WO2010037914A1 - Procede de traitement d'une piece metallique par des ions multi-energies he+ et he2+ - Google Patents

Procede de traitement d'une piece metallique par des ions multi-energies he+ et he2+ Download PDF

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WO2010037914A1
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Denis Busardo
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Quertech Ingenierie
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/36—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases using ionised gases, e.g. ionitriding

Definitions

  • the subject of the invention is a process for treating a metal part with He + and He2 + multi-energy ions.
  • the invention has applications for example in the field of goldsmithery, watchmaking where it may be useful to treat gold alloy parts to harden the surface and thus prevent the appearance of scratches.
  • the invention also has applications in the field of connectivity where are implemented metals such as for example gold, copper, silver, nickel, tin or alloys of these metals.
  • the invention aims in particular at hardening at least one surface of a solid metal piece.
  • Gold is a noble metal like copper and silver.
  • the peripheral electron of gold is strongly attached to its atom.
  • Gold is very difficult to ionize, it does not oxidize and does not corrode.
  • the c.f.c structure of gold has many sliding planes.
  • pure gold is very ductile and very malleable. Pure gold is not hard enough to find applications for example in the field of tools.
  • Goldsmithing uses very little pure gold, which is too soft; it prefers gold alloys with better mechanical properties.
  • pure gold is very popular in the field of microelectronics for its good electrical conductivity and its stainless character.
  • the hardness of gold depends on several factors including the composition of the alloys and the manner in which the pieces are worked.
  • the pure gold can be hardened mechanically by hammering it, bending it, laminating it. Its structure is said to be hardened. It is thus made brighter and more resistant to wear. By heating at a temperature higher than that of annealing. , internal stresses, crystalline defects and dislocations can be eliminated gold finds its original malleability
  • Gold is also regularly used in the field of connectors, especially for its good conduction and resistance to corrosion
  • the field of connectivity is a field where the requirements of quality and cost reduction are major and recurrently seeks to improve the physical properties of the metals used, including their hardness
  • the object of the invention is to increase the hardness of a surface of a massive metal part
  • the invention thus proposes a process for treating at least one surface of a massive metal part with helium ions in which He + and He2 + multi-energy ions are simultaneously implanted.
  • the term "massive" a metal part produced by mechanical transformation of a block of material for example by rolling, drawing, forging or any other technique adapted to transform by plastic deformation a block of metal .
  • Such transformations make it possible to obtain massive pieces of varied shape, for example three-dimensional pieces, substantially two-dimensional pieces, for example strips or plates, substantially unidirectional parts such as wires.
  • a metal deposit generally porous and obtained for example by chemical or physical deposition from gas, deposited on a substrate, does not constitute a solid metal part within the meaning of the present invention.
  • the inventors have found that the treatment of at least one surface of a massive metal part by helium ions He + and He2 + multi-energies, implanted simultaneously, makes it possible to significantly increase the hardness of the surface and treated.
  • the He + and He2 + ions are simultaneously produced by an electron cyclotron resonance ion source (ECR source).
  • ECR source electron cyclotron resonance ion source
  • the original color of the alloy can be retained. It can be seen that the treatment times are not long.
  • the process is inexpensive and allows its use in an industrial setting.
  • the treatment of a metal part is performed by simultaneous implantation of multi-energy helium ions. These are especially obtained by extracting with the same single extraction voltage ions mono- and multi-charged created in the plasma chamber of an electron cyclotron resonance ion source (ECR source). Each ion produced by said source has an energy that is proportional to its state of charge. It follows that the ions with the highest charge state, and therefore the highest energy, are implanted in the metal part at greater depths.
  • ECR source electron cyclotron resonance ion source
  • An implementation with an ECR source is fast and inexpensive since it does not require a high extraction voltage of the ion source. Indeed, to increase the implantation energy of an ion, it is economically preferable to increase its state of charge rather than increase its extraction voltage.
  • the ion implantation device in a metal part comprises a source delivering ions accelerated by an extraction voltage and first adjustment means of an initial beam of ions emitted by said source into an implantation beam.
  • the source is an electron cyclotron resonance source producing multi-energy ions which are implanted in the room at a temperature lower than that of the annealing of the metal and the implantation of the ions of the electron beam. implantation is performed simultaneously at a depth controlled by the extraction voltage of the source.
  • the helium ions jostle in their path the ordered atoms of the crystalline structure, which would effectively create chaos at the atomic scale.
  • This chaos composed of gaps, interstitials, dislocations, would be like a hardening of atomic nature which is called amorphization. This structural hardening is likely to disappear when the annealing temperature of the metal alloy is exceeded.
  • the extraction voltage of the source enabling implantation of the multi-energy ions He + and He2 + is between 10 and 400 keV, for example greater than or equal to 20 keV and / or less than or equal to 100 keV;
  • Parameters of the source and displacement of the surface of the metal part to be treated are adjusted so that the surface speed of treatment of the surface of the metal part to be treated is between 0.5 cm 2 / s and 50 cm 2 / s, for example greater than or equal to 1 cm 2 / s and / or less than or equal to 20 cm 2 / s;
  • - is adjusted parameters of the source and displacement of the surface of the metal workpiece so that the helium implanted dose is between 5.10 15 and 10 18 ions / cm 2, for example greater than or equal to 10 16 ions / cm 2 and / or less than or equal to 5.10 17 ions / cm 2 ;
  • - Parameters of the source and displacement of the surface of the metal part to be treated are adjusted so that the penetration depth of the helium on the surface of the treated metal part is between 0.05 and 2 ⁇ m , for example greater than or equal to 0.1 ⁇ m and / or less than or equal to 1 ⁇ m;
  • - Parameters of the source and displacement of the surface of the metal part to be treated are adjusted so that the temperature of the surface of the metal part being treated is less than or equal to 200 ° C., for example lower than or equal to 100 0 C;
  • the metal part to be treated is a piece of connector, for example a strip, and said piece runs in a treatment device, for example to a speed of between 5 m / min and 12 m / min; for example, the metal part is a band that runs longitudinally;
  • the helium implantation of the metal surface of the workpiece is carried out by means of a plurality of He + and He2 + multi-energy ion beams produced by a plurality of ion sources; for example, the ion sources are arranged along a direction of movement of the workpiece; preferably the sources are spaced so that the distance between two ion beams is sufficient to allow the part to cool between successive ion implantation; -
  • the metal of the metal part is selected from gold, copper, silver, nickel, tin or alloys of these metals.
  • the invention also relates to a part where the thickness where the helium is implanted is greater than or equal to 50 nm, for example greater than or equal to 200 nm.
