Comment sont fabriqués les aimants néodymes ?

Le néodyme, un aimant permanent puissant et... difficile à fabriquer.

INTRODUCTION AU NÉODYME:

Les aimants néodymes, qualifiés de terres rares au même titre que les Somarium-Cobalt, sont issus d’un procédé de fabrication long et complexe. Cela démarre par l’extraction dans des mines, pour ensuite se diriger vers des méthodes métallurgiques de haute technologie.

Toute cette complexité de fabrication n'est pourtant pas un obstacle pour cette nuance d'aimants permanents qui dominent le marché. Si les quantités fabriquées était relativement confidentielles au début des années 90, ses particularités magnétiques extraordinaires et la croissance régulière de ses performances, ont contribué à son essor mondial.

On retrouve le néodyme dans tous les métiers: Automobile, électronique industrielle, ordinateurs et smartphones, générateurs et éoliennes, séparateurs magnétiques... la liste des utilisations contient des milliers de références. Vous seriez surpris de savoir que même l'industrie alimentaire en utilise !

Bien que ce soit le roi des aimants permanents grâce à son induction pouvant atteindre à ce jour 15000 Gauss (1,5 Tesla), son procédé de fabrication est peu connu. Voici un résumé de la dizaine d’étapes nécessaires à la réalisation des néodymes.

RECETTE DE CHIMIE...OU DE CUISINE ?

Commençons par un peu de chimie : Les néodymes sont appelés aussi des néodyme-fer-bore dont le symbole est NdFeB. En jouant sur ces 3 composants et sur d’autres adjuvants, on peut créer des nuances. Encore faut-il savoir comment « mélanger » ces ingrédients dans la marmite, maîtriser les temps de cuisson, utiliser le bon moule, etc. Voyons ensemble les principales étapes de cette recette :

LES ÉTAPES DE FABRICATION DU NÉODYME :

1) EXTRACTION DES TERRES RARES.

Le minerai de terre rare est issu de gisements à ciel ouvert principalement situés en Chine, par des engins aux dimensions démesurées. Ce n’est pas le seul pays qui dispose de ressources naturelles, mais c’est celui qui en a le plus et surtout qui les exploite à des prix impossibles à tenir par la concurrence Australienne, Américaine, Birmane ou Inde. Sur une production mondiale annuelle de 200 000 tonnes, la Chine produit 130 000 tonnes. L'Australie, second producteur mondiale produit moins de... 18000 tonnes.

Il y aurait la possibilité d’extraire du minerai de terres rares situé sur le sol français, cela a été fait il y a plus de 30 ans. Nous avons arrêté car la rentabilité n’était pas au Rendez-vous. Peut-être que nous serons heureux d’exploiter cette ressource dans quelques décennies…

2) CONCASSAGE, BROYAGE, RAFFINAGE.

Le minerai de terre rare est extrait, concassé et convoyé vers des broyeurs qui vont réduire sa granulométrie. Cela facilite la suite de son traitement, notamment la flottaison pendant laquelle il est déversé dans une eau contenant des agents. La réaction permet de délester les terres rares des impuretés.

On entre ensuite dans le domaine de la chimie, avec le raffinage électrochimique et par échange d’ions. Il existe d’autres méthodes de raffinage qui dépendent de la qualité des terres, on peut citer le raffinage électrolytique.

Le minerai raffiné, appelé « concentré », est chauffé à très haute température par électrode et il est ainsi fondu. À l’état liquide à 1700°C, les métaux tant convoités se séparent des matières amorphes et inutiles.

Les métaux sont cependant mélangés entre eux, très difficiles à séparer l’un de l’autre. On retrouve notamment des métaux précieux, du cuivre, du nickel, etc. Leurs propriétés et leurs densités sont parfois très approchantes. Les processus de séparation, qu’ils soient mécaniques, densimétriques et chimiques, sont longs et onéreux.

Il est à ce jour encore impossible de dissocier le néodyme du praséodyme, si bien qu’un quart à un tiers du volume d’un aimant en est composé. Les propriétés sont si proches, qu’il n’y pas d’incidence.

