FR2876390A1 - Aluminium alloy component ion implantation system for nitriding uses electronic cyclotronic resonance source producing multi-energy ions - Google Patents

Aluminium alloy component ion implantation system for nitriding uses electronic cyclotronic resonance source producing multi-energy ions Download PDF

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Abstract

The nitrogen ion implantation system for an aluminium component (5) uses ions emitted by an electronic cyclotronic resonance source producing multi-energy ions that are implanted at a temperature below 12 degrees C. In addition to regulators (7 - 11) controlling the initial ion beam (f1') the system has a second set of regulators (1, 4, 12) for the relative positions of the component and the ion source (6), one of which (12) is a holder that enables the component to be moved during treatment, equipped with a cooler (12) to remove heat generated in the component during the process.

Description

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Procédé de nitruration par implantation ionique d'une pièce métallique et dispositif de mise en oeuvre du procédé Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de nitruration d'une pièce métallique par implantation ionique de cette pièce. Ce procédé consiste à implanter des atomes d'azote dans la structure cristalline d'une pièce métallique, grâce à un faisceau d'ions émis à partir d'une source d'ions. L'invention concerne également un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé.  FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a method of nitriding a metal part by ion implantation of this part. This process consists in implanting nitrogen atoms in the crystal structure of a metal part, thanks to a beam of ions emitted from an ion source. The invention also relates to a device for implementing this method.

L'invention trouve des applications dans les domaines techniques où l'on cherche à réaliser un traitement de surface d'une pièce métallique, en particulier dans le domaine de la plasturgie, pour la réalisation de moules métalliques servant à la fabrication en série de pièces en matière plastique moulées.  The invention has applications in the technical fields where it is sought to perform a surface treatment of a metal part, in particular in the field of plastics, for the production of metal molds for the mass production of parts. molded plastics.

Etat de la technique Dans le domaine de la plasturgie, la plupart des pièces en matière plastique sont réalisées pâr moulage dans des moules métalliques. Actuellement, la plupart de ces moules sont en acier. En effet, l'acier est un matériau solide ayant une bonne tenue mécanique dans le temps. Chaque moule en acier permet ainsi de réaliser un nombre important de pièces en matière plastique de l'ordre de 500000 à 1000000 d'unités. Le nombre de pièces en matière plastique par moule en acier est de l'ordre de 500000 à 1 million. Cependant, l'acier est un matériau difficile à traiter qui, par conséquent, ne permet pas une mise rapide. de la production sur le marché. Il ne permet pas non plus une grande flexibilité de forme, alors que la tendance actuelle est de changer fréquemment la forme des pièces en plastique et, donc, la forme des moules d'injection. Pour ces raisons, le coût en usinage et en temps d'un moule en acier est relativement élevé.  STATE OF THE ART In the field of plastics, most plastic parts are made by molding in metal molds. Currently, most of these molds are steel. Indeed, steel is a solid material having good mechanical strength over time. Each steel mold thus makes it possible to produce a large number of plastic parts of the order of 500,000 to 1,000,000 units. The number of plastic parts per steel mold is in the range of 500,000 to 1 million. However, steel is a difficult material to process which, therefore, does not allow a quick setting. of production on the market. It also does not allow great flexibility of shape, while the current trend is to frequently change the shape of plastic parts and, therefore, the shape of the injection molds. For these reasons, the machining and time cost of a steel mold is relatively high.

On cherche donc de plus en plus dans te domaine de la plasturgie à réaliser des moules d'injections dans un autre métal que l'acier. Les alliages d'aluminium constituent l'un de ces métaux. En effet, l'alliage d'aluminium présente l'avantage d'avoir une excellente usinabilité, c'està-dire de permettre un usinage à grande vitesse. L' alliage d'aluminium présente aussi une forte capacité d'échange thermique, ce qui entraine un refroidissement 2876390 2 plus rapide de la pièce en matière plastique, ainsi qu'une grande légèreté, donc une manipulation plus aisée. L'alliage d'aluminium présente, à volume égal, un coût sensiblement comparable à celui de l'acier. Cependant, les moules en alliage d'aluminium ont une tenue mécanique limitée dans le temps, d'où une capacité de production peu élevée par rapport à celle de l'acier. Le nombre de pièces en matière plastique réalisées par moule en alliage d'aluminium est de l'ordre 1000 unités. En outre, sur les moules en alliage d'aluminium, les phénomènes d'érosion de la surface moulante, de matage du plan de joint ou de corrosion apparaissent plus rapidement que sur les moules en acier.  It is therefore increasingly sought in the field of plastics to produce injection molds in a metal other than steel. Aluminum alloys are one of these metals. Indeed, the aluminum alloy has the advantage of having excellent machinability, that is to say to allow machining at high speed. The aluminum alloy also has a high heat exchange capacity, which leads to a faster 2876390 2 cooling of the plastic part, as well as a great lightness, thus easier handling. The aluminum alloy has, at equal volume, a cost substantially comparable to that of steel. However, the aluminum alloy molds have a mechanical strength limited in time, resulting in a low production capacity compared to that of steel. The number of plastic parts made by aluminum alloy mold is of the order of 1000 units. In addition, on aluminum alloy molds, phenomena of erosion of the molding surface, matting of the joint plane or corrosion appear faster than on steel molds.

