FR2596775A1 - Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone - Google Patents
Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone Download PDFInfo
- Publication number
- FR2596775A1 FR2596775A1 FR8604944A FR8604944A FR2596775A1 FR 2596775 A1 FR2596775 A1 FR 2596775A1 FR 8604944 A FR8604944 A FR 8604944A FR 8604944 A FR8604944 A FR 8604944A FR 2596775 A1 FR2596775 A1 FR 2596775A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- layer
- titanium
- deposition
- substrate
- carbon
- 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.)
- Granted
Links
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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
- C23C28/046—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with at least one amorphous inorganic material layer, e.g. DLC, a-C:H, a-C:Me, the layer being doped or not
-
- 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
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/027—Graded interfaces
-
- 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
- C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
- C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
- C23C16/26—Deposition of carbon only
-
- 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
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
- C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN REVETEMENT DUR MULTICOUCHES ELABORE PAR DEPOT IONIQUE. SELON L'INVENTION, LE REVETEMENT DUR COMPREND D'ABORD UNE COUCHE DE NITRURE DE TITANE, PUIS UNE COUCHE DE CARBONITRURE DE TITANE, PUIS UNE COUCHE DE I-CARBONE. SELON L'INVENTION, ON EFFECTUE LE DEPOT DES DIFFERENTES COUCHES DANS UN DISPOSITIF DE DEPOT IONIQUE SOUS FAIBLE PRESSION COMPORTANT UNE CATHODE PORTE-SUBSTRAT 8, UN DISPOSITIF D'EVAPORATION DE TITANE 3 PAR UN CANON D'ELECTRONS 5, DES TUYAUTERIES D'AMENEE DE GAZ 10, 11, UN FILAMENT 14 D'IONISATION DU GAZ, ET UNE TROISIEME ELECTRODE 9 POLARISEE POSITIVEMENT. LE DEPOT DE NITRURE DE TITANE EST OBTENU PAR DECHARGE DANS L'AZOTE ET EVAPORATION SIMULTANEE DE TITANE. LE REMPLACEMENT PROGRESSIF DE L'AZOTE PAR UN HYDROCARBURE PERMET D'OBTENIR LE DEPOT DE CARBONITRURE. LA COUCHE DE FINITION DE I-CARBONE EST DEPOSEE APRES SUPPRESSION DE L'AZOTE ET DE L'EVAPORATION DE TITANE.
Description
Revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique de nitrure de
titane, carbonitrure de titane et i-carbone.
titane, carbonitrure de titane et i-carbone.
La présente invention concerne un revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique et comportant une couche de nitrure de titane, et aussi un procédé pour la réalisation de ce revêtement et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que par la combinaison de plusieurs couches de matériaux différents, on arrive à obtenir un revêtement composite dont les propriétés sont notablement améliorées par rapport à l'utilisation d'un seul de ces matériaux.
Les revêtements constitués de matériaux durs, tels que carbure, ou nitrure de titane sont bien connus et largement utilisés dans l'industrie pour obtenir, soit des duretés superficielles accrues, soit une amélioration du coefficient de frottement, une meilleure protection contre la corrosion, et souvent une combinaison de ces effets favorables.
Les méthodes de réalisation de ces revêtements sont également bien connues et très diverses allant des procédés de dépôt chimique aux procédés de dépôt ionique, ceux-ci consistant, d'une façon générale, à projeter des ions des différents matériaux destinés à constituer le revêtement sur la surface du corps ou substrat à recouvrir. Les procedés de dépot ionique de carbure de titane et de nitrure de titane sont déjà mis en oeuvre à grande échelle dans l'industrie, par exemple pour le revêtement de l'arête tranchante des outils de coupe.
Les méthodes de dépôt ioniques sont elles-mêmes diverses par les conditions de mise en oeuvre et la. détermination des différents paramètres du dépôt tel que l'intensité du champ électrique, la pression de gaz régnant dans l'enceinte du dispositif, la température du substrat à recouvrir, et aussi l'ordre dans lequel s'effectue les dépôts dans des revêtements multicouches, ainsi que la nature des matériaux mis en oeuvre.
Parmi les avantages du dépôt ou bombardement ionique, on peut citer une adhérence améliorée du revêtement sur le substrat, la formation de couches denses et uniformes, l'activation des transitions de phases ou des réactions chimiques, sans que la température du substrat s'élève considérablement, et enfin la réalisation de structures métastables, par exemple de mélanges atomiques sans restriction stoechiométrique.
On a pu ainsi réaliser expérimentalement le dépôt ionique de couches de carbone en phase métastable, dont les propriétés sont semblables à celles du diamant, ce carbone étant dénommé "i-carbone", pour rappeler le rôle essentiel des ions dans son procédé de préparation. L'article de C. Weissmantel, "Preparation,
Structure and properties of hard coatings on the basis of i-C and i-BN", paru dans "Thin Films from free atoms and particles" (Klabunde, Academic Press, 1985) décrit en détail les propriétés et procédés de préparation du i-carbone. Ce dernier présente des caractéristiques avantageuses, entre autres une très grande dureté, un coefficient de frottement bas, une résistance aux contraintes de compression considérable, et des propriétés anticorrosion remarquables.
