Brevet FR2608148A1 — publié le 19880617

MOULES DE VERRERIE ET LEUR UTILISATION Les techniques industrielles de production de récipients en verre du type bouteilles, flacons, pots ou analogues, sont pour les plus importantes d'entre elles des techniques dites "pressé-soufflé" et "soufflé-soufflé". Ces techniques permettent de produire à cadence éle- vée des objets de qualité satisfaisante pour l'usage considéré. Dans ces technioues le verre traité, entre successivement en contact avec deux moules, un moule ébaucheur et un moule finisseur. Ces moules sont des éléments essentiels dans le processus qui détermine non seulement la forme mais aussi l'état de surface et les qualités mécani- ques des objets produits. Ces moules, et particulièrment les moules ébaucheurs, sont soumis à des conditions très sévères. Ils subissent notamment des chocs thermiques et mécaniques importants et en très grand nombre. Ils sont également soumis à l'action chimique de l'atmo- sphère environnante et de la composition verrière. En raison de ces agressions multiples, la surface active du moule peut se dégrader rela- tivement rapidement Jusqu'à nécessiter le remplacement du moule. Ce phénomène de dégradation est très sensible pour les moules à base de fonte, moules qui sont les plus utilisés en raison de leur coût relati- vement faible, mais s'observe aussi avec des moules constitués d'autres métaux et notamment avec des moules en acier. Il ne suffit pas, pour obtenir une production satisfaisante, de maintenir la surface du moule en état, il faut encore que celle-ci se prête à un bon contact avec la paraison. Par bon contact, il faut entendre une bonne introduction de la paraison puis une bonne distribu- tion de celle-ci dans le moule ébaucheur. Il faut éviter que le verre -2ne "colle" sur le moule, ce qui se traduit sur 1 article produit par des striures, des filets ou toute autre irrégularité de surface. Dans les modes traditionnels, pour éviter ces difficultés, on utilise des graisses. Systématiquement et à des intervalles de temps relativement brefs, le moule est enduit de ces graisses dont le rôle est de s'inter- poser entre le moule et la-paraison. Indépendamment de l'aspect contraignant que représente l'ap- plication systématique de ces graisses, cette façon de procéder ne permet pas de combattre la dégradation du moule. Pour améliorer la lon- gévité de celui-ci, diverses techniques ont été proposées notamment le revêtement de la surface par des couches d'oxydes métalliques tels que les oxydes de chrome, de nickel ou de titane. Les propositions dans ce sens avaient également pour objectif d'aboutir à la suppression du graissage d'autant que, selon les auteurs de ces propositions, le graissage aurait été néfaste pour la couche d'oxyde métalliQue dont el- le aurait compromis la stabilité et la longévité. A l'expérience cependant, on constate oue ces propositions ne donnent pas entièrement satisfaction et oue l'utilisation du moule non graissé ne permet pas d'atteindre la régularité nécessaire dans le glissement de la paraison sur la surface du moule. Pour cette raison, l'invention se propose de fournir une technique conférant aux moules de verrerie une longévité accrue et, simultanément, des propriétés de con- tact avec le verre satisfaisantes. L'invention se propose aussi d'obte- nir ces résultats dans des conditions, notamment de coût, qui soient avantageuses par rapport aux techniques traditionnelles conduisant à la réfection fréquente des moules. Pour la fabrication d'objets en verre par les techniques pressé-soufflé ou soufflé-soufflé, l'invention propose l'utilisation de moules métalliques en fonte, notamment de moules ébaucheurs, dont les parties exposées A la paraison sont revêtues d'une couche d'alumine d'épaisseur inférieure 3 5 micromètres. On trouve dans la littérature antérieure l'idée de revêtir des moules ou d'autres dispositifs de formage du verre, de couches d'oxydes réfractaires et notamment d'alumine, pour les protéger contre la dégradation résultant des chocs thermiques. Le but poursuivi était alors de constituer une "barrière" thermique sur la surface protégée. Pour cette raison, le revêtement réalisé présentait une épaisseur rela- tivement importante de l'ordre de 0,15 à 0,30 mm. Ce type de revêtement n'est pas envisagé selon l'invention; Une première raison en est que la 2608 1 48 - 3 - constitution de