EP0305241A1 - Procédé de traitement de surfaces, utilisant une post-décharge électrique dans un gaz en écoulement et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding
Definitions
- the present invention relates to a surface treatment method using an electrical post-discharge in a flowing gas and a device for carrying out this method. It applies in particular to thermochemical treatments of metal parts, such as nitriding, carburization, boriding and oxidation.
- a technique for carrying out a determined treatment of the surface of an electrically conductive object a technique according to which, at a pressure of the order of 100 Pa, an electric voltage is created between an electrode playing the role of anode and the object playing the role of cathode. An electric discharge is thus obtained between the anode and the object.
- these are placed in a gas capable of generating, following the discharge, a plasma containing activated species capable of carrying out the surface treatment of the object and ionized species which heat the object forming the cathode.
- the object of the present invention is to remedy the above drawbacks.
- It firstly relates to a method for carrying out a determined treatment of the surface of a solid object, characterized in that it comprises the formation of an electric discharge in a flowing gas, chosen so as to be capable of generating, following this discharge, a plasma containing neutral (electrically) activated species which are capable of carrying out the surface treatment of the solid object, the discharge being formed so that only these activated species neutrals remain in the post-discharge induced by the plasma downstream of the latter and in that the object is disposed downstream of the plasma, outside any electric field, and exposed to neutral activated species which thus treat its surface, in the absence of charged species (ions, electrons) which, if they were present, would form an electrostatic sheath around the object, which would disturb the processing of this object.
- a method for carrying out a determined treatment of the surface of a solid object characterized in that it comprises the formation of an electric discharge in a flowing gas, chosen so as to be capable of generating, following this discharge, a plasma containing neutral (electrically) activated species which are capable
- a gas is chosen which is capable of generating, due to the electric discharge, a plasma containing neutral activated species which on the one hand are capable of carrying out the desired surface treatment and on the other hand remain for a period of time. sufficient time to reach and treat the surface of the object.
- the object to be treated is placed outside any electric field, which is advantageous: the presence of a residual electric field, poorly controlled, at the level of the object, could disturb the functioning of the plasma and produce inhomogeneities in the treatment of the object.
- the latter does not play any cathode role and can therefore be electrically conductive or electrically insulating or even semiconductor.
- the heating of this object can be controlled independently of the discharge.
- the electric discharge is obtained by creating an electric voltage between two electrodes placed along the gas flow and outside of it. Then, the electric field, which is located between the electrodes, is effectively zero at the level of the object.
- the electrical voltage can be direct or alternating or alternatively straightened.
- the gas pressure may be between approximately 10 ⁇ 2 Pa and approximately 5.105 Pa but, preferably, it is between approximately 1 Pa and approximately 103 Pa for reasons of plasma stability.
- the electric discharge is obtained using microwaves generated outside the gas flow and sent therein, the gas pressure being between approximately 5.103 Pa and about 5.105 Pa.
- the gas pressure is between approximately 5.103 Pa and about 5.105 Pa.
- the pressure is between approximately 105 Pa and approximately 5.105 Pa. Indeed, since the gas pressure is then greater than or equal to atmospheric pressure, no pumping system is necessary for the implementation of the process treatment.
- the method which is the subject of the invention may further comprise heating the object independently of the discharge.
- the gas can be a molecular gas such as H2, N2, O2, CH4 or B2H6, optionally added with a rare gas, or a mixture of at least two such molecular gases, optionally added with a rare gas.
- a molecular gas such as H2, N2, O2, CH4 or B2H6, optionally added with a rare gas, or a mixture of at least two such molecular gases, optionally added with a rare gas.
- the present invention also relates to a device for carrying out a determined treatment of the surface of a solid object, characterized in that it comprises: - a speaker, - Means for creating a flow in the enclosure and from one end to the other thereof, of a gas capable of generating, when an electric discharge occurs there, a plasma containing species activated neutral which are capable of carrying out the surface treatment of the solid object, - means for creating the electrical discharge in a region of the enclosure and so that only neutral activated species remain in the post-discharge induced in the enclosure by the plasma, downstream of the latter, and means for supporting the object, arranged in the enclosure outside said region and of any electric field, between this region and said other end of the enclosure, so that the object is exposed to neutral activated species and treated by them on the surface, in the absence of charged species.
- the means for creating the electrical discharge comprise two electrodes arranged at the level of said region of the enclosure and so that they are placed along the flow and outside of it, and means for creating an electrical voltage between these electrodes.
- the device further comprises means making it possible to adjust the pressure of the gas to a value of between approximately 5.103 Pa and approximately 5.105 Pa
- the means for creating the electric discharge comprise means placed outside the enclosure and intended to generate microwaves and send these in said region of the enclosure, through a wall portion of this enclosure, at least this portion being transparent to microwaves.
- the device of the invention may include means for heating the object to be treated.
- FIG. 1 there is shown schematically a particular embodiment of the device object of the invention.
