この記事で分かること

レアアースの代替技術：アルミニウム合金添加剤の代替元素でのプラセオジムフリー化

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はマグネシウム合金添加剤でのプラセオジムフリー化添加に関する記事でしたが、今回はアルミニウム合金でのプラセオジムフリー化に関する記事となります。

アルミニウム合金のプラセオジムフリー化にはどのようなものがあるのか

　アルミニウム合金（特に鋳造用のアルミニウム・シリコン系合金など）において、プラセオジム（Pr）などの希土類元素を使用しない「プラセオジムフリー化（非希土類化）」には、以下ような手法・種類があります。

1. ストロンチウム (Sr) や ナトリウム (Na) による共晶シリコンの変質

• ストロンチウム (Sr) 添加: アルミニウム・シリコン合金において最も広く普及している非希土類変質剤です。脆い針状の共晶シリコンを微細な繊維状や棒状へ変化させ、延性や引張強度を高めます。
• ナトリウム (Na) 添加: 伝統的な変質剤として用いられます。変質効果は優れていますが、溶湯中で酸化や蒸発が起こりやすく、効果が持続しにくいという特徴があります。

2. アンチモン (Sb) や リン (P) による組織制御（高ケイ素系向け）

• アンチモン (Sb) 添加: シリコン含有量が多い過共晶アルミニウム・シリコン合金において、初晶および共晶シリコンの形状を整えて機械的特性を改善するために用いられます。
• リン (P) 添加: 過共晶合金において、微細なリン化物の粒子を形成させて初晶シリコンの核生成を促し、組織全体の偏りを防ぎます。

3. チタン・ホウ素 (Ti-B) 系母合金による結晶粒微細化

• アルミニウム・チタン・ホウ素 (Al-Ti-B) 母合金: アルミニウム母相自体の結晶粒を微細化するための標準的な添加手法です。生成される微細なホウ化チタン粒子が不均一核として働き、希土類に頼らずに組織を均質化します。

4. 製造プロセスによる物理的制御

• 電磁攪拌や急速冷却技術: 化学的な添加剤に頼らず、鋳造時の冷却速度の高速化や、電磁力による溶湯の攪拌・流動制御を組み合わせることで、結晶粒や析出物の肥大化を防ぎ、均一な分散組織を得ます。

　アルミニウム合金の分野では、用途やコストに応じてストロンチウムなどの代替元素の添加や、標準的なマスターアロイ（母合金）の活用が主流となっています。

なぜストロンチウムで代替できるのか

　ストロンチウムがプラセオジムなどの希土類元素の代わりに、アルミニウム・シリコン系合金の共晶シリコンを効果的に変質・微細化できるのは、主に「不純物誘起双晶（IIT）メカニズム」「界面エネルギーの制御」「溶湯内での高い安定性」という優れた冶金学的特性によるものです。

1. 不純物誘起双晶（Impurity-Induced Twinning）機構

• 成長方向の阻害と双晶の誘発: ストロンチウム原子は、凝固時に成長しようとするシリコン結晶の先端やステップに選択的に吸着します。これによりシリコンの異方的な成長がブロックされ、結晶内部に高密度な「双晶（結晶格子の鏡像関係）」が強制的に発生します。
• 繊維状への変化: 結果として、通常は脆く粗大な針状（板状）として成長してしまう共晶シリコンが、曲がりくねった微細な繊維状（フィラメント状）へと変化し、材料全体の延性や靭性が大幅に向上します。

2. 界面エネルギーの低下と肥大化の抑制

• 表面活性による安定化: ストロンチウムはアルミニウム母相とシリコン相の境界における界面エネルギーを低下させます。
• 合体の阻止: 界面エネルギーが下がることで、生成した微細なシリコン粒子同士が結びついて粗大化しようとする現象（オストワルド熟成）が強力に抑制され、均一な分散状態が長期間維持されます。

3. 優れた持続性と実用性（耐フェーディング性）

• 酸化や蒸発への耐性: 従来の代表的な変質剤であるナトリウムは、溶湯中で空気中の酸素と結びついて酸化したり蒸発したりしやすく（フェーディング現象）、効果が短時間で失われる欠点がありました。
• 安定した効果: 一方でストロンチウムは蒸気圧が低く、溶湯中で長時間の保持や繰り返し溶解を行っても変質効果が失われにくいため、工業的な生産ラインで非常に扱いやすいという優位性があります。

　ストロンチウムは原子レベルでシリコンの成長メカニズムを巧みに変化させ、希土類元素を使用しなくても同等以上の優れた変質・微細化効果を安定して発揮できるため、広く利用されています。

ナトリウムが利用できる理由は何か

「変質効果」とは何か

　変質効果（Modification Effect）とは、合金が固まる（凝固する）際に、組織の一部である共晶シリコンの形状や大きさを劇的に変化させる現象、およびそのための処理を指します。

• 通常の状態（未変質）: 共晶シリコンが、鋭く尖った粗大な「針状（板状）」として成長します。これらは金属内部で「亀裂の起点（応力集中源）」になりやすく、合金全体の延性や靭性を大きく低下させます。
• 変質効果による変化: 変質剤の働きにより、シリコンが曲がりくねった微細な「繊維状」や「球状・点状」へと変化します。これにより応力の集中が防がれ、引張強度や延性、衝撃値が飛躍的に向上します。

ナトリウムの課題

　ナトリウムは変質効果自体非常に強力で優れていますが、「蒸気圧が高く、空気中の酸素と結びついて酸化・蒸発しやすい（フェーディング現象）」という致命的な弱点があります。

　溶湯中で時間が経つとナトリウムが失われて変質効果が急速に消えてしまうため、現在では効果が安定して長持ちするストロンチウム（Sr）などが主に利用されるようになっています。