Brevet FR2132712A1 — publié le 19721124

La présente invention concerne des procédés de traitement de la-surface d'éléments en acier, en vue de la modification de leur structure. On sait qu'on peut cémenter les articles en aeier ; selon 5 des procédés connus, on peut réaliser une surface dure et résistante sur un noyau en acier à faible teneur en carbone (tenace) en soumettant un article maintenu à température élevée (environ 910°C) à une sPfcciosphère riche en carbone- Une telle opération peut être réalisée à l'aide d'un gaa d'hydrocarbure ou par passage 'dans du char-10 bon. Le carbone diffuse à la surface de l'acier à une profondeur d'environ 1,25 nim, en donnant une teneur élevée en carbone à la surface, celle-ci étant ensuite trempée en martensite qui donne une dureté et une résistance à l'usure qui sont maximales. La dureté dépend de la teneur en carbone et elle croît lorsque cette 15 teneur croît. que le durcissement thermique cité ci-dessus implique/les articles à traiter sont soumis à des températures relativement élevées ; dans certains cas, par exemple dans le cas de l'acier inoxydable, ceci n'est pas souhaitable et l'invention concerne un procédé 20 de durcissement d'acier inoxydable ne mettant pas en oeuvre des températures élevée,'-:. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de traitement d'acier inoxydable en surface, destiné à modifier la structure de celle-c:, le durcissement étant réalisé par bombardement de la ?5 surface avec des ions carbone assurant 1*implantation de carbone à la surface et modifiant sa structure. Il faut noter que lors de 1'introduction d'ions à la surface d'us métal. la composition superficielle est modifiée,, et non pas seulement la structure. l'invention concerne un procédé analo-::.Q gue destiné à la modification de la structure-superficielle d'acier doux ps-r 1* implantation d'ions, notamment d'ions chrome. Lors au traitement d'une surface selon l'invention, la profondeur de pénétration des ions peut être supérieure à celle qui est mesurée en Angstroms et elle peut être telle qu'il se forme 35 une structure atr-cxe dans la masse et non simplement en surface. Ainsi, on peut obtenir une surface durcie à mie profondeur de l'ordre •> ':5 •:. On peut ainsi former un corps dans lequel 72 12086 2 2132712 une région externe molle est formée star une région interne plus dure. Un corps ainsi traité pour avoir une couche interne, peut subir le retrait d'une région externe, jusqu'à la surface durcie, par abrasion, meulage, etc. 5 L'invention concerne aussi de tels traitements. La profondeur d'implantation des ions dépend de leur énergie, lorsque celle-ci est élevée, les couches sont internes. Il est aussi possible d'assurer des implantations à des énergies différentes de manière à former une série de régions implantées formant au 10 total une couche d'épaisseur voulue. L'implantation peut être réalisée depuis les faibles énergies jusqu'à plusieurs milliers de keY. Une plage de travail courante est comprise entre 1 et 200 keY, et 1*énergie comprise entre 50 et 100 keY étant commode en pratique. 15 Dans le cas de l'implantation d'ions dans l'acier inoxydable, 1'introduction du carbone qui peut être réalisée à température relativement basse, présente des avantages par rapport au procédé mettant en oeuvre des températures élevées et des atmosphères riches en carbone» L'expression "basses températures" utilisée que 20 dans le présent mémoire indique/les températures sont voisines de la température ambiante. L'implantation peut provoquer une légère élévation de la température de l'échantillon, par exemple de 1 ou 2aC ; cependant, ceci est insignifiant. Il est possible, par mise en oeuvre de l'invention, de produire par exemple des 25 régions durcies sur des articles en acier inoxydable réalisés préalablement avec une grande précision., sans risque de déformation ni perte de la précision dimensionnelle que peut provoquer la soumission des articles à de hautes températures. Ainsi, des roulements à billes durcis en surface, des paliers de montres et 30 des articles analogues peuvent être réalises après fabrication aux tolérances nécessaires, en acier inoxydable ; on peut former un bord durci sur une lame de rasoir en acier inoxydable. Le coût du durcissement peut être très faible pour lui