  • the metal part according to the present invention has the following characteristics:
  • the nano-hardness of the surface on which the helium is implanted is greater than or equal to 2 GPa over a thickness greater than or equal to 100 nm;
  • the metal part is made of copper and its surface nanodureness reaches a value greater than or equal to 2.5 GPa, or even greater than or equal to 3 GPa;
  • the metal part is made of nickel and its surface nanocurity reaches a value greater than or equal to 6 GPa, or even greater than or equal to 7 GPa, or even greater than or equal to 8 GPa;
  • the metal part is made of gold and its surface nanocurity reaches a value greater than or equal to 6 GPa, or even greater than or equal to 8 GPa, or even greater than or equal to 9 GPa;
  • the treatment of at least one surface of a massive metal part by implantation of He + and He2 + helium ions was carried out with multi-energy He + and He2 + ions, produced simultaneously by an ECR source. .
  • a massive metal part by implantation of He + and He2 + helium ions was carried out with multi-energy He + and He2 + ions, produced simultaneously by an ECR source.
  • it is capable of producing a significant hardening of the surface of a gold alloy by changing it from 2.5 GPa to 10 GPa for example.
  • the treatment has no effect on the coloration of the gold alloy.
  • the gold alloy retains the aesthetic characteristics of the original piece.
  • the weakness of the atomic concentration of helium results in relatively fast processing times, for example of the order of one second per cm 2 for a total intensity of the order of 5 mA.
  • the simultaneous implantation of these helium ions can be done at varying depths, depending on the needs and the shape of the piece. These depths depend on the ion implantation energies of the implantation beam; they may for example vary from 0 to about 2 microns for a gold alloy.
  • the method of the invention makes it possible to obtain a surface hardness greater than that of the hardest steels, while retaining the massive mechanical properties due to hardening.
  • Helium ions have a double interest compared to other types of ions:
  • the processing device advantageously comprises second means for adjusting the relative position of the workpiece and the ion source. It will be understood that a relative displacement between the ion source and the part is implemented to be able to process the latter.
  • the second adjustment means advantageously comprise a workpiece which is movable to move the workpiece during its treatment.
  • it is the source of ions that is displaced relative to the workpiece; this last embodiment can be implemented when the parts to be treated together represent too much weight.
  • the workpiece is preferably equipped with cooling means for evacuating the heat produced in the workpiece during the implantation of the multi-energy ions.
  • the first means of adjusting the ion beam also comprise a mass spectrometer for sorting the ions produced by the source as a function of their charge and mass.
  • the first adjustment means of the initial ion beam further comprise optical focusing means, a profiler, an intensity transformer and a shutter.
  • the device is advantageously confined in an enclosure equipped with a vacuum pump.
  • the second means for adjusting the relative position of the workpiece and the ion source advantageously comprise means for calculating this position from information relating to the nature of the ion beam, to the geometry of the workpiece, at the speed of movement of the workpiece relative to the source and the number of passes previously made.
  • this method is mainly recognizable in that the multi-energy ion beam moves relatively relative to the workpiece at a constant speed. .
  • this method is mainly recognizable in that the multi-energy ion beam moves relative to the workpiece at a variable speed. taking into account the angle of incidence of the multi-energy ion beam with respect to the surface of the part.
  • 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 course of treatment. The speed depends on the flow rate of the beam, the concentration profile of the implanted ions and the number of passes.
  • the multi-energy ion beam is emitted with a rate and emission energies that are constant and controlled by the ion source.
  • the method of the invention makes it possible to act on the penetration depths of the multi-energy ions in the part. These penetration depths, which occur in the treated thickness, vary depending on the different input energies of the ions at the surface of the part.
  • the implantation of helium ions in the crystal structure of the workpiece has the effect of creating atomic chaos.
  • the fact of implanting helium ions in the workpiece makes it possible to increase the surface hardness of the part and thus make it very resistant to wear.
  • the implantation of the helium ions can intervene as additional treatment It is conceivable to carry out a first treatment by implantation of nitrogen ions. After implanting nitrogen ions, helium ions are implanted. provide a hardening in the layers near the surface while the helium ions provide a structural hardening in the more distant layers Because of their small mass the helium ions go further than the nitrogen ions and can thus harden areas inaccessible to nitrogen
  • FIG. 1 represents a functional diagram of the implantation device implemented in the present invention
  • FIG. 2 represents an example of implantation distribution according to the invention, in gold;
  • FIG. 3 represents the implantation profile illustrating the atomic concentration of helium implanted in gold (expressed in%) depending on the depth of implantation (expressed in Angstrom),
  • FIG. 4 represents the other implantation profile in gold
  • FIG. 5 represents the variation of hardness as a function of the depth measured after treatment according to the invention of gold
  • FIG. 6 represents the variation of hardness as a function of the depth after treatment according to the invention of copper
  • FIG. 7 represents the variation of hardness as a function of the depth after treatment according to the invention of nickel
  • FIG. 7 represents the variation of hardness as a function of the depth after treatment according to the invention of nickel
  • a device is placed in a chamber 3 evacuated by a vacuum pump 2 This vacuum is intended to prevent the interception of the beam by residual gas and to avoid contamination of the surface of the room by these same gases during implantation
  • This device comprises a source of ions 6 with electronic cyclotron resonance, known as RCE source.
  • This source RCE 6 delivers an initial beam f1 'of helium multi-energy ions for a total current of approximately 6 mA (all He + loads combined). , He2 +), under an extraction voltage that can for example vary from 20 KV to 200 KV
  • the source RCE 6 emits the ion beam f1 'towards first adjustment means 7-11 which ensure the focusing and adjustment of the initial beam f1 'emitted by the source RCE 6 into an ion implanting beam f1 which strikes a workpiece 5
  • These first adjustment means 7-11 comprise, from the source RCE 6 to the piece 5, the following elements
  • a mass spectrometer 7 adapted to filter the ions according to their charge and their mass
  • This element is optional, in fact, in the case or a gas is injected with pure helium (He), it is possible to recover all of the mono and multi-charged helium ions produced by the source to obtain a multi-energy helium ion beam
  • the mass spectrometer being a very expensive element, the cost of the device is greatly reduced by using a multi-energy helium ion beam obtained from a pure helium gas delivered in a bottle
  • lenses 8 whose role is to give the initial beam of ions a chosen shape, for example cylindrical, with a chosen radius
  • a profitor 9 whose role is to analyze the intensity of the beam in a perpendicular cutting plane.
  • This analysis instrument becomes optional when the lenses 8 are definitively adjusted during the first implantation.
  • a current transformer 10 which continuously measures the intensity of the initial beam f1 'without intercepting it.
  • This instrument has the essential function of detecting any interruption of the initial beam f1' and of allowing the recording of the variations in intensity of the beam fi during the treatment - a shutter 11 which may be a Faraday cage, whose role is to interrupt the trajectory of the ions at certain times, for example during a displacement without treatment of the room
  • the part 5 is movable relative to the RCE source 6.