ces couches épaisses est obtenue par des techniques re- lativement coûteuses, telle que la métallisation sous plasma. Par ail- leurs, et ceci est encore plus sensible pour les techniques considérées selon l'invention, l'utilisation de couches épaisses requiert une fixa- tion très spécifique sur la surface du moule. Faute d'une très forte fixation, la couche d'oxyde réfractaire se détacherait par plaques. Pour obtenir cette fixation, l'art antérieur propose par exemple de constituer préalablement ou simultanément au dépôt d'oxyde réfractaire, un dépôt d'un métal "support". Cette technique est donc relativement complexe. De plus, même lorsqu'elle est bien fixée sur le substrat, on ne peut éviter, dans la couche épaisse, la formation de crevasses et de fissures qui constituent l'amorce de défauts sur les articles produits avec de tels moules. Par opposition à ce qui est proposé dans ces techniques anté- rieur__, le revêtement des moules de verrerie selon l'invention est constitué par une couche d'alumine répartie uniformément et dont l'épaisseur ne dépasse pas quelques micromètres. Les inventeurs ont constaté que l'efficacité de la couche protectrice ne parait pas croitre avec son épaisseur. Si une épaisseur minimum est nécessaire, celle-ci peut être aussi faible oue 0,1 micro- mètre. Par ailleurs, une épaisseur supérieure au micromètre n'apporte pas d'avantage particulier. En pratique, pour éviter les difficultés rencontrées avec les couches épaisses antérieures, on ne dépasse pas micromètres et on utilise de préférence des couches d'alumine dont l'épaisseur est comprise entre 0,2 et 0,8 micromètres. Il est remarquable que des revêtements aussi minces permet- tent d'obtenir une modification sensible du comportement des moules. Cette amélioration ne peut s'analyser comme résultant de la formation d'une barrière thermique, cet effet ne pouvant être qu'extrêmement fai- ble compte tenu de l'épaisseur de la couche. Par ailleurs, les moules revêtus de la façon indiquée précédemment sont utilisés avec une grais- se de type traditionnel. L'expérience montre en effet, contrairement à ce qui apparaissait dans l'art antérieur, que l'utilisation de graisse n'affecte pas la stabilité de la couche d'alumine et que cette dernière, par des mécanismes qui seront indiqués plus loin lors de l'analyse dé- taillée, améliore l'efficacité du film lubrifiant en favorisant sa dis- tribution bien uniforme. Ainsi les moules selon l'invention combinent une longévité accrue et des résultats, quant à la qualité des produits préparés, qui 26 0 8 148 4- sont tout à fait comparables à ceux obtenus selon les techniques tradi- tionnelles. L'invention permet en outre des améliorations très sensi- bles en ce qui concerne les conditions de graissage. Si comme nous l'avons indiqué le graissage est maintenu, la stabilité de la couche "lubrifiante" est telle que la fréquence du graissage peut être consi- dérablement réduite lorsque les autres conditions opératoires sont in- changées. Les avantages des moules selon l'invention ne se limitent pas à ces particularités; en effet l'amélioration considérable de la sta- bilité de la couche lubrifiante permet d'opérer dans des conditions de température qui ne pouvaient être envisagées précédemment. Dans les conditions habituelles, le moule ébaucheur est porté à une température de l'ordre de 450-480 C et le graissage, dont la fréquence est dépen- dante du débit de la machine, est renouvelle par exemple toutes les 20 minutes. Toujours dans ces conditions habituelles, si toutes les autres conditions sont maintenues, la température du moule est élevée de 50 à C le graissage ne permet pas d'éviter le collage plus de quelques minutes. Par ailleurs, la dégradation du moule lui-même intervient très rapidement. Pour ces raisons, un tel accroissement de température de travail n'est pas possible dans la pratique. Les exemples donnés dans la suite de cette description montrent qu'avec les moules selon l'in- vention, des températures allant jusqu'a 600 C ou même davantage peu- vent être atteintes dans. des conditions tout à fait acceptables. L'analyse de la structure de la couche d'alumine à la surface du moule et l'étude des propriétés qui en résultent est faite dans la suite en faisant référence aux figures annexées. Parmi celles-ci: les figures 1 a- d schématisent le mode de fonctionnement d'un moule traditionnel