Structure and properties of hard coatings on the basis of i-C and i-BN", paru dans "Thin Films from free atoms and particles" (Klabunde, Academic Press, 1985) décrit en détail les propriétés et procédés de préparation du i-carbone. Ce dernier présente des caractéristiques avantageuses, entre autres une très grande dureté, un coefficient de frottement bas, une résistance aux contraintes de compression considérable, et des propriétés anticorrosion remarquables.
Par contre, la réalisation d'une parfaite adhérence du i-carbone sur un substrat métallique présente quelques difficultés.
L'invention a pour but de regrouper leS avantages des couches de i-carbone avec ceux des revêtements bien connus de nitrure de titane, tout en assurant une adhérence maximale des couches sur le substrat, et entre elles. Conformément à la présente invention, ce but est atteint du fait que le revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique sur la surface d'un substrat et comprenant une couche de nitrure de titane TiN, comporte, en outre, sur ladite couche de TiN, d'abord, une couche de transition de carbonitrure de titane Ti(C,N), puis une couche de finition de i-carbone i-C.
Grâce à l'invention, on obtient un revêtement qui a simultanément une très grande dureté, un coefficient de frottement bas et de très bonnes propriétés anticorrosion, et qui de plus, a une adhérence sur le substrat considérablement renforcée.
Il s'est avéré que dans cette disposition, la structure du i-carbone permet d'assurer une bonne liaison avec la couche sous-jacente.
Selon une réalisation avantageuse de l'invention, le revêtement comprend, en outre, une couche de titane déposée entre le substrat et la couche de TiN.
Le revêtement multicouches selon l'invention présente par la présence de i-C en couche extérieure, tous les avantages de celui-ci. En particulier, la dureté du revêtement est typiquement supérieure à 30 G.Pa (dureté Vickers) et peut atteindre et même dépasser 50 G.Pa, alors que la dureté des revêtements de TiN connus est seulement de l'ordre de 25 G.Pa. De même, le coefficient de frottement est inférieur à 0,1, et peut même atteindre 0,04, alors que le coefficient de frottement du TiN est de l'ordre de 0,2. De plus, la résistance à la corrosion a été notablement améliorée.
Les précédentes caractéristiques du revêtement selon l'invention rendent son utilisation particulièrement avantageuse dans le domaine des outils de coupe tels que forets et plaquettes de coupe grâce à sa dureté, pour des pièces mécaniques en mouvement relatif rapide pour réduire le frottement et l'usure. Les caractéristiques anticorrosion sont avantageuses pour la réalisation de couches dures, et protectrices sur des matériaux divers (métaux, céramique, verre, etc...). Le revêtement peut également être avantageusement utilisé comme couche inerte sur des implants médicaux.
De plus, selon l'épaisseur de la couche de i-C, la couleur du revêtement peut varier de la couleur or, pour des couches de i-C d'épaisseur inférieure à 0,5ym, à la couleur noire pour des épaisseurs de i-C supérieure à 2ym. Pour des épaisseurs intermédiaires, les couleurs sont rougeâtres ou bleuâtres. Dans tous les cas, un aspect brillant est observé. Ces dernières caractéristiques permettent la réalisation d'effets décoratifs, simultanément à la protection et la dureté apportées par le revêtement multicouches.
L'invention a également pour objet un procédé d'élaboration d'un revêtement dur multicouches par dépôt ionique comprenant le dépôt sur la surface d'un substrat, d'une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce qu'on effectue ensuite, sur la couche de iiN, un dépôt ionique d'une couche de Ti(C,N), puis d'une couche de i-C.
Plus particulièrement, selon le procédé, objet de l'invention, on effectue successivement
- le nettoyage du substrat par bombardement ionique obtenu par décharge dans un gaz inerte,
- le dépôt de la couche de titane par évaporation du titane en maintenant la décharge,
- le dépôt de la couche de nitrure de titane par remplacement progressif du gaz inerte par de l'azote,
- le dépôt de la couche de transition de carbonitrure de titane par remplacement progressif de l'azote par un hydrocarbure,
- le dépôt de la couche de i-carbone par arrêt de l'évaporation de titane et suppression de l'azote, et poursuite de la décharge dans l'hydrocarbure.
- le nettoyage du substrat par bombardement ionique obtenu par décharge dans un gaz inerte,
- le dépôt de la couche de titane par évaporation du titane en maintenant la décharge,
- le dépôt de la couche de nitrure de titane par remplacement progressif du gaz inerte par de l'azote,
- le dépôt de la couche de transition de carbonitrure de titane par remplacement progressif de l'azote par un hydrocarbure,
- le dépôt de la couche de i-carbone par arrêt de l'évaporation de titane et suppression de l'azote, et poursuite de la décharge dans l'hydrocarbure.
