EP1725694A2 - Dispositif et procede d' implantation ionique d'une piece en alliage d'aluminium - Google Patents

Dispositif et procede d' implantation ionique d'une piece en alliage d'aluminium

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Publication number
EP1725694A2
EP1725694A2 EP05717536A EP05717536A EP1725694A2 EP 1725694 A2 EP1725694 A2 EP 1725694A2 EP 05717536 A EP05717536 A EP 05717536A EP 05717536 A EP05717536 A EP 05717536A EP 1725694 A2 EP1725694 A2 EP 1725694A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ions
source
implantation
energy
ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05717536A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric GUERNALEC
Denis Busardo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ionics France SA
Original Assignee
Quertech Ingenierie SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR0401047A external-priority patent/FR2876390A1/fr
Priority claimed from FR0401749A external-priority patent/FR2876391B1/fr
Application filed by Quertech Ingenierie SA filed Critical Quertech Ingenierie SA
Publication of EP1725694A2 publication Critical patent/EP1725694A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation

Definitions

  • the subject of the invention is a device for nitriding by ion implantation of an aluminum alloy part from a beam of nitrogen ions emitted by an ion source.
  • the invention also relates to a process for nitriding an aluminum alloy part using such a device.
  • the invention finds applications for example in the field of plastics processing where it is necessary to treat the parts made of aluminum alloy which are used as mass production molds for plastic parts.
  • the aluminum alloy has the advantage of having excellent machinability, that is to say of allowing machining at high speed.
  • the aluminum alloy also has a high heat exchange capacity, which results in faster cooling of the plastic part, as well as great lightness, therefore easier handling.
  • the aluminum alloy has, at equal volume, a cost substantially comparable to that of steel.
  • a general problem to be solved in the field resides in the fact that the aluminum alloy molds have a mechanical resistance limited in time, hence a low production capacity compared to those made of steel.
  • the number of plastic parts produced in an aluminum alloy mold is typically of the order of 1000 units.
  • a particular problem to be solved in the field of aluminum alloy molds lies in the fact that the phenomena of erosion of the molding surface, matting of the joint surface or of corrosion appear more quickly than on the molds. in steel.
  • Manufacturers of aluminum alloy injection molds seek to solve these problems by improving the surface mechanical strength of these molds. For this, they seek to increase the resistance to wear by increasing the surface hardness and lubrication (reduction of the coefficient of friction) and by reinforcing the resistance to corrosion, essentially due to chlorine attacks.
  • Different processes, chemical or physicochemical, are known to improve the mechanical strength of aluminum alloy molds. Among the chemical processes, there is known that which consists of anodization of the aluminum alloy mold.
  • Anodization is an electrolytic process allowing the natural layer of alumina (Al 2 0 3 ) to be thickened to thicknesses of the order of 20 microns.
  • This layer of alumina is hard but very brittle (a tenacity substantially identical to that of In addition, it offers a high coefficient of thermal expansion and exhibits sensitivity to chlorine attack, resulting in great fragility with regard to thermal fatigue and corrosion.
  • Another chemical process is hard chromium plating. This process is an electrolytic treatment of aluminum alloy molds which allows them to harden. However, this method poses problems of uniformity of thickness on the edges of the molds.
  • spotting creation of micro roughness of hooked from 7 to 8 microns
  • Another chemical process is nickel plating. This process consists of a uniform deposit of a layer of nickel impregnated with Teflon to lubricate the surface.
  • Teflon requires maintaining the mold for several hours at a temperature of 250 ° C, fatal to the mechanical properties of aluminum alloys. Without Teflon, therefore without lubrication, the nickel layer in turn presents risks of delamination.
  • Another chemical process is the vapor deposition of chromium nitride.
  • thermal nitriding This consists of cementing a metal part with nitrogen to obtain high surface hardness. Generally, this nitriding is carried out thermally, that is to say that the metal part to be treated is heated to a temperature above 500 ° C. in a stream of ammonia gas. At this temperature, the ammonia gas dissolves and diffuses into the alloy, forming nitrides.
  • nitriding aluminum parts intended for use in the electronic field.
