希土類元素（レアアース）

希土類元素（レアアース）とは、原子番号21のスカンジウム（Sc）、39のイットリウム（Y）および57～71のランタノイドと呼ばれる15元素の総称で元素の周期律表の第Ⅲ族に属するアクチノイド系元素を除いた元素のことを指し、比較的稀な鉱物に含有するためこの呼び名で用いられています。
英語のRare-Earth Elementの頭文字を取ってREEと略して表記されることもあります。

レアアースと似た用語にレアメタル（希少金属）があり時に混同されて使用されることがありますが、その明確な定義はなく存在量が稀であったり、技術的・経済的な理由で抽出が困難な非鉄金属のことを指し、希土類元素以外のリチウム（Li）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）なども含まれた総称です。
この総称は日本独自の造語で英語圏では希土類元素として認識されることもあるので注意が必要です。

希土類元素一覧

希土類元素の特徴

本来、希土類元素（レアアース）は上記のように17元素を指しますが、近年ではランタノイドにクローズアップされて使われています。ランタノイドは、存在比は産地により異なりますが同じ鉱石中に混在し鉄鉱石や銅鉱石のように鉱石中に単体として産出されることはないと言われています。埋蔵量は金（Au）や白金（Pt）などの貴金属に比べると多いですが、鉄（Fe）や銅（Cu）などに比べると少ないです。
また、希土類元素の生産国では中国が圧倒的なシェアを占めていますが、実は埋蔵量では中国以外にもブラジル、ベトナム、ロシア、インドなどでも相応の埋蔵量があり、近年では日本近海の1,600mを超える海中深くにもレアアース泥と呼ばれる鉱床が拡がっていることが判っています。ただ、中国が希土類元素で圧倒的なシェアを誇る所以は各元素の分離・抽出の製造所を寡占していることにあります。

希土類の一般的な用途

各希土類元素の主な用途は次の通りです。

・ランタン（La）：光学レンズ、ニッケル水素電池の負極材、蛍光体など。

・セリウム（Ce）：ガラス等の研磨剤、排ガス触媒、蛍光体など、最近では固体酸化物燃料電池（SOFC）用としても注目されている。

・ネオジム（Nd）：焼結磁石、ボンド磁石、YAGレーザーの添加物、ガラス添加剤などで、最も磁力が強いネオジム鉄ボロン磁石として風力発電機、電気自動車（EV）のメインモーター、エアコンのコンプレッサーなど需要が急増し価格高騰が危惧されている。近年では、より軽希土のランタン（La）、セリウム（Ce）と混合したミッシュメタルを用いたネオジム鉄ボロン系焼結磁石などもある。

・プロメチウム（Pm）：天然では安定な同位体が得られておらず工業的な使用はない。

・サマリウム（Sm）：磁石、触媒など。サマリウムコバルト磁石は熱安定性が高いため多く用いられていたが、さらに高磁力なネオジウム磁石が1980年代に実用化されると、コバルトが高価であること、脆く衝撃に弱いことから、現在では高温環境など熱安定性が特に求められる用途を中心に使われている。
また、サマリウム鉄窒素（SmFeN）磁石は、ネオジム磁石に比べて高い保磁力と良好な耐熱特性が期待できる一方、高温で熱分解しやすく焼結による高性能化が難しいため、微細に粉末化した磁性粉を樹脂と混合して成形するボンド磁石として利用が広がっている。薄肉・複雑形状への成形性や寸法精度に優れたボンド磁石化により、設計自由度を活かした小型モータやセンサ用途などで採用が進んでいる。

・ユウロピウム（Eu）：発光体や蛍光体として使用されている。

・ガドリニウム（Gd）：ネオジム鉄ボロン磁石の添加剤などで最近では磁気冷凍用材料として研究が進んでいる。

・テルビウム（Tb）：ネオジム鉄ボロン磁石の添加剤、印字ヘッドなど。

・ジスプロシウム（Dy）：ネオジム鉄ボロン磁石の添加剤、レーザーなど。特にネオジム鉄ボロン磁石では保磁力を高める効果があり高温域や強い減磁場が加わる用途で使われる磁石に添加されている。鉱石中の含有量が少なくネオジムと同様に需要が急増し価格高騰が危惧されており、ジスプロシウムを使わないジスプロシウムフリーのネオジム鉄ボロン系磁石も開発が進んでいる。

・ホルミウム（Ho）：YAGレーザーの添加剤などがあるが含有量がより少ないこともあり利用は僅か。

・エルビウム（Er）：YAGレーザーやガラスの着色剤など。

・ツリウム（Tm）：手術用のレーザー、可搬型X線装置などの他に近年では発光材料としても研究されている。

・イッテルビウム（Yb）：YAGレーザーやガラスの添加剤など。

・ルテチウム（Lu）：触媒としての使用は検討されているが生産性や価格面から工業的な実用は殆どない。

希土類磁石の種類

1950年代以前はフェライト磁石やアルニコ磁石、白金コバルト磁石など希土類元素を使わない酸化物や金属間化合物の磁石が発明、実用化されてきました。20世紀に入り遷移金属の中でも電子配列の3d軌道に特徴的な配列を持つ鉄（Fe）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）および電子配列の4f軌道に特徴的な配列を持つ希土類元素は大きな磁気モーメントを持つことが判り、これらを組み合わせるとより強い磁石にできると考えられ研究が進められました。そして、1969年にサマリウム（Sm）とコバルト（Co）から成るサマリウム・コバルト磁石、1983年にはネオジム鉄ボロン（NdFeB）磁石、1990年にはサマリウム鉄窒素（SmFeN）磁石が発表され工業化に至っています。

