Brevet FR2977177A1 — publié le 20130104

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale les pièces de fonderie dans le domaine de la verrerie, notamment les moules en fonte, en bronze ou en acier utilisés pour confectionner des objets en verre tels que des bouteilles. L'invention concerne plus particulièrement les traitements de rechargement en surface de tels moules, comprenant le dépôt d'un matériau, par exemple un métal fondu, sur la surface d'un moule. CONTEXTE DE L'INVENTION Les moules en fonte, en bronze, ou en acier (notamment des aciers de type fer-carbone, aciers inoxydables, aciers réfractaires) qui sont généralement utilisés dans la confection d'objet en verre, ont tendance à s'user rapidement, en particulier dans des zones comme la couture, le fond, la bague ou encore le col du moule. En effet, lors de l'étape de moulage de la paraison, en l'occurrence du verre, les moules subissent un phénomène d'abrasion et/ou de corrosion, en raison de la présence de silice dans le verre. Par ailleurs, lors d'un cycle de moulage, un moule peut subir généralement de fortes contraintes thermiques, en passant dans un temps très faible de 400°C à 800°C. Afin de ne pas changer l'intégralité du moule, on a donc proposé des techniques de rechargement, au cours desquelles on fait fusionner une couche d'alliage métallique sur la surface d'un moule. Le moule ainsi obtenu est alors usiné après refroidissement afin d'obtenir la géométrie souhaitée. Le rechargement des moules est réalisé au chalumeau ou par Plasma Transféré d'Arc (PTA). Le rechargement au chalumeau consiste à braser une poudre ou un fil métallique sur le moule. Pour cela, on préchauffe le moule à une température de l'ordre de 350°C, et on fait fondre au chalumeau le métal de rechargement ainsi qu'une couche superficielle du moule au chalumeau afin d'assurer ainsi la liaison entre les deux matériaux. Cependant, cette technique de rechargement est réalisée manuellement. Elle présente donc plusieurs inconvénients, parmi lesquels la pénibilité du travail pour l'opérateur (qui doit travailler une vingtaine de minutes dans un environnement à proximité d'une température approchant les 650°C afin de garantir le brasage des métaux), la nécessité d'un savoir-faire de l'opérateur et une grande variabilité des résultats. On remarque en effet que le taux de succès n'excède pas 900/0 des pièces rechargées, et peut descendre jusqu'à 250/0, en raison de décollements des métaux de rechargement. Par ailleurs, afin d'obtenir une géométrie proche de la géométrie initiale du moule, on dépose généralement une quantité très importante de métal de rechargement (de l'ordre du double de la quantité nécessaire, ou davantage), puis on usine la surface obtenue. Ce procédé est donc coûteux en matières premières, et l'opération d'usinage est longue et fastidieuse. Enfin, la zone du moule ayant été surchauffée lors du rechargement présente des propriétés thermiques et mécaniques différentes du reste de la fonte constituant le moule. En effet, pour un moule en fonte, dans cette zone, dite « Zone Affectée Thermiquement » (ZAT), la fonte devient « blanche », c'est-à-dire très dure et cassante, fragile et difficile à usiner. Le moule devient donc plus fragile dans cette zone et est donc susceptible de se casser plus facilement en cas de chocs mécaniques ou thermiques. Or dans le cas d'un rechargement au chalumeau, la ZAT est relativement grande, et présente en règle générale des dimensions (surface et profondeur) de l'ordre de3à4mm. Afin de limiter l'étendue de la ZAT sur le moule fini, on a proposé de procéder à un recuit de recristallisation du moule pendant plusieurs heures. Cette étape est cependant rarement mise en ouvre car trop longue et trop contraignante. Le rechargement Plasma Transféré d'Arc (PTA) quant à lui suit un principe similaire au rechargement au chalumeau, la source de chaleur étant remplacée par une colonne plasma. L'avantage de ce procédé est que le plasma présente une température beaucoup plus importante que la flamme d'un chalumeau (de 15000 à 20000°C), ce qui permet de chauffer plus rapidement