L'élaboration successive des différentes couches par dépôt ionique assure, en fait, une interpénétration atomique au niveau des interfaces entraînant un passage progressif d'une composition à la suivante, et en conséquence, une très bonne adhérence des couches entre elles. Le dépôt ionique de Ti (ou TiN) directement sur la surface du substrat assure, quant à lui, une "couche d'accrochage" améliorant l'adhérence du revêtement sur le.
substrat.
L'invention concerne également un dispositif de dépôt ionique pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, ce dispositif comprenant une enceinte étanche comportant un couvercle, et dans laquelle sont placés : une cathode porte-substrat entourée d'un écran, un dispositif d'évaporation du titane comportant un canon à électrons, des moyens d'alimentation en gaz, un écran mobile rétractable situé au-dessus du dispositif d'évaporation du titane, et des orifices reliés à une pompe à vide.Conformément à l'invention, cette enceinte est constituée de deux chambres superposées séparées par une cloison intermédiaire, chaque chambre comportant un orifice relié à une pompe à vide, le canon à électrons étant disposé au niveau de la platine intermédiaire et la chambre supérieure étant pourvue sur sa périphérie de solénoîdes. Un filament de tungstène chauffé par effet Joule est placé entre la cathode porte-substrat et l'écran mobile et une troisième électrode polarisée positivement est placée au-dessus dudi filament et sous ladite cathode.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description d'un mode particulier de l'invention qui va être faite en relation avec les dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une représentation simplifiée en vue partiellement éclatée d'un dispositif de dépôt ionique conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue de dessus d'une électrode du dispositif appelée troisième électrode, et d'un filament placé sous ladite troisième électrode montrant leur forme et disposition relative.
- la figure 1 est une représentation simplifiée en vue partiellement éclatée d'un dispositif de dépôt ionique conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue de dessus d'une électrode du dispositif appelée troisième électrode, et d'un filament placé sous ladite troisième électrode montrant leur forme et disposition relative.
On va d'abord décrire le dispositif de dépôt ionique de la figure 1, puis on détailiera les étapes caractéristiques du procédé mis en oeuvre grâce audit dispositif pour réaliser le revêtement dur multicouches de TiN, Ti(C,N) et i-C.
Le dispositif de la figure 1 est un appareil de dépôt ionique comprenant entre autres les différents organes indispensables dans ce type d'appareil et connus par les dispositifs de l'art antérieur. En particulier, ne sont pas représentés les dispositifs auxiliaires et néanmoins indispensables au fonctionnement tels que pompes à vide, sources d'énergie électrique, sources des divers gaz, etc... ainsi que leurs moyens de commande et de contrôle.
L'appareil de la figure 1 est constitué d'une enceinte 1 étanche en acier inox de forme cylindrique d'axe vertical. Cette enceinte 1 comprend une partie supérieure 18 et une partie inférieure 19, séparées par une platine intermédiaire 2. La partie supérieure 18 est fermée par un couvercle 17 qui supporte. les différents organes suivants, placés à l'intérieur de l'enceinte supérieure 18
- Au centre, une cathode porte-substrat 8 de forme générale cylindrique entourée par un écran 15 et dont la face inférieure, perpendiculaire à l'axe du dispositif supporte le substrat dont on réalise le revêtement. La cathode porte-substrat 8 ne présente pas de particularité notable par rapport aux cathodes connues et on ne la décrira pas plus en détail.On rappelle seulement que la cathode 8 est polarisée négativement par rapport à la masse de l'enceinte 1 sous une tension de quelques milliers de Volts.
- Au centre, une cathode porte-substrat 8 de forme générale cylindrique entourée par un écran 15 et dont la face inférieure, perpendiculaire à l'axe du dispositif supporte le substrat dont on réalise le revêtement. La cathode porte-substrat 8 ne présente pas de particularité notable par rapport aux cathodes connues et on ne la décrira pas plus en détail.On rappelle seulement que la cathode 8 est polarisée négativement par rapport à la masse de l'enceinte 1 sous une tension de quelques milliers de Volts.
- Sous la cathode porte-substrat 8, une électrode, appelée troisième électrode 9, et sous celle-ci, un filament en tungstène 14 chauffé par effet Joule.
- Des tuyauteries 10, 11 d'amenée des différents gaz, qui traversent le couvercle de manière étanche, sont reliées par leurs extrémités extérieures aux sources de gaz, non représentées, et qui débouchent dans l'espace situé sous ledit filament 14 et ladite troisième électrode.
- Un écran 16 mobile rétractable commandé par une poignée rotative située au-dessus du couvercle 17, et prévu pour s'interposer entre le canon à électrons 5 et la cathode porte-substrat 8, en dessous des extrémités débouchantes intérieures des tuyauteries 10, 11.
Les fonctions de la troisième électrode 9, du filament 14.
et de l'écran mobile 16, seront décrites de manière plus détaillée ci-après.
La partie supérieure 18 de l'enceinte 1 comporte également un orifice de pompage 7, destiné à être raccordé à une pompe à vide, pour obtenir le vide requis à l'intérieur de ladite partie supérieure 18.
Des solénoïdes 12, 13 sont disposés autour de la partie supérieure 18 en enroulements d'axe vertical, et sont destinés à créer un champ magnétique dans l'enceinte pour concentrer le plasma ionisé créé dans le processus lors de la décharge induite par la polarisation de la cathode porte-substrat.
