湯士源、黃玉婷、邱正中 / 工研院材化所
近年來，隨著環境碳排、氣候異常等問題相繼浮現，人類的居住環境與生活品質開始遭受到汙染破壞。有鑑於此，全球各國開始對淨零減碳意識轉為付諸行動，欲實現淨零減碳，最直接的方法是降低機械器具或設備之耗電量。目前眾多設備大都採用具有電能–機械能轉換功能之電動機來製造產品或控制製程，這使得具高能效優勢的永磁電動機之研發與應用擴增並持續備受關注。永磁電動機主要是藉由稀土永久磁石提供一穩定磁場來輔助加速轉動，同時能滿足體積小、輕量化及高扭力/高馬力等性能。
永久磁石材料發展至今已有數十年之久，材料特色是當移除外加飽和磁場後，磁區狀態會受到晶粒原子及晶界結構之牽制耦合，不易翻轉而保有強磁場存在。永久磁石隨著環保電動載具、風電等綠能應用崛起，材料系統、組成、製程等關鍵技術均朝向具高磁能積及耐高溫之議題研發演化。針對高效節能應用，永磁電動機已是高效動力轉換來源的首選，其中稀土永久磁石也成為永磁電動機不可或缺的關鍵零組件，相信在未來幾年內，稀土永久磁石之用量及市場規模將大幅增加。然而，對於國內磁石業界來說，現階段稀土磁石材料約90%均掌握在中國，一旦斷鏈會使科技文明發展停滯，甚至造成經濟上的損失，成為稀土應用擴增的一大隱憂。因此，國內業者必須加把勁積極投入稀土永久磁石關鍵材料製作與量測開發，及早切入稀土磁石開發，加速擺脫進口依賴，促進擴展產業能量並提升市場競爭力。
【內文精選】
市場發展
全球永磁馬達市場規模至2023年預期超過180億美元，如圖三(a)；以區域市場來看，主要以亞太區為主，預計2023年成長至38%，成長動能來源為中國及新興東南亞國家對於工業馬達的需求量大幅增加。圖三(b)為以永磁馬達應用類別來看，以工業自動化器具或設備占比最高(59.7%)，例如工具機、機械手臂、產業機械等運作時皆需要馬達進行精準速度變化及位置控制。因應各國相繼制訂IE4馬達節能政策，部分感應馬達已開始轉成使用高效能永磁型馬達，使得永久稀土磁石(Rare Earth Magnet)之需求量逐漸大增。另外，電動載具類別應用占比為第二(13.8%)，永磁馬達除了可增加電動車的續航力，亦可提升電池使用年限，這有助於電動車市場規模持續擴大，也兼顧帶動永磁馬達用關鍵磁石材料之用量需求，並成為稀土永久磁石技術發展的利基市場。
圖三、全球永磁工業馬達之(a)區域市場規模；(b)應用領域類別
稀土永磁材料與技術現況
以材料磁能積及成本來看，稀土永久磁石高於非稀土磁石，但若想要滿足高效電能–機械能轉換、小體積、輕量及高扭力/馬力等需求，則必須採用稀土永久磁石系統，其他非稀土磁石無法滿足應用需求。因此，若從磁石所有特性來評估成本性價比($/kg/kG/kOe)，稀土永久磁石(如釤鈷、釹鐵硼)落在0.4~1.2間，可與鐵氧體相當，且比非稀土磁石(如鋁鎳鈷)更具性能及成本優勢。
2. 釹鐵硼磁石
永久磁石技術現況以日本為領先，例如Hitachi Metal、TDK、Shin-Etsu等廠家。經過專利搜尋分析後，各廠家針對目前電動車或風電機等應用，均朝向高抗磁力、耐高溫等議題發展，以維持馬達運轉的高能效及溫度穩定性。圖四為稀土永久磁石的製作過程，前段以感應熔解爐進行元素熔解、澆鑄成錠或甩片合金，成為稀土磁石合金母體，再將釹鐵硼母體細化，配向成形及高溫燒結，控制表面晶界擴散熱處理，並進行加工與測試，以達到所需的形狀和尺寸。而其中表面晶界擴散則是決定磁能積的重要關鍵製程之一，必須慎選摻雜元素種類，調控擴散機制及製程參數，讓釹鐵硼磁石晶粒間彼此產生更高去磁耦合能量，提高抗磁力及磁能積性質。
圖四、稀土磁石製造過程
另一方面，由於釹鐵硼磁石內的釹元素形成富釹或富硼相析出晶界上，外界氧氣或溼氣容易沿晶界進入到釹鐵硼結構中，再加上釹非常容易與環境氧結合產生氧化腐蝕，故釹鐵硼磁石需要做表面電鍍塗裝，以避免本體被氧化導致特性變差，這都是為了在製程中避免接觸到氧氣，也是高性能釹鐵硼磁石較為困難的製程階段---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》438期，更多資料請見下方附檔。