NdFeB 磁石の組成: 合金元素、グレード、およびそれらが性能に与える影響

NdFeB 磁石の組成を最初に確認する理由

調達エンジニアが同じ N42SH グレードのアーク磁石の 2 つの見積を受け取った場合、材料証明書の成分ラインが一致することはほとんどありません。ある NdFeB 磁石メーカーはより高いネオジム含有量を記載し、もう 1 社はより高いジスプロシウム含有量を記載しています。どちらの磁石も基本仕様を満たしていますが、160 °C での動作は同一ではありません。

したがって、モーターエンジニアや調達チームにとって、NdFeB磁石の組成は実験室の詳細ではありません。合金は、ローターが生成する磁束の量、高温での減磁に対する磁石の耐性、湿気の多い環境での腐食の速さ、完成したモーターの製造コストを決定します。現場で故障する磁石は、通常、その組成が検証されていない磁石です。

この記事では、市販のNdFeB焼結磁石の組成を元素ごとに説明します。ここでは、一般的な重量パーセント、各添加剤の機能、組成が N35、N42、N45SH、N52 などのグレードにどのように変換されるか、サプライヤーに卸売注文をする前に尋ねるべき質問について説明します。目標は、エンジニアとバイヤーに、モーターグレードの焼結磁石を指定、検証、調達するための実用的な参考資料を提供することです。

NdFeB磁石の組成とは何ですか?

NdFeB は、磁石の主な磁気相を形成する 3 つの元素であるネオジム、鉄、ホウ素を表します。この相は化学式 Nd2Fe14B を持ち、高い一軸結晶磁気異方性を持つ正方晶系の結晶構造を持っています。単位格子では、68 個の原子が正確なパターンで配置されています。16 個のネオジム原子、56 個の鉄原子、8 個のホウ素原子です。この原子配置により、磁石に極大のエネルギー積が与えられます。これが、NdFeB が市販されている永久磁石材料の中で最も強力である理由です。

紙の上では、純粋な Nd2Fe14B 結晶には重量で約 26.7% のネオジム、72.3% の鉄、および 1.0% のホウ素が含まれています。しかし、市販の NdFeB 磁石は、純粋な相だけから作られることはありません。メーカーはネオジムを意図的に 2 ～ 5 パーセント追加して、粒界にネオジムを多く含む薄い相を形成します。焼結中、この境界相は約 1030 ～ 1080℃ で融解し、各 Nd2Fe14B 粒子を濡らし、表面欠陥を除去し、隣接する粒子が磁気的に結合するのを防ぎます。この追加のネオジムがないと保磁力が崩壊し、磁石は磁化または消磁に使用される磁場に耐えられなくなります。

実際の結果は、市販の焼結合金には、化学量論が示唆するよりもわずかに多くのネオジムとわずかに少ない鉄が含まれており、ホウ素は非常に狭い範囲に保持されています。一般的な材料証明書には、ネオジムが 29.0 ～ 32.0%、鉄が 64.2 ～ 68.5%、ホウ素が 1.0 ～ 1.2% と記載されており、さらにこの記事の後半で検討する少量の添加剤のグループも含まれています。

組成物には、非常に低く保つ必要がある不純物、特に酸素と炭素も含まれています。一般的な焼結磁石では、酸素が 500 ppm 未満、炭素が 500 ppm 未満に保たれています。これは、両方の元素がネオジムと反応して有効な希土類含有量が減少するためです。これらの残留物を厳密に管理するメーカーは、より安定した保磁力とバッチ間の予期せぬ事態が少ない磁石を生産します。

主な元素: ネオジム、鉄、ホウ素

ネオジム: 異方性エンジン

ネオジムは、NdFeB 磁石を強力にする元素です。その 4f 電子殻は非常に高い結晶磁気異方性を生み出します。これは、電子スピン系が 1 つの結晶軸に沿って整列することを強く好むことを意味します。 Nd2Fe14B 格子では、その一軸異方性が固有保磁力、つまり磁石が減磁に耐えられる特性の源となります。市販の合金には、重量で 29 ～ 32% のネオジムが含まれており、純粋な相の化学量論レベルをわずかに上回っています。余剰のネオジムは Nd リッチ相として粒界に偏析し、焼結挙動を改善し、Nd2Fe14B 粒子の表面欠陥を修復します。

