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Un client qui demande un « aimant en terres rares » ne nous en dit en réalité pas grand-chose.
A-t-on besoin d'une puissance magnétique maximale pour une pièce de très petite taille ? L'aimant sera-t-il placé à proximité d'un enroulement de moteur à haute température ? Est-il exposé à l'humidité ? Doit-il conserver ses propriétés magnétiques pendant dix ans, ou est-il destiné à un produit grand public à bas prix ?
Ces questions ont généralement plus d'importance que cette expression terres rares lui-même.
Le néodyme, le praséodyme, le samarium, le dysprosium et le terbium sont tous associés aux aimants permanents, mais leurs rôles sont différents. Le Nd et le Pr sont étroitement associés aux aimants NdFeB. Le samarium appartient à la famille des SmCo. Le Dy et le Tb sont généralement évoqués lorsque la coercivité et la démagnétisation à haute température deviennent des enjeux importants.
Il est utile de bien comprendre cette différence avant de comparer les qualités ou les prix des aimants.
Que sont les éléments des terres rares ?
Les terres rares constituent un groupe de 17 éléments métalliques. Ce groupe comprend les 15 lanthanides, ainsi que le scandium et l'yttrium.
Leur nom donne souvent l'impression qu'ils sont tous extrêmement rares. Ce n'est pas vraiment là le problème principal. Certains sont relativement répandus, mais la viabilité économique des gisements, la séparation, le raffinage et la transformation en aval constituent une tout autre affaire.
Seuls quelques éléments des terres rares reviennent régulièrement dans les débats sur les aimants permanents.
Élément | Symbole | Pertinence typique pour les aimants permanents |
Néodyme | Nd | Composant principal des aimants NdFeB |
Praseodyme | Pr | Couramment utilisé avec le Nd dans les alliages NdPr |
Dysprosium | Dy | Utilisé pour améliorer la coercivité dans les nuances exigeantes |
Terbium | Tb | Utile lorsqu'une forte résistance à la démagnétisation est requise |
Samarium | Sm | L'élément de terre rare utilisé dans les aimants SmCo |
Ce serait toutefois une erreur de juger un aimant en se contentant de se demander lesquels de ces éléments il contient.
Une faible quantité d'un élément peut modifier la coercivité. Un autre fait partie de la phase magnétique principale. Le procédé de fabrication peut alors modifier à nouveau le résultat final.
Les aimants permanents ne sont pas nécessairement des aimants en terres rares
Les aimants permanents existaient bien avant l'apparition des matériaux modernes à base de NdFeB.
La ferrite, l'AlNiCo, le SmCo et le NdFeB sont tous des matériaux pour aimants permanents, mais seuls le SmCo et le NdFeB appartiennent à la famille des aimants à terres rares.
La ferrite illustre bien pourquoi cette distinction est importante. Sa force magnétique est nettement inférieure à celle du NdFeB de haute qualité, mais la ferrite n'en reste pas moins extrêmement utile. Peu coûteuse, elle résiste bien à la corrosion et offre des performances tout à fait satisfaisantes dans de nombreux moteurs, haut-parleurs et appareils ménagers.
Le fait de remplacer la ferrite par du néodyme dans ces produits ne les rendrait pas automatiquement meilleurs.
La situation change lorsque l'espace vient à manquer.
Si le volume disponible pour l'aimant est réduit mais que la conception nécessite tout de même un flux magnétique important, un aimant à plus haute énergie peut résoudre un problème qui, sans cela, nécessiterait un circuit magnétique plus grand. C'est l'une des raisons pratiques pour lesquelles les aimants en terres rares ont pris de l'importance dans les moteurs compacts et les produits électroniques.
Quel est le rôle exact des éléments de terres rares à l'intérieur d'un aimant ?
La réponse dépend de l'élément.
La principale phase magnétique dure d'un aimant au néodyme est à base de Nd₂Fe₁₄B. Sa structure cristalline confère au matériau des propriétés qui permettent d'atteindre une énergie magnétique très élevée.
Les alliages utilisés en production sont plus complexes.
Une partie du néodyme peut être associée au praséodyme ou remplacée par celui-ci. D'autres additifs sont utilisés pour ajuster les joints de grains, le comportement à la corrosion, l'aptitude à la fabrication ou la coercivité. La composition exacte varie selon les fabricants et les nuances d'aimants.
