(57)【要約】      （修正有）【課題】構成部品から分離された分解物の破砕を簡易かつ短時間で行うことができる複合材料、複合材料の解砕方法および複合材料のリサイクル方法を提供する。【解決手段】複合材料は、主相２３と、前記主相同士の間に形成される粒界相２４とを含み、金属、希土類元素、樹脂、セラミックス、およびこれらの混合物からなる群から選択される１種以上で形成される母材と、前記粒界相２４に設けられ、所定温度以上に加熱することで形状を変形する形状変化材料２２と、を含んでなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主相と、前記主相同士の間に形成される粒界相とを含み、金属、希土類元素、樹脂、セラミックス、およびこれらの混合物からなる群から選択される１種以上で形成される母材と、
前記粒界相に設けられ、所定温度以上に加熱することで形状を変形する形状変化材料と、
を含んでなることを特徴とする複合材料。
【請求項２】
前記形状変化材料が、形状記憶合金または形状記憶ポリマーを含んでなる、請求項１に記載の複合材料。
【請求項３】
前記形状変化材料が、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｍｎ、およびＧａからなる群から選択される２種以上を含む、請求項１または２に記載の複合材料。
【請求項４】
前記形状変化材料が、Ｎｉ−Ｔｉ系合金である、請求項１〜３の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項５】
前記形状変化材料が、形状を変形させた後の平均粒子径が１０ｎｍ以下の微粒子である、請求項１〜４の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項６】
前記所定温度が、前記母材の融点よりも低い、請求項１〜５の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項７】
前記所定温度が、５００〜８００℃である、請求項１〜６の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項８】
前記母材が、貴金属、レアメタル、およびレアアースを含む群から選択される１種以上を含む、請求項１〜７の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項９】
前記母材が、磁性材料で形成される、請求項１〜８の何れか１項に記載の複合材料。
【請求項１０】
主相と、前記主相同士の間に形成される粒界相とを含み、金属、希土類元素、樹脂、セラミックス、およびこれらの混合物からなる群から選択される１種以上で形成される母材と、前記粒界相に設けられ、所定温度以上に加熱することで形状を変形する形状変化材料とを含む複合材料を、所定温度以上に加熱して、前記形状変化材料の形状を変形させ、前記複合材料の内部または表面に亀裂を生じさせることを特徴とする複合材料の解砕方法。
【請求項１１】
前記母材として、磁性材料を用い、
前記複合材料を熱処理して脱磁を行うと共に、前記形状変化材料の形状を変形させる、請求項１０に記載の複合材料の解砕方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の複合材料の解砕方法により解砕された複合材料を破砕して破砕物を得て、得られた前記破砕物を回収して再利用することを特徴とする複合材料のリサイクル方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複合材料、複合材料の解砕方法および複合材料のリサイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコン、冷蔵庫、洗濯機などの家電製品などには、金、銀などの貴金属、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、チタン（Ｔｉ）などのレアメタル、ネオジム（Ｎｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）などのレアアースなどが使用されている。こうした貴金属、レアメタル、レアアースなどは高価であり、再生可能な資源としても有用である。そのため、資源の再利用（リサイクル）を図るため、廃棄される家電製品などを回収して、家電製品に使用された貴金属、レアメタル、レアアースなどを取り出してリサイクルする技術の開発が進んでいる。近年では、資源保全の要求が高まり、貴金属、レアメタル、レアアースなどの回収およびリサイクルの重要性がより一層高まっている。
