PROCEDE DE TRAITEMENT D'UNE PARTIE METALLIQUE PAR UN PROCESS FOR TREATING A METAL PART WITH A
FAISCEAU D'IONSION BEAM
L'invention a pour objet un procédé de traitement d'une partie métallique d'une pièce où une surface de ladite pièce métallique est soumise à un faisceau d'ions de manière à implanter des ions du faisceau dans une zone d' implantation .The invention relates to a method of treating a metal part of a part where a surface of said metal part is subjected to an ion beam so as to implant ions of the beam in an implantation zone.
L'invention vise notamment à permettre un traitement de la surface de ladite partie de la pièce de manière à en augmenter les propriétés mécaniques.The invention aims in particular to allow a treatment of the surface of said part of the part so as to increase the mechanical properties.
On connaît plusieurs techniques susceptibles d'améliorer les propriétés mécaniques de la surface d'une partie métallique. On peut citer à titre d'exemple la nitruration qui permet grâce à un traitement thermochimique d'enrichir en azote des zones superficielles d'une partie métallique.Several techniques are known that can improve the mechanical properties of the surface of a metal part. By way of example, mention may be made of nitriding which, by virtue of a thermochemical treatment, makes it possible to enrich the surface areas of a metal part with nitrogen.
La nitruration peut s'effectuer par mise en œuvre d'un plasma, notamment froid, généré sous faible pression par excitation radiofréquence, où la pièce à traiter est maintenue à température élevée dans un four pour permettre la diffusion des ions d'azote. Cette technique présente l'inconvénient de devoir être mise en œuvre à une température où le métal de la partie métallique de la pièce à traiter peut connaître des transformations non désirées, susceptibles parfois, et notamment dans le cas des alliages d'aluminium, de faire perdre les qualités mécaniques de la partie métallique traitée.The nitriding can be carried out by using a plasma, especially cold, generated under low pressure by radio frequency excitation, where the workpiece is kept at a high temperature in a furnace to allow the diffusion of nitrogen ions. This technique has the disadvantage of having to be implemented at a temperature where the metal of the metal part of the workpiece can experience unwanted transformations, which can sometimes, and especially in the case of aluminum alloys, to lose the mechanical qualities of the treated metal part.
La nitruration peut également s'effectuer par implantation ionique, où des ions d'azote sont accélérés par des tensions de quelques kV à quelques centaines de kV et bombardent la surface de la partie métallique à traiter. La pièce à traiter est en général froide. On
peut ainsi implanter des quantités importantes d'azote. Cependant, la profondeur de pénétration des ions d'azote est en général limitée de 1 μm à 1,5 μm.Nitriding can also be carried out by ion implantation, where nitrogen ions are accelerated by voltages from a few kV to a few hundred kV and bombard the surface of the metal part to be treated. The workpiece is usually cold. We can thus implant significant amounts of nitrogen. However, the penetration depth of the nitrogen ions is generally limited to 1 μm to 1.5 μm.
D'autres techniques de nitruration sont connues comme par exemple la nitruration thermique, qui permet la pénétration d'azote sur des épaisseurs assez importantes.Other nitriding techniques are known, such as, for example, thermal nitriding, which allows the penetration of nitrogen over fairly large thicknesses.
Une pièce est maintenue à haute température dans une atmosphère nitrurée pendant des temps longs d'où il peut résulter des transformations structurelles du métal de la pièce à traiter.A part is kept at a high temperature in a nitrided atmosphere for long periods of time from which it can result in structural transformations of the metal of the part to be treated.
On constate également que les procédés de nitruration où la pièce à traiter est portée à température élevée, présentent également des inconvénients en termes de risque de déformation de la pièce après traitement, au moment de son refroidissement à partir de ces températures élevées.It is also noted that the nitriding processes where the workpiece is heated to high temperature, also have drawbacks in terms of risk of deformation of the workpiece after treatment, at the time of its cooling from these high temperatures.
L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients .The object of the invention is to remedy these drawbacks.
L'invention propose ainsi un procédé de traitement d'une partie métallique, d'épaisseur eM, d'une pièce où une surface de ladite partie métallique est soumise à un faisceau d'ions de manière à implanter des ions du faisceau dans une zone d'implantation (ZI), d'épaisseurThe invention thus proposes a method of treating a metal part, of thickness e M , of a part where a surface of said metal part is subjected to an ion beam so as to implant ions of the beam into a implantation area (ZI), thick
- les ions du faisceau sont sélectionnés parmi les ions des éléments de la liste constituée du bore (B) , du carbone (C), de l'azote (N), de l'oxygène (0) ; la tension d'accélération des ions est supérieure ou égale à 10 kV, la puissance du faisceau est comprise entre 1 W et 10 kW, et lesdites tensions d'accélération et puissance du faisceau ainsi que la dose d'ions par unité de surface sont choisies de manière à
permettre l'implantation d'ions du faisceau dans une zone d'implantation (ZI) d'épaisseur ei, comprise entre 0,05 μm et 5 μm et à permettre la diffusion d'ions dans une zone d'implantation-diffusion (ZID) d'épaisseur, eτ + eD, supérieure à eτ et comprise entre 0,1 μm et 1000 μm ;the ions of the beam are selected from the ions of the elements of the list consisting of boron (B), carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O); the ion acceleration voltage is greater than or equal to 10 kV, the beam power is between 1 W and 10 kW, and said acceleration and beam power voltages as well as the ion dose per unit area are chosen in such a way allow the implantation of ions of the beam in an implantation zone (ZI) of thickness ei, between 0.05 microns and 5 microns and to allow the diffusion of ions in an implantation-diffusion zone (ZID) ) of thickness, e τ + e D , greater than e τ and between 0.1 μm and 1000 μm;
- la température, TZF, de la zone (ZF) de la partie métallique à traiter située sous la zone d'implantation- diffusion (ZID) est inférieure ou égale à une température seuil TSDΛ OÙ TSD est une température à laquelle les ions du faisceau ont un parcours égal à 50 nm en 100 secondes dans le métal de ladite partie métallique.the temperature, T ZF , of the zone (ZF) of the metal part to be treated situated below the implantation-diffusion zone (ZID) is less than or equal to a threshold temperature T S D Λ OÙ T S D is a temperature at which the beam ions have a path equal to 50 nm in 100 seconds in the metal of said metal part.
Il est ainsi possible d'améliorer les propriétés mécaniques de la surface d'une partie métallique grâce à l'introduction d'atomes ainsi sélectionnés sur une profondeur importante de la partie métallique à traiter tout en évitant que la pièce ne soit chauffée à des températures élevées. On peut éviter ainsi les risques de transformation métallurgique de la pièce au cours du traitement et grâce à une température faible ou modérée au cours du traitement de la pièce, éviter également les risques de déformation à l'issue du refroidissement de la pièce .It is thus possible to improve the mechanical properties of the surface of a metal part by introducing the atoms thus selected over a large depth of the metal part to be treated while avoiding that the part is heated to temperatures. high. This avoids the risks of metallurgical transformation of the workpiece during the treatment and due to a low or moderate temperature during the treatment of the room, also avoid the risk of deformation after the cooling of the room.
Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut suggérer que le faisceau d'ions utilisé dans les conditions de l'invention agit comme une pointe thermique et permet en un premier temps d'implanter des ions en surface, puis permet leur diffusion sur des épaisseurs plus profondes. On peut en effet faire l'hypothèse que les conditions de mise en œuvre selon l'invention permettent de « récupérer » la chaleur dégagée par le freinage des ions du faisceau dans la partie métallique de la pièce à traiter et ainsi de permettre une diffusion de ces ions au-delà de la zone
d'implantation sans avoir besoin d'un apport de chaleur complémentaire. Il en résulte un procédé particulièrement avantageux en termes de coût énergétique. L'énergie thermique est ainsi apportée de manière très localisée par les ions du faisceau et il n'est plus nécessaire de chauffer la pièce pour permettre la diffusion des ions sur des profondeurs significatives. Il est ainsi possible, selon l'invention, de nitrurer du titane, des aciers, des alliages d'aluminium ou d'autres métaux et alliages sur des épaisseurs de plusieurs micromètres et d'obtenir des duretés remarquables sur des épaisseurs importantes .Without wishing to be bound by any scientific theory, it may be suggested that the ion beam used in the conditions of the invention acts as a thermal peak and allows firstly to implant ions at the surface, and then allows their diffusion. on deeper thicknesses. It can indeed be assumed that the implementation conditions according to the invention make it possible to "recover" the heat generated by the braking of the ions of the beam in the metal part of the workpiece and thus to allow a diffusion of these ions beyond the area implantation without the need for additional heat input. This results in a particularly advantageous method in terms of energy cost. The thermal energy is thus brought very localized by the beam ions and it is no longer necessary to heat the room to allow the diffusion of ions on significant depths. It is thus possible, according to the invention, to nitride titanium, steels, alloys of aluminum or other metals and alloys to thicknesses of several micrometers and to obtain remarkable hardness over large thicknesses.
Le choix des conditions de réglage du faisceau d'ions dans les plages selon l'invention permet avantageusement de choisir les épaisseurs de la zone d'implantation et de la zone d'implantation-diffusion en fonction des résultats désirés. Il est ainsi possible de choisir ces conditions en fonction de la dureté désirée, du type de pièce à traiter, du type de métal de la partie métallique à traiter, des conditions industrielles dans lesquelles le présent procédé de traitement s'inscrit. Il est par exemple possible de choisir les valeurs de la tension d'accélération et de la puissance du faisceau en fonction des vitesses de traitement désirées. La présente méthode de traitement peut être mise en œuvre avec plusieurs ions, de manière indépendante, ou simultanée, choisis parmi le bore, le carbone, l'azote, l'oxygène. Selon un mode de réalisation, les ions du faisceau sont des ions d'azote. Les inventeurs ont pu montrer qu'une tension d'accélération supérieure ou égale à 10 kV et une puissance supérieure ou égale à 1 W sont nécessaires pour permettre une implantation d'ions susceptible de diffuser au moins en partie sur une épaisseur supérieure à
l'épaisseur de la zone d'implantation. La tension d'accélération est définie comme la tension qui permet de donner aux ions leur énergie cinétique. La puissance du faisceau est égale à l'intensité des ions produits multipliée par la tension d'accélération.The choice of the conditions of adjustment of the ion beam in the ranges according to the invention advantageously makes it possible to choose the thicknesses of the implantation zone and the implantation-diffusion zone according to the desired results. It is thus possible to choose these conditions depending on the desired hardness, the type of workpiece, the type of metal of the metal part to be treated, the industrial conditions in which the present treatment method fits. For example, it is possible to choose the values of the acceleration voltage and the power of the beam according to the desired processing speeds. The present method of treatment can be implemented with several ions, independently or simultaneously, selected from boron, carbon, nitrogen and oxygen. In one embodiment, the beam ions are nitrogen ions. The inventors have been able to show that an acceleration voltage greater than or equal to 10 kV and a power greater than or equal to 1 W are necessary to allow an implantation of ions capable of diffusing at least in part over a thickness greater than the thickness of the implantation area. The acceleration voltage is defined as the voltage that gives the ions their kinetic energy. The power of the beam is equal to the intensity of the produced ions multiplied by the acceleration voltage.
La zone d'implantation peut avoir une faible épaisseur eIr comprise entre 0,05 et 0,2 μm, une épaisseur ei moyenne correspondant aux conditions d'implantation les plus courantes, comprise entre 0,2 et 1 μm, voire une épaisseur ei importante, comprise entre 1 et 5 μm si le faisceau d'ions est très énergétique.The implantation zone may have a small thickness e Ir of between 0.05 and 0.2 μm, a thickness ei corresponding to the most common implantation conditions, of between 0.2 and 1 μm, or even a thickness ei. important, between 1 and 5 microns if the ion beam is very energetic.
Dans les conditions de la présente invention, une partie des ions implantés diffusent au-delà de la zone d'implantation d'épaisseur ei, jusqu'à une profondeur ei + eD, où eD correspond à l'épaisseur de la zone où les ions peuvent diffuser au-delà de la zone d'implantation d'épaisseur ei.Under the conditions of the present invention, a part of the implanted ions diffuse beyond the implantation zone of thickness ei, to a depth ei + e D , where e D corresponds to the thickness of the zone where the ions can diffuse beyond the implantation zone of thickness ei.
L'épaisseur, ei, de la zone de diffusion peut être faible et comprise entre 0,1 et 0,5 μm, elle peut être moyenne et comprise entre 0,5 et 10 μm, elle peut être importante et comprise entre 10 et 100 μm, voire être très élevée et atteindre jusqu'à 1000 μm si le faisceau d'ions est très énergétique.The thickness, ei, of the diffusion zone may be small and between 0.1 and 0.5 μm, it may be average and between 0.5 and 10 μm, it may be large and between 10 and 100 μm, or even be very high and reach up to 1000 μm if the ion beam is very energetic.
Selon un mode de réalisation, l'épaisseur, eD, de la zone diffusion est supérieure ou égale à l'épaisseur, ei, de la zone d'implantation.According to one embodiment, the thickness, e D , of the diffusion zone is greater than or equal to the thickness, ei, of the implantation zone.
Grâce au choix d'une température de la zone de la partie métallique de la pièce à traiter inférieure à la température seuil TSD, il est possible de s'assurer que les ions du faisceau ne pourront pas diffuser au-delà de l'épaisseur désirée et de contrôler ainsi précisément l'épaisseur de traitement. Il est également ainsi possible de s'assurer que le cœur de la partie métallique
à traiter n'est pas portée à une température où des changements métallurgiques non désirés sont susceptibles de s'opérer. De même, le fait que seules les zones d'implantation et de diffusion sont chauffées par l'énergie apportée par le faisceau d'ions, de manière contrôlée, permet d'éviter des déformations désavantageuses de la pièce au refroidissement.By choosing a temperature of the area of the metal part of the workpiece less than the threshold temperature T SD , it is possible to ensure that the beam ions can not diffuse beyond the thickness desired and thus precisely control the treatment thickness. It is also possible to ensure that the heart of the metal part to be treated is not brought to a temperature where unwanted metallurgical changes are likely to take place. Likewise, the fact that only the implantation and diffusion zones are heated by the energy provided by the ion beam, in a controlled manner, makes it possible to avoid disadvantageous deformations of the part during cooling.
Afin de maintenir la zone de la partie métallique à traiter située sous la zone d'implantation-diffusion à une température inférieure à TSD, il est possible de refroidir la pièce par tout moyen connu de l'homme du métier .In order to maintain the area of the metal part to be treated located below the implantation-diffusion zone at a temperature below T S D, it is possible to cool the part by any means known to those skilled in the art.
Les inventeurs ont pu déterminer qu'une température seuil T3D à laquelle les ions du faisceau ont un parcours égal à 50 nm en 100 secondes dans le métal de la partie à traiter est de nature à éviter une diffusion significative de ces ions au-delà des zones d'implantation et de diffusion.The inventors have been able to determine that a threshold temperature T 3 D at which the beam ions have a path equal to 50 nm in 100 seconds in the metal of the portion to be treated is such as to avoid a significant diffusion of these ions over- beyond implantation and dissemination areas.