Les fabricants de moules à injection en alliage d'aluminium cherchent à résoudre ce problème en améliorant la tenue mécanique superficielle de ces moules. Pour cela, ils cherchent à augmenter la résistance à l'usure en accroissant la dureté superficielle et la lubrification (diminution du coefficient de friction) et en renforçant la résistance à la corrosion, essentiellement due aux attaques chlorées.  Manufacturers of aluminum alloy injection molds seek to solve this problem by improving the surface mechanical strength of these molds. For this, they seek to increase the wear resistance by increasing the surface hardness and lubrication (lower coefficient of friction) and strengthening the corrosion resistance, mainly due to chlorine attacks.

Différents procédés chimiques sont connus pour améliorer la tenue mécanique des moules en aluminium.  Various chemical processes are known to improve the mechanical strength of aluminum molds.

L'un de ces procédés consiste en une anodisation du moule en aluminium. L'anodisation est un procédé électrolytique permettant d'épaissir la couche naturelle d'alumine (Al203) jusqu'à des épaisseurs de l'ordre de 20 microns. Cette couche d'alumine est dure mais très cassante (une ténacité sensiblement identique à celle du verre), a un coefficient de dilatation thermique élevé et présente une sensibilité aux attaques chlorées, d'où une grande fragilité au regard de la fatigue thermique et de la corrosion.  One of these processes consists of anodizing the aluminum mold. Anodizing is an electrolytic process for thickening the natural alumina layer (Al 2 O 3) to thicknesses of the order of 20 microns. This layer of alumina is hard but very brittle (a toughness substantially identical to that of glass), has a high coefficient of thermal expansion and has a sensitivity to chlorine attacks, resulting in great fragility with regard to thermal fatigue and corrosion.

Un autre procédé est le chromage dur. Ce procédé est un traitement électrolytique des moules en aluminium qui permet de les durcir. Cependant, ce procédé pose des problèmes d'homogénéité d'épaisseur sur les arêtes des moules. De plus il nécessite une préparation de surface dite de dérochage (création de micro rugosités d'accroche de 7 à 8 microns) dont la qualité dépend du savoir-faire du sous-traitant, d'ou une mauvaise réputation auprès des moulistes.  Another method is hard chrome plating. This process is an electrolytic treatment of aluminum molds that allows them to harden. However, this process poses problems of homogeneity of thickness on the edges of the molds. In addition, it requires a so-called surface-removal surface preparation (creation of micro-grip patches of 7 to 8 microns) whose quality depends on the know-how of the subcontractor, or a bad reputation among the molders.

Un autre procédé est le nickelage. Ce procédé consiste en un dépôt uniforme d'une couche de nickel imprégnée de téflon pour lubrifier la surface.  Another process is nickel plating. This process consists of a uniform deposition of a Teflon impregnated nickel layer to lubricate the surface.

Cependant, l'imprégnation du nickel par le téflon exige le maintien du moule 2876390 3 pendant plusieurs heures à une température de 250 C, fatal aux propriétés mécaniques des alliages d'aluminium. Sans téflon, donc sans lubrification, la couche de nickel présente à son tour des risques de délaminage.  However, the impregnation of nickel with Teflon requires the maintenance of the mold 2876390 3 for several hours at a temperature of 250 C, fatal to the mechanical properties of aluminum alloys. Without teflon, so without lubrication, the nickel layer in turn presents risks of delamination.

Un autre procédé est le dépôt en phase vapeur de nitrure de chrome.  Another method is the vapor phase deposition of chromium nitride.

Ce procédé pose un problème en ce qui concerne l'adhérence de la couche de nitrure de chrome, qui est de mauvaise qualité du fait de la faiblesse de la température d'application autorisée ( au-delà de laquelle les propriétés mécaniques du substrat sont détruites).  This method poses a problem with respect to the adhesion of the chromium nitride layer, which is of poor quality due to the low permissible application temperature (beyond which the mechanical properties of the substrate are destroyed. ).

II existe, par ailleurs, un autre problème lié au type de matériaux à traiter, à savoir les alliages d'aluminium. En effet, les alliages d'aluminium contiennent des précipités durcissant obtenus par des revenus thermiques compris entre 120 et 150 C. Aussi, est-il impossible d'utiliser les alliages d'aluminium à des températures supérieures à 120 C, que ce soit lors d'un traitement ou d'une exploitation industrielle.  There is, moreover, another problem related to the type of materials to be treated, namely aluminum alloys. Indeed, aluminum alloys contain hardening precipitates obtained by thermal incomes of between 120 and 150 C. Also, is it impossible to use aluminum alloys at temperatures above 120 C, either during treatment or industrial exploitation.

Un autre procédé connu est la nitruration thermique. Celui-ci consiste à cémenter par de l'azote une pièce métallique pour obtenir une grande dureté superficielle. Généralement, cette nitruration est réalisée thermiquement, c'est-à-dire que la pièce métallique à traiter est chauffée à une température supérieure à 500 C dans un courant de gaz ammoniac. A cette température, le gaz ammoniac se dissout et se diffuse en formant des nitrures. Cependant, conformément à ce qui a été dit précédemment, ce procédé est inapplicable aux alliages d'aluminium, toujours pour des raisons de température.  Another known method is thermal nitriding. It consists in cementing with nitrogen a metal piece to obtain a great surface hardness. Generally, this nitriding is carried out thermally, that is to say that the metal part to be treated is heated to a temperature above 500 C in a stream of ammonia gas. At this temperature, the ammonia gas dissolves and diffuses to form nitrides. However, according to what has been said previously, this process is inapplicable to aluminum alloys, again for reasons of temperature.

Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment. A cette fin, l'invention propose de réaliser la nitruration d'une pièce métallique à basse température, en particulier un moule en alliage d'aluminium, par implantation ionique. Cette nitruration par implantation ionique consiste à implanter des ions d'azote, émis par une source d'ions, dans la structure cristalline de la pièce métallique. Un faisceau d'ions d'azote émis par une source d'ions permet de traiter sélectivement la surface d'une pièce, uniquement sur des zones choisies, de réduire ainsi la durée du traitement et de supprimer tout risque 2876390 4 d'échauffement ( lié à l'énergie d'implantation) au-delà d'une température maximale de 120 C.  DISCLOSURE OF THE INVENTION The object of the invention is precisely to remedy the disadvantages of the techniques described above. To this end, the invention proposes to perform the nitriding of a low temperature metal part, in particular an aluminum alloy mold, by ion implantation. This nitriding by ion implantation involves implanting nitrogen ions, emitted by an ion source, into the crystal structure of the metal part. A beam of nitrogen ions emitted by an ion source makes it possible to selectively treat the surface of a room, only on selected zones, thereby reducing the duration of the treatment and eliminating any risk of heating ( related to implantation energy) above a maximum temperature of 120 C.

De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de traitement par nitruration d'une pièce métallique, caractérisé par le fait qu'il consiste à soumettre au moins une zone de la pièce métallique à un faisceau d'ions d'azote émis par une source d'ions.  More specifically, the invention relates to a nitriding treatment method of a metal part, characterized in that it consists in subjecting at least one zone of the metal part to a beam of nitrogen ions emitted by an ion source.

Ce procédé basse température est avantageusement employé pour une pièce en alliage d'aluminium.  This low temperature process is advantageously used for an aluminum alloy part.

Le procédé de l'invention peut également comporter une ou plusieurs 10 des caractéristiques suivantes: - le faisceau d'ions d'azote se déplace de façon relative par rapport à la pièce métallique, à une vitesse constante ou variable tenant compte de l'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface.  The process of the invention may also include one or more of the following characteristics: the nitrogen ion beam moves relative to the metal part at a constant or variable rate taking into account the angle incidence of the beam relative to the surface.

- le faisceau d'ions d'azote est émis avec un débit et une énergie 15 d'émission constants.  the nitrogen ion beam is emitted with a constant flow rate and emission energy.

- le faisceau d'ions d'azote a une énergie d'implantation dans la pièce métallique, modulée en fonction de la distance entre la source d'ions et la pièce métallique.  the nitrogen ion beam has an implantation energy in the metal part, modulated as a function of the distance between the ion source and the metal part.

- le faisceau d'ions d'azote est émis avec un débit et une énergie 20 d'émission variables, commandés par la source d'ions.  the nitrogen ion beam is emitted with a variable emission rate and energy, controlled by the ion source.

- les ions d'azote sont implantés dans la pièce métallique à une profondeur variable, en fonction de l'énergie d'implantation du faisceau d'ions.  the nitrogen ions are implanted in the metal part at a variable depth, as a function of the implantation energy of the ion beam.

L'invention concerne également un dispositif de nitruration d'une 25 pièce métallique qui met en oeuvre le procédé de l'invention. Ce dispositif se caractérise par le fait qu'il comporte: - une source d'ions - des moyens de réglage du faisceau d'ions, et - des moyens de commande du déplacement relatif entre le faisceau 30 d'ions et la pièce métallique.  The invention also relates to a device for nitriding a metal part which implements the method of the invention. This device is characterized in that it comprises: an ion source, means for adjusting the ion beam, and means for controlling the relative displacement between the ion beam and the metal part.

Ce dispositif peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - La source d'ions est une source à résonance cyclotronique électronique.  This device may include one or more of the following characteristics: The ion source is an electron cyclotron resonance source.

- La source d'ions est un cyclotron.  - The ion source is a cyclotron.

2876390 5 - Les moyens de réglage comportent des moyens optiques de focalisation et un profiteur.  The adjusting means comprise optical focusing means and a profitant.

- Les moyens de réglage comportent un spectromètre de masse.  - The adjustment means comprise a mass spectrometer.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

La figure 1 représente deux exemples d'une même pièce métallique traitée par nitruration ionique avec des énergies d'implantation différentes.  FIG. 1 represents two examples of the same metal part treated by ionic nitriding with different implantation energies.

La figure 2 représente un diagramme fonctionnel du dispositif de l'invention.  Figure 2 shows a functional diagram of the device of the invention.

La figure 3 représente des exemples de distribution d'implantation, dans une pièce en aluminium, par une source RCE distribuant des ions Ni-, N2+ et N3+.  Figure 3 shows examples of implantation distribution, in an aluminum part, by an ECR source distributing Ni-, N2 + and N3 + ions.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Le procédé de l'invention propose de réaliser la nitruration d'une pièce métallique, en particulier une pièce en aluminium, en utilisant des ions d'azote émis par une source d'ions sous la forme d'un faisceau d'ions. Ce procédé permet de traiter la pièce en aluminium localement afin de renforcer ses caractéristiques de dureté, de lubrification et de résistance à la corrosion.  DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION The method of the invention proposes to perform the nitriding of a metal part, in particular an aluminum part, by using nitrogen ions emitted by an ion source under the form of an ion beam. This process processes the aluminum part locally to enhance its hardness, lubricity and corrosion resistance characteristics.

Ce traitement est réalisé par implantation d'ions d'azote dans la structure cristalline de la pièce métallique.  This treatment is carried out by implantation of nitrogen ions in the crystalline structure of the metal part.