En standard, les nuances N35 à N55 résistent à environ 60°C Maxi. Au delà, ils perdent définitivement leur induction magnétique. Un éventail de nuances au suffixe U, H, SH proposent une résistance à la démagnétisation accrue, portant la température d'utilisation à près de 200°C. En plus des "terres rares", il faut ajouter au mélange habituel des "terres rares lourdes", très coûteuses. Citons le dysprosium et le terbium qui augmentent la coercitivité. Pour minimiser leur utilisation, les fabricants les injectent de manière homogène au moment de la compression des poudres. (Etape 5)

3) FONDRE ET COULER

Les Néodyme-fer-bore sont donc fondus, on y ajoute quelques autres métaux dont les propriétés magnétiques et mécaniques ont un effet positif sur l’alliage NFB. Le mélange en fusion est coulé sous pression en continu, dans une atmosphère sous vide. En sortie de coulée, le métal prend forme et afin de lui donner des propriétés particulières, il est refroidi très fortement.

4) FRAGILISER PUIS BROYER

Habituellement, les métallurgistes évitent l’introduction d’hydrogène dans les métaux car cela les fragilise grandement. Dans le cas particulier des NFB, on cherche justement à fragiliser cette bande en sortie de coulée pour qu’elle se brise en morceaux les plus petits possibles. Des broyeurs mécaniques réduisent encore la granulométrie sans pour autant atteindre le stade de poudre exploitable. Il faut donc aller plus loin dans le process d’affinement.

5) TRANSFORMATION EN POUDRE DE NEODYME

Bien que la taille du NFB ait été considérablement réduite, les morceaux vont ensuite être envoyé dans un cyclone sous pression, qui propulse le produit à très haute vitesse dans un atmosphère de gaz inerte . Ce procédé permet d'éclater les NFB en une poudre de plus en plus fine, on peut désormais parler de particules de néodyme. La poudre de néodyme tant convoitée est enfin obtenue !

6) PRESSER ET DONNER FORME A UN BLOC NEODYME

Toujours dans une ambiance inerte, la poudre est pressée sous haute pression dans des moules. La particularité de cette opération de moulage réside dans la présence d'un champ magnétique puissant qui oriente les grains. Dans la plupart des cas, l’anisotropie est obtenue perpendiculairement. Notez que pour autant, le bloc n'est pas encore devenu magnétique.

Le bloc est pressé une seconde fois par une presse très haute pression, pour le compacter encore un peu plus et éviter les inclusions d'air. Mais ce bloc a encore besoin de quelques étapes pour devenir un petit aimant !

7) FRITTAGE ET RECUIT DU BLOC

Notre masse de néodyme est à nouveau introduit dans un four pour porter sa température juste en dessous de son point de fusion. Durant l’opération de frittage, la forme et la densité sont maîtrisées, car il n'y a pas de changement d'état. Les atomes conservent la même orientation magnétique.

Le frittage permet d'obtenir un ensemble très dur, peu déformable, mais cassant. Un peu à l'image du verre. En sortie de cette opération la taille du bloc est définitive, mais il n'est pas encore prêt à être découpé en petits aimants !

Pour relâcher les contraintes mécaniques des étapes précédentes, en particulier le frittage, on procède à un recuit en partant d'une température de plusieurs centaines de degrés, pour redescendre par étapes successives. On retrouve une technique classique de la métallurgie, pour enlever les tensions dans les aciers et éviter les zones de fragilisation.

8) DÉCOUPES PUIS USINAGES DU BLOC NÉODYME.

Il convient désormais de découper ce magnifique bloc en électro-érosion avec un fil de petite section afin d'éviter les pertes. Vous l'avez compris, il est très long et difficile d'obtenir ces blocs, autant éviter d'en perdre à cette étape. De même, lorsque les surfaces et les angles sont meulés.

La matière est tellement précieuse que les fabricants récupère les copeaux et poussières issues de ces opérations. Ils retournent dans le process pour faire parti d'un nouveau bloc de néodyme.

Nous avons enfin des petits aimants dont la forme et les dimensions sont finales !

