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