La partie inférieure 19 de l'enceinte 1 comporte également un orifice de pompage 6, relié à une pompe à vide. A l'intérieur de cette partie, et fixée par des moyens adéquats sur la platine intermédiaire 2, se trouve le canon à électrons 5 et le dispositif d'évaporation du titane. Ces organes sont d'un type bien connu de l'art antérieur, et il n'en sera pas fait de description plus précise. Il est cependant rappelé que ces organes sont destinés dans le processus de dépôt ionique, à vaporiser le titane contenu dans le dispositif 3 par bombardement électronique.
La platine 2 est percée d'un orifice obturable par une soupape 4, et susceptible de mettre en communication les parties supérieure 18 et inférieure 19.
Par exemple, la soupape peut être ouverte pendant la mise au vide, au début du processus, par aspiration par l'orifice de pompage 6 de la partie inférieure, puis la soupape est fermée lars de l'introduction de gaz dans la partie supérieure 18, ce qui permet de conserver un vide beaucoup plus poussé dans la partie inférieure 19 que dans ladite partie supérieure 18.
La séparation de l'enceinte 1 en deux parties est destinée à assurer un meilleur contrôle de la pression régnant dans chaque partie, et en conséquence, à créer un vide suffisant pour éviter les risques d'amorçage pouvant exister au niveau du canon à électrons en cas de présence gazeuse en quantité trop importante.
On va maintenant résumer brièvement le principe du dépôt ionique en basse pression. Après avoir fait un vide poussé dans l'enceinte, on introduit un gaz sous une faible pression, de l'ordre de 10 2 Pa, et une décharge est réalisée par application d'une tension négative (quelques milliers de Volts) par rapport à la masse de l'enceinte à la cathode porte-substrat. Les ions positifs du plasma ainsi créé sont alors accélérés et projetés sur la cathode. Dans le cas de la présente invention, ces ions proviennent, soit du titane vaporisé par le canon à électrons, soit du gaz- introduit dans l'enceinte et dont l'ionisation est effectuée par les électrons libérés par une cathode chaude (constituée ici par le filament 14).
Le dépôt ionique sur le substrat est formé d'une couche de matériau correspondant aux ions projetés. On comprend aisément que l"'accrochage" sur le substrat dépend de l'énergie des ions projetés et donc de la tension cathode, et de la pression gazeuse.
Si la tension augmente et la pression diminue, l'énergie des ions augmente et leur fixation sur le substrat est plus tenace.
Toutefois, si l'énergie devient trop importante, il se produit un effet de décapage par des ions qui ne se fixent pas. Cet effet est utilisé, comme on le verra plus loin, pour nettoyer ce substrat, avant dépôt.
La fonction du filament 14 est d'émettre des électrons pour ioniser le gaz introduit dans la partie supérieure 18 de l'enceinte 1. Les électrons émis par le filament traversent la zone de plasma créée autour de la cathode chaude (filament 14) plusieurs fois avant d'atteindre la grille d'anode constituée par la troisième électrode 9, laquelle est polarisée positivement par rapport à la masse de l'enceinte.
Confcrmément à l'invention, la troisième électrode 9, représentée à la figure 2, est constituée d'un tube 20, dont une partie est cintrée selon une forme sensiblement circulaire ou elliptique, et supporte un grillage 21. Plus précisément, selon un mode particulier de réalisation, la troisième électrode est semblable à une raquette dont le cadre est constitué par le tube 20, et sur lequel est fixé, comme un tamis, le grillage 21. Les deux extrémités du tube 20 sont placées parallèlement l'une à l'autre et coudées de façon que le grillage se trouve parallèle à la face inférieure de la cathode porte-substrat 8, soit perpendiculaire à l'axe vertical du dispositif, et maintenu, par les extrémités verticales du tube 20, au niveau de leur passage étanche au travers du couvercle 17.Une particularité de la troisième électrode 9 est qu'elle est refroidie par circulation d'eau dans le tube 20.
La fonction de cette troisième électrode 9 est de capter les électrons circulant dans le plasma et d'éviter leur dispersion sur les parois de l'enceinte, qui pourrait se produire au détriment de la concentration du plasma. Il est rappelé que la concentration du plasma est également favorisée par le champ magnétique produit par les solénoïdes 12, 13, et que l'écran 15 participe à la non-dispersion des ions attirés par la cathode 8.
L'écran mobile 16 évite, d'une part, le passage d'ions
Titane vers la cathode 8, lorsque l'on veut arrêter la projection de Titane, et d'autre part, la pollution du titane par des particules provenant du plasma, lorsque le bombardement électronique du titane est interrompu.
Titane vers la cathode 8, lorsque l'on veut arrêter la projection de Titane, et d'autre part, la pollution du titane par des particules provenant du plasma, lorsque le bombardement électronique du titane est interrompu.
On va maintenant décrire un cycle typique de dépôt des couches dures composites conformément au procédé objet de l'invention.