- the device represented in FIG. 1 comprises an enclosure 2 composed of a first part 4 called “reactor”, of cylindrical shape, for example in Pyrex, and of a second part 6 in the shape of a tube also in Pyrex, one end of which is tightly connected to one end of the reactor.
- reactor a first part 4
- second part 6 in the shape of a tube also in Pyrex, one end of which is tightly connected to one end of the reactor.
- This reactor 4 is closed in a sealed manner by a plate 8.
- the plate 8 is removable, the connection between the latter and the reactor being effected by means of a flange 10.
- the other end of the tube 6 is closed in leaktight manner and crossed, also in leaktight manner, by a conduit 12 which thus opens into the tube 6 by one end.
- the device shown in FIG. 1 being intended to carry out a determined treatment of the surface of an object 14, the other end of the conduit 12 is connected to a bottle 16 which contains a pressurized gas suitable for said treatment and which is provided with a detector 18.
- a flow meter or preferably a mass flow measurement means 20 is mounted on the duct 12.
- a support 22 intended to carry the object to be treated 14.
- This support 22 is provided with resistive heating means 24 such as an electrical resistance, in order to heat the object 14 by Joule effect during the treatment of this object.
- the resistor 24 is connected to a source of electric current 26 by means of electric conductors which pass through the plate 8 by electrically insulating passages.
- a pressure gauge 28 intended for the measurement of the pressure inside the enclosure 2.
- Pumping means 30 communicate, via a pipe passing through the plate 8 in a sealed manner, with the interior of the enclosure 2 and are provided for pumping the gas which is brought to the enclosure 2 by the conduit 12 and which flows from the tube 6 to the reactor 4.
- a tubular element 31 in Pyrex extends the tube 6 inside the reactor 4. One end of this element 31 is fixed to the wall of the reactor 4 opposite said end of the tube 6 and the other end of the element 31 is opposite the support 22.
- the device shown in FIG. 1 also comprises means 32 for producing a plasma 33 in the tube 6.
- These means 32 comprise, on the side of the other end of the tube 6, a cylindrical electrode 34 playing the role of anode and, downstream of this electrode (with respect to the gas flow) another cylindrical electrode 36 playing the role of cathode.
- the electrodes 34 and 36 are respectively placed in two Pyrex housings 35 and 37 which are tightly connected to the tube 6 and these electrodes are separated from each other by a sufficient distance, for example of the order of a few tens of centimeters, to have a large plasma column in this tube.
- the electrodes 34 and 36 are thus internal to the enclosure 2 (internal electrodes) and placed along the gas flow, in positions which prevent them from disturbing the plasma 33 in flow.
- the electrodes 34 and 36 are connected by means of electrical conductors passing respectively through the walls of the housings 35 and 37, to means 38 making it possible to establish a direct electrical voltage between the electrodes 34 and 36.
- these means 38 are provided for establishing an alternating electric voltage, or for establishing a rectified alternating voltage, between the electrodes 34 and 36.
- the frequency of the alternating voltage can be chosen in the range from low frequencies to radio frequencies.
- the processing of the object 14 is carried out as follows: when the gas flows from the tube 6 to the reactor 4, said electrical voltage is established between the electrodes, between which an electrical discharge is formed, which creates a plasma between these electrodes.
- the gas is chosen so as to give rise to particular neutral activated species in the plasma, which on the one hand are capable of carrying out the treatment of the object and on the other hand have a sufficient lifetime for remain in the post-discharge and reach the surface of the object to treat it (after which they are sucked up by the pumping means 30).
- the tubular element 31 has the function of preventing the slowing down and the dispersion of the neutral activated species 15 upon their arrival in the reactor 4.
- the object 14 is placed at a sufficiently short distance from the tubular element 31 to capture the flow of the neutral activated species in question.
- the treatment of the object 14 may require not a single gas but a mixture of several gases, two for example.
- a single bottle 16a containing the desired mixture or use two gas bottles, one referenced 39 containing one of the two gases and the other referenced 40 containing the other gas.
- This other bottle 40 is provided with a regulator 42 and a conduit 46 allowing the supply of gas into the tube 6, this conduit 46 being able to join the conduit 12 so as to obtain a common entry of the two gases into the tube 6
- Another flow meter 44 preferably consisting of mass flow measurement means, is also provided on the duct 46.
- the pressure in the enclosure 2, the gas flow or the respective gas flows, the value of the continuous electric voltage (or the maximum value of the alternating voltage - possibly rectified - and its frequency) applied between the electrodes and the temperature (higher than the ambient temperature) to which the object 14 is possibly brought are adjusted to the desired values.
- FIG 2 there is shown schematically a variant embodiment of the device, in which the means 32 no longer have an electrode inside the tube 6 but include means 48, 50, 52 making it possible to generate a plasma from the outside of the tube 6, know means provided to send microwaves inside the tube 6, always on the side of the other end thereof, so as to be able to form a plasma 53 in the same place as in the embodiment shown in the figure 1.
