Développement d'un procédé écologique pour le recyclage des aimants permanents Nd-Fe-B : voie hydrothermale, broyage.

par Nicolas Maât

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Marie Le Breton.

Soutenue le 17-02-2017

à Normandie , dans le cadre de École doctorale Sciences physiques mathématiques et de l'Information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016) , en partenariat avec Groupe de Physique des Matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime) (équipe de recherche) et de Groupe de physique des matériaux / GPM (laboratoire) .

Le président du jury était Cyril Aymonier.

Les rapporteurs étaient Sophie Rivoirard, Isabelle Billard.


  • Résumé

    Dans le contexte actuel, l’approvisionnement en terres rares est un enjeu capital, et le recyclage des déchets produits par les sociétés industrialisées apparaît comme une solution extrêmement pertinente d’un point de vue écologique. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés aux aimants permanents Nd-Fe-B, car ils constituent un gisement potentiel important pour le néodyme, mais aussi pour le dysprosium et le praséodyme, éléments également critiques. Plus précisément, les aimants présents au sein des disques durs d’ordinateur ont été étudiés en vue de leur recyclage. L’intérêt est donc de mettre en place des solutions permettant le retraitement et la valorisation de ces aimants, présentant non seulement un impact environnemental faible, mais également un coût bas. Nous avons décidé de nous intéresser au traitement hydrothermal des aimants permanents Nd-Fe-B en vue de leur recyclage. L’étude du traitement thermique des aimants Nd-Fe-B en présence d’une solution saline pour des températures avoisinant les 225°C, permet la mise en évidence d’une dégradation complète du matériau. La poudre récupérée à l’issue du procédé est donc constituée de cristaux octaédriques, correspondant à la magnétite, et de cristaux aciculaires correspondant aux hydroxydes de néodyme, mais également aux différentes terres rares présentes en tant que dopants dans la phase intergranulaire. A l’issue du traitement hydrothermal, les fragments de revêtement peuvent être retirés par tamisage, en raison de leur dimension millimétrique, et les ocydes de fer séparés des hydroxydes de terres rares par séparation magnétique. Afin de valoriser les aimants Nd-Fe-B comme matière première magnétique permettant la fabrication de nouveaux aimants permanents, le broyage a également été envisagé. Des échantillons d’alliage Nd2Fe14B ont été broyés à haute énergie sous atmosphère protectrice, et nous avons réalisé l’étude microstructurale et magnétique de ces poudres. Les échantillons ont été analysés par magnétométrie SQUID, par spectrométrie Mössbauer, ainsi que par Sonde Atomique Tomographique. Ainsi, nous avons pu mettre en évidence un phénomène couplé de décomposition et de nanostructuration à l’échelle moléculaire de la phase Nd2Fe14B. L’ensemble de ce travail a donc permis d’étudier le comportement et les transformations des aimants Nd-Fe-B au cours de deux procédés très différents : le traitement hydrothermal et le broyage mécanique. Les résultats obtenus lors du traitement hydrothermal sont très prometteurs en vue du recyclage des terres rares à grande échelle.

  • Titre traduit

    Development of an Ecological Process for Nd-Fe-B Permanent Magnet Recycling : Hydrothermal Way, Mechanical Milling


  • Résumé

    Rare earth supplying is a very current topic, linked to the rare earth crisis of 2010. « Urban mining » is a promising path for recycling rare earths included in waste daily generated by industralized countries. In this work, we focus on recycling Nd-Fe-B permanent magnets, because they are a very interesting deposit for Neodymium, but also for Dysprosium and Praseodymium. More precisely, permanent magnets included in hard disks drives have been considered. The objective of this work is to set up environmentally friendly and low cost recycling processes for rare earths. First, we investigated hydrothermal treatment of Nd-Fe-B permanent magnets, We developed a new and environmentally friendly approach for recycling Ni−Cu coated Nd-Fe−B permanent magnets included in computer hard disk drives. In a closed reactor, the coated magnets are heated at 250 °C in water mixed with sodium chloride for up to 18 h. First, the hydrothermal treatment induces the removal of the metallic coating that can be recovered by sieving. Then, the Nd-rich phase reacts with water, leading to the formation of Nd(OH)3. Atomic hydrogen is absorbed by the Nd2Fe14B phase, leading to the formation of Nd2Fe14BHx. The volume expansion of the intergranular phase, in relation to the formation of Nd(OH)3, together with the lattice expansion of the Nd2Fe14BHx phase causes the disintegration of the magnets. Finally, Nd2Fe14BHx is oxidized by water into Fe3O4 and Nd(OH)3. The Nd(OH)3 crystals can be isolated from the Fe3O4 crystals by magnetic separation. This process is thus an easy way to extract rare earths from permanent magnets found in WEEE. It uses green chemistry design principles and can be applied to large amounts of magnetic wastes. Mechanical milling of Nd-Fe-B permanent magnets has also been investigated, and, in the study presented here, the milling effect on the magnetic properties of the Nd2Fe14B intermetallic was investigated using SQUID measurements, Mössbauer spectrometry and atom probe tomography (APT). Mechanical milling of the Nd2Fe14B alloy leads to its decomposition and its nanostructuration. This transformation induces first the formation of an amorphous, disordered phase Nd-Fe-B, with an enrichment in Neodymium; then to the formation of a mixture of -Fe and Nd-rich regions. The corresponding microstructure is very characteristic, with the formation of pure iron particles, with a hundred of nanometers in size, surrounded by an amorphous shell enriched in Neodymium and in Boron. Finally, intermixing of these phases is observed. Thanks to this work, we determine the behavior and the transformations of Nd-Fe-B permanent magnets during two very different processes: hydrothermal treatment and mechanical milling. Results obtained with hydrothermal treatment are very promising for recycling rare earths at the industrial scale.


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