Après mise en place du substrat sur le porte-substrat 8, et mise en place du titane dans son dispositif d'évaporation, on ferme hermétiquement l'enceinte 1, et on y fait un vide initial poussé (environ 6,5.10 5 Pa). on introduit un gaz inerte, de préférence de l'argon, sous une pression d'environ 0,65 Pa. On effectue alors une décharge dans l'argon sous une tension de 3 000 V, c'est-à-dire que la cathode porte-substrat 8 est polarisée à - 3 000 V par rapport à la masse de l'enceinte, et avec une intensité de 50 mA. Ceci a pour effet de bombarder la surface du substrat par des ions Ar ayant une énergie de 1 à 3 KeV, et, ainsi, de nettoyer celui-ci pour préparer sa surface au dépôt.
On vaporise le titane contenu dans le dispositif d'évaporation 3 par bombardement d'électrons émis par le canon à électrons 5, et l'écran mobile 16 étant rétracté, il se forme un dépôt de Ti sur le substrat. Ce dépôt peut être plus ou moins accentué par le bombardement simultané d'ions Ar+. De même, on règle l'épaisseur de la couche de Titane pur, en faisant varier la durée du dépôt.
En maintenant la vaporisation du titane, on remplace progressivement l'argon par de l'azote, et on poursuit sle dépôt qui est alors un dépôt de TiN, sous une pression d'azote de 6,5.1O2 à 0,13 Pa, et une tension de décharge de 2 000 V avec un courant de décharge de 250 mA. Pendant le dépôt, la cathode porte-substrat est refroidie pour maintenir la température du substrat à 3000 C. Du fait de la variation progressive des paramètres, en particulier des pressions des différents gaz, il n'y a pas d'interface net entre deux couches superposées, mais une variation progressive de composition, ce qui est un important facteur d'adhérence des différentes couches.
Ensuite, on réduit progressivement la pression d'azote et simultanément on alimente le dispositif en benzène en augmentant progressivement sa pression, tout en maintenant constante l'évaporation du titane. On passe ainsi progressivement de la couche de nitrure de titane à celle de carbure, par création d'une couche de carbonitrure.
On arrête ensuite l'évaporation de titane, simultanément à la fermeture de l'amenée d'azote, le dispositif continuant à être alimenté en benzène sous une pression de 6,5.10-2 Pa. On effectue alors le dépôt de i-carbone sous une tension de 1 000 V avec un courant de décharge de 40 mA. La température du substrat est maintenue au maximum à 2000 C.
Le cycle se termine par l'arrêt de la décharge, de l'alimentation en benzène, le retour à la pression atmospnérique et la dépose du substrat
Comme on le voit dans la description qui vient d'être faite, la couche de transition de carbonitrure de titane a une concentration en azote décroissant régulièrement, et une concentration en carbone croissant en partant de la couche de nitrure de titane, vers la couche de carbone.
Comme on le voit dans la description qui vient d'être faite, la couche de transition de carbonitrure de titane a une concentration en azote décroissant régulièrement, et une concentration en carbone croissant en partant de la couche de nitrure de titane, vers la couche de carbone.
On peut également omettre l'étape de dépôt de carbonitrure de titane, en passant rapidement de l'alimentation en azote à celle en benzène. Dans ce cas, la formation de la couche intermédiaire de Ti(C,N) se'fait directement par l'implantation d'ions de carbone ou de carbone hydrogéné dans la couche précédemment déposée de TiN. L'énergie des ions est de 0,8 à 3 KeV, et il se forme un mélange atomique assurant la liaison des couches voisines.
Le revêtement multicouches élaboré par dépôt ionique trouve, par ses propriétés de dureté élevée, de. faible coefficient de frottement, et de résistance à la corrosion, son application dans de nombreux domaines, de la mécanique à la médecine ainsi que cela a été décrit précédemment, et également comme couche décorative. Les couches peuvent être élaborées sur des substrats quelconques tels que acier, alliages durs, céramiques, verre, etc..
Typiquement, l'épaisseur des couches est comprise-entre 1 et 20 > um, suivant les paramètres de dépôt. Bien entendu, d'autres épaisseurs peuvent être obtenues, tout en restant dans le cadre de l'invention. De même, le dispositif et le cycle décrit précédemment à titre d'exemple ne sont aucunement limitatifs et les valeurs des pressions, température, tension et intensité sont données à titre d'exemple. Diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art aux procédé et dispositifs décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications.
Claims (11)
1. Revêtement dur multicouches élaboré par dépôt ionique sur la surface d'un substrat, comprenant une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, sur la couche de nitrure de titane, d'abord une couche de transition de carbonitrure de titane, puis une couche de finition de i-carbone.
2. Revêtement dur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de transition de carbonitrure de titane a une concentration en azote décroissant régulièrement et une concentration en carbone croissant, en partant de la couche de nitrure de titane vers la couche de i-carbone.
3. Revêtement dur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une couche de titane déposée entre le substrat et la couche de nitrure de titane.