  • the part 5 is mounted on a movable carrier 12 whose displacement is controlled by a numerically controlled machine 4. itself driven by a post-processor calculated by a CAD / CAM system (computer-aided design and manufacturing) 1
  • the displacement of the part 5 takes into account the radius of the beam f1, the external and internal contours of the zones to be treated of the part 5, a constant speed of displacement, or variable as a function of the angle of the beam f1 with respect to the surface and a number of passes previously made
  • Control information ( ⁇ nf1) is transmitted from the source RCE 6 to the numerical control machine 4 This control information relates to the state of the beam In particular, the source RCE 6 informs the machine 4 when the ion beam f1 is ready to be sent Other control information ( ⁇ nf2) is transmitted by the machine 4 to the shutter 11, to the source RCE 6 and, optionally, to one or more machines outside the device These control information may be the values the ion beam radius, its flow rate and any other known values of the machine 4
  • the workpiece holder 12 is equipped with a cooling circuit 13 for evacuating the heat produced in the workpiece 5 during the implantation of the multi-energy ions.
  • the operation of the device is as follows - the workpiece 5 is clamped on the workpiece carrier 12, the enclosure 3 enclosing the device is closed;
  • the cooling circuit 13 of the workpiece carrier 12 is optionally put into operation
  • the vacuum pump 2 is started so as to obtain a high vacuum in the chamber 3;
  • the ion beam is produced and adjusted by means of adjustment means
  • 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;
  • the shutter 11 when the number of passes required is reached, the shutter 11 is lowered to cut the beam f1, the production of the beam f1 is stopped, the vacuum is broken by opening the chamber 3 with ambient air, and the cooling circuit 13 and the treated part 5 out of the chamber 3.
  • the FIG. 2 represents an example of distribution of helium ions implanted in gold.
  • the ion source delivers He +, He2 ions which are all extracted with a single single extraction voltage of 200 KV.
  • the He + ions emitted by the ion source have an energy of 200 KeV
  • the He2 + ions have an energy of 400 KeV.
  • He + ions reach a depth of 0.42 ⁇ m +/- 0 14 ⁇ m
  • He2 + ions reach a depth of approximately 0.71 ⁇ m +/- 0.19 ⁇ m
  • the maximum distance reached by ions in this example is about 2 ⁇ m
  • RCE 6 ion source lies in the fact that it delivers mono- and multi-charged ions, which makes it possible to simultaneously implant multi-energy ions with the same extraction voltage. to obtain simultaneously over the entire treated thickness a more or less well distributed implantation profile
  • FIG. 3 shows an implantation profile obtained with a He + beam (4 mA), He2 + (4 mA), an extraction voltage of 200 kV, concentrated on a surface of 1 cm 2 for two seconds.
  • a source RCE delivers a total current of 6 mA (2 mA for He +, 6 mA for He2 +) with an extraction voltage of 200 KV, in gold and on 1 cm 2 , for about 2 seconds
  • the implantation profile shown in Figure 4 comprises a substantially constant plateau of 1, 6% in a thickness between 0 4 microns and ⁇ , 8 microns
  • FIG. 5 represents the variation of the nanodureness measured after having implanted a dose of 2 10 16 ions of helium / cm 2 provided by a source RCE in pure gold under an extraction voltage of 35 kV.
  • nano-hardness expressed in GPa, as a function of the depth, expressed in nm
  • FIG. 5 shows a first peak of hardness 51, located substantially at 100 nm. and up to about 10 GPa, followed by a second hardness peak 52 at substantially 350 nm and up to about 5.8 GPa. It is found that the hardness is greater than 4 GPa over a thickness of about 600 nm. This result is remarkable and allows to consider applications in many areas, including goldsmithery, or connectivity.
  • FIG. 6 represents the variation of the nanodureness measured after having implanted different helium doses provided by an ECR source in pure copper (at 99.99%), at an extraction voltage of 45 kV and an intensity of 3, 5 mA. As before, the variation of the nanodureness as a function of the depth is carried.
  • Curve 60 corresponds to a reference sample where the measurement of hardness is performed on the copper without treatment.
  • Curve 61 implanted helium dose: 3, 9.10 16 ions / cm 2 (for 2 s / cm 2 )
  • Curve 62 implanted helium dose: 7.8. 10 16 ions / cm 2 (for 4 s / cm 2 )
  • Curve 63 implanted helium dose: 1.5. 10 17 ions / cm 2 (for 8 s / cm 2 )
  • Curve 64 implanted helium dose: 3.1. 10 17 ions / cm 2 (for 16 s / cm 2 )
  • Untreated pure copper has a hardness between 0.8 and 1.2 GPa depending on the depth (see curve 60).
  • a treatment of the order of 4.10 16 ions / cm 2 makes it possible to reach surface-doubled hardnesses, of the order of at least 2 GPa over more than 50 nm, as represented in curve 61.
  • FIG. 7 represents the variation of nanoduracy measured after having implanted different doses of helium supplied by an ECR source in pure nickel under an extraction voltage of 45 kV and an intensity of 3.5 mA. As before, the variation of the nanodureness as a function of the depth is carried.
  • Curves 71 to 74 were measured on samples treated according to the invention under the following conditions:
  • Curve 71 implanted helium dose: 3.9.10 16 ions / cm 2 (for 2 s / cm 2 )
  • Curve 72 implanted helium dose: 7.8. 10 16 ions / cm 2 (for 4 s / cm 2 )
  • Curve 73 implanted helium dose: 1, 5. 10 17 ions / cm 2 (for 8 s / cm 2 )
  • Curve 74 implanted helium dose: 3.1. 10 17 ions / cm 2 (for 16 s / cm 2 )
  • the hardness of the untreated pure nickel was measured at values between 2 and 3 GPa.
  • a treatment of the order of 4.10 16 ions / cm 2 makes it possible to reach hardnesses greater than 6 GPa (curve 71).
  • the hardness is increased to about 7 GPa on curve 72; 7.8 GPa on curve 73; 8.1 GPa on the curve 74.
  • curves 72, 73, 74 have a double peak of hardness, the first peak being located at substantially 20 nm and the second peak at about 50 to 60 nm.
  • Curves 62 and 72 approximately 4 atomic% of helium Curves 63 and 73: approximately 8 atomic% of helium Curves 64 and 74: approximately 16 atomic% of helium.
  • the invention is not limited to these embodiments and should be interpreted in a nonlimiting manner, and encompassing the treatment of any metal or metal alloy, for example gold, copper, silver, nickel, nickel tin or the alloys of these metals. These metals thus treated, especially in the form of strips, can constitute connector parts with remarkable properties.
  • the method according to the invention is not limited to the use of an ECR source, and even if it may be thought that other sources would be less advantageous, it is possible to implement the method according to the invention with mono-ion sources or other multi-ion sources, as long as these sources are configured to allow simultaneous implantation of He + and He2 + multi-energy ions.

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Abstract

Procédé de traitement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive par des ions d'hélium où on implante simultanément des ions multi- énergies He+ et He2+. Il en résulte de très importantes augmentations de la dureté des pièces ainsi traitées. A titre d'exemple les ions He+ et He2+ sont fournis par une source RCE.