le matériau de rechargement à faire fondre et la surface de la pièce sur lequel on le dépose, restreignant ainsi les dimensions de la ZAT à environ 2 mm. Par ailleurs, le taux de succès de ce procédé est bien meilleur que dans le cas d'un rechargement au chalumeau (de l'ordre de 950/0), puisqu'il peut être automatisé. Il présente néanmoins certains inconvénients. En particulier, il est très difficile de l'appliquer à des fontes lamellaires (fontes dans lesquelles le carbone est sous forme de graphite lamellaire) car l'application du procédé entraîne un risque de dégazage du graphite, ce qui peut provoquer des défauts (par exemple des trous) dans le dépôt. Par ailleurs, la quantité de métal de rechargement brasée sur le moule reste importante par rapport à la quantité nécessaire pour obtenir la géométrie finale souhaitée, augmentant ainsi le coût global du rechargement. Ce procédé ne permet en outre pas de maîtriser la composition de la fonte utilisée. On rappelle en effet que la proportion de carbone dans une fonte donnée n'est pas fixe, mais plutôt un ordre de grandeur pouvant varier à l'intérieur d'une fourchette donnée. Or cette proportion peut avoir des conséquences importantes sur le résultat obtenu dans la ZAT. En outre, elle reste de dimensions importantes dans le cadre du procédé PTA. Enfin, ce procédé nécessite de préchauffer le moule à une température de l'ordre de 350°C, ce qui impose de refroidir la pièce par paliers après le rechargement si l'on souhaite préserver les propriétés mécaniques et thermiques de la fonte, ce qui peut durer plusieurs heures. Ainsi, les techniques actuelles sont toujours très imparfaites, et n'apportent pas pleine satisfaction tant au niveau de leur efficacité que de leur rapidité.30 RESUME DE L'INVENTION En conséquence, un objectif de la présente invention est de proposer un procédé de rechargement de moules de verrerie en fonte en bronze, ou en acier (notamment des aciers de type fer-carbone, acier réfractaire, acier inoxydable) qui soit rapide à mettre en oeuvre, moins sensible à la composition de la fonte utilisée, dont le taux de succès soit similaire voire meilleur que dans le cadre d'un rechargement par PTA, tout en limitant la quantité de métal de rechargement nécessaire. A cet égard, l'invention propose un procédé de rechargement d'un moule de verrerie en fonte, en bronze, ou en acier, comprenant les étapes consistant à : - déposer une quantité de matériau de rechargement déterminée sur une surface de la pièce, le matériau de rechargement comprenant un métal ou un alliage métallique, et - appliquer, sur le matériau de rechargement, un faisceau d'un laser de manière à le faire fondre localement sur le moule. Avantageusement, mais facultativement, l'invention comprend en outre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - au cours du procédé, les étapes de dépose et de fonte du matériau de rechargement sont effectuées simultanément ou successivement, - le procédé est mis en oeuvre sans préchauffage, - le matériau de rechargement se présente sous forme de poudre - le matériau de rechargement est projeté au moyen d'une buse sur le moule - le moule à recharger se situe au niveau d'une zone de focalisation du faisceau du laser, - le matériau de rechargement est projeté sur le faisceau du laser, au niveau de la zone de focalisation du faisceau du laser, - le matériau de rechargement comprend au moins un matériau parmi le nickel, le cobalt et le carbure de nickel, - le procédé comprend au moins un passage du faisceau du laser sur la surface du moule à recharger selon une vitesse de balayage contrôlée - la vitesse de balayage du laser au cours du procédé est constante - le procédé comprend une étape ultérieure d'usinage du moule, - le moule utilisé au cours du procédé est constitué de fonte lamellaire ou sphéroïdale - le moule utilisé au cours du procédé est constitué de fonte comprenant un pourcentage de carbone inférieur à 4.550/0, et de préférence compris entre 3.30/0 et 3.60/0. L'invention concerne également un moule de verrerie en fonte, en bronze ou en acier, comprenant sur une surface au