4. Procédé d'élaboration d'un revêtement dur multicouches par dépôt ionique comprenant le dépôt, sur la surface d'un substrat, d'une couche de nitrure de titane, caractérisé en ce que l'on effectue ensuite, sur la couche de nitrure de titane, le dépôt ionique d'une couche de carbonitrure de titane, puis d'une couche de i-carbone.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on effectue préalablement au dépôt de la couche de nitrure de titane, un dépôt ionique d'une couche de titane pur directement sur la surface du substrat.
6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'on effectue successivement
- le nettoyage du substrat par bombardement ionique obtenu par décharge dans un gaz inerte1
- le dépôt de la couche de titane par évaporation du titane en maintenant la décharge,
- le dépôt de la couche de nitrure de titane par remplacement progressif du gaz inerte par de l'azote,
- le dépôt de la couche de transition de carbonitrure de titane par remplacement progressif de l'azote par un hydrocarbure,
- le dépôt de la couche de i-carbone par arrêt de l'évaporation de titane et suppression de l'azote, et poursuite de la décharge dans l'hydrocarbure.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'à la fin du dépôt de nitrure de titane, on procède rapidement au remplacement de l'azote par un hydrocarbure, de sorte que la couche de transition de carbonitrure de titane est formée directement par l'implantation d'ions de carbone ou de carbone hydrogéné émanant de l'hydrocarbure, sur la couche de nitrure de titane.
8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le gaz inerte est de l'argon et que l'hydrocarbure est du benzène.
9. Procédé selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'on maintient la température du substrat à 3000 C environ pendant le dépôt de nitrure de titane et à 2000 C environ pendant le dépôt de i-carbone.
10. Dispositif de dépot ionique pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 4 à 8, comprenant une enceinte étanche (1) comportant un couvercle (17), et dans laquelle sont placés : une cathode porte-substrat (3), entourée d'un écran (15), un dispositif d'évaporation du titane (3) comportant un canon à électrons (5), des moyens d'alimentation en gaz (10, 11), un écran mobile rétractable (16) situé au-dessus du dispositif d'évaporation du titane (3), et des orifices (6, 7) reliés à une pompe à vide, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est constituée de deux chambres (18, 19) superposées séparées par une cloison intermédiaire (2), chaque chambre comporte un orifice (6, 7), relié à une pompe à vide, le canon à électrons (5) est disposé au niveau de la platine intermédiaire (2), la chambre supérieure (18) est pourvue sur sa périphérie de solénoïdes (12, 13), un filament de tungstène (14) chauffé par effet Joule est placé entre la cathode porte-substrat (8) et l'écran mobile (16), et une troisième électrode (9) polarisée positivement est placée au-dessus dudit filament (14) et sous ladite cathode (8).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la troisième électrode (9) est constituée d'un tube (20) dont une partie est cintrée et supporte un grillage (21) disposé parallelement à la face inférieure de la cathode porte-substrat et que ladite troisième électrode est refroidie par circulation d'eau dans ledit tube.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8604944A FR2596775B1 (fr) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8604944A FR2596775B1 (fr) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2596775A1 true FR2596775A1 (fr) | 1987-10-09 |
| FR2596775B1 FR2596775B1 (fr) | 1992-11-13 |
Family
ID=9333971
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8604944A Expired - Lifetime FR2596775B1 (fr) | 1986-04-07 | 1986-04-07 | Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2596775B1 (fr) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3790317C2 (fr) * | 1986-06-18 | 1990-06-07 | Ricoh Co., Ltd., Tokio/Tokyo, Jp | |
| EP0585583A1 (fr) * | 1992-07-31 | 1994-03-09 | Ykk Corporation | Film rigide multicouche et procédé pour sa préparation |
| US5308707A (en) * | 1991-10-07 | 1994-05-03 | Nitruvid | Treatment process for depositing a layer of carbon in vapour phase on the surface of a metal article and article thus obtained |
| WO1995016799A1 (fr) * | 1993-12-18 | 1995-06-22 | Robert Bosch Gmbh | Procede de production d'une couche de materiau a resistance mecanique elevee |
| FR2728272A1 (fr) * | 1994-12-20 | 1996-06-21 | Commissariat Energie Atomique | Couche d'interface entre un revetement mince a base de carbone et un substrat en alliage de titane, materiau multicouche comprenant ladite couche et son procede de fabrication |