Description

Procédé de traitement d'une pièce métallique par des ions multi-énergies
He+ et He2+
L'invention a pour objet un procédé de traitement d'une pièce métallique par des ions multi-énergies He+ et He2+.
L'invention trouve des applications par exemple dans le domaine de la l'orfèvrerie, de l'horlogerie où il peut être utile de traiter des pièces en alliage d'or pour durcir la surface et empêcher ainsi l'apparition de rayures.
L'invention trouve également des applications dans le domaine de la connectique où sont mis en œuvre des métaux tels que par exemple l'or, le cuivre, l'argent, le nickel, l'étain ou les alliages de ces métaux.
L'invention vise notamment le durcissement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive.
L'or est un métal noble comme le cuivre et l'argent. L'électron périphérique de l'or est fortement attaché à son atome. L'or est très difficile à ioniser, il ne s'oxyde pas et ne se corrode pas. La structure c.f.c de l'or comporte de très nombreux plans de glissement. De ce fait l'or pur est très ductile et très malléable. L'or pur n'est pas assez dur pour pouvoir trouver des applications par exemple dans le domaine de l'outillage. L'orfèvrerie utilise assez peu l'or pur qui est trop mou, elle préfère plutôt les alliages d'or qui présentent de meilleures propriétés mécaniques. A contrario, l'or pur est très apprécié dans le domaine de la microélectronique pour sa bonne conductibilité électrique et son caractère inoxydable.
Dans le domaine de l'orfèvrerie, la dureté de l'or dépend de plusieurs facteurs incluant la composition des alliages et la manière avec laquelle les pièces sont travaillées.
Allier l'or avec d'autres éléments a pour effet de renforcer sa dureté, sa résistance mécanique, et de réduire en contrepartie sa ductilité et sa malléabilité. Les atomes d'argent étant légèrement plus gros que les atomes d'or, allier l'or avec de l'argent améliore modérément la dureté et la résistance mécanique de l'alliage Le cuivre a une taille beaucoup plus petite que l'or On obtient avec le cuivre un renforcement de l'alliage plus marqué que celui obtenu avec l'argent le cuivre force la structure cristalline et bloque ainsi le mouvement des dislocations D'autres espèces atomiques comme le nickel, l'arsenic, le plomb peuvent être ajoutées mais présentent l'inconvénient d'être allergéniques ou bien encore dangereux pour la santé
On peut durcir l'or pur mécaniquement, en le martelant, en le pliant, en le laminant Sa structure est dite écrouie On le rend ainsi plus brillant et plus résistant à l'usure Par un chauffage effectué à une température supérieure à celle du recuit, on peut supprimer les contraintes internes, les défauts cristallins et les dislocations l'or retrouve sa malléabilité d'origine
On cherche de plus en plus dans le domaine de l'orfèvrerie à renforcer fortement et superficiellement des pièces en alliage d'or de manière à ce que celles-ci conservent le plus longtemps possible leur état de surface d'origine Les rayures dues aux chocs dégradent l'état de surface de la pièce (montre, bijoux ) et rendent son aspect moins brillant
L'or est également régulièrement utilisé dans le domaine de la connectique, notamment pour sa bonne conduction et sa résistance à la corrosion
D'autres métaux, tels le cuivre, l'argent, le nickel, l'étam, ou leurs alliages sont également mis en œuvre dans le domaine de la connectique
Le domaine de la connectique est un domaine où les exigences de qualité et de diminution de coût sont majeures et on cherche de manière récurrente à améliorer les propriétés physiques des métaux mis en oeuvre, notamment leur dureté
L'invention a pour but d'augmenter la dureté d'une surface d'une pièce métallique massive L'invention propose ainsi un procédé de traitement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive par des ions d'hélium où on implante simultanément des ions multi-énergies He+ et He2+.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par « massive » une pièce métallique produite par transformation mécanique d'un bloc de matière, par exemple par laminage, tréfilage, forgeage ou toute autre technique adaptée à transformer par déformation plastique un bloc de métal. De telles transformations permettent d'obtenir des pièces massives de forme variées, par exemple des pièces tridimensionnelles, des pièces sensiblement bidimensionnelles telles par exemple des bandes ou des plaques, des pièces sensiblement unidirectionnelles tels des fils.
Il convient de noter qu'un dépôt métallique, en général poreux et obtenu par exemple par dépôt chimique ou physique à partir de gaz, déposé sur un substrat, ne constitue pas une pièce métallique massive au sens de la présente invention.
Les inventeurs ont pu constater que le traitement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive par des ions d'hélium He+ et He2+ multi- énergies, implantés simultanément, permet d'augmenter de manière très significative la dureté de la surface ainsi traitée. Selon un mode de réalisation, les ions He+ et He2+ sont produits simultanément par une source d'ions à résonnance cyclotronique électronique (source RCE).
Grâce au procédé de la présente invention, on peut conserver la couleur d'origine de l'alliage. On constate que les temps de traitement ne sont pas longs.
En outre, le procédé est peu coûteux et permet son utilisation dans un cadre industriel.
Le traitement d'une pièce métallique est effectué par implantation simultanée d'ions d'hélium multi-énergies. Ces derniers sont notamment obtenus en extrayant avec une même et unique tension d'extraction des ions mono- et multi-chargés créés dans la chambre à plasma d'une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (source RCE). Chaque ion produit par ladite source présente une énergie qui est proportionnelle à son état de charge. Il en découle que les ions dont l'état de charge est le plus élevé, donc d'énergie la plus élevée, s'implantent dans la pièce métallique à des profondeurs plus importantes.
Une implantation avec une source RCE est rapide et peu coûteuse puisqu'elle ne nécessite pas une tension d'extraction élevée de la source d'ions. En effet, pour augmenter l'énergie d'implantation d'un ion, il est économiquement préférable d'augmenter son état de charge plutôt que d'augmenter sa tension d'extraction.
On constate que ce procédé peut permettre de traiter une pièce sans altérer ses propriétés mécaniques obtenues par écrouissage quand sa température d'application est inférieure à la température de recuit du métal. Le dispositif d'implantation d'ions dans une pièce métallique comporte une source délivrant des ions accélérés par une tension d'extraction et des premiers moyens de réglage d'un faisceau initial d'ions émis par ladite source en un faisceau d'implantation.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la source est une source à résonance cyclotronique électronique produisant des ions multi- énergies qui sont implantés dans la pièce à une température inférieure à celle du recuit du métal et l'implantation des ions du faisceau d'implantation est effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source. Sans vouloir être lié par une quelconque théorie scientifique, on peut penser que dans le procédé selon l'invention, les ions d'hélium bousculent sur leur passage les atomes ordonnés de la structure cristalline, ce qui aurait pour effet de créer efficacement un chaos à l'échelle atomique. Ce chaos composé de lacunes, d'interstitiels, de dislocations, s'apparenterait à un écrouissage de nature atomique qui porte le nom d'amorphisation. Ce durcissement structurel est susceptible de disparaître lorsqu'on dépasse la température de recuit de l'alliage métallique.
