永久磁鐵

名人推薦：東海大學應用物理系【磁電實驗室】副教授
台灣磁性協會永久磁鐵專家
張晃暐◎審定

釹鐵硼磁鐵發明人——佐川眞人
「我的釹磁鐵，從五里霧中發明出來。
如今的研究解釋了其中許多奧秘。
這是一本磁鐵的解謎書！」

日本科技署JSTCREST顧問、前日本化學會長——玉尾皓平
「不使用鏑的高性能磁鐵！元素戰略挑戰實現化！
磁鐵研究第一人的基礎，完全揭開秘密，令人期待。」

關於磁鐵的應用範圍，若想要一一找出來，會沒完沒了，但我想日本家電厲害之處就在於，將他國沒有使用的高性能磁鐵投入產品設計。例如，在美國，空調是使用便宜的鐵氧體磁鐵，產品體積不僅大，聲音也吵雜。日本的空調，令外國人最感到驚訝的地方是「體積小、靜音、節能」。這些特性都是來自於釹磁鐵的使用。
就「體積小、靜音」來說，洗衣機也有這樣的應用，帶來節能的效果。日本人一向理所應當認為，產品就是要靜音、小型化，因此磁鐵扮演著非常重要的角色。
過去有「輕薄短小」說法，而日本的強項就在於「小型、高性能」。例如，Sony生產Walkman隨身聽，如果收錄音機體積一直是大型的，不會有人想要帶出門聽音樂。Sony Walkman使用了當時最尖端的高性能磁鐵「釤鈷磁鐵（samarium-cobalt magnet）」，因而製造出來小型的隨身聽。小型且高性能的磁鐵「顛覆了產品的概念」。
人類最早開始製造人工磁鐵，是在1917年的時候，到現在經過約100年時間。
其實磁鐵最早是在西元前300年左右，在希臘的馬格尼西亞州（magnesia）偶然發現的。馬格尼西亞的地名「magnet」意思就是「磁鐵」，這種自然形成的磁鐵，稱為「天然磁鐵」。
最早製造人工磁鐵的是日本人，這種磁鐵稱為「KS鋼」，由日本東北大學本多光太郎（1870～1954年）在1917年發明。從「KS鋼」「鋼」字，可知使用鐵作為材料，也就是鐵鋼材料。證明了「鐵可以變成磁鐵」。
第一次世界大戰於1914年開戰，1917年時期的日本物資匱乏，想要繼續打仗，飛機、戰車、船、橋等必須有鋼鐵的自給自足。於是，1916年時，為了鋼鐵的研究，現在的日本東北大學（舊名東北帝國大學自然科大學）成立了臨時理化學研究所第2部門（以鋼鐵研究為中心）。
現在，日本東北大學金屬材料研究所（1922年設立），通稱「金研」，堪稱金屬和磁鐵的聖地。研究所設立時期，由於住友財團大量捐款，因此以當時住友財團領導人的名字，住友（＝S）吉左右衛門（＝K）命名為「KS鋼磁鐵」，算是報答資金援助的恩情。
本多光太郎被稱為「鋼鐵之父」，而就製造世界第一個人工磁鐵的意義來說，他也可以稱作「磁鐵之父」。現在日本對於金屬材料發展研究有所貢獻的人，會頒發「本多紀念獎」、「本多開拓者獎（Honda Frontier Award）」。另外，本多先生門下優異學生有村上武次郎、增本量、茅誠司等，人才輩出。
KS鋼磁鐵主要使用的材料是「鐵」，其他還有鈷、鎢、鎘碳等金屬（元素）。是一種「合金」。
「為什麼純鐵無法製造磁鐵？」、「為什麼鐵是磁鐵的主要材料？」想想這些問題，等下聽講時會發現到更多事喔。
製造KS鋼的時候，我們首先會高溫加熱鐵，再放入水中瞬間冷卻（急速冷卻）以製造磁鐵。
這方法也適用製造刀子、菜刀等。刀子「除了硬度，也要求韌性」。在刀光劍影之下，刀子若容易斷掉，那可就慘了。所以，過去的人由經驗得知，以淬火（加熱刀身到溫度800℃左右）、回火（放入水中瞬間降低溫度）來調節溫度，增加鐵的強度與黏著度（韌性）。
鋼鐵的製造也活用了這個經驗。這樣我們就能夠理解，本多光太郎在製造鋼鐵的過程，會得到「人工磁鐵」副產物。
