この記事で分かること
- サマリウムの用途：磁石としての優れた特性から、医療から化学分野まで幅広い産業分野で利用されています。特のコバルトと組み合わせたサマコバ磁石は耐熱性、耐食性の高さから幅広い分野で利用されています。
- サマコバ磁石が耐熱性に優れる理由：コバルトの磁器特性の安定性とサマリウムの磁気異方性の組み合わせ、結晶構造の安定性などに理由によります。
- 耐食性に優れる理由：コバルトの耐食性の高さ、鉄の含有が少ないこと、サマリウムの安定性の高さから耐食性が高い磁石となっています。
レアアースの価格高騰
2025年5月現在、レアアース（希土類元素）の価格が急騰し、一部の元素では3倍以上に達しています。
この背景には、中国による輸出規制の強化があり、特に電気自動車（EV）や風力発電、軍事用途に不可欠な元素であるジスプロシウムやテルビウムの供給が逼迫しています。
レアアースのひとつである、ジスプロシウムはEVモーターの永久磁石に不可欠であり、テスラなどの自動車メーカーは在庫が5月末までしか持たないと懸念しています。
今回はサマリウムについての解説となります。
レアアースとは何か
レアアース（希土類元素）とは、周期表の中で原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素の総称です。
レアアースの特徴
- 名前の通り「珍しい（rare）」と思われがちですが、実際には地殻中に比較的豊富に存在します。ただし、単体で高濃度に存在する鉱床が少なく、抽出・分離が困難なため「希土類」と呼ばれています。
- 化学的性質が似ていて分離が難しく、製錬や精製には高度な技術が必要です。
主な用途
レアアースは現代のハイテク産業に欠かせない資源です：
- 永久磁石（ネオジム、ジスプロシウムなど）：電気自動車（EV）、風力発電、スマートフォン
- 蛍光体（ユウロピウム、テルビウムなど）：液晶テレビ、LED、蛍光灯
- 触媒（セリウムなど）：自動車の排ガス浄化装置、石油精製
- 研磨剤：ガラスやレンズの精密研磨
産出と地政学的リスク
- 世界のレアアース生産の約60〜90%は中国に依存しており、供給の地政学的リスクが高い資源です。
- アメリカ、オーストラリア、ミャンマーなども採掘を試みていますが、製錬・精製まで含めると中国の独占的な地位は依然として強力です。
レアアースとは、原子番号57番のランタン（La）から71番のルテチウム（Lu）までの15元素に、化学的性質が類似するスカンジウム（Sc）とイットリウム（Y）を加えた、計17元素のことであり、電動化・デジタル化・再生可能エネルギー推進において不可欠な「戦略的資源」であり、経済安全保障上も重要視されています。
サマリウムとは
サマリウム (Samarium, 元素記号Sm、原子番号62) は、希土類元素の一つで、ランタノイド系列に属する金属です。主な特徴は以下の通りです。
性質
灰白色の金属で、空気中でゆっくりと酸化し、熱水では水素を発生します。希土類元素の中では珍しく+2価の酸化状態をとることがあります。
発見
1879年にフランスの化学者ボアボードランによって、サマルスキー石（サマルスキーというロシアの鉱物学者にちなんで命名された鉱物）から発見されました。人名が元素名の由来となった最初の元素とされています。
どんな用途で使われるのか
サマリウムの主な用途は以下の通りです。
サマリウム・コバルト磁石（サマコバ磁石）
これがサマリウムの最も主要かつ重要な用途です。サマコバ磁石は、以下の特徴から、高温環境下や高い信頼性が求められる様々な分野で利用されています。
高い耐熱性
ネオジム磁石が約80℃以上で減磁し始めるのに対し、サマコバ磁石は350℃程度、一部のグレードでは最大で700℃～800℃という非常に高い温度まで磁力を維持できます。
高い磁力