【０００３】
貴金属、レアメタル、レアアースなどの回収方法として、例えば、回収したモータを解体して取り出したロータやステータなどを粉砕した後、これらに使用されている希土類磁石の種類に応じたキュリー温度以上に段階的に加熱してキュリー温度に対応した希土類磁石を選択的に脱磁し、磁石の種類ごとに分離して回収する、リサイクル方法が提案されている（特許文献１等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１４７６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のリサイクル方法において、モータを解体してロータやステータなどを取り出す作業は、一般に手作業により行われている。例えば、エレベータなどの産業用製品や発電設備などで使用されるモータなどの構成部品は大型であることが多いため、このような構成部品から貴金属、レアメタル、レアアースなどを回収しようとした場合、構成部品の解体から取り出した分解物の粉砕までに更に時間と手間を要する。
【０００６】
そのため、例えば、産業用製品や発電設備など大型の電気製品で使用されるモータなど構成部品のリサイクル効率や、貴金属、レアメタル、レアアースなど資源の回収作業の効率の向上を図るため、廃棄される製品に使用されたモータなどの構成部品の解体とその構成部品の分解物の破砕を簡易かつ短時間で行うことができる複合材料、複合材料の解砕方法および複合材料のリサイクル方法が希求されている。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、構成部品から分離された分解物の破砕を簡易かつ短時間で行うことができる複合材料、複合材料の解砕方法および複合材料のリサイクル方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の実施形態による複合材料は、主相と、前記主相同士の間に形成される粒界相とを含み、金属、希土類元素、樹脂、セラミックス、およびこれらの混合物からなる群から選択される１種以上で形成される母材と、前記粒界相に設けられ、所定温度以上に加熱することで形状を変形する形状変化材料と、を含んでなる。
【０００９】
別の実施形態による複合材料の解砕方法は、主相と、前記主相同士の間に形成される粒界相とを含み、金属、希土類元素、樹脂、セラミックス、およびこれらの混合物からなる群から選択される１種以上で形成される母材と、前記粒界相に設けられ、所定温度以上に加熱することで形状を変形する形状変化材料とを含む複合材料を、所定温度以上に加熱して、前記形状変化材料の形状を変形させ、前記複合材料の内部または表面に亀裂を生じさせるものである。
【００１０】
別の実施形態による複合材料のリサイクル方法は、上記の複合材料の解砕方法により解砕された複合材料を破砕して破砕物を得て、得られた前記破砕物を回収して再利用するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態による複合材料を適用したモータの内部構造の一例を示す断面図である。
【図２】永久磁石の組織構造を説明する拡大図である。
【図３】形状記憶合金の温度と融点との関係を示す図である。
【図４】形状記憶合金が膨張した状態を示す図である。
【図５】永久磁石に亀裂が発生した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
実施形態の複合材料をモータの永久磁石として適用した場合の一例について説明する。図１は、実施形態による複合材料を適用したモータの内部構造の一例を示す断面図である。図１に示すようなモータ１０が、ロータ１１とステータ１２とに分離された後、ロータ１１から磁石挿入スロット１３内に収容された永久磁石１４が回収される。
【００１４】
永久磁石１４として機能する複合材料は、図２に示すように、母材として磁性材料である希土類合金２１と、形状記憶合金（形状変化材料）２２とを含んでいる。
【００１５】
希土類合金２１は、典型的には、結晶粒の組成がＲ２Ｔ１４Ｂの組成式で表されるＲ2Ｔ14Ｂ相（主相）２３と、主相２３同士の間に形成され、Ｒ２Ｔ１４Ｂ相よりＲを多く含む粒界相２４とを含んでいる。結晶粒の平均粒子径は、例えば、１〜３０μｍ程度である。なお、本実施形態において、平均粒子径とは有効径による体積平均径をいい、具体的には、レーザー回折・散乱法または動的光散乱法などによって測定される。
【００１６】