Selon différents modes de réalisation du procédé de la présente invention, qui peuvent être combinés entre eux : - le ratio RHe, où RHe = He+/He2+ avec He+ et He2+ exprimés en pourcentage atomique, est compris entre 0.5 et 20, par exemple supérieur ou égal à 1 et/ou inférieur ou égal à 10 ;
- la tension d'extraction de la source permettant l'implantation des ions multi-énergies He+ et He2+ est comprise entre 10 et 400 keV, par exemple supérieure ou égale à 20 keV et/ou inférieure ou égale à 100 keV ;
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la vitesse surfacique de traitement de la surface de la pièce métallique à traiter est comprise entre 0,5 cm2/s et 50 cm2/s, par exemple supérieure ou égale à 1 cm2/s et/ou inférieure ou égale à 20 cm2/s ;
- on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la dose d'hélium implantée est comprise entre 5.1015 et 1018 ions/cm2, par exemple supérieure ou égale à 1016 ions/cm2 et/ou inférieure ou égale à 5.1017 ions/cm2 ; - on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la profondeur de pénétration de l'hélium sur la surface de la pièce métallique traitée est comprise entre 0,05 et 2 μm, par exemple supérieure ou égale à 0,1 μm et/ou inférieure ou égale à 1 μm ; - on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la température de la surface de la pièce métallique en cours de traitement soit inférieure ou égale à 2000C, par exemple inférieure ou égale à 1000C ;
- la pièce métallique à traiter est une pièce de connectique, par exemple une bande, et ladite pièce défile dans un dispositif de traitement, par exemple à une vitesse comprise entre 5 m/min et 12 m/min ; à titre d'exemple, la pièce métallique est une bande qui défile longitudinalement ;
- l'implantation d'hélium de la surface métallique de la pièce à traiter est effectuée grâce à une pluralité de faisceaux d'ions multi énergies He+ et He2+ produits par une pluralité de sources d'ions ; à titre d'exemple, les sources d'ions sont disposées le long d'une direction de déplacement de la pièce à traiter ; de préférence les sources sont espacées de manière à ce que la distance entre deux faisceaux d'ions est suffisante pour permettre à la pièce de se refroidir entre chaque implantation d'ions successive ; - le métal de la pièce métallique est choisi parmi l'or, le cuivre, l'argent, le nickel, l'étain ou les alliages de ces métaux.
L'invention porte également sur une pièce où l'épaisseur où l'hélium est implanté est supérieure ou égale à 50 nm, par exemple supérieure ou égale à 200 nm. Selon différents modes de réalisation, la pièce métallique selon la présente invention présente les caractéristiques suivantes :
- la nanodureté de la surface où l'hélium est implanté est supérieure ou égale à 2 GPa sur une épaisseur supérieure ou égale à 100 nm ;
- la pièce métallique est en cuivre et sa nanodureté de surface atteint une valeur supérieure ou égale à 2,5 GPa, voire supérieure ou égale à 3 GPa ;
- la pièce métallique est en nickel et sa nanodureté de surface atteint une valeur supérieure ou égale à 6 GPa, voire supérieure ou égale à 7 GPa, voire même supérieure ou égale à 8 GPa ;
- la pièce métallique est en or et sa nanodureté de surface atteint une valeur supérieure ou égale à 6 GPa, voire supérieure ou égale à 8 GPa, voire même supérieure ou égale à 9 GPa ;
- la variation en fonction de l'épaisseur de la nanodureté de la surface où l'hélium est implanté présente deux pics consécutifs de dureté. Dans les exemples qui suivent, le traitement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive par implantation d'ions d'hélium He+ et He2+ a été effectué avec des ions He+ et He2+ multi-énergies, produits simultanément par une source RCE. A titre d'exemple, pour une concentration atomique d'hélium de l'ordre de quelques % on est capable de produire un durcissement significatif de la surface d'un l'alliage d'or en le faisant passer de 2,5 GPa à 10 GPa par exemple. Compte tenu de la faiblesse de la concentration des ions d'hélium implantés, le traitement est sans effet sur la coloration de l'alliage d'or. L'alliage d'or conserve les caractéristiques esthétiques de la pièce d'origine.
La faiblesse de la concentration atomique d'hélium a pour corollaire des temps de traitement relativement rapide, par exemple de l'ordre de la seconde par cm2 pour une intensité totale de l'ordre de 5 mA.
Il peut être préférable de limiter la concentration d'hélium afin de limiter voire d'éviter la formation de bulles d'hélium dans le métal qui pourraient provoquer une fragilisation structurelle.
L'implantation simultanée de ces ions d'hélium peut se faire à des profondeurs variables, en fonction des besoins et de la forme de la pièce. Ces profondeurs dépendent des énergies d'implantation des ions du faisceau d'implantation ; elles peuvent par exemple varier de 0 à environ 2 μm pour un alliage d'or.
Dans une application à des pièces en alliage d'or, le procédé de l'invention permet d'obtenir une dureté superficielle supérieure à celle des aciers les plus durs, tout en conservant les propriétés mécaniques massives dues à l'écrouissage.
Les ions d'hélium présente un double intérêt au regard des autres types d'ions :
- Pour la même énergie ils ont un parcours d'implantation supérieur à ceux des autres types d'ions, mis à part l'hydrogène ; - Une fois implantés, ils restent inertes chimiquement. Ils ne réagissent pas avec les différents types d'ions constituant le métal.
A titre d'exemple, un dispositif de traitement avec une source RCE comprenant des moyens de réglage est décrit. Le dispositif de traitement comporte avantageusement des deuxièmes moyens de réglage de la position relative de la pièce et de la source d'ions. On comprendra qu'un déplacement relatif entre la source d'ions et la pièce est mis en oeuvre pour pouvoir traiter cette dernière.
Selon une forme de réalisation du dispositif de traitement dans laquelle la pièce est mobile par rapport à la source, les deuxièmes moyens de réglage comportent avantageusement un porte-pièce qui est mobile pour déplacer la pièce au cours de son traitement. Dans une autre forme de réalisation du dispositif, c'est la source d'ions qui est déplacée par rapport à la pièce à traiter; cette dernière forme de réalisation pouvant être mise en oeuvre lorsque les pièces à traiter représentent ensemble un poids trop important.
Le porte-pièce est de préférence équipé de moyens de refroidissement pour évacuer la chaleur produite dans la pièce lors de l'implantation des ions multi-énergies.
Les premiers moyens de réglage du faisceau d'ions comportent accessoirement un spectromètre de masse pour trier les ions produits par la source en fonction de leur charge et de leur masse.
De préférence, les premiers moyens de réglage du faisceau initial d'ions comportent en outre des moyens optiques de focalisation, un profileur, un transformateur d'intensité et un obturateur. Le dispositif est avantageusement confiné dans une enceinte équipée d'une pompe à vide.