- the means 32 can thus comprise a microwave coupler 48 supplied by a microwave generator 50 and connected to the latter via a waveguide 52.
- the microwave coupler 48 can be of the type which makes it possible to inject a progressive surface wave into the plasma column. It can be a coupler of the SURFAGUIDE type.
- the pressure in enclosure 2 is adjusted to a value of between 5.103 Pa and 5.105 Pa approximately.
- the means 30 and the associated pipe are eliminated and replaced by means (not shown) allowing the gas to leave the enclosure. without reentry of air therein.
- Object 14 can be made of a metal or a metal alloy.
- the treatment of the object can be a thermochemical treatment of nitriding. Such treatment can be applied to ferrous alloys, titanium and alloys of the latter for example.
- This chemical nitriding treatment can be carried out so as to lead to the synthesis of compounds of the nitride type, capable of being produced in the form of a coating.
- such a coating can be obtained from metallic vapors and a technique of physical vapor deposition (PVD) or from gaseous chemical compounds and a chemical vapor deposition (CVD) technique.
- PVD physical vapor deposition
- CVD chemical vapor deposition
- a post-discharge in accordance with the present invention extends to treatments other than the nitriding treatment (in which the gas used is nitrogen or a mixture of nitrogen and a rare gas such than argon): the treatment can be a carburation, boruration or oxidation treatment, or a mixed treatment, namely carbonitriding, oxynitriding ...
- CH4 gas can be used.
- oxygen or a mixture of oxygen and a rare gas such as argon can be used as the gas.
- a N2-CH4 mixture can be used as gas for carbonitriding, an N2-O2 mixture for oxynitriding ...
- a mixture of hydrogen and nitrogen (or a mixture of hydrogen, nitrogen and a rare gas such as argon) for a nitriding treatment.
- the object 14 can also be an object that does not conduct electricity, for example an object made of silicon or a III-V semiconductor compound, made of GaAs for example.
- the surface treatment of such an object can be nitriding and the gas usable for such treatment can be nitrogen.
- the present invention in fact uses the following observation: only certain neutral activated species remain in a post-discharge (obtained in accordance with the invention), in flow regime, namely atoms like H (the gas being H2 or a mixture of it and argon for example), N (the gas being N2 or a mixture of it and argon for example) and O (the gas being O2 or a mixture thereof and argon for example), and certain metastable states such as N2 (X, V) (the gas being N2 or a mixture thereof and a rare gas such as argon) and as O2 (1 ⁇ ) (the gas being oxygen or a mixture thereof and a rare gas such as argon) which are relatively insensitive to collisions on the cold walls of the pregnant.
- H the gas being H2 or a mixture of it and argon for example
- N the gas being N2 or a mixture of it and argon for example
- O the gas being O2 or a mixture thereof and argon for example
- certain metastable states such
- excitation external to the enclosure using a microwave cavity, can also be used.
- the discharges using microwaves can be carried out in a wide frequency range, from approximately 210 MHz to approximately 2.45 GHz as was shown in an article by C. BOISSE-LAPORTE et al. published in the journal J. Appl. Physics 61 (5), March 1, 1987, pages 1740 to 1746.
- object 14 is a sample of ARMCO iron or a sample of XC 10 steel; the treatment is nitriding; the gas used is nitrogen; the object is brought to a temperature of the order of 550 ° C. by indirect heating; the discharge is carried out in a pyrex tube 6 with a diameter of 20 mm; the nitrogen pressure is between 100 and 500 Pa; the nitrogen flow rate is of the order of 2 to 5 cm3.s ⁇ 1; internal electrodes and a current of the order of 50 to 100 mA are used.
- activated species of type N2 (X, V) and N whose concentrations measured in discharge and in post-discharge have been indicated above.
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Abstract
Selon l'invention, pour traiter en surface un objet solide (14) de façon déterminée, on forme une décharge électrique dans un gaz en écoulement, capable d'engendrer du fait de cette décharge un plasma (33) contenant des espèces activées neutres (15) qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide, la décharge étant formée de façon à ce que seules ces espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite par le plasma en aval de celui-ci et l'objet est disposé en aval du plasma, en dehors de tout champ électrique, et exposé aux espèces activées neutres qui traitent ainsi sa surface, en l'absence d'espèces chargées. Application au traitement de surfaces de pièces métalliques.
Description
- La présente invention concerne un procédé de traitement de surfaces, utilisant une post-décharge électrique dans un gaz en écoulement ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle s'applique notamment aux traitements thermochimiques de pièces métalliques, tels que la nitruration, la carburation, la boruration et l'oxydation.