L'invention peut trouver de nombreuses applications dans des domaines industriels très divers, tels que l'industrie automobile, l'industrie aéronautique, la connectique où il est avantageux d'améliorer les propriétés de surface de pièces métalliques.The invention can find many applications in very diverse industrial fields, such as the automotive industry, the aeronautical industry, connectors where it is advantageous to improve the surface properties of metal parts.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le métal de la partie métallique est choisi parmi la liste des métaux suivants : magnésium (Mg) , aluminium (Al), titane (Ti), vanadium (V), chrome (Cr), fer (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), cuivre (Cu), zincAccording to one embodiment of the present invention, the metal of the metal part is chosen from the list of the following metals: magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc
(Zn), zirconium (Zr), argent (Ag), hafnium (Hf), tantale (Ta), iridium (Ir), platine (Pt), or (Au), molybdène(Zn), zirconium (Zr), silver (Ag), hafnium (Hf), tantalum (Ta), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), molybdenum
(Mo) , tungstène (W) , niobium (Nb) ou les alliages de chacun de ces métaux.
Pour permettre la diffusion d'un ion implanté, il convient de soumettre la zone d'implantation à une température de diffusion durant un temps d'exposition suffisant. La distance de diffusion de l'ion peut se calculer grâce à la formule suivante : (2*D*t)1/2, où D représente le coefficient de diffusion de l'ion dans le métal à une température donnée et t le temps d'exposition à cette température. Le coefficient de diffusion de l'ion dans le métal augmente avec la température. A partir d'une température seuil de diffusion, les distances de diffusion de l'ion deviennent significatives par rapport aux profondeurs d'implantation. A titre d'exemple, on estime à 4000C, la température seuil de diffusion de l'azote dans les alliages d'aluminium.(Mo), tungsten (W), niobium (Nb) or the alloys of each of these metals. To allow the diffusion of an implanted ion, the implantation zone should be subjected to a diffusion temperature during a sufficient exposure time. The diffusion distance of the ion can be calculated by means of the following formula: (2 * D * t) 1/2 , where D represents the diffusion coefficient of the ion in the metal at a given temperature and t the time exposure to this temperature. The diffusion coefficient of the ion in the metal increases with temperature. From a diffusion threshold temperature, the diffusion distances of the ion become significant relative to the implantation depths. For example, it is estimated at 400 0 C, the threshold temperature of diffusion of nitrogen in aluminum alloys.
Selon un mode de réalisation de la présente invention la température TSD est une température à laquelle les ions du faisceau ont un coefficient de diffusion égal à 10~17 m2, s"1 dans le métal de ladite partie métallique.According to one embodiment of the present invention the temperature T SD is a temperature at which the beam ions have a diffusion coefficient equal to 10 ~ 17 m 2 , s "1 in the metal of said metal part.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température, Ts, de la zone de la surface de la partie métallique bombardée par le faisceau d'ions est supérieure ou égale à une température seuil TSID, où TSiD(en Kelvin) = 1,1 x IsD(en Kelvin) . La température, Ts, s'entend comme la température mesurée en surface de la partie métallique de la pièce à traiter dans la partie de cette surface en cours de traitement, c'est-à-dire pendant le bombardement du faisceau d'ions sur cette partie de surface. Le choix d'une température, T3, supérieure ou égale à une température seuil TSID ainsi définie permet d'obtenir des conditions où la diffusion dans les zones d'implantation et de diffusion est particulièrement
ef f icace .According to one embodiment of the present invention, the temperature, T s , of the area of the surface of the metal part bombarded by the ion beam is greater than or equal to a threshold temperature T SID , where T S i D ( in Kelvin) = 1.1 x I sD (in Kelvin). The temperature, T s , is understood as the temperature measured at the surface of the metal part of the part to be treated in the part of this surface being treated, that is to say during the bombardment of the ion beam on this part of surface. The choice of a temperature, T 3 , greater than or equal to a threshold temperature T SID thus defined makes it possible to obtain conditions in which the diffusion in the implantation and diffusion zones is particularly ef f icace.
Les inventeurs ont pu déterminer qu'une valeur seuil TSID = 1,1 x TSD, où les températures sont exprimées en Kelvin, permet bien d'obtenir ces conditions avantageuses. Il est alors possible d'en déduire des conditions avantageuses de tension d'accélération et de puissance du faisceau.The inventors have been able to determine that a threshold value T SID = 1.1 × T SD , where the temperatures are expressed in Kelvin, makes it possible to obtain these advantageous conditions. It is then possible to deduce advantageous conditions of acceleration voltage and beam power.
Selon un mode de réalisation, la zone de la partie métallique à traiter est de dimension restreinte et la pièce ne se déplace pas par rapport au faisceau d'ions.According to one embodiment, the zone of the metal part to be treated is of restricted size and the part does not move relative to the ion beam.
Selon un autre mode de réalisation, la pièce se déplace par rapport au faisceau d'ions.According to another embodiment, the piece moves relative to the ion beam.
La pièce peut se déplacer et le faisceau d'ions rester en position fixe, ou à l'inverse la pièce peut être fixe et le faisceau peut être doté de moyens permettant de déplacer sa section interagissant avec la pièce. Il est également possible de combiner un déplacement de la pièce et du faisceau d'ions. Lorsque le faisceau d'ions se déplace par rapport à la surface de la partie métallique de la pièce à traiter, on peut considérer qu'une pointe thermique est créée en chaque point de passage du faisceau d'ions. En un point donné de cette surface, la pointe thermique conduit à une montée en température quand le faisceau atteint ce point, puis à une température maximale en ce point suivie d'une descente de la température jusqu'à la température initiale de ladite partie métallique.The part can move and the ion beam remain in a fixed position, or conversely the part can be fixed and the beam can be provided with means for moving its section interacting with the part. It is also possible to combine a displacement of the part and the ion beam. When the ion beam moves relative to the surface of the metal part of the workpiece, it can be considered that a thermal peak is created at each point of passage of the ion beam. At a given point of this surface, the thermal point leads to a rise in temperature when the beam reaches this point, then to a maximum temperature at this point followed by a lowering of the temperature to the initial temperature of said metal portion .
Selon un mode de réalisation, la section du faisceau d'ions interagissant avec la partie métallique de la pièce à traiter se déplace relativement à cette partie métallique selon une vitesse constante, dite vitesse de balayage V.According to one embodiment, the section of the ion beam interacting with the metal part of the workpiece moves relative to this metal part at a constant speed, called the scanning speed V.
Dans un tel mode de réalisation, où le faisceau a
une section circulaire, on peut déterminer, pour une température, T3, choisie, les paramètres de puissance, P, de vitesse de balayage, V, de rayon, R, du faisceau d'ions de manière à ce que l'équation suivante soit respectée :In such an embodiment, where the beam has a circular section, it is possible to determine, for a temperature, T 3 , chosen, the parameters of power, P, of the scanning speed, V, of radius, R, of the ion beam so that the following equation be respected:
τs = (4*p* (2*R/V) 1/2) / (ρ*c*π*R2* (4*π*(γ/ρ*C) )1/2) + τZF τ s = (4 * p * (2 * R / V) 1/2 ) / (ρ * c * π * R 2 * (4 * π * (γ / ρ * C)) 1/2 ) + τ ZF
où : T3 est exprimée en Kelvin ;where: T 3 is expressed in Kelvin;
TZF est la température de la partie métallique de la pièce sous la zone d'implantation-diffusion, inférieure ou égale à T30, exprimée en Kelvin ;T ZF is the temperature of the metallic part of the part under the implantation-diffusion zone, less than or equal to T 30 , expressed in Kelvin;
P est la puissance du faisceau d'ions (en W) ; R est le rayon du faisceau d'ions (en m) ;P is the power of the ion beam (in W); R is the radius of the ion beam (in m);
V est la vitesse de balayage du faisceau d'ions (en m. s"1) ; p est la masse volumique du métal de la partie métallique (en kg. m"3) ;V is the scanning rate of the ion beam (in m s -1 ) p is the density of the metal of the metal part (in kg m 3 );
C est la capacité thermique du métal de la partie métallique (en J. kg"1. K"1) ; γ est la conductivité thermique du métal de la partie métallique (en W. m"1. K"1) .C is the heat capacity of the metal of the metal part (in J. kg -1 K -1 ); γ is the thermal conductivity of the metal of the metal part (in W m -1 K -1 ).