Ｒは、希土類元素を表す。希土類元素として、例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどを含む。Ｒは２種類以上の希土類元素の組み合わせであってもよい。Ｔは、遷移金属であって、少なくともＦｅを含んでなる。Ｔは、典型的には、Ｆｅ又はＦｅ及びＣｏの混合物である。また、Ｔは、ＦｅまたはＣｏ以外に、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗなどを更に含んでいてもよい。なお、希土類合金２１としては、Ｒ−Ｔ−Ｂ系合金以外の他の組成を有する合金を用いてもよい。
【００１７】
形状記憶合金２２は、希土類合金２１内に含まれており、本実施形態では、粒界相２４に球形の状態で存在している。
【００１８】
形状記憶合金２２は、所定温度以上に加熱することで形状を変形する合金である。本実施形態では、形状記憶合金２２は、形状記憶合金２２の形状を変形させる前の形状（元の形状）の状態に戻るように形状が変形する合金である。
【００１９】
前記所定温度は、形状記憶合金２２の形状が変形する温度であり、希土類合金２１の種類に応じて決定される。前記所定温度は、希土類合金２１の融点よりも低い温度である。また、本実施形態においては、前記所定温度は、形状記憶合金２２の形状を変形する温度以上であり、かつ、希土類合金２１のキュリー点以上であることが好ましい。前記所定温度としては、例えば、５００〜８００℃程度であることが好ましい。上記温度範囲内であれば、前記所定温度が希土類合金２１のキュリー点以上であるため、形状記憶合金２２の形状を変形させつつ、希土類合金２１の脱磁をすることができる。なお、本実施形態では、形状記憶合金２２の形状の変形は、形状記憶合金２２を構成する成分の熱膨張係数による変形は含まれないものとする。
【００２０】
形状記憶合金２２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｍｎ、およびＧａを含む群から選択される２種類以上で構成されている。形状記憶合金２２としては、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ系合金などが用いられる。形状記憶合金２２がＮｉ−Ｔｉ系合金である場合、例えば、Ｎｉの含有量が５４〜５６ｗｔ％、残部をＴｉとした合金などを用いることができる。
【００２１】
形状記憶合金２２の形状は、平均粒子径が１０ｎｍ以下の微粒子を用いることが好ましく、３〜７ｎｍの微粒子であることが好ましい。形状記憶合金２２の平均粒子径が小さくなるほど、形状記憶合金２２の形状が変形する温度、すなわち前記所定温度は、低下する。形状記憶合金２２が、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金、Ｆｅ−Ｍｎ−Ａｌ系合金、Ｔｉ−Ｐｄ系合金などである場合、前記所定温度は１０００℃程度であるが、図３に示すように、形状記憶合金２２の平均粒子径が約１０ｎｍの微粒子である時には、形状記憶合金２２の前記所定温度は９００℃程度であり、形状記憶合金２２の平均粒子径が約３〜７ｎｍの微粒子である時には、形状記憶合金２２の前記所定温度は５００〜８００℃程度である。
【００２２】
そのため、図３に示すように、例えば、形状記憶合金２２の平均粒子径が１０ｎｍ以下の微粒子であれば、形状記憶合金２２の前記所定温度を低下させることができるため、形状記憶合金２２の形状の変形を従来よりも低い温度で発生させることができる。これにより、永久磁石１４の分解時の加熱温度を低下させることができる。
【００２３】
形状記憶合金２２の元の形状は、特に限定されるものではなく任意の形状とすることができるが、例えば、楕円状、針状などの形状が挙げられる。
【００２４】
形状記憶合金２２は、前記所定温度以上になると、形状記憶合金２２は、例えばマルテンサイト相になり、形状を変形させる前の状態に戻るように形状が変形する。そのため、粒界相２４で形状記憶合金２２の形状が変形して、形状記憶合金２２が元の形状に戻ろうとすると、隣接する主相２３の境界においてそれぞれの形状記憶合金２２が変形することにより、隣接する主相２３同士の距離を押し広げ、主相２３と粒界相２４との間に隙間を生じさせる。これにより、隣接する主相２３の境界に沿うようにしてクラックを発生させ、粒界破壊を起こさせることにより、希土類合金２１が解砕される。
【００２５】