鉄: 磁束キャリア

鉄は磁石の磁束の大部分を占めます。 Nd2Fe14B 構造内の鉄原子は交換結合スピンモーメントの大部分を担っているため、鉄を除去して非磁性元素に置き換えると残留磁束密度が低下します。鉄は合金の中で最も安価な元素でもあり、鉄の含有率が高いため材料コストが低く抑えられます。ただし、鉄は無限に増やすことはできません。鉄を多量に使用して合金が冷却されると、軟磁性のα-Fe 析出物が形成され、硬磁性相が短絡し、保磁力が急激に低下します。これが、ホウ素がオプションではなく必須である理由です。

ホウ素: 相安定剤

ホウ素は重量で 1.0 ～ 1.2% しか存在しませんが、相構造全体を制御します。ホウ素は正方晶系 Nd2Fe14B 化合物を安定化します。それがないと、合金は Nd2Fe17 と α-Fe に分離します。どちらも軟磁性であり、永久磁石としては役に立ちません。ボロンウィンドウは意図的にきつめにされています。ホウ素が少なすぎると遊離鉄が残り、磁気的に柔らかい領域が形成されます。ホウ素が多すぎると、非磁性の Fe2B 相が形成され、磁束が薄まります。ホウ素の存在は、NdFeB 磁石が、以前の希土類磁石ファミリーで使用されていたサマリウムとコバルトを必要とせずに、たった 3 つの主元素で製造できる理由でもあります。

NdFeB の性能を向上させる添加元素

3 つの基本要素を超えて、すべての本格的な NdFeB サプライヤーは、保磁力、温度感度、耐食性、コストを微調整するために少数の添加剤を使用しています。割合は小さいですが、完成したモーター磁石に与える影響は不釣り合いに大きいです。

プラセオジム (Pr): 費用対効果の高い代替品

プラセオジムとネオジムはほとんどの希土類鉱石に共存しており、これら 2 つは Nd2Fe14B 格子内に連続固溶体を形成します。したがって、製造業者はプラセオジムを部分代替品として、通常は最大約 1.5% まで受け入れます。プラセオジムは異方性磁場をわずかに低下させますが、残留磁束密度の実質的な損失は無視できます。プラセオジムをネオジムから分離するには費用がかかるため、その主な価値はコストです。多くのサプライヤーは、証明書に「Pr Nd」の内容を個別に記載するのではなく、組み合わせて報告しています。

ジスプロシウム (Dy) およびテルビウム (Tb): 保磁力ブースター

ジスプロシウムは、高温 NdFeB グレードで使用される最も一般的な重希土類元素です。磁石の異方性磁界が増加し、固有保磁力が上昇し、最大動作温度が上昇します。ペナルティは残留磁気の低下であり、ジスプロシウムはネオジムよりも数倍高価であるため、経済的なペナルティはさらに大きくなります。テルビウムはパーセンテージポイント当たりの効果はさらに優れていますが、コストが高いため、極端な EH および AH グレード用に確保されており、通常は溶融物全体に添加するのではなく、粒界拡散によって適用されます。

コバルト (Co): 温度係数の改善

コバルトは部分的に鉄を置換し、合金のキュリー温度を約 310 °C から約 350 °C まで上昇させます。また、残留磁束密度の可逆温度係数も改善され、摂氏約 -0.12%/℃から -0.09%/℃へと変化します。周囲の大きな変動にさらされるモーターの磁石は、0.5 ～ 1.0% のコバルトでも恩恵を受けます。ただし、コバルトが過剰になると保磁力がわずかに低下し、コストが増加します。

アルミニウム、銅、ガリウム: 粒界化学

これらの元素は、Nd2Fe14B 粒子ではなく、Nd に富んだ粒界相に意図的に配置されています。これらは焼結中の液相の湿潤挙動を改善し、磁化反転をより効果的にブロックするより滑らかな境界を作成します。銅もより均一な腐食挙動に寄与し、ガリウムは驚くほど強力です。わずか 0.1% でも保磁力を著しく向上させることができます。そのため、単価が高くてもガリウムが存在するのです。