サマリウムコバルト磁石(サマコバ磁石)

サマリウムコバルト（SmCo）磁石［俗称：サマコバ磁石］には、Sm1Co5の化合物構造(俗称：1-5系サマコバ磁石)を有する磁石と、Sm2Co17の化合物構造(俗称：2-17系サマコバ磁石)を有する磁石があります。サマリウムの代わりにプラセオジム（Pr）やセリウム（Ce）を用いたPrCo5磁石やCeCo5磁石も研究されましたが保磁力の大きさや高温域での使用可否の目安となるキュリー温度（Tc）が高いということでSmCo5磁石が焼結磁石、ボンド磁石として工業化されました。1-5系サマコバ焼結磁石の最大エネルギー積は120～160kJ/m3（16～20MGOe）とそれまでの白金・コバルト（PtCo）磁石が持つ95kJ/m3（12MGOe）を超え、かつ安価な磁石として希土類磁石の先駆けを築きました。
しかし、その後誕生した2-17系サマコバ磁石は最大エネルギー積が200kJ/m3（25MGOe）を超えるより強力な磁石が少ないサマリウム（Sm）量で実現され、それまでの1-5系サマコバ磁石にとって代わり現在でも200℃を超える高温環境や温度変化・腐食や錆を嫌う用途などで使われており、特にセンサ用途で多く使われています。

ネオジム磁石

1983年に、液体急冷法（メルトスピニング法）と粉末焼結法の各方法によるネオジム鉄ボロン磁石が異なる企業から発明・発表されました。前者は樹脂と混合してプレス成形された圧縮成形ボンド磁石としてハードディスクドライブ（HDD）のスピンドルモーターで需要が急拡大、後者も焼結磁石としてHDDのヘッドアクチュエーター用途で需要が拡大しました。ネオジムの焼結磁石は、更にエアコンのコンプレッサー用途、医療のMRI用途、ハイブリッドを含む電気自動車（EV）のメインモーター、風量発電機などこれからの地球温暖化対策のキーマテリアルとして今後も需要が伸びていくことが予測されています。

サマリウム鉄窒素磁石

サマリウム鉄窒素磁石は、サマリウムと鉄の化合物 Sm₂Fe₁₇ に窒素（N）を取り込ませた Sm₂Fe₁₇N₃ を主成分とする希土類磁石です。大きな結晶磁気異方性を持ち、潜在的にネオジム鉄ボロン（NdFeB）磁石を上回る特性を持つ材料として1990年に提案されました。
一方、500℃以上の高温ではSm₂Fe₁₇N₃の結晶構造が壊れて磁石特性を失ってしまうため焼結磁石としては実用化されていません。そのため現在は、主に樹脂と組み合わせたボンド磁石用材料として利用されています。 ボンド磁石としての SmFeN は、一般的な NdFeB 系ボンド磁石と同等以上の磁気特性と優れた温度特性を備え、加えてネオジム（Nd）やコバルト（Co）といった供給リスクの高い元素を使用しないという利点があります。
このような特性から、SmFeN 磁石は、小型モーター、センサ、アクチュエータなど、設計自由度の高いボンド磁石が求められる用途や、特定元素への依存度を下げたい用途向けの新たな選択肢として注目されています。

当社の希土類磁石製品

当社はこれまでサマコバ磁石粉やそのボンド磁石、ネオジム鉄ボロン磁石原料など希土類磁石の発明・発展と併せて独自の希土類合金製造方法を応用して研究開発および工業化を進めてきました。
その中でも、前節で紹介した「サマリウム鉄窒素磁石（SmFeN）」は、当社が早期から開発・量産化を進めてきた分野です。当社の Wellmax® サマリウム鉄窒素磁石材料は 20 年以上の製造実績を持ち、Sm（サマリウム）を有効活用することで、NdFeB 磁石材料と比較して価格変動の影響を受けにくい、安定供給が可能な材料となっています。
SmFeN は焼結磁石化が難しい一方、ボンド磁石用途ではネオジムやコバルトを用いずに高い磁気特性が得られる材料です。当社は、この SmFeN 材料を工業的規模で量産する数少ないメーカーの一つであり、粉末製造からボンド磁石化に至るまで、長年蓄積してきたプロセス技術と設計ノウハウを有しています。お客様の用途に合わせた磁気特性・形状提案が可能です。
当社サマリウム鉄窒素磁石の詳細や適用事例は、以下ページをご覧ください。
希土類磁石材料｜X-MINING｜住友金属鉱山株式会社
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