C'est aussi pour cette raison que la composition chimique à elle seule ne suffit pas à donner une image complète de la situation.
Deux aimants peuvent sembler similaires sur une fiche technique de base, mais se comporter différemment après transformation. La granulométrie de la poudre, l'absorption d'oxygène, l'alignement des grains, les conditions de frittage et le traitement thermique peuvent tous avoir une incidence sur la pièce finie.
Quiconque choisit ses aimants en se basant uniquement sur leur composition chimique passe donc à côté d'une grande partie de la réalité.
Quel est le lien entre les éléments des terres rares et les aimants NdFeB ?
NdFeB signifie « néodyme-fer-bore », bien que le matériau commercial ne se limite que rarement à ces trois éléments.
Ce qui a fait l'importance du NdFeB, ce n'est pas simplement la découverte d'un nouveau matériau magnétique. Cela a permis aux concepteurs d'obtenir une énergie magnétique bien plus importante à partir d'un volume relativement faible.
Prenons l'exemple d'un servomoteur compact.
Il se peut qu'il n'y ait que très peu de marge pour augmenter la taille du rotor. Un aimant permanent plus puissant offre au concepteur une autre solution pour atteindre le couple requis sans que le moteur ne devienne beaucoup plus volumineux.
Cet avantage se retrouve également dans les articulations robotiques, les outils électriques, les haut-parleurs, les capteurs et de nombreux systèmes d'entraînement électriques.
Pour autant, la nuance présentant la rémanence la plus élevée n'est pas toujours le bon choix.
Nous recevons souvent des demandes dans lesquelles le client demande dans un premier temps « l'aimant N52 le plus puissant ». Une fois l'application discutée, il s'avère que l'aimant est intégré à un moteur qui chauffe considérablement. Dans ce cas, le comportement thermique et la coercivité peuvent s'avérer plus importants qu'une légère augmentation de la puissance magnétique à température ambiante.
Une note, à elle seule, ne reflète jamais l'ensemble du dossier de candidature.
Pourquoi le dysprosium et le terbium sont-ils importants ?
Le Dy et le Tb prennent toute leur importance lorsque l'aimant doit conserver son aimantation dans des conditions plus difficiles.
La chaleur est l'un des problèmes. Un champ magnétique inverse puissant en est un autre.
À l'intérieur d'un moteur en fonctionnement, un aimant permanent n'évolue pas dans les conditions idéales décrites dans la fiche technique d'un laboratoire. Des variations de température, des changements de charge et des champs opposés peuvent tous survenir pendant le fonctionnement.
Si la coercivité est trop faible, une partie de l'aimant peut subir une démagnétisation irréversible.
Le dysprosium et le terbium peuvent contribuer à renforcer la résistance à ce problème. L'inconvénient est que ces deux matériaux sont coûteux, et que le simple fait d'en ajouter davantage ne constitue pas une solution technique élégante.
Cette situation a incité les fabricants d'aimants à utiliser les terres rares lourdes de manière plus efficace.
La diffusion aux limites des grains constitue une approche possible. Au lieu de répartir la même concentration de Dy ou de Tb dans l'ensemble du corps de l'aimant, le matériau peut être introduit de manière à concentrer son effet autour des limites des grains.
Ce qu'il faut retenir pour un acheteur est simple : un aimant contenant davantage de Dy n'est pas forcément meilleur.
Ce qui importe, c'est de savoir si l'aimant fini présente la coercivité requise par le circuit magnétique concerné et la température de fonctionnement.
Quelle est la place du samarium-cobalt ?
SmCo s'adresse à un marché quelque peu différent de celui du NdFeB classique.
Un concepteur opte rarement pour ce matériau simplement parce qu'il souhaite obtenir la force magnétique la plus élevée possible. Le SmCo est généralement privilégié lorsque la stabilité dans des conditions difficiles commence à l'emporter sur le coût initial du matériau.
La chaleur en est un exemple.
Pour un instrument, un moteur ou un capteur fonctionnant dans un environnement soumis à une chaleur constante, le SmCo peut offrir une marge de fonctionnement plus confortable qu’une nuance de NdFeB. Sa résistance à la corrosion est également utile dans les applications où la protection de la surface nécessiterait autrement une attention particulière.