Les deuxièmes moyens de réglage de la position relative de la pièce et de la source d'ions comportent avantageusement des moyens de calcul de cette position à partir d'informations relatives à la nature du faisceau d'ions, à la géométrie de la pièce, à la vitesse de déplacement du porte-pièce par rapport à la source et au nombre de passes précédemment réalisées.
Selon une première variante du procédé de traitement des alliages métalliques par implantation ionique mettant en œuvre un dispositif, ce procédé est principalement reconnaissable en ce que le faisceau d'ions multi-énergies se déplace de façon relative par rapport à la pièce à une vitesse constante.
Selon une deuxième variante du procédé de traitement des alliages métallique par implantation ionique mettant en œuvre un dispositif, ce procédé est principalement reconnaissable en ce que le faisceau d'ions multi-énergies se déplace de façon relative par rapport à la pièce à une vitesse variable tenant compte de l'angle d'incidence du faisceau d'ions multi-énergies par rapport à la surface de la pièce.
Que ce soit la pièce à traiter ou la 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 du traitement. La vitesse dépend du débit du faisceau, du profil de concentration des ions implantés et du nombre de passes.
Le faisceau d'ions multi-énergies est émis avec un débit et des énergies d'émission qui sont constants et commandés par la source d'ions. Comme expliqué précédemment, le procédé de l'invention permet d'agir sur les profondeurs de pénétration des ions multi-énergies dans la pièce. Ces profondeurs de pénétration, qui s'étagent dans l'épaisseur traitée, varient en fonction des différentes énergies d'entrée des ions au niveau de la surface de la pièce.
On peut penser que l'implantation des ions d'hélium dans la structure cristalline de la pièce à traiter a pour effet de créer un chaos atomique. En d'autres termes, le fait d'implanter des ions d'hélium dans la pièce à traiter permet d'augmenter la dureté superficielle de la pièce et de la rendre ainsi très résistante à l'usure. L'implantation des ions d'hélium peut intervenir comme traitement d'appoint On peut envisager de procéder à un premier traitement par implantation d'ions d'azote Après avoir implanté des ions d'azote on implante des ions d'hélium Les ions d'azote assurent un durcissement par précipité dans les couches proches de la surface tandis que les ions d'hélium assurent un durcissement structural dans les couches plus éloignées Du fait de leur petite masse les ions d'hélium vont plus loin que les ions d'azote et peuvent ainsi durcir des zones inaccessibles à l'azote
II résulte de ces dispositions que le procédé de l'invention permet de traiter efficacement des pièces en alliage métallique, sans pour autant augmenter ni la durée du traitement et ni les risques d'échauffement de la pièce
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs en référence aux dessins annexés dans lesquels
- La figure 1 représente un diagramme fonctionnel du dispositif d'implantation mis en oeuvre dans la présente invention ,
- La figure 2 représente un exemple de distribution d'implantation selon l'invention, dans de l'or , - La figure 3 représente le profil d'implantation illustrant la concentration atomique d'hélium implanté dans l'or (exprimée en %) en fonction de la profondeur d'implantation (exprimée en Angstrom) ,
- La figure 4 représente l'autre profil d'implantation dans de l'or ,
- La figure 5 représente la variation de dureté en fonction de la profondeur mesurée après traitement selon l'invention de l'or ,
- La figure 6 représente la variation de dureté en fonction de la profondeur après traitement selon l'invention du cuivre ,
- La figure 7 représente la variation de dureté en fonction de la profondeur après traitement selon l'invention du nickel Pour des raisons de clarté, les dimensions des différents éléments représentés sur ces figures ne sont pas nécessairement en proportion avec leurs dimensions réelles
Sur la figure 1 , un 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
Ce dispositif comporte une source d'ions 6 à résonance cyclotronique électronique, dite source RCE Cette source RCE 6 délivre un faisceau initial f1 ' d'ions multi-énergies d'hélium pour un courant total d'environ 6 mA (toutes charges confondues He+, He2+), sous une tension d'extraction pouvant par exemple varier de 20 KV à 200 KV La source RCE 6 émet le faisceau d'ions f1 ' en direction de premiers moyens de réglage 7-11 qui assurent la focalisation et le réglage du faisceau initial f1' émis par la source RCE 6 en un faisceau f1 d'implantation d'ions qui vient frapper une pièce à traiter 5
Ces premiers moyens de réglage 7-11 comportent, de la source RCE 6 vers la pièce 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 ou l'on injecte un gaz d'hélium pur (He), il est possible de récupérer l'ensemble des ions d'hélium mono et multi-chargés produits par la source pour obtenir un faisceau d'ions d'hélium multi-énergies Le spectromètre de masse étant un élément très cher on réduit fortement le coût du dispositif en utilisant un faisceau d'ions d'hélium multi-énergies obtenus à partir d'un gaz d'hélium pur livré en bouteille
- des lentilles 8 dont le rôle est de donner au faisceau initial f1 ' d'ions une forme choisie, par exemple cylindrique, avec un rayon choisi
- un profiteur 9 dont le rôle est d'analyser l'intensité du faisceau dans un pian de coupe perpendiculaire Cet instrument d'analyse devient facultatif dès lors que les lentilles 8 sont réglées définitivement lors de la première implantation - un transformateur d'intensité 10 qui mesure en continu l'intensité du faisceau initial f1 ' sans l'intercepter Cet instrument a pour fonction essentielle de détecter toute interruption du faisceau initial f1 ' et de permettre l'enregistrement des variations d'intensité du faisceau fi durant le traitement - un obturateur 11 qui peut être une cage de Faraday, dont le rôle est d'interrompre la trajectoire des ions à certains moments, par exemple lors d'un déplacement sans traitement de la pièce
Selon la forme de réalisation du dispositif représentée sur la figure 1 , la pièce 5 est mobile par rapport à la source RCE 6 La pièce 5 est montée sur un porte-pièce mobile 12 dont le déplacement est commandée par une machine à commande numérique 4, elle-même pilotée par un post-processeur calculé par un système de CFAO (conception et fabrication assistées par ordinateur) 1
Le déplacement de la pièce 5 prend en compte le rayon du faisceau f1 , les contours externes et internes des zones à traiter de la pièce 5, une vitesse de déplacement constante, ou variable en fonction de l'angle du faisceau f1 par rapport à la surface et un nombre de passes précédemment réalisées
Des informations de contrôle (ιnf1) 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 6 informe la machine 4 lorsque le faisceau f1 d'ions est prêt à être envoyé D'autres informations de contrôle (ιnf2) 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
Par ailleurs, le porte-pièce 12 est équipé d'un circuit de refroidissement 13 pour évacuer la chaleur produite dans la pièce 5 lors de l'implantation des ions multi-énergies
Le fonctionnement du dispositif est le suivant - on bride la pièce à traiter 5 sur le porte-pièce 12 , - on ferme l'enceinte 3 abritant le dispositif ;
- on met éventuellement en marche le circuit de refroidissement 13 du porte-pièce 12 ;
- on met en marche la pompe à vide 2 de manière à obtenir un vide poussé dans l'enceinte 3 ;
- dès que les conditions de vide sont atteintes, on procède à la production et au réglage du faisceau f1 ' d'ions grâce aux moyens de réglage
7-11 ;
- 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 ;
- lorsque le nombre de passes requis est atteint, on baisse l'obturateur 11 pour couper le faisceau f1 , on arrête la production du faisceau f1 \ on casse le vide en ouvrant l'enceinte 3 à l'air ambiant, on arrête éventuellement le circuit de refroidissement 13 et on sort la pièce traitée 5 hors de l'enceinte 3.