ニオブ (Nb) とジルコニウム (Zr): 粒径の制御

ニオブとジルコニウムは、焼結中の粒子の成長を抑制します。粒子サイズが細かくなると保磁力が向上し、減磁曲線の直角度が改善されます。これは、モーターが最悪の減磁場に近い状態で動作する場合に重要になります。粒子構造を微細に保つことで、メーカーはわずかに少ないジスプロシウムで目標保磁力を達成でき、コストと残留磁気損失の両方を削減できます。

組成からグレードまで: N35、N42、N52 の意味

焼結 NdFeB 磁石のグレード指定は、最小磁気特性セットの略称です。文字 N は通常の保磁力を表し、数字は MGOe の最大エネルギー積を指します。 N35 の残留磁気は通常 1170 ～ 1220 mT ですが、N52 は 1420 ～ 1470 mT に達します。 N35 から N52 へのジャンプは、基本組成を同じネオジム範囲に保ちながら、主に焼結密度を高め、磁場中での粒子配向を改善し、磁石内部の非磁性相を減らすことによって達成されます。

重希土類を介して組成が明らかになります。標準的な N グレードの磁石にはジスプロシウムはほとんど含まれません。購入者が H、SH、UH、または EH の温度機能を要求した瞬間、メーカーはジスプロシウムまたはテルビウムを添加するか、粒界拡散を使用する必要があります。この変化は残留磁束密度の数値では目に見えませんが、価格と高温での挙動では顕著に現れます。

温度文字は残留磁束密度によって決まりません。それらは、合金が提供できる固有保磁力によって決まります。より高い Hcj を達成するために、メーカーは合金の重希土類含有量を増やします。ジスプロシウムは、Nd2Fe14B 相の異方性磁場を増加させるため、この目的で最も広く使用されている元素です。以下のグラフは、同じ N35 残留磁化レベルに基づいて構築された温度グレードにわたる典型的なジスプロシウムの添加を示しています。

傾向は一貫しています。N から EH までの各ステップでは、実質的に大量のジスプロシウムの添加が必要です。 N35H 磁石には通常、重量で約 1.5% のジスプロシウムが含まれています。 N35SHグレードでは約3.0％、N35UHでは約4.5％、N35EHでは6.0％以上必要となります。正確な量は粒子サイズ、酸素レベル、およびサプライヤーが粒界拡散を使用するかどうかによって異なるため、これらは参考値です。ジスプロシウムはネオジムよりも数倍高価であるため、実際的な最初の結果はコストです。 2 番目の結果は、ジスプロシウムが主相の磁化を弱めるため、残留磁気損失です。ジスプロシウムの重量パーセントが追加されるごとに、添加なしの同じ合金と比較して、残留磁束密度は約 0.3 ～ 0.5% 低下します。

このトレードオフは、なぜ N45SH モーターの磁石が N45 磁石よりも残留磁気が少ないにもかかわらず、N45 を数秒で消去してしまうような減磁場に耐えられる理由を説明しています。超重質希土類はコストがかかり、磁束も減少するため、モーター設計者は安全のために最高の文字グレードを選択すべきではありません。現代のサプライヤーは粒界拡散を利用して磁化反転を阻止する正確な場所にジスプロシウムを配置することが増えており、同じ保磁力の場合に重希土類の消費量を 60 ～ 80% 削減します。 2 つのメーカーが同じグレードを見積もっても、異なる組成と異なる価格を提供できるのはこのためです。購入者は、保磁力が均一な合金の添加によるものなのか、粒界拡散によるものなのか、あるいはその両方の組み合わせによるものなのかを常に尋ねるべきです。その答えは、長期的な供給の安全性と将来のあらゆる見積りに影響します。

上記の最大動作温度は概算であり、パーミアンス係数は約 2 であると想定されています。薄いアーク セグメントでは、その形状により強い自己減磁場が生成されるため、同じ周囲温度でもより高い温度特性が必要になる場合があります。

