/Fe元素偏析の核生成サイトとしても機能する。
• Zrプア領域に観察された、断面積が小さく厚さが4〜100 nmの1:5相の存在は、熱処理の初期段階にあるSm-Zr-Co-Cu-Fe磁石[18,19]と同様に、このような初期段階のセルラーナノ構造を示唆している。
• この未発達な構造は、局所的なZr不足に起因する可能性が高く、APTで明らかになった4 nm厚さの初期段階の1:5相は、逆位相境界を表している可能性がある。
• この知見は、2:17R双晶がセルラーナノ構造形成を助けるというさらなる証拠となる。

保磁力への影響

• SmCo7.7では発達したナノ構造が存在しないため、SmCo7.6Zr0.1では試料体積の50%以上にセルラー/ラメラナノ構造が存在するにもかかわらず、どちらの合金もほぼゼロに近い保磁力を示す。
• SmCo7.6Zr0.1では、1:5/2:17R相境界におけるSm、Co、Zrの勾配が小さく、1:5相自体に勾配がないため、ドメイン壁エネルギー勾配が最小限に抑えられ、保磁力がほぼゼロになる。これは、これらの合金について以前の研究[2,16]で提唱された通りである。
• APTにより、SmCo7.7-xZrxのこれらの小さな勾配が定量的に確認され、SmCo磁石においてナノ構造だけでは高い保磁力が保証されないことが強調された。

結論

本研究は、SmCo磁石におけるセルラー/ラメラナノ構造形成を促進する上で、Zrと2:17双晶が重要な役割を果たすことを強調するとともに、高い保磁力を得るためにはナノスケールの化学的勾配が重要であることを明らかにした。

統計資料

SmCo7.7の保磁力は約10 mT。
SmCo7.6Zr0.1の保磁力は約20 mT。
ナノ構造形成には約1 at.%のZrが必要。
1:5/2:17R相境界におけるSm、Co、Zrの元素勾配は、それぞれ2.3 at.%⋅nm-1、2.4 at.%⋅nm-1、0.3 at.%⋅nm-1。
五元系Sm-Co-Fe-Cu-Zr磁石のCuの元素勾配は6〜18 at.%⋅nm-1。

引述

「ナノ構造だけではSmCo磁石の高い保磁力は保証されない。」
「Zr添加により準安定な2:17H相が可能となり、急冷前に合金の均質性が確保される。」
「SmCo系合金におけるナノ構造形成のZr閾値が1 at.%であることは、これまで報告されていない知見である。」

從以下內容提煉的關鍵洞見

Formation of cellular/lamellar nanostructure in Sm$_2$Co$_{17}$-type binary and ternary Sm-Co-Zr magnets

by Niki... 於 arxiv.org 10-16-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.11274.pdf

深入探究

本研究で得られた知見は、他の希土類磁石の開発にも応用できるのだろうか？

本研究で得られた知見は、他のSmCo系磁石だけでなく、Nd-Fe-B系磁石など、他の希土類磁石の開発にも応用できる可能性があります。具体的には、以下の3点が挙げられます。

Zr添加によるナノ構造制御: 本研究では、Zrの添加量が1 at.%以上でセルラー/ラメラナノ構造が形成されることが明らかになりました。この知見は、他の希土類磁石においても、Zrの添加量を調整することで、磁気特性に影響を与えるナノ構造を制御できる可能性を示唆しています。Zrは、Nd-Fe-B系磁石においても粒界相の形成促進や粒成長抑制効果などが報告されており、ナノ構造制御に有効な元素であると考えられます。
双晶境界を利用したナノ構造形成: 本研究では、Zrプア領域に存在する2:17相の双晶境界が、1:5相の核生成サイトとして働き、セルラーナノ構造形成を促進する可能性が示唆されました。この知見は、他の希土類磁石においても、双晶境界を積極的に利用することで、微細なナノ構造を形成できる可能性を示唆しています。
ナノスケール組成勾配の重要性: 本研究では、セルラーナノ構造が形成されていても、1:5/2:17R相界面における元素の組成勾配が小さい場合には、保磁力が低いことが明らかになりました。この知見は、他の希土類磁石においても、高い保磁力を得るためには、ナノスケールでの組成制御が重要であることを示唆しています。

これらの知見を応用することで、他の希土類磁石の微細構造制御技術の開発が促進され、磁気特性の向上につながることが期待されます。

Cuを添加すると、Zrプア領域の形成を抑制できるのだろうか？

Cuを添加することでZrプア領域の形成を抑制できる可能性は低いと考えられます。本研究で示唆されたZrプア領域の形成は、主にZrの偏析、すなわち濃度ムラが原因です。Cuの添加は1:5相への固溶によって保磁力機構に寄与しますが、Zrの均一な分布を促進する効果は期待できません。
Zrプア領域の形成を抑制するには、合金の溶製工程や熱処理工程の最適化が必要です。例えば、

溶製時の攪拌を強化することで、Zrの均一な分布を促進する。
熱処理の温度や時間を調整することで、Zrの拡散を促進し、偏析を抑制する。
などが考えられます。

磁気特性をさらに向上させるためには、どのようなナノ構造制御が可能だろうか？

磁気特性、特に保磁力をさらに向上させるためには、以下のナノ構造制御が考えられます。

セルサイズの微細化と均一化: セルサイズを小さく、かつ均一に分布させることで、磁壁移動を抑制し、保磁力を向上させることができます。これは、熱処理条件の最適化や、結晶粒径の微細化によって実現できる可能性があります。
1:5相の組成制御: 1:5相にCuなどの元素を添加することで、2:17相との界面における組成勾配を大きくし、磁壁エネルギー差を増加させることで、保磁力を向上させることができます。
Z相の形態制御: Z相を連続的に、かつ微細に分散させることで、磁壁移動を効果的に抑制し、保磁力を向上させることができます。これは、熱処理条件の最適化によって実現できる可能性があります。
双晶密度の制御: 双晶境界はセルラーナノ構造形成を促進する一方で、磁壁移動を容易にする可能性も示唆されています。最適な双晶密度を達成するように、熱処理条件や合金組成を調整する必要があります。

これらのナノ構造制御を実現するためには、原子レベルでの構造解析や計算科学シミュレーションなどを駆使し、元素添加や熱処理がナノ構造に与える影響を詳細に調べる必要があります。