ハイテク製品に欠かせないレアアース（希土類）を高濃度で含む泥が、太平洋の深海底に大量に存在することを東京大の研究チームが発見した。総埋蔵量は陸 上の８００倍に達する"夢の泥"という。日本はレアアースの９０％を中国から輸入しており、資源として利用できれば中国依存からの脱却につながる可能性も ある。４日付の英科学誌「ネイチャージオサイエンス」（電子版）に掲載された。

　発見したのは東京大大学院工学系研究科の加藤泰浩准教授ら。国際共同研究などで採取された太平洋海底のボーリング試料を分析し、ネオジムなどのレアアースを４００ｐｐｍ以上の濃度で含む泥が、水深３５００～６千メートルの多くの地点に分布しているのを見つけた。

　特に高濃度の泥はタヒチ付近の南東太平洋と、ハワイ付近の中央太平洋に集中。泥の厚さはそれぞれ８メートル、２３・６メートルで、両海域計約１１００平方キロメートルの総レアアース量は、世界の陸上埋蔵量約１億１千万トンの８００倍に当たる約８８０億トンと分かった。

　加藤准教授は「中国のレアアース鉱床の濃度は５００～１千ｐｐｍ程度なのに対し、この泥は最高２２３０ｐｐｍと高濃度で質がいい。太平洋全域では陸域の数千倍の埋蔵量になる」と話す。

　泥の形成には地下深部からマントルが上昇し、地球を覆うプレート（岩板）が作られる中央海嶺（東太平洋海嶺）が関係している。海嶺から噴出した酸化鉄などが海水中のレアアースを吸着し、西へ向かう海流に乗って堆積したらしい。

　この泥は大半が公海にあり、国際海底機構に申請すれば鉱区獲得は可能だが、資源としての採掘例がないため、国際的な合意形成に時間を要するとみられる。

　加藤准教授は「中国の市場独占を打破する可能性を秘めた夢の泥は必ず日本の役に立つ。今後は日本の排他的経済水域（ＥＥＺ）でも発見を目指す」と話す。

　秋山義夫・資源地質学会会長は「海底資源の経済的な採掘技術は未確立で、陸上採掘と比べたコスト競争力が課題になる」と指摘している。

 　Dyを粒界相に均一に分散させるための新たなプロセスを開発しているのがTDKだ。粒界拡散法に属する「H-HAL法」と呼ばれるものである。

　現状の粒界拡散法との最大の違いは、Dyの供給源となる物質（Dyソース）を焼結前の圧粉体を作るまでの段階で混ぜてしまうことである（図）。具体的に は、粗粉砕したDyソースと磁粉を高速ジェットミリングで微粉砕しながら均一に混ぜ合わせることで、磁粉の周りにDyソースの粒子を均一に分散させる。直 径数μmの磁粉と同1μm未満のDyソースを焼結させる際、均等に配されたDyソースからDyが粒界に沿って拡散していくため、主相をDyリッチ相でしっ かりと包み込みやすくなる。

　TDKによれば、Dyの使用量が同じ場合、保磁力を通常の二合金法よりも159kA/m（2kOe）上げられる。まだ、粒界相の改善効果では現状の粒界 拡散法に及ばないが、磁石の表面近くだけでなく内部深くまで粒界相を改善できる。焼結までで処理が完了する方法なので、焼結後に適用する現状の粒界拡散法 との併用も考えられる。

富岡 恒憲＝日経ものづくり 

 　経済産業省が新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）を通じて推進する「希少金属代替材料開発プロジェクト」においても、結晶粒の微細化と粒界 相の改善によってDyやTbの使用量を減らそうという取り組みが進んでいる。「希土類磁石向けディスプロシウム使用量低減技術開発」だ。

　そのテーマリーダーを務める東北大学大学院工学研究科教授の杉本諭氏によれば、結晶粒の微細化に向けては、磁石の原料合金におけるラメラ間隔（後述）の 短縮、および同原料合金を砕いて作る磁粉の微細化、といった観点から研究開発を実施。粒界相の改善に関しては、Dyを粒界相に均一に分散させるための新た なプロセスの開発という切り口で臨んでいる。

