科研費関係研究成果公表
基盤研究(B) 「機能性発現を目指した磁性金属合金の強磁場中状態図」2010-2013年度(KAKENHI22360385) (研究代表)14,200千円
概要
2010年度は(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査および(b)Fe系金属の強磁場中状態図調査を行った。以下に詳しく述べる。
(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査
  東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研究センターの共同利用プログラムを利用して、試料Mn:Biの10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60,40, 70:30, 80:20, 90:10を準備し、18T無冷媒超伝導マグネットおよび28Tハイブリッドマグネットを利用した強磁場実験を行った。その結果、分解温度の磁場効果だけでなく、液相線の磁場による変化の兆候を捉えることに成功した。東北大工学部及川准教授協力のもとで行った分子場近似による磁気エネルギーを取り入れた平衡状態の計算によっても、同様の結果を得た。この変化は従来全く予想されておらず本研究の成果である。さらに、前年度米国国立強磁場研究所で行ったMnBiの45T中熱分析の結果を詳しく解析した結果、MnBi→Mn1.08Bi+液体Biへの分解だけでなく、Mn1.08Bi→固体Mn+液体Biへの分解温度も観測していることを突き止め、論文発表を行った。
(B)Fe系金属の強磁場中状態図調査
 亜共析と過共析領域の炭素鋼について強磁場中熱分析を行った結果、共析温度の磁場による上昇を確認しするとともに、この成分領域における強磁場中平行状態図を解明した。また、純良炭素鋼試料と市販炭素鋼試料についても強磁場中熱分析で評価した結果、共析温度の磁場効果に大きな違いが無いことが明らかとなった。この成果は、市販鋼材の磁場による組織制御の観点からも重要である。
2011年度は2010年度に引き続き、(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査および(b)Fe系金属の強磁場中状態図調査を行った。平成23年3月に起きた東日本大震災等の影響で、国内強磁場施設の共同利用強磁場磁石のいくつかが使用できなくなったが、得られた研究実績について以下に詳しく述べる。
(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査
 試料Mn-Bi二元合金について、東北大学金属材料研究所強磁場センターの10T及び18T無冷媒超伝導マグネットを共同利用し、平衡状態図の磁場による影響を詳しく調査、ほぼ磁場中状態図を完成させた。この成果は平成24年度中に論文発表を行う予定である。2011年度に導入した示差走査熱量計でMn系物質の相転移に関わる熱量のデータを再評価した。磁場中状態図のシミュレーションの精度高めるため、CALPHAD法プログラムの磁気エネルギー取り込み方法を改善して計算を行い、より磁場中実験に近い結果を得た。さらにMnCoSbGe系の磁気相図製作に着手、強磁場実験の結果、機能性発現の条件を確認した。強磁場中状態図を調査するための強磁場X線装置を完成させ、論文発表を行った。
(B)Fe系金属の強磁場中状態図調査
 亜共析と過共析領域の純良炭素鋼試料について、東北大学金属材料研究所強磁場センターの10T及び18T無冷媒超伝導マグネットを共同利用し、平衡状態図の磁場による影響を詳しく調査、ほぼ磁場中状態図を完成させた。
 (A)Mn-Bi系と(B)Fe-C系の実験強磁場平衡状態図と計算強磁場平衡状態図を比較したところ、Mn-Bi系の計算結果は実験結果とほぼ一致するが、Fe-C系の計算結果は実験結果を十分に再現できない。これは、Mn-Bi系の磁性は平均場近似でよく表現でき、状態図計算プログラムに取り込むことが出来るが、Fe-Cの磁性はそれが難しいためと判断した。
 2012年度は2011年度に引き続き、(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査および(b)Fe系金属の強磁場中状態図調査を行った。2011年3月に起きた東日本大震災等の影響も徐々に回復し一部の強磁場マグネットを除けば実験できるようになって、平成24年度の研 究目標はほぼ達成した。得られた研究実績について以下に述べる。
(A)Mn系金属の強磁場中状態図調査
  試料は、Mn:Biの10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60,40, 70:30, 80:20, 90:10を準備し、東北大学金属材料研究所強磁場セン ターの全国共同利用で実験を進めた。主に10テスラと15テスラのマグネットを用いたが、これまでの実験結果を基に、18テスラまでの 強磁場下MnBi平衡状態図を完成させた。得られた強磁場状態図はゼロ磁場のそれとは全く異なることを明らかにした。(Mistui et al . Mater. Trans. 54 (2013) pp.242-245)。また、CALPHAD法プログラムの磁気エネルギー取り込み方法の改善を目指し研究を進めた 結果、分子場近似を取り入れた計算状態図作成手法も確立し、これまでに本研究で行った実験結果をほぼ定量的に再現できた。(Mistu i et al.、 J. Alloys & Compound 投稿中) また、昨年度までにMn-Sb系とMn-(Co, Cu, Sb, Ge, Sn)混晶系の試料合成に成功し、一部 は強磁場中磁気状態図と磁場中高圧下の磁気状態図を明らかにした。
(B)Fe系金属の強磁場中状態図調査
  純良Fe-C合金 について18Tまでの強磁場中の熱分析を進めて、Fe-C合金系の強磁場中状態図はほぼ完成し、現在論文作成中である。
学術雑誌等公表実績
査読あり
K. Koyama, Y. Mitsui, E.S. Choi, Y. Ikehara, E.C. Palm, K. Watanabe, Change of the equilibrium state of ferromagnetic MnBi by high magnetic fields, J. Alloys. Comp., Vol.509, pp.L78-L80 (2011).
 