Il va de soi que la présente invention n'est pas limitée au cas où le faisceau d'ions a une section circulaire et que toute autre forme du faisceau peut être mise en œuvre.It goes without saying that the present invention is not limited to the case where the ion beam has a circular section and that any other shape of the beam can be implemented.
Selon des modes de réalisation qui peuvent être combinés entre eux :According to embodiments that can be combined with one another:
- le faisceau d'ions a une vitesse de balayage V comprise entre 0,01 mm/s et 1000 mm/s, par exemple
supérieure ou égale à 1 mm/s et/ou inférieure ou égale à 100 mm/s et un rayon R compris entre 0,1 mm et 100 mm, par exemple supérieur ou égale à 1 mm et/ou inférieure ou égale à 50 mm ;the ion beam has a scanning speed V of between 0.01 mm / s and 1000 mm / s, for example greater than or equal to 1 mm / s and / or less than or equal to 100 mm / s and a radius R between 0.1 mm and 100 mm, for example greater than or equal to 1 mm and / or less than or equal to 50 mm ;
- la puissance du faisceau d'ions est supérieure ou égale à 10 W et/ou inférieure ou égale à 2000 W, par exemple inférieur ou égal à 1000 W ;the power of the ion beam is greater than or equal to 10 W and / or less than or equal to 2000 W, for example less than or equal to 1000 W;
- la dose d'ions par unité de surface est supérieure ou égale à 1018 ions/cm2, par exemple supérieure ou égale à 2.1018 ions/cm2, voire par exemple supérieure ou égale à 4.1018 ions/cm2 ;the dose of ions per unit area is greater than or equal to 10 18 ions / cm 2 , for example greater than or equal to 2.10 18 ions / cm 2 , or even greater than or equal to 4.10 18 ions / cm 2 ;
le faisceau d'ions effectue un passage ou une pluralité de passages sur une même zone de la surface de la partie métallique à traiter et la dose d'ions par unité de surface et par passage est supérieure ou égale à 0,5.1017 ions/cm2 par passage, par exemple supérieure ou égale à 1.1017 ions/cm2 par passage, voire par exemple supérieure ou égale à 2.1017 ions/cm2 par passage ; selon un mode de réalisation la dose d'ions par unité de surface et par passage est en outre inférieure ou égale à 100.1017 ions/cm2 par passage, par exemple inférieure ou égale à 50.1017 ions/cm2 par passage, voire par exemple inférieure ou égale à 20.1017 ions/cm2 par passage ;the ion beam makes a passage or a plurality of passages on the same area of the surface of the metal part to be treated and the ion dose per unit area and per passage is greater than or equal to 0.5 × 10 17 ions / cm 2 per passage, for example greater than or equal to 1.10 17 ions / cm 2 per passage, or even greater than or equal to 2.10 17 ions / cm 2 per passage; according to one embodiment, the dose of ions per unit area and per passage is also less than or equal to 100 × 10 17 ions / cm 2 per passage, for example less than or equal to 50 × 10 17 ions / cm 2 per passage, or even example less than or equal to 20.10 17 ions / cm 2 per pass;
- l'épaisseur, ei, de la zone d'implantation (ZI) est supérieure ou égale à 0,1 μm et/ou inférieure ou égale à 1 μm ;the thickness, ei, of the implantation zone (ZI) is greater than or equal to 0.1 μm and / or less than or equal to 1 μm;
- l'épaisseur, eτ + eD, de la zone d'implantation- diffusion (ZID) est supérieure ou égale à 1 μm et/ou inférieure ou égale à 100 μm, par exemple inférieure ou égale à 10 μm.the thickness, e τ + e D , of the implantation-diffusion zone (ZID) is greater than or equal to 1 μm and / or less than or equal to 100 μm, for example less than or equal to 10 μm.
Selon un mode de réalisation de la présente invention on peut régler le diamètre du faisceau et la
vitesse de déplacement relative du faisceau par rapport à la pièce de manière à produire pendant un temps d'exposition désiré une pointe thermique qui dépasse une température seuil de diffusion sans jamais dépasser la température de fusion du métal. Ainsi en un point donné de la pièce métallique, on permet à l'ion implanté de diffuser à la profondeur désirée. Si la durée d'exposition n'est pas suffisante on peut répéter l'opération plusieurs fois en procédant en plusieurs passes. Entre deux passes successives la température superficielle de la pièce retombe à sa valeur initiale.According to one embodiment of the present invention, it is possible to adjust the beam diameter and the relative speed of movement of the beam relative to the workpiece so as to produce during a desired exposure time a thermal peak that exceeds a diffusion threshold temperature without ever exceeding the melting temperature of the metal. Thus at a given point of the metal part, the implanted ion is allowed to diffuse to the desired depth. If the duration of exposure is not sufficient one can repeat the operation several times by proceeding in several passes. Between two successive passes the surface temperature of the room falls back to its initial value.
On note que l'angle d'incidence du faisceau peut varier en fonction de la géométrie de la partie métallique à traiter. Lorsque le faisceau présente en un point donné un angle d'incidence différent de 0°, on peut compenser la diminution de sa puissance par unité de surface en réduisant proportionnellement la vitesse du faisceau .Note that the angle of incidence of the beam may vary depending on the geometry of the metal part to be treated. When the beam presents at a given point an angle of incidence different from 0 °, it is possible to compensate the decrease of its power per unit area by proportionally reducing the speed of the beam.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la source d'ions est une source à résonance cyclotronique électronique (RCE) qui a pour particularité d'être compacte, légère, peu consommatrice en énergie et de produire un faisceau stable et reproductible dans la durée. La stabilité du faisceau d'ions ainsi généré est une qualité avantageuse pour produire la pointe thermique. Les sources à filament sont en général moins fiables. En outre, les sources de type RCE produisent des ions multichargés qui sont, à tension d'accélération équivalente, beaucoup plus énergétique. Les ions ainsi produits pénètrent des profondeurs importantes avec peu d'effet de pulvérisation en surface. On obtient ainsi des épaisseurs de traitement importantes.According to one embodiment of the invention, the source of ions is an electron cyclotron resonance (ECR) source which has the particularity of being compact, light, and low in energy consumption and of producing a stable and reproducible beam in the duration. The stability of the ion beam thus generated is an advantageous quality for producing the thermal peak. Filament sources are generally less reliable. In addition, the ECR type sources produce multicharged ions which are, at equivalent acceleration voltage, much more energetic. The ions thus produced penetrate significant depths with little surface spraying effect. This results in significant treatment thicknesses.
