Al と Ti を添加した Ta フリーの CoFeNi 高エントロピー合金：磁気的に軟らかく、機械的に強靭かつ延性を備える材料

なぜより良いモータ材料が重要か

電気自動車から小型航空機のエンジンまで、現代社会は高速回転する電気機械にますます依存しています。すべてのモータ内部には、磁場を効率よく導きつつ、巨大な遠心力や発生する熱に耐えられる金属部品が必要です。従来の軟磁性合金は磁気特性に優れますが、相対的に強度が低く、エネルギー損失が熱として生じやすいという欠点があります。本論文は、強靭で柔軟、電気損失に強く、それでいて次世代モータに必要なほど磁気的に軟らかいという稀な組合せを実現する可能性のある「高エントロピー」金属群を検討します。

多元素から成る新しい金属設計

研究者たちは、コバルト、鉄、ニッケルに基づくよく知られた磁性組成を出発点とします。これに微量のアルミニウムとチタンを加え、複数の金属元素をほぼ等量混合した高エントロピー合金を作ります。従来の鋼や特殊な磁性合金とは異なり、これらの混合物は単純な基礎結晶格子を形成し、その中に極めて小さな秩序化した原子クラスターが現れます。アルミとチタンの量を慎重に選ぶことで、研究チームはナノスケールのクラスターを形成しつつ、タンタルのような非常に高価な元素を避ける二つの組成を設計しました。

金属内部の微小な構成要素を調整する

熱力学の計算モデルと一連の熱処理を用いて、著者らは加熱冷却過程でこれら合金の内部構造がどのように発達するかを制御します。高温では材料は単一の均一相を示しますが、冷却に伴ってマトリクス内に数ナノメートル（十億分の一メートル）の極めて小さい秩序化粒子が出現します。一方の合金ではこれらの粒子が非常に細かく多数存在し、もう一方では追加の圧延やアニーリング工程によって成長・形状変化させることができます。先端的な顕微鏡観察と原子レベルの元素マッピングにより、これらの粒子はニッケルとチタンに富み、周囲の金属に整合して埋め込まれていることが確認され、均一に分散したナノスケールの補強材料として機能します。

磁気的軟らかさを失わない強さ

機械的試験の結果、両合金とも出発点であるコバルト‑鉄‑ニッケル合金より遥かに高強度でありながら、破断前にかなり伸びることが示されました。処理条件により降伏強さは約780〜1200メガパスカルに達し、これは多くの市販軟磁性合金の約2〜3倍に相当しますが、伸びは18%〜35%と保たれます。同時に磁気測定は低保磁力を示し、モータ回転時に磁化が容易に反転すること、そして飽和磁化も比較的高くモータが発揮できるトルク量に寄与することを示します。強化粒子を極めて小さく保つことで、磁区壁を強くピン止めする傾向を最小限に抑え、機械的に頑強になっても磁気的に軟らかな性質を維持できています。

エネルギー損失を電気抵抗で抑える

これら高エントロピー合金の重要な利点の一つは、標準的なモータ用合金より数倍高い非常に高い電気抵抗率です。モータの金属部品が急速に変化する磁場にさらされると、渦電流が発生してエネルギーが熱として失われます。多元素の複雑な混合とナノスケール粒子の存在は電子の散乱を強め、これらの渦電流を大幅に抑えます。新しい合金の一つは、最も単純な熱処理状態においても、低保磁力、高飽和磁化、優れた強度、そして卓越した抵抗率を併せ持ち、多くの市販および実験的な軟磁性材料と比較した性能図の有利な領域に位置します。

より良く、安く、軽い機械へ向けて

日常的な観点では、本研究は材料の構成要素の比率や熱処理工程を調整することで、目に見えない原子クラスターのサイズと間隔を制御し、通常は両立しにくい特性の組合せを実現できることを示しています。特にチタンを豊富に含む合金は、希少なタンタルに頼らずに高い電気損失耐性を備えた強靭で延性のある軟磁性を提供します。これらの Ta フリー高エントロピー合金は、より軽量で効率的かつ耐久性の高い電動機やエネルギー貯蔵用ロータを実現し、将来の車両や電力システムがエネルギーを無駄にせず、より信頼性高く稼働するのに寄与する可能性があります。

引用: Sarkar, S.K., Keskar, N., Tan, L.P. et al. A magnetically soft yet mechanically strong and ductile Ta free CoFeNi high entropy alloy with Al and Ti additions. Nat Commun 17, 2890 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68891-6

キーワード: 軟磁性合金, 高エントロピー合金, 電動機, ナノ析出物, 電気抵抗率