ネオジム磁石に次ぐ強力な永久磁石です。優れた耐腐食性: メッキなどの防錆処理が不要なほど耐食性に優れています。
サマコバ磁石の用途
- モーター: 高温対応モーター、電気自動車やコンプレッサー用モーター、永久磁石同期電動機、時計用モーター、小型モーター、バルブ、メーターなど。
- センサー: 各種磁気センサー、マイクロスイッチ、小型リレー、高精度センサー、医療機器のセンサー部分など。特に温度安定性が必要な用途に適しています。
- 音響機器: スピーカー、ヘッドホン、マイクロフォン、ピックアップなど。
- 電子機器: コンピューターのハードディスク、携帯電話、スマートフォン、ノートパソコン、コピー機、光通信、レーザー機器、電子レンジの真空管（マグネトロン）など。
- 航空宇宙・防衛分野: 高温環境下での信頼性が求められるため。
- 産業機器: コンベア、冷却ファン、半導体製造装置など。
- その他: マグネットカップリング、装飾品、健康機器、電子ロック、玩具、風力発電など。
医療分野
- 放射性医薬品: 放射性同位体であるサマリウム-153 (¹⁵³Sm) は、がん治療、特に骨腫瘍の緩和ケアに用いられます。¹⁵³Sm-EDTMP (エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸) として、静脈注射され、骨転移部位に集積して放射線（ベータ線）を放出することで、痛みの緩和や腫瘍の縮小効果をもたらします。
- 医療機器: サマコバ磁石が、医療機器のセンサーや高精度な部品として利用されることがあります。放射線治療装置のリニアック（放射線発生装置）内での磁場安定性確保にも寄与します。触媒・化学試薬有機合成反応における触媒や還元剤として利用されます。
- その他光学レーザーのドーパント: 特定の波長の光を放出するレーザー材料のドーパントとして利用されることがあります。
- 赤外線吸収ガラス: 特殊なガラスに添加され、特定の波長の赤外線を吸収する特性を持たせるために使用されます。
- 原子炉の制御棒: 放射性同位体のサマリウム-149 (¹⁴⁹Sm) は中性子をよく吸収するため、原子炉の制御棒（中性子吸収材）として利用されることがあります。
- 放射年代測定: サマリウム-ネオジム法と呼ばれる放射年代測定法において、サマリウムの特定の同位体（¹⁴⁷Smのアルファ崩壊による¹⁴³Ndへの変換）が利用されます。
このように、サマリウムは特に磁石としての優れた特性から幅広い産業分野で利用されており、医療分野や化学分野でも重要な役割を担っています。
サマリウムは特に磁石としての優れた特性から、医療から化学分野まで幅広い産業分野で利用されています。
高温耐性に優れる理由は何か
サマリウム・コバルト磁石（サマコバ磁石）が高い耐熱性を持つ主な理由は、その構成元素と結晶構造にあります。
磁石が熱によって磁力を失う現象は「減磁（げんじ）」と呼ばれ、磁石のキュリー温度を超えるとその磁性は完全に失われます。サマコバ磁石のキュリー温度は非常に高く、一般的に700℃～800℃にもなります。
これは、強力な永久磁石として広く使われているネオジム磁石のキュリー温度（約330℃）と比較しても格段に高い値です。具体的には、以下の要因が耐熱性の高さに寄与しています。
1. コバルト (Co) の特性
サマコバ磁石の主成分であるコバルトは、それ自体がキュリー温度が高い（約1121℃）強磁性体です。コバルト原子の電子配置と磁気モーメントの安定性が、高温環境下でも磁気秩序を維持するのに役立ちます。 コバルトは、鉄と比較して高温での磁気特性の安定性に優れています。
2. サマリウム (Sm) の特性
サマリウムは希土類元素の一つで、その電子軌道（特に4f電子）が磁気異方性（磁化しやすい方向）に大きく寄与します。
