Brevet FR2518080A1 — publié le 19830617

L'invention concerne un procédé de mise en précontrainte thermique d'objets en verre ayant un bas fac- teur de tension thermique et/ou une petite épaisseur Par fac- teur de tension thermique, on entend le rapport O E/( 1 p) LN/(mm 2 Knj, dans lequel a est le coefficient linéaire de dila- tation thermique entre 20 et 300 'C (K 1), E le module d'élas- ticité (N/mm) et il le coefficient de Poisson du verre D'une façon connue, les objets en verre sont chauffés à une tempéra- ture supérieure à leur température de revenu mais inférieure à leur point de ramollissement. On connaît déjà des procédés dans lesquels on obtient une mise en précontrainte en arrosant le verre de liquide et en le plongeant ensuite dans du liquide Dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N O 3 706 544 est décrit un procédé de ce genre Toutefois, dans ce brevet, il est indi- qué expressément que les liquides utilisés pour l'arrosage et l'immersion doivent être anhydreset peuvent cependant contenir au maximum moins de 5 % d'eau. Dans la demande de brevet allemand DE-OS 2 952 045, est décrit un procédé dans lequel on trempe, au moyen d'un mélange d'air et de liquide, des verres à bas fac- teur de tension thermique Dans ce procédé connu, on peut aussi utiliser l'eau comme liquide. Dans la demande de brevet allemand DE-OS 3 001 944, est décrit un procédé dans lequel on plonge le ver- re, pour la trempe, dans de l'eau recouverte d'une couche d'huile La couche d'huile a ici une fonction de prétrempe. Le but de l'invention est un nouveau procé- dé de mise en précontrainte thermique d'objets en verre qui convient particulièrement bien à la précontrainte de verres ayant un bas facteur de tension thermique et/ou d'objets en verre de petite épaisseur. Contrairement à l'état de la technique, dans lequel on prétend (brevet des Etats Unis d'Amérique no 3 706 544) que lors de latrempe combinée par arrosage et par immersion, les deux liquides doivent être anhydres, on a trou- vé de façon surprenante que lorsqu'on utilise un appareil d'ar- rosage approprié et lorsque la durée d'arrosage est soigneuse- 251808 D ment choisie, on peut précontrairç%re des verres ayant un bas facteur de tension thermique et/ou une petite épaisseur en les arrosant d'eau et en les plongeant dans l'eau. Des recherches ont montré que les buses à deux constituants et les mélanges air-liquide décrits dans la demande de brevet allemand DE-OS 2 952 045 peuvent être utilisés pour la prétrempe Les avantages du procédé selon l'invention relativement au procédé connu sont, d'une part, la durée d'arrosage notablement réduite et, d'autre part, la mise en précontrainte plus élevée par le refroidissement ulté- rieur dans l'eau La durée d'arrosage plus courte permet une zone d'arrosage notablement plus étroite On peut faire passer l'objet en verre, par exemple une vitre, à travers une zone de pulvérisation et ensuite le plonger dans l'eau Etant don- né que la trempe dans l'eau est plus économique que la trempe par arrosage, le procédé selon l'invention est notablement moins coûteux En plus d'économies importantes, on peut aussi, par le nouveau procédé, obtenir une précontrainte plus élevée. Le procédé nouveau se distingue du procé- dé selon la demande de brevet allemand DE-OS 3 001 944 par le fait que la prétrempe s'effectue par arrosage à l'eau et non par immersion dans l'huile La trempe dans de l'eau recouverte d'une couche d'huile a deux inconvénients: d'une part, l'hui- le commence à brûler si elle n'est pas recouverte d'une cou- che de gaz inerte et, d'autre part, il faut nettoyer les ob- jets en verre après la mise en précontrainte Ces deux incon- vénients sont évités par le procédé nouveau. Dans la littérature, on prétend souvent que lorsqu'on plonge du verre chaud dans de l'eau, il se for- me à la surface du verre une couche de vapeur qui empêche tout d'abord un transfert rapide de chaleur entre le verre et l'eau Quand cette couche de vapeur disparaît à une plus bas- se température du verre, le transfert de chaleur verre-eau augmente rapidement, d'après cette théorie. Toutefois, des expériences