moins une zone recouverte d'un métal ou alliage métallique, appliqué conformément au procédé selon l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquelles : - Les figures la et 1 b représentent schématiquement deux modes de réalisation d'un procédé de rechargement conforme à l'invention. - La figure 2 représente schématiquement la forme d'un faisceau d'un laser pouvant être utilisé dans le procédé selon l'invention. - La figure 3 représente un exemple de résultat obtenu selon une forme de réalisation d'un procédé selon l'invention. - La figure 4a représente schématiquement un exemple de moule de verrerie pouvant être rechargé selon un procédé de rechargement conforme à l'invention. - La figure 4b représente un exemple d'usure d'un moule de verrerie, le moule étant vu en coupe selon l'axe X-X de la figure 3a. - La figure 4c est une vue à échelle agrandie d'un exemple de mise en oeuvre du procédé appliqué au rechargement d'un chanfrein d'un moule, le moule étant vu en coupe selon l'axe X-X de la figure 4a. - Les figures 5a à 5f représentent un exemple de succession d'étapes pour le rechargement du moule au niveau du chanfrein. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Nous allons à présent décrire un procédé conforme à l'invention de rechargement de moules de verrerie en fonte en bronze, ou en acier de type acier fer-carbone, acier réfractaire ou inoxydable. Pour cela, et en référence à la figure 1 a, on dépose et on fait fondre une quantité de matériau de rechargement 11 sur une surface 10 d'un moule 1 à recharger. Ce moule 1 est conventionnel dans le domaine de la verrerie. Par exemple il peut être constitué de fonte lamellaire ou sphéroïdale, et la fonte peut typiquement comprendre un pourcentage de carbone compris de préférence entre 3.30/0 et 3.60/0, et dans tous les cas inférieur à 4.550/0. Le moule 1 peut également être constitué de bronze ou d'acier comme évoqué ci-dessus. Un exemple d'un tel moule de verrerie est représenté en figure 4a. De manière optionnelle, le moule 1 peut avoir subi un préchauffage préalable à la dépose et à la fonte de matériau de rechargement 11, par exemple dans le cas de la fonte à graphite sphéroïdal ou du bronze. Le procédé selon l'invention peut également être réalisé à froid sur le moule 1. L'expression « à froid » dans cette acception n'est pas limitée aux moules utilisés à température ambiante, mais elle s'étend aux moules pouvant avoir subi des traitements augmentant leur température, qui doivent être distingués du préchauffage spécifique conforme à l'art antérieur (à des températures de l'ordre de 350°C) préalable au rechargement. Le matériau de rechargement 11 est constitué d'au moins un métal ou alliage métallique. Il peut par exemple être constitué d'alliage à base de nickel, de carbure de nickel, et/ou encore comporter du cobalt. En outre, il peut avantageusement se présenter sous forme de poudre, ce qui permet de le faire fondre plus rapidement. Selon l'invention, la fusion du matériau de rechargement 11 est effectuée au moyen d'un laser 2 de puissance, pouvant être, à titre d'exemple non limitatif, un laser à Argon. Le laser émet un faisceau 21 qui présente une zone de focalisation 211, comme illustrée en figure 2. Cette zone de focalisation se situe à une distance donnée du point de sortie du faisceau 21, fonction du type de laser, et qui peut être typiquement de 15 mm. Cette zone présente également des dimensions qui dépendent du type de laser utilisé. Typiquement, pour un faisceau du laser de 3.5mm, cette zone peut s'étendre sur une longueur de 3 à 4mm. Le faisceau 21 du laser 2 impacte la surface 10 du moule 1 pour la faire fondre superficiellement, et réaliser le brasage entre la pièce et le matériau de rechargement. La température du faisceau 21 du laser 2 atteint une température de l'ordre de 1100°C à 1200°C, permettant en même temps la fusion du matériau de rechargement et une fusion en surface de la fonte, du bronze ou de l'acier constituant le moule à recharger. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, illustré en figure 1 a, les étapes de dépôt et de fonte du matériau de rechargement sont réalisées simultanément. Pour ce faire, le laser est pointé sur le moule 1 à recharger, et le matériau de rechargement 11 est projeté sous forme de poudre sur le moule 1 et dans le faisceau du laser au moyen d'une buse 3. Comme illustré en figure 1 a, la buse 3 peut être coaxiale au faisceau du laser, et, le cas échéant, solidaire de celui-ci. Alternativement, elle peut être distincte du laser, et le cas échéant non coaxiale au faisceau. Le moule à recharger se situe alors avantageusement au niveau de la zone de focalisation 211 du faisceau du laser. Dans ce cas, le matériau de rechargement 11 peut typiquement être projeté sur la surface du moule 1, dans le faisceau 21 du laser 2 au niveau de sa zone de focalisation 211. Selon un mode de réalisation alternatif du procédé, illustré en figure 1 b, les étapes de dépose et de fonte du matériau de rechargement sont réalisées successivement. Le matériau de rechargement est alors déposé sur le moule à recharger par une buse 3 de projection ou tout autre moyen connu séparé du laser avant d'être fondu par exposition au faisceau 21 du laser 2. En fonction du diamètre de la buse, la surface de matériau déposée peut présenter par exemple une dimension de l'ordre de 5/10è' de mm à 15 mm, et de préférence de l'ordre de 5 à 10mm. Un exemple de dépôt de matériau est illustré en figure 3. Afin de procéder au rechargement complet du moule, on déplace le laser relativement à celui-ci selon un mouvement de balayage pour parcourir l'intégralité de la surface à recharger. Dans le cas où la poudre de matériau de rechargement 11 est projetée par une buse coaxiale 3, la buse 3 est de préférence solidaire du laser 2 afin de pouvoir effectuer les mêmes déplacements. Le déplacement du laser se fait avantageusement à vitesse constante, afin que la quantité de matériau de rechargement soit homogène sur toute la surface du moule à recharger. A débit constant de dépôt de matériau, l'épaisseur de matériau de rechargement déposé varie en fonction de la vitesse du laser. Par exemple, pour un rechargement avec un laser à Argon, au moyen d'un matériau sous forme de poudre projetée avec un débit de l'ordre de 40 g/min, et pour une vitesse de déplacement du laser de l'ordre de 1,5 m/min, cette épaisseur peut être de l'ordre de 1 mm. En fonction des résultats désirés en termes de géométrie du moule, mais également si l'on souhaite le consolider, plusieurs couches de matériau peuvent être empilées par passages successifs du laser au même endroit. En outre, le laser est déplacé dans un plan parallèle à la surface du moule, selon une trajectoire déterminée dépendant de la surface à recharger. Par exemple, pour le cas d'une surface plane présentant une direction principale P, le laser peut effectuer plusieurs passages en translation le long de cette direction principale P, avec un décalage entre chaque passage, de sorte qu'une partie du matériau déposé à un passage recouvre le matériau déposé au passage précédent, comme visible sur les figures 3 et 5. Le décalage peut être alors être de l'ordre de 2 mm, pour une épaisseur de matériau déposé de l'ordre de 1 mm. Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape supplémentaire de refroidissement du moule rechargé. Il peut s'agir d'un refroidissement par paliers, notamment si le moule a été préchauffé. Avantageusement, si le rechargement a été réalisé à froid, cette étape ne nécessite que peu de temps (de l'ordre de quelques minutes en fonction de la masse de la pièce et de l'importance du rechargement). En refroidissant, le matériau de rechargement 11 constitue alors une couche 111 de réparation du moule et de protection 111 de sa surface 10. Enfin, une dernière étape du procédé consiste à usiner la couche de 111 de réparation et de protection, pour enlever le surplus et ajuster la forme de la partie rechargée du moule en fonction de la géométrie désirée, et/ou pour obtenir un état de surface désiré. Exemple d'application du procédé : En référence aux figures 4 et 5, un exemple d'application du procédé selon l'invention est représenté. Les figures