9) APPLICATION D'UN TRAITEMENT DE SURFACE

Pour éviter la corrosion sur le moyen terme, nos petits aimants néodymes vont subir un dépôt électrolytique à base de nickel. Il s'agit même de Nickel-cuivre-nickel. Vous pouvez aussi acheter les aimants bruts ou avec des dépôts différents, notamment la pulvérisation de d'aluminium zinc. Dans des cas particuliers, comme des atmosphères salines agressives et entraînant des corrosions rapides, un revêtement époxy est proposé par quelques fabricants pour une protection efficace.

10) MAGNÉTISATION DES AIMANTS NÉODYMES.

C'est l'étape magique, qui n'est pourtant pas la plus difficile. L'aimant est placé au centre d'un solénoïde qui est alimenté électriquement de manière à créer un nombre d'Ampère-tours très importants. L'induction très forte et très soudaine traverse le néodyme brièvement. Ce petit bloc de poudre néodyme frittée devient un aimant, offrant sa rémanence pour des dizaines d'années, sans ajout d'énergie. C'est la toute la magie des aimants permanents que l'on dit "magnétisés à vie". Un pôle Nord et un pôle Sud, un fort pouvoir d'attraction, et des possibilités incroyables dans bien des domaines industriels et particuliers.

11) QUALITÉ ET ECONOMIES

Vous savez maintenant qu'obtenir un aimant permanent néodyme nécessite de nombreuses étapes, souvent longues et onéreuses. C'est pourquoi la maîtrise du procédé est importante, à la fois pour garantir une qualité de fabrication qui satisfait les clients, mais aussi pour garantir une qualité et une efficience du procédé pour limiter les pertes et les déchets.

L'investissement de départ est très lourd, l'ensemble des machines sont très spécifiques et fabriquées sur mesure pour l'industriel qui en fait la demande. La rentabilité passe par un volume très important et continu. La demande augmente sans cesse depuis 15 ans, et continuera en ce sens car les applications se multiplient et se développent.

LES APPLICATIONS DES AIMANTS PERMANENTS NÉODYMES

Impossible de recenser le nombre d'utilisations tant elles sont nombreuses. Le néodyme a apporté une induction bien plus forte que les ferrites ou autres aimants permanents qui étaient utilisés. Au delà de sa forte induction, parfois 15 fois supérieure à d'autres permanents, la matière néodyme a permis aussi de disposer d'une puissance équivalente dans un espace beaucoup plus réduit. Les aimants néodyme sont à l'origine de beaucoup de miniaturisations ou au moins de la réduction du volume de certains appareils.

Voici quelques utilisations:

• le marché porteur des voitures électriques, Tesla en tête ! Les hybrides ont également des moteurs néodymes.
• les éoliennes de terre ou de mer, avec leurs énormes génératrices.
• moteurs électriques brushless, très diffusés dans toutes les industries sur les robots et les machines outils.
• les climatiseurs industriels ou particuliers.
• les outillages électroportatifs et fixes.
• les haut-parleurs des enceintes, lecteurs vidéo ou audio
• les ordinateurs et autres composants électroniques
• les smartphones que nous changeons régulièrement
• les pièges magnétiques pour l'agroalimentaire, la chimie, la plasturgie et finalement toutes les industries des poudres et pulvérulents.
• les séparateurs magnétiques utilisés dans les centres de recyclage, les mines et carrières, etc.

CONCLUSION:

Non loin de décrier les autres matières servant aux aimants permanents, le néodyme est néanmoins ce qui se fait de mieux en induction.

Les autres matières ont également des atouts: profondeur importante du champ magnétique, résistance aux températures élevées, et prix très bas pour certains.

Concernant la fabrication et l’approvisionnement, il est clair que les grossistes comme les consommateurs sont dépendants de la Chine:

Prix imposé, et qui a déjà subit de fortes variations dans le passé.
Délai important, parfois de 3 mois pour le transport en bateau et le dédouanement.
Délai court si l'on passe pas des revendeurs européens ayant des stocks, mais qui prennent cependant une commission légitime.
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