Brevet FR2948039A1 — publié le 20110121

PROCEDE POUR LA TEXTURATION DE REVETEMENTS TYPE DLC, ET REVETEMENTS TYPE DLC AINSI TEXTURES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention vise en premier lieu un procédé particulier permettant de modifier et notamment de texturer un revêtement de surface, type DLC, pour l'acronyme anglo-saxon � Diamond Like Carbon �. 10 De tels revêtements ou films sont aujourd'hui bien connus et sont typiquement constitués d'un film de carbone amorphe hydrogéné, dont les propriétés de haute dureté, de faible coefficient de frottement, d'adhérence d'isolation électrique et d'inertie chimique sont mises en oeuvre, notamment pour des applications tribologiques. 15 Sous le vocable � type DLC �, on entend principalement un matériau dit carbone amorphe hydrogéné noté a-C:H ; sachant que le DLC est bien défini dans la littérature (J. Robertson, Materials Science and Engineering R(27), 2002, 129-281.) Nonobstant les qualités de faible coefficient de frottement des revêtements DLC connus 20 à ce jour, on cherche à optimiser de telles qualités pour des applications particulières. C'est l'objet de la présente invention. EXPOSE DE L'INVENTION 25 L'invention vise un procédé de texturation de revêtements type DLC qui consiste : - à déposer une monocouche de billes ou sphères sur la surface libre ou supérieure du revêtement DLC, - à réaliser une gravure sèche du revêtement DLC par plasma oxygène, 30 - et enfin, à nettoyer la surface dudit revêtement par élimination des billes ou sphères. En d'autres termes, l'invention consiste à réaliser la texturation d'un revêtement DLC par un procédé simple, se limitant à la mise en oeuvre de trois étapes, en s'affranchissant des techniques classiques de gravure type lithographie. 355 Ce faisant, le procédé de l'invention permet de limiter les dommages éventuels susceptibles d'affecter le revêtement DLC que les procédés de gravure par ablation laser par exemple sont susceptibles de générer avec, à la clé, une dégradation des propriétés dudit revêtement. L'invention est en particulier bien adaptée au traitement de surface de revêtements DLC de pièces mécaniques moteur présentant des reliefs, c'est à dire non planes, en particulier de celles ayant une géométrie en 3D. 10 Selon l'invention, on entend par DLC un matériau carbone amorphe hydrogéné noté a-C:H Selon l'invention, le dépôt de la monocouche de billes ou sphères peut être réalisé par la technique dite de �Langmuir-Blodgett �. Cette technique, aujourd'hui bien maîtrisée, 15 permet le transfert d'une monocouche de nano ou micro particules d'un bain liquide vers la surface d'un substrat. Ce faisant, il est possible, avec cette technique, de déposer des billes ou sphères de nature différente, notamment réalisées en silice ou en polymères, notamment de type 20 latex ou polystyrène, lesdites billes ou sphères étant susceptibles de présenter un diamètre compris entre 100 nanomètres et plus de 10 micromètres. Cette technique est connue pour permettre l'obtention d'une monocouche de billes ou sphères uniforme, avec un taux d'organisation élevé. 25 Alternativement, le dépôt de la monocouche des billes ou sphères peut être réalisé par la technologie dite de � clip coating � également connue sous le nom de trempage/retrait. Cette technologie sera préférée lorsque l'on souhaite texturer des surfaces importantes ou des géométries tridimensionnelles. 30 De surcroit, le bain liquide peut contenir outre le solvant de dispersion des billes ou sphères, un tensio-actif, par exemple le triton X-100�. Selon l'invention, la gravure sèche du revêtement DLC est réalisée par chimie sélective, notamment sous plasma oxygène, permettant une attaque préférentielle du revêtement 35 DLC en lieu et place du matériau constitutif des billes ou sphères, typiquement la silice. Alternativement, les billes peuvent être composées de polymère de type Latex ou polystyrène. 20 25 Selon l'invention, le nettoyage de la surface du revêtement DLC, après gravure, peut être réalisé dans un bain d'éthanol permettant d'éliminer lesdites billes ou sphères. Par élimination, on entend l'évacuation des billes de la surface. En raison du traitement opéré, la texturation réalisée à la surface du revêtement DLC se caractérise par la présence d'ouvertures ou de cavités de dimensions variables, la taille desdites cavités étant conditionnée par la taille des billes utilisées. Eventuellement, les cavités peuvent être communicantes entre elles. Selon l'invention, ce taux d'ouverture, c'est-à-dire le nombre d'ouvertures par unité de surface, peut être augmenté en réalisant une étape intermédiaire de gravure sous plasma SF6 + CHF3, préalablement à la gravure sous plasma d'oxygène. L'invention vise également les pièces mécaniques d'usure ou de frottement présentant 15 un revêtement de surface type DLC, texturé selon le procédé de l'invention. Ainsi, le revêtement de ces pièces mécaniques peut présenter un taux d'ouverture, c'est-à-dire le nombre d'ouvertures ou de cavités par unité de surface dudit revêtement supérieur à 10%. En outre, partie au moins des ouvertures ou cavités présentes à la surface du revêtement type DLC sont communicantes, de telle sorte à favoriser la circulation d'un lubrifiant. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées parmi lesquelles : 30 La figure 1 est une représentation schématique en vue latérale d'un substrat revêtu d'un revêtement DLC et de la monocouche de billes ou sphères conformément au procédé de l'invention. La figure 2 est une vue analogue à la figure 1, obtenue consécutivement à l'étape de gravure. 35 La figure 3 est une vue de la surface du revêtement après nettoyage, c'est-à-dire après enlèvement de la couche de billes ou sphères, dont la figure 4 est une vue de dessus. 5 25 Les figures 5 et 6 sont des graphes illustrant la variation du coefficient de frottement en fonction de la distance parcourue par une bille en acier au sein d'un dispositif tribométrique de type � ball-on-disk �, respectivement pour un revêtement DLC non texturé et pour un revêtement texturé conformément à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Selon l'invention, la première étape du procédé consiste donc à déposer une monocouche (4) de billes ou sphères à la surface d'un revêtement DLC (1). Celui-ci est 10 classiquement déposé sur un substrat (3), préalablement revêtu d'une couche d'accroche (2) qui peut être par exemple en carbure de silicium hydrogénée. A cet effet, on peut utiliser un équipement de la société NANOMETRIX adapté à la technique � Langmuir-Blodgett �. On utilise à cet effet des billes réalisées en silice, présentant un diamètre d'un micromètre avec dispersion d'environ 10 %, lesdites billes étant mises en solution dans un solvant avantageusement constitué de butanol. 20 Alternativement, on peut utiliser un mélange d'eau et d'éthanol. La condition requise est de disposer d'une mouillabilité suffisante du DLC par le solvant contenant les billes. La solution utilisée présente une concentration en billes de l'ordre de 37,5 g/1. Cette concentration doit être en général comprise entre 30 et 50 g/1. Une fois le dépôt de billes effectué, l'évaporation du solvant sous air permet de figer la structure auto-organisée des billes en surface du revêtement. On procède alors à la seconde étape du procédé de l'invention qui concerne la gravure 30 plasma de la couche de revêtement DLC. Cette gravure est réalisée selon la technique RIE � Reactive Ion Etching � avec les paramètres suivants : Nature du gaz : Oxygène Debit 80 sccm Puissance 10 W 35 Pression 3 Pa Tension 320 V. La mise en oeuvre de cette gravure sous ces conditions permet de disposer d'une vitesse de gravure de la couche de DLC de l'ordre de 0,53 nm/s. La mise en oeuvre d'un tel plasma sous oxygène permet d'obtenir une sélectivité très importante, typiquement dans un rapport de 22 à 1 entre le revêtement DLC et de la silice constitutive des billes. Ce faisant, ledit revêtement DLC est très préférentiellement attaqué par le plasma en lieu et place des billes, ces dernières faisant en quelque sorte fonction de masque. Il se crée de la sorte des cavités (5) s'étendant depuis la surface supérieure (6) du revêtement DLC. On procède alors au nettoyage de la surface du revêtement DLC après gravure. Ce nettoyage consiste à retirer la monocouche de billes. Ce retrait est typiquement obtenu par trempage de l'ensemble après gravure dans un bain d'éthanol pendant quinze minutes et soumission aux ultrasons. Alternativement aux ultrasons, on peut employer toute technique mécanique douce (frottement, balayage, etc...), visant à décrocher les billes du revêtement. On obtient ainsi un revêtement du type illustré aux figures 3 et 4. On observe notamment la réalisation de motifs de gravure (5) présentant des dimensions variables, 20 la taille desdits motifs ou cavités étant conditionnée par la taille des billes utilisées. On relève que si l'on considère un empilement compact, c'est-à-dire au maximum de l'auto-organisation possible des billes ou sphères en surface du revêtement, le volume V d'une cavité est donné par la relation suivante : 25 V = O 2 N2d expression dans laquelle : - r désigne le rayon d'une bille - et d est la profondeur de la cavité. 