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Aimants néodyme : Caractéristiques spéciales, production et utilisations
Les aimants néodyme sont les aimants permanents les plus puissants disponibles et peuvent produire des champs magnétiques très puissants dans les espaces les plus petits. Cette propriété permet de les intégrer dans une variété d’appareils et d’applications, même lorsque l’espace est limité.
Cet article étudie ce qui rend les aimants néodyme si puissants, quelles applications sont disponibles, comment ils sont fabriqués et ce qu’il faut prendre en compte lors de leur utilisation.
Qu’est-ce que le néodyme ?
Le néodyme est un élément chimique appartenant au groupe des lanthanoïdes. Il s’agit d’un métal de terre rare et, dans sa forme naturelle, il se trouve uniquement dans des composés chimiques et en présence d’autres lanthanoïdes, en particulier dans les minéraux monazite et bastnäsite. Le néodyme est relativement fréquent dans la croûte terrestre, mais la concentration de l’élément est généralement si faible que l’exploitation minière économique n’est pas possible. Il est donc souvent obtenu comme sous-produit lors de l’exploitation de minerais plus concentrés. Avec plus de 90 % de la production annuelle mondiale de néodyme, la Chine est de loin le fournisseur le plus important de ce métal (2023).
Le néodyme est un métal très réactif qui s’oxyde au contact de l’air. En soi, il a une force magnétique relativement faible, mais il obtient une capacité magnétisante très élevée lorsqu’il est combiné au fer et au bore.
Qu’est-ce qu’un aimant en néodyme ?
Les aimants en néodyme sont un alliage de néodyme-fer-bore, également abrégé NdFeB. Ces composés se caractérisent par leur force magnétique puissante et sont actuellement le matériau disponible avec la force magnétique la plus élevée. Parfois, des éléments supplémentaires sont ajoutés à l’alliage et affectent les propriétés de l’aimant en émanant. La force magnétique des aimants néodyme respectifs dépend largement de leur qualité et de leur composition. MISUMI différencie généralement les aimants néodyme puissants, les aimants néodyme et les aimants néodyme résistants à la chaleur. Pour les différents aimants et types d’aimants proposés dans notre boutique, vous pouvez trouver la densité de flux de surface magnétique respective en Gauss (G) ou Tesla, ainsi que leur force d’attraction magnétique en N, sous forme de tableau clairement structuré.
Production des aimants néodyme
Les aimants en néodyme sont produits en créant un alliage à base de néodyme, de fer et de bore, tout en contrôlant soigneusement la composition exacte. La production est, par exemple, divisée en plusieurs étapes :
| Étape | Description |
|---|---|
| Matériau sélectionnable | Dans la première étape, les matériaux requis, le bore, le fer, le néodyme et éventuellement d’autres composants en alliage, sont fondus séparément et formés en barres rondes. |
| Alliage | Les métaux pour l’alliage sont sélectionnés et liquéfiés dans un four de fusion. Le processus de fusion permet aux atomes de se mélanger au niveau atomique. Le mélange est effectué par agitation ou coulée, par exemple. Les atomes des différents métaux se combinent pour former un alliage homogène. Chaque aimant néodyme a une composition différente, par exemple Nd2Fe14B. |
| Coulée en bande | Lors de la coulée en bande, les matériaux sont placés dans une grande machine de moulage sous pression. Dans cette machine, l’alliage chauffé jusqu’à 1 450°C est fondu dans un four à induction sous vide, dirigé sous pression vers un tambour de refroidissement, puis refroidi très rapidement. Le refroidissement rapide crée de petites plaquettes qui constituent la base des étapes de traitement ultérieures. |
| Décrépitation à l’hydrogène ( fragilisation) | Le matériau est ensuite soumis à un traitement à l’hydrogène. L’infusion d’hydrogène provoque une fragilisation et une réduction supplémentaire de l’alliage sous l’influence de l’atmosphère hydrogène. Cela facilite le traitement du matériau lors du processus de broyage. |
| Processus de broyage | Le mélange est ensuite broyé sous une atmosphère protectrice en une poudre très fine et homogène, puis envoyé vers le dispositif de pressage. |