本多光太郎證明了「磁鐵能夠人工生產」，接著邁入磁鐵的開發競爭時期。前面提到，KS鋼除了鐵，還加入鈷、鎢、鎘、碳等物質。然後，一些研究專家突發奇想：「試著在鐵中加入各種元素，改變加熱的溫度，如何？」
你知道磁鐵不耐熱嗎？我小的時候，家裡有七輪烤爐，家人會在裡頭添加煤炭燃燒，再將水壺放在爐上燒開水。
我小時候調皮，將磁鐵放入燒得透紅的煤炭玩，看到磁鐵整個變紅，再把它拿出來，結果原本強力磁鐵，卻完全沒有磁性了，連釘子都吸附不住。小的時候便從玩樂中學到「磁鐵不耐熱」。
現在已經沒有家庭在使用煤炭了，但我們可以拿鑷子或夾子夾到瓦斯爐上加熱，磁鐵也會失去磁力。我們來做個簡單的實驗。
首先，我們先準備一塊磁鐵。在此使用研究室中的「釹磁鐵」（①），這是史上最強的磁鐵。順便一提，雖然稱為釹磁鐵，但材料大部分還是鐵。
這一小塊釹磁鐵，也能夠吸起老虎鉗（②）。雖然還可以吸起更重的老虎鉗，但用鑷子不好拿，這邊我們只需要知道「這是磁鐵」就可以了。
接著，將這個釹磁鐵拿到家用瓦斯爐上烘烤。瓦斯爐出現藍紅色的火焰（③）。家用瓦斯爐火溫度大約在1700℃～1900℃左右，磁鐵溫度應該可上升到800℃左右。
然後，將老虎鉗放到磁鐵旁邊，可見兩者完全沒有吸附在一起（④），證明磁鐵失去磁力。這過程稱為「消磁」。把磁鐵放著，自然情形下不會變回磁鐵，但經過「充磁」可以恢復磁鐵功能。
在本多光太郎發明KS鋼後來，1931年，東京大學三島德七（1893～1975年）發明「MK鋼」。這是比KS鋼還要強力的磁鐵，由「鐵、鎳、鋁」組成。另外，雖然發明者是三島（M）德七（T），為什麼命名為「MK鋼」呢？這是由「Mishima－Kizumi」字首（養父母三島家和生父母喜住家）而得的名字。
本多光太郎也不落人後，繼對手發表強力又便宜的MK鋼後來，他也在1934年發表同等級的新KS鋼。研究開發需要有相互較勁的對手，他們就是最佳例證。
繼MK鋼、新KS鋼後來，促進日本成果發展的是，強力磁鐵的「鋁鎳鈷合金磁鐵」。鋁鈷鎳合金是指「含有鋁、鎳、鈷（Al－Ni－Co）鐵合金磁鐵」，特色是使用了鐵和鈷，直到現在仍然使用在音響、測量器等機器中。使用鋁鎳鈷合金磁鐵的音響，音質比較好，這是音響宅之間的常識，但沒有任何科學根據。
前面所講的KS鋼、MK鋼、鋁鎳鈷合金磁鐵，都是金屬類的磁鐵。這邊來介紹不同類型的磁鐵——「鐵氧體磁鐵」，這種磁鐵也是仍然使用在各處。
鐵氧體磁鐵始於1930年東京工業大學加藤與五郎、武井武發明的鈷鐵氧體磁鐵，後來經由飛利浦實用化，於發明MK鋼（三島德七）的1年前（1930年）公布於世。
鐵氧體是指「使用氧化物的磁鐵」。從前都是認為「磁鐵即為金屬」，但當時證明了「氧化鐵也可以為磁鐵」。氧化鐵就像鐵鏽。磁鐵屬於金屬類，生鏽會失去磁力，所以最後通常會進行鎳等表面塗層加工，但鐵氧體磁鐵不需要這個步驟。
總之，「生鏽的鐵可變為磁鐵」是一個世紀重大發現。這個鐵氧體磁鐵，現在也作為工業材料大量使用，可說是磁鐵的代表性產品。
鐵氧體磁鐵的最大特色是材料成本便宜。鋼鐵的製造工程會出現廢物（副產物），產生大量的鐵氧化物。這些鐵氧化物可以作為鐵氧體磁鐵的原料。例如製造豆腐會產生大量的大豆殘渣「豆渣」。過去幾乎可以免費取得，但最近健康飲食風尚，日本超市開始販售調理用的豆渣。同樣的情形，鐵的氧化物可以大量、便宜地提供，作為鐵氧化體磁鐵的材料。
鐵氧體磁鐵的製造是加熱固化便宜的鐵氧化物，以燒結法就能製造磁鐵。這種磁鐵稱為「燒結磁鐵」。鐵氧體磁鐵非常便宜，可以使用在很多地方，例如汽車零件的馬達、雨刷不要求高性能的部分、雷射印表機感光滾筒、音響等等，鐵氧體磁鐵可以使用在各個地方。
