Les aimants permanents : les ressources en « terres rares » et en Néodyme dans le monde

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23573
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Les aimants permanents : les ressources en « terres rares » et en Néodyme dans le monde

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Les aimants permanents La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 78 JEAN-PAUL YONNET Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, G2E Lab, 38000 Grenoble, France 1. Les aimants permanents « terres rares » Les Terres Rares ont révolutionné les aimants permanents. Les aimants « Samarium Cobalt » ont été découverts à la fin des années 60. Leur aptitude à résister à des champs inverses les rend pratiquement impossible à désaimanter. Cette propriété a permis de développer les applications fonctionnant en répulsion comme les paliers magnétiques. En 1983, une nouvelle génération d’aimants permanents terres rares a été inventée : les aimants « Néodyme Fer Bore ». Ces aimants possèdent une induction rémanente très élevée associée à un champ coercitif important. Le Néodyme est beaucoup plus abondant que le Samarium, et le fer est nettement moins cher que le Cobalt. Ils sont particulièrement bien adaptés par les applications à température ambiante : disques durs, imagerie médicale, etc. La figure 1 montre la très forte évolution du produit (B.H)max des aimants avec l’invention des aimants NdFeB. Ce produit (B.H)max représente l’énergie magnétique maximale que peut envoyer un aimant dans un entrefer. La valeur du (B.H)max de 50 MGOe ou de 400 kJ/m3 correspond à une induction rémanente légèrement supérieure à 1,4 T. Figure 1 : Evolution du (B.H)max des aimants Le marché de ces aimants NdFeB a aujourd’hui très largement dépassé celui des autres aimants. La demande est en forte croissance avec le développement des moteurs de véhicules électriques et des éoliennes. Cette croissance est autour de 15 à 20% par an. Ceci conduit à se poser régulièrement la question sur la disponibilité des matières premières, en particulier les « terres rares ». 2. Les terres rares utilisées dans les aimants Les terres rares sont les éléments 57 à 71 de la classification périodique des éléments. Ils sont généralement présentés à part ; il faudrait les glisser entre le Lanthane (57) et l’Hafnium (72). Ces éléments ont des propriétés magnétiques importantes liées à leur structure électronique. Dans les aimants permanents, on utilise surtout le Néodyme (Nd, 60), le Praséodyme (Pr, 59) et le Samarium (Sm, 62) pour obtenir une induction rémanente élevée et un grand champ coercitif. Une autre terre rare est utilisée dans les aimants Néodyme Fer Bore, le Dysprosium (Dy, 66), pour accroitre le champ coercitif dans les applications travaillant à température élevée comme les moteurs électriques. Figure 2 : L’abondance des éléments dans la croute terrestre La figure 2 présente l’abondance des éléments sur la croute terrestre. On voit que les « terres rares », c’est-à-dire les éléments La (Lanthane) à Lu (Lutétium), ne sont pas très rares. Le problème principal, c’est de trouver des minerais suffisamment concentrés en terres rares pour que l’exploitation puisse être rentable. Les deux principaux minerais sont la bastnasite et la monasite. Dans les années 60, la découverte de gisements de bastnasite aux Etats-Unis (MountainPass, Les aimants permanents : les ressources en « terres rares » et en Néodyme dans le monde Résumé : L’invention des aimants Néodyme Fer Bore (NdFeB) en 1983 a été un progrès très important. Ces aimants surclassent largement leurs prédécesseurs grâce à leur induction rémanente très élevée associée à un champ coercitif important. On les trouve aujourd’hui dans de très nombreuses applications, aussi bien dans les dispositifs de taille miniature (dans les montres à quartz par exemple) que dans les gros systèmes (moteurs de véhicules électriques ou d’éoliennes). La disponibilité des matières premières, en particulier du Néodyme, est un problème important. Actuellement les chinois dominent très largement le marché des terres rares, à la fois pour le Néodyme et pour les aimants NdFeB. Les tensions sur ces marchés ont conduit au développement de sources concurrentes. La production mondiale de Néodyme est en cours de diversification, mais la tension reste toujours importante sur le Dysprosium. Les aimants permanents La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 79 CA), a permis de d’extraire ces terres rares en quantité notable et de développer leurs utilisations. Dans les années 80, ce sont les minerais chinois (Baotou) qui ont pris le relais. On considérait à l’époque que les chinois possédaient 85% des réserves mondiales de terres rares. A cause du faible prix des terres rares chinoises, les mines américaines ont fermé et les chinois sont devenus le principal producteur dans le monde de minerais de terres rares, de terres rares séparées, et d’aimants permanents. Actuellement c’est de l’ordre de 85 à 90% des aimants NdFeB (Néodyme Fer Bore) qui sont produits en Chine. La production mondiale de Néodyme est de 20 000 tonnes, celle de Samarium de 2 500 tonnes et celle de Dysprosium de 1 250 tonnes (source USGS pour 2015). 