A titre d'exemple, il existe deux manières de diminuer le pic en température lié au passage du faisceau f1 en un point donné de la pièce 5 : augmenter le rayon du faisceau (donc réduire la puissance par cm2) ou augmenter la vitesse de déplacement.
Si la pièce est trop petite pour évacuer par rayonnement la chaleur liée au traitement on peut soit diminuer la puissance du faisceau f1 (donc augmenter la durée de traitement), soit mettre en marche le circuit de refroidissement 13 logé dans le porte pièce 12. La figure 2 représente un exemple de distribution d'ions d'hélium implantés dans de l'or. Dans cet exemple, la source d'ions délivre des ions He+, He2 qui sont tous extraits avec une seule et unique tension d'extraction de 200 KV. Ainsi les ions He+ émis par la source d'ions ont une énergie de 200 KeV, les ions He2+ ont une énergie de 400 KeV. Les ions He+ atteignent une profondeur de 0,42 μm +/- 0 14 μm Les ions He2+ atteignent une profondeur d'environ 0,71 μm +/- 0,19 μm La distance maximale atteinte par des ions dans cet exemple est d'environ 2 μm
La spécificité d'une source d'ions RCE 6 réside dans le fait qu'elle délivre des ions mono- et multi-chargés ce qui permet d'implanter simultanément des ions multi-énergies avec la même tension d'extraction II est ainsi possible d'obtenir simultanément sur toute l'épaisseur traitée un profil d'implantation plus ou moins bien réparti
On peut avoir intérêt à régler la source de manière à avoir un profil d'implantation plat On peut ainsi obtenir un effet d'amorphisation avantageux sur une large épaisseur
La figure 3 présente un profil d'implantation obtenu avec un faisceau de He+ (4 mA), He2+ (4mA), une tension d'extraction de 200 kV, concentré sur une surface de 1 cm2 pendant deux secondes Selon un autre mode de réalisation où une source RCE délivre un courant total de 6 mA (2 mA pour He+, 6 mA pour He2+) avec une tension d'extraction de 200 KV, dans de l'or et sur 1 cm2, pendant environ 2 secs, le profil d'implantation représenté sur la figure 4 comporte un plateau sensiblement constant de 1 ,6% dans une épaisseur comprise entre 0 4 μm et θ,8 μm
La figure 5 représente la variation de la nanodureté mesurée après avoir implanté une dose de 2 1016 ions d'hélium / cm2 fournie par une source RCE dans de l'or pur sous une tension d'extraction de 35 kV On porte la variation de la nanodureté, exprimée en GPa, en fonction de la profondeur, exprimée en nm Ces mesures de dureté sont effectuées par nanoindentation avec un nanoduromètre, grâce à une pointe en diamant dont l'avancement sous l'effet d'une charge est repéré à l'échelle nanométπque
On constate que la dureté de la surface de la pièce d'or traitée selon
I invention est considérablement accrue par rapport à celle d'une même pièce d or non traitée, dont la dureté est sensiblement de 2,5 GPa En effet, on observe en figure 5 un premier pic de dureté 51 , situé sensiblement a 100 nm et atteignant environ 10 GPa, suivi d'un second pic de dureté 52 situé sensiblement à 350 nm et atteignant environ 5,8 GPa. On constate que la dureté est supérieure à 4 GPa sur une épaisseur d'environ 600 nm. Ce résultat est remarquable et permet d'envisager des applications dans de nombreux domaines, notamment l'orfèvrerie, ou la connectique.
La figure 6 représente la variation de la nanodureté mesurée après avoir implanté différentes doses d'hélium fournies par une source RCE dans du cuivre pur (à 99,99%), sous une tension d'extraction de 45 kV et une intensité de 3,5 mA. De même que précédemment on porte la variation de la nanodureté en fonction de la profondeur.
La courbe 60 correspond à un échantillon de référence où la mesure de dureté est effectuée sur le cuivre sans traitement.
Les autres courbes 61 à 64 ont été mesurées sur des échantillons traités selon l'invention dans les conditions suivantes : Courbe 61 : dose d'hélium implanté : 3, 9.1016 ions / cm2 (pour 2 s/cm2)
Courbe 62 : dose d'hélium implanté : 7,8. 1016 ions / cm2 (pour 4 s/cm2) Courbe 63 : dose d'hélium implanté : 1 ,5. 1017 ions / cm2 (pour 8 s/cm2) Courbe 64 : dose d'hélium implanté : 3,1. 1017 ions / cm2 (pour 16 s/cm2)
On constate que le cuivre pur non traité a une dureté comprise entre 0.8 et 1.2 GPa en fonction de la profondeur (voir courbe 60).
Un traitement de l'ordre de 4.1016 ions / cm2 permet d'atteindre des duretés doublées en surface, de l'ordre d'au moins 2 GPa sur plus de 50 nm, ainsi que représenté en courbe 61.
Plus la dose augmente, plus la dureté est augmentée, pour atteindre sensiblement 2,7 GPa sur la courbe 62 ; 3,4 GPa sur la courbe 63 ; presque 3,5 GPa sur la courbe 64. On constate que les courbes 62. 63, 64 présentent un double pic de dureté, le premier pic étant situé à environ 20 nm et le second à environ 60 à 70 nm. La figure 7 représente la variation de la nanodureté mesurée après avoir implanté différentes doses d'hélium fourni par une source RCE dans du nickel pur sous une tension d'extraction de 45 kV et une intensité de 3,5 mA. De même que précédemment on porte la variation de la nanodureté en fonction de la profondeur.
Les courbes 71 à 74 ont été mesurées sur des échantillons traités selon l'invention dans les conditions suivantes :
Courbe 71 : dose d'hélium implanté : 3,9.1016 ions / cm2 (pour 2 s/cm2) Courbe 72 : dose d'hélium implanté : 7,8. 1016 ions / cm2 (pour 4 s/cm2) Courbe 73 : dose d'hélium implanté : 1 ,5. 1017 ions / cm2 (pour 8 s/cm2)
Courbe 74 : dose d'hélium implanté : 3,1. 1017 ions / cm2 (pour 16 s/cm2)
La dureté du nickel pur non traité a été mesurée à des valeurs comprises entre 2 et 3 GPa.
