Brevet FR2130548A1 — publié le 19721103

i 2130548 La présente invention est relative aux articles en céramique et concerne plus particulièrement les compositions et les méthodes permettant la fabrication en série de ces articles à bas prix. On connaît déjà diverses méthodes de fabrication de différentes sortes d' 5 articles utilisant des matériaux vitreux, du verre pulvérisé ou du quartz. D'une façon générale, les méthodes et les compositions connues ne donnent pas entière satisfaction du fait qu'elles nécessitent des températures élevées de cuisson ou des temps de cuisson importants, des matières premières coûteuses et des moules spéciaux ou des opérations de longue durée qui empêchent une pro-fn flTir- a £r i e de ces objets d'une façon avantageuse. Suivant la présente invention, un article encëramique est constitué d'un mélange comprimé et cuit d'argile, de verre en poudre et d'au moins un des minéraux suivants: wollastonite, talc, et silex de potier. Le mélange peut avantageusement être constitué de 10 à 25 % en poids du mi-15 nerai choisi, de 25 à 45 % en poids d'argile figuline et dis 25 à 45 % en poids de verre en poudre. Le mélange peut également contenir jusqu'à 5 % en poids de bentonite et/ou jusqu'à 5 % en poids d'un pigment inorganique. Lorsque l'article se présente sous la forme d'un isolateur en céramique 20 pour un culot de lampe électrique ou, d'un objet similaire, un mélange-moulé--' sous pression et cuit constitué de 10 à 25 % en poids de wollastonite, de 25 à 45 Z en poids d'argile figuline et de 25 à 45 % en poids d'un verre réduit en poudre ayant un point de ramollissement en-dessous de 800*C, a donné la plus grande satisfaction. 25 L'invention coaporte également une méthode de fabrication d'un article en céramique qui comprend les phases suivantes: a) le mélange de quantités déterminées d'argile, d'au moins un des minéraux suivants: wollastonite, talc, pétalite et silex de potier et de verre réduit en poudre pour obtenir une composition de départ finement divisée, b) la mise en moule de la composition de départ et la 30 compression de celle-ci pour en faire un aggloméré, c) l'enlèvement de l'aggloméré hors du moule et son chauffage à une température supérieure au point de ramollissement du verre en poudre et d) le maintien de l'aggloméré à cette dite température jusqu'à ce qu'il soit transformé en un corps céramique durci. Un procédé qui convient particulièrement bien pour la fabrication des iso-35 lateurs en céramique pour culots de lampes électriques ou objets similaires comprend le mélange de 25 à 45 % en poids d'argile figuline, de 10 à 25 % en poids de wollastonite et de 25 à 45 % en poids de verre réduit en poudre ayant un point de ramollissement inférieur à 800°C, de préférence, du verre au silicate de soude et de chaux réduit en poudre, la formation de l'aggloméré en soumettant 40 la composition résultante à une pression de moulage de l'ordre de 70 à 500 72 10024 2 2130548 2 kg/cm , le dit aggloméré étant par la suite chauffé à une température de l'ordre de 800 à 1 000°C et maintenu à cette température pendant une période allant de 10 minutes à une heure. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va sui-5 vre et aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure 1 est une vue en élévation d'une lampe à incandescence ayant un ensemble de culot qui comprend un isolateur préformé réalisé suivant la présente invention. - La figure 2 est une vue en perspective à grande échelle de l'isolateur en 10 céramique préformé utilisé dans la lampe montrée â la figure 1 et - La figure 3 représente les diverses phases de fabrication d'un article sui-vant une mise en oeuvre particulière de l'invention. Bien que la composition et la méthode de la présente invention puissent être employées pour fabriquer divers genres d'articles en céramique, l'inventi-15 on est particulièrement indiquée pour être utilisée en rapport avec la fabrication des isolateurs de culot pour lampes électriques du type prévu pour l'éclairage. Comme indiqué à la figure 1, ce genre de lampe 10 comprend une ampoule classique en verre 12 qui protège une source de lumière adéquate, comme par e-xemple, un filament en tungstène (non représenté) et dont le col 13 s'adapte 20 dans un culot 14. Dans la réalisation particulière représentée, le culot 14 comprend une enveloppe métallique filetée.15 et un isolateur en céramique préfabriqué 16 qui est solidarisé mécaniquement à l'enveloppe 15 par un sertissage périphérique 17. Le culot 14 possède également un capuchon métallique d'extrémité 20 qui est enfoncé de force sur le bout de l'isolateur et qui constitue l'une 25 des bornes de contact de la lampe. Comme indiqué à la figure 2, l'isolateur en céramique 16 est conformé comme un bouton possédant