- On connaît déjà une technique permettant d'effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet électriquement conducteur, technique selon laquelle, à une pression de l'ordre de 100 Pa, on crée une tension électrique entre une électrode jouant le rôle d'anode et l'objet jouant le rôle de cathode. On obtient ainsi une décharge électrique entre l'anode et l'objet. En outre, ceux-ci sont placés dans un gaz capable d'engendrer à la suite de la décharge, un plasma contenant des espèces activées aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet et des espèces ionisées qui chauffent l'objet formant la cathode.
- Cette technique connue présente les inconvénients suivants : l'objet, qui est exposé à la décharge électrique, est impérativement électriquement conducteur pour jouer le rôle de cathode et, du fait de la décharge électrique à laquelle il est exposé, cet objet est simultanément chauffé et traité par le plasma, sans que l'on puisse séparer ces deux fonctions de chauffage et de traitement.
- La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
- Elle a tout d'abord pour objet un procédé pour effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet solide, caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'une décharge électrique dans un gaz en écoulement, choisi de façon à être capable d'engendrer à la suite de cette décharge, un plasma contenant des espèces activées (électriquement) neutres qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide, la décharge étant formée de façon à ce que seules ces espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite par le plasma en aval de celui-ci et en ce que l'objet est disposé en aval du plasma, en dehors de tout champ électrique, et exposé aux espèces activées neutres qui traitent ainsi sa surface, en l'absence d'espèces chargées (ions, électrons) qui, si elles étaient présentes, formeraient une gaine électrostatique autour de l'objet, ce qui perturberait le traitement de cet objet.
- Selon l'invention, on choisit un gaz qui est capable d'engendrer du fait de la décharge électrique un plasma contenant des espèces activées neutres qui d'une part sont capables de réaliser le traitement de surface voulu et d'autre part subsistent pendant un temps suffisant pour pouvoir atteindre la surface de l'objet et traiter cette surface.
- Dans la présente invention, l'objet à traiter est placé en dehors de tout champ électrique, ce qui est avantageux : la présence d'un champ électrique résiduel, mal contrôlé, au niveau de l'objet, pourrait perturber le fonctionnement du plasma et produire des inhomogénéités dans le traitement de l'objet. De plus, ce dernier ne joue aucun rôle de cathode et peut donc être électriquement conducteur ou électriquement isolant ou encore semi-conducteur.
- En outre, étant donné que l'objet n'est pas directement exposé à la décharge électrique produite, on peut maîtriser le chauffage de cet objet indépendamment de la décharge.
- Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, la décharge électrique est obtenue en créant une tension électrique entre deux électrodes placées le long de l'écoulement gazeux et en dehors de celui-ci. Alors, le champ électrique, qui est localisé entre les électrodes, est effectivement nul au niveau de l'objet. La tension électrique peut être continue ou alternative ou encore alternative redressée. La pression du gaz peut être comprise entre environ 10⁻² Pa et environ 5.10⁵ Pa mais, de préférence, elle est comprise entre environ 1 Pa et environ 10³ Pa pour des questions de stabilité de plasma.
- Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier, la décharge électrique est obtenue à l'aide de micro-ondes engendrées à l'extérieur de l'écoulement gazeux et envoyées dans celui-ci, la pression du gaz étant comprise entre environ 5.10³ Pa et environ 5.10⁵ Pa. On travaille ainsi à forte pression avec un plasma de faible dimension. Le champ électrique, dont la propagation est limitée au plasma, est alors tout à fait négligeable au niveau de l'objet. A basse pression, le plasma pouvant atteindre de grandes dimensions, on risquerait d'obtenir un champ électrique non négligeable au niveau de cet objet. De préférence, la pression est comprise entre environ 10⁵ Pa et environ 5.10⁵ Pa. En effet, comme la pression du gaz est alors supérieure ou égale à la pression atmosphérique, aucun système de pompage n'est nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé de traitement.
- Le procédé objet de l'invention peut comprendre en outre un chauffage de l'objet indépendamment de la décharge.
- De plus, le gaz peut être un gaz moléculaire tel que H₂, N₂, O₂, CH₄ ou B₂H₆, éventuellement additionné d'un gaz rare, ou un mélange d'au moins deux tels gaz moléculaires, éventuellement additionné d'un gaz rare.
- La présente invention concerne également un dispositif pour effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet solide, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une enceinte,
- des moyens de création d'un écoulement dans l'enceinte et d'une extrémité à l'autre de celle-ci, d'un gaz apte à engendrer, lorsqu'une décharge électrique s'y produit, un plasma contenant des espèces activées neutres qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide,
- des moyens de création de la décharge électrique dans une région de l'enceinte et de façon que seules les espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite dans l'enceinte par le plasma, en aval de ce dernier, et
- des moyens de support de l'objet, disposés dans l'enceinte en dehors de ladite région et de tout champ électrique, entre cette région et ladite autre extrémité de l'enceinte, de façon que l'objet soit exposé aux espèces activées neutres et traité par celles-ci en surface, en l'absence d'espèces chargées. - Selon un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les moyens de création de la décharge électrique comprennent deux électrodes disposées au niveau de ladite région de l'enceinte et de façon qu'elles soient placées le long de l'écoulement et en dehors de celui-ci, et des moyens pour créer entre ces électrodes une tension électrique.