　このうち、ラメラ間隔の短縮を担当しているのが、三徳である。通常、Nd-Fe-B系焼結磁石の原料合金は、主相のNd₂Fe₁₄Bの間に、柱状のNdリッチ相がほぼ一定の間隔で現れるように造られている（図1）。そのNdリッチ相の間隔をラメラ間隔と呼ぶ。

　ラメラ間隔を狭める利点は、原料合金を砕いて作る磁粉を微細化しても、主相の周りにNdリッチ相がちりばめられた磁粉をたくさん作れることだ。磁粉の粒 径に対してラメラ間隔が広すぎると、Ndリッチ相が付いていない磁粉が多くできてしまう。これでは、焼結しても主相の周りがNdリッチ相でしっかりと包ま れた結晶を作ることは難しい。

　一般に、Nd-Fe-B系焼結磁石の原料合金は、スリップキャストと呼ばれる製法で造られる。高速に回転するドラムの表面に溶かした同合金を垂らして急冷却するというものだ。三徳は、その冷却速度などの最適化によってラメラ間隔を狭めようと、研究開発を進めている。

　磁粉の微細化については、インターメタリックス（本社京都市）が研究開発を進める。同社では、粗粉砕した原料合金を微粉砕するジェットミリングという方 法を改良することで、実験室レベルだが「約1μmと微細な磁粉を造る技術を開発済み」（同社代表取締役の佐川眞人氏）だ。

　ジェットミリングは、粗粉砕した磁粉を高速なガス流の中に入れ、磁粉同士を衝突させることで微粉砕する技術だ。通常は窒素（N₂）ガスを使うが、同社が新たに開発した方法ではヘリウム（He）ガスを使用する。「HeはN₂よりも軽いので流速を上げやすく、短時間に微粉砕できるため、（磁粉を微細化しても）表面が酸化しにくい。さらに、Heは不活性ガスなので、N₂と違ってNdと化合物を作りにくい」（東北大学の杉本氏）という利点もある。

　興味深いのは、同社がジェットミリングを用いて微細化した磁粉を焼結するための新しいプロセス「PLP（PressLess Process）」も開発していることだ。磁粉を微細化すると、磁粉の表面積が増えてNdリッチ相が酸化しやすくなる。これを防ごうと考案したのが、この PLPだ。

　PLPの最大の特徴は、高濃度のアルゴン（Ar）ガスで満たされたパイプの中で、磁粉の充填から焼結までの一連の工程を実施することである（図2）。具 体的には、まずホッパから同パイプ中のカーボン製容器に磁粉を供給し、それを手で押さえる程度の圧力で容器に押し込む（緻密化）。次に、この容器をパイプ に入れたまま、蓋をして幾つかを段積みにし、コイルで5Tほどの強いパルス磁界をかけて磁化の向きをそろえる。最後に焼結すると、磁石が完成する。

　従来の焼結法と違って、プレスのために空気中で磁粉を型に入れたり抜き出したりといった操作が不要になる。しかも、緻密化する際も軽く押さえる程度なの で、潤滑剤やバインダが少なくて済む。そのため、磁粉が酸化しにくく、不純物も混じりにくくなる。ちなみに、「プレスしなくても焼結体の密度はプレスした ものと変わらない」（佐川氏）という。

　同社では、実証装置を2号機まで造って、既に効果を確認済み。ラメラ間隔が3μ～4μmの原料合金をHeジェットミリングで微粉砕した粒径が約1μmの 磁粉を使うことで、焼結後の主相の粒径が約1.5μmと微細なNd-Fe-B系焼結磁石を作製できたという。同磁石の保磁力は、DyやTbなしで約 1592kA/m（20kOe）と高い^＊。

＊　インターメタリックスは、約1990kA/m（25kOe）の保磁力を2012年中にDyなしで実現することを目指して研究開発を継続中である。一方 で、焼結後の主相の粒径が3μmと、これまでより主相を微細化した同磁石の実用化（工業化）に向けても取り組みを進めているという。