温度安定性: 組成が熱の上限を設定する仕組み

永久磁石は温度が上昇すると磁束を失います。標準的な NdFeB 合金の残留磁気の可逆温度係数は摂氏 1 度あたり約 -0.11 ～ -0.12% であるため、150℃ では磁石は室温の磁束の約 15% を静かに失います。さらに危険なのは強制的な行為です。固有保磁力 Hcj は摂氏 1 度あたり約 -0.5 ～ -0.6% で低下します。これは、反対磁場に抵抗する磁石の能力が磁束よりもはるかに早く減衰することを意味します。

固有保磁力が、磁石が実際に使用中に見られる減磁場近くまで低下したときに、最大使用温度に達します。このため、表だけでグレードを選択することはできません。パーミアンス係数 1.0 の薄いフラット アーク磁石は、係数 3.0 の厚いブロックよりもはるかに強い自己減磁場を受けるため、同じ周囲温度ではより高い保磁力グレードが必要です。ステッカー温度のみを指針として 150 °C で動作する磁石は、設計ではなく信頼性のリスクです。

150 °C を超えるモーター用途では、組成に十分な量のジスプロシウムまたはテルビウムが含まれているか、粒界に重希土類が拡散されている必要があります。定期的に評価を行っております 温度変化がネオジムリング磁石の性能に与える影響 これは、環状の形状が内側のボアに特に強い消磁効果を及ぼすためです。合金にコバルトを添加すると、別の方法で効果が得られます。キュリー温度が上昇し、残留磁束密度の温度係数が緩和され、100 °C ～ 180 °C の間での磁束の低下が遅くなります。

焼結 NdFeB と結合 NdFeB: 2 つの組成ファミリー

これまで説明した組成は焼結 NdFeB 磁石について説明したもので、最高の磁束と最高の温度特性を備えているため、モーター ローターの標準となっています。焼結磁石は、密度 7.4 ～ 7.6 g/cm3 の完全に緻密な合金で、硬磁性の微細構造を発達させるために高温での液相焼結によって製造されます。

結合 NdFeB 磁石は別の種類です。それらはネオジム-鉄-ホウ素粉末から始まりますが、粉末は有機バインダー、通常は圧縮結合用のエポキシや射出成形用のナイロンと混合されます。結合剤はかなりの体積分率を占めます。圧縮成形された磁石には重量で約 3 ～ 5% の結合剤が含まれ、射出成形部品には最大 12% 以上の結合剤が含まれます。粉末自体の配合も異なります。焼結ステップがなく、緻密化のために境界相が必要ないため、結合粉末にはネオジムに富む粒界材料があまり含まれていません。ポリマーバインダーはすべての粒子を湿気から完全に隔離できないため、メーカーは、ベアパウダーの耐食性を向上させるためにコバルトをさらに追加し、場合によってはジルコニウムまたはニオブを追加します。

モーターシャフト、ローター、高効率ドライブでは、そのエネルギー密度がかけがえのないものであるため、焼結グレードが主流です。ボンド磁石は、非常に小型のブラシレス モーター、ポンプ、エンコーダー、および複雑なニアネット形状による低コストが磁束の低さを上回るその他のデバイスに使用されます。構成ロジックと適用制限が完全に異なるため、2 つのファミリーを学年番号だけで比較しないでください。

製造によって組成物が機能する磁石に変わる仕組み

合金組成は磁石をプレスする前に決定されますが、最終的な磁気特性はプロセス中に決定されます。一般的な焼結 NdFeB 生産ラインは、確立されたルートに従います。

1. 粗い樹枝状結晶の偏析を避けるために、溶融合金を薄いフレークに鋳造します。
2. 水素で剥離してフレークを脆くした後、ジェットミルで粒径約 3 ～ 5 ミクロンの微粉末にします。
3. 磁場中で粉末をプレスして、各粒子の磁化容易軸を揃えます。
4. 焼結前に等方圧プレスをかけてグリーン密度を高めます。
5. 真空またはアルゴン中で 1030 ～ 1080 °C で焼結し、ほぼ完全な密度に達します。
6. 480 ～ 650 °C で焼き戻しを行い、粒界相を最適化します。
7. 最終形状と公差に合わせて、スライス、研削、穴あけ、輪郭加工による精密機械加工を行います。
8. 合金を腐食から保護する表面コーティング。
9. 飽和まで磁化した後、磁束と寸法を検査します。