Les ions d'azote sont produits par une source d'ions. Cette source d'ions permet d'ioniser des atomes avant de les accélérer. On obtient ainsi, à la sortie de la source, un type d'ions, par exemple 06+ qui est un atome d'oxygène auquel on a arraché 6 électrons. On peut également obtenir des ions d'azote N+, N2+ ou N3+. Les ions ainsi produits peuvent ètre accélérés par un champ électrique.  Nitrogen ions are produced by an ion source. This source of ions makes it possible to ionize atoms before accelerating them. There is thus obtained, at the output of the source, a type of ions, for example 06+ which is an oxygen atom to which 6 electrons were torn off. It is also possible to obtain nitrogen ions N +, N2 + or N3 +. The ions thus produced can be accelerated by an electric field.

La source d'ions, dans l'invention, peut être un accélérateur, en particulier un cyclotron, ou bien une source à résonance cyclotronique électronique, dite source RCE. Les ions produits par une source d'ions RCE ont une charge élevée et, de ce fait, une plus grande énergie pour une même tension d'accélération.  The ion source in the invention may be an accelerator, in particular a cyclotron, or an electron cyclotron resonance source, referred to as the ECR source. The ions produced by an ECR ion source have a high charge and, as a result, a higher energy for the same acceleration voltage.

Une source d'ions RCE est constituée de deux éléments principaux: - un champ magnétique qui confine les ions dans un volume délimité 35 (situé à l'intérieur de la source) et 2876390 6 - une onde haute fréquence injectée à l'intérieur de la source et destinée à chauffer les électrons qui peuvent alors être ionisés.  A source of RCE ions consists of two main elements: a magnetic field which confines the ions in a defined volume (situated inside the source) and a high frequency wave injected inside the source; the source and intended to heat the electrons which can then be ionized.

L'intérieur de la source comporte un plasma chaud, constitué d'un mélange d'ions et d'électrons confinés magnétiquement. Les ions peuvent être extraits de la source par un orifice pour être ensuite accélérés.  The interior of the source contains a hot plasma, consisting of a mixture of ions and electrons magnetically confined. The ions can be extracted from the source through an orifice and then accelerated.

Pour la production d'ions gazeux (d'oxygène, d'azote, de néon etc.), le gaz choisi est introduit dans la source en une quantité suffisante pour atteindre l'intensité du faisceau d'ions demandée.  For the production of gaseous ions (oxygen, nitrogen, neon etc.), the selected gas is introduced into the source in an amount sufficient to achieve the intensity of the ion beam required.

Le procédé de l'invention propose donc d'utiliser des ions d'azote produits de la façon expliquée précédemment et de les implanter dans des interstices de la structure cristalline de la pièce métallique. L'implantation de ces ions d'azote peut se faire à des profondeurs variables, en fonction des besoins et de la forme de la pièce. Cette profondeur dépend de l'énergie d'implantation du faisceau d'ions; elle peut varier de 0 à environ 3 pm.  The method of the invention therefore proposes to use nitrogen ions produced in the manner previously explained and to implant them in interstices of the crystalline structure of the metal part. The implantation of these nitrogen ions can be done at varying depths, depending on the needs and the shape of the room. This depth depends on the implantation energy of the ion beam; it can vary from 0 to about 3 pm.

Cette implantation d'ions d'azote permet d'augmenter les caractéristiques de dureté de l'aluminium. Par exemple, pour 10% d'ions implantés, la dureté de la pièce est augmentée localement d'un rapport de 200%. Dans le cas de l'aluminium, une dureté augmentée de 200% correspond approximativement à une dureté intermédiaire entre celle du titane et celle de l'acier. Pour 20% d'ions d'azote implantés dans la pièce, la dureté de la pièce augmente d'un rapport de 300%. Dans le cas de l'aluminium, une dureté augmentée de 300% correspond à une dureté égale voire supérieure à celle de l'acier.  This implantation of nitrogen ions makes it possible to increase the hardness characteristics of aluminum. For example, for 10% of implanted ions, the hardness of the part is increased locally by a ratio of 200%. In the case of aluminum, an increased hardness of 200% corresponds approximately to an intermediate hardness between that of titanium and that of steel. For 20% of nitrogen ions implanted in the workpiece, the hardness of the workpiece increases by a ratio of 300%. In the case of aluminum, a hardness increased by 300% corresponds to a hardness equal to or even greater than that of steel.

Dans une application à des moules d'injection en alliage d'aluminium, le procédé de l'invention permet d'obtenir des moules ayant une dureté superficielle proche de celle de l'acier, tout en conservant les propriétés mécaniques massives de l'alliage d'aluminium. Le procédé de l'invention permet aussi d'améliorer la caractéristique d'anti-corrosion de ces moules en alliage d'aluminium. Ainsi, la capacité de production d'un moule en alliage d'aluminium, traité avec le procédé de nitruration par implantation ionique de l'invention, est très largement augmentée par rapport à un moule en alliage d'aluminium classique.  In an application to aluminum alloy injection molds, the method of the invention makes it possible to obtain molds having a surface hardness close to that of steel, while preserving the massive mechanical properties of the alloy. aluminum. The process of the invention also makes it possible to improve the anti-corrosion characteristic of these aluminum alloy molds. Thus, the production capacity of an aluminum alloy mold, treated with the ion implantation nitriding process of the invention, is greatly increased compared to a conventional aluminum alloy mold.