effectuées avec de minces plaques d'aluminium ( 5 mm d'épaisseur) ont montré que le coefficient de transfert de chaleur aluminium-eau de- vient d'autant plus petit {ue la temperature de i 1 a luinium est plus bassu lors de l'immnersion dans 1 'eau (figure 1)o Tou- tes les expériences avez le verre indiquent que c'est aussi le cas pour le transfert de chaleur verre-eau. -,5 Ainsi, lar le prérefroidissement du verre, on peut influencer le tran fert Ne chaleur verre-eau Un pré- refroidissement plus long par arrosage cause à la fois un moin- dre transfert de chaleur sur un emps plus long et un moindre transfert de chaleur dans l'eau. Pour le prércfroidissement par arrosage, on peut reprendre, en iforction de la nature et de l'épaisseur du verre, les données idlquies dans la dem'ande de brevet allemand DE-OS 2 952 045 en ce qui concerne les mélanges air/ eau et les distances (verre-buse ou buse-buse) Par suite, la quantité de liquide par buse doit être comprise entre 0,1 et 1/h, la quantité d'air par buse entre 0,1 et 10 m 3/h v Le dia- metre des gouttes du liquide pulvérisé doit être en moyenne comprise entre 1 et 100 plm La distance entre la surface du verre et la buse d'arrosage es comoiprise entre 30 et 200 mm et la distance entre les buses entre 30 et 60 mnm Toutefois, contrairement à 11 enseignement de ia demande de brevet allemand DE-COS 2 952 045, on a seule- ment besoin d'une zone étroite de buses La largeur de la zone de buses dépenrd de la vitasse de transport de la plaque de verre à travers la zone na buses et de l'épaisseur du verre. La durée du prérefroidi sem net dans la zone de buses doit être d'environ 1 à 10 secondes pour des vitres de 2 à 7 mm d'épais- seur Comme règle empiriquet on peut poser que le temps d'arro- sage en secondes est éaal a l'épaisseur du verre en millimé- tres Des essais d'arrosage ont montré que, par exemple, pour une vitre de verre de 5 mmi d'épaisseur, la différence maxima- le de température entre la surface et l'intérieur du verre est obtenue au bout de 4 à 6 secondes (figure 4). Selon le procédé conforme à l'invention, au moment o la surface du verre commence à refroidir aussi vite ou plus lentement que l'intérieur du verre, on augmente le transfert de chaleur par immersion dans l'eau Ainsi, on peut limiter la coti-rrainte de traction qui se développe tempc rairement à la surface du verre, de sorte qu'il ne se produit pas de rupture de la vitre lors de la précontrainte Le trans- fert de chaleur augmenté dans l'eau a pour effet que la gran- de différence de température qui avait été causée par le prérefroidissement, entre la surface et l'intérieur du verre, se maintient ou augmente jusqu'à ce que l'intérieur du verre attei- gne la température de solidification. Ainsi, par le procédé selon l'invention, on peut augmenter la précontrainte de compression sans que la contrainte temporaire de traction augmente notablement. Le procéd é selon l'invention est en con- tradiction directe avec le brevet des Etats Unis d'Amérique n' 3 706 544 déjà mentionné, en ce qui concerne les liquides utilisés. Dans le procédé selon l'invention, on peut faire passer les vitres de verre, pour le prérefroidis- sement, dans un dispositif d'arrosage aussi bien vertical qu'horizontal. A la solution d'arrosage aussi bien qu'à la solution d'immersion, on peut ajouter des liquides organi- ques hydrosolubles, par exemple un alcool Pour obtenir le grend transfert de ch 3 leur et pour des raisons économiques, il faut toutefois, de préférence, que la teneur en liquides organiques de ce type ne dépasse pas 20 % en volume La pro- portion de solvants organiques doit aussi être faible au point que, pendant tout le temps de l'arrosage, il ne se forme pas de couche de vapeur cohérente. Pour éviter un refroidissement prématuré des vitres par le liquide d'arrosage, on recouvre le disposi- tif d'arrosage du côté du four. Sur la figure 1, on a porté en ordonnée le coefficient de transfert de chaleur aluminium-eau en fonc- tion de la durée d'arrosage indiqué en abscisse A mesure que la durée d'arrosage augmente, le coefficient de transfert de chaleur dans l'eau diminue. La