  • the aim sought by these methods is to carry out a surface treatment of the aluminum surface to deposit a thin layer of nitride or aluminum oxide which has advantageous characteristics from an electronic point of view, and in particular characteristics good acoustic insulation and good thermal conductor, in order to preserve the electronic properties of the aluminum part.
  • EP 1 288 329 CCR GmbH Be Anlagenungs-techno
  • US 4 698233 Iwaki Masaya et al
  • an RCE source has two main characteristics: - a magnetic field which confines the ions in a defined volume located inside the source, and called the plasma chamber, and - a high frequency wave released at the inside the source and intended to heat the electrons which can then be ionized.
  • the source chamber contains a hot plasma, consisting of a mixture of magnetically confined ions and electrons.
  • the ions can be extracted from the chamber through an orifice and then be accelerated.
  • gaseous ions oxygen, nitrogen, neon etc.
  • the gas chosen is introduced into the source in an amount sufficient to reach the intensity of the ion beam required.
  • the object of the invention is to remedy the drawbacks and problems of the techniques described above. It is in particular targeted by the present invention to provide an ion implantation device, in particular of nitrogen ions, in an aluminum alloy part to improve the mechanical strength of the latter. It is also the object of the present invention to provide such a device which allows in-depth treatment of the aluminum alloy, typically over a thickness of the order of 0 to 3 ⁇ m, and the implementation of which does not cause an alteration of the mechanical characteristics of the part to be treated, authorizing its use after treatment without taking up the part. It is also the object of the present invention to provide such a device allowing treatment of specific areas of the aluminum alloy part. It is also the object of the present invention to provide such a device which does not require long processing times.
  • the inventive step of the present invention consisted in proposing to carry out at low temperature, more precisely at a temperature below 120 ° C., the treatment of an aluminum alloy part by simultaneous implantation of multi-energy ions.
  • the latter are obtained by extracting with the same single extraction voltage mono- and multi-charged ions created in the plasma chamber from an ion source with electronic cyclotron resonance (RCE source).
  • RCE source electronic cyclotron resonance
  • Each ion produced by said source has an energy which is proportional to its state of charge. It follows that the ions with the highest state of charge, and therefore of the highest energy, are implanted in the alloy part at greater depths.
  • the device for implanting ions in an aluminum alloy part comprises a source delivering ions accelerated by an extraction voltage and first means for adjusting an initial beam of ions emitted by said source into a beam implantation.
  • such a device is mainly recognizable in that said source is an electron cyclotron resonance source producing multi-energy ions which are implanted in the room at a temperature below 120 ° C., the implantation of the ions of the implantation beam being performed simultaneously at a depth controlled by the source extraction voltage.
  • the method of the invention proposes to use multi-energy nitrogen ions produced by the RCE ion source inside which nitrogen has been previously introduced and to implant the produced ions simultaneously in the aluminum alloy part, which generates microcrystals of aluminum nitride inducing in turn an increase in hardness.
  • the simultaneous implantation of these nitrogen ions can be done at variable depths, depending on the needs and the shape of the part.
  • the successive implantation by state of charge of increasing order gives a profile of wide thickness but of low concentration.
  • the successive implantation by state of charge in decreasing order gives a profile of narrow thickness but of high concentration.
  • Simultaneous implantation is a compromise between the two previous types of implantation, a profile of average thickness and average concentration is obtained. It is costly in terms of time to implant ions successively in ascending and descending order.
  • the method of the invention recommends the simultaneous implantation of multi-energy ions with a multi-energy beam and is therefore both technically advantageous and optimal in terms of the physical compromise obtained (balanced concentration profile).
  • the increase in the hardness of aluminum is linked to the concentration of implanted nitrogen ions. For example, for 10% of implanted ions, the hardness of the part is locally increased by a ratio of 200%. In the case of aluminum, a hardness increased by 200% corresponds approximately to a hardness intermediate between that of titanium and that of steel.
  • the hardness of the part increases by a ratio of 300%.
  • a hardness increased by 300% corresponds to a hardness equal to or even greater than that of steel.
  • the method of the invention has a very advantageous advantage compared to the implantation carried out with a beam of single-energy nitrogen ions: for the same concentration of implanted ions, in fact, it is observed with an ion beam multi-energy nitrogen increased additional hardness.
  • We measured for an implanted ion concentration of 25% an increase in hardness of 60% in favor of implantation with a multi-energy beam compared to an implantation with a mono-energy beam.