Selon le procédé de l'invention, une pièce métallique peut être traitée localement c'est-à-dire zone par zone. Ainsi, plusieurs zones d'une même pièce métallique peuvent d'être traitées de façon à obtenir des duretés 2876390 7 identiques ou différentes. Le choix des zones à traiter et la durée du traitement à leur apporter sont fonction de leur spécificité fonctionnelle ( par exemple la zone du contour intérieur du plan de joint du moule, la zone de la surface moulante).  According to the method of the invention, a metal part can be treated locally, that is to say zone by zone. Thus, several zones of the same metal part can be treated so as to obtain identical or different hardnesses. The choice of the areas to be treated and the duration of the treatment to be provided to them are a function of their functional specificity (for example the area of the inner contour of the mold joint plane, the area of the molding surface).

Pour pouvoir traiter la pièce métallique zone par zone, un déplacement relatif entre la source d'ions et la pièce métallique est mise en oeuvre. Dans un mode de réalisation de l'invention, c'est la pièce à traiter qui est déplacée par rapport à la source d'ions. Dans un autre mode de réalisation, c'est la source d'ions qui est déplacée par rapport à la pièce à traiter; ce dernier mode de réalisation peut être mis en oeuvre lorsque la pièce à traiter est très volumineuse.  In order to be able to treat the metal part region by zone, a relative displacement between the ion source and the metal part is implemented. In one embodiment of the invention, it is the workpiece that is displaced with respect to the ion source. In another embodiment, it is the source of ions that is displaced with respect to the workpiece; this last embodiment can be implemented when the workpiece is very large.

Que ce soit la pièce à traiter ou ta source d'ions qui est déplacée, la vitesse de déplacement relative entre ces deux éléments peut être constante ou variable en fonction de l'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface, au moins pendant la durée de traitement de la zone de la pièce. La gestion de la vitesse peut être différente pour chaque zone à traiter de la pièce. La vitesse dépend du débit du faisceau, du profil de concentration des ions implantés et du nombre de passes que l'on désire exécuter. La vitesse peut varier en fonction de l'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface, pour compenser la faiblesse de la profondeur d'implantation par une augmentation du nombre d'ions implantés.  Whether the workpiece or ion source is displaced, the relative speed of movement between these two elements can be constant or variable depending on the angle of incidence of the beam relative to the surface, at least during the processing time of the coin area. Speed management can be different for each area to be treated in the room. The speed depends on the flow rate of the beam, the concentration profile of the implanted ions and the number of passes that it is desired to perform. The speed may vary depending on the angle of incidence of the beam relative to the surface, to compensate for the weakness of the implantation depth by an increase in the number of implanted ions.

Comme expliqué précédemment, le procédé de l'invention permet d'agir sur la profondeur de pénétration des ions dans la pièce. Cette profondeur de pénétration varie en fonction de l'énergie d'implantation du faisceau d'ions, c'est-à-dire l'énergie d'entrée des ions au niveau de la surface de la pièce. Pour une implantation à l'air libre, cette énergie dépend de deux variables: l'énergie d'émission de la source et la distance entre la source d'ions et la pièce. En effet, l'épaisseur d'air entre la pièce et la source d'ions joue un rôle de ralentisseur d'énergie des ions incidents. C'est pourquoi pour une même énergie d'émission, plus la distance entre la source d'ions et la pièce à traiter est grande, plus l'énergie d'implantation est faible, donc moins l'implantation est profonde.  As explained above, the method of the invention makes it possible to act on the penetration depth of the ions in the part. This depth of penetration varies according to the ion beam implantation energy, that is to say the input energy of the ions at the surface of the piece. For an implantation in the open air, this energy depends on two variables: the emission energy of the source and the distance between the ion source and the part. Indeed, the air thickness between the part and the ion source plays a role of energy retarder of the incident ions. This is why for the same emission energy, the greater the distance between the ion source and the piece to be treated, the lower the implantation energy is, so less implantation is deep.

Plus précisément, en tenant compte du fait que l'énergie d'émission du faisceau d'ions est constante pour un traitement donné, c'est-à-dire pour 2876390 9 faisceau f1. La profondeur d'implantation (prof2) des ions dans l'exemple P2 est donc plus faible que dans l'exemple P1 (profl). Les zones d'implantation du faisceau f1 sur la pièce 5 sont représentées, sur la figure 1, par une succession d'ovales quadrillés. Les zones d'implantation du faisceau f2 sur la pièce 5 sont représentées, sur la figure 1, par une succession d'ovales hachurés.  More precisely, taking into account that the emission energy of the ion beam is constant for a given treatment, i.e. for beam f1. The implantation depth (prof2) of the ions in the example P2 is therefore lower than in the example P1 (profl). The implantation zones of the beam f1 on the part 5 are represented in FIG. 1 by a succession of grid ovals. The implantation areas of the beam f2 on the part 5 are represented in FIG. 1 by a succession of hatched ovals.

Dans les exemples de la figure 1, les passes P1 et P2 se superposent pour permettre la fusion cote à cote des zones implantées. Plus généralement, plusieurs passes peuvent être réalisées, soit avec une même énergie d'implantation, pour accroître proportionnellement à leur nombre, la concentration des ions dans une même zone d'implantation, soit avec des énergies différentes pour permettre la fusion de zones d'implantation situées à des profondeurs différentes.  In the examples of FIG. 1, the passes P1 and P2 are superimposed so as to allow the implanted zones to merge side by side. More generally, several passes can be made, either with the same implantation energy, to increase proportionally to their number, the concentration of ions in the same implantation zone, or with different energies to allow the melting of zones. implantation at different depths.

