キュリー転移から融解まで：NdFeB材料の特性評価
1. はじめに
ネオジム・鉄・ホウ素（NdFeB）磁石は、最も強力な永久磁石の一つであり、自動車、エネルギー、エレクトロニクス分野の電動機、発電機、センサー、アクチュエータ、および先端部品に広く使用されています[1]。その性能は熱安定性や高温下で生じる相転移と密接に関連しているため、材料開発、品質保証、およびプロセスの最適化には、信頼性の高い熱特性評価が不可欠です。
同時熱分析（STA）の大きな利点は、同一条件下で熱重量分析（TGA）と示差走査熱量測定（DSC）を1回の実験で組み合わせられることです。これにより、質量変化と熱的影響を直接比較・評価できます。NdFeB磁石粉末のような複雑な材料では、融解、相転移、分解現象、酸化に関連する影響などを区別するうえで特に有用です。
産業用途では、材料評価の迅速化と信頼性の向上、データ解釈における不確実性の低減、さらに用途に応じた適格性評価の確かな根拠につながります。
2. 実験方法
NdFeB試料は、NETZSCH STA Jupiter®シリーズを用いて分析しました。測定データにはベースライン補正を適用し、温度および熱流の校正を行いました。測定条件を表1に示します。
表1：STA測定条件
| 項目 | 測定条件 |
|---|---|
| 試料質量 | 約15 mg |
| 容器 | Pt/Rh製、85 µl、Al₂O₃ライナーおよび穿孔蓋付き |
| 試料ホルダー | TG-DSCcp、タイプS |
| 温度プログラム | 室温から1500°Cまで、20 K/min |
| 雰囲気 | アルゴン、70 ml/min |
3. 結果と考察
TGA-DSC測定の結果を図1に示します。NdFeB試料の質量は、測定した温度範囲全体を通じてほぼ一定でした。これは、アルゴン雰囲気下では有意な質量損失が生じていないことを示しています。
この結果は、DSC信号で観測された熱的現象が、測定可能な材料劣化ではなく、試料内部の変化に由来する可能性を示す重要な情報です。
3.1 高温域における吸熱ピーク
高温域では、DSC曲線に2つの吸熱ピークが確認されました。
第1ピーク
1083°C
開始温度：1072°C
反応エンタルピー：12.25 J/g
比較的小さな吸熱ピーク
第2ピーク
1162°C
開始温度：1145°C
反応エンタルピー：180.6 J/g
より大きな吸熱ピーク
STAの結果から、小さな熱効果は微量成分または低融点の二次相の初期変態に起因する可能性が考えられます。一方、大きなピークは、NdFeB系における相の融解または部分融解に関連する主要な高温変態を示唆しています。
この挙動は、工業用NdFeB磁石の多相微細構造と一致しています。一般に、これらの磁石には強磁性相であるNd₂Fe₁₄B相、Ndに富む粒界相、および合金組成や加工履歴に応じた二次成分が含まれています[2]。
これらの現象には検出可能な質量損失が伴わないため、分解反応ではなく、相に関連する熱的現象であるという解釈が支持されます。ただし、STAデータだけでは相を正確に特定することはできません。
さらなる相の特定に推奨される手法
- 高温X線回折
- 所定の熱処理後の金属組織分析
- 合金固有の相図データとの相関分析
3.2 キュリー転移の検出
275°C付近で観測された微弱な吸熱効果は、キュリー転移に起因すると考えられます。信号は弱いものの、DSCによって検出可能です。
さらに、STAに外部磁石アクセサリーを取り付けることで、強磁性から常磁性への転移を、見かけの質量変化信号として検出できます（図2）。
4. まとめ
NETZSCH STA Jupiter®シリーズは、NdFeB磁石粉末の熱特性評価において、1回の測定で質量変化と熱的影響を同時に検出できます。これにより、材料の劣化プロセスと相転移を区別するための有用な情報が得られます。
本システムは、材料開発、バッチ比較、品質管理、故障解析、および熱処理条件の最適化に役立ちます。
また、オプションの外部磁石アクセサリーを使用することで、DSC信号とTGA信号の両方からキュリー転移を検出できます。このアクセサリーは標準パッケージには含まれておらず、別途購入が必要です。
STA Jupiter®シリーズは、信頼性が高く用途に即した熱データの取得を支援し、高度なNdFeB磁石粉末用途における材料選定とプロセス設計の改善に貢献します。
参考文献
- Heim, J. W., II; Vander Wal, R. L. “Applications, Projected Growth Rates, and Nd and Dy Demand in Each End-Use Sector for NdFeB Permanent Magnets through 2050: A Review.” Minerals, 2023, 13, 1274.
- Shinba, Y.; Konno, T. J.; Ishikawa, K.; Hiraga, K.; Sagawa, M. “Transmission Electron Microscopy Study on the Nd-Rich Phase and Grain Boundary Structure of Nd–Fe–B Sintered Magnets.” Journal of Applied Physics, 2005, 97(5), 053504.