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Quelques exemples d'applications

Le Carbone amorphe (DLC : Diamond Like Carbon ; aC:H, MeC:H)
 

1 - Objectifs du revêtement

Le carbone amorphe souvent appelé DLC est un matériau obtenu en couches minces (parfois moins de 1 µm) par les techniques de dépôt sous vide. Sa dureté est variable mais toujours très élevée (1000 à 5000 Vickers et plus). Sa particularité est de présenter un coefficient de frottement en général très bas avec de très nombreux antagonistes (coefficient de frottement souvent inférieur à 0,1). Cette propriété alliée avec une inertie chimique remarquable permet de l’utiliser dans des applications où l’usure et le frottement doivent être faibles.



2 - Propriétés générales des revêtements

  • Résistants à l’usure – Dur mais flexible
  • Résistants à la corrosion - insensible aux acides, bases et solvant
  • Lubrifiants – coefficient de friction < 0.1
  • Adhérent – Chimiquement lié au substrat
  • Biocompatible – L’intégrité de la cellule est conservée
  • Haemocompatible – réduit la coagulation
  • Atomiquement très dense - barrière de diffusion efficace


3 – Mise en œuvre des revêtements

Les revêtements minces et durs de type carbone amorphe sont déposés par des techniques de dépôt sous vide faisant toutes appel au plasma froid. Il s’agit pour l’essentiel de :

  • PACVD


  • Pulvérisation Cathodique

  • Les couches minces ainsi obtenues sont principalement constituées de carbone et d’hydrogène, avec des teneurs en hydrogène variant selon la tension de polarisation du substrat. Ce dernier paramètre est d’importance, car il apparaît clairement que la teneur en hydrogène diminue lorsque la valeur absolue de la tension augmente, et ce de manière à peu près linéaire.

  • Arc Cathodique

  • Faisceau d’ions
2 Sources en parallèle
Source : Advanced Energy 2005
Source en Argon + Methane

Les précurseurs pouvant selon le cas être gazeux ou solides. Il est presque toujours nécessaire de réaliser une interface entre le Carbone amorphe et la pièce à traiter afin d’obtenir une bonne adhérence et accommoder les contraintes.



4 - Exemples d’applications

4.1 - Applications mécaniques

Systèmes hydrauliques (pompes, vérins) - Composants moteurs


4.2 - Applications alimentaires

La barrière DLC interne a été développée à l’origine pour les bouteilles de bière.
Le DLC réduit la migration de substances étrangères du plastique vers la boisson.
Les améliorations se résument comme suit :

  • La barrière à l’oxygène est améliorée de plus de 20 fois
  • La barrière au CO2 est améliorée de 7 fois
  • La barrière à l’eau est améliorée de 8 fois
  • Les niveaux d’acetylaldehyde sont réduits de 8 fois
  • Le DLC donne une couleur légèrement teintée et une bonne transparence

4.3 - Applications décoratives

Le dépôt DLC permet des couleurs et des propriétés mécaniques spécifiques.

Actuellement utilisé dans l’industrie horlogère.

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4.4 - Dépôts sur outils coupants

Substrats en inox: Un pré-nettoyage ionique améliore l’adhérence du DLC sur des lames de couteau pour moquette

Inox non traité :

  • Substrat préparé en bain ultrason et isopropanol
  • Le dépot de 1 µm de DLC n’adhère pas


Inox traité :

  • Substrat préparé en bain ultrason et isopropanol
  • 3 kV, Ar:O 2 (1:1), 2 m / min
  • Le dépot de 1 mm DLC présente une bonne adhésion


Les propriétés d’auto lubrification et de résistance à l’usure sont largement utilisés sur les outils de coupe, forets, fraises …


4.5 - Applications médicales

Mèche pour percer l’os : la lubrification et la résistance à l’usure permet un meilleur perçage


Des implants en métal massif pour des implants de prothèses de hanches, d’épaule et de genou peuvent générer des intolérances dues au rejet d’ion métalliques dans les tissus. De par sa structure dense, le dépôt DLC agit comme une barrière à la diffusion du métal des implants.

D’autres avantages sont :

  • La résistance à l’usure
  • La lubrification
  • Les dommages réduits sur les tissus environnants...


5 - Evolution du procédé

Il est également possible de combiner le dépôt avec un traitement préalable du substrat (par exemple une diffusion thermochimique). Dans ce cas, ce traitement duplex (appelé aussi traitement à gradient de propriétés) permet d’interposer entre le très dur (dépôt DLC) et le « mou » (dureté à cœur du substrat), une zone de quelques dixièmes de mm d’épaisseur (dans le cas d’une nitruration) présentant un gradient de dureté.

5.1 - Principe d’un traitement Duplex

Réalisation en deux séquences successives d’un Matériau à gradient de propriétés

  • Traitement thermochimique de diffusion (nitruration 0,1-0,3 mm)
  • Revêtement dur (propriétés de surface : frottement - résistance à l’usure - inertie chimique)

Le tableau ci-après montre les résultats obtenus sur un substrat en TA6V. Le comportement du revêtement est évalué par un test de rayure à la pointe diamant (200 µ, 0 à 30 N en chargement progressif). Trois niveaux de charge sont déterminés :

  • Lc1 : apparition de la première fissure (phase d’initiation).
  • Lc2 : début de l’écaillage de la couche (phase de propagation).
  • Lc3 : apparition du substrat (phase de rupture).

 

Lc1 (fissuration)

Lc2 (écaillage)

Lc3 (substrat)

Ti-6AL-4V (DLC seul)

3,5 – 5,1 N

6,7 – 10,1 N

13,0 – 21,4 N

Ti-6AL-4V (Duplex)

10,2 – 11,6 N

12,1 – 15,5 N

25,0 – 29,6 N



5.2 - Exemple d’application du traitement Duplex

Cas d’un ensemble roue-vis : test sur banc d’essai.

  • Pression de hertz : 400 MPa.
  • Vitesse de glissement : 4,5 m/sec.
  • Vitesse de sortie : 118 m/min.
  • Cahier des charges : tenue 15000 cycles sans endommagement (pitting essentiellement).













Traitement réalisé

Couche nitrurée

Revêtement DLC

Nombre de cycles

Nitruration ionique seule

0,2 mm

-

Pitting après 5000

Duplex

0,2 mm

3 µ

RAS après 15000



6 - Conclusion

Le Diamond Like Carbon :

  • Est simple à mettre en oeuvre par des méthodes industrielles classiques
  • Possède des propriétés intrinsèque telles que :
    • La résistance à l’usure
    • L’autolubrification
    • La barrières aux espèces
    • La bio-compatibilité
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