L'implantation de ces ions d'azote dans la structure cristalline de la pièce 5 a pour effet de bloquer les plans de glissement des dislocations et ainsi de gêner leur mobilité. En d'autres termes, le fait d'implanter des ions d'azote dans les interstices de la structure cristalline de la pièce 5 permet de bloquer les différents cristaux entre eux et d'augmenter ainsi la dureté de la structure. Sous l'effet des contraintes appliquées à la pièce métallique, les déformations, qui sont par nature irréversibles, sont rendues plus difficiles par la présence des ions d'azote insérés dans la structure. Le matériau devient alors très résistant à l'usure.  The implantation of these nitrogen ions in the crystal structure of the part 5 has the effect of blocking dislocation sliding planes and thus to hinder their mobility. In other words, the fact of implanting nitrogen ions in the interstices of the crystalline structure of the part 5 makes it possible to block the different crystals between them and thus to increase the hardness of the structure. Under the effect of the stresses applied to the metal part, the deformations, which are irreversible in nature, are made more difficult by the presence of nitrogen ions inserted into the structure. The material then becomes very resistant to wear.

Par ailleurs, dans l'application aux moules d'injection en alliage d'aluminium, l'azote présent dans l'aluminium a pour effet, puisque c'est une base, de diminuer l'acidité existante dans les piqûres initiées par les ions chlorures provenant des plastiques moulés. Ainsi, la corrosion associée à la propagation des piqûres est fortement diminuée par le procédé de l'invention.  Moreover, in the application to aluminum alloy injection molds, the nitrogen present in the aluminum has the effect, since it is a base, of reducing the existing acidity in the pits initiated by the ions. chlorides from molded plastics. Thus, the corrosion associated with the propagation of pits is greatly reduced by the method of the invention.

Le procédé de l'invention qui vient d'être décrit peut être mis en oeuvre par un dispositif dont un exemple est représenté sur la figure 2. Ce dispositif est placé dans une enceinte 3 mise sous vide grâce à une pompe à vide 2. Ce vide a pour but d'empêcher l'interception du faisceau par des gaz résiduels et d'éviter la contamination de la surface de la pièce par ces mêmes gaz lors de l'implantation.  The method of the invention which has just been described can be implemented by a device, an example of which is shown in FIG. 2. This device is placed in a chamber 3 placed under vacuum by means of a vacuum pump 2. The aim of this vacuum is to prevent the beam from being intercepted by residual gases and to prevent contamination of the surface of the room by these same gases during implantation.

Ce dispositif comporte une source d'ions, par exemple, une source 35 RCE 6. Cette source RCE peut délivrer des ions d'azote pour un courant total d'environ 10 mA (toutes charges confondues N+, N2+, etc.), sous une tension d'extraction d'environ 35 KV.  This device comprises an ion source, for example, a source RCE 6. This source RCE can deliver nitrogen ions for a total current of about 10 mA (all loads N +, N2 +, etc.), under an extraction voltage of approximately 35 KV.

Ce dispositif comporte des moyens pour commander le déplacement relatif entre le faisceau d'ions et la pièce à traiter. Le déplacement relatif entre le faisceau d'ions et la pièce à traiter peut être obtenu en pilotant la pièce à traiter ou la source d'ions par une machine ( par exemple une table, un tour... ) qui peut être à commande numérique.  This device comprises means for controlling the relative displacement between the ion beam and the workpiece. The relative displacement between the ion beam and the workpiece can be obtained by driving the workpiece or the ion source by a machine (for example a table, a lathe, etc.) that can be digitally controlled. .

Comme on l'a dit précédemment, on peut choisir de déplacer la pièce à traiter ou bien la source d'ions, selon les applications envisagées. Dans le mode de réalisation de la figure 2, c'est la pièce à traiter qui est déplacée par rapport à la source RCE. La pièce à traiter 5 est placée sur une machine à commande numérique 4. Les déplacements de la machine 4 sont calculés selon un ou plusieurs axes par un système de CFAO (conception et fabrication assistées par ordinateur) 1. Le résultat de ce calcul se présente sous la forme d'un post-processeur compréhensible par la machine 4.  As mentioned above, it is possible to choose to move the workpiece or the ion source, depending on the applications envisaged. In the embodiment of Figure 2, it is the workpiece that is moved relative to the source RCE. The workpiece 5 is placed on a numerically controlled machine 4. The movements of the machine 4 are calculated according to one or more axes by a CAD / CAM system (computer-aided design and manufacturing) 1. The result of this calculation is presented in the form of a postprocessor understandable by the machine 4.

Le déplacement de la pièce 5 prend en compte: les contours externes et internes des zones à traiter.  The displacement of the part 5 takes into account: the external and internal contours of the zones to be treated.

une vitesse de déplacement effective constante ou variable en fonction de l'angle du faisceau par rapport à la surface.  a constant or variable effective displacement speed as a function of the angle of the beam relative to the surface.

un nombre de passes pour chaque énergie d'implantation.  a number of passes for each implantation energy.

La source RCE 6 émet un faisceau d'ions d'azote f1' en direction de moyens de réglage du faisceau. Ces moyens de réglage du faisceau assurent la focalisation et le réglage du faisceau initial f1' émis par la source en un faisceau d'implantation des ions f1.  The ECR source 6 emits a beam of nitrogen ions f1 'towards beam control means. These beam adjustment means ensure the focusing and adjustment of the initial beam f1 'emitted by the source into an ion implantation beam f1.