ステップごとに、効果的な構成がわずかに変化します。粉末の取り扱い中に酸素が取り込まれると、ネオジムの一部が酸化物に変化し、液相に寄与しなくなるため、取り扱いが不十分なメーカーは追加のレアアースで補わなければなりません。焼結温度は粒子サイズを制御し、粒子サイズは目標保磁力に到達するために必要なジスプロシウムの量を制御します。適切に実行されたプロセスでは、7.45 g/cm3 を超える焼結密度を達成できます。これは通常、理論上の最大値に近い残留磁気と相関します。

このため、購入者は名目上の構成ではなく測定データに依存する必要があります。信頼できる NdFeB の完全な技術データ シートには各グレードの磁気性能、寸法公差、表面コーティング、磁化方向を記載する必要があります。組成は、誘導結合プラズマ分析を使用したバッチ証明書によって最もよく確認されます。

腐食とコーティング: 実際の環境における合金の保護

焼結を可能にする同じネオジムに富んだ粒界相は、磁石の弱点でもあります。 Nd リッチ相は電気化学的に活性であり、湿気の多い環境や塩分環境では粒界に沿って優先的に腐食します。コーティングされていない NdFeB 磁石は、塩水噴霧室では数時間以内、屋外モーターでは数か月以内に表面構造を失う可能性があります。このため、ほぼすべての工業用 NdFeB 磁石は工場から出荷される前に表面処理を受けます。

コーティングの選択は、組成と塗布に影響を与えます。ニッケル - 銅 - ニッケルは、硬くて滑らかで、表面全体に均一な厚さを提供するため、モーター磁石の最も一般的なコーティングとなっています。亜鉛は犠牲的な保護と低コストを提供します。エポキシは、めっきの厚さの制御が難しい不規則な形状に適しています。油冷式トラクションモーターの場合は、冷却液との適合性テストを行った後、特殊樹脂または高品質ニッケルメッキが推奨されます。

コーティングの厚さによって全体の寸法が増加し、25 μm のニッケルをメッキした磁石は、全寸法にわたって 50 μm 増加します。精密モーターアセンブリでは、通常、しまりばめを避けるために、コーティングと最終寸法を 1 つの組み合わせ公差として指定します。コーティングが動作環境に適合しない場合、最適な NdFeB 磁石組成は早期に機能しなくなります。そのため、コーティングは後付けではなく、グレード仕様の一部である必要があります。

モーター用途に適した構成の選択

実際の選択は 5 つの質問から始まります。磁石の設置場所での連続最高温度は何度か、始動時または過負荷時にどのような減磁場が発生するか、ローターに必要な磁束密度はどれくらいか、腐食環境は何か、コスト目標は何か。これらの数値が分かれば、構成の決定は推測ではなく短いリストになります。

トラクション モーターまたはサーボ モーターの場合、ローター磁石は通常、半径方向に磁化された円弧セグメントです。この形状では、動作温度と過負荷電流が最小温度特性を定義し、エネルギー積が残留磁束密度を定義します。多くのモータービルダーは、サーボドライブには N38SH または N42SH を使用し、トラクションドライブのより重い熱サイクルには N38UH または N42EH を使用します。に関する研究 ネオジムアーク磁石がどのようにしてモーターの容積と重量を削減するのか より高性能の磁石を使用すると、キロワットあたりのコストを増加させることなくローター パッケージを縮小できることがわかります。私たちの 電気モーター用のカスタム アーク磁石 ラジアル壁を厳密に制御して生成され、エアギャップ磁束を直接安定させ、コギングトルクを低減します。

