Brevet FR2513660A1 — publié le 19830401

I le présent procédé conceine la nitruxation d'amté, riaux à basses pressions (I e 10 ntorr; 0,13 A 1,3 i>a) dans une atmosphère content dr, I 'azote uu) ln -mélange d Vautres gaz et de l'azotée, excités de manière à ntteinu- dre une décharge 1 uminesceutc. On a au, jusqu'icïi, que des objets en métal peuvent, Otre nitrurés à l'aide d'une -ensiion 1 iéeet C 1 're- pression des gaz appropriée C Je procédé est appelé nitmi- ration par plasma ou niîGntoiio 1 ique 1 7-is on ne cen- naissait pas les pre 3 asion ïj "x' on Poldrait élezt appliquer ni garantir unré it optimusme L'es premiers essaie a:ispour a P Pliquaer une tension élevée ont été fnizr 8 soeo P SSi On a-LM Sphêriq Ue (Eg*n, J, brevet 'US I 83 '7 êt 25 E -Le ce ntr 31 le du l procédé était cop Audfait 1 laoain 'tn celles et d'un arc Un peciee 2 tmajeur lu 1 'Procé- dé a été développé Par la sui-tu en Aieêre Par Blargb auz Dans son brevet allemand (n O 668 539 d'a 'est 98 présenté un traiteiaent effectau à plun ba 2 se pression, L'avantage de ce procédé est l'amélioratioa cnsî(Prable de son contr 8 le Le procédé Berghaus était bnsé suz la décharge luminescente di-te anormale les développements qui ont eu lieu ensuite en -Allemagnie et aux Ftats,-Unis ont conduit fi nalement à l'pîa în du strîelle de la décharge luminescente à baisse pression (environ 1 torr; 0, 13 1,3 k Pa) urtilisée pour la nit:ruration dans les années 60 et '70 Dies installat-ions utilisées commercialement fonctionnent actuellement dans plusieurs pays (voir par exemple Ederhoïer 7 139 The Metalluregiat and Miateriala Techaologist 8 ( 1976), paiges 42 11-426). Les procédés de nitruration par plasma on de nitru - ration ionique actuellement utilisés sont basés sur l'em- ploi d'une décharge luminescente créée aux presions men- tionnées ci-dessus Les ions d'azote et les atomes un-u tres bombardent la surface dz la pièce et m 9 me éjectent, des atomes de celle-ci (pulvérisation) Quand les ions ou les atomes neutres vîennunt en collision avec la pièce, qui sert de cathode, ils convertissent la plus grande partie de leur'énergie cinétique en chaleur Il est ainsi possible d'obtenir la température (environ 400 à 600 00) qui est nécessaire pour la vitesse de diffusion élevée de l'azote sans chauffage extérieur. Dans le procédé décrit ci-dessus, la gamme des pressions n'est pas particulièrement basse (environ 1 10 torr; 0,13 1,3 k Pa) Des pressions considérable- ment plus faibles n'ont pourtant pas été étudiées spéci- fiquement dans le domaine de la nitruration Ea ce qui concerne les effets généraux des pressions basses, on sait en général que lorsque la pression est abaissée, les zones de décharge luminescente proches de l'anode s'étendent jusqu'à ce que la luminescence dite négative disparaisse totalement et la décharge luminescente consis- te seulement dans celle des couches de la cathode ou de ce que l'on appelle la luminescence cathodique (voir par exemple Nasser, E, Fundamentals of gaseous ionization and plasma elotronics, Jonu Wiley, 1971, pages 400-405). On ne peut distinguer clairement des couches définies dans cette luminescence cathodique Ge type de lumines- cence cathodique est typique du procédé considéré ici, comme on le précisera plus loin. Cependant, on peut supposer que le trajet libre des atomes et ions de gaz entre les collisions augmente lors- que les pressions sont basses (voir par exemple Chapman, B, Glow Discharge processes, John Wiley, 1980, pages 9-10) Ceci pourrait conduire à un bombardement plus énergique de la surface de la pièce, avec pour conséquen- ce une nitruration plus efficace. La présente invention est basée sur une décharge luminescente maintenue à des pressions x 3 de l'azote ou du mélange de gaz (contenant de l'azote plus basses que dans le cas des procédés de l'art anté- rieur Plusieurs des procédés de revêtement modernes, tel que le placage ionique (voir par exemple Mattox, D. I Mechanisms of ion plating, Ccampte-rend de la conf. Intern sur les Techniques de Placage Ionique et alliées (IPAT 79), Lendres, Juillet 1979; pages 11 O? sont mis en oeuvre dans cette gammde de pressions S une pièce pouvait être nitrurée en utilisant une pression basse ( 1 100 mtorr), il pourrait être d'importance industriel- le considérable de combiner, par exemple, la nitruration par plasma et le placage ionique pour créer des surfaces dures et résistantes à l'usure et d'épaisses couches de diffusion. On vient de voir que la nitruration par plasma à basses pressions présente certains avantages potentiels. A la suite d'un bombardement ionique plus poussé, on pourrait probablement réaliser un traitement de nitrura- tion de courte durée; de quelques heures par comparaison aux 100 heures nécessaires à la nitruration classique. La probabilité de la formation d'un arc diminue également et ceci pourrait améliorer la stabilité du procédé et même rendre inutile l'équipement séparé de prévention de formation d'arc utilisé dans les procédés antérieurs. Cependant, on ne trouve dans la littérature aucune information sur le procédé de nitruration par plasma réa- lisé à de basses pressions entre 1 et 100 mtorr ( 0,13 13,3 Pa) et il est donc nécessaire de confirmer par l'ex- périence les suppositions