- Selon un autre mode de réalisation particulier, le dispositif comprend en outre des moyens permettant de régler la pression du gaz à une valeur comprise entre environ 5.10³ Pa et environ 5.10⁵ Pa, et les moyens de création de la décharge électrique comprennent des moyens placés à l'extérieur de l'enceinte et prévus pour engendrer des micro-ondes et envoyer celles-ci dans ladite région de l'enceinte, à travers une portion de paroi de cette enceinte, au moins cette portion étant transparente aux micro-ondes.
- Enfin, le dispositif de l'invention peut comprendre des moyens de chauffage de l'objet à traiter.
- La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- - la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, et
- - la figure 2 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier de ce dispositif.
- Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend une enceinte 2 composée d'une première partie 4 appelée "réacteur", de forme cylindrique, par exemple en Pyrex, et d'une seconde partie 6 en forme de tube également en Pyrex, dont une extrémité est raccordée de façon étanche à une extrémité du réacteur.
- L'autre extrémité de ce réacteur 4 est fermée de façon étanche par une plaque 8. La plaque 8 est amovible, la liaison entre celle-ci et le réacteur étant effectuée au moyen d'une bride 10.
- L'autre extrémité du tube 6 est fermée de façon étanche et traversée, de façon également étanche, par un conduit 12 qui débouche ainsi dans le tube 6 par une extrémité.
- Le dispositif représenté sur la figure 1 étant destiné à effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet 14, l'autre extrémité du conduit 12 est reliée à une bouteille 16 qui contient un gaz sous pression approprié audit traitement et qui est munie d'un déterdeur 18. En outre, un débitmètre ou de préférence un moyen de mesure de débit en masse 20, est monté sur le conduit 12.
- Sur la face de la plaque 8, qui se trouve en regard de l'intérieur du réacteur 4, est monté un support 22 destiné à porter l'objet à traiter 14. Ce support 22 est muni de moyens de chauffage résistif 24 tels qu'une résistance électrique, en vue de chauffer l'objet 14 par effet Joule au cours du traitement de cet objet. La résistance 24 est reliée à une source de courant électrique 26 par l'intermédiaire de conducteurs électriques qui traversent la plaque 8 par des passages électriquement isolants. Sur la plaque 8 est également prévue une jauge de pression 28 destinée à la mesure de la pression à l'intérieur de l'enceinte 2.
- Des moyens de pompage 30 communiquent, par l'intermédiaire d'une canalisation traversant la plaque 8 de façon étanche, avec l'intérieur de l'enceinte 2 et sont prévus pour pomper le gaz qui est amené à l'enceinte 2 par le conduit 12 et qui s'écoule du tube 6 vers le réacteur 4.
- Un élément tubulaire 31 en Pyrex prolonge le tube 6 à l'intérieur du réacteur 4. Une extrémité de cet élément 31 est fixée à la paroi du réacteur 4 en regard de ladite extrémité du tube 6 et l'autre extrémité de l'élément 31 est en regard du support 22.
- Le dispositif représenté sur la figure 1 comprend également des moyens 32 de production d'un plasma 33 dans le tube 6. Ces moyens 32 comprennent, du côté de l'autre extrémité du tube 6, une électrode cylindrique 34 jouant le rôle d'anode et, en aval de cette électrode (vis-à-vis de l'écoulement de gaz) une autre électrode cylindrique 36 jouant le rôle de cathode.
- Les électrodes 34 et 36 sont respectivement placées dans deux logements 35 et 37 en Pyrex qui sont raccordés de façon étanche au tube 6 et ces électrodes sont séparées l'une de l'autre d'une distance suffisante, par exemple de l'ordre de quelques dizaines de centimètres, pour disposer d'une colonne de plasma importante dans ce tube.
- Les électrodes 34 et 36 sont ainsi intérieures à l'enceinte 2 (électrodes internes) et placées le long de l'écoulement gazeux, en des positions qui leur évitent de perturber le plasma 33 en écoulement.
- Les électrodes 34 et 36 sont reliées par l'intermédiaire de conducteurs électriques traversant respectivement les parois des logements 35 et 37, à des moyens 38 permettant d'établir une tension électrique continue entre les électrodes 34 et 36. En variante, ces moyens 38 sont prévus pour établir une tension électrique alternative, ou pour établir une tension alternative redressée, entre les électrodes 34 et 36.
- La fréquence de la tension alternative peut être choisie dans le domaine allant des basses fréquences aux radiofréquences.
- Le traitement de l'objet 14 est effectué de la façon suivante : lorsque le gaz s'écoule en allant du tube 6 au réacteur 4, on établit ladite tension électrique entre les électrodes, entre lesquelles se forme alors une décharge électrique, ce qui crée un plasma entre ces électrodes.