On note qu'il est possible de modifier certaines caractéristiques du faisceau selon les besoins. A titre
d'exemple, lorsque le faisceau d'ions initial n'est pas assez puissant pour créer la pointe thermique désirée, une lentille magnétique peut permettre la réduction du diamètre du faisceau d'ions pour concentrer plus de puissance par unité de surface. Le diamètre minimal peut être déterminé par le pas d'avancement d'un système de déplacement relatif. Le système de déplacement relatif pièce / faisceau peut être piloté en position et en vitesse de manière à créer une pointe de chaleur suffisante pour diffuser l'ion implanté sans dépasser la température de fusion du métal.It is noted that it is possible to modify certain characteristics of the beam as needed. As for example, when the initial ion beam is not strong enough to create the desired thermal peak, a magnetic lens may allow the reduction of the ion beam diameter to concentrate more power per unit area. The minimum diameter can be determined by the advancement step of a relative displacement system. The relative displacement system piece / beam can be controlled in position and speed so as to create a peak of sufficient heat to diffuse the implanted ion without exceeding the melting temperature of the metal.
Le pas d'avancement du faisceau peut être calculé de manière à avoir une couverture des zones de diffusion superficielles de l'ion. Par exemple, si on estime que le cercle de diffusion de l'ion est centré autour de l'axe du faisceau avec un rayon correspondant à la moitié de celui du faisceau, on peut prendre comme pas d'avancement du faisceau le rayon de ce cercle de diffusion, soit la moitié du rayon du faisceau. A titre d'exemple, on peut multiplier le nombre de passes de manière à ne pas dépasser dans l'épaisseur implantée et diffusée une concentration atomique maximale souhaitée. A titre d'exemple, on peut considérer qu'il est avantageux de ne pas dépasser une concentration atomique de 50% dans le cas de l'azote.The advancing step of the beam can be calculated so as to have a coverage of the superficial diffusion zones of the ion. For example, if it is estimated that the diffusion circle of the ion is centered around the axis of the beam with a radius corresponding to half of that of the beam, it is possible to take as the no beam advancement the radius of this beam. diffusion circle, which is half the radius of the beam. By way of example, it is possible to multiply the number of passes so as not to exceed in the implanted and diffused thickness a desired maximum atomic concentration. By way of example, it can be considered that it is advantageous not to exceed an atomic concentration of 50% in the case of nitrogen.
Pour mettre en œuvre l'invention, il est avantageux de contrôler les différents paramètres grâce à un système informatisé. Le pilotage du système de déplacement peut se faire avec un post-processeur produit sur un système de CFAO qui s'appuie sur la maquette numérique de la pièce métallique à traiter. Grâce à la maquette numérique, il est possible de connaître l'angle d'incidence du faisceau en chaque point de passage sur la surface de la pièce métallique. Cette information peut
être exploitée pour pondérer la vitesse du faisceau de manière à produire une pointe thermique optimale sur la surface de la pièce.To implement the invention, it is advantageous to control the various parameters through a computerized system. The control of the displacement system can be done with a postprocessor produced on a CAD / CAM system that relies on the digital model of the metal part to be treated. With the digital model, it is possible to know the angle of incidence of the beam at each point of passage on the surface of the metal part. This information can be used to weight the beam speed so as to produce an optimal thermal peak on the surface of the part.
Selon un mode de réalisation de la présente invention le métal de la partie métallique est du titane (Ti) ou un alliage de titane et où :According to one embodiment of the present invention the metal of the metal part is titanium (Ti) or a titanium alloy and where:
TZF < 773 K et T3 ≥ 973 K.T ZF <773 K and T 3 ≥ 973 K.
A titre d'exemples, les conditions de traitement suivantes peuvent avantageusement être mises en œuvre par un alliage de titane :By way of examples, the following treatment conditions can advantageously be implemented by a titanium alloy:
P = 300 W, V = 1 mm. s"1, R ≤ 10 mm ;P = 300 W, V = 1 mm. s "1 , R ≤ 10 mm;
P = 30 W, V = 1 mm. s"1, R ≤ 2 , 5 mm ;P = 30 W, V = 1 mm. s "1 , R ≤ 2, 5 mm;
P = 300 W, V = 10 mm. s"1, R ≤ 5 mm ; P = 30 W, V = 10 mm. s"1, R ≤ 1 mm.P = 300 W, V = 10 mm. s "1 , R ≤ 5 mm, P = 30 W, V = 10 mm, s " 1 , R ≤ 1 mm.
Selon un autre mode de réalisation, le métal de la partie métallique est du fer (Fe) ou un alliage de fer, notamment un acier inoxydable, et où :According to another embodiment, the metal of the metal part is iron (Fe) or an iron alloy, especially a stainless steel, and where:
TZF ≤ 393 K et T3 ≥ 473 K.T ZF ≤ 393 K and T 3 ≥ 473 K.
A titre d'exemples, les conditions de traitement suivantes peuvent avantageusement être mises en œuvre par un alliage d'acier :By way of examples, the following treatment conditions can advantageously be implemented by a steel alloy:
P = 300 W, V = 1 mm. s"1, R ≤ 22 mm ; P = 30 W, V = 1 mm. s"1, R ≤ 5,5 mm ;P = 300 W, V = 1 mm. s "1 , R ≤ 22 mm, P = 30 W, V = 1 mm, s " 1 , R ≤ 5.5 mm;
P = 300 W, V = 10 mm. s"1, R ≤ 10 mm ;P = 300 W, V = 10 mm. s "1 , R ≤ 10 mm;
P = 30 W, V = 10 mm. s"1, R ≤ 2,25 mm.P = 30 W, V = 10 mm. s "1 , R ≤ 2.25 mm.
Selon un autre mode de réalisation le métal de la partie métallique est de l'aluminium (Al) ou un alliage
d'aluminium et où : TZF < 543 K et Ts > 597 K.According to another embodiment, the metal of the metal part is aluminum (Al) or an alloy of aluminum and where: T ZF <543 K and T s > 597 K.
A titre d'exemples, les conditions de traitement suivantes peuvent avantageusement être mises en œuvre par un alliage d'aluminium :By way of examples, the following treatment conditions can advantageously be implemented by an aluminum alloy:
P = 300 W, V = 1 mm. s"1, R < 10 mm ;P = 300 W, V = 1 mm. s "1 , R <10 mm;
P = 30 W, V = 1 mm. s"1, R < 2 , 5 mm ;P = 30 W, V = 1 mm. s "1 , R <2.5 mm;
P = 300 W, V = 10 mm. s"1, R < 4,8 mm ; P = 30 W, V = 10 mm. s"1, R < 1 mm.P = 300 W, V = 10 mm. s "1 , R <4.8 mm, P = 30 W, V = 10 mm, s " 1 , R <1 mm.
D'autres particularités et avantages de la présente invention dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, notamment en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une pièce à traiter selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon 1 ' invention ; - les figures 3 à 4 représentent des courbes de variation de la dureté en fonction de l'épaisseur d'échantillons de titane, notamment traités dans différentes conditions selon l'invention ;Other features and advantages of the present invention in the following description of nonlimiting exemplary embodiments, in particular with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic sectional view of a workpiece according to the invention; Figure 2 is a schematic view of a device for implementing the method according to the invention; FIGS. 3 to 4 show curves of variation of the hardness as a function of the thickness of titanium samples, in particular treated under different conditions according to the invention;
- les figures 5 et 7 représentent des courbes de variation de la dureté en fonction de l'épaisseur d'échantillons d'acier, notamment traités dans différentes conditions selon l'invention ;FIGS. 5 and 7 show curves of variation of the hardness as a function of the thickness of steel samples, in particular treated under different conditions according to the invention;
- les figures 6 et 8 représentent des courbes de concentration d'azote en fonction de l'épaisseur correspondant aux conditions de traitement des figures 5 et 7 ;
- la figure 9 représente des profils de température liés à l'implantation-diffusion de l'azote dans un alliage d'aluminium pour des traitements selon 1 ' invention . Pour des raisons de clarté, les dimensions des différents éléments représentés sur ces figures ne sont pas nécessairement en proportion avec leurs dimensions réelles .FIGS. 6 and 8 show nitrogen concentration curves as a function of the thickness corresponding to the treatment conditions of FIGS. 5 and 7; FIG. 9 represents temperature profiles related to implantation-diffusion of nitrogen in an aluminum alloy for treatments according to the invention. For the sake of clarity, the dimensions of the various elements shown in these figures are not necessarily in proportion to their actual dimensions.