この磁気異方性の強さが、外部からの熱エネルギーによる磁化方向の乱れ（ランダム化）に対する抵抗力を与えます。 サマリウムとコバルトが形成する特定の金属間化合物（例：SmCo₅やSm₂Co₁₇）の結晶構が、高温においても磁区（磁化の方向が揃った領域）の安定性を保つように設計されています。
3. 結晶構造の安定性
サマリウムとコバルトが結合してできる金属間化合物は、熱力学的に安定な結晶構造を持っています。この安定した結晶構造が、高温になっても原子の熱運動によって磁気モーメントの配列が乱れにくい、つまり磁力が減衰しにくい特性をもたらします。
特に、Sm₂Co₁₇系の磁石は、SmCo₅系よりもキュリー温度が高く、より優れた高温特性を示します。これは、より複雑な結晶構造が熱的安定性を高めているためと考えられます。
4. 保磁力の温度特性
磁石の性能を表す指標の一つに「保磁力」があります。保磁力とは、一度磁化した磁石が外部の逆磁場によって減磁されにくい能力を示すものです。
サマコバ磁石は、高温下においても保磁力の低下が比較的少ないという特徴があります。
これにより、高温で使用しても磁力が失われにくいのです。ネオジム磁石の場合、高温になると保磁力が急激に低下する傾向があります
サマコバ磁石が高い耐熱性を持つのは、コバルトの磁器特性の安定性とサマリウムの磁気異方性の組み合わせ、結晶構造の安定性などに理由によります。
耐食性に優れる理由は
サマリウム・コバルト磁石（サマコバ磁石）が優れた耐食性を持つ主な理由は、その主成分であるコバルトの特性と、磁石を構成する合金の性質にあります。
1. コバルト (Co) の耐食性
サマコバ磁石の組成は、コバルトが約65%を占めるなど、非常に高い割合を占めています。
コバルトは、鉄やニッケルと同様に強磁性体ですが、鉄よりも酸化しにくく、安定した不動態皮膜を形成しやすいという性質があります。コバルトが空気中で酸化すると、薄く安定した酸化皮膜（Co₃O₄など）が表面に形成されます。
この皮膜が、さらなる酸素や水分との接触を防ぎ、内部の金属が腐食するのを効果的に抑制します。 また、コバルトは酸やアルカリに対する耐性も比較的高いです。ステンレス鋼の耐食性がクロムの不動態皮膜に由来するのと同様に、コバルトの安定した酸化物形成能力がサマコバ磁石の耐食性に大きく寄与しています。
2. 鉄 (Fe) の含有量が少ないこと
多くの磁石、特に強力なネオジム磁石（Nd-Fe-B磁石）は主成分として鉄（Fe）を含んでいます。鉄は非常に腐食しやすい金属であり、酸素や水分と容易に反応して酸化鉄（錆）を生成します。そのため、ネオジム磁石は通常、ニッケルメッキなどの防錆処理を施す必要があります。
一方、サマコバ磁石は主成分がサマリウムとコバルトであり、鉄の含有量がネオジム磁石に比べて非常に少ないか、ほとんど含まれていません。このため、鉄の腐食による磁石の劣化が起こりにくく、耐食性に優れています。
3. 希土類元素サマリウムの安定性
一般的に、単体の希土類金属は非常に反応性が高く、空気中の酸素や水分と容易に反応して酸化します。
しかし、サマリウムがコバルトと合金を形成し、特定の金属間化合物（SmCo₅やSm₂Co₁₇など）となることで、単体のサマリウムよりもはるかに安定した状態となります。
この安定した合金構造が、腐食に対する抵抗力を高めています。
これらの理由により、サマリウム・コバルト磁石は優れた耐食性を持ち、水や湿気の多い環境、さらには一部の薬品環境下でも、特別な防錆処理を施すことなく長期間安定して使用することが可能です。これが、医療機器、センサー、航空宇宙など、高い信頼性が求められる用途で特に重宝される理由の一つです。
サマコバ磁石はコバルトの耐食性の高さ、鉄の含有が少ないこと、サマリウムの安定性の高さから耐食性が高い磁石となっています。
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