graissé, les figures 2a et 2b sont des reproductions schématiques d'analyses faites au moyen d'une microsonde électronique sur des parois de moules ébaucheurs respectivement traités selon l'invention et non traités, après un certain temps de travail, la figure 3 est également une représentation schématique de la surface du moule graissée, après usage. Les mécanismes de dégradation de la surface des moules ont été étudiés par les inventeurs. Les observations faites conduisent à formuler l'hypothèse suivante. Pour un moule en fonte (1) non revêtu, la surface de travail soumise à oxydation à température élevée se recouvre rapidement d'une couche superficielle d'oxyde (2). C'est sur cette couche - oxyde (2) que repose le film de graisse (3). Il apparaît au cours de l'utilisa- tion du moule que la couche d'oxyde de fer résiste mal aux cycles ther- miques imposés. Cette couche se fissure et se dégrade d'autant plus vite que le support de fonte sur lequel elle repose présente une struc- ture poreuse. La dégradation de la couche d'oxyde peut aboutir, comme indiqué en lb, à l'arrachage de particules et à l'apparition d'irrégu- larités de surfaces même lorsque, comme représenté en ld, une nouvelle couche de graisse est appliquée. Ces irrégularités semblent être la raison du mauvais glissement de la paraison dans le moule ébaucheur mé- me fraîchement graissé et des défauts qui en résultent sur les pro- duits. Bien que ce mécanisme ne soit pas établi de façon parfaitement rigoureuse, il semble bien rendre compte de ce que l'on peut observer. Il explique notamment que la dégradation soit fonction de te"piratu- re du traitement, l'oxydation étant bien entendu plus sensi tem- rature plus élevée et la couche d'oxyde poreux formée ne constituant pas une protection efficace du substrat sousjacent. Les inventeurs ont constaté, à condition de prendre un mini- mum de précautions au moment de la formation de la couche d'alumine sur la surface du moule, qu'il était possible de bloquer, ou au moins de retarder considérablement les phénomènes de dégradation du moule et que ce résultat favorisait très sensiblement la longévité de l'enduction de graisse. Les raisons qui conduisent à un revêtement résistant et bien régulier de la surface du moule par une pellicule aussi fine ne sont pas totalement élucidées. Dans un premier temps, au moment de la constitution de cette couche d'alumine, selon la technique qui sera détaillée plus loin, on assiste à une oxydation légère de la surface de fonte préalablement décapée. Il se forme une couche d'oxyde de fer sur laquelle se dépose l'alumine. Ces deux couches superposées ne sont pas de même importance mais surtout ne font pas obstacle à une certaine migration. L'analyse montre par exemple que de l'aluminium migre dans le substrat de fonte probablement par les zones poreuses constituées par les lamelles de graphite superficielles. Inversement, à proximité de la surface externe, la teneur en fer est extrêmement faible (de l'ordre de 2 %). De ces résultats on peut penser que "l'accrochage" de la couche d'oxyde sur la fonte est parfaitement réalisé. On observe par ailleurs au microscope électronique à balayage une accumulation d'alumine sur -6- les lamelles de graphite de la fonte. Ceci peut expliquer la très bonnc résistance à l'oxydation par blocage de ces sites privilégiés pour le développement de l'oxydation que constituent les pores graphites. Ces sites constituent également autant de points d'ancrage de la couche d'oxyde. Nous avons vu que la présence de la couche d'alumine était favorable à l'efficacité de la couche lubrifiante en ce sens que sa stabilité permettait d'éviter les graissages fréquents liés à l'arra- chage de particules superficielles du moule entraînant avec elles le lubrifiant dont elles sont couvertes. La présence de la couche d'alu- mine présente aussi d'autres avantages même pour les parties du moule qui, au cours de l'utilisation, ne se trouvent pas dépourvues de grais- se. L'analyse co"Face, après usage, de surfaces comportant ou non la couche d'alurine e'- =-aiées dans les mêmes conditions permet de mettre en évidence des différences de structure. Les figures 2a et 2h représentent schématiquement l'image ob- tenue, à l'aide d'une microsonde, de la répartition de divers éléments à la surface d'un moule ébaucheur traité et non traité après confection à 550 C de 9500 