La figure 1 représente une partie d'une pièce 50 comprenant une partie métallique 20, d'épaisseur eM. Dans l'exemple représenté, cette partie métallique 20 est située sur une autre partie 30 de la pièce 50. Il va de soi que la pièce 50 peut être composée uniquement de métal de la partie métallique 20. La partie métallique 20 fait l'objet d'un traitement par un faisceau d'ions 10. Le faisceau d'ions est réglé selon l'invention de manière à permettre la création d'une zone d'implantation ZI, d'épaisseur ei et d'une zone de diffusion ZD, d'épaisseur eD. On nomme par la suite « zone d'implantation-diffusion » la zone ZID constituée des zones d'implantation ZI et de diffusion ZD.Figure 1 shows a part of a part 50 comprising a metal part 20, of thickness e M. In the example shown, this metal part 20 is located on another part 30 of the part 50. It goes without saying that the part 50 can be composed solely of metal of the metal part 20. The metal part 20 is the object The ion beam is adjusted according to the invention so as to allow the creation of an implantation zone ZI, of thickness ei and of a diffusion zone ZD. , of thickness e D. Subsequently, the ZID zone consisting of ZI implantation zones and ZD diffusion zones is called the "implantation-diffusion zone".
La zone ZF de la partie métallique, d'épaisseur eZF et située sous la zone d'implantation-diffusion, est maintenue selon l'invention à une température TZF, inférieure ou égale à une température seuil TSD-The zone ZF of the metal part, of thickness e ZF and situated under the implantation-diffusion zone, is maintained according to the invention at a temperature T ZF , less than or equal to a threshold temperature T SD -
Les ions du faisceau 10 sont dirigés dans une zone de la surface 21 de la partie métallique 20 à traiter. Ces ions s'implantent dans la zone ZI sous la surface d'impact du faisceau d'ions, dans une région 22. Grâce à l'apport thermique de ces ions interagissant avec le métal, un phénomène de diffusion d'une partie de ces ions est activé qui permet leur déplacement dans une région 23
autour de la région 22. La région 24, de la zone ZF est maintenue à une température telle que les ions ne peuvent y diffuser de manière significative.The ions of the beam 10 are directed in an area of the surface 21 of the metal part 20 to be treated. These ions are implanted in the zone ZI under the impact surface of the ion beam, in a region 22. Thanks to the thermal contribution of these ions interacting with the metal, a phenomenon of diffusion of a part of these ions is activated which allows their movement in a region 23 ZF region 24 is maintained at a temperature such that the ions can not diffuse significantly there.
La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention où une source RCE 60 délivre un faisceau d'ions 10 avec une puissance et un diamètre donné. La pièce 50 est disposée sur des moyens de déplacement 80 qui permettent à la pièce de se déplacer à une vitesse V par rapport au faisceau 10. Il est possible de disposer des moyens de refroidissement entre les moyens de déplacement et la pièce 50 à traiter afin de maintenir la température TZF dans la zone ZF souhaitée.FIG. 2 is a schematic view of a device for implementing the method according to the invention, in which an RCE source 60 delivers an ion beam 10 with a power and a given diameter. The part 50 is disposed on displacement means 80 which allow the part to move at a speed V with respect to the beam 10. It is possible to have cooling means between the displacement means and the part 50 to be treated in order to to maintain the temperature T ZF in the desired zone ZF.
Une lentille magnétique 70 peut être mise en œuvre afin de régler le diamètre du faisceau d'ions 10 en fonction de la puissance désirée par unité de surface sur la partie métallique de la pièce à traiter.A magnetic lens 70 may be implemented to adjust the diameter of the ion beam 10 according to the desired power per unit area on the metal portion of the workpiece.
Les moyens de déplacement 80 peuvent être activés pour permettre plusieurs passages du faisceau d'ions sur une même zone de la surface à traiter.The displacement means 80 may be activated to allow several passes of the ion beam on the same area of the surface to be treated.
Les figures 3, 4, 5 et 7 représentent des courbes de dureté, exprimées en GPa en fonction de la profondeur, exprimée en nanomètre, dans la partie métallique 20 de la pièce à traiter à partir de la surface de traitement 21. Ces mesures sont effectuées par nano-indentation avec un nano-duromètre, grâce à une pointe en diamant dont l'avancement sous l'effet d'une charge est repéré à l'échelle nanométrique .FIGS. 3, 4, 5 and 7 represent hardness curves, expressed in GPa as a function of the depth, expressed in nanometer, in the metal part 20 of the part to be treated starting from the treatment surface 21. These measurements are made by nano-indentation with a nano-durometer, thanks to a diamond tip whose advancement under the effect of a charge is spotted at the nanoscale.
Les courbes 3 et 4 reportent des résultats de mesure de dureté effectués sur des échantillons où l'alliage traité est un alliage de titane Ti-6%A1-4%V, connu sous la référence commerciale TA6V.
La courbe 100 correspond à la mesure du profil de dureté d'une pièce en TA6V non traitée. Sa dureté est inférieure à 9 GPa sur toute l'épaisseur et sensiblement comprise entre 6 et 8 GPa. La courbe 101 correspond à la mesure du profil de dureté d'une pièce en TA6V traitée par un procédé d'implantation d'azote dans des conditions connues d'implantation ; dans ces conditions la tension accélération des ions est de 46 000 V, la puissance du faisceau est de 315 kW, la vitesse de balayage du faisceau V est rapide (40 mm/s) avec un nombre important de passages (72 passages) dans une même zone de la surface de la partie métallique à traiter et la dose d'ions par unité de surface est égale à 5, 4.1017 ions/cm2. II en résulte une dose d'ions par unité de surface et par passage égale à 0,07.1017 ions/cm2 par passage. La dureté de l'échantillon ainsi obtenu présente un maximum d'environ 30 GPa à une profondeur d'environ 50 nm. On constate que l'amélioration de dureté s'estompe rapidement en fonction de la profondeur et que le profil de dureté de cet échantillon rejoint celui d'un échantillon non traité vers 200 nm.Curves 3 and 4 report hardness measurement results made on samples where the treated alloy is titanium alloy Ti-6% A1-4% V, known under the trade reference TA6V. The curve 100 corresponds to the measurement of the hardness profile of an untreated TA6V part. Its hardness is less than 9 GPa over the entire thickness and substantially between 6 and 8 GPa. Curve 101 corresponds to the measurement of the hardness profile of a TA6V part treated by a nitrogen implantation process under known conditions of implantation; under these conditions the acceleration voltage of the ions is 46 000 V, the power of the beam is 315 kW, the scanning speed of the beam V is fast (40 mm / s) with a large number of passages (72 passages) in a same area of the surface of the metal part to be treated and the ion dose per unit area is 5, 4.10 17 ions / cm 2 . This results in a dose of ions per unit area and per passage equal to 0.07 × 10 17 ions / cm 2 per pass. The hardness of the sample thus obtained has a maximum of about 30 GPa at a depth of about 50 nm. It can be seen that the improvement in hardness fades rapidly as a function of depth and that the hardness profile of this sample reaches that of an untreated sample at around 200 nm.