une partie plate formant couronne 18 et une partie médiane tronconique 19 qui présente une protubérance 21 de forme cylindrique dont le bord extérieur est chanfreiné. Une ouverture 22, située au centre de la protubé-30 rance 21 permet à l'un des fils d'alimentation de la lampe 10 de traverser l'isolateur 16 et d'être raccordé au capuchon métallique d'extrémité 20 lors du montage. Suivant la présente invention, l'isolateur en céramique (ou tout autre .article) est fabriqué à partir d'une composition d'un mélange de départ qui con-35 tient des quantités déterminées d'argile, de verre réduit en poudre et un minéral réfractaire (wollastonite, talc, pétalite ou silex de potier) comme ingrédients essentiels. Bien que divers types d'argile peuvent être utilisés, on préfère l'argile figuline. D'excellents résultats ont été obtenus en utilisant une argile figuline vendue par la firme "Kentucky - Tennessee Company" sous la mar-40 que "Old Mine ^ 4". Les argiles figulines sont bien connues des spécialistes de 72 10024 3 2130548 cette branche de la technique et sont classées suivant leurs propriétés et leur origine comme consigné dans l'article intitulé "Bail Clay Classification" commençant à la page 59 de la publication "Ceramic Age" de juillet 1970. La wollastonite est un silicate de calcium (Ca Si 0^) que l'on trouve à 1* 5 état naturel sous la forme de masses fibreuses de couleur blanche. Son nom vient de Wollaston, nom d'un chimiste anglais mort en 1928. La wollastonite fond à 1 540°C. Le talc est également un minéral que l'on trouve à l'état naturel, particulièrement sous la forme Mg^ (Si 0^)^ qui est du silicate de magnésium (point 10 de fusion supérieur à 1 400°C). C'est un matériau de couleur allant du vert tendre au gris dont on connaît différentes variétés comme, par exemple, la potsto-ne, la soapstone (craie), la stéatite ... etc ... La pétalite est un silicate d'aluminium et de lithium dont la formule est: Li Al (Si£ 0^)2« Son point de fusion se situe aux environs de 1 4QO.tg=êt^x=s¥^ 15 trouve à l'état naturel sous la forme de masses feuilletées clivables, incolores ou blanches (et parfois rougeâtres ou verdâtres). Le silex de potier est constitué par du grès et du quartzite de terre et n'est donc pas un vrai silex. Toutefois, il contient en fait de grandes quantités de Si O^. 20 Bien que divers types de verre en morceaux peuvent être pulvérisés et uti lisés dans la composition du mélange de départ, on préfère un verre qui possède un bas point de fusion (en-dessous de 800°C) du fait qu'il permet de réduire à la fois la température et la durée de cuisson et qu'il permet de fabriquer les articles très rapidement en grande quantité, ce qui est nécessité essentielle 25 dans le cas de la fabrication des culots de lampe. D'excellents résultats ont été obtenus en utilisant du groisil de verre, c'est-à-dire des débris de verre qui sont produits dans les fabriques de lampes électriques au moment du scellement de la monture du filament sur l'extrémité de l'ampoule en verre, quand on enlève la partie inférieure de celle-ci qui est superflue. Les débris de verre 30 peuvent également être produits dans les verreries qui fabriquent des tubes pour lampes fluorescentes. De grandes quantités de débris de verre peuvent donc être obtenues facilement à des prix très bas. Techniquement parlant, le groisil de verre est un verre au silicate de soude et de chaux qui possède un point de ramollissement se situant vers les 693°C 35 et une température de travail d'environ 1 000°C. La composition chimique de ce type de verre et les quantités maxima des divers constituants, de même que les quantités spécifiques de ceux-ci utilisées dans un verre classique de ce type, employé dans l'industrie des lampes pour la fabrication des ançoules sont données au tableau I ci-dessous, les quantités é-40 tant exprimées en pourcentages en poids telles que calculée à partir de 72 10024 4 2130548 l'ensemble total. TABLEAU I. COMPOSITION DU VERRE AU SILICATE DE SOUDE ET DE CHAUX. Constituants Quantités Quantités 5 (% en poids) (X en poids) verre d'ampoule Si 02 60 - 75 72,5 Na2 0 5-18 16,5 Ca 0 i 4-13 5,3 10 Mg 0 > 3,7 A12 °3 0,5 - 3,4 1,7 K2 c>l 1 O 0,18 De faibles quantités de As2 O^ ou de Sb^ O^ peuvent également, si on le dé-15 sire, être incorporées comme agents d'affinage. Bien que l'on préfère le verre au silicate de soude et de chaux, du fait qu'il est également"utilisé pour la fabrication des bouteilles et autres récipients et qu'il est facilement trouvable sous forme de débris, d'autres verres à bas point de fusion, comme les verres à la chaux et au plomb bien connus, peu-20 vent également être utilisés. La composition du mélange de départ peut également comprendre une petite quantité de bentonite. La bentonite est