- Par ailleurs, le gaz est choisi de façon à donner naissance dans le plasma des espèces activées neutres 15 particulières, qui d'une part sont capables d'effectuer le traitement de l'objet et d'autre part ont une durée de vie suffisante pour demeurer dans la post-décharge et atteindre la surface de l'objet pour traiter celle-ci (après quoi elles sont aspirées grâce aux moyens de pompage 30).
- L'élément tubulaire 31 a pour fonction d'empêcher le ralentissement et la dispersion des espèces activées neutres 15 à leur arrivée dans le réacteur 4.
- On peut dire que l'objet 14 est placé à une distance suffisamment faible de l'élément tubulaire 31 pour capter le flux des espèces activées neutres en question.
- Le traitements de l'objet 14 peut nécessiter non pas un seul gaz mais un mélange de plusieurs gaz, deux par exemple. A cet effet, on peut utiliser une seule bouteille 16a contenant le mélange souhaité, ou utiliser deux bouteilles de gaz, l'une référencée 39 contenant l'un des deux gaz et l'autre référencée 40 contenant l'autre gaz. Cette autre bouteille 40 est munie d'un détendeur 42 et d'un conduit 46 permettant l'amenée du gaz dans le tube 6, ce conduit 46 pouvant rejoindre le conduit 12 de manière à obtenir une entrée commune des deux gaz dans le tube 6. Un autre débitmètre 44, de préférence constitué par des moyens de mesure de débit en masse, est également prévu sur le conduit 46.
- Dans le traitement de l'objet 14, la pression dans l'enceinte 2, le débit du gaz ou les débits respectifs des gaz, la valeur de la tension électrique continue (ou la valeur maximale de la tension alternative -éventuellement redressée- et sa fréquence) appliquée entre les électrodes et la température (supérieure à la température ambiante) à laquelle est éventuellement porté l'objet 14 sont ajustés aux valeurs souhaitées.
- Sur la figure 2, on a représenté schématiquement une variante de réalisation du dispositif, dans laquelle les moyens 32 ne comportent plus d'électrode à l'intérieur du tube 6 mais comprennent des moyens 48, 50, 52 permettant d'engendrer un plasma à partir de l'extérieur du tube 6, à savoir des moyens prévus pour envoyer des micro-ondes à l'intérieur du tube 6, toujours du côté de l'autre extrémité de celui-ci, de manière à pouvoir former un plasma 53 au même endroit que dans la réalisation représentée sur la figure 1. Les moyens 32 peuvent ainsi comprendre un coupleur hyperfréquence 48 alimenté par un générateur de micro-ondes 50 et relié à ce dernier par l'intermédiaire d'un guide d'onde 52.
- Le coupleur hyperfréquence 48 peut être du genre de ceux qui permettent d'injecter une onde progressive de surface dans la colonne de plasma. Il peut s'agir d'un coupleur du type SURFAGUIDE.
- Par ailleurs, dans le cas de l'utilisation de micro-ondes, la pression dans l'enceinte 2 est ajustée à une valeur comprise entre 5.10³ Pa et 5.10⁵ Pa environ.
- Lorsque l'on souhaite ajuster la pression dans l'enceinte à une valeur supérieure ou égale à la pression atmosphérique, les moyens 30 et la canalisation associée sont supprimés et remplacés par des moyens (non représentés) permettant la sortie du gaz de l'enceinte sans rentrée d'air dans celle-ci.
- L'objet 14 peut être fait d'un métal ou d'un alliage métallique. Lorsque ce métal ou cet alliage métallique est susceptible de réagir avec l'azote, le traitement de l'objet peut être un traitement thermochimique de nitruration. Un tel traitement peut s'appliquer aux alliages ferreux, au titane et aux alliages de ce dernier par exemple.
- Ce traitement chimique de nitruration peut être réalisé de manière à conduire à la synthèse de composés du type nitrure, susceptibles d'être élaborés sous forme d'un revêtement.
- Dans l'art antérieur, un tel revêtement peut être obtenu à partir de vapeurs métalliques et d'une technique de dépôt physique en phase vapeur (P.V.D.) ou à partir de composés chimiques gazeux et d'une technique de dépôt chimique en phase vapeur (C.V.D.).
- L'utilisation d'une post-décharge conformément à la présente invention s'étend à d'autres traitements que le traitement de nitruration (dans lequel le gaz utilisé est l'azote ou un mélange d'azote et d'un gaz rare tel que l'argon) : le traitement peut être un traitement de carburation, de boruration ou d'oxydation, ou encore un traitement mixte, à savoir une carbonitruration, une oxynitruration ...
- Dans le cas d'un traitement de carburation, on peut utiliser comme gaz CH₄.
- Dans le cas d'un traitement de boruration, on peut utiliser comme gaz B₂H₆.