Ces moyens de réglage comportent, de la source RCE 6 vers la pièce à traiter 5, les éléments suivants: - un spectromètre de masse 7 apte à filtrer les ions en fonction de leur charge et de leur masse. Cet élément est facultatif; en effet, dans le cas de la nitruration, il est possible de récupérer tous le ions d'azote monochargés et multichargés produits par la source.  These adjustment means comprise, from the RCE source 6 to the workpiece 5, the following elements: - a mass spectrometer 7 capable of filtering the ions according to their charge and mass. This element is optional; indeed, in the case of nitriding, it is possible to recover all the monocharged and multicharged nitrogen ions produced by the source.

- des lentilles 8 dont le rôle est de donner au faisceau d'ions une forme choisie, par exemple cylindrique, avec un rayon choisi.  lenses 8 whose role is to give the ion beam a chosen shape, for example cylindrical, with a chosen radius.

- un profiteur 9 dont le rôle est d'analyser l'intensité du faisceau dans un plan de coupe perpendiculaire. Cet instrument d'analyse devient facultatif dès lors que les lentilles 8 sont réglées définitivement lors de la première implantation.  a profitor 9 whose role is to analyze the intensity of the beam in a perpendicular section plane. This analysis instrument becomes optional as soon as the lenses 8 are definitively adjusted during the first implantation.

- un transformateur d'intensité 10 qui mesure en continu l'intensité du faisceau sans l'intercepter. Cet instrument a pour fonction essentielle de détecter toute interruption du faisceau d'ions et de permettre l'enregistrement des variations d'intensité du faisceau durant le traitement. Cet instrument de peut être remplacé par un appareil de mesure des courants électriques produits par l'implantation des ions dans la pièce à traiter.  a current transformer 10 which continuously measures the intensity of the beam without intercepting it. The main function of this instrument is to detect any interruption of the ion beam and to allow the recording of beam intensity variations during the treatment. This instrument can be replaced by a device for measuring the electric currents produced by the implantation of ions in the workpiece.

- un obturateur 11 dont le rôle est d'interrompre la trajectoire des ions 10 à certains moments, par exemple lors d'un déplacement sans traitement de la pièce.  a shutter 11 whose role is to interrupt the trajectory of the ions 10 at certain times, for example during a displacement without treatment of the part.

Des informations de contrôle (inf1) sont transmises de la source RCE 6 vers la machine à commande numérique 4. Ces informations de contrôle concernent l'état du faisceau. En particulier, la source RCE informe la machine 4 lorsque le faisceau d'ions est prêt à être envoyé. D'autres informations de contrôle (inf2) sont transmises par la machine 4 à l'obturateur 11, à la source RCE 6 et, éventuellement, à une ou plusieurs machines extérieures au dispositif. Ces informations de contrôle peuvent être les valeurs du rayon du faisceau d'ions, son débit et toutes autres valeurs connues de la machine 4.  Control information (inf1) is transmitted from the RCE source 6 to the numerical control machine 4. This control information relates to the state of the beam. In particular, the RCE source informs the machine 4 when the ion beam is ready to be sent. Other control information (inf2) is transmitted by the machine 4 to the shutter 11, to the source RCE 6 and possibly to one or more machines outside the device. This control information may be the values of the ion beam radius, its flow rate and any other known values of the machine 4.

Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant: - on place la pièce à traiter 5 sur la machine à commande numérique 4, - on ferme l'enceinte 3 abritant le dispositif.  The operation of the device of the invention is as follows: the workpiece 5 is placed on the numerically controlled machine 4; the enclosure 3 enclosing the device is closed.

- on met en marche la pompe à vide 2 de manière à obtenir un vide poussé dans l'enceinte 3.  - The vacuum pump 2 is started so as to obtain a high vacuum in the chamber 3.

- dès que les conditions de vide sont atteintes, on procède à la production et au réglage du faisceau d'ions grâce aux moyens de réglage 7 à 11.  as soon as the vacuum conditions are reached, the production and adjustment of the ion beam is carried out by means of adjustment means 7 to 11.

- lorsque le faisceau est réglé, on lève l'obturateur 11 et on lance la machine à commande numérique 4 qui exécute alors le déplacement en position et en vitesse de la pièce 5 devant le faisceau en une ou plusieurs passes.  when the beam is adjusted, the shutter 11 is raised and the numerically controlled machine 4 is launched, which then carries out the displacement in position and speed of the part 5 in front of the beam in one or more passes.

- lorsque le nombre de passes requis est atteint, on baisse 35 l'obturateur11 pour couper le faisceau, on arrête la production du faisceau, on casse le vide en ouvrant l'enceinte à l'air ambiant et on récupère la pièce mécanique traitée.  when the required number of passes is reached, the shutter 11 is lowered to cut the beam, the production of the beam is stopped, the vacuum is broken by opening the chamber with ambient air and the treated mechanical part is recovered.

La figure 3 représente un exemple de distribution d'ions d'azote N implantés dans une pièce d'aluminium. Dans cet exemple, la source d'ions délivre des ions N+, N2+ et N3+ qui sont tous extraits avec une seule et unique tension d'extraction, par exemple, de 35 KV. Ainsi les ions N+ émis par la source d'ions ont une énergie de 35 KeV, les ions N2+ ont une énergie de 70 KeV et les ions N3+ ont une énergie de 105 KeV.  FIG. 3 represents an example of distribution of nitrogen ions N implanted in an aluminum piece. In this example, the ion source delivers N +, N2 +, and N3 + ions, all of which are extracted with a single extraction voltage of, for example, 35 KV. Thus the N + ions emitted by the ion source have an energy of 35 KeV, the N2 + ions have an energy of 70 KeV and the N3 + ions have an energy of 105 KeV.