Les autres courbes, 102 à 104, représentées en figures 3 et 4 résultent de mesures sur des échantillons de TA6V traités selon l'invention avec des ions d'azote dans les conditions suivantes :The other curves, 102 to 104, represented in FIGS. 3 and 4, result from measurements on TA6V samples treated according to the invention with nitrogen ions under the following conditions:
Tension d'accélération : 46 000 V Puissance du faisceau : 315 kW Température TZF : 300 K Les paramètres suivants ont fait l'objet de variations :Acceleration voltage: 46,000 V Beam power: 315 kW Temperature T ZF : 300 K The following parameters have been subject to variations:
En figure 3, on fait varier le nombre de passages
dans une même zone de la surface de la partie métallique à traiter dans les conditions suivantes :In FIG. 3, the number of passages is varied in the same area of the surface of the metal part to be treated under the following conditions:
II en résulte de ces conditions de traitement des doses d'ions par unité de surface et par passage comprises de 15.1017 ions/cm2 par passage.As a result of these treatment conditions ion doses per unit area and per passage of 15.10 17 ions / cm 2 per pass.
En figure 4, on fait varier la vitesse de balayage V dans les conditions suivantes :In FIG. 4, the scanning speed V is varied under the following conditions:
II en résulte de ces conditions de traitement des doses d'ions par unité de surface et par passage comprises entre à 7.1017 et 15.1017 ions/cm2 par passage. Dans ces conditions, on observe que des phénomènes d'implantation-diffusion se déroulent et que les ions d'azote permettent d'obtenir une température, Ts, de la zone de la surface de la partie métallique bombardée par le faisceau d'ions supérieure à une température seuil TSIDΛ estimée à 973 K pour un alliage de titane.As a result of these treatment conditions ion doses per unit area and per passage between 7.10 17 and 15.10 17 ions / cm 2 per pass. Under these conditions, it is observed that diffusion-implantation phenomena take place and that the nitrogen ions make it possible to obtain a temperature, T s , of the zone of the surface of the metal part bombarded by the ion beam. greater than a threshold temperature T SIDΛ estimated at 973 K for a titanium alloy.
En effet, pour l'ensemble des courbes, 102 à 104, relatives à des échantillons de TA6V traités selon
l'invention, on constate une augmentation très significative de la dureté dans une zone proche de la surface, comprise entre environ 80 et 300 nm ; de manière remarquable on constate que l'augmentation de dureté par rapport à un échantillon non traité demeure sur des profondeurs très importantes, supérieures à 1000 nm, voire même supérieures à plusieurs μm. L'augmentation de la dureté à de telles épaisseurs résulte de la diffusion des ions d'azote implantés en surface vers le cœur de la partie métallique. Il est ainsi possible de durcir un alliage de titane sur une grande profondeur et de lui conférer des propriétés de surface remarquables.Indeed, for all the curves, 102 to 104, relative to samples of TA6V treated according to the invention, there is a very significant increase in hardness in an area close to the surface, between about 80 and 300 nm; remarkably it is found that the increase in hardness compared to an untreated sample remains at very large depths, greater than 1000 nm, or even greater than several microns. The increase in hardness at such thicknesses results from the diffusion of the nitrogen ions implanted at the surface towards the core of the metal part. It is thus possible to harden a titanium alloy to a great depth and give it remarkable surface properties.
Les courbes 5 et 7 reportent des résultats de mesure de dureté effectués sur des échantillons où l'alliage traité est un acier de référence commerciale 304L.Curves 5 and 7 report hardness measurement results made on samples where the treated alloy is a 304L commercial reference steel.
La courbe 200 correspond à la mesure du profil de dureté d'une partie en acier 304L non traitée. Sa dureté est de l'ordre de 5 GPa.Curve 200 corresponds to the measurement of the hardness profile of an untreated 304L steel part. Its hardness is of the order of 5 GPa.
Les autres courbes, 201 à 206, représentées en figures 5 et 7 résultent de mesures sur des échantillons de 304L traités selon l'invention avec des ions d'azote dans les conditions suivantes :The other curves, 201 to 206, represented in FIGS. 5 and 7, result from measurements on 304L samples treated according to the invention with nitrogen ions under the following conditions:
Tension d'accélération : 46 000 V Puissance du faisceau : 315 kW Température TZF : 300 KAcceleration voltage: 46,000 V Beam power: 315 kW Temperature T ZF : 300 K
Les paramètres suivants ont fait l'objet de variations :The following parameters have been subject to variations:
En figure 5, on fait varier le nombre de passages dans une même zone de la surface de la partie métallique à traiter dans une même zone dans les conditions suivantes :
In FIG. 5, the number of passages in the same zone of the surface of the metal part to be treated in the same zone is varied under the following conditions:
II en résulte de ces conditions de traitement des doses d'ions par unité de surface et par passage de 3.10 ions/cm par passage.As a result of these treatment conditions ion doses per unit area and passage of 3.10 ions / cm per pass.
En figure 7, on fait varier la vitesse de balayage V dans les conditions suivantes :In FIG. 7, the scanning speed V is varied under the following conditions:
II en résulte de ces conditions de traitement des doses d'ions par unité de surface et par passage comprises entre à l,5.1017 et 6.1017 ions/cm2 par passage.As a result of these treatment conditions ion doses per unit area and per passage are between 1.5, 5.10 17 and 6.10 17 ions / cm 2 per pass.
Dans ces conditions, on observe que des phénomènes d'implantation-diffusion se déroulent et que les ions d'azote permettent d'obtenir une température, T3, de la zone de la surface de la partie métallique bombardée par le faisceau d'ions supérieure à une température seuil TSID, estimée à 473 K pour un acier.
En effet, pour l'ensemble des courbes, 202 à 206, relatives à des échantillons d'acier traités selon l'invention, on constate une augmentation très significative de la dureté dans une première zone à partir de la surface, comprise entre environ 100 et 800 nm ; de manière remarquable on constate que l'augmentation de dureté par rapport à un échantillon non traité demeure sur des profondeurs très importantes, supérieures à 1000 nm, voire même supérieures à plusieurs μm. L'augmentation de la dureté à de telles épaisseurs résulte de la diffusion des ions d'azote implantés en surface vers le cœur de la partie métallique. Il est ainsi possible de durcir un acier sur une grande profondeur et de lui conférer des propriétés de surface remarquables.Under these conditions, it is observed that diffusion-implantation phenomena take place and that the nitrogen ions make it possible to obtain a temperature, T 3 , of the area of the surface of the metal part bombarded by the ion beam. greater than a threshold temperature T SID , estimated at 473 K for a steel. Indeed, for all the curves, 202 to 206, relating to steel samples treated according to the invention, there is a very significant increase in the hardness in a first zone from the surface, between about 100 and 800 nm; remarkably it is found that the increase in hardness compared to an untreated sample remains at very large depths, greater than 1000 nm, or even greater than several microns. The increase in hardness at such thicknesses results from the diffusion of the nitrogen ions implanted at the surface towards the core of the metal part. It is thus possible to harden a steel to a great depth and to give it remarkable surface properties.
Ces observations sont corroborées par les profils de concentration en azote (exprimée en atome % en fonction de la profondeur exprimée en μm) présentés sur les figures 6 et 8, où les profils de concentration en azote sont mesurés par EDS sur des tranches des échantillons. Les profils 301 à 306 correspondant respectivement aux échantillons pour lesquels les duretés ont été reportées en figures 5 et 7 sous les numéros 201 à 206. On constate en effet que pour toutes ces courbes, au moins 5 % d'azote a été introduit jusqu'à plus de 5 μm, permettant ainsi une augmentation de la dureté sur de profondeurs très importantes. Il convient de noter qu'un procédé d'implantation d'azote mis en œuvre dans des conditions connues conduit à un profile de concentration où l'azote ne pénètre pas plus profondément qu'environ 0,2 μm.These observations are corroborated by the nitrogen concentration profiles (expressed in atom% as a function of the depth expressed in μm) presented in FIGS. 6 and 8, where the nitrogen concentration profiles are measured by EDS on slices of the samples. The profiles 301 to 306 respectively corresponding to the samples for which the hardnesses have been reported in FIGS. 5 and 7 under the numbers 201 to 206. It can be seen that for all these curves, at least 5% of nitrogen has been introduced up to at more than 5 μm, thus allowing an increase in hardness over very large depths. It should be noted that a nitrogen implantation process performed under known conditions leads to a concentration profile where the nitrogen does not penetrate deeper than about 0.2 μm.