- Dans le cas d'un traitement d'oxydation, on peut utiliser comme gaz l'oxygène ou un mélange d'oxygène et d'un gaz rare tel que l'argon.
- Dans le cas d'un traitement mixte, on peut utiliser comme gaz un mélange N₂-CH₄ pour une carbonitruration, un mélange N₂-O₂ pour une oxynitruration...
- Dans la présente invention, on peut également utiliser en tant que gaz un mélange d'hydrogène et d'azote (ou un mélange d'hydrogène, d'azote et d'un gaz rare tel que l'argon) pour un traitement de nitruration.
- L'objet 14 peut également être un objet non conducteur de l'électricité, par exemple un objet en silicium ou un composé semiconducteur III-V, en GaAs par exemple. Le traitement de surface d'un tel objet peut être une nitruration et le gaz utilisable pour un tel traitement peut être l'azote.
- La présente invention utilise en fait la constatation suivante : seules certaines espèces activées neutres demeurent dans une post-décharge (obtenue conformément à l'invention), en régime d'écoulement, à savoir les atomes comme H (le gaz étant H₂ ou un mélange de celui-ci et d'argon par exemple), N (le gaz étant N₂ ou un mélange de celui-ci et d'argon par exemple) et O (le gaz étant O₂ ou un mélange de celui-ci et d'argon par exemple), et certains états métastables comme N₂ (X,V) (le gaz étant N₂ ou un mélange de celui-ci et d'un gaz rare tel que l'argon) et comme O₂ (¹Δ) (le gaz étant l'oxygène ou un mélange de celui-ci et d'un gaz rare tel que l'argon) qui sont relativement insensibles aux collisions sur les parois froides de l'enceinte.
- On a déjà vu que l'on pouvait utiliser, dans la présente invention, des électrodes internes placées le long de l'écoulement et, pour obtenir une décharge électrique, appliquer entre ces électrodes une tension électrique continue ou une tension électrique alternative. La fréquence de cette tension alternative peut être choisie dans un domaine allant des basses fréquences (fréquences de quelques centaines de Hz) jusqu'aux radiofréquences (13,6 MHz par exemple).
- Pour créer le plasma, une excitation externe à l'enceinte, utilisant une cavité micro-ondes, peut également être utilisée.
- Les décharges utilisant les micro-ondes peuvent être réalisées dans un vaste domaine de fréquences, depuis environ 210 MHz jusqu'à environ 2,45 GHz comme cela a été montré dans un article de C. BOISSE-LAPORTE et al. publié dans la revue J. Appl. Physics 61(5), 1er mars 1987, pages 1740 à 1746.
- Dans une expérience réalisée à Montréal par J.HUBERT et al. et décrite dans Spectrochimica Acta, 338 (1979), volume 33b, pages 1 à 10, une décharge micro-onde à la pression atmosphérique d'un mélange argon-azote, a produit une post-décharge rouge-orange observable à la lumière ambiante. Une telle post-luminescence est caractéristique de la réaction
N + N + Ar → N₂ (B,6<V<9) + Ar
N₂(B) → N₂(A) + hν (1er système positif) - Sa présence indique l'existence de fortes concentrations d'atomes d'azote dans la post-décharge.
- On sait aussi par un article de A. RICARD présenté à la 17ème Conférence Internationale sur les phénomènes dans les gaz ionisés, qui s'est tenue à Budapest en 1985, que dans une post-décharge d'un plasma réalisé dans un écoulement d'azote dans un tube, au moyen d'une décharge électrique en courant continu réalisée dans ce tube, la pression d'azote étant de l'ordre de 200 Pa, le rayon du tube étant de 1 cm, un centième de seconde après une telle décharge électrique, on observe encore des concentrations d'atomes N très élevées de l'ordre de 10¹⁵ cm⁻³ et des populations d'azote N₂ (X,V=10) également très élevées, de l'ordre de 10¹⁴ cm⁻³. Dans la présente invention, une post-décharge de ce type peut être utilisée pour un traitement de nitruration par exemple.
- A titre purement indicatif et nullement limitatif, l'objet 14 est un échantillon de fer ARMCO ou un échantillon d'acier XC 10 ; le traitement est une nitruration ; le gaz utilisé est l'azote ; l'objet est porté à une température de l'ordre de 550°C par chauffage indirect ; la décharge est réalisée dans un tube 6 en pyrex de 20 mm de diamètre ; la pression d'azote est comprise entre 100 et 500 Pa ; le débit d'azote est de l'ordre de 2 à 5 cm³.s⁻¹ ; on utilise des électrodes internes et un courant de l'ordre de 50 à 100 mA. On obtient ainsi des espèces activées de type N₂ (X,V) et N dont les concentrations mesurées en décharge et en post-décharge ont été indiquées plus haut. Ceci permet de réaliser sur l'échantillon une couche de diffusion ainsi qu'une couche de nitrure de fer γFe₄N dont les teneurs en azote et les épaisseurs sont conformes aux lois de la diffusion dans le système Fe-N. Ces couches présentent de plus des caractéristiques métallurgiques comparables à celles que l'on obtient par un procédé classique de nitruration ionique.