Compte tenu d'une dispersion d'implantation de 75% pour des ions d'azote dans de l'aluminium, les ions N+ atteignent une profondeur de 0,3 pm +10.22 pm. Les ions N2+ atteignent une profondeur d'environ 0,6 pm +1-0,44 pm et les ions N3+ une profondeur d'environ 0.9 pm +1- 0,66 pm. La distance maximale atteinte par des ions dans cet exemple est de 1.56 pm.  Given a 75% implantation dispersion for nitrogen ions in aluminum, the N + ions reach a depth of 0.3 μm + 10.22 μm. The N2 + ions reach a depth of about 0.6 pm + 1-0.44 pm and the N3 + ions a depth of about 0.9 pm + 1- 0.66 pm. The maximum distance reached by ions in this example is 1.56 μm.

La spécificité d'une source d'ions RCE qui délivre des ions mono et multi chargés permet d'implanter des ions de plusieurs énergies avec une seule tension d'extraction, ce qui permet d'obtenir un profil d'implantation plus ou moins lissé. Par exemple, si l'on considère une source RCE délivrant un courant total de 10 mA, pour une pièce d'aluminium dont la zone traitée est de 1 cm2, pendant environ 10 secs, le profil d'implantation est approximativement le suivant: - 23% de N entre 0.08 et 0.05 pm, ce qui correspond à une augmentation de la dureté de 300% - 8% de N entre 0.5 et 1 pm, ce qui correspond à une augmentation de dureté de 200%, et - 2% de N entre 1 et 1.5 pm, ce qui correspond à une augmentation de dureté de 35%.  The specificity of an RCE ion source that delivers mono and multi-charged ions makes it possible to implant ions of several energies with a single extraction voltage, which makes it possible to obtain a more or less smooth implanting profile. . For example, if we consider an ECR source delivering a total current of 10 mA, for a piece of aluminum whose treated area is 1 cm 2, for about 10 sec, the implantation profile is approximately as follows: 23% of N between 0.08 and 0.05 pm, which corresponds to an increase of the hardness of 300% - 8% of N between 0.5 and 1 pm, which corresponds to a hardness increase of 200%, and - 2% of N between 1 and 1.5 pm, which corresponds to a hardness increase of 35%.

Claims (4)

13 REVENDICATIONS13 Claims 1 Procédé de traitement par nitruration d'une pièce métallique (5), caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre au moins une zone de la pièce métallique (5) à un faisceau d'ions d'azote émis par une source d'ions (6).  Process for the nitriding treatment of a metal part (5), characterized in that it consists in subjecting at least one zone of the metal part (5) to a nitrogen ion beam emitted by a source of ions (6). 2 Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce métallique est une pièce en alliage d'aluminium.  2 treatment process according to claim 1, characterized in that the metal part is an aluminum alloy part. 3 Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'azote se déplace de façon relative par rapport à la pièce métallique, à une vitesse constante ou à une vitesse variable tenant compte d'un angle d'incidence du faisceau d'ions par rapport à une surface de la pièce métallique.  Process according to Claim 1 or 2, characterized in that the nitrogen ion beam moves relative to the metal part at a constant speed or a variable speed taking into account an angle incidence of the ion beam relative to a surface of the metal part. 4 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'azote est émis avec un débit 15 et une énergie d'émission constants.  4. Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the nitrogen ion beam is emitted with a constant flow rate and emission energy. Procédé de traitement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'azote a une énergie d'implantation dans la pièce métallique modulée en fonction de la distance entre la source d'ions et la pièce métallique.    A treatment method according to claim 4, characterized in that the nitrogen ion beam has an implantation energy in the modulated metal part depending on the distance between the ion source and the metal part. 6 - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'azote est émis avec un débit et une énergie d'émission variables, commandés par la source d'ions.  6 - Process according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the nitrogen ion beam is emitted with a variable flow and emission energy, controlled by the ion source. 7 - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ions d'azote sont implantés dans la pièce métallique à une profondeur variable, cette profondeur étant fonction de l'énergie d'implantation du faisceau d'ions.  7 - Process according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the nitrogen ions are implanted in the metal part at a variable depth, this depth being a function of the energy of implantation of the beam of ion. 8 - Dispositif de nitruration d'une pièce métallique mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source d'ions (6), - des moyens de réglage (7 -11) du faisceau d'ions, et - des moyens de commande (1, 4) du déplacement relatif entre le faisceau d'ions et la pièce métallique.  8 - Device for nitriding a metal part implementing the method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises: - an ion source (6), - adjusting means ( 7-11) of the ion beam, and control means (1, 4) for the relative displacement between the ion beam and the metal part. 9 - Dispositif de nitruration selon la revendication 8, caractérisé en ce 35 que la source d'ions est un cyclotron.  9 - nitriding device according to claim 8, characterized in that the ion source is a cyclotron. - Dispositif de nitruration selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source d'ions est une source RCE, ledit dispositif étant placé dans une enceinte sous vide.  - Nitriding device according to claim 8, characterized in that the ion source is a source RCE, said device being placed in a vacuum chamber. 11 - Dispositif de nitruration selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens de réglage comportent des moyens optiques de focalisation (8) et un obturateur (11).  11 - nitriding device according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the adjusting means comprise optical focusing means (8) and a shutter (11). 12 - Dispositif de nitruration selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que les moyens de réglage comportent un spectromètre de masse (7) etlou un profiteur (9) et/ou un transformateur d'intensité (10).  12 - nitriding device according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the adjusting means comprise a mass spectrometer (7) and / or a profiteer (9) and / or an intensity transformer (10).
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