article dans le cas des paliers de.montres,' car, étant donné la dimension, il est 35 "possible de traiter un grand nombre d'articles en une seule opération d'implantation (par exemple plusieurs centaines). Il ec.t ausa.i 'possible de choisir avec une grande précision BAD ORIGINAL COPY 72 12086 2132712 les régions de la surface à traiter en réglant de façon convenable le faisceau d'ions, qui peut avoir par exemple une largeur de quelques millimètres ; dans une variante, on peut utiliser un cache qui permet au faisceau de n'être en contact qu'avec les régions 5 exposées de la surface à traiter. Il faut noter que les considérations précédentes concernant le traitement d'un grand nombre d'articles et la manière sélective du traitement des zones s'applique aussi à l'implantation de chrome dans l'acier doux. 10 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre d'exemples particuliers d'application de l'invention. Dans le premier exemple, on traite des régions de surfaces en acier inoxydable 316 avec un faisceau d'ions carbone. On monte 15 un échantillon d'acier inoxydable 316 dans une chambre d'un accélérateur linéaire et on met cette chambre sous vide. On met en route l'accélérateur et on le fait fonctionner de façon classique jusqu'à ce qu'un faisceau d'ions heurte la cible. Les ions ont des énergie de 100 keV environ. On utilise du gaz carbonique et on met 20 en oeuvre une analyse magnétique pour séparer et choisir les ions carbono des autres ions produits par la source en vue de l'implantation. Les régions traitées, dans lesquelles les ions carbone ont ;'-té implantés à une profondeur de quelques milliers d'Angstroms résistent totalement au polissage par vibration, alors que les 25 parties non traitées sont retirées de façon relativement facile. Dans un second exemple, on traite des régions de surfaces en acier inoxydable 18-8 avec un faisceau d'ions carbone, de manière analogue à l'exemple décrit. On obtient des résultats analogues à ceux de l'acier inoxydable 316 du premier exemple. 30 Dans le troisième exemple, on traite des surfaces en acier doux avec un i'ais.ceau d'ions chrome ayant une énergie de l'ordre de 1C0 keY, à l'aide d'un accélérateur linéaire, comme décrit précéc emiesnt. Une source de pulvérisation comportant une bande de chrome est utilisée comme source d'ions chrome et on met en 35 oeuvre une analyse magnétique pour choisir les ions chrome d'implantation. Le- chrome est implanté à une profondeur de quelques milliers d'Angstroms dans les régions traitées et on constate «H 72 12086 •4 2132712 que la résistance à la con^rosion (par exemple à la rouille) est fortement accrue dans ces régions. La carburation du métal par les procédés connus est réalisée à des températures élevées, de l'ordre de 900 à 1000°C, et elle 5 dépend du carbone qui diffuse dans le métal comme cité précédemment. Ainsi, lorsqu'on met en oeuvre l'invention pour l'implantation de carbone à température élevée, il existe un risque que le carbone diffuse dans le métal et que le durcissement au niveau ou au voisinage de la surface disparaisse» En conséquence, on met en oeuvre 10 avantageusement l'invention pour l'implantation de carbone à des températures inférieures à 600°C environ. Le cas de l'implantation d'ions chrome est analogue. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter 1 5 toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. 72 12086 2132712 KBVEîîDICA TIOî-13 1. Procédé de traitement d'une surface en acier inoxydable, en vue de la modification de sa structure, caractérisé en ce qu'on durcit la surface en la soumettant à un bombardement d'ions carbone 5 assurant l'implantation de ceux-ci à la surface et modifiant la structure de celle-ci. 2. Procédé de traitement d'une surface en acier doux, en « vue de la modification de sa structure, caractérisé en ce que la résistance à la corrosion de la surface est accrue par un bombarde- 10 ment d'ions chrome assurant l'implantation de chrome dans la surface et modifiant la structure de celle-ci. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ions sont implantés à une profondeur de quelques milliers d'AngstrSms. 15 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'implantation est réalisée avec des ions ayant des énergies telles qu'il se forme une couche interne-.