| Processus de moulage | Le processus de moulage presse la poudre dans la forme de démarrage brutale (par ex. bloc, cylindre). On veille à ce que l’oxygène ne se mélange pas de nouveau._x000D_ Lors de cette étape, on applique un champ magnétique fort pour le premier alignement des particules dans la direction du champ magnétique souhaité par la suite._x000D_ Lors d’un processus de pressage supplémentaire, le matériau est encore compacté et les formes définitives sont créées sous une pression allant jusqu’à 1 000 bars. Une presse à huile compresse ensuite davantage les formes jusqu’à 1 600 bars._x000D_ Les méthodes de pressage suivantes existent :_x000D_ Axial : Le matériau est placé dans une cavité d’outil, dans laquelle il est comprimé par des poinçons pénétrants. Le champ d’alignement magnétique est appliqué avant la compression, parallèlement au sens de compression. Lors du pressage transversal, le champ d’alignement est perpendiculaire à la direction de compression._x000D_ Isostatique : Le champ d’alignement est appliqué sur un conteneur flexible rempli de poudre. Le conteneur est ensuite inséré dans la presse isostatique, dans laquelle la pression est appliquée depuis l’extérieur, par exemple par l’eau. Le matériau se compacte ainsi uniformément sur tous les côtés._x000D_ |
| Frittage | Pendant le frittage, les ébauches sont placées dans un four et frittées pendant plusieurs heures à des températures comprises entre 250°C et 900°C. Ce processus peut prendre environ 20 heures pour les aimants de grade N35 et jusqu’à 36 heures pour les aimants de grade N52._x000D_ La grande majorité de la force magnétique est perdue pendant le frittage, mais l’alignement est maintenu._x000D_ Le refroidissement rapide après frittage empêche la formation de phase indésirable et réduit la contrainte dans le matériau en le trempant. |
| Processus de moulage | Après le frittage, les ébauches sont façonnées dans leur forme définitive. Par exemple, les cylindres sont meulés jusqu’à atteindre le diamètre souhaité. Les blocs sont mis en forme correcte sur des disques abrasifs et la surface est polie pour obtenir une finition lisse._x000D_ Les blocs sont très durs et des outils spéciaux sont nécessaires pour l’usinage. Les copeaux et la poudre doivent également être refroidis avec un fluide de refroidissement pour éviter tout allumage spontané._x000D_ Les aimants peuvent être produits dans diverses variantes :_x000D_ Aimant en néodyme avec trou_x000D_ Aimant en néodyme caoutchouté_x000D_ Aimants rectangulaires, ronds et cylindriques_x000D_ Aimants en néodyme autocollants_x000D_ Petits et grands aimants en néodyme_x000D_ |
| Revêtement | Cette étape est suivie d’un revêtement, qui protège l’aimant de l’oxydation future. Le revêtement peut, par exemple, être en nickel ou en époxy, ce qui confère à l’aimant son aspect typique. |
| Magnétisation | L’aimant est enfin magnétisé lors de la dernière étape. À ce stade, aucune propriété magnétique ne subsiste en raison du traitement thermique. Pour la magnétisation, l’aimant en néodyme est exposé à un champ magnétique extrêmement fort et aligné de manière précise. |
Après la magnétisation, les aimants sont prêts à l’emploi :
Propriétés des aimants en néodyme
Les aimants en néodyme ont un certain nombre de propriétés avantageuses :
- Force de l’aimant élevée : Les aimants en néodyme sont extrêmement puissants.
- Taille compacte : Par rapport aux autres aimants, ils peuvent être fabriqués pour être très légers et compacts en raison de leur force magnétique élevée.
- Miniaturisation : Leur petite taille, à la même force magnétique, influence les dispositifs dans lesquels ils sont installés. L’électronique et d’autres dispositifs peuvent donc être construits en taille beaucoup plus réduite.
- Conversion d’énergie efficace : Ils sont par exemple utilisés dans les éoliennes où ils augmentent l’efficacité des moteurs électriques en raison de leur force magnétique plus élevée et de leur capacité à réduire la masse inertielle, contribuant ainsi à la production d’énergie propre.
- Durabilité : Les aimants néodyme conservent leurs propriétés magnétiques pendant une durée prolongée.
Cependant, ils sont fragiles, ce qui les rend sensibles à la fragmentation. Le frittage les rend très durs et difficiles à usiner. Les aimants en néodyme sont sensibles aux chocs et sujets à la corrosion sans revêtement. Il convient également de prêter attention aux champs magnétiques étrangers lors de leur utilisation. Les champs magnétiques étrangers, orientés différemment, peuvent entraîner une perte partielle ou totale des propriétés magnétiques des aimants en néodyme.
