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Implantation ionique sur pièces métalliques jusqu’aux pièces
polymères
Procédés IMPLANTECR
Y. CORRE, P. JACQUOT, B. STAUDER - BODYCOTEN. ROCHE, P. HEUILLET, C. JANIN - LRCCP
LRCCP: Laboratoire de Recherches et de Contrôle du Caoutchouc et des Plastiques
3ème séminaire Bodycote - Air Liquide – 18 et 19 octobre 2012 – Lyon
La technique d’implantation ionique
Elle a été brevetée en 1957 par William Shockley (Bell Telephone Lab. NY)
pour le dopage des semi-conducteurs en microélectroniquePlus de 6000 implanteurs sont actuellement utilisés dans le monde
Elle permet d’introduire en extrême surface pratiquement n’importe quel élément chimique dans n’importe quel solide
au moyen d’un faisceau d’ions de forte énergie (10 – 400 keV)
La technique d’implantation ionique
Elle consiste à créer des ions positifs à partir d’un gaz ionisé par une source à filament
Ces ions sont extraits par application d’une tension négativepuis séparés ou non en masse par un champ magnétique
Accélérés par un champ électriqueFocalisés et balayés
et enfin ils sont implantés sur la surface à traiter
La technique d’implantation ionique
Les interactions entre ions incidents et atomes du substrat
conduisent à différents phénomènes physiques ou chimiqueset à la formation d’un profil de concentration
Matériaux pouvant être traités par implantation ionique
Les métaux pour diminuer l’usure adhésive, les frottements et l’oxydation
Les céramiques pour diminuer leur fragilité
Les polymères pour diminuer leur usure et améliorer les coefficients de frottement
Avantages majeurs de l’implantation ionique
Température de traitement inférieure à 100°c
Conservation parfaite : - des états de surface - des propriétés (mécaniques et métallurgiques) du substrat - des dimensions
Dépassement des solubilités limites de l ’élément implanté
Absence d ’interface défini et aucun risque de décollement
Paramètres parfaitement reproductibles
Application sur tout type de matériaux
Principales applications industrielles actuelles de l’implantation ionique
• Le marché de la santé : biomédical, dispositifs médicaux,…
• Le marché des polymères à haute valeur ajoutée
Applications biomédicales de
l’implantation ionique
Composants de prothèses métalliques : Alliages de titane, acier inox 316L, alliages CoCr, alliages de zirconium.
Composants de prothèses polymères : PEHD, silicone.
Rotules de genou en alliage CoCr
Prothèses métacarpiennes en TA6V
Quelques exemples de prothèses traitées
Prothèses d’épaules en TA6V
L’implantation ionique appliquée aux polymères et en
particulier aux élastomères
POURQUOI TRAITER DES ELASTOMERES ?
Les élastomères sont souvent des matériaux d’interfacequi interagissent avec des pièces métalliques pour
assurer des fonctions essentielles, comme :
- l’étanchéité statique (clapet de sécurité, vanne d’obturation…)
- l’étanchéité dynamique à des gaz ou des liquides sous pression (vérin)
- la transmission de mouvement
L’ingénierie des matériaux et traitements de surface peut apporter de
nouvelles solutions en terme de propriétés tribologiques
Effet du frottement d’un joint sur un arbre métallique
Photo: usure d’un arbre de transmission due au frottement d’un joint
La réduction de l’usure passe inévitablement par une amélioration du frottement du couple métal/élastomère
Quelques voies pour réduire ces frottements :➢ La lubrification graisse, silicone, huiles, ...➢ les anti-collage le talc par exemple, ....➢ Les revêtements secs PVD,CVD➢ L’implantation ionique
Implantation ionique des élastomères
La ‘chimie’ ou ‘physico-chimie’ de l’interaction entre un faisceau d’ions et un milieu organique
est un domaine étudié que depuis peu
Les effets sont nombreux:-Rupture de chaînes polymère - Formation de radicaux libres
-Libération d’espèces chimiques-Création de liaisons triples - Réticulation ou scission
-Oxydation du carbone-Création d’agrégats de carbone
-Formation d’une structure graphitique-Diminution du coefficient de frottement
-Modification de la résistivité électrique, écoulement de charges-Modification des propriétés optiques
-Échauffement thermique – ‘Pyrolyse’ …..etc
Test tribologique: propriétés de frottement à sec (travaux du LRCCP Paris)
Plaque éprouvetteélastomère
Frotteur XC38 Ø 20 mmFn
Ft Support mobile
Loi de Coulomb :Coefficient de frottement
dynamique apparent
μ = Ft
Fn
Vt
10 cycles Course: 50 mm V glis: 50 mm/min
va et vient Fn: 250 N Pmax: 5 Mpa
Lubrifiant: aucun
Test tribologique: HNBR brut / implanté
Coef de frottement plus faible après implantation µ: 0,9 → 0,4Faible variation en fonction du nombre de cycles: stabilitéLes tests de vieillissement VT et VF n’ont pas d’influence
Non implanté
implanté
Test d’auto-adhérence Elastomère / Acier
316L
316L
Élastomère EPDM une face brute, une face traitée
Pression de contact: 60 N Température: 70°C Durée: 1 mois
Test d’adhérence après contact prolongé d’élastomères vulcanisés (cas de vannes d’obturation)
Résultat spectaculaire: aucun effet d’auto-adhérence ou ‘gommage’
Ex. application: → joints de clapet de sécurité
60 N
Applications industrielles sur polymères
• Composants de prothèses articulaires en PEHD (doigts, genoux, épaules)
• Outillage polymère (ancillaires, sondes, cathéters)
• Joints élastomères (à lèvres, toriques, V-rings)
• Divers élastomères (membranes silicone, bouchons, clapets de sécurité,…)
Implantation ionique de joints type V-Ring
Application série : plus de 500000 pièces/an
Exemples d’Implantation ionique de joints
Joints à lèvres (application motos de compétition)
joints toriques (application aéronautique)
Autre exemple d’application série : membrane d’électrovanne
Perspectives de développement de l’implantation ionique grâce à l’évolution technologique et l’apparition de nouveaux
outils industriels
Principales limitations technologiques actuelles de l’implantation ionique
• Performances des sources à filament (flux d’ions, maintenance, encombrement,…)
• Temps de cycle long
• Surfaces couvertes limitées
Nouvelle génération de sources (COmpact MIcrowave and Coaxial sources)
• Développées par un laboratoire du CNRS
• Extrème compacité, pas de filament• Haute productivité (flux d’ions x 10,
durée de vie supérieure à plusieurs années)
• Durées de cycles raccourcies (quelques secondes à quelques minutes)
• Possibilité de monter plusieurs dizaines de sources sur une même machine (traitement par nappes de faisceau pour une meilleure couverture)
Nouvelle génération de sources
Comparaison d’échelle
Technologie actuelle Exemples de nouvelle technologie
Quelques une des nouvelles applications visées
• Marché de l’agro alimentaire
• Automobile grande série
• La santé au sens large (pharmacie, biomédical,…) • Marché des polymères pour applications séries d’une façon
plus générale
Conclusion• L’implantation ionique touche actuellement de
nombreux marchés à forte valeur ajoutée (au niveau du composant ou de la fonction)
• L’apparition de nouveaux outils industriels performants constitue un saut technologique qui va ouvrir des marchés jusqu’alors inaccessibles à cette technologie