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Dispositif de nitruration par implantation ionique d'une pièce en alliage
d'aluminium et procédé mettant en aeuvre un tel dispositif.
Domaine de !'invention .
L'invention a pour objet un dispositif de nitruration par implantation
ionique d'une pièce en alliage d'aluminium à partir d'un faisceau d'ions
d'azote émis par une source d'ions. L'invention a également pour objet un
procédé de nitruration d'une pièce en alliage d'aluminium mettant en oeuvre
un tel dispositif.
L'invention trouve des applications par exemple dans le domaine de la
plasturgie où il est nécessaire de traiter les pièces réalisées en alliage
d'aluminium qui sont utilisées comme moules de fabrication en série de
pièces en matière plastique.
Etat de la technique
Dans le domaine de la plasturgie, la plupart des pièces en matière
plastique sont réalisées par 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 500 000 à 1 000 000 d'unités. Cependant,
l'acier est un matériau difficile à traiter qui, par conséquent, ne permet pas
une mise rapide de la production sur le marché. II 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.
On cherche donc de plus en plus dans le domaine de la plasturgie à
réaliser des moules d'injection dans un autre métal que l'acier. Les alliages
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d'aluminium constituent l'un de ces métaux. En effet, l'alliage d'aluminium
présente l'avantage d'avoir une excellente usinabilité, c'est-à-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
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.
Un problème général à résoudre dans le domaine réside dans le fait
que les moules en alliage d'aluminium ont une tenue mécanique limitée dans
le temps, d'où une capacité de production faible par rapport à ceux réalisés
en acier. Le nombre de pièces en matière plastique réalisées dans un moule
en alliage d'aluminium est typiquement de l'ordre 1 000 unités. En outre, un
problème particulier à résoudre dans le domaine des moules en alliage
d'aluminium, réside dans le fait que 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.
Les fabricants de moules à injection en alliage d'aluminium cherchent
à résoudre ces problèmes 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 chlorëes.
Différents procédés, chimiques ou physico-chimiques, sont connus
pour améliorer la tenue mécanique des moules en alliage d'aluminium.
Parmi les procédés chimiques, on connaît celui qui consiste en une
anodisation du moule en alliage d'aluminium. L'anodisation est un procédé
électrolytique permettant d'épaissir la couche naturelle d'alumine (AI203)
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). De plus, elle offre un coefficient de dilatation thermique élevé et
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présente une sensibilité aux attaques chlorées, d'où une grande fragilité au
regard de la fatigue thermique et de la corrosion.
Un autre procédé chimique est le chromage dur. Ce procédé est un
traitement électrolytique des moules en alliage d'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.
Un autre procédé chimique est le nickelage. Ce procédé consiste en
un dépôt uniforme d'une couche de nickel imprégnée de téflon pour lubrifier
la surface. Cependant, l'imprégnation du nickel par le téflon exige le
maintien
du moule 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.
Un autre procédé chimique est le dépôt en phase vapeur de nitrure de
chrome. 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).
Un procédé physico-chimique 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 diffuse dans l'alliage en
formant des nitrures. On pourra par exemple se reporter au document US
4,597,808 (ARAI TOHRU et al) qui décrit un procédé physico-chimique du
type susvisé. Cependant, il existe un autre problème lié au type de matériaux
à traiter, à savoir les alliages d'aluminium. En effet, ces derniers
contiennent
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des précipités durcissant obtenus par des revenus thermiques compris entre
120 et 150°C, ces précipités participant de la bonne tenue mécanique de
ces
alliages. Or une élévation de température de l'alliage d'aluminium à une
température supérieure à 500°C, telle préconisée par US 4,597,808, tend
à
éliminer ces précipités. II en découle que le procédé décrit par le document
US 4,597,808 est insatisfaisant au regard de la tenue mécanique recherchée
des alliages d'aluminium.
II existe d'autres procédés de nitruration de pièces d'aluminium
destinées à être utilisées dans le domaine électronique. Le but recherché par
ces procédés est de réaliser un traitement superficiel de la surface de
l'aluminium pour déposer une fine couche de nitrure ou d'oxyde d'aluminium
qui présente des caractéristiques intéressantes d'un point de vue
électronique, et notamment des caractéristiques de bon isolant acoustique et
de bon conducteur thermique, ceci afin de préserver les propriétés
électroniques de la pièce en aluminium. On pourra par exemple se reporter
aux documents EP 1 288 329 (CCR GmbH Beschichtungs-techno) et US
4 698 233 (Iwaki Masaya et al) qui décrivent de tels procédés de traitement
de pièces d'aluminium utilisées dans le domaine électronique.