然而，單就性能來看，最大磁能積只有每平方公尺40K焦耳（/m^3），相較於前面金屬類鋁鎳鈷磁鐵為100K焦耳（/m^3），鐵氧體的性明顯低下。關於「最大磁能積」正確意義，等一下再說明，現在先來討論「磁鐵的性能指數」。將磁力強度大致排序，順序為①釹磁鐵，②釤鈷磁鐵，③釹黏結磁鐵，④鋁鎳鈷磁鐵，⑤鐵氧體磁鐵……。
荷蘭飛利浦公司在1932年時取得中鐵氧體磁鐵專利，實際上只應用在無線電上，世界上最早完成實用化的則是日本東京電器化學工業（現TDK）。
若能將這個鐵氧體磁鐵磁能積，提升近至100K焦耳（/m^3），這種便宜又豐富的材料將會帶給產業界重大衝擊。
不過，從「一不小心」錯誤產生大發現的例子不勝枚舉，鐵氧體磁鐵也是其中一個例子。據說武井武博士有一天回家前，不小心忘記關掉實驗裝置電源，隔天進實驗室，發現鐵氧體帶有強大的磁力。
進入1960年代，出現更令人驚豔的磁鐵——「稀土磁鐵」。
在這之前都是鐵磁性的「鐵、鈷、鎳」3種元素受到關注，但現在開始將眼光放向釤、釹等奇異的「稀土元素」。人們發現在鐵、鈷等磁鐵材料中摻入稀土元素後，磁鐵性能會急速上升。
稀土元素是稱為稀有土類的17種元素，其中15個元素屬於週期表中的鑭系元素。
接著，1966年時，美國空軍材料研究所賀佛爾（Hoffer）、斯特爾納德（Strnadt）聯合發表，鈷（鐵磁性）摻入稀土元素釔的化合物帶有磁力特性，可作為磁鐵之用。由這個研究可知，利用稀土元素，我們可以製造性能好的磁鐵。70年代時，嘗試在鈷中混入另一種稀土元素釤，結果磁鐵的性能大幅提升。原本還存在著「100K焦耳的障壁」，「釤＋鈷」磁鐵的磁能積（BH）卻表現出180K焦耳（/m^3），急速上升接近2倍。這種磁鐵稱為「釤磁鐵」或者「釤鈷磁鐵」（釤鈷合金磁鐵的簡稱）。
至此，後來磁鐵開發的時候，都會在「鐵、鎳、鈷」等鐵磁性金屬中，混入某些稀土元素。這類有著壓倒性磁力的磁鐵，特別稱為「稀土磁鐵」或「rare earth magnet」。
釤磁鐵原來是美國發明，後來日本人也在稀土磁鐵上有所貢獻。〖Sm〗_2 〖(Co,Fe,Cu,Zr)〗_是由17元素組合複雜的磁鐵，比例Sm為2，鈷（Co）、鐵（Fe）、銅（Cu）、鋯（Zr）混合組成為17，這種合金非常精細。這樣複雜的元素組合，能夠增強磁鐵的性能。
前面提到鐵磁性的元素有「鐵、鈷、鎳」，當時認為「加入鈷的磁鐵最強」，一些磁鐵都加入鈷。鎳磁鐵中也使用了鈷，邁入稀土磁鐵時代的原本，「鈷是磁鐵之王」，那時在鈷中混入稀土元素為主流。
雖然稱為「釤磁鐵」、「釤鈷磁鐵」，但相較於釤元素（稀土元素）實際使用的量，鐵磁性的鈷還是壓倒性的多，如同前面所說，我們需要大量加入磁性強的金屬才有辦法製造強力的磁鐵。
因為這個原因，鈷被大量使用。鈷多開採於非洲的剛果（薩伊 ）、尚比亞等俗稱銅帶省（Copperbelt）地區。Copper是「銅」意思，開採銅的同時，也會得到副產物鈷。1960年代，日本的鈷輸入仰賴剛果，但在70年代時剛果一帶發生紛爭，鈷的供給緊縮，價格急速抬升。
由於鈷的價格急漲4～5倍，不久便出現供給危機，磁鐵業界前途茫茫。所以，人們才會將注意轉向鐵磁性材料中最便宜且容易磁化的「鐵」。至此後來，研究專家、廠商之間達成共識「使用鐵來製造磁鐵」。
所以，距今40年前，日本政府展開了「元素戰略」研究。