bouteilles. Dans ces essais, l'épaisseur de la couche d'alumine initiale est de 0,4 micromètres. La graisse utilisée est une graisse vendue dans le commerce sous le nom de KLEENMOLD H.T. Cette graisse composite des- tinée aux températures élevées renferme des silicones,-du graphite et des savons. Elle est appliquée en une couche uniforme d'une épaisseur de l'ordre de 40 micromètres. La figure 2a montre que sur le moule traité selon l'invention la couche d'alumine (4) reste bien adhérente à la fonte, ce qui pro- vient entre autre du fait que l'aluminium a partiellement diffusé dans la fonte. La couche d'alumine sépare de façon bien nette le support des constituants de la graisse ou du verre. On ne trouve aucun éléménts de ceux-ci ayant franchi la couche d'alumine. C'est en particulier le cas du sodium provenant du verre oue l'on retrouve dans la couche de grais- se mais qui n'atteint pas la fonte. Au contraire, sur la figure 2b, on constate la diffusion du sodium dans la fonte ce qui montre la perméabilité de la couche lubri- fiante et son manque d'efficacité dans la protection du substrat. L'analyse à la microsonde permet également de distinguer à la surface de la fonte les parties oxydées. Sur le moule traité selon 2608 1 48 l'invention, on ne décèle pratiouement pas-d'-oxydE de fer contrairement à ce que l'on observe sur les moules non traités. Cette distribution est représentée sur la figure 3 qui fait mieux paraitre encore l'inter- pénétration de la couche d'oxyde de fer et des éléments provenant de la graisse (Ca, Si) et du verre (Na). Pour constituer une couche d'alumine bien régulière et adhé- rant solidement au substrat de fonte, diverses méthodes peuvent être envisagées comme par exemple la pyrolyse sous plasma, la métallisation (schoopage), l'électrophorèse... mais pour des raisons de simplicité on préfère selon l'invention procéder par pyrolyse liquide. Cette techni- que nécessite un minimum de matériel et permet d'atteindre des revête- ments satisfaisants. Elle se prête bien à une mise en oeuvre qui doit être économique et facile à développer en usine et dans des conditions bien reproductibles. Dans une forme particulièrement simple de réalisation, le moule préalablement décapé est porté à la température de décomposition du composé d'aluminium. Celui-ci, oui se trouve sous forme d'une solu- tion, est pulvérisé sur la face à protéger. Le débit et le temps de pulvérisation permettent de contrôler l'épaisseur de la couche consti- tuée. Dans cette opération, le chauffage et la pulvérisation peu- vent être exécutés dans une atmosphère ordinaire. Dans ce cas, il faut respecter un certain protocole pour éviter une oxydation excessive du moule avant la formation de-la couche d'alumine. La fonte en effet s'oxyde très rapidement au-delà d'environ 450 C. Pour cette raison, la température à laquelle le moule est porté pour la pyrolyse n'est pas supérieure à 420 C et la pyrolyse est immédiatement mise en oeuvre dès que la température choisie est atteinte de sorte que la couche d'alu- mine qui se forme s'oppose à l'oxydation ultérieure du substrat. La montée en température du moule est aussi rapide oue possible, de l'or- dre de quelques minutes. En pratique, on constate qu'une très légère oxydation du mou- le ne nuit pas aux qualités du revêtement selon l'invention. Il faut cependant que la couche d'oxyde de fer formée reste extrêmement mince. On ne dépasse pas environ 0,1 micromètre faute de quoi on retrouverait les difficultés indiquées précédemment, à savoir un manque d'adhérence de la couche superficielle et une détérioration rapide du moule. En opérant comme indiqué un chauffage rapide du moule suivi d'un dépôt immédiat de la couche d'alumine, on parvient à limiter la 2608 1 48 - 8 - fornation de la couche d'oxyde de fer aux épaisseurs indiquées et ceci même en opérant en atmosphère ordinaire. Pour constituer la couche d'alumine, on utilise avantageuse- ment une composition comprenant un composé d'aluminium du type organo- métallique en solution dans un solvant volatile. A titre d'exemple, on a utilisé comme composé organo-métallique de l'acétyl-acétonate d'alu- minium en solution dans du méthanol (0,12 mole). Le composé organo- métallique est pulvérisé au moyen d'un gaz porteur inerte comme l'azote sur la surface à revêtir préalablement portée à la température de dé- composition. L'invention concerne