Claims (13)
1. Procédé pour effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet solide (14) , caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'une décharge électrique dans un gaz en écoulement, choisi de façon à être capable d'engendrer à la suite de cette décharge, un plasma contenant des espèces activées neutres qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide, la décharge étant formée de façon à ce que seules ces espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite par le plasma en aval de celui-ci et en ce que l'objet est disposé en aval du plasma, en dehors de tout champ électrique, et exposé aux espèces activées neutres qui traitent ainsi sa surface en l'absence d'espèces chargées.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la décharge électrique est obtenue en créant une tension électrique entre deux électrodes (34, 36) placées le long de l'écoulement gazeux et en dehors de celui-ci.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pression du gaz est comprise entre environ 10⁻² Pa et environ 5.10⁵ Pa.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pression du gaz est comprise entre environ 1 Pa et environ 10³ Pa.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la décharge électrique est obtenue à l'aide de micro-ondes engendrées à l'extérieur de l'écoulement gazeux et envoyées dans celui-ci, la pression du gaz étant comprise entre environ 5.10 ³ Pa et environ 5.10⁵ Pa.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression du gaz est comprise entre environ 10⁵ Pa at environ 5.10⁵ Pa.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'objet est chauffé indépendamment de la décharge.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le gaz est un gaz moléculaire tel que H₂, N₂, O₂ , CH₄ ou B₂H₆, éventuellement additionné d'un gaz rare, ou un mélange d'au moins deux tels gaz moléculaires, éventuellement additionné d'un gaz rare.
9. Dispositif pour effectuer un traitement déterminé de la surface d'un objet solide (14), caractérisé en ce qu'il comprend :
- une enceinte (2),
- des moyens (12, 16, 18, 30, 40, 42) de création d'un écoulement, dans l'enceinte et d'une extrémité à l'autre de celle-ci, d'un gaz apte à engendrer lorsqu'une décharge électrique s'y produit, un plasma contenant des espèces activées neutres qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide,
- des moyens (32) de création de la décharge électrique dans une région de l'enceinte et de façon que seules les espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite dans l'enceinte par le plasma, en aval de ce dernier, et
- des moyens (22) de support de l'objet, disposés dans l'enceinte en dehors de ladite région et de tout champ électrique, entre cette région et ladite autre extrémité de l'enceinte, de façon que l'objet (14) soit exposé aux espèces activées neutres et traité par celles-ci en surface, en l'absence d'espèces chargées.
- une enceinte (2),
- des moyens (12, 16, 18, 30, 40, 42) de création d'un écoulement, dans l'enceinte et d'une extrémité à l'autre de celle-ci, d'un gaz apte à engendrer lorsqu'une décharge électrique s'y produit, un plasma contenant des espèces activées neutres qui sont aptes à réaliser le traitement de surface de l'objet solide,
- des moyens (32) de création de la décharge électrique dans une région de l'enceinte et de façon que seules les espèces activées neutres subsistent dans la post-décharge induite dans l'enceinte par le plasma, en aval de ce dernier, et
- des moyens (22) de support de l'objet, disposés dans l'enceinte en dehors de ladite région et de tout champ électrique, entre cette région et ladite autre extrémité de l'enceinte, de façon que l'objet (14) soit exposé aux espèces activées neutres et traité par celles-ci en surface, en l'absence d'espèces chargées.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (32) de création de la décharge électrique comprennent deux électrodes (34, 36) disposées au niveau de ladite région de l'enceinte (2) et de façon qu'elles soient placées le long de l'écoulement et en dehors de celui-ci, et des moyens (38) pour créer entre ces électrodes une tension électrique.
11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens permettant de régler la pression du gaz à une valeur comprise entre environ 5.10³ Pa et environ 5.10⁵ Pa et en ce que les moyens (32) de création de la décharge électrique comprennent des moyens (48, 50, 52) placés à l'extérieur de l'enceinte (2) et prévus pour engendrer des micro-ondes et envoyer celles-ci dans ladite région de l'enceinte, à travers une portion de paroi de cette enceinte, au moins cette portion étant transparente aux micro-ondes.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (24, 26) de chauffage de l'objet (14).
13. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enceinte comprend une première partie (4) qui contient le support (22) de l'objet et une seconde partie (6) dans laquelle est créé le plasma et qui est raccordée de façon étanche à la première partie et se prolonge dans celle-ci par un élément tubulaire (31) qui est en regard dudit support (22).
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| Publication number | Publication date |
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| FR2618796B1 (fr) | 1993-02-05 |
| FR2618796A1 (fr) | 1989-02-03 |
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