次に、回収したモータ１０から分離した永久磁石１４を解砕する方法について説明する。まず、回収したモータ１０を解体してロータ１１およびステータ１２を分離した後、ロータ１１内の永久磁石１４を取り出す。その後、取り出した永久磁石１４を、上記の所定温度以上に加熱して、永久磁石１４の脱磁を行うと共に、永久磁石１４内に含まれている形状記憶合金２２の形状を変形させる。図４に示すように、形状記憶合金２２の少なくとも一部は、隣接する主相２３の境界において、形状記憶合金２２が元の形状に戻ろうとして、例えば楕円状に変形して、隣接する主相２３の距離を押し広げ、主相２３と粒界相２４との間に隙間を生じさせる。これにより、隣接する主相２３の境界に沿うようにしてクラックが発生して、粒界破壊が起きて、希土類合金２１を解砕する。この結果、例えば、図５に示すように、希土類合金２１の表面または内部に亀裂２５を生じさせ、永久磁石１４を解砕することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、上記の所定温度を、希土類合金２１のキュリー点以上の温度とすることにより、加熱温度が希土類合金２１のキュリー点以上とすることができるため、形状記憶合金２２の形状を回復させつつ、希土類合金２１の脱磁をすることができる。
【００２７】
次ぎに、解砕された永久磁石１４を、粉状に細かく破砕して、破砕物を得る。そして、得られた破砕物を回収して、破砕物に含まれるＲをリサイクル資源として回収することにより、磁性材料の原料として再利用することができる。
【００２８】
よって、本実施形態によれば、永久磁石１４を予め解砕することにより、永久磁石１４の破砕を容易に行うことができるため、永久磁石１４の破砕を簡易かつ短時間で行うことができる。
【００２９】
このように、本実施形態による複合材料をモータの構成部品として用いた場合には、モータ１０から分離された永久磁石１４（複合材料）の破砕を簡易かつ短時間で行うことができるため、モータ１０のリサイクル効率を向上させることができると共に、モータ１０の永久磁石１４からリサイクル資源としてレアアースなどの作業効率を向上させることができる。そのため、本実施形態は、例えば、自動車、電車、一般産業機器、家電製品、工場設備、風力発電設備、水力発電設備、原子力発電設備、ＭＲＩなどの医療機器などで使用される電気機器などからのリサイクル資源の回収効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、母材が希土類磁石である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、希土類磁石に含まれる金属以外の金属、樹脂、セラミックスなどを用いて形成されていてもよい。
【００３１】
また、本実施形態においては、主相２３同士の間には、Ｒ等が含まれた粒界相２４が形成されているが、これに限定されるものではなく、母材が、金属、樹脂、セラミックスなどを用いて形成されている場合、主相２３同士の間は隙間であってもよい。
【００３２】
また、本実施形態においては、母材は、希土類磁石のみで形成されているが、これに限定されるものではなく、希土類磁石に含まれる金属以外の金属、樹脂、セラミックスの２種以上を含んで形成されていてもよい。また、母材を構成する金属としては、金、銀、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの貴金属、Ｌｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｉなどのレアメタル、Ｓｃ、Ｙ、上記希土類元素のレアアースの１種以上を用いてもよい。
【００３３】
また、本実施形態について、母材が希土類合金２１であり、形状変化材料として形状記憶合金２２を用いた場合について説明したが、母材の材料に応じて形状記憶合金以外の形状記憶ポリマーを用いてもよいし、これらを混合して用いてもよい。
【００３４】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、構成部品から分離された分解物の破砕を簡易かつ短時間で行うことができる。
【００３５】
以上の通り、本発明による実施形態を説明したが、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  モータ
１１  ロータ
１２  ステータ
１３  磁石挿入スロット
１４  永久磁石
２１  希土類合金（磁性材料）
２２  形状記憶合金（形状変化材料）
２２ａ  形状記憶合金
２３  Ｒ2Ｔ14Ｂ相（主相）
２４  粒界相
２５  亀裂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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