富岡 恒憲＝日経ものづくり

このところ中国のレアアース産業の構造改革は急速に進んでいる。業界の整理統合、淘汰再編に伴ってのレアアース採掘停止措置とかなり強硬な、ある意味では中国らしいスピーディな改革がおこなわれている。
　
　 まずは、6月13、14日に開催された全国希土類業務会議で工業情報化部苗圩部長は、「業界の管理強化及び改善、資源保護及び開発利用により、持続的かつ 健全な発展を促進する。また現在、業界の統合・再編加速のための具体的計画案を作成中であるとし、協会設立準備も積極的に進めている。」と宣誓。
　
　これまでも、レアアース産業については①違法採掘、②資源無駄使い、③製錬能力の無秩序な拡大、④輸出秩序の混乱、⑤深刻な環境破壊、⑥多くの地域で見 られる50％未満の資源利用率、⑦新材料開発・実用技術の発展の遅れ、という問題が指摘され、適時対策をとってきたが、今後も違法採掘、割当量を超える生 産、環境汚染、密輸の一斉特別取り締まりを実施する、ことを宣言し、実際に採掘停止は各地で相次いでいる。

　かねてより噂のあった江西省贛州市龍南県ではすでにレアアースの採掘が停まっている。地元紙などによると
「贛州市は2011年4月30日、レアアース採掘停止を通知した」と述べ、また「贛州鉱業公司が一括して供給してきた採掘に必要な硫酸アンモニウムの供給が停止され、通知によると7月31日までに注入した硫酸アンモニウムの片づけを求められている」とのこと。
　
　同市は贛州希土鉱業公司が一括管理する採掘ライセンス88件の効力及び採掘を停止し、同市副市長は「今回の措置はレアアース産業の統合を進めることが目 的だ」と述べているという。関係者によると鉱区統合計画は既に画定しており、各鉱山は環境評価及び安全監督管理など各種準備作業を行うことになる。また 88件の採掘ライセンスを、一鉱区の面積拡張により2011年末までに42件まで減らす方針とのこと。

　また同じく江西省ではタングステンとレアアース資源の統合も行っている。江西省工信委員会は、新規鉱産資源開発統合事業で重点的にタングステン及びレアアースの資源統合を行う。資源統合完了後のレアアース採掘権は、現在の88件から65件減少し19件となることを発表。
　タングステンは、優位にある企業を中心に上場企業及び高度精密加工企業に集約する。

 　実用化はまだ先だが、Nd-Fe-B系焼結磁石のDyやTbの使用量をさらに減らすための研究も進んでいる。その1つが、物質・材料研究機構の宝野氏らによる、DyやTbを用いずに同磁石の保磁力を高める技術だ^＊1。まだ焼結磁石ではなく磁粉としての成果だが、約1560kA/m（19.6kOe）という高い保磁力を実現している^＊2。

　同氏らが採ったアプローチは、（1）同磁石の主相であるNd₂Fe₁₄Bの結晶粒の微細化、（2）粒界相であるNdリッチ相の改善、である。Nd-Fe-B系焼結磁石は通常、主相の結晶の粒径が小さくなるほど結晶粒内における磁区^＊3の 磁場の逆転が発生しにくくなる。結晶粒が小さいと、多磁区よりも単磁区で存在した方がエネルギ的に安定するためだ。多磁区状態では、隣接する磁区で磁場が 反転すると、それが他の磁区へとドミノ倒しのように伝播する。単磁区状態ではそうした磁場反転の発生頻度を減らせるため、減磁しにくくなって保磁力が高まる。

富岡 恒憲＝日経ものづくり

　同氏らが主相の結晶粒を微細化するために用いたのが、HDDR（水素化・不均化・脱水素・再結合）プロセスである（図）。その最大の特徴は、化学反応を 利用して結晶粒の微細化を図ること。磁粉を物理的に細かく粉砕して結晶粒を微細化する方法と違って磁粉をそれほど細かくしないで済むため、Ndリッチ相が 酸化されにくい。Ndリッチ相は酸化すると非磁性ではなくなるため磁気的な結合を切れなくなってしまうが、同プロセスならそうした酸化を防げる。

 　HDDRプロセスでは、まず磁粉を水素（H₂）雰囲気中で加熱する。それにより、Nd₂Fe₁₄BをNdH₂、Fe、Fe₂Bに分解。続いて、それを真空中で加熱して水素を抜き、Nd₂Fe₁₄Bに戻す。一連の化学反応によって、主相の結晶粒は当初の100μmから250nm程度に微細化できる。しかも、処理条件を適切にコントロールすることで、個々の結晶粒の磁化方向を元の磁粉のそれとある程度まで一致させることができる。