figure 2 représente un dispositif de précontrainte vertical Dans le four de chauffage initial 10, on chauffe une vitre 11, suspendue verticalement à des pinces. Après le chauffage initial, on arrose la plaque 1 l avec du li- quide (eau) pendant quelques secondes, lors du passage de la vitre, au moyen de buses à deux constituants 15 et 15 ' Un dispositif de recouvrement 16 empêche un refroidissement pré- maturé par le brouillard Immédiatement après l'arrosage, la vitre 11 '' plonge dans une cuve 17 remplie d'eau 19. On peut aussi chauffer les vitres horizon- talement La figure 3 montre un dispositif approprié Dans un four à galets ou à coussin d'air 20, on chauffe la vitre de verre 11 En levant ou en abaissant le dispositif de galets 21, comme indiqué par la flèche 22, on transfère la vitre 11 sur un plan incliné avec une vitesse prescrite, à travers la zone d'arrosage étroite pour l'amener dans la cuve d'immersion 17 '. On a vérifié l'efficacité du procédé, en- tre autres, sur un verre de borosilicate a ant un facteur de tension thermique c L E/( 1 p) = 0,25 N/(mm K) Ce verre se trouve par exemple dans le commerce sous la désignation com- merciale "Duran", de la firme Glaswerke Schott Sur la figure 4, on a représenté, pour des vitres de 2 mm et 5 mm d'épais- seur, les précontraintes de compression en ordonnée mesurées en fonction de la durée d'arrosage en abscisse Les buses uti- lisées sont des buses à deux constituants de la firme Schlick (modèle 970) La distance entre buses est de 30 mm dans les deux directions, la distance entre buse et verre, de 50 mm. Avec un alésage de buses de 0,5 nm de diamètre et une pression d'eau de 5 x 103 P, la quantité d'eau par buse est de 1,5 1/h, la quantité d'air de 4 m 3/h une pression d'air de 3 x 1053. Au bout d'un temps d'arrosage de 6 secondes, pour les vitres de 5 mm d'épaisseur, et au bout de plus de 4 secondes pour les vitres de 2 mm d'épaisseur, on obtient la même précontrainte de compression que dans le cas d'une trempe exclusivement par arrosage En abrégeant le temps d'arrosage et en plongeant ensuite le verre dans l'eau, on peut augmenter la précontrain- te Le temps d'arrosage peut être d'autant plus court que l'épaisseur du verre est faible La partie en tireté de la courbe indique les temps d'arrosage avec lesquels il faut s'at- tendre à des fissures superficielles Plus la qualité de sur- face de la vitre de verre utilisée est bonne, plus la durée de pulvérisation peut être courte. Dans le cas de verres dont le facteur de tension thermique se situe à la limite supérieure, il faut augmenter un peu le temps de pulvérisation pour une même épais- seur du verre Alors que pour un verre de 5 mm ayant un fac- teur de tension thermique de 0,25 N/(mm K) la durée d'arrosage peut être de 2 à 4 secondes, il faut, les autres conditions étant les mêmes, porter le temps d'arrosage entre 4 et 6 se- condes si le verre a un facteur de tension thermique de 0,5 N/(mm 2 K). De préférence, le rapport entre les quantités de liquide et d'air est compris entre 0,1 et 5 1/m 1)Procédéio de mis -n rstan thermique de verres 2) Procédé, selcon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la nrêtrtempe s'eff Jectue dans une zone d'arrosage étroite ( 15, I 5 ') pendant J -à 10 secondes. 3) Prcd elon 1 'unl C des revendications J et 2, caractérisé par 'Le f 3 it gue l'arrosage 'fete avec une j 5 buse à deux cntun ( 15, 1-5 ') la iquantité de liquide par buse étant dc,Ià 55 h In quantité d'air par buse de 0,1 à 10 CI à /h et le rapport entrc quantités de liquide et d'air étant compris e 0,1 et_î 5 1/m. 4) rcééselon, l 'une quelconc;ue des rvni cations 1 à 3, cara- ctériué ace que l'on njoute à l'eau, poru-_ l'arrosage ( 15, 15 ') et/nu, 'as La cuve imrin ( 17, 17 ') des composés o;nqhcoouls parexnl de 1 'alcccl. ) rcd selon l'une quelconiue des revendi- cations 1 à 4, crue Lele J ce que l'on, maintient le -temps de séjour dans la zones d'arr-osagre l'épaisseur du verre est: plus petite. 6) Procédé selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que la durée d'arrosage e:7 'ccondes est à peu pres égale à l'épaisseur du verre en millimàtres.