Par ailleurs, il a été évoqué par le document US 5,925,886 (Togiguchi
Katsumi et al) la possibilité de produire un faisceau d'ions à partir d'une
source d'ions à résonance cyclotronique électronique (source RCE). On
rappelle qu'une source RCE présente deux caractéristiques principales
- un champ magnétique qui confine les ions dans un volume délimité
situé à l'intérieur de la source, et dénommé la chambre à plasma, et
- une onde haute fréquence libérée à l'intérieur de la source et
destinée à chauffer les électrons qui peuvent alors être ionisés.
La chambre 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 chambre par un orifice pour être ensuite accélérés. Pour
la
production d'ions gazeux (d'oxygène, d'azote, de néon etc.), le gaz choisi est
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introduit dans la source en une quantité suffisante pour atteindre l'intensité
du faisceau d'ions demandée.
Exposé de l'invention
5 L'invention a pour but de remédier aux inconvénients et problèmes
des techniques exposées précédemment.
II est notamment visé par la présente invention de proposer un
dispositif d'implantation ionique, notamment d'ions azote, dans une pièce en
alliage d'aluminium pour améliorer la tenue mécanique de cette dernière.
II est encore visé par la présente invention de proposer un tel dispositif
qui permette un traitement en profondeur de l'alliage d'aluminium,
typiquement sur une épaisseur de l'ordre de 0 à 3 pm, et dont la mise en
oeuvre ne provoque pas une altération des caractéristiqûes mécaniques de la
pièce à traiter, autorisant son utilisation après traitement sans reprise de
la
pièce.
II est aussi visé par. la présente invention de proposer un tel dispositif
autorisant un traitement de zones spécifiques de la pièce en alliage
d'aluminium.
II est également visé par la présente invention de proposer un tel
dispositif qui ne nécessite pas des temps de traitement qui soient longs.
II est enfin visé par la présente invention de proposer un tel dispositif
qui soit peu coûteux pour permettre son utilisation dans un cadre industriel,
son coût ne devant pas être rédhibitoire par rapport aux coûts d'autres
procédés de traitement.
La démarche inventive de la présente invention a consisté à proposer
de réaliser à basse température, plus précisément à une température
inférieure à 120°C, le traitement d'une pièce en alliage d'aluminium
par
implantation simultanée d'ions multi-énergies. Ces derniers sont 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
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ladite source présente une énergie qui est proportionnelle à son état de
charge. II 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 en alliage à des
profondeurs plus importantes.
On notera à ce stade de la description que cette implantation 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 notera également que ce dispositif permet de traiter une pièce
sans altérer ses propriétés mécaniques dues à la présence de précipités
durcissants préalablement obtenus par revenus thermiques effectués à une
température comprise entré 120°C et 150°C.
Le dispositif d'implantation d'ions dans une pièce en alliage
d'aluminium 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 la présente invention, un tel dispositif est principalement
reconnaissable en ce que ladite source est une source à résonance
cyclotronique électronique produisant des ions multi-énergies qui sont
implantés dans la pièce à une température inférieure à 120°C,
l'implantation
des ions du faisceau d'implantation étant effectuée simultanément à une
profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source.
Plus particulièrement, le procédé de l'invention propose d'utiliser des
ions d'azote multi-énergies produits par la source d'ions RCE à l'intérieur de
laquelle de l'azote a été préalablement introduit et d'implanter les ions
produits simultanément dans la pièce en alliage d'aluminium, ce qui
engendre des microcristaux de nitrure d'aluminium induisant à leur tour une
augmentation de la dureté. L'implantation simultanée de ces ions d'azote
~ 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
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des ions du faisceau d'implantation ; elles peuvent varier de 0 à environ 3
pm.
Compte tenu d'un effet de pulvérisation différent selon l'énergie donc
l'état de charge de l'ion incident, on n'obtient pas le même profil de
concentration d'ions implantés selon, par exemple, que l'on implante
simultanément N+, N2+, N3+, ou que l'on implante successivement par état
de charge d'ordre croissant N+, N2+, puis N3+, ou encore que l'on implante
successivement par état de charge d'ordre décroissant N3+, N2+, puis N+.