  • Multi-energy beams are particularly suitable for mechanical applications while single-energy beams are more specifically adapted to electronic applications for which the creation of faults by cascades and collisions tends to degrade the electrical properties of aluminum nitride (in particular its very high electrical resistance).
  • the process of the invention makes it possible to obtain molds having a surface hardness close to that of steel, while retaining the massive mechanical properties of the alloy. aluminum.
  • the process of the invention also makes it possible to improve the anti-corrosion characteristic of these aluminum alloy molds.
  • the production capacity of an aluminum alloy mold, treated with the nitriding process by simultaneous implantation of ions of the invention is very greatly increased compared to a conventional aluminum alloy mold.
  • the device of the present invention also advantageously comprises second means for adjusting the relative position of the part and of the ion source. It will be understood that a relative displacement between the ion source and the part is implemented in order to be able to treat the latter zone by zone.
  • the second adjustment means advantageously comprise a workpiece holder which is movable to move the part during its treatment.
  • the ion source which is displaced relative to the part to be treated; this latter embodiment can be implemented when the part to be treated is very large.
  • the workpiece holder is preferably equipped with cooling means to dissipate the heat produced in the room during the implantation of the multi-energy ions.
  • the first means of adjusting the ion beam incidentally include a mass spectrometer for sorting the ions produced by the source according to their charge and their mass.
  • the first means for adjusting the initial ion beam further comprise optical focusing means, a profiler, an intensity transformer and a shutter.
  • the device is advantageously confined in an enclosure equipped with a vacuum pump.
  • the second means for adjusting the relative position of the 1 piece and of the ion source advantageously comprise means for calculating this position from information relating to the nature of the ion beam, to the geometry of the piece.
  • this process is mainly recognizable in that the multi-energy ion beam moves relatively relative to the workpiece at a constant speed.
  • this process is mainly recognizable in that the multi-energy ion beam is displaced relatively by relative to the part at a variable speed taking into account the angle of incidence of the multi-energy ion beam relative to the surface of the part.
  • the relative speed of movement between these two elements can be constant or variable depending on the angle of incidence of the beam relative to the surface, at least during the treatment time of the part area.
  • the speed management can be different for each area to be treated in the room. The speed depends on the beam flow, the concentration profile of the implanted ions and the number of passes. The speed can vary depending on the angle of incidence of the beam relative to the surface, to compensate for the weakness of the implantation depth by an increase in the number of implanted ions.
  • the multi-energy ion beam is emitted with a flow rate and emission energies which are either constant or variable and controlled by the ion source.
  • the method of the invention makes it possible to act on the penetration depths of the multi-energy ions in the room.
  • These penetration depths which are staggered in the thickness treated, vary according to the different entry energies of the ions at the surface of the part.
  • the ion source delivers ions with varying emission energies; in this case, the ion source is controlled so as to vary the energies of the incident ions by varying the extraction voltage during each treatment.
  • the implantation of nitrogen ions in the crystal structure of the part to be treated has the effect of creating microcrystals of aluminum nitride (of cubic structure faces centered for low concentrations of nitrogen to compact hexagonal for high concentrations of nitrogen) extremely hard which block the planes of sliding of the dislocations at the origin of the deformations of the material.
  • the fact of implanting nitrogen ions in the part to be treated makes it possible to increase the surface hardness of the part and thus to make it very resistant to wear.
  • the nitrogen present in the aluminum has the effect, since it is a base, of reducing the acidity existing in the pits initiated by the ions. chlorides from molded plastics.
  • the method of the invention makes it possible, by the surface spraying phenomenon induced by the passage of incident ions, to erase the microroughness of the part, thereby reducing the appearance of pits which generally form in favor of the crevices of the area. It follows from these provisions that the method of the invention makes it possible to effectively treat areas of the part whose geometry is complex, without however increasing either the duration of the treatment or the risks of overheating of the part.
  • FIG. 1 represents a functional diagram of the device of the invention.
  • FIG. 2 represents examples of layout distribution, in an aluminum part, by an electron cyclotron resonance source producing N +, N2 + and N3 + ions with the same extraction voltage of 200 KV.