La figure 9 illustre des profils de température liés à l'implantation-diffusion de l'azote dans un alliage d'aluminium pour des traitements selon l'invention. Les résultats représentés ont été obtenu par
calcul et permettent de simuler la pointe thermique provoquée par le passage d'un faisceau 400 W, d'un rayon de 15 mm, à une vitesse de 1 mm/s sur une pièce métallique en alliage d'aluminium. La température seuil TSD est estimée à 543 K et la température de fusion est de 66O0C. La pointe de thermique est ici calculée à partir de l'équation de Fourier sous sa forme unidimensionnelle . Cette équation tient compte la diffusivité de la chaleur qui est une donnée spécifique au métal. Pour un alliage d'aluminium la diffusivité thermique est estimée à 5,4*10~5 m. s2. En abscisse on trouve l'axe du temps exprimé en seconde et correspondant au passage du faisceau en point donné. En ordonnée on représente la température ce point et exprimée en degré Celsius.FIG. 9 illustrates temperature profiles related to implantation-diffusion of nitrogen in an aluminum alloy for treatments according to the invention. The results shown were obtained by calculation and simulate the thermal peak caused by the passage of a beam 400 W, a radius of 15 mm, at a speed of 1 mm / s on a metal part made of aluminum alloy. The threshold temperature T SD is estimated at 543 K and the melting temperature is 66O 0 C. The thermal peak is here calculated from the Fourier equation in its one-dimensional form. This equation takes into account the diffusivity of heat, which is a metal-specific datum. For an aluminum alloy the thermal diffusivity is estimated at 5.4 * 10 ~ 5 m. s 2 . On the abscissa we find the axis of time expressed in seconds and corresponding to the passage of the beam in given point. In ordinate the temperature is represented this point and expressed in degree Celsius.
Pour un faisceau dont le profil serait gaussien, on observerait le profil de température 401, pour un faisceau dont le profil serait constant, on observerait le profil de température 402. On estime qu'un profil d'un faisceau courant est compris entre les deux configurations précédentes et on trace en conséquence un profil de température estimé 403.For a beam whose profile would be Gaussian, one would observe the temperature profile 401, for a beam whose profile would be constant, one would observe the temperature profile 402. It is estimated that a profile of a current beam is between the two previous configurations and one draws accordingly an estimated temperature profile 403.
On note que dans une première zone I, pour un temps allant jusqu'à environ 10 secondes, la température est inférieure à TSD. Dans une deuxième zone II, pour un temps allant d'environ 10 secondes à environ 22 secondes, la température est supérieure à TSD. Puis dans une troisième zone III, pour un temps au delà d'environ 22 secondes, la température est inférieure à TSD. Les atomes d'azote ne peuvent significativement diffuser dans les zones I et III, alors qu'ils le peuvent dans la zone I.It is noted that in a first zone I, for a time of up to about 10 seconds, the temperature is below T SD . In a second zone II, for a time ranging from about 10 seconds to about 22 seconds, the temperature is higher than T SD . Then in a third zone III, for a time beyond about 22 seconds, the temperature is below T SD . The nitrogen atoms can not significantly diffuse in zones I and III, while they can in zone I.
On note en outre que la température demeure inférieure à la température de fusion d'un alliage d'aluminium estimée à environ 66O0C.
Pour des températures de 4000C et 5000C et différents temps d'exposition, on a calculé les distances parcourues l'azote dans un alliage d'aluminium. A 4000C, la diffusion d'azote dépasse le demi-micron pour une durée de 100 secondes. A 5000C, on atteint des valeurs de l'ordre du micron pour quelques dizaines de secondes. La distance de diffusion s'ajoute à l'épaisseur d' implantation .It is further noted that the temperature remains below the melting point of an aluminum alloy estimated at about 66O 0 C. For temperatures of 400 ° C. and 500 ° C. and different exposure times, the distances traveled by the nitrogen in an aluminum alloy were calculated. At 400 ° C., the nitrogen diffusion exceeds the half-micron for a duration of 100 seconds. At 500 ° C., values of the order of one micron are reached for a few tens of seconds. The diffusion distance is added to the implantation thickness.
Par exemple, pour une tension d'accélération de 60 kV, trois états de charge N+ (2,4 mAe) , N2 +(3 mAe) , N3 +(1 mAe), pour une durée d'exposition de 15 secondes, on nitrure par implantation ionique une épaisseur d'environ 0,7 micron avec une concentration atomique moyenne d'azote de 9,37%. Si les conditions de déplacement du faisceau sont telles que l'on crée une pointe thermique comprise entre 400 et 5000C pendant 15 secondes, on doit diffuser l'azote sur une distance dont la valeur est comprise entre à 0,25 et 0,85 micron. L'épaisseur totale traitée, qui tient compte de la distance de diffusion, varie donc entre environ 0,95 et 1,55 micron. La concentration atomique moyenne de l'azote qui se dilue dans cette épaisseur varie entre environ 6,9% et 4,2%. Si on répète 5 fois l'opération on crée en 90 secondes une épaisseur nitrurée dont l'épaisseur minimale est 2,3 micron et l'épaisseur maximale est de 5,8 micron. On multipliant les opérations on augmente la profondeur de l'épaisseur nitrurée ainsi que la concentration moyenne d'azote dans cette même épaisseur. On peut penser en outre que la concentration moyenne d'azote peut tendre vers une concentration limite en surface qui dépend de la diffusion de l'azote produite à chaque opération, de la pulvérisation due à 1 ' implantation .For example, for an acceleration voltage of 60 kV, three states of charge N + (2.4 mAe), N2 + (3 mAe), N3 + (1 mAe), for a duration of exposure of 15 seconds, one ion implantation nitride about 0.7 micron thick with a mean atomic concentration of nitrogen of 9.37%. If the conditions of displacement of the beam are such that a thermal peak is created between 400 and 500 ° C. for 15 seconds, the nitrogen must be diffused over a distance whose value is between 0.25 and 0, 85 micron. The total thickness treated, which takes into account the diffusion distance, thus varies between approximately 0.95 and 1.55 micron. The average atomic concentration of nitrogen that dilutes in this thickness varies between about 6.9% and 4.2%. If the operation is repeated 5 times, a nitrided thickness is created in 90 seconds, the minimum thickness of which is 2.3 microns and the maximum thickness is 5.8 microns. Multiplying the operations increases the depth of the nitride thickness and the average concentration of nitrogen in the same thickness. It can further be thought that the average nitrogen concentration may tend towards a surface limiting concentration which depends on the diffusion of the nitrogen produced at each operation from the sputtering due to implantation.
L'invention n'est pas limitée aux types de
réalisation exemplifiés et doit être interprétée de façon non limitative et englobe tout mode de réalisation équivalent. Il convient de noter que si des exemples de traitement du titane, de l'acier, d'aluminium ont été présentés, le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre avec de très nombreux métaux en vue d'améliorer leurs propriétés de surface.
The invention is not limited to the types of embodiment exemplified and must be interpreted in a non-limiting manner and encompasses any equivalent embodiment. It should be noted that if examples of treatment of titanium, steel, aluminum have been presented, the method according to the invention can be implemented with very many metals in order to improve their surface properties. .