L'implantation successive par état de charge d'ordre croissant donne un
profil d'épaisseur large mais de faible concentration. L'implantation
successive par état de charge d'ordre décroissant donne un profil
d'épaisseur étroite mais de forte concentration. L'implantation simultanée est
un compromis entre les deux types d'implantation précédents, on obtient un
profil d'épaisseur moyenne et de concentration moyenne. II est coûteux en
terme de temps d'implanter des ions successivement par ordre croissant et
décroissant. Le procédé de l'invention préconise l'implantation simultanée
d'ions multi-énergies avec un faisceau multi-énergies et est de ce fait à la
fois avantageux techniquement et optimal sur le plan du compromis physique
obtenu (profil de concentration équilibré).
L'augmentation de la dureté de l'aluminium est liée à la concentration
en ions d'azote implantés. 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.
Le procédé de l'invention présente un avantage très intéressant par
rapport à l'implantation effectuée avec un faisceau d'ions d'azote mono-
énergie: pour une même concentration d'ions implantés, on observe en effet
avec un faisceau d'ions d'azote multi-énergies un accroissement
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supplémentaire de dureté. On a mesuré pour une concentration d'ions
implantés de 25% un accroissement de dureté de 60% en faveur de
l'implantation avec un faisceau multi-énergies par rapport à une implantation
avec un faisceau mono-énergie. L'implantation simultanée d'ions multi-
énergies engendre par collisions et cascades un brassage plus efficace des
différentes couches de nitrure d'aluminium (qui s'étagent à différentes
profondeurs d'implantation dans l'épaisseur traitée). L'efficacité des
processus de fragmentation et de dispersion des microcristaux dont sont
constituées les couches de nitrure d'aluminium est, certainement à l'origine
de cet accroissement supplémentaire de dureté obtenu par implantation avec
un faisceau d'ions d'azote multi-énergies. Les faisceaux multi-énergies sont
particulièrement adaptés aux applications mécaniques tandis que les
faisceaux mono-énergie sont plus spécifiquement adaptés aux applications
électroniques pour lesquelles la création de défaut par cascadés et collisions
a tendance à dégrader les propriétés électriques du nitrure d'aluminium
(notamment sa très haute résistance électrique).
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 simultanée
d'ions de l'invention, est très largement augmentée par rapport à un moule
en alliage d'aluminium classique.
Le dispositif de la présente invention comporte en outre
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 zone par zone.. Ainsi, plusieurs zones d'une même pièce métallique
peuvent être traitées de façon à obtenir des duretés identiques ou
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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 plan de joint du moule, la zone de la surface moulante).
Selon une forme préférée de réalisation du dispositif de la présente
invention 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 non préférée 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 la pièce à traiter est très
volumineuse.
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 profiteur,
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 lâ 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 d'un alliage
d'aluminium par implantation ionique mettant en oeuvre un dispositif selon la
présente invention, ce procédé est principalement reconnaissable en ce que
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le faisceau d'ions multi-énergies se déplace de façon relative par rapport à
la
pièce à une vitesse constante.
Selon ûne deuxième variante du procédé de traitement d'un alliage
d'aluminium par implantation ionique mettant en oeuvre un dispositif selon la
5 présente invention, 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
10 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 côncentration des
ions implantés et du nombre de passes. 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.
De préférence, le faisceau d'ions multi-énergies est émis avec un
débit et des énergies d'émission qui sont soit constants, soit variables 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. Plus
précisément, la source d'ions délivre des ions avec des énergies d'émissions
variables ; dans ce cas, la source d'ions est asservie de manière à faire
varier les énergies des ions incidents en jouant sur la tension d'extraction
lors de chaque traitement.
L'implantation des ions d'azote dans la structure cristalline de la pièce
à traiter a pour effet de créer des microcristaux de nitrure d'aluminium (de
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structure cubique faces centrées pour de faibles concentrations d'azote à
hexagonale compacte pour de fortes concentrations d'azote) extrêmement
dures qui bloquent les plans de glissement des dislocations à l'origine des
déformations du matériau. En d'autres termes, le fait d'implanter des ions
d'azote dans la pièce à traiter permet d'augmenter la dureté superficielle de
la pièce et de la rendre ainsi très résistante à l'usure.
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'inventïon.
Le procédé de l'invention permet, par le phénomène de pulvérisation
superficielle induit par la passage des ions incidents, de gommer les micro-
rugosités de la pièce, diminuant d'autant l'apparition des piqûres qui se
forment généralement à la faveur des anfractuosités de la surface.
II résulte de ces dispositions que le procédé de l'invention permet de
traiter efficacement des zones de la pièce dont la géométrie est complexe,
sans pour autant augmenter ni la durée du traitement et ni les risqués
d'échauffement de la pièce.
Brève description des dessins
La figure 1 représente un diagramme fonctionnel du dispositif de
l'invention.