| EP0731190A1 (fr) * | 1995-03-08 | 1996-09-11 | General Motors Corporation | Procédé de fabrication de couches de carbone |
| EP0796930A1 (fr) * | 1996-03-18 | 1997-09-24 | Wälztechnik Saacke-Zorn GmbH & Co. K.G. | Utilisation d'une couche mince de carbone élémentaire sur outils de coupe |
| EP1362931A1 (fr) * | 2000-04-12 | 2003-11-19 | Unaxis Balzers Aktiengesellschaft | Procédé et dispositif pour la fabrication d'un système de couches de DLC |
| US7927700B2 (en) | 2003-07-25 | 2011-04-19 | Nv Bekaert Sa | Substrate covered with an intermediate coating and a hard carbon coating |
| US20130172974A1 (en) * | 2001-11-30 | 2013-07-04 | Advanced Cardiovascular Systems, Inc. | Modified surface for an implantable device and a method of producing the same |
| CN114959551A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 超微中程纳米科技（苏州）有限公司 | 模具钢刀具离子氮化工艺 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5342009A (en) * | 1976-09-28 | 1978-04-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Preparation of magnetic recording medium |
| DD141039A1 (de) * | 1977-08-04 | 1980-04-09 | Klaus Bewilogua | Verfahren zur herstellung harter schichten mit hoher haftfestigkeit |
| JPS5629670A (en) * | 1980-07-25 | 1981-03-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Preparation of coated high speed steel |
| US4337300A (en) * | 1979-08-09 | 1982-06-29 | Mitsubishi Kinzoku Kabushiki Kaisha | Surface-coated blade member for cutting tools and process for producing same |
| JPS57161058A (en) * | 1981-03-30 | 1982-10-04 | Agency Of Ind Science & Technol | Production of hard film |
| JPS5864377A (ja) * | 1981-10-12 | 1983-04-16 | Nachi Fujikoshi Corp | 表面被覆工具およびその製造方法 |
| EP0093706A1 (fr) * | 1982-05-05 | 1983-11-09 | Voest-Alpine Stahl Aktiengesellschaft | Outil et son procédé de fabrication |
| JPS59170262A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-26 | Mitsubishi Metal Corp | 耐摩耗性のすぐれた表面被覆工具部材 |
| EP0141417A2 (fr) * | 1983-11-07 | 1985-05-15 | Hitachi, Ltd. | Appareil pour l'obtention d'un film par faisceau d'ions |
| EP0166708A2 (fr) * | 1984-06-27 | 1986-01-02 | Santrade Ltd. | Objet ayant un revêtement extrêmement dur |
-
1986
- 1986-04-07 FR FR8604944A patent/FR2596775B1/fr not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5342009A (en) * | 1976-09-28 | 1978-04-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Preparation of magnetic recording medium |
| DD141039A1 (de) * | 1977-08-04 | 1980-04-09 | Klaus Bewilogua | Verfahren zur herstellung harter schichten mit hoher haftfestigkeit |
| US4337300A (en) * | 1979-08-09 | 1982-06-29 | Mitsubishi Kinzoku Kabushiki Kaisha | Surface-coated blade member for cutting tools and process for producing same |
| JPS5629670A (en) * | 1980-07-25 | 1981-03-25 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Preparation of coated high speed steel |
| JPS57161058A (en) * | 1981-03-30 | 1982-10-04 | Agency Of Ind Science & Technol | Production of hard film |
| JPS5864377A (ja) * | 1981-10-12 | 1983-04-16 | Nachi Fujikoshi Corp | 表面被覆工具およびその製造方法 |
| EP0093706A1 (fr) * | 1982-05-05 | 1983-11-09 | Voest-Alpine Stahl Aktiengesellschaft | Outil et son procédé de fabrication |
| JPS59170262A (ja) * | 1983-03-14 | 1984-09-26 | Mitsubishi Metal Corp | 耐摩耗性のすぐれた表面被覆工具部材 |
| EP0141417A2 (fr) * | 1983-11-07 | 1985-05-15 | Hitachi, Ltd. | Appareil pour l'obtention d'un film par faisceau d'ions |
| EP0166708A2 (fr) * | 1984-06-27 | 1986-01-02 | Santrade Ltd. | Objet ayant un revêtement extrêmement dur |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| CHEMICAL ABSTRACTS, vol. 102, no. 16, avril 1985, page 249, no. 135946h, Columbus, Ohio, US; & JP-A-59 170 262 (MITSUBISHI METAL CORP.) 26-09-1984 * |
| PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 2, no. 77, 17 juin 1978, page 3081 E 78; & JP-A-53 42 009 (MATSUSHITA DENKI SANGYO K.K.) 17-04-1978 * |
| PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 5, no. 85 (C-57)[757], 3 juin 1981; & JP-A-56 29 670 (SUMITOMO DENKI KOGYO K.K.) 25-03-1981 * |
| PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 7, no. 155 (C-175)[1300], 7 juillet 1983; & JP-A-58 64 377 (FUJIKOSHI K.K.) 16-04-1983 * |
| PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, vol. 7, no. 3 (C-143)[1148], 7 janvier 1983; & JP-A-57 161 058 (KOGYO GIJUTSUIN (JAPAN)) 04-10-1982 * |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3790317C2 (fr) * | 1986-06-18 | 1990-06-07 | Ricoh Co., Ltd., Tokio/Tokyo, Jp | |
| US5308707A (en) * | 1991-10-07 | 1994-05-03 | Nitruvid | Treatment process for depositing a layer of carbon in vapour phase on the surface of a metal article and article thus obtained |
| US5462775A (en) * | 1992-07-07 | 1995-10-31 | Yoshida Kogyo K.K. | Method of producing hard multilayer film formed material |