également les techniques de production soufflésoufflé ou pressé-soufflé dans lesquelles, de façon générale, les températures de travail dans le moule ébaucheur sont accrues par rapport aux températures traditionnelles, sans pour autant que la lon- gévité des moules soit sensiblement réduite. Il est mal aisé de définir de façon absolue les températures de travail dans la mesure o celles-ci sont fonction de multiples fac- teurs susceptibles de varier d'une ligne de production à une autre. Parmi ces facteurs, on peut mentionner la nature du verre, la masse de la paraison, la cadence de production, la nature du moule, sa masse, son mode de refroidissement. Indépendamment de ces nombreux facteurs de variation, si on restreint le champ considéré aux moules de fonte trai- tant des articles en verre silico-sodo-calcique d'une masse de plus de g, la température du moule ébaucheur se situe ordinairement entre 420 et 500C. Dans les mêmes conditions, le traitement selon l'inven- tion est effectué à des températures plus élevées de 50 à 100 C environ et se situent sans difficulté au-dessus de 500 C et peuvent s'élever jusqu'à 600C et plus. En pratique, l'accroissement de la température du moule ébau- cheur est réglé par l'intensité du fluide de refroidissement circulant dans le moule. Les températures, données à titre indicatif ci-dessus, sont celles qui sont mesurées sur la face interne du moule dans la partie médiane. La partie du moule correspondant au col est d'ordinaire à tem- pérature plus faible. L'accroissement de température du moule ébaucheur revêtu d'alumine dans les conditions de l'invention est définie comme celle qui permet, à masse de verre constante dans tous les cas, de conserver sinon d'améliorer les qualités des.articles produits tout en accrois- -g- sant la cadence de traitement et sans réduire t curée de vie du moule. Autrement dit, la température en question est telle qu'elle garantit un bon formage de l'ébauche, sans collage et sans usure exces- sive du moule en maintenant une fréquence de graissage acceptable. Deux essais comparatifs ont été menés avec des moules ébau- cheurs traités et non traités, mis en oeuvre dans des conditions rigou- reusement identiques, notamment de température. La durée de vie des moules a été relevée pour chaoue cas. Les résultats sont les suivants. Ils sont exprimés en heures de fonctionnement. Pour ces essais, la ca- dence de production des flacons de 250 ml pesant 130 g est de 250/mn. : température C: 54E: 470: :. .. ......:....:...: : traité :. .. ......:....:...: : témoin: 5,5 : 43: Aux températures usuelles de fonctionnement, on constate dans le cas de l'invention une longévité accr0e de 60 %. Ceci est déjà con- sidérable mais s'ajoute aussi le fait que dans le cas de l'invention, la fréquence de graissage est environ 5 fois plus faible. Ces avantages sont très importants dans la pratique mais ils sont surpassés par ceux qui s'attachent aux opérations conduites avec un moule ébaucheur porté à une température supérieure aux températures habituelles. C'est le cas pour le moule travaillant à 546 C. Pour cette série d'essais, même en accroissant la fréquence de graissage, il n'a pas été possible de pour- suivre l'utilisation de l'ébaucheur non revêtu d'alumine plus de 5,5 heures. Cette durée est insuffisante pour que l'on puisse raisonnable- ment envisager une production dans ces conditions. A la même températu- re, avec un moule selon l'invention, la longévité obtenue bien qu'inférieure à celle correspondant au fonctionnement dans les condi- tions habituelles reste d'un ordre de grandeur acceptable. Des essais à 580 C et 610 C conduisent à des résultats analo- gues. Même si la longévité du moule tend à diminuer lorsque la tempéra- ture est accrue, celle-ci reste toujours très supérieure à celle que l'on observe pour les mêmes températures avec des moules non revêtus. L'accroissement de température dont il est Question précédem- ment, permet d'envisager des modifications importantes de la technique - 10 -084 de productio. Ainsi, les Inventeurs ont montré qu'il était possible avec les moules revêtus de la couche d'alumine en augmentant la tempé- rature d'accroitre la cadence de production. La séquence de traitement en opérant avec un moule ébaucheur à température plus élevée n'est pas fondamentalement modifiée, mais certaines étapes peuvent être écourtées. Le