La figure 2 représente des exemples de distribution d'implantation,
dans une pièce en aluminium, par une source à résonance cyclotronique
électronique produisant des ions N+, N2+ et N3+ avec une même tension
d'extraction de 200 IN.
La figure 3 représente le profil d'implantation obtenu avec un faisceau
de N+(3.3mA), N2+(3.3mA), N3+(3.3mA), une tension d'extraction de 200
KV, concentré sur une surface de 1 cm2 pendant 10 secondes. Ce profil
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représente en ordonnée la concentration (%) d'ions azote implantés en
fonction de la profondeur d'implantation exprimée en Angstrôm.
La figure 4 représente le profil d'implantation optimal, du même type
que le profil précédent, qui est obtenu avec un faisceau de N+(1.6mA),
N2+(3.2mA), N3+(4.8mA), une tension d'extraction de 200 KV, concentré sur
une surface de 1 cm2 pendant 10 secondes.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Sur la figure 1, un dispositif selon la présente invention 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'azote pour un courant total d'environ 10 mA
(toutes
charges confondues N+, N2+, etc.), sous une tension d'extraction pouvant
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'azote pur (N2), il est possible de récupérer l'ensemble
des ions d'azote mono et multi-chargés produits par la source pour obtenir
un faisceau d'ions d'azote 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'azote multi-énergies obtenus à partir d'un gaz d'azote pur
livré en bouteille.
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- 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 plan 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 f1 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 préférée 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 ùn 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 (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 6 informe la
machine 4 lorsque le faisceau f1 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
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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 de l'invention 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.
II 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
CA 02554921 2006-07-27
WO 2005/085491 PCT/FR2005/000224
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'azote N
implantés dans une pièce d'aluminium. Dans cet exemple, la source d'ions
5 délivre des ions N+, N2+ et N3+ qui sont tous extraits avec une seule et
unique tension d'extraction, par exemple, de 200 KV. Ainsi les ions N+ émis
par la source d'ions ont une énergie de 200 KeV, tes ions N2+ ont une
énergie de 400 KeV et les ions N3+ ont une énergie de 600 KeV.
Les ions N+ atteignent une profondeur de 0,37 pm ~/- 0.075 pm. Les
10 ions N2+ atteignent une profondeur d'environ 0,68 Nm +/- 0,1 Nm et les ions
N3+ une profondeur d'environ 0.91 Nm +/- 0,15 pm. La distance maximale
atteinte par des ions dans cet exemple est de 1.15 pm.
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
15 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.
Par exemple, si l'on considère une source RCE délivrant un courant
total de 10 mA (3.3 mA pour N+, 3.3mA pour N2+, 3.3mA pour N3+) avec
une tension d'éxtraction de 200 KV, pour une pièce .d'aluminium de 1 cm2,
pendant environ 10 secs, le profil d'implantation est approximativement celui
représenté sur la figure 3. Ce profil révèle une concentration de
- 20% de N entre 0.30 et 0.5 pm, ce qui correspond à une
augmentation de la dureté de 300%,
- 8% de N entre 0.5 et 0.85 pm, ce qui correspond à une
augmentation de dureté de 200%, et
- 2% de N entre 0.85 et 1.1 pm, ce qui correspond à une
augmentation de dureté de 35%.
On obtient pour le profil d'implantation une répartition optimale en
réglant les fréquences de la source 6 de manière à avoir une distribution
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équirépartie des états de charge des ions de la source (méme nombre d'ions
N+, N2+, N3+ par cm2 et par seconde).
Par exemple, en reprenant l'exemple précédent, si l'on considère une
source RCE délivrant un courant total de 10 mA (1.6 mA pour N+, 3.2mA
pour N2+, 4.8mA pour N3+) avec une tension d'extraction de 200 KV, pour
une pièce d'aluminium de 1 cm2, pendant environ 10 secs, le profil
d'implantation représenté sur la figure 4 fluctue entre 6 et 14 % sur une
épaisseur comprise entre 0.25 pm 1,1 pm.
Pour une même concentration d'ions implantés, l'effet physique en
terme de dureté obtenue par implantation simultanée d'ions multi-énergies
est supérieur à celui obtenu par implantation d'ions mono-énergie. En effet la
dispersion des microcristaux de nitrure d'aluminium due à l'efficacité du
brassage des ions multi-énergies (qui s'implantent à des profondeurs
étagées), induit un accroissement supplémentaire de dureté qui s'ajoute à
celle qui serait obtenue avec un faisceau d'ions mono-énergies.