折橋広樹、満永大輔、廣井政彦、三井好古、高橋弘紀、渡辺和雄、小山佳一, 強磁場 X 線回折実験による Mn1.8Co0.2Sb の 磁場中結晶評価, 日本金属学会誌, Vol.76, No.4, pp.246-250 (2012).
 
Y. Mitsui, K. Koyama and K. Watanabe, Bi-Mn Binary Phase Diagram in High Magnetic Fields, Mater. Trans., Vol.54, No.2, pp.242-245 (2013).
 
K. Koyama, K. Watanabe, O. Tegus, E. Brück, K.H.J. Buschow, F.R. de Boer, X-Ray Powder Diffraction Studies on MnFeP0.78Ge0.22 in High Magnetic Fields, J. Low Temp. Phys., Vol.170, No.5-6, pp.279-284 (2013).
 
H. Orihashi et al., ”Magnetic and structural properties of Mn1.8Co0.2Sb under high magnetic fields”, Mater. Trans. vol.54 (2013) in press
 
D. Shimada et al., ”Magnetic properties of Mn2Sb1-xGe (0.06 ≤ x ≤ 0.2) in high magnetic fields”, J. Korean Phys. Soc. (2013) in press
 
Y. Mitsui et al., ”Thermal analysis on MnBi in high magnetic fields up to 45 T”, J. Korean Phys. Soc. (2013) in press
 
査読なし
三井好古、渡辺 和雄、小山佳一、及川勝成, 強磁場中示差熱分析測定による Mn-Bi 二元系の強磁場中平衡状態図の作成, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成22年度年次報告書, pp.131-133 (2011).
 
小山佳一、池原佑基、高橋弘紀、木村尚次郎、渡辺和雄, Fe-C 二元合金の強磁場中示差熱分析, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成22年度年次報告書, pp.134-136 (2011).
 
満永大輔、折橋広樹、島田大輔、廣井政彦、高橋弘紀、小山佳一, ホイスラー合金Mn2-xNi1+xSbの強磁場中電気的および磁気的特性, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成23年度年次報告書, pp.71-72 (2012).
 
折橋広樹、満永大輔、廣井政彦、三井好古、高橋弘紀、渡辺和雄、小山佳一, 強磁場X線回折実験によるMn1.8Co0.2Sbの磁場中結晶評価, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成23年度年次報告書, pp.73-74 (2012).
 
島田大輔、折橋広樹、満永大輔、廣井政彦、高橋弘紀、小山佳一, 強磁場下におけるMn2Sb1-xGex ("0.05≤x≤0.2" )の磁気・電気特性, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成23年度年次報告書, pp.75-76 (2012).
 
小山佳一、池原佑基、高橋弘紀、木村尚次郎、宮本吾郎、古原忠、渡辺和雄, 強磁場中示差熱分析によるFe-C二元合金の高温・強磁場中特性評価, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成23年度年次報告書, pp.119-120 (2012).
 
三井好古、小山佳一、及川勝成、渡辺和雄, Bi-Mn磁場中状態図, 東北大学金属材料研究所強磁場超伝導材料研究センター平成23年度年次報告書, pp.128-129 (2012).
 
K. Koyama, Y. Mitsui, E.S. Choi, Y. Ikehara, E. Palm, and K. Watanabe, Controlled Equilibrium State of Ferromagnetic MnBi by High Magnetic Fields, Proceedings of the 22nd International Workshop on Rare-Earth Permanent Magnets and their Applications, (Nagasaki, 2012) , pp.110-113 (2012).
 
H. Orihashi, D. Mitsunaga, M. Hiroi, Y. Mitsui, K. Takahashi, K. Watanabe, K. Matsubayashi, Y. Uwatoko and K. Koyama, “Magnetic properties of Mn2-xCoxSb (x = 0.17, 0.2) under high magnetic fields”, Rep. Fac. Sci., Kagoshima Univ. 45 (2012) 246-250 (in Japanese).
 
K-Lab