  • FIG. 3 represents the implantation profile obtained with a beam of N + (3.3mA), N2 + (3.3mA), N3 + (3.3mA), an extraction voltage of 200 KV, concentrated on a surface of 1 cm 2 for 10 seconds. This profile represents on the ordinate the concentration (%) of nitrogen ions implanted as a function of the implantation depth expressed in Angstrom.
  • FIG. 3 represents the implantation profile obtained with a beam of N + (3.3mA), N2 + (3.3mA), N3 + (3.3mA), an extraction voltage of 200 KV, concentrated on a surface of 1 cm 2 for 10 seconds. This profile represents on the ordinate the concentration (%) of nitrogen ions implanted as a function of the implantation depth expressed in Angstrom.
  • FIG. 1 represents
  • a device according to the present invention is placed in an enclosure 3 placed under vacuum by means of a vacuum pump 2.
  • the purpose of this vacuum is to prevent the interception of the beam by residual gases and to avoid contamination of the workpiece surface by these same gases during implantation.
  • This device comprises an ion source 6 with electronic cyclotron resonance, known as the RCE source.
  • This RCE 6 source delivers an initial beam f1 ′ of multi-energy nitrogen ions for a total current of approximately 10 mA (all loads combined N +, N2 +, etc.), under an extraction voltage which may vary from 20 KV to 200 KV.
  • the RCE source 6 emits the ion beam f1 'in the direction of first adjustment means 7-11 which focus and adjust the initial beam fl' emitted by the RCE source 6 into an ion implantation beam f1 which strikes a part to be treated 5.
  • These first adjustment means 7-11 comprise, from the RCE source 6 towards the part 5, the following elements: - a mass spectrometer 7 able to filter the ions according to their charge and of their mass. This element is optional; indeed, in the case where a pure nitrogen gas (N2) is injected, it is possible to recover all of the mono and multi-charged nitrogen ions produced by the source in order to obtain an ion beam multi-energy nitrogen.
  • the mass spectrometer being a very expensive element, the cost of the device is greatly reduced by using a beam of multi-energy nitrogen ions obtained from pure nitrogen gas delivered in a bottle.
  • - Lenses 8 whose role is to give the initial beam fl 'of ions a chosen shape, for example cylindrical, with a chosen radius.
  • a profiler 9 whose role is to analyze the intensity of the beam in a perpendicular cutting plane. This analysis instrument becomes optional as soon as the lenses 8 are definitively adjusted during the first implantation.
  • an intensity transformer 10 which continuously measures the intensity of the initial beam f1 'without intercepting it.
  • the main function of this instrument is to detect any interruption in the initial beam f1 'and to allow the recording of variations in the intensity of the beam f 1 during processing.
  • a shutter 11 which can be a Faraday cage, whose role is to interrupt the trajectory of the ions at certain times, for example during a displacement without treatment of the part.
  • the workpiece 5 is movable relative to the RCE source 6.
  • the workpiece 5 is mounted on a movable workpiece holder 12 whose movement is controlled by a numerically controlled machine 4, itself controlled by a postprocessor calculated by a CAD / CAM system (computer-aided design and manufacturing) 1.
  • the movement of the part 5 takes into account the radius of the beam f1, the external and internal contours of the zones to be treated. the part 5, a constant speed of movement, or variable as a function of the angle of the beam f1 relative to the surface and a number of passes previously made.
  • Control information (infl) is transmitted from the RCE source
  • This control information relates to the state of the beam.
  • the RCE source 6 informs the machine 4 when the ion beam f1 is ready to be sent.
  • Other control information (inf2) is transmitted by the machine 4 to the shutter 11, to the RCE source 6 and, possibly, to one or more machines external to the device.
  • This control information can be the values of the radius of the ion beam, its flow rate and all other values known to the machine 4.
  • the workpiece holder 12 is equipped with a cooling circuit 13 for removing the heat produced in the workpiece 5 during the implantation of multi-energy ions.