mentionnées ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés, qui font partie de la description, et dans les- quels: Fig 1 représente schématiquement l'appareil utili- sé pour les expériences; F Sig 2 a et 2 b montrent la répartition de la dureté d'un acier nitruré et d'un acier à haute résistance et basse teneur obtenu par ce procédé; Fig 3 a et 3 b constituent une illustration schéma- tique des observations concernant l'influence de la pression sur une décharge luminescente; Fig 4 montre un exemple des résultats de la mesure de la diffraction des rayons X de pièces nitrurées par plasma au moyen du nouveau procédé. L'appareil utilisé pour les expériences est repré- senté schématiquement à la fig 1 Ia chambre à vide 1 o le traitement est effectué est mise sous vide en uti- lisant les pompes 2 La pièce 3 est reliée à l'anode 5, par exemple à l'aide d'un boulon 4 La cathode est isolée des parois de la chambre par une bague de presse-étoupe isolante 6 La cathode est également séparée de l'environ- nement par un couvercle anti-étincelles 7 Ia cathode est polarisée négativement jusqu'à une tension de 4 k V par l'intermédiaire d'un fil conducteur 8 et à partir d'une source de puissance 9 Les parois de la chambre sont re- liées à une anode par un fil conducteur 10 Ie tempéra- ture de la pièce est suivie en utilisant un thermo-couple 11 et l'unité de mesure 12 est montée dans un couvercle séparé 7 isolé de l'environnement Ie cathode est entou- rée par un écran 13 limitant la décharge autour de la pièce 3 Le mélange gazeux 14 correctement mélangé est introduit dans la chambre, à l'intérieur de laquelle la pression est réglée L'intensité de la décharge lumi- nescente peut 8 tre améliorée, si on le désire, par un filament chauffant 15 qui est relié à une source de puis- sance 17, en utilisant des passages 16 La polarisation négative du filament peut tre réglée au moyen du cir- cuit 18 et d'une source de puissance 19 jusqu'à une puissance de 200 V La chambre à vide 1 est reliée en tant qu'anode à la source de puissance 19. la répartition de la dureté d'un acier nitruré et d'un acier à haute résistance et basse teneur obtenu par ce procédé de nitruration est indiquée aux fig 2 a et 2 b Les pressions de l'azote utilisé dans ces expe- riences ont été modifiées entre V et 74 C: et la température a été réglée en changeant la pression, la tension ou la puissance envoyée par le filament Ie répartition de la dureté montre que les profondeurs des zones de diffusion sont suffisantes en dépit des basses températures et des courtes durées du traitement ( 5 heu- res pour ces expériences) Si on le souhaite, la profon- deur de la zone de diffusion peut naturellement tre augmentée en augmentant la durée du traitement. Une illustration schématique des observations con- cernant l'influence de la pression sur une décharge lu- minescente est représentée aux fig 3 a et 3 b Quand la pression monte, une luminescence négative 22 (Fig 3 b) 13660 apparaît autour de la pièce en plus de la luminescence cathodique Quand on compare la luminescence négative du. procédé de l'invention (Fig 5 a) à celle d'une nitruration par plasma classique (eigb), on peu Rt voir que la nature de la luminescence change ie façon marquée quand la pres- sion diminue La luminescence n Sgativî/apparaissawt au cours d'un procédé de nitruration par plasma clasiqule n'existe pas dans le procédé de la présento Leention La fig 4 montre un exemiple des résultats de la me- sure de la diffraction de-s X de pièces nitrurée par plasma au moyen du nouveau p 7 océd 6 Quand on compare les courbes de diffraction dat spécimen nitruré à celles d'un spécimen non traité, on petit constater qu'il y a eu formation, au cours de la nisruration, des nitrures -2 (Fe 4 N) et (Fe 3-_ 2) On peut modifier la composition et l'épaisseur de la couche composée en modifiant les variables du procédé (mélange de gaz utilisé, pression, durée du traitement, etc). On a décrit ci-dessus un nouveau procédé de nitru- ration par plasma à des pressions bien inférieures à celles utilisées précédemment Du fait du bombardement ionique plus prononcé à des pressions plus basses, les durées du traitement sont courtes et le risque de forma- tion d'arc diminue par comparaison à la nitruration par plasma classique La nature de la décharge luminescente change également de la façon attendue du fait de la pression basse Ceci peut être vérifié par la dispari- tion de la luminescence négative Le procédé peut tre également facilement combiné au placage ionique ou à la pulvérisation par exemple, de manière à créer un re- vêtement dur et résistant à l'usure sur la couche de diffusion d'azote durcie. REVENDICATEIONS 1. Procédé de nitruration de matériaux à l'aide d'une décharge luminescente d'azote ou d'un mélange de gaz contenant de l'azote, caractérisé en ce que la pres- sion est comprise entre 0,13 et 133 Pa. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé est utilisé en liaison avec le placage ionique ou un autre procédé de revêtement com- parable et favorisé par un plasma, précédant ou suivant un tel traitement. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du courant ionique envoyé à la pièce est contrôlée par un filament chaud séparé et polarisé négativement.