軟磁性材料の放電プラズマ焼結 — アモルファス粉末を結晶化させずに固める

磁石にならない磁性材料

「磁性材料」と聞くと、磁石を思い浮かべるかもしれない。だが、磁性材料には正反対の二つの顔がある。一つは、いったん磁化したら頑固に磁力を保つ「硬い」材料——永久磁石である。もう一つは、磁場をかければ素早く磁化し、取り去れば素早く磁化が消える「柔らかい」材料——軟磁性材料だ。

軟磁性材料の役割は、磁石になることではない。交流磁場のもとで、磁化の向きを何度も素早く反転させることである。トランスやモーター、インダクターの鉄心に使われ、電気エネルギーと磁気エネルギーのやり取りを仲立ちする。このとき、磁化の反転を繰り返すたびに、わずかなエネルギーが熱として失われる。これを鉄損という。鉄損が小さいほど、機器は無駄なく動く。電力を扱うあらゆる機器の効率が、軟磁性材料の良し悪しにかかっている [1]。

良い軟磁性材料の条件は、磁場に素早く応じること（高い透磁率）と、反転の際の無駄が少ないこと（低い鉄損）だ。この両方を高いレベルで満たす材料として、鉄基アモルファス合金が注目されてきた。

アモルファスの強みと、その弱点

アモルファス合金は、原子が規則正しく並ばず、ガラスのように乱れた構造を持つ金属である。通常の金属は原子が結晶格子に整然と並ぶが、アモルファス合金にはその並びがない。

この「乱れ」が、軟磁性に効く。結晶では、原子の並びや結晶粒の境目が、磁化の向きの変化を妨げる。アモルファスにはそうした規則的な構造がないため、磁化が向きを変えやすく、磁気的に柔らかい。鉄を主体としたアモルファス合金は、高い磁化と低い鉄損を両立しやすく、優れた軟磁性材料となる。乱れた構造は電気抵抗も高いため、交流磁場のもとで生じる渦電流による損失も抑えやすい [2][3]。

だが、この乱れた構造には弱点がある。熱に弱いのだ。アモルファス合金は、ある温度（結晶化温度）を超えて加熱されると、乱れていた原子が並び替わって結晶化してしまう。いったん結晶化すると、軟磁性を支えていた「乱れ」が失われ、性能が崩れる。乱れた構造は、いわば準安定な状態であり、熱を与えると安定な結晶へ落ち着こうとする [2][3]。

ここに、アモルファス軟磁性材料をバルク化する際の難所が生じる。

結晶化温度を超えずに固める

アモルファス合金は、溶けた金属を急冷して作る。その性質上、薄いリボンや細い線、あるいは粉末といった、小さく薄い形でしか得にくい。これらを実用的な大きさの塊（鉄心など）にまとめるには、加熱して固める工程が要る。

しかし、その加熱がアモルファスの敵になる。結晶化温度を超えれば構造が崩れ、軟磁性が失われる。緻密化には熱が要る一方、熱はアモルファスを結晶化させる——この相反が、バルク化の中心課題である。結晶化温度を超えないように、つまり低温・短時間で、それでいて十分に緻密に固める必要がある [2][3]。

放電プラズマ焼結（SPS）は、まさにこの要求に応える焼結法である。SPS はパルス通電による急速昇温と一軸加圧を組み合わせ、低い温度・短い時間で緻密化できる。目標温度に素早く到達して保持を短く抑えられるため、アモルファス粉末を結晶化温度の手前にとどめたまま固められる。さらに、アモルファス合金は結晶化温度の少し下に「過冷却液体領域」と呼ばれる、軟らかく変形しやすくなる温度域を持つ。SPS でこの領域を利用すれば、加圧によって粉末どうしを密着・結合させ、結晶化させずに緻密なバルク体を得やすい。「結晶化する手前で、軟らかくなった粉末を押し固める」——これが SPS の戦略である [2][3]。

低鉄損のバルク鉄心を作る

SPS によるアモルファス軟磁性材料のバルク化は、複数の研究で具体的に示されてきた。

Shen らは、鉄基のアモルファス（金属ガラス）粉末を SPS で固め、良好な軟磁性を保ったバルクの鉄心を作製した。アモルファス構造を維持したまま緻密化することで、リボンや粉末でしか得られなかった軟磁性を、扱いやすい塊の形で実現したのである [2]。Lee らは、鉄-ホウ素-ニオブ-イットリウム系のアモルファス粉末を SPS で固め、軟磁性を備えたコンパクト（圧粉成形体）を作製し、その磁気特性を報告した [3]。

Li、Makino、Kato らは、鉄-ケイ素-ホウ素-リン系のアモルファス（ガラス）粉末を SPS で固め、鉄損の小さい軟磁性鉄心を作製した。アモルファス構造を保ったバルク体は、結晶質の材料に比べて鉄損が低く、交流のもとで効率よく働くことを示している。SPS が、アモルファスの優れた軟磁性を塊の形に閉じ込められることを、低鉄損という実用上重要な指標で実証した研究である [1]。

これらに共通するのは、「アモルファス粉末を結晶化させずにバルク化する」という一点を、SPS の低温・短時間焼結が支えている点だ。出発材料の組成は異なっても、結晶化の手前で緻密化を完了させるという戦略は同じである [1][2][3]。

乱れたまま、固める

軟磁性材料は、永久磁石とは正反対に、磁化を素早く反転させて電気エネルギーと磁気エネルギーを仲立ちする、機器の効率を左右する材料である。鉄基アモルファス合金は、原子の乱れた構造ゆえに磁気的に柔らかく、高い透磁率と低い鉄損を両立しうる。だが、その乱れは熱に弱く、塊にするための加熱で結晶化すれば性能が崩れてしまう。

放電プラズマ焼結は、低温・短時間・加圧という特徴によって、この難題に答える。結晶化温度を超えないうちに、過冷却液体領域で軟らかくなった粉末を押し固めることで、乱れた構造を保ったまま緻密なバルク鉄心を得られる。Shen らがバルク化を、Lee らが圧粉成形体の軟磁性を、Li らが低鉄損の鉄心を、それぞれ公開研究として示してきた [1][2][3]。アモルファスの「乱れ」を結晶化させずに固体へ閉じ込める——その難しい両立に、SPS は有力な答えの一つを与えている。

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