  • the operation of the device of the invention is as follows: - the workpiece 5 is clamped on the workpiece holder 12, - the enclosure 3 housing the device is closed, - the cooling circuit 13 of the workpiece carrier 12, - the vacuum pump 2 is started up so as to obtain a high vacuum in the enclosure 3, - as soon as the vacuum conditions are reached, the beam is produced and adjusted f1 ' ion through adjustment means 7-11, - when the beam is adjusted, the shutter is lifted 11 and the numerically controlled machine 4 is launched which then performs the movement in position and speed of the part 5 in front of the beam in one or more passes, - when the required number of passes is reached, the shutter 11 is lowered to cut the beam fl, the production of the beam fl 'is stopped, the vacuum is broken by opening the enclosure 3 to 1 ambient air, the cooling circuit may be stopped 13 and the treated part 5 is taken out of the enclosure 3.
  • FIG. 2 represents an example of distribution of nitrogen ions N implanted in an aluminum piece.
  • the ion source delivers N +, N2 + and N3 + ions which are all extracted with a single extraction voltage, for example, of 200 KV.
  • N + ions emitted by the ion source have an energy of 200 KeV
  • the N2 + ions have an energy of 400 KeV
  • the N3 + ions have an energy of 600 KeV.
  • N + ions reach a depth of 0.37 ⁇ m +/- 0.075 ⁇ m.
  • the N2 + ions reach a depth of approximately 0.68 ⁇ m +/- 0.1 ⁇ m and the N3 + ions a depth of approximately 0.91 ⁇ m +/- 0.15 ⁇ m.
  • the maximum distance reached by ions in this example is 1.15 ⁇ m.
  • the specificity of an RCE 6 ion source lies in the fact that it delivers mono- and multi-charged ions, which makes it possible to simultaneously implant multi-energy ions with the same extraction voltage.
  • an implantation profile more or less well distributed. For example, if we consider an RCE source delivering a total current of 10 mA (3.3 mA for N +, 3.3mA for N2 +, 3.3mA for N3 +) with an extraction voltage of 200 KV, for a piece of aluminum of 1 cm 2 , for approximately 10 seconds, the implantation profile is approximately that shown in FIG. 3.
  • This profile reveals a concentration of: - 20% of N between 0.30 and 0.5 ⁇ m, which corresponds to an increase in the hardness of 300%, - 8% of N between 0.5 and 0.85 ⁇ m, which corresponds to an increase in hardness of 200%, and - 2% of N between 0.85 and 1.1 ⁇ m, which corresponds to an increase of hardness of 35 %.
  • An optimal distribution is obtained for the layout profile by adjusting the frequencies of source 6 so as to have a distribution equal distribution of the states of charge of the ions of the source (same number of ions N +, N2 +, N3 + per cm 2 and per second).
  • the implantation profile shown in FIG. 4 fluctuates between 6 and 14% over a thickness of between 0.25 ⁇ m 1.1 ⁇ m.
  • the physical effect in terms of hardness obtained by simultaneous implantation of multi-energy ions is greater than that obtained by implantation of single-energy ions.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif d'implantation d'ions dans une pièce en alliage d'aluminium (5) comportant une source d'ions (6) délivrant des ions accélérés par une tension d'extraction et des premiers moyens de réglage (7-11) d'un faisceau initial (f1') d'ions émis par ladite source (6) en un faisceau d'implantation (f1). Ladite source (6) est une source à résonance cyclotronique électronique produisant le faisceau initial (f1') d'ions multi-énergies qui sont implantés dans la pièce (5) à une température inférieure à 120 °C. L'implantation de ces ions multi-énergies du faisceau d'implantation (f1) réglé par l'intermédiaire des dits moyens de réglage (7-11) est effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source.

Description

Dispositif de nitruration par implantation ionique d'une pièce en alliage d'aluminium et procédé mettant en œuvre un tel dispositif.
Domaine de l'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 œuvre 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. Il 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 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 chlorées. ( 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 (Al203) 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 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'accroché de 7 à 8 microns) dont la qualité dépend du savoir-faire du sous-traitant, d'où 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 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. Il 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. Il 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 698233 (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 introduit dans la source en une quantité suffisante pour atteindre l'intensité du faisceau d'ions demandée.
Exposé de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients et problèmes des techniques exposées précédemment. Il 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 μm, et dont la mise en œuvre ne provoque pas une altération des caractéristiques mécaniques de la pièce à traiter, autorisant son utilisation après traitement sans reprise de la pièce. Il 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. Il est également visé par la présente invention de proposer un tel dispositif qui ne nécessite pas des temps de traitement qui soient longs. Il 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 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 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 des ions du faisceau d'implantation ; elles peuvent varier de 0 à environ 3 μm. 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. Il 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 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 cascades 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 œuvre 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 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 œuvre 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 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 la1 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 œuvre un dispositif selon la 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 constante. Selon une deuxième variante du procédé de traitement d'un alliage d'aluminium par implantation ionique mettant en œuvre un dispositif selon la 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 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 concentration 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 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'invention. Le procédé de l'invention permet, par le phénomène de pulvérisation superficielle induit par la passage des ions incidents, de gommer les microrugosités de la pièce, diminuant d'autant l'apparition des piqûres qui se forment généralement à la faveur des anfractuosités de la surface. Il 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 risques 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 KV. 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 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 fl' 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. - des lentilles 8 dont le rôle est de donner au faisceau initial fl' d'ions 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. - 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 f 1 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 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 faisceau fl par rapport à la surface et un nombre de passes précédemment réalisées. Des informations de contrôle (infl) 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 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 fl, on arrête la production du faisceau fl', 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 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 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, les 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 μm +/- 0.075 μm. Les ions N2+ atteignent une profondeur d'environ 0,68 μm +/- 0,1 μm et les ions N3+ une profondeur d'environ 0.91 μm +/- 0,15 μm. La distance maximale atteinte par des ions dans cet exemple est de 1.15 μm. 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. 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'extraction 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 μm, ce qui correspond à une augmentation de la dureté de 300%, - 8% de N entre 0.5 et 0.85 μm, ce qui correspond à une augmentation de dureté de 200%, et - 2% de N entre 0.85 et 1.1 μm, 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 équirépartie des états de charge des ions de la source (même 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 μm 1 ,1 μm. 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.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif d'implantation d'ions dans une pièce en alliage d'aluminium (5) comportant une source (6) délivrant des ions accélérés par une tension d'extraction et des premiers moyens de réglage (7-11) d'un faisceau initial (f1') d'ions émis par ladite source (6) en un faisceau d'implantation (fl) caractérisé en ce que ladite source (6) est une source à résonance cyclotronique électronique produisant des ions multi-énergies qui sont implantés dans la pièce (5) à une température inférieure à 120°C, l'implantation des ions multi-énergies du faisceau d'implantation (fl) étant effectuée simultanément à une profondeur contrôlée par la tension d'extraction de la source. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des deuxièmes moyens de réglage (1,4,12) de la position relative de la pièce (5) et de la source d'ions (6). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de réglage (1,4,12) comportent un porte-pièce qui est mobile (12) pour déplacer la pièce (5) au cours de son traitement. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le porte- pièce (12) est équipé de moyens de refroidissement (13) pour évacuer la chaleur produite dans la pièce (5) lors de l'implantation des ions multi- énergies. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers moyens de réglage (7-11) du faisceau d'ions comportent un spectromètre de masse (7) pour trier les ions produits par la source (6) en fonction de leur charge et de leur masse. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de réglage (7-11) du faisceau initial (fl') d'ions comportent en outre des moyens optiques de focalisation (8), un profileur (9), un transformateur d'intensité (10) et un obturateur (11). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est confiné dans une enceinte (3) équipée d'une pompe à vide (2). 8 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de réglage (1;4,12) de la position relative de la pièce (5) et de la source d'ions (6) comportent des moyens de calcul (1) de cette position à partir d'informations relatives à la nature du faisceau d'ions, à la géométrie de la pièce (5), à la vitesse de déplacement du porte pièce (12) par rapport à la source (6) et au nombre de passes précédemment réalisées. 9 - Procédé de traitement d'un alliage d'aluminium par implantation ionique mettant en œuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau d'ions multi- énergies se déplace de façon relative par rapport à la pièce (5) à une vitesse constante. 10 - Procédé de traitement d'un alliage d'aluminium par implantation ionique mettant en œuvre un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le faisceau d'ions multi-énergies se déplace de façon relative par rapport à la pièce (5) 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 (5). 11 - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le faisceau d'ions multi-énergies est émis avec un débit et des énergies d'émission constants. 12 - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le faisceau d'ions multi-énergies est émis avec un débit et des énergies d'émission variables, commandés par la source d'ions (6).
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