在所有元素中，能作為磁鐵本體的鐵磁性元素，只有「鐵、鈷、鎳」三種。雖然其他稀土元素釓（原子序64）也有鐵磁性，但資源量稀少，就磁鐵的材料來說，缺乏商業價值。即便想從週期表中自然存在的90種元素尋找，能作為磁鐵材料的只有這三個元素，選擇不多。
於是，世界上磁鐵的研究專家在鈷的供給不穩定、價格飛漲的時期，就將目標轉向以「鐵」製造更高性能的磁鐵。
在這樣的背景下，佐川眞人先生於1982年發明了「釹磁鐵」。這磁鐵是以磁鐵製造法中優異的燒結法製造，歷經30年至今，釹磁鐵仍然是史上最強的磁鐵。
佐川先生在富士通上班的時候，注意到「釹2：鐵14：硼1（硼是指硼素）」組合能夠製造強力磁鐵，從富士通轉往住友特殊金屬公司（現為日立金屬）後來，發明了釹磁鐵，用短短不到2年的時間，在1984年時成功事業化，現在稱之為「釹磁鐵」。
雖然名字叫做釹磁鐵，但主要的成分當然還是「鐵」。組成比例為鐵佔全體3分之2為66％，釹佔3分之1為33％，剩下為硼等其他元素。釹磁鐵特色就在於大量使用稀土元素做成釹的強力磁鐵。
雖然釹為稀土（rare earth）元素，但釹的埋藏量比鈷還要多。因此未來鈷可能會大量用在鋰電池上。這樣一來，相較於大量使用鈷的磁鐵，使用釹和鐵製造的磁鐵更具有資源上的優勢。另外，釤的埋藏量大約只有釹的10分之1，即便釤鈷磁鐵在高溫用途上取代一部份的釹磁鐵，釹磁鐵依然適合作為大量消費用的磁鐵。
鈷危機並不只於磁鐵原料。由於日本缺乏地下資源，而且，不像其他國家的一般產品、「商品化」產品，在成本上，日本產業沒有辦法與新興國家競爭。
若不持續製造性能、機能出類拔萃的產品，日本的產業將無法立足。混合動力車、燃料電池車等就是典型的例子，如同這些例子，日本的高性能磁鐵從基礎支持日本各種最尖端產品，其中釹磁鐵的貢獻更是不容小覷。特別是在汽車領域，和傳統的引擎汽車不同，混合動力車、電動車、燃料電池車等等，主要都是依靠「馬達」驅動，裡頭使用的釹磁鐵將會是環境保育汽車的關鍵角色。
磁鐵不耐熱的特性已經由瓦斯爐的實驗證實了。其中，鐵等鐵磁性材料失去磁性的溫度稱為「居禮溫度」（居里點），也就是磁鐵磁性變為零的溫度，不同的材料居禮溫度會不同。當然，並不是說一達到那個溫度，磁性就會瞬間變為零，而是隨著溫度上升，磁性漸漸衰弱。這個現象在各種材料的磁鐵上都會發生。只是，作為磁鐵素材，盡可能使用居禮溫度較高的材料會比較好。
由圖可知，純鐵的居禮溫度為771℃，摻入鈷的鐵（FeCo）則提升至937℃。釤磁鐵（釤鈷磁鐵： ）的居禮溫度為747℃，但釹磁鐵在315℃時磁性會歸零，是非常低的溫度。
為使釹磁鐵在這樣的高溫環境下，能夠不失去保磁力、維持磁鐵特性，我們會刻意添加「鏑」元素。是不是覺得這元素很陌生呢？和釹、釤一樣，鏑也是稀土元素的一員。添加鏑元素，釹磁鐵就可以活用在混合動力車的馬達上。「這樣可以安心了！」但你若這樣想，那就大錯特錯了。因為溫度對策的關係，使得「最大磁能積」比原來的釹磁鐵還低。釹磁鐵的最大磁能積為400K焦耳（/m^3），添加鏑後下降至250K焦耳（/m^3）左右。雖然添加鏑有助於對抗高溫，卻反而削減了原本給予汽車高功率的磁鐵力量（最大磁能積），使得混合動力車僅發揮6成的力量。
其實，鏑的添加另一個更大的問題。
雖然釹、鏑同樣為稀土元素，但釹在稀土元素中屬於埋藏量、生產量較為豐富的元素，但鏑含量卻只有釹的10分之1，造成鏑價格較高且容易暴漲暴跌。
鏑元素的供給從現在到未來只會愈來愈少，不會有改善的情形。
那麼，稀土元素的需求變化又如何呢？未來需求只會是直線上升。接下來就要詳細討論這樣的情況，以及為了尋求解決方案，各界研究專家所作的努力，都將呈現在本書中。