représentent un chanfrein 12 qui peut apparaître sur le bord d'une partie concave d'un moule (représenté en figure 4a), en lieu et place d'une arrête qui délimite normalement cette partie concave, comme représente en figure 4b. En référence à la figure 4c, est représenté schématiquement un 30 exemple de chanfrein rechargé conformément à une forme de réalisation du procédé selon l'invention. Dans cet exemple, le chanfrein 12 présente une largeur de 3 mm, une hauteur de 3 mm et une extension longitudinale donnée selon la direction principale P. Afin de recharger un tel chanfrein 12, on effectue plusieurs passages du laser 2 le long de la direction principale P, selon un ordre déterminé. Par exemple, le laser peut réaliser 6 passages successifs, selon l'ordre des figures 5a à 5f. Ensuite, le matériau de rechargement est usiné pour obtenir une arrête nette en bord de la concavité, conforme à la géométrie initiale du moule. Le procédé de l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux techniques de l'art antérieur. Tout d'abord, le temps nécessaire au rechargement d'un moule est réduit, puisque l'importante température du laser permet d'effectuer le brasage plus rapidement. Typiquement, le laser peut effectuer le rechargement à une vitesse de 1,5 m/min quand le dépôt de matériau de rechargement est réalisé avec un débit de l'ordre de 40 g/min, comme dans notre exemple précédent. Du fait de cette vitesse, la dimension de la ZAT est également diminuée par rapport aux techniques de rechargement connues de l'art antérieur. En outre, la rapidité du brasage permet au procédé d'être applicable à des fontes sphéroïdales comme à des fontes lamellaires, ou d'être appliqué de la même manière à tout type de fonte indépendamment de leur pourcentage de carbone. Enfin, l'importante densité d'énergie du laser (température très importante appliquée sur une surface très localisée) permet un rechargement de grande précision, ce qui implique une économie dans la quantité de matériau de rechargement déposée sur le moule. Ces avantages ont pu être quantifiés au moyen de tests comparatifs 30 entre le rechargement PTA, qui est le procédé de rechargement de moules de verrerie de l'art antérieur présentant les meilleurs résultats, et le rechargement par laser selon l'invention. Les résultats présentés concernent des tests réalisés sur des barreaux de fonte (la fonte étant identique à une fonte utilisée pour des moules), de dimensions 40*40*200 mm. Sur ces pièces ont été usinés deux chanfreins, analogues à ceux qui peuvent apparaître par usure dans des moules de verrerie. Au cours des tests ont été mesurés les dimensions de la ZAT, le temps nécessaire au rechargement de la pièce et l'épaisseur de matériau déposée pour combler 4 mm de chanfrein. Les résultats sont exposés dans le tableau suivant. Rechargement PTA Rechargement laser Dimension ZAT 2 mm 0,2 mm Durée du rechargement 3 min 40 s Epaisseur de matériau 10 mm 7 mm Comme on le voit, selon ces trois critères, le procédé de rechargement par laser est plus efficace que le procédé PTA. Il donne des résultats d'une meilleure qualité métallurgique, permet de réaliser une économie substantielle de temps et d'argent car il est plus rapide et consomme moins de matériau de rechargement que les procédés traditionnels.20 REVENDICATIONS1. Procédé de rechargement d'un moule de verrerie(1) en fonte, en bronze, ou en acier, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - déposer une quantité de matériau de rechargement (11) déterminée sur une surface (10) de la pièce (1), le matériau de rechargement (11) comprenant un métal ou un alliage métallique, et - appliquer, sur le matériau de rechargement (11), un faisceau (21) d'un laser (2) de manière à le faire fondre localement sur le moule. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes de dépose et de fonte du matériau de rechargement (11) sont effectuées simultanément ou successivement. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, ledit procédé étant mis en oeuvre sans préchauffage. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau de rechargement (11) