FR2590594A1 - Element mecanique portant un revetement ceramique anti-usure et sa fabrication. - Google Patents
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Abstract
L'invention a notamment pour objet la fabrication d'un élément mécanique à revêtement céramique. Selon l'invention, on forme sur la surface principale du support métallique 1 une région 3 contenant au moins un élément choisi parmi C, O et N par production de plasma en atmosphère d'un gaz contenant de l'argon avant la formation de la couche céramique 4, ladite région 3 contenant ledit ou lesdits éléments à une concentration supérieure à celle des autres régions de ladite surface. Applications : production d'éléments tournant en glissant à vitesse élevée, sans usure des éléments glissants associés. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne un élément revêtu d'un matériau céramique approprié comme élément mécanique tournant en glissant à vitesse élevée et un procédé pour sa fabrication.
Un élément qui tourne en glissant à vitesse élevée, tel qu'un arbre de compresseur, un arbre à came de moteur, un dispositif de balayage à laser dans une imprimante à laser, une tige de guidage dans une imprimante, etc., tendàs'user facilement. Lorsque l'usure se produit dans cet éIément en rotation rapide, ceci altère les possibilités globales et diminue la durée de service de tout l'appareil. Pour cette raison,on utilise souvent un matériau anti-usure dur tel qu'un acier à coupe rapide ou un alliage ultra-dur pour un élément qui tourne en glissant à vitesse élevée. Cependant, comme ce matériau comporte des coûts élevés de matériau et de transformation, une augmentation du coût total de l'appareil est donc inévi table.Afin de diminuer le coût total, on utilise parfois un matériau relativement peu coûteux,tel que fonte ou acier à coupe rapide, et sa surface est durcie ou adoucie. On a proposé une technique pour former une céramique dure telle que TiN ou TiC pour améliorer la propriété anti-usure d'un outil de coupe.
Cependant le traitement de durcissement de surface est souvent effectué par une trempe et le traitement d'adoucissement est souvent effectué par un traitement Tuftride, un traitement Perco ou un revetement au disulfure de molybdène noir. Un traitement de finissage ne peut pas non plus conférer à l'élément traité une durabilité satisfaisante contre la contrainte d'utilisation sous charge élevée et à vitesse élevée.
Le traitement Tuftride et la trempe exigent tous deux une température de traitement allant jusqu'à 500"C et il peut en résulter une déformation du matériau de base. Si un élément exige une précision dimensionnelle élevée, ces traitements ne peuvent pas être utilisés.
Si l'on forme un film de TiN ou de TiC sur un élément destiné à tourner en glissant à vitesse élevée, l'élément glissant correspondant ou associé est usé, car le film de TiN ou de TiC est plus dur que le matériau de l'élément associé. Des copeaux de métal détachés se fixent sur la couche de céramique et sont ators cuits sur la couche.
Un objet de la présente invention est de proposer un élément revêtu par un matériau céramique qui a une adhérence élevée sur un matériau de base, et qui possède de bonnes propriétés anti-usure, ne provoque pas d'usure d'un élément glissant associé, qui évite la cuisson des copeaux ou paillettes détachés par usure, et un procédé pour sa fabrication.
Un élément revêtu par un matériau céramique selon la présente invention comprend :
un support métallique ayant sur une surface principale une région contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote à une concentration supérieure à celle des autres régions dans ladite surface extérieure ; et
une couche de céramique appLiquée sur ladite surface dudit support.
un support métallique ayant sur une surface principale une région contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote à une concentration supérieure à celle des autres régions dans ladite surface extérieure ; et
une couche de céramique appLiquée sur ladite surface dudit support.
Un procédé de fabrication d'un élément revêtu par un matériau céramique comprend les étapes suivantes :
formation d'une région sur la surface principale d'un support métallique contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote, par production d'un plasma dans une atmosphère de gaz contenant de L'argon, ladite région contenant le ou lesdits éléments à une concentration supérieure à celle des autres régions de laditc surface ; et
formation d'une couche de céramique sur ladite surface extérieure dudit support.
formation d'une région sur la surface principale d'un support métallique contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote, par production d'un plasma dans une atmosphère de gaz contenant de L'argon, ladite région contenant le ou lesdits éléments à une concentration supérieure à celle des autres régions de laditc surface ; et
formation d'une couche de céramique sur ladite surface extérieure dudit support.
A la suite de recherches approfondies pour la mise au point de matériaux céramiques ayant une dureté élévée et de bonnes pro priétés anti-usure et qui évitent l'usure d'un élément glissant associe , la demanderesse a découvert que des matériaux céramiques contenant comme constituant principal du silicium ou un lément du groupe III de la classification périodique des éléments, par exemple le bore, satisfont les exigences ci-dessus. Ce matériau céramique peut être déposé sur un support ou un matériau de base par pulvé risation cathodique, par déposition en phase gazeuse par procédé chimique (procédé CVD) par plasma ou par placage ionique.En outre, la température du traitement thermique peut être relativement faible, de 200 à 3000C,et la déformation du matériau de base pendant le traitement peut donc être limitée. En conséquence, ce matériau peut être formé en revêtement sur un élément exigeant une précision dimentionnelle élevée.
Cependant, ce matériau céramique a de mauvaises propriétés d'adhérence au support ou matériau de base, par rapport à TiN et
TiC. En particulier,si le matériau de base est la fonte, pour un arbre de compresseur ou analogue, il est difficile dans La pratique d'y former une telle couche céramique.
TiC. En particulier,si le matériau de base est la fonte, pour un arbre de compresseur ou analogue, il est difficile dans La pratique d'y former une telle couche céramique.
La demanderesse a répété diverses expériences en vue de former facilement une couche céramique stable sur un support contenant du fer comme constituant principal et découvert que cette couche céramique peut être formée sur le support lorsqu'une région à concentration élevée en oxygène ou azote a été formée sur la surface du support. La présente invention a été mise au point sur La base de ces résultats expérimentaux.
Des exemples de matériaux céramiques qui ont des propriétés anti-usure élevées et qui peuvent éviter l'usure d'un élément gLis- sant associé sont le nitrure de silicium, le nitrure de bore, le carbure de silicium, le carbure de bore, l'oxyde de silicium, le carbonitrure de silicium, le carbonitrure de bore et le carbo-oxyde de silicium. Par exemple, Le nitrure de silicium et l'oxyde de silicium ont une dureté Vickers de 1 800 à 2 000 Hv ; le carbure de silicium à une dureté de 2 000 à 2 500 Hv ; et le nitrure de bore a 2 500 à 3 000 Hv. Ces matériaux céramiques ont une dureté élevée et de bonnes propriétés anti-usure, En meme temps, L'élément glissant associe peut être fabriqué en un matériau à base de fer et ne s'use pas.La couche de céramique peut être formée par pulvérisation cathodique, placage ionique, procédé CVD par plasma, procédé C\ID thermique, procédé CVD photo, etc. Le procédé CVD au plasma est préféré pour l'adhérence au support et du fait qu'il facilite l'utilisation d'un traitement thermique à plus basse température.
L'invention sera mieux comprise par l'homme de l'art à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est une vue en coupe d'un élément revêtu avec un matériau céramique selon un mode de mise en oeuvre de La présente invention ; et
les figures 2à 4 sont des vues en coupe longitudinale représentant un appareil pour fabriquer un élément revêtu avec La couche céramique.
la figure 1 est une vue en coupe d'un élément revêtu avec un matériau céramique selon un mode de mise en oeuvre de La présente invention ; et
les figures 2à 4 sont des vues en coupe longitudinale représentant un appareil pour fabriquer un élément revêtu avec La couche céramique.
Comme on te voit dans la figure 1, un élément revêtu avec un matériau céramique selon un mode de mise en oeuvre de La présente invention possède une couche céramique 4 formée sur la surface principale du support métalLique 1. Le support 1 a une masse 2 et une région 3 formée sur la surface principale du support 1.
La région 3 contient au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote à une concentration supérieure à celle existant dans la masse 2.
Après formation de La couche 3 sur la surface du support 1, on forme sur la couche 3 la couche céramique 4,de sorte que ta couche 4 est formée sur Le support 1, avec une bonne adhérence entre eux.
Le support 1 contient du fer comme constituant principal et au moins un élément choisi parmi le nickel, le chrome, l'aluminium, le manganèse, le magnésium et le vanadium. Un additif tel que Le nickel est utilisé pour accélérer l'oxydation ou la nitruration lorsque la couche 3 est formée sur le support 1.
La couche céramique 4 contient comme constituant principal du silicium ou un élément (par exemple te bore; appartenant au groupe III de la classification périodique. Dans le procédé de formation de cette couche céramique, la couche céramique contient des atomes d'hydrogène ou d'halogènes. Une teneur de 20 atomes pour cent ou moins de ces atomes ne nuit pas aux propriétés anti-usure de la couche céramique.
On décrit ci-dessous un procédé de fabrication de l'éLément revêtu avec la couche céramique selon ce mode de mise en oeuvre.
On utilise un bloc de fonte ou d'acier à coupe rapide pour usiner un élément de forme prédéterminée, tel qu'un arbre de compresseur rotatif ou un guide de chariot d'imprimante, pour obtenir un matériau de base. La surface du matériau de base est traitée dans un plasma de gaz argon. Ensuite, un matériau céramique tel que le nitrure de silicium est appliqué sur la surface du matériau de base On obtient enconséquence un arbre ou guide de chariot fabriqué principalement en fer, dont la surface porte maintenant un revêtement de nitrure desilicium ou analogue. Fol cause oecerevêtement,même siunélément glissant associé ou accouplé est en contact en glissant à haute vitesse avec un arbre ou un élément de guidage composé de ce matériau de base, l'élément glissant associé ne sera pas usé.
On décrira ci-après un procédé de fabrication de l'élément portant la couche céramique par un procédé CVD par plasma, en référence aux figures 2 et 3.
La chambre de réaction cylindrique 11 est supportée de telle manière que la direction axiale de la chambre 11 soit verticale. La chambre 11 est électriquement isolée de la terre au moyen d'un élément isolant 12. On fait le vide dans la chambre 11 par une pompe mécanique haut régime ouunepompe tournante hydraulique (non représentée) et elle est maintenue sous un vide de 10 3 mm Hg (1,346 10 3 mbar).
On peut alimenter la chambre 11 par l'orifice 13 d'alimentation en gaz avec divers gaz sources. Une électrode cylindrique 14 est disposée coaxialenient dans la chambre Il et maintenue au même potentiel que celle-ci. Plusieurs ouvertures de gaz (non représentées) sont forSes dans l'électrode 14. Le gaz d'alimentation à la chambre 11 par l'orifice 13 est introduit pratiquement uniformément au centre de la chambre, au moyen des ouvertures de gaz dans l'électrode 14. Un écran ou blindage cylindrique 15 est mis à la terre et disposé pour entourer la chambre 11.
Le matériau de base cylindrique 2n comme support de la couche céramique est situé au centre dc la chambre 11, sonaxeétant cians ladirection verticale. L'élément de support 21 est placé comme couvercle supérieur de la chambre 11, un élément isolant 12 étant intercalé entre l'élément 21 et la chambre 11. Le matériau de base 20 est suspendu à l'élément de support 21 et introduit dans la chambre 11-. Un dispositif chauffant 22 à résistance est introduit au centre du matériau 20 le long de sa.direction longitudinale. Le dispositif chauffant 22 est relié à une source d'énergie 23. L'énergie est fournie par la source d'énergie 23 au dispositif chauffant 22 pour chauffer le matériau de base 20.D'après la figure 2, le matériau de base 20 et l'élément de support 21 sont reliés à une source d'énergie HF 24 par t'intermédiaire du circuit d'adaptation 25.
D'après La figure 3, le circuit 25 est relié à la chambre Il de manière à pouvoir y appliquer la puissance HF. Comme représenté dans les figures 2 et 3, la puissance HF est appliquée au matériau de base 20 ou à la chambre 11, de sorte qu'il se produit entre eux une décharge de plasma.
Avec la disposition ci-dessus, la surface du matériau de base est traitée par le plasma dans une atmosphère de gaz contenant de l'argon. Plus particulièrement, comme indiqué à la figure 2, le circuit d'adaptation 25 est relié à l'élément de support 21 et on applique à la chambre 11 un vide d'environ 10 3 mm H9 ,34610 3 mbar).
on continue de faire le vide dans la chambre 11 et en même temps on introduit dans la chambre 11 par l'orifice 13 de l'argonàundébit de 200 ml/min,à température et sous pression normales. Dans ce cas, l'intérieur de la chambre 11 est contrôlée à une pression de 1 mm Hg (1,346 mbar). On applique ensuite l'énergie de la source 23 au dispositif chauffant 22 de manière à chauffer le matériau de base 20 à une température de 150 à 300"C. Ensuite, on applique une puissance
HF de 300 W au matériau de base 20 pour produire un plasma entre
L'électrode 14 et le matériau de base 20. La durée de production de plasma est d'environ 30 min. Dans ce cas, le gaz de traitement peut être de l'argon seul ou un mélange d'argon et de H2, de He ou de N2.
HF de 300 W au matériau de base 20 pour produire un plasma entre
L'électrode 14 et le matériau de base 20. La durée de production de plasma est d'environ 30 min. Dans ce cas, le gaz de traitement peut être de l'argon seul ou un mélange d'argon et de H2, de He ou de N2.
Dans le mode de mise en oeuvre ci-dessus, le matériau de base peut être préchauffé. Cependant, lorsqu'il y a production d'un plasma, le matériau de base est chauffé par le plasma. En conséquence, on peut se passer absolument du dispositif chauffant spécial. Dans ce cas, la puissance HF appliquée au matériau de base 20 peut être augmentée ou bien la durée de traitement peut être prolongée.
Après le traitement par plasma, on introduit dans la chambre 11 un gaz contenant un élément céramique à appliquer sur le matériau de base. Le matériau céramique est appliqué sur la surface du- matériau de base traitée par le plasma. Si le matériau céramique contient
Si comme constituant principal, on mélange un gaz contenant Si, tel que SiH4 ou Si2H6,avec un gaz contenant de l'azote,tel que N2 ou
NH3,pour un matériau céramique du type nitrure ; le gaz contenant du silicium est mélangé avec un gaz contenant du carbone tel que
CH4 ou C2H6 pour un matériau céramique du type carbure ; et le gaz contenant du silicium est mélangé avec un gaz contenant de l'oxygène tel que 02 ou N20 pour un matériau céramique du type oxyde.Si le matériau céramique à appliquer contient du bore comme constituant principal, le gaz contenant du silicium est remplacé par un gaz contenant du bore tel que BF3 ou B2H6. Ce gaz source dé silicium ou de bore est fourni à la chambre 11 et en même temps la liai son du circuit d'adaptation 25 à l'élément de support 21 est commutée à la chambre 11. La liaison du blindage 15 à la chambre Il est commutée à l'élément de support 21. La puissance-HF est fournie par la source
HF 24 à la chambre 11 et à l'électrode 14 pour produire un plasma entre l'électrode 14 et le matériau 20. Le matériau céramique contenant l'élément constitutif présent dans le gaz est appliqué sur la surface du matériau 20.
Si comme constituant principal, on mélange un gaz contenant Si, tel que SiH4 ou Si2H6,avec un gaz contenant de l'azote,tel que N2 ou
NH3,pour un matériau céramique du type nitrure ; le gaz contenant du silicium est mélangé avec un gaz contenant du carbone tel que
CH4 ou C2H6 pour un matériau céramique du type carbure ; et le gaz contenant du silicium est mélangé avec un gaz contenant de l'oxygène tel que 02 ou N20 pour un matériau céramique du type oxyde.Si le matériau céramique à appliquer contient du bore comme constituant principal, le gaz contenant du silicium est remplacé par un gaz contenant du bore tel que BF3 ou B2H6. Ce gaz source dé silicium ou de bore est fourni à la chambre 11 et en même temps la liai son du circuit d'adaptation 25 à l'élément de support 21 est commutée à la chambre 11. La liaison du blindage 15 à la chambre Il est commutée à l'élément de support 21. La puissance-HF est fournie par la source
HF 24 à la chambre 11 et à l'électrode 14 pour produire un plasma entre l'électrode 14 et le matériau 20. Le matériau céramique contenant l'élément constitutif présent dans le gaz est appliqué sur la surface du matériau 20.
Des exemples typiques des conditions de revêtement et des épaisseurs des couches céramique sont les suivants
(a) Couche de nitrure de silicium
3
Débit de SiH4: 50 cm nornauxlmin
3
Débit de N2 : 800 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,236 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 ùm
(b) Couche de carbure de silicium 3
Débit de SiH : 50 cm normaux/min
Débit de CH4: 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 um
(c) Couche de nitrure de bore 3
Débit de B2H6: 50 cm normaux/min
Débit de N2 :- 800- cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg t1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du fiLm : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 um
(d) Couche d'oxyde de silicium 3
Débit de SiH4 : 50 cm normaux/min
Débit de 2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 jan
Les éléments revêtus avec les couches céramique ont une rigidité élevée de liai son céramique et de bonnes propriétés anti-usure.
(a) Couche de nitrure de silicium
3
Débit de SiH4: 50 cm nornauxlmin
3
Débit de N2 : 800 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,236 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 ùm
(b) Couche de carbure de silicium 3
Débit de SiH : 50 cm normaux/min
Débit de CH4: 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 um
(c) Couche de nitrure de bore 3
Débit de B2H6: 50 cm normaux/min
Débit de N2 :- 800- cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg t1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du fiLm : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 um
(d) Couche d'oxyde de silicium 3
Débit de SiH4 : 50 cm normaux/min
Débit de 2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg (1,346 mbar)
Puissance HF : 300 W
Durée de formation du film : 1 h
Epaisseur du film : environ 4 jan
Les éléments revêtus avec les couches céramique ont une rigidité élevée de liai son céramique et de bonnes propriétés anti-usure.
On fabrique des arbres de compresseur rotatif en utilisant Les films respectifs rans les conditions décrites ci-dessus. On effectue un test de durabilité de 1 000 h en faisant tourner ces arbres en continu à 10 000 tr/min pendant 30 min, en arrêtant pendant 10 min et ensuite en faisant tourner encore en continu à 10 000 tr/min pendant 30 min. Les arbres revêtus avec les couches (a) à (d) ne provoquent pas de cuisson due à l'usure ni de détachement (des couches) des matériaux de base, prouvant ainsi qu'ils possèdent La durabilité élevée exigée.
Dans le mode de mise en oeuvre ci-dessus, Le traitement de la surface du matériau de base et le revêtement céramique sont effectués par le procédé CVD par plasma. Cependant, on peut utiliser à sa place la pulvérisation cathodique, le placage ionique, le procédé CVD thermique ou le procédé CVD photo. En outre la puissance de production du plama n'est pas limitée à une puissance haute fréquence mais peut être étendue à une puissance en courant continu.
Dans ce cas le circuit d'adaptation peut être éLiminé.
La couche céramique de nitrure de silicium, de carbure de silicium, d'oxyde de silicium ou de nitrure de bore est normalement amorphe, mais peut être polycristalline, partiellement cristallisée ou avoir une région microcristalline locale. Cependant, dans n'importe quel caste film résultant possède de bonnes propriétés antiusure.
On décrira maintenant en référence à la figure 4 un autre procédé de fabrication d'un matériau revêtu d'une couche céramique par CVDparpLasma. La chambre de réaction cylindrique 31 est supportée de telle sorte que la direction axiale de la chambre 31 est verticale. La chambre 31 est isolée électriquement de la terre au moyen d'un élément isolant 32. On fait le vide dans la chambre 31 avec une pompe mécanique haut régime ou une pompe rotative hydrau lique (non représentée) à un vide d'environ 10 3 mm Hg (1,346 mbar). On peut fournir à la chambre 31 par l'orifice d'alimentation 33 divers types de gaz sources d'éléments céramiques. L'électrode cylindrique 34 est disposéecoaxialement dans la chambre 31.
L'élément cylindrique de diffusion 35 est coaxial avec l'électrode 34, entre l'électrode 34 et la surface de paroi de la chambre 31.
Plusieurs ouvertures de gaz 36 et 37 sont formées dans l'électrode 34 et l'élément de diffusion 35 respectivement. Le gaz fourni à la chambre de réaction 31 par l'orifice 33 est fourni au centre de la chambre 31 par les ouvertures 37 de l'élément de diffusion 35 et les ouvertures 36 de l'électrode 34, qui font donc diffuser uni formément le gaz vers le centre de la chambre 31. L'électrode 34 et l'élément de diffusion 35 sont maintenus au même potentiel que la chambre 31. L'électrode 34 est reliée à la source d'énergie HF 38 pour recevoir l'énergie HF.
Le support métallique cylindrique 40 est situé au centre de la chambre 31, de manière que la direction axiale du support 40 soit verticale. L'élément de support 41 sert de couvercle supérieur de la chambre de réaction 31, un élément isolant 32 étant intercalé entre l'élément 41 et la chambre 31 et l'élément 41 étant mis à la terre. Le support 40 est suspendu à l'élément de support 41 et introduit dans la chambre 31. Comme le support 40 est également mis à la terre, comme l'élément de support 41, à l'application de l'énergie HF de la source 38 d'énergie HF à l'électrode 34, il se produit une décharge de plasma entre l'électrode 34 et le;support 40.
Avec la disposition-décrite ci-dessus, la surface du support métallique est carbonisée en formant une région de surface contenant du carbone à une concentration élevée. Et plus particulièrement, après que l'intérieur de la chambre 31 a été mis sous un vide de mm 3 mm Hg et ensuite évacué en continu, la chambre 31 est alimentée avec CF ou CH4 par l'orifice 33 et la pression de la chambre 31 est reglée à 1 mm Hg. Ensuite, lorsque l'énergie HF est fournie entre l'électrode 34 et le support 40, pour produire un plasma, la surface du support 40 est carbonisée.Dans ce cas, si l'on utilise pour produire un plasma un gaz contenant seulement du carbone, un film fourni par polymérisation d'atomes de carbone, au moyen d'un plasma, tend à se produire sur la surface du support 40. Si ce film est mou, la couche céramique à former dans le procédé subséquent tend à se détacher de manière indésirable du support. Pour cette raison, outre un gaz contenant du carbone, on utilise un gaz tel que Ar, He ou N2 pour obtenir un mélange gazeux de manière à produire un plasma. En utilisant ce mélange gazeux, on peut éviter la polymérisation du carbone et une réaction entre le carbone et le fer tend à se produire facilement. Le gaz mélangeravec le gaz source de carbone est de préférence l'argon, puisqu'il est inerte et qu'il a une énergie i- d'ionisation élevée. Des conditions typiques de carbonisation sont les suivantes :
Débit de CH4 : 50 cm3 normaux/min Débit
Débit de Ar : 300 cm normaux/min
Pression de réaction (vide) : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de traitement : 30 min
Dans ce procédé de carbonisation, le support métallique peut être préchauffé. Cependant,si le plasma est produit, il chauffe le support métallique. Par conséquent,, un dispositif chauffant spécial peut ne pas être nécessaire. La source de carbone n'est pas Limitée à un gaz ; elle peut être une matière soLide. Dans ce cas, les atomes de carbone sont arrachés parleplasma d'argon au solide contenant du carbone par pulvérisation cathodique.
Débit de CH4 : 50 cm3 normaux/min Débit
Débit de Ar : 300 cm normaux/min
Pression de réaction (vide) : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de traitement : 30 min
Dans ce procédé de carbonisation, le support métallique peut être préchauffé. Cependant,si le plasma est produit, il chauffe le support métallique. Par conséquent,, un dispositif chauffant spécial peut ne pas être nécessaire. La source de carbone n'est pas Limitée à un gaz ; elle peut être une matière soLide. Dans ce cas, les atomes de carbone sont arrachés parleplasma d'argon au solide contenant du carbone par pulvérisation cathodique.
Lorsque le procédé de carbonisation est terminé, on alimente la chambre 31 avec un gaz contenant un- élément constitutif du matériau céramique à appliquer, en formant ainsi un matériau céramique sur la surface carbonisée du matériau de base. Si le matériau céramique à appliquer contient du silicium comme constituant principal, on mélange un gaz contenant du silicium tel que SiH4 ou
Si2H6 avec un gaz contenant de l'azote tel que N2 ou NH3 pour un matériau céramique du type nitrure ; on mélange le gaz contenant du silicium avec un gaz contenant du carbone tel que CH4 ou C H pour un matériau céramique du type carbure ; et on mélange le gaz contenant du silicium avec un gaz contenant de l'oxygène tel que
O2 ou N20 pour un matériau céramique du type oxyde.D'autre part, si le matériau céramique à appliquer contient du bore comme constituant principal, on remplace le gaz contenant du silicium par un gaz contenant du bore tel que BF3 ou B2H6. Pour former un film de carbonitrure de silicium, on ajoute CH4 à un mélange de SiH4 et N2. Pour former un film de carbo-oxyde de silicium, on ajoute
CH4 à un mélange de SiH4 et de 2 ou N20.
Si2H6 avec un gaz contenant de l'azote tel que N2 ou NH3 pour un matériau céramique du type nitrure ; on mélange le gaz contenant du silicium avec un gaz contenant du carbone tel que CH4 ou C H pour un matériau céramique du type carbure ; et on mélange le gaz contenant du silicium avec un gaz contenant de l'oxygène tel que
O2 ou N20 pour un matériau céramique du type oxyde.D'autre part, si le matériau céramique à appliquer contient du bore comme constituant principal, on remplace le gaz contenant du silicium par un gaz contenant du bore tel que BF3 ou B2H6. Pour former un film de carbonitrure de silicium, on ajoute CH4 à un mélange de SiH4 et N2. Pour former un film de carbo-oxyde de silicium, on ajoute
CH4 à un mélange de SiH4 et de 2 ou N20.
On donne ci-après des exemples types de conditions d'application et d'épaisseurs de couches céramiques formées par l'appareil
ci-dessus
(a) Couche denitrure de silicium Débit
Débit de SiH4 : 100 cm normaux/min
Débit de N2 2: 300 cm3 normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
(b) Couche de carbure de silicium
Débit de SiH4 : 100 cm3 normaux/min Débit
Débit de CH4: 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 pm
(c) Couche de nitrure de bore
3
Débit de BF3 : 100 cm normaux/min
Débit de N2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction :.1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
(d) Couche d'oxyde de silicium 3
Débit de SiH4 : 100 cm normaux/min
Débit de 2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
Les éléments revêtus avec les couches céramiques ont une rigidité de liai son céramique élevée et de bonnes propriétés anti-usure.
ci-dessus
(a) Couche denitrure de silicium Débit
Débit de SiH4 : 100 cm normaux/min
Débit de N2 2: 300 cm3 normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
(b) Couche de carbure de silicium
Débit de SiH4 : 100 cm3 normaux/min Débit
Débit de CH4: 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 pm
(c) Couche de nitrure de bore
3
Débit de BF3 : 100 cm normaux/min
Débit de N2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction :.1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
(d) Couche d'oxyde de silicium 3
Débit de SiH4 : 100 cm normaux/min
Débit de 2 : 300 cm normaux/min
Pression de réaction : 1,0 mm Hg
Puissance HF : 500 W
Durée de formation du film : 30 min
Epaisseur du film : environ 3 um
Les éléments revêtus avec les couches céramiques ont une rigidité de liai son céramique élevée et de bonnes propriétés anti-usure.