temps de séjour dans le moule ébaucheur et le transfert vers le moule finisseur restent prati- quement inchangés. Du fait d'un réchauffement plus rapide de l'ébauche, ou si l'on veut d'une température globalement plus élevée, la phase d'allongement dans le moule finisseur est sensiblement plus rapide. A titre d'exemple, avec une ébauche selon l'invention péné- trant dans le moule finisseur à environ 825 C, correspondant à un moule ébaucheur à 55O'C, le temps d'allongement mesuré sur un enregistrement vidéo n'est ee,-v n oue 6/10ème de celui obtenu avec une température d'ébauche C....':rr=spondant à l'ébaucheur à 480 C). Le refroidis- sement du moule finisseur peut ainsi intervenir plus rapidement. Même si le refroidissement doit être un peu plus intense, compte tenu de la quantité de chaleur plus importante à évacuer par le moule finisseur, le gain de temps global reste très substantiel. Ce gain de temps est rendu possible par le fait que l'étape de finition est la plus lente du processus. Si la cadence de finition est accélérée, celle de l'ébauchage peut aussi l'être sans difficulté. A titre d'exemple pour la fabrication des flacons indiqués précédemment, correspondant à une masse de verre de 130 g, la machine fonctionne pour chaque moule à une cadence de 235 unités par minute a une température de 480 C. Avec les mêmes moules mais revêtus d'alumine dans le mode prévu par l'invention, la température de l'ébaucheur étant élevée à 550C, la cadence de production a pO être portée à un peu plus de 265 unités par minute soit un accroissement de 13 %. Un autre avantage lié à l'augmentation de la température de l'ébaucheur est de réduire la différence existant entre la température de la paraison et celle de l'ébaucheur. Par suite le gradient qui se forme dans la paraison entrant au contact de l'ébaucheur entre la tem- pérature superficielle (ou température de peau) et celle au coeur de la paraison, est plus réduit. La diminution de ce gradient facilite une meilleure répartition du verre dans l'ébauche. Pour des raisons analo- gues, l'accroissement de température de l'ébauche facilite aussi la production d'objets présentant des formes réputées difficiles à réali- ser de façon satisfaisante. C'est le cas notamment des flacons de par- 2608 1 48 :ii - fumerie comportant des formes anguleuses. Pour toutes les raisons indiquées précédemment, le traitement des moules suivant la technique proposée par l'invention est de grande utilité dans l'industrie. -1/-- REVENDICATIONS 1. Moule en fonte pour la production de récipients en verre par une technique "pressé-soufflé" ou "soufflé-soufflé", dans lequel les parties exposées à la paraison sont revêtues d'une couche d'alumine uniforme dont l'épaisseur est inférieure i 5 micromètres. 2. Moule selon la revendication 1 dans lequel la couche d'alumine présente une épaisseur comprise entre 0,2 et 0,8 micromètres. 3. Moule selon la revendication 1 ou la revendication 2 dans lequel la couche d'alumine est formée par pyrolyse d'une solution d'un composé organo-métallique de l'aluminium. 4. Moule selon la revendication 3 dans lequel la coucne d'alumine est formée par pyrolyse d'acétyl-acétonate d'aluminium en so- lution dans du méthanol. 5. Moule selon la revendication 3 ou la revendication G d lequel la formation de la couche d'alumine est obtenue par pu!véri - tion de la solution du composé organo-métallique sur le moule préala- blement porté à une température comprise entre 380 et 450 C. 6. Moule selon la revendication D dans leOuel, pour la forma- tion de la couche d'alumine, la surface du moule à revêtir est préala- blement à la pyrolyse décapée pour éliminer l'oxyde de fer et les résidus de graisse éventuellement présents. 7. Moule selon la revendication 6 dans lequel le chauffage précédant la pyrolyse est effectué dans des conditions telles que l'oxydation éventuelle du moule conduit à une couche d'oxyde de fer d'au plus 0,1 micromètre d'épaisseur. 8. Procédé pour la production de récipients en verre par une technique "pressé-soufflé" ou "soufflé-soufflé" dans lequel on utilise au moins des moules ébaucheurs selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel les moules ébaucheurs, revêtus de la couche d'alumine, sont graissés. 10. Procédé selon la revendication 8 ou la revendication 9 dans lequel la température du moule ébaucheur est maintenue supérieure ou égale à 500 C.