　一方、（2）のNdリッチ相の改善は、主相の結晶粒の中で新たな磁区が発生する頻度を低減するための取り組みである。先に、主相の界面に欠陥があった り、主相同士がNdリッチ相を挟まずにくっついたりする部分は減磁しやすいと説明した。それは、これらの部分で新たな磁区が発生しやすいためだ。これを防 ぐために、粒界拡散法では粒界にDyやTbを選択的に導入するが、宝野氏らはNdリッチ相でしっかりと主相の結晶粒を包み込もうとしている。

　もっとも、同氏らがNdリッチ相の改善で狙うのはそれだけではない。実は、Ndリッチ相には結晶粒同士の磁気的な結合を切るという働きもある。適切な熱処理を施した場合、Ndリッチ相は磁性体の結晶ではなく非磁性体のアモルファスとなる^＊4。このため、主相をNdリッチ相でしっかりと包み込めれば結晶粒同士の磁気的な結合を切ることが可能になり、ある結晶粒で生じた磁場の反転が隣接する結晶粒へ伝播していくのを防げるのである。

　宝野氏らがNdリッチ相の改善に適用したのが粒界拡散法である。ただ、粒界拡散法とはいっても、拡散させるのはDyやTbではなくNdである。しかも、磁石の焼結後に施すのではなく、磁粉を作製する最終段階で適用する点が前述の磁石メーカーのやり方と異なる。

　具体的には、HDDRプロセスで作製した磁粉（Nd-Fe-B系合金）とネオジム・銅（Nd-Cu）合金の粉末を混ぜて加熱する。Nd-Cu合金を選ん だのは、融点が520℃と低いためだ。焼結温度を高くすると結晶粒が成長してしまうため、結晶粒を微細に維持できなくなる。従って、焼結温度を低く抑えな ければならず、低融点のNd合金が望ましかった。

 　Nd-Cuなら焼結温度を600℃ほどに抑えても液体となり、Ndが粒界に沿って拡散していく。しかも、宝野氏らの研究で、Ndリッチ相にCuが混じることで保磁力が高まることも判明している。Nd-Cu合金を使うと、そのCuの供給源にもなる。

　宝野氏らは現在、開発した保磁力の高い磁粉を使って焼結磁石を製造する技術の研究開発を進めている。基本的には、磁場をかけて磁粉を配向させながらプレ スする。次に、この圧粉体をスパークプラズマ焼結法という方法で約600℃で低温焼結しながらホットプレスをして、磁化の異方性を高める、といったプロセ スを取る^＊5。

＊1　この研究開発は、文部科学省の元素戦略プロジェクト「低希土類元素組成高性能異方性ナノコンポジット磁石の開発」の一環で実施されている。

＊2　現状市販されている通常のNd-Fe-B系焼結磁石の保磁力は、DyやTbなしでは796kA/m（約10kOe）程度。それを2倍に高められるの がこの技術だ。ただし、HEV/EVの走行用モータでは、1990k～2388kA/m（25k～30kOe）程度の保磁力が求められるため、用途によっ てはDyやTbの添加が必要になる。

＊3　磁区　原子の磁気モーメントがそろった小さな領域のこと。1つの結晶粒は、1つの磁区（単磁区状態）、もしくは複数の磁区（多磁区状態）から成る。 磁区と磁区間にある壁を磁壁と呼び、磁壁が界面へと移動することで同磁壁よりも界面側にあった磁区が消滅する。逆に、界面の欠陥部分などから磁区の核が発 生すると、新たな磁区がそこから生成される。

＊4　熱処理が不適切だとNdリッチ相が結晶となり、非磁性相にはならない。

＊5　課題の1つは、最大エネルギ積の向上である。そのためには磁粉の配向度を高めることが必要だという。現在目標にしているのは、HEV/EVの走行用モータに使えるもの。保磁力が約1990kA/m（25kOe）、最大エネルギ積が約279kJ/m³（35MGOe）のNd-Fe-B系焼結磁石だ。