On fabrique des arbres de compresseur rotatif en utilisant les films correspondants dans les conditions décrites ci-dessus. On effectue un test de durabilité de 1 000 h en faisant tourner ces arbres en continu à 10 000 tr/min pendant 30 min, en arretant pendant 10 min et ensuite en faisant tourner à nouveau à 10 000 tr/min pendant 30 min. Les arbres revêtus avec les couches (a) à (d) ne provoquent pas de brûlure avec élimination par usure ni de détachement de la couche des matériaux de base, montrant ainsi qu'ils possèdent la durabilité élevée requise.
Dans le mode de mise en oeuvre ci-dessus, la carbonisation de la surface du matériau de base et le revêtement par ta couche céramique sont effectués par le procédé CVD par plasma. Cependant on peut utiliser la pulvérisation cationique, le pLaque ionique, etc.
Selon la présente invention, on peut faire adhérer fortementune couche céramique sur un support métallique contenant du fer comme constituant principal en obtenant ainsi un élément possédant de bonnes propriétés anti-usure Cet élément n'use pas son élément associé en glissement et il évite donc la cuisson.
Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations préférés décrits ci-dessus à titre d'illustration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifications et divers changements sans toutefois s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention.
Claims (15)
1. Elément mécanique revêtu d'un matériau céramique, comprenant : un support métallique (1) ayant une surface principale; et une couche céramique (4) appliquée sur ladite surface principale dudit support (1), caractérisé en ce que le support métallique (1) comporte une région (3) contenant au coins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote à une concentration supérieure à celle des autres régions de ladite surface principale.
2. Elément mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit support (1) contient du fer comme constituant principal et au moins un élément choisi parmi le nickel, le chrome, l'aluminium, le manganèse, le magnésium et le vanadium.
3. Elément mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche céramique (4) contient du silicium comme constituant principal.
4. Elément mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche céramique (4) contient comme constituant principal un élément du groupe III de la classification périodique des éléments.
5. Elément mécanique selon la revendication 3 ou 4, carac térisé en ce que ladite couche céramique (4) contient au moins un élément choisi parmi l'hydrogène et les halogènes.
6. Elément mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite région (3) est formée par un plasma de gaz contenant de l'argon.
7. Elément mécanique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le plasma pour former ladite région (3) est produit par application audit support (1) d'énergie électrique en courant HF ou en courant continu.
8. Elément mécanique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite région (3) est formée par un plasma d'un gaz contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et
l'azote.
9. Elément mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche céramique (4) est formée parun plasma sous vide.
10. Elément mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche céramique (4) est faite de nitrure de silicium, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de carbure de bore, d'oxyde de silicium, de carbonitrure de silicium, de carbonitrure de bore, de carbo-oxyde de silicium ou de carbo-oxyde de bore.
11. Elément mécanique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le plasma pour former ladite couche céramique (4) est produit par application audit support (1) d'énergie électrique en courant HF ou en courant continu.
12. Procédé de fabrication d'un élément mécanique revêtu par un matériau céramique, comprenant l'étape de formation d'une couche céramique (4) sur la surface principale d'un support (1), caractérisé en outre en ce que l'on forme sur la surface principale du support métallique une région (3) contenant au moins un élément choisi parmi le carbone, l'oxygène et l'azote, par production d'un plasma dans une atmosphère de gaz contenant de l'argon avant l'étape de formation d'une couche céramique, ladite région contenant ledit ou lesdits éléments à une concentration supérieure à celle des autres régions dans ladite surface.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit support métallique (1) contient du fer comme constituant principal.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite couche céramique (4) contient comme constituant principal un élément du groupe III de la classification périodique des élements.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de formation de ladite couche céramique (4) comprend l'étape de production du plasma dans une atmosphère d'un gaz contenant un élément constitutif.
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| JP60267749A JPS62127468A (ja) | 1985-11-28 | 1985-11-28 | セラミツクスが被着された部材及びその製造方法 |
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| FR2590594B1 FR2590594B1 (fr) | 1993-06-18 |
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| FR (1) | FR2590594B1 (fr) |
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