un silicate de magnésium et d'aluminium (MgO. Al^Oj. 4 SiO^. nH^O). C'est un minerai que l'on trouve à l'état naturel sous forme d'argile et qui reçut son nom d'après le gisement à Fort Benton dans 25 la vallée supérieure du Missouri. On peut également incorporer une faible quantité d'un pigment inorganique dans le mélange de départ pour donner une couleur distincte au corps céramique. Par exemple, une très petite quantité d'oxyde de cobalt donne un corps céramique bleu, du bioxyde de manganèse fournit une couleur grisâtre tandis que l'oxyde de 30 fer donne un corps céramique rougeâtre. La couleur naturelle de la composition après cuisson est un blanc laiteux agréable. Les quantités maxima et minima des divers constituants ainsi que les quantités spécifiques d'une composition préférée sont données au tableau II ci-dessous. 72 10024 5 2130548 TABLEAU II. COMPOSITION DU MELANGE DE DEPART. Constituants ' Quantités ' Composition Ensemble t max. et min. ' préférée total. Poids 5 i (% en poids) . 1 (% en poids) (en gr.) verre au silicate ' de soude et de ' chaux réduit en ' poudre ' 1 25-45 1 f 40 40 10 Argile figuline ' 25-45 ' 40 40 Wollastimite ' 10-25 ' 16 16 Bentonite ' 0-5 ' 4 4 15 Pigment ' inorganique ' 0-5 | - 4 Bien qu'on ait mentionné la wollastonite sur le tableau ci-dessus, il est bien entendu qu'elle peut être remplacée par une quantité de talc, de pétalite ou de silex de potier ou encore de mélanges de ces minéraux (ces mélanges pou-20 vant également comprendre de la wollastonite). Comme indiqué à la légende de la figure 3, annexée aux dessins, le groisil de verre ou autre verre sous forme de débris est d'abord broyé dans un broyeur à boulets. A titre d'exemple spécifique, le groisil de verre est broyé en particules pouvant passer à travers un tamis à 10 mailles, 1 200 grammes de particu-25 les de verre et 1 litre d'alcool isopropyl sont versés dans un broyeur à boulets de 4 litres et ce mélange est malaxé pendant 24 heures. L'alcool est ensuite évaporé. On obtient un verre réduit en poudre dont les grains ont une dimension moyenne d'environ 5 microns, mesure faite à l'aide d'un calibreur à tamis de Fisher. 30 Les quantités relatives des divers constituants sont alors déterminées et pesées pour en faire une charge pesant au total 200 grammes. La charge est alors 3 introduite avec 250 cm d'alcool isopropyl dans un broyeur à boulets de 1 litre. Le mélange constitué par la charge est broyé pendant environ 4 heures et l'alcool est évaporé pour obtenir la composition du mélange de départ qui est utili-35 sé pour l'opération de pressage ou de moulage à sec. Une quantité déterminée de cette composition (par exemple de 2 à 3,5 grammes dans le cas d'un isolateur de culot du type à visser tel que représenté aux figures 1 et 2) est disposée dans un moule en acier trempé et soumise à une pression de l'ordre de 70 à 490 kg/ 2 cm . L'aggloméré de couleur verte qui en résulte est ensuite placé dans un four 40 et cuit à l'air à une température supérieure au point de ramollissement du verre 72 10024 6 2130548 pendant un temps suffisant pour faire fondre le verre réduit en poudre et transformer l'aggloméré en un article céramique dur ayant une structure imperméable très dense. Dans le cas d'une composition de mélange de départ donnée au tableau II, 5 contenant du verre au silicate de soude et de chaux, l'aggloméré vert doit être cuit à une température supérieure à 800°C et de préférence à une température de l'ordre de 1 000 à 1 050°C pendant une période de 10 minutes à une heure. Evidemment, la densité et la porosité de l'article en céramique terminé sont fonction de la composition de mélange de départ, de la pression de moulage ainsi que 10 de la température et du temps de cuisson utilisé. Pour la composition préférée de mélange de départ donnée au tableau II, la 2 pression de moulage optimum est d'environ 350 kg/cm et la durée de cuisson se situe entre 15 et 45 minutes à une température d'environ 1 000 à 1 050#C. Les 3 corps céramiques préparés de cette manière ont une densité de 1,5 gr/cm après 3 15 compression et de 1,9 gr/cm après cuisson pendant 40 minutes à 1 050°C, un degré d'absorption qui se situe entre 0,5 et 6 % et un coefficient de retrait qui varie entre 8 et 12 X, calculé d'après leurs dimensions après compression. Pour faciliter l'opération de moulage à sec et pour obtenir des agglomérés comprimés plus résistants pouvant être facilement manipulés sans risque de les 20 casser, il est avantageux d'incorporer un produit convenable qui soit à la fois un liant et un lubrifiant, à la composition de mélange de départ à sa sortie du broyeur à boulets. A titre d'exemple spécifique, on a obtenu d'excellents résultats en incorporait au mélange de départ environ 2,5 % en poids d'un produit qui est à la fois un liant et un lubrifiant, se présentant sous forme d'une émulsion 25 pâteuse, vendu par la "Mobil Oil Company" sous la marque "Cerumul C" et qui est un sous-produit de la distillation du pétrole. Ce produit se consume évidemment complètement pendant le processus de cuisson et ne se retrouve pas dans le corps céramique terminé. L'extraction hors du moule de l'aggloméré comprimé peut être facilitée en 30 incorporant environ 1/2 % en poids de stéarate de zinc dans la composition de mélange de départ après y avoir mélangé le produit liant et lubrifiant mentionné ci-dessus. Le stéarate de zinc empêche une usure excessive des coquilles de moulage et augmente de ce fait leur durée. 