Les composants aérospatiaux, les moteurs à haute température et les équipements de détection de précision en sont des exemples courants.
Ce n'est pas un matériau parfait.
Le SmCo est un matériau fragile. Son usinage nécessite de la prudence, et un assemblage négligent peut entraîner des ébréchures ou des fissures. Il est également plus coûteux que de nombreuses nuances courantes de NdFeB.
Il n'existe pas de température universelle à partir de laquelle tout ingénieur devrait cesser d'utiliser le NdFeB et passer au SmCo. La géométrie de l'aimant, la courbe de charge, la qualité du matériau, les matériaux environnants et la durée de vie prévue sont autant de facteurs qui influencent cette décision.
Cela rend peu fiable la règle simpliste selon laquelle « le NdFeB est utilisé en dessous de X °C et le SmCo au-dessus de X °C ».
Aimants en terres rares et aimants permanents classiques
Une comparaison sommaire reste utile, à condition de ne pas la considérer comme un tableau de sélection.
Matériau | Terres rares ? | Les domaines dans lesquels il obtient généralement de bons résultats | Principale préoccupation |
NdFeB | Oui | Puissance magnétique élevée dans un espace restreint | La résistance à la chaleur et à la corrosion dépend fortement de la nuance et de la protection |
SmCo | Oui | Températures élevées et environnements difficiles | Coût et fragilité |
Ferrite | Non | Applications où le coût est un facteur déterminant et qui nécessitent une résistance à la corrosion | Nécessite un volume plus important pour obtenir un rendement magnétique équivalent |
AlNiCo | Non | Instruments et capteurs pour hautes températures | Coercivité relativement faible |
Dans la pratique, le choix des matériaux dépend souvent de ce que la conception permet.
S'il y a suffisamment d'espace, la ferrite pourrait permettre d'atteindre l'objectif à un coût bien moindre.
Si le produit doit être réduit en taille, le NdFeB pourrait permettre cette modification.
Si la stabilité thermique est le critère déterminant dans la conception, le SmCo commence alors à justifier son prix plus élevé.
C'est plus utile que de classer ces quatre matériaux du « meilleur » au « pire ».
Pourquoi les aimants en terres rares peuvent-ils produire autant d'énergie magnétique ?
Il y a plusieurs raisons, et elles se complètent.
La structure cristalline de matériaux tels que le NdFeB leur confère une forte anisotropie magnétique. En termes simples, ce matériau présente des directions de magnétisation fortement privilégiées.
Un traitement adéquat permet alors d'obtenir une microstructure qui aide le matériau à conserver cette magnétisation.
La rémanence, la coercivité et le produit d'énergie maximal décrivent différents aspects de ce comportement, mais ils ne doivent pas être considérés comme trois valeurs indépendantes qu'il faudrait maximiser.
Par exemple, l'augmentation de la rémanence n'est utile que si l'aimant dispose encore d'une coercivité suffisante pour ses conditions de fonctionnement.
Le BHmax s'avère particulièrement utile lorsque la taille est un facteur déterminant. Un matériau présentant un produit énergétique maximal plus élevé permet souvent d'obtenir les performances magnétiques requises avec un volume d'aimant réduit.
Cela ne signifie pas pour autant que chaque conception doive systématiquement opter pour le matériau présentant la valeur BHmax la plus élevée.
Les ingénieurs s'efforcent de trouver le juste équilibre entre le rendement magnétique, le prix, la température, la taille et la fiabilité.
NdFeB ou SmCo ?
Cette question est souvent posée trop tôt dans le cadre d'un projet.
Avant de faire notre choix entre les deux, nous aimerions savoir où sera placé l'aimant.
Pour un moteur industriel relativement compact fonctionnant à des températures modérées, le choix se portera souvent sur le NdFeB. Ce matériau est largement disponible, il existe de nombreuses qualités parmi lesquelles choisir et ses performances magnétiques sont excellentes.
Imaginez maintenant un autre moteur.
Il fonctionne en continu à une température bien plus élevée. Son entretien est difficile, et la dégradation magnétique au cours de sa durée de vie entraînerait une panne coûteuse.
Le surcoût lié à l'utilisation du SmCo peut soudain paraître négligeable par rapport au coût qu'entraînerait une refonte ou un remplacement ultérieur de l'équipement.
