Etude des effets de l'implantation ionique d'azote sur les propriétés du magnésium pur, du cuivre pur et des alliages cuivreux

Study of nitrogen ion implantation effects on pure magnesium, pure copper, and copper alloys properties.

• Auteur / Autrice : Matthieu Cavellier
• Direction : Thierry Gloriant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrosion

Alliages

Résumé

Le but de ces travaux était d’évaluer les possibilités du procédé miniaturisé d’implantation ionique "Hardion+" développé par Quertech Ingénierie, pour le traitement de surface du magnésium pur, du cuivre pur, du laiton et du bronze. Grâce à ce procédé, il a été possible de créer du nitrure de magnésium dans le magnésium pur, ce qui a augmenté la dureté superficielle. Bien que la même méthode ait été utilisée, il a été impossible de créer des nitrures métalliques dans le cuivre ou les alliages cuivreux. Néanmoins, nous avons pu observer une amélioration des propriétés surfaciques : les tests tribologiques "ball-on-disk" ont démontré que le coefficient de frottement et le taux d’usure diminuent grâce à l’implantation d’azote, et différents tests de corrosion effectués sur le cuivre et le laiton ont établi que la résistance à la corrosion en solution saline peut être améliorée. Les tests de nano-indentation ont prouvé que la dureté superficielle du bronze était multipliée par quatre après implantation d’azote. Différentes doses d’implantation d’azote ont été testées sur le cuivre, le laiton, et le bronze, et les résultats ont démontré qu’il existe une dose optimale d’implantation créant les améliorations les plus significatives. Cependant, cette dose optimale peut être différente en fonction des propriétés considérées, et dans certains cas, une faible variation autour de cette dose optimale est suffisante pour perdre ces propriétés particulières. Bien que l’épaisseur de la couche implantée soit inférieure à 500 nm, des effets macroscopiques et longue-portée peuvent être observés, tel que la création d’une barrière de diffusion par implantation d’azote dans le cuivre. Les avantages de cette nouvelle propriété sont déjà utilisés pour le traitement d’électrodes de soudage résistif, et intéressent fortement les industriels de la connectique qui commencent à comprendre toutes les possibilités du procédé "Hardion+".

The aim of this work was to evaluate the possibilities of the miniaturized nitrogen ion implantation process "Hardion+" developed by Quertech Ingénierie, for surface treatment of pure magnesium, pure copper, brass and bronze. Thanks to this new process, we were able to create magnesium nitride in pure magnesium, which induced an increase in surface hardness. Even though the same process was used, it was impossible to create any metal nitride into pure copper or copper alloys. Nevertheless, we observed an enhancement of surface properties: ball-on-disk tests highlighted that friction coefficient and wear rate decreased due nitrogen implantation, and different kinds of corrosion tests performed on copper and brass revealed that corrosion resistance in salt solution can be increased. Nanoindentation tests proved that surface hardness of bronze was multiplied by four after nitrogen implantation. Various nitrogen implantation doses were tested on copper, brass and bronze and the results showed that an optimal dose inducing the most significant enhancement can be found. However, this optimal dose can be different according to the property targeted, and in some cases, a small variation around this optimal dose can be sufficient to loose these remarkable properties. Although the implanted layer thickness is below 500 nm, some macroscopic and long-range effects can be observed, such as the creation of a diffusion barrier by nitrogen implantation into copper. The advantages of this new property are already used for treatment of spot welding electrodes, and makes people from connector industry thinking about all the possibilities of "Hardion+" process