關於磁鐵的應用範圍，若想要一一找出來，會沒完沒了，但我想日本家電厲害之處就在於，將他國沒有使用的高性能磁鐵投入產品設計。例如，在美國，空調是使用便宜的鐵氧體磁鐵，產品體積不僅大，聲音也吵雜。日本的空調，令外國人最感到驚訝的地方是「體積小、靜音、節能」。這些特性都是來自於釹磁鐵的使用。
就「體積小、靜音」來說，洗衣機也有這樣的應用，帶來節能的效果。日本人一向理所應當認為，產品就是要靜音、小型化，因此磁鐵扮演著非常重要的角色。
過去有「輕薄短小」說法，而日本的強項就在於「小型、高性能」。例如，Sony生...

序言

第0節課 序幕 產業新人磁鐵研習營，開課！

第1節課 縱觀磁鐵的開發史
1磁鐵的開發
2 KS鋼接著是MK鋼！
3 強而有力的稀土磁鐵
4 釹磁鐵的誕生！
5 磁鐵的研究發展？

第2節課 學習磁鐵的基礎
1 「磁場」是什麼？
2 將磁鐵對半再對半……
3 保磁力、磁能積是什麼？
4 探索磁區與磁壁的世界！
5 釹在磁石中的功用
6 為什麼釹磁鐵需要釹、硼？
7 認識磁滯曲線
8 「相分離」在強磁體中之應用
9 利用相分離的稀土元素「優點取向」

第3節課 磁鐵的製造與應用
1 燒結磁鐵的製造步驟
2 液態急冷～熱加工的製造方法
3 磁鐵的用途
4 為什麼變壓器是使用軟磁性材料？
5 馬達中的雙重磁鐵

第4節課 磁性的運用
1 4種磁性：鐵磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性
2 HDD是磁鐵的集合體！
3 不可思議的浮動磁頭

第5節課 挑戰終極製造——釹磁鐵
1 釹磁鐵的製造有「隱藏成分」嗎？
2 挑戰3微米障礙
3 「液態急冷＋熱加工」兩階段方法
4 原子探針分析保磁力
5 成功發明「省鏑釹磁鐵」！
6微磁學模擬軟體的探索
第6節課 磁鐵研發之道——進入原子級的領域
1 SEM和TEM的差異與使用方式
2 用TEM觀測磁壁的移動
3 FIB製造原始試片

第7節課 進入釹磁鐵實驗室！
1 參觀原子探針
2 參觀FIB儀器
3 用最強悍的泰坦TEM觀測原子
4 實習液態急冷
5 施加磁場的壓製機
6 磁化裝置瞬間製造磁鐵

尾聲 超越釹磁鐵的化合物

序言

第0節課 序幕 產業新人磁鐵研習營，開課！

第1節課 縱觀磁鐵的開發史
1磁鐵的開發
2 KS鋼接著是MK鋼！
3 強而有力的稀土磁鐵
4 釹磁鐵的誕生！
5 磁鐵的研究發展？

第2節課 學習磁鐵的基礎
1 「磁場」是什麼？
2 將磁鐵對半再對半……
3 保磁力、磁能積是什麼？
4 探索磁區與磁壁的世界！
5 釹在磁石中的功用
6 為什麼釹磁鐵需要釹、硼？
7 認識磁滯曲線
8 「相分離」在強磁體中之應用
9 利用相分離的稀土元素「優點取向」

第3節課 磁鐵的製造與應用
1 燒結磁鐵的製造步驟
2 液態急冷～熱加...