C'est pourquoi les devis d'aimants basés uniquement sur les dimensions sont risqués.
Un même dessin pourrait tout à fait être réalisé à partir de deux matériaux magnétiques différents, en fonction de l'endroit où la pièce sera effectivement utilisée.
Les aimants en terres rares dans les moteurs des véhicules électriques
Les véhicules électriques ont considérablement accru l'intérêt pour les aimants permanents à base de terres rares.
Un moteur de traction doit fournir un couple important sans pour autant être trop volumineux ni trop lourd. Le rendement est un facteur essentiel, car chaque perte électrique a, en fin de compte, une incidence sur l'autonomie du véhicule et la gestion thermique.
Le NdFeB donne de bons résultats dans cet environnement, notamment dans les moteurs synchrones à aimants permanents.
Mais un moteur de véhicule électrique illustre également pourquoi le choix des aimants ne peut pas se limiter à leur résistance à température ambiante.
La température du rotor augmente pendant le fonctionnement. L'aimant peut être soumis à de puissants champs opposés. Les conditions de conduite varient constamment entre l'accélération, la conduite en vitesse de croisière et le freinage par récupération.
Une nuance qui présente de bonnes performances sur banc d'essai peut s'avérer insuffisante en termes de coercivité lorsque ces conditions sont réunies.
Les ingénieurs s'efforcent donc non seulement de mettre au point des aimants plus puissants, mais aussi d'améliorer la conception thermique, d'optimiser la structure des moteurs et de réduire l'utilisation de terres rares lourdes, qui sont coûteuses.
L'orientation du développement ne consiste pas simplement à « intégrer davantage de terres rares dans le moteur ».
L'objectif est d'obtenir les performances requises en utilisant moins de matière et en contrôlant mieux les zones d'application de cette matière.
Est-il possible de fabriquer un aimant haute performance sans recourir aux terres rares ?
Il existe déjà des aimants permanents ne contenant pas d'éléments de terres rares. La ferrite et l'AlNiCo en sont la preuve.
Le plus difficile, c'est le remplacement.
Supposons qu'un aimant NdFeB soit retiré d'un moteur compact et remplacé par de la ferrite. La ferrite est certes moins chère, mais le concepteur pourrait alors avoir besoin d'un volume magnétique plus important, d'un rotor plus grand ou d'une configuration électromagnétique différente.
À ce stade, la comparaison du prix au kilogramme ne nous apprend pas grand-chose.
Les chercheurs poursuivent leurs travaux sur les matériaux permettant de réduire la dépendance vis-à-vis des terres rares, en particulier ceux capables de combler l'écart de performances entre la ferrite et le NdFeB.
Pour l'industrie, cependant, un nouveau matériau ne se résume pas à un résultat de laboratoire prometteur. Il doit pouvoir être produit à grande échelle, être raisonnablement stable, reproductible et économiquement viable.
C'est souvent cette dernière étape qui s'avère la plus difficile.
L'industrie manufacturière a un impact plus important que ne le pensent de nombreux acheteurs
La fabrication du NdFeB fritté commence généralement par la préparation de l'alliage, suivie de la production de poudre, de l'alignement magnétique, du pressage, du frittage et du traitement thermique.
Après le frittage, les aimants sont usinés pour obtenir leurs dimensions définitives, revêtus si nécessaire, puis magnétisés.
Aucune de ces opérations n'est anodine.
Les matériaux riches en Nd réagissent facilement avec l'oxygène. Un contrôle insuffisant lors de la préparation de la poudre peut nuire à la fois à la stabilité du procédé et aux performances de l'aimant. L'alignement lors du pressage influe sur l'orientation magnétique. Le traitement thermique affecte les joints de grains.
L'usinage peut entraîner une autre série de problèmes.
Les matériaux à aimants permanents sont généralement plus fragiles que ductiles. Un plan coté qui semble simple pour un composant métallique ordinaire peut nécessiter une approche totalement différente lorsqu’il s’agit de le fabriquer en NdFeB ou en SmCo.
Les arêtes, les parois minces, les petits trous et les tolérances très serrées sont autant de facteurs susceptibles d'influencer le coût de fabrication.
C'est pourquoi l'expérience en matière de production revêt souvent autant d'importance que la qualité nominale de l'aimant.
