Brevet FR2899242A1 — publié le 20071005

Procédé de durcissement par implantation d'ions d'hélium dans une pièce métallique . Domaine de l'invention L'invention a pour objet un procédé de durcissement superficiel d'une pièce métallique à partir d'un faisceau d'ions d'hélium émis par une source d'ions. L'invention trouve des applications par exemple dans le domaine de la l'orfèvrerie ou de l'horlogerie où il est nécessaire de traiter des pièces en alliage d'or pour durcir la surface et empêcher ainsi l'apparition de rayures. Etat de la technique L'or 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. 30 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 sa25 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.25 Exposé de l'invention 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 procédé d'implantation d'ions d'hélium, dans une pièce métallique pour améliorer la dureté superficielle de cette dernière. II est visé par la présente invention de proposer un procédé qui permette un traitement en profondeur du métal, typiquement sur une épaisseur de l'ordre de 0 à 3 pm, et dont la mise en oeuvre ne provoque pas une altération des caractéristiques mécaniques de la pièce à traiter. Il est visé par la présente invention de proposer un procédé qui conserve la couleur d'origine de l'alliage. Il est également visé par la présente invention de proposer un procédé 15 qui ne nécessite pas des temps de traitement qui soient longs. Il est enfin visé par la présente invention de proposer un procédé 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. 20 La démarche inventive de la présente invention consiste à proposer de réaliser à basse température, plus précisément à une température inférieure à celle du recuit du métal, le traitement d'une pièce métallique par implantation simultanée d'ions d'hélium multi-énergies. Ces derniers sont obtenus en extrayant avec une même et unique tension d'extraction des ions 25 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 30 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 procédé permet de traiter une pièce sans altérer ses propriétés mécaniques obtenues par écrouissage, sa température d'application étant 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 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 celle du recuit du métal, l'implantation des ions du faisceau d'implantation étant effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source. Le procédé de l'invention propose d'utiliser des ions d'hélium multiénergies He+ et He2+, produits par la source d'ions RCE à l'intérieur de laquelle l'hélium a été préalablement introduit et d'implanter les ions produits simultanément dans la pièce métallique. Les ions d'hélium bousculent sur leur passage les atomes ordonnés de la structure cristalline, ce qui a pour effet de créer efficacement un chaos à l'échelle atomique. Ce chaos composé de lacunes, d'interstitiels, de dislocations, s'apparente à un écrouissage de nature atomique qui porte le nom d'amorphisation. Ce durcissement structurel disparaît lorsqu'on dépasse la température de recuit de l'alliage métallique.30 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. On ne doit pas dépasser une concentration limite d'hélium au-delà de laquelle des bulles d'hélium se forment dans le métal, provoquant 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. 15 Ces profondeurs dépendent des énergies d'implantation des ions du faisceau d'implantation ; elles peuvent varier de 0 à environ 2 pm 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 20 acier 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 : o Pour la même énergie ils ont un parcours d'implantation 25 supérieur à ceux des autres types d'ions, mis à part l'hydrogène. o Une fois implantés, ils restent inertes chimiquement. Ils ne réagissent pas avec les différents types d'ions constituant le métal. 30 Le dispositif de traitement 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. Selon une forme préférée 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 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 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 15 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 20 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 25 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 30 métalliques. par implantation ionique mettant en oeuvre 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 oeuvre 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. 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. 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. Il 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. Brève description des dessins La figure 1 représente un diagramme fonctionnel du dispositif d'implantation. La figure 2 représente des exemples de distribution d'implantation, dans de l'or, par une source à résonance cyclotronique électronique produisant des ions He+, He2 avec une même tension d'extraction de 200 KV. La figure 3 représente le profil d'implantation obtenu avec un faisceau de He+(4 mA), He2+(4 mA) une tension d'extraction de 200 KV, concentré sur une surface de 1 cm2 pendant 2 secondes. Ce profil représente en ordonnée la concentration atomique d'hélium implanté dans l'or (%) 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 He+(2 mA), He2+(6 mA), une tension d'extraction de 200 KV, concentré sur une surface de 1 cm2 pendant 2 secondes. La figure 5 représente le profil de dureté mesuré après avoir implanté une dose de 2*1016 ions d'hélium/cm2 dans de l'or sous une tension d'extraction de 35 KV. L'axe des abscisse correspond à la profondeur exprimée en nm et l'axe des ordonnées à la dureté exprimée en GPa. On constate un accroissement d'un facteur 4 entre la dureté originale estimée à environ 2,5 GPa et la dureté maximale estimée à environ 10 GPa. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention 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 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 15 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 20 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 25 une forme choisie, par exemple cylindrique, avec un rayon choisi. - un profileur 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. 30 - 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 5 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 un postprocesseur 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 15 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 20 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 les valeurs du rayon du faisceau d'ions, son débit et toutes autres valeurs 25 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 : 30 - 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 fi', 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. 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, par exemple, 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 pm +/- 0.14 pm. Les ions He2+ atteignent une profondeur d'environ 0,71 pm +/- 0,19 pm. La distance maximale atteinte par des ions dans cet exemple est d'environ 2 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 simultanément des ions multi-énergies avec la même tension d'extraction. Il est ainsi possible d'obtenir simultanément sur toute l'épaisseur traitée un profil d'implantation plus ou moins bien réparti. On a intérêt et autant que cela se peut, à régler la source de manière à avoir un profil d'implantation plat. On garantit ainsi un effet d'amorphisation 10 optimal sur une large épaisseur. Par exemple, en reprenant l'exemple précédent, si l'on considère une source RCE délivrant 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 15 comporte un plateau constant de 1,6% dans une épaisseur comprise entre 0.4 pm et 0,8 pm. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement par hélium d'une pièce métallique (5) caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre au moins une zone de la pièce métallique (5) à un faisceau d'ions d'hélium émis par une source à résonance cyclotronique électronique (RCE). 2. Procédé de traitement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on fait varier l'énergie d'implantation du faisceau d'ions en fonction de 10 l'épaisseur à traiter de la zone de la pièce métallique (5). 3. Procédé de traitement selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la pièce métallique est traitée localement, zone par zone, de façon à obtenir des duretés identiques ou différentes entre zones. 4. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'hélium est constitué d'ions mono et multichargés. 5. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'hélium se déplace de façon relative par rapport à la pièce métallique, à une vitesse constante ou à 20 une vitesse variable tenant compte d'un angle d'incidence du faisceau d'ions par rapport à une surface de la pièce métallique. 6. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'hélium est émis avec un débit et une énergie d'émission constants. 25 7. Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau d'ions d'hélium est émis avec un débit et une énergie d'émission variables, commandés par la source d'ions. 8. Pièce métallique (5) comprenant au moins une zone traitée par implantation d'ions d'hélium émis par une source à résonance cyclotronique 30 électronique (RCE) sur une profondeur comprise entre 0 et 3 pm.