3. La prise de conscience de l’importance stratégique des terres rares Le gouvernement chinois a cherché à limiter la production, en particulier à cause de la pollution engendrée par l’exploitation minière. Cela a produit une très forte instabilité sur les prix des terres rares, et sur les aimants terres rares. Entre 2010 et 2011, le prix du Néodyme a été multiplié par 6. Celui du Dysprosium a été multiplié par 10. Ces prix sont ensuite redescendus mais sans atteindre leur niveau d’avant la crise. C’est à ce moment-là que les pays industrialisés ont réellement pris conscience de l’importance stratégique des terres rares. Dans le domaine de la recherche, on a alors vu se développer des projets d’aimants NdFeB sans Dysprosium, des aimants sans terres rares, et même des moteurs sans aimants. En parallèle, les travaux de recherche sur la récupération des aimants et leur recyclage ont beaucoup avancé. Au niveau des ressources minières, la prospection s’est intensifiée, et on a localisé des minerais exploitables dans de nombreuses régions du monde. Depuis 2012, des mines fermées ont été ré-ouvertes comme celle de Mountain Pass (Etats-Unis) par la société Molycorp. Cette société s’est ensuite déclarée en faillite à cause d’un excès d’endettement en 2015. En Australie, la société Lynas exploite des mines importantes (Mount Weld), et sépare les terres rares à Kuantan en Malaisie. Sa production est en croissance permanente. De nombreux autres projets d’exploitation minière se développent : en Australie (Browns Range / Dy, Nolans Bore, Yangibana), au Canada (Hoidas Lake, Thor Lake, Strange Lake, Eco Ridge, Nechalacho), aux Etats-Unis (Alaska, Nebraska, Texas, Montana), au Brésil, en Afrique du Sud, en Tanzanie, en Namibie, à Madagascar, au Groenland (Kvanefjeld), en Suède (Norra Kärr / Dy et Nd), au Viet-Nam (Lai Chau), en Corée, etc. Aujourd’hui, les spécialistes considèrent que les réserves chinoises ne représentent que 35% des réserves mondiales, au lieu de 85 % dans les années 80. Les investissements nécessaires pour exploiter les minerais et pour ensuite séparer les terres rares sont très importants. Ces installations sont lourdes et longues à mettre en place. Il faudra un peu de temps avant que la part des terres rares chinoises soit notablement réduite, mais tout est en place pour y arriver. Cette diversité des approvisionnements va permettre de stabiliser les prix, et de rendre plus facile le développement des utilisations. 4. Le cas particulier du Dysprosium Dans les minerais, on trouve en même temps toute la série des terres rares. En général, les minerais sont riches en terres rares légères comme le Néodyme, et un peu moins en Praséodyme et en Samarium. Les terres rares lourdes comme le Dysprosium ne sont qu’en quantité très faibles. Le Dysprosium est utilisé dans les aimants fonctionnant à température élevée. En remplaçant une petite partie du Néodyme par du Dysprosium, l’induction rémanente diminue légèrement mais le champ coercitif s’accroit notablement, permettant à l’aimant de fonctionner sans problème à 150°C, dans les moteurs par exemple. Les minerais chinois contiennent un peu de Dysprosium, mais la plupart des autres minerais sont très pauvres en Dysprosium. Ce qui fait que le problème de la disponibilité de cette terre rare va perdurer. Les Etats-Unis ont identifié cette pénurie. Au début des années 2010, ils ont acheté des stocks importants sur le marché pour leurs propres applications stratégiques. Plus récemment, le champ coercitif des aimants sans Dysprosium a été notablement amélioré en contrôlant la taille des grains et la compaction avant frittage lors de la fabrication. Ces améliorations sont en cours d’intégration dans les fabrications industrielles. 5. Conclusion La production des terres rares pour les aimants permanents est en pleine évolution. La demande est de plus en plus importante, à cause du développement des véhicules électriques et hybrides, des éoliennes, des systèmes d’imagerie par résonance magnétique, de tous les systèmes miniaturisés, etc. Suite au quasi monopole chinois et aux variations importantes de prix, l’exploitation de nouvelles mines est en cours, ce qui fait que la production de terres rares va notablement augmenter dans les prochaines années. Les tensions sur le Néodyme devraient s’atténuer, et les volumes disponibles vont s’accroitre. Le seul problème persistant reste celui du Dysprosium, qui va rester peu abondant. Le recyclage des aimants est une voie qui se développe, ce qui permettra de réutiliser les terres rares. 6. Documentation et références Conférences REPM (Rare Earth Permanent Magnet and their Applications) : Crête (Gr) 2008, Bled (Slo) 2010, Nagasaki (Jap) 2012, Annapolis (USA) 2014, Darmstadt (All) 2016