Comment un acheteur industriel doit-il définir les spécifications d'un aimant à terres rares ?
En général, il ne suffit pas d'envoyer à un fournisseur uniquement les dimensions et une demande de « N52 ».
Il convient d'aborder en premier lieu la question de la température. Il ne s'agit pas seulement de la température ambiante, mais aussi de la température normale de fonctionnement et de tout pic de température de courte durée auquel la pièce pourrait être soumise.
Vient ensuite l'environnement.
Un aimant utilisé à l'intérieur d'un capteur étanche et sec est exposé à un risque de corrosion très différent de celui d'un aimant installé à proximité d'humidité, d'huile ou de brouillard salin.
Le circuit magnétique joue également un rôle important. Les ingénieurs peuvent avoir besoin de connaître les caractéristiques de l'acier environnant, l'entrefer, le sens d'aimantation et de savoir si l'aimant sera soumis à un champ inverse.
Le choix du revêtement dépend de ces conditions plutôt que de l'aspect esthétique.
Il convient également d'aborder dès le début la question du volume annuel. Une solution qui s'avère raisonnable pour une cinquantaine d'échantillons de développement peut ne plus être rentable lorsque la production atteint plusieurs centaines de milliers de pièces.
Pour la plupart des projets industriels, le cahier des charges utile ne se résume pas simplement à :
« NdFeB, N52, 20 × 10 × 5 mm. »
Il s'agit d'une description du comportement que doit adopter cet aimant une fois intégré au produit fini.
Foire aux questions sur les aimants en terres rares
Les aimants en néodyme sont-ils des aimants en terres rares ?
Oui. Le néodyme fait partie du groupe des terres rares, et le NdFeB est classé parmi les aimants permanents à base de terres rares.
Est-ce que tous les aimants permanents contiennent des éléments de terres rares ?
Non. La ferrite et l'AlNiCo ne nécessitent pas d'éléments de terres rares.
Quel est l'aimant permanent le plus puissant parmi ceux couramment utilisés ?
Le NdFeB présente généralement l'énergie magnétique la plus élevée parmi les matériaux pour aimants permanents couramment utilisés dans le commerce.
C'est pourquoi de très petits aimants en néodyme peuvent générer des champs magnétiques étonnamment puissants.
Pourquoi ajouter du dysprosium à un aimant NdFeB ?
Généralement pour améliorer la coercivité et réduire le risque de démagnétisation irréversible, notamment à des températures élevées.
Une teneur plus élevée en Dy ne signifie pas nécessairement que l'aimant est globalement meilleur. Cela peut également augmenter le coût et avoir une incidence sur d'autres propriétés magnétiques.
Le SmCo est-il plus puissant que le NdFeB ?
En règle générale, pas en termes d'énergie magnétique maximale.
Son avantage réside ailleurs : sa stabilité thermique, son comportement face à la corrosion et sa résistance à la démagnétisation dans des conditions difficiles.
La ferrite peut-elle remplacer le néodyme ?
Parfois avec beaucoup de succès.
Si l'espace disponible dans le produit est suffisant et que le champ magnétique requis est modéré, la ferrite peut constituer un choix judicieux.
Dans un moteur très compact, cette même substitution peut nécessiter de repenser bien plus que l'aimant lui-même.
Une approche plus pertinente pour appréhender les aimants en terres rares
La teneur en terres rares ne représente qu'une partie d'un aimant permanent.
Ce qui compte en fin de compte, c'est de savoir si le composant fini continue à remplir sa fonction après avoir passé des milliers d'heures à l'intérieur d'un produit réel.
Dans un cas, cela peut signifier concentrer le rendement magnétique le plus élevé possible dans quelques centimètres cubes. Dans un autre, cela peut signifier résister à la chaleur pendant des années sans subir de perte irréversible notable.
Il s'agit là de problèmes d'ingénierie différents.
Une fois que l'on connaît la température, l'espace disponible, l'environnement, le circuit magnétique et la durée de vie prévue, le rôle du Nd, du Pr, du Dy, du Tb ou du Sm devient beaucoup plus facile à comprendre. À ce stade, le choix entre le NdFeB, le SmCo ou un matériau ne contenant pas de terres rares cesse d'être une comparaison théorique pour devenir un choix pratique de conception.
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