72 10024 7 2130548 REVENDICATIONS 1. Article en céramique constitué d'un mélangé comprimé et cuit d'argile, de verre réduit en poudre et d'au moins un des minéraux suivants : wollastonite, talc, pétalite et silex de potier. 5 2. Article suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange est constitué essentiellement de 10 à 25 % en poids du minéral choisi, de 25 à 45 f» en poids d'argile figuline et de 25 à 45 $ en poids de verre réduit en poudre. 3. Article suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractéri— 10 sé en ce que le mélange contient également jusqu*à 5 ^ en poids de bentonite. 4. Article suivant l'une des revendications là 3, caractérisé en ce que le mélange contient jusqu'à 5 % en poids d'un pigment inorganique. 15 5. Article suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le pigment inorganique est de l'oxyde de cobalt, de l'oxyde de manganèse ou de l'oxyde de fer. 6. Article suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous la forme d'un isolateur en céramique 20 pour culot de lampe électrique ou d'un objet similaire et en ce qu'il est constitué d'un mélange moulé sous pression et cuit, contenant de 10 à 25 fo en poids de wollastonite, de 25 à 45 $ en poids d'argile figuline et de 25 à 45 f» en poids de verre réduit en poudre ayant un point de ramollissement inférieur à 800aG. 25 7. Article suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le verre réduit en poudre est un verre au silicate de soude et de chaux» 8. Méthode de fabrication d'un article en céramique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle 30 comprend les phases suivantes s a) mélanger des quantités déterminées d'argile, d'au moins un des minéraux suivants : wollastonite, talc, pétalite et silex de potier, et de verre réduit en poudre pour obtenir une composition de mélange de départ finement divisée } 35 b) placer ladite composition de mélange de départ dans un moule et la comprimer pour en faire un aggloméré j c) enlever ledit aggloméré du moule et le chauffer jusqu'à une 10024 8 2130548 températuressupérieure au point de ramollissement du verre réduit en poudre et d) maintenir ledit aggloméré à ladite température jusqu'à ce qu'il soit transformé en un corps céramique. 9. Méthode suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le point de ramollissement du verre réduit en poudre se situe en-dessous de 800°C et en ce que l'aggloméré de couleur verte est chauffé jusqu'à une température d'au moins 800°C. 10o Méthode suivant l'une des revendications 8 ou 9, convenant particulièrement bien pour la fabrication des isolateurs en céramique des culots de lampes électriques ou d'objets similaires, caractérisée en ce que la composition de mélange de départ est constituée de 25 à 45 $ en poids d'argile figuline, de 10 à 25 % en poids de wollastonite et de 25 à 45 % en poids de verre réduit en poudre ayant un point de ramollissement situé en-dessous de 800°C, l'aggloméré étant obtenu en soumettant ladite composition à une pression de moulage de l'ordre de 70 à 490 kg/cm2 et l'aggloméré qui en résulte étant par la suite porté à une température de l'ordre de 800 à 1 100°C et maintenu à cette température pendant une période pouvant aller de 10 minutes à une heure» 11. Méthode suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le verre réduit en poudre est du verre au silicate de soude et de chaux» 12. Méthode suivant l'une des revendications 8, 9, 10 ou 11, caractérisée en ce qu'on incorpore à la composition de mélange de départ de 0,5 à 2 % en poids d'un produit à la fois liant et lubrifiant que l'on mélange à ladite composition et en ce qu'on incorpore ensuite dans la composition de mélange de départ modifiée 0,5 % en poids de stéarate de zinc que l'on mélange à ladite composition modifiée, les deux additions s'effectuant avant l'opération de moulage. 13. Méthode suivant l'une des revendications 8 à 12, caractérisée en ce que la composition de mélange de départ contient jusqu,à 5 fo en poids de bentonite et/ou jusqu'à 5 fo en poids d'un pigment inorganique»