| US5663000A (en) * | 1992-07-31 | 1997-09-02 | Ykk Corporation | Hard multilayer film formed material of titanium and carbon/silicon |
| EP0585583A1 (fr) * | 1992-07-31 | 1994-03-09 | Ykk Corporation | Film rigide multicouche et procédé pour sa préparation |
| WO1995016799A1 (fr) * | 1993-12-18 | 1995-06-22 | Robert Bosch Gmbh | Procede de production d'une couche de materiau a resistance mecanique elevee |
| FR2728272A1 (fr) * | 1994-12-20 | 1996-06-21 | Commissariat Energie Atomique | Couche d'interface entre un revetement mince a base de carbone et un substrat en alliage de titane, materiau multicouche comprenant ladite couche et son procede de fabrication |
| EP0718417A1 (fr) * | 1994-12-20 | 1996-06-26 | Commissariat A L'energie Atomique | Matériau multicouche |
| EP0731190A1 (fr) * | 1995-03-08 | 1996-09-11 | General Motors Corporation | Procédé de fabrication de couches de carbone |
| EP0796930A1 (fr) * | 1996-03-18 | 1997-09-24 | Wälztechnik Saacke-Zorn GmbH & Co. K.G. | Utilisation d'une couche mince de carbone élémentaire sur outils de coupe |
| EP1362931A1 (fr) * | 2000-04-12 | 2003-11-19 | Unaxis Balzers Aktiengesellschaft | Procédé et dispositif pour la fabrication d'un système de couches de DLC |
| US7160616B2 (en) | 2000-04-12 | 2007-01-09 | Oc Oerlikon Balzers Ltd. | DLC layer system and method for producing said layer system |
| US20130172974A1 (en) * | 2001-11-30 | 2013-07-04 | Advanced Cardiovascular Systems, Inc. | Modified surface for an implantable device and a method of producing the same |
| US8834555B2 (en) * | 2001-11-30 | 2014-09-16 | Abbott Cardiovascular Systems Inc. | TiNxCy modified surface for an implantable device and a method of producing the same |
| US7927700B2 (en) | 2003-07-25 | 2011-04-19 | Nv Bekaert Sa | Substrate covered with an intermediate coating and a hard carbon coating |
| CN114959551A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-08-30 | 超微中程纳米科技（苏州）有限公司 | 模具钢刀具离子氮化工艺 |
| CN114959551B (zh) * | 2022-04-29 | 2023-12-19 | 超微中程纳米科技（苏州）有限公司 | 模具钢刀具离子氮化工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2596775B1 (fr) | 1992-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0038294B1 (fr) | Procédé de dépôt d'un revêtement dur métallique, cible de dépôt pour un tel procédé et pièce de joaillerie comportant un tel revêtement | |
| FR2544747A1 (fr) | Procede de protection contre les dommages par frottement | |
| US4480010A (en) | Method and coating materials by ion plating | |
| EP0787222B1 (fr) | Procede de depot d'un revetement protecteur de grande durete | |
| Mattox | Physical vapor deposition (PVD) processes | |
| US5306407A (en) | Method and apparatus for coating substrates | |
| US8273222B2 (en) | Apparatus and method for RF plasma enhanced magnetron sputter deposition | |
| FR2500852A1 (fr) | ||
| FR2578270A1 (fr) | Procede de vaporisation reactive de couches d'oxyde, de nitrure, d'oxynitrure et de carbure. | |
| FR2708624A1 (fr) | Procédé de dépôt d'un revêtement protecteur à base de pseudo carbone diamant amorphe ou de carbure de silicium modifié. | |
| FR2544746A1 (fr) | Procede de placage ionique pur utilisant des champs magnetiques | |
| FR2596775A1 (fr) | Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone | |
| FR2535109A1 (fr) | Appareil de pulverisation, utilisable notamment pour la fabrication des dispositifs a semi-conducteurs | |
| FR2691834A1 (fr) | Procédé pour produire et pour amorcer une décharge basse tension, installation de traitement sous vide et chambre à cathode pour celle-ci, et utilisations du procédé. | |
| CN107779839B (zh) | 基于阳极技术的dlc镀膜方法 | |
| BE1010420A3 (fr) | Procede pour la formation d'un revetement sur un substrat et installation pour la mise en oeuvre de ce procede. | |
| FR2957454A1 (fr) | Procede de conditionnement d'un canon a ions | |
| JPS60234965A (ja) | 薄膜製造方法 | |
| EP0010971B1 (fr) | Procédé de dépôt | |
| EP1239056A1 (fr) | Amélioration d'un procédé et dispositif pour le dépôt de couche mince, spécialement sous conditions réactives | |
| FR2722800A1 (fr) | Produits composites en acier revetus en double couche et leur procede de fabrication | |
| CH627791A5 (en) | Process for covering the surface of an electrically conductive article, plant for making use of the process and application of the process | |
| EP0792382B1 (fr) | Appareil de depot sous vide relatif d'un materiau sur des pieces en vrac | |
| EP0801414A2 (fr) | Appareil et prodcedé de dépÔt en phase vapeur par arc controlé à gaz | |
| WO2021123572A1 (fr) | Traitement in situ de poudres pour fabrication additive |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CL | Concession to grant licences | ||
| ST | Notification of lapse |