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電動パワーステアリング、小型ポンプ、補助ファンなど、シャフトが磁石を通過する必要がある場合には、リング磁石が自然な選択となります。環状断面により磁性材料の面積が減少するため、材種と穴の公差の両方が正確である必要があります。 焼結ネオジムリング磁石 内径と外径が研削され、保磁力が内孔の動作減磁場を超えるように組成が選択されます。

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標準の形状がローターの設計に適合しない場合、次のステップは形状のカスタマイズです。構成は標準グレードのままで、形状、コーティング、磁化方向はアセンブリに適合します。 カスタマイズされたNdFeB形状 皿ブロック、段付きシリンダー、台形、複数部品の磁石アセンブリが含まれており、すべて検証済みの同じ合金から製造されています。

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これら 2 つのシナリオ以外にも、モーターの磁石の仕様は一般的な構成タイプにグループ化できます。

• 高残留磁化タイプ
  N48/N50/N52 は、温度が 100 °C 未満にとどまる場合に最大限のコンパクト性を実現します。
• 高保磁力タイプ
  150 ～ 200 °C の消磁場用のジスプロシウムまたは拡散を含む SH/UH/EH グレード。
• Dy還元タイプ
  粒界拡散合金により、コストを削減し、安定した供給を実現します。
• コーティングタイプ
  Ni-Cu-Ni、亜鉛、エポキシ、それぞれの腐食環境に合わせた特殊樹脂。
• 特注形状タイプ
  円弧、リング、ブロック、皿穴、段付き形状は検証済みの合金から製造されます。

安価な磁石と適切な磁石の違いが形状であることはほとんどありません。構成と動作条件の一致です。本格的な NdFeB 磁石メーカーは、磁石の焼結後に合金を改良することができないため、グレードを推奨する前に全負荷プロファイルを尋ねます。

NdFeB 磁石の調達: コスト、供給、サプライヤーに関する質問

レアアース市場は安定とは程遠い。ネオジム、プラセオジム、特にジスプロシウムの価格は大きく変動しており、世界の焼結 NdFeB 生産の大部分は中国に集中しています。これは、購入者にとって、構成もサプライチェーンの決定であることを意味します。ジスプロシウムを 6% に固定した設計は、希土類の価格変動にさらされますが、粒界拡散またはより低いジスプロシウム含有量を使用する設計は、異なる、多くの場合より優れたコスト プロファイルを実現します。

最良の保護は透明性です。ご注文前に、各バッチの化学組成範囲、密度、磁気特性、コーティング仕様を記載した材料証明書をサプライヤーに依頼してください。可能であれば、ランダムサンプルの ICP 分析を使用して、独立した研究室で NdFeB 磁石の組成を検証してください。また、室温だけでなく実際の動作温度での減磁曲線もリクエストしてください。高温での曲線の直角度によって、組成と粒界がどの程度適切に設計されているかがわかるからです。

当社は寧波の NdFeB 磁石メーカーおよび卸売磁石サプライヤーであるため、組成のレビューは見積りプロセスの一部です。グレードを推奨する前に、使用温度範囲、予想される減磁界、腐食クラスを確認します。 OEM プロジェクトの場合、当社は各バッチに生産前サンプルと材料証明書を提供し、モーター設計のレビューに必要な技術データを提供して顧客をサポートします。

NdFeB磁石の組成に関するよくある質問

NdFeB 磁石の組成の要点

NdFeB 磁石の組成は、モーター設計者が重視するあらゆる特性の基礎となります。ネオジムは異方性を与え、鉄は磁束を与え、ホウ素は相を安定化し、少数の添加剤が合金を実際の動作条件に適応させます。構成とプロセスがそれに応じて設計されていれば、同じ基本システムで経済的な N35 ブロックと要求の厳しい N48UH モーター アークに対応できます。

調達の場合、要点は簡単です。温度グレードと消磁領域を指定し、材料証明書を要求し、重希土類含有量を確認し、合金を狭い帯域幅内に保持するプロセス規律を備えたメーカーを選択します。 10 年間の熱サイクルに耐える磁石は、モーター メーカーがこれまでに購入した中で最も安価な磁石です。最初のサンプルを注文する前に合金を理解することは、モーターのサプライチェーン全体で可能な最も低コストのリスク削減です。