Un traitement de l'ordre de 4.1016 ions / cm2 permet d'atteindre des duretés supérieures à 6 GPa (courbe 71).
Plus la dose augmente, plus la dureté est augmentée, pour atteindre environ 7 GPa sur la courbe 72 ; 7,8 GPa sur la courbe 73 ; 8,1 GPa sur la courbe 74.
On note que les courbes 72, 73, 74 présentent un double pic de dureté, le premier pic étant situé à sensiblement 20 nm et le second à environ 50 à 60 nm.
On peut estimer les concentrations atomiques d'hélium implantées dans le cuivre ou le nickel correspondant aux échantillons dont les courbes de dureté sont présentées ci-dessus : Courbes 61 et 71 : environ 2% atomique d'hélium
Courbes 62 et 72 : environ 4% atomique d'hélium Courbes 63 et 73 : environ 8% atomique d'hélium Courbes 64 et 74 : environ 16% atomique d'hélium. L'invention ne se limite pas à ces types de réalisation et doit être interprétée de façon non limitative, et englobant le traitement de tout métal ou alliage métallique, par exemple l'or, le cuivre, l'argent, le nickel, l'étain ou les alliages de ces métaux. Ces métaux ainsi traités, notamment sous la forme de bandes, peuvent constituer des pièces de connectique aux propriétés remarquables.
De même le procédé selon l'invention n'est pas limité à l'utilisation d'une source RCE, et même si on peut penser que d'autres sources seraient moins avantageuses, on peut mettre en œuvre le procédé selon l'invention avec des sources mono-ions ou d'autres sources multi-ions, du moment que ces sources sont configurées de manière à permettre une implantation simultanée d'ions multi-énergies He+ et He2+.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d'au moins une surface d'une pièce métallique massive par des ions d'hélium caractérisé en ce qu'on implante simultanément des ions multi-énergies He+ et He2+.
2. Procédé de traitement selon la revendication précédente caractérisé en ce que les ions He+ et He2+ sont produits simultanément par une source d'ions à résonnance cyclotronique électronique (source RCE).
3. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le ratio RHe, où RHe = He+/He2+ avec He+ et He2+ exprimés en pourcentage atomique, est compris entre 0.5 et 20, par exemple supérieur ou égal à 1 et/ou inférieur ou égal à 10.
4. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension d'extraction de la source permettant l'implantation des ions multi-énergies He+ et He2+ est comprise entre 10 et 400 keV, par exemple supérieure ou égale à 20 keV et/ou inférieure ou égale à 100 keV.
5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la vitesse surfacique de traitement de la surface de la pièce métallique à traiter est comprise entre 0,5 cm2/s et 50 cm2/s, par exemple supérieure ou égale à 1 cm2/s et/ou inférieure ou égale à 20 cm2/s.
6. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la dose d'hélium implantée est comprise entre 5.1015 et 1018 ions/cm2, par exemple supérieure ou égale à 1016 ions/cm2 et/ou inférieure ou égale à 5.1017 ions/cm2.
7 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière a ce que la profondeur de pénétration de l'hélium sur la surface de la pièce métallique traitée est comprise entre 0,05 et 2 μm, par exemple supérieure ou égale à 0,1 μm et/ou inférieure ou égale à 1 μm
8 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on règle des paramètres de la source et de déplacement de la surface de la pièce métallique à traiter de manière à ce que la température de la surface de la pièce métallique en cours de traitement est inférieure ou égale à 2000C, par exemple inférieure ou égale à 1000C
9 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pièce métallique à traiter est une pièce de connectique, par exemple une bande, et que ladite pièce défile dans un dispositif de traitement, par exemple à une vitesse comprise entre 5 m/mm et 12 m/mm
10 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'implantation d'hélium de la surface métallique de la pièce à traiter est effectuée grâce à une pluralité de faisceaux d'ions multi énergies He+ et He2+ produits par une pluralité de sources d'ions
11 Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le métal de la pièce métallique est choisi parmi l'or, le cuivre, l'argent, le nickel, l'étain ou les alliages de ces métaux
12 Pièce métallique comprenant au moins une surface avec de l'hélium implanté caractérisé en ce que l'épaisseur où l'hélium est implanté est supérieure ou égale à 50 nm, par exemple supérieure ou égale à 200 nm
13 Pièce métallique selon la revendication précédente caractérisée en ce que la nanodureté de la surface où l'hélium est implanté est supérieure ou égale a 2 GPa sur une épaisseur supérieure ou égale à 100 nm, par exemple pour une pièce métallique en cuivre, par exemple supérieure ou égale à 5 GPa pour une pièce métallique en nickel, par exemple supérieure ou égale à 6 GPa pour une pièce métallique en or.
14. Pièce métallique selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13 caractérisée en ce que la variation en fonction de l'épaisseur de la nanodureté de la surface où l'hélium est implanté présente deux pics consécutifs de dureté.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2962137A1 (fr) * 2010-07-02 2012-01-06 Valois Sas Procede de traitement de surface elastomere d'un dispositif de distribution de produit fluide.
WO2012001321A3 (fr) * 2010-07-02 2012-03-22 Valois Sas Procede de traitement de surface elastomere d'un dispositif de distribution de produit fluide.
EP4071268A1 (fr) * 2021-04-08 2022-10-12 Comadur S.A. Procédé de coloration d'un métal et metal coloré

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2899242A1 (fr) * 2007-04-05 2007-10-05 Quertech Ingenierie Sarl Procede de durcissement par implantation d'ions d'helium dans une piece metallique

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2899242A1 (fr) * 2007-04-05 2007-10-05 Quertech Ingenierie Sarl Procede de durcissement par implantation d'ions d'helium dans une piece metallique

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HINO T ET AL: "Hydrogen retention properties of polycrystalline tungsten and helium irradiated tungsten", FUSION ENGINEERING AND DESIGN, ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM, NL, vol. 39-40, 1 September 1998 (1998-09-01), pages 227 - 233, XP004142921, ISSN: 0920-3796 *
LHD EXPERIMENTAL GROUP NOBUTA Y ET AL: "Energy and fluence dependences of helium retention in stainless steel", JOURNAL OF NUCLEAR MATERIALS, ELSEVIER BV, NL, vol. 337-339, 1 March 2005 (2005-03-01), pages 932 - 936, XP004753143, ISSN: 0022-3115 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2962137A1 (fr) * 2010-07-02 2012-01-06 Valois Sas Procede de traitement de surface elastomere d'un dispositif de distribution de produit fluide.
WO2012001321A3 (fr) * 2010-07-02 2012-03-22 Valois Sas Procede de traitement de surface elastomere d'un dispositif de distribution de produit fluide.
EP4071268A1 (fr) * 2021-04-08 2022-10-12 Comadur S.A. Procédé de coloration d'un métal et metal coloré

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