Mode d’emploi
Les précautions suivantes s’appliquent lors de l’installation des aimants :
- Ils sont très fragiles, c’est-à-dire qu’aucune autre option d’usinage n’est disponible.
- L’aimant est sensible aux chocs et doit être installé avec précaution.
- Le rayonnement magnétique peut avoir un effet négatif sur les éléments suivants : appareils électriques tels que téléphones portables, PC, montres et appareils médicaux tels que stimulateurs cardiaques.
- À des températures supérieures à la température de fonctionnement maximale, la force de l’aimant peut diminuer.
- Un choc important ou des modifications des aimants peuvent réduire la force de l’aimant. Une distance de 0,1 à 0,3 mm du corps de base doit être maintenue pour éviter tout choc direct sur les aimants.
Instructions d’installation des aimants en néodyme
- 1 - Pièce à usiner
- 2 - Boîtier
- 3 -Aimant en néodyme
Il convient donc de planifier soigneusement à l’avance l’environnement dans lequel l’aimant en néodyme est utilisé et les groupes de personnes pouvant être autorisés à travailler à proximité de l’aimant en néodyme.
Les plages de température suivantes sont considérées comme une référence pour les différents aimants :
Plages de températures de différentes compositions d’aimants
- 1 - Version haute résistance - Aimant en néodyme
- 2 - Aimant en néodyme
- 3 - Aimant en néodyme résistant à la chaleur
- 4 - Aimant samarium-cobalt
- 5 - Aimant ferrite
- 6 - Aimant AlNiCo (AlNiCo)
Entretien de l’aimant en néodyme
L’entretien et le soin des aimants en néodyme sont importants pour maximiser leur durée de vie et garantir qu’ils conservent leurs propriétés magnétiques. Les mesures suivantes prolongent la durée de vie des aimants en néodyme :
- Protection contre les chocs et les contraintes mécaniques : En raison de leur structure fragile, les aimants en néodyme peuvent se briser facilement. Évitez de les soumettre à des chocs violents ou de les faire tomber.
- Protection contre la corrosion : La corrosion peut dégrader les performances des aimants néodyme. Cela peut être évité par un revêtement approprié. Ils doivent également être conservés dans un endroit sec.
- Protection contre les températures excessives : Des températures élevées peuvent entraîner la perte des propriétés magnétiques. Les limites de température doivent donc toujours être respectées. Ils doivent être conservés dans un endroit frais.
- Démagnétisation : Les aimants néodyme peuvent être démagnétisés à proximité d’autres champs magnétiques puissants. Ils doivent donc être utilisés ou stockés en dehors de la portée de ces champs magnétiques.
Utilisation des aimants néodyme
Les aimants néodyme sont par exemple utilisés dans les rotors à aimant permanent (par ex. moteurs pas à pas et servomoteurs) ou les moteurs linéaires pour le positionnement des axes, comme dans les applications CNC. Certains exemples sont expliqués plus en détail ci-dessous.
Aimants néodyme dans les moteurs linéaires
Les aimants néodyme sont par exemple utilisés dans les rotors de moteurs linéaires. Ils produisent un champ magnétique extrêmement puissant. À l’inverse, un champ magnétique est généré dans le stator par le courant électrique (bobines). Le rotor se déplace maintenant le long de la ligne induite par l’interaction entre les deux champs magnétiques. Selon la conception du moteur linéaire, les aimants permanents peuvent également être placés sur le stator et le rotor peut être équipé de bobines. Ce principe est généralement utilisé dans de nombreux moteurs, voire générateurs. Une sélection de moteurs est également disponible dans notre boutique MISUMI.
Aimants néodyme dans les accouplements et les freins
Par exemple, un champ magnétique transfère le couple sans contact mécanique direct entre les pièces rotatives et fixes. Les freins et les accouplements magnétiques se composent d’un rotor et d’un stator. Ici aussi, le rotor est équipé d’un aimant en néodyme. L’interaction magnétique entre les champs magnétiques du rotor et du stator conduit alors à différentes réactions : dans un accouplement, le rotor est connecté au stator ; dans un frein, le rotor appuie contre le stator.
MISUMI vous permet de choisir parmi une large gamme d’aimants néodyme ainsi que d’autres aimants.