30 On observe que quelle que soit la taille des billes utilisées, un empilement compact aboutit à un taux d'ouverture voisin de 10 %, la taille des billes conditionnant alors uniquement la taille des cavités ou ouvertures. Cependant, ce taux peut être augmenté en réalisant une étape de gravure intermédiaire, 35 sous plasma SF6 + CHF3, ce qui permet alors de diminuer la taille des billes. Ladite étape intermédiaire permet de graver cette fois ci sélectivement les billes de silice versus le revêtement type DLC. Le diamètre moyen des billes se trouve alors réduit mais l'auto-organisation perdure, le plasma SF6+CHF3 n'étant pas de nature à modifier l'organisation des billes entre elles, ces dernières restent positionnées au même endroit qu'à l'issue de l'étape de dépôt de la monocouche. Ainsi, en réduisant le diamètre des billes de 500 nm à 400 nm, le taux d'ouverture du motif est augmenté de 10 à 42 %. l0 Ce faisant, préalablement à la gravure sèche du revêtement DLC, il peut-être réalisée une gravure contrôlée des billes ou sphères, par chimie sélective, notamment sous plasma SF6 + CHF3. Il devient alors possible d'ajuster les dimensions des motifs ou des cavités à la surface 15 du revêtement DLC en fonction de la géométrie et de la taille du contact étudié, et ainsi de moduler les propriétés tribologiques du revêtement. En particulier, cette étape de gravure supplémentaire permet la création de cavités totalement communicantes, permettant de faire circuler un fluide d'intérêt, par exemple 20 un lubrifiant, lors de l'utilisation d'une pièce à usage mécanique pourvue d'un tel revêtement. Ledit lubrifiant n'est plus alors cantonné aux cavités discrètes, ce qui assure une meilleure répartition du lubrifiant sur l'ensemble de la pièce et en particulier là où les sollicitations mécaniques du type frottement sont subies. 25 Les essais réalisés montrent que la texturation du revêtement DLC ne présente pas de direction privilégiée, de sorte que les motifs obtenus ne conditionnent pas la direction du frottement, contrairement aux procédés de texturation obtenus par des techniques antérieures qui génèrent des motifs réguliers et directionnels. 30 Des essais de tribologie ont été réalisés sur les revêtements obtenus conformément à l'invention au moyen d'un tribomètre de type � ball-on-disk � fourni par la société CSM utilisant une bille en acier 1000r6. On obtient les résultats visés aux figures 5 et 6 avec les paramètres d'utilisation 35 suivants : - pression de Hertz 1,1 GPa - vitesse de rotation 5,5 cm/s - distance parcourue 5780 m - lubrifiant moteur 8mL (huile standard) On observe ainsi, sur les graphes des figures 5 et 6, l'évolution du coefficient de frottement en fonction de la distance parcourue par la bille, respectivement pour un revêtement DLC non texturé (figure 5), et pour un revêtement DLC texturé conformément à l'invention (figure 6) à partir d'un masquage réalisé avec des billes en silice de diamètre 1pm et une profondeur de gravure du revêtement DLC de l'ordre de 300 nm. On relève ainsi que le coefficient de frottement est de l'ordre de 0,07 pour un revêtement DLC non texturé, alors qu'il se situe aux alentours de 0,035 pour le DLC 15 texturé, soulignant de la sorte l'optimisation des propriétés tribologiques. L'invention concerne également l'utilisation du procédé défini précédemment pour la réalisation de pièces mécaniques soumises à une usure ou un frottement par friction. En particulier, ce procédé simple à mettre en oeuvre est immédiatement accessible pour des 20 pièces à géométrie complexe. REVENDICATIONS1. Procédé de texturation d'un revêtement DLC qui consiste : - à déposer une monocouche de billes ou sphères sur la surface libre du 5 revêtement DLC, - à réaliser une gravure sèche du revêtement DLC par plasma oxygène, - et enfin, à nettoyer la surface dudit revêtement par élimination des billes ou sphères. 10 2. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de la monocouche de billes ou sphères est réalisé par la technique de �Langmuir-Blodgett �. 3. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le dépôt de la monocouche de billes ou sphères est réalisé par la technologie de � clip coating � ou trempage/retrait. 4. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que préalablement à la gravure sèche du revêtement DLC, il est 20 réalisée une gravure contrôlée des billes ou sphères, par chimie sélective, notamment sous plasma SF6 + CHF3. 5. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le nettoyage de la surface du revêtement DLC, après 25 gravure, est réalisé par trempage dans un bain d'éthanol permettant d'éliminer lesdites billes ou sphères. 6. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bain d'éthanol est en outre soumis à des ultrasons. 7. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les billes ou sphères sont réalisées en silice ou en polymères notamment de type Latex ou polystyrène. 30 8. Procédé de texturation d'un revêtement DLC selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le diamètre des billes ou sphères est compris entre 100 nanomètres et 10 micromètres. 9. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour la réalisation de pièces mécaniques soumises à une usure ou un frottement par friction. 10. Pièce mécanique d'usure ou de frottement présentant un revêtement de surface type DLC texturé selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 8, présentant un taux d'ouverture, c'est-à-dire le nombre d'ouvertures ou de cavités par unité de surface supérieur à 10%. 11. Pièce mécanique d'usure ou de frottement selon la revendication 10, caractérisée 15 en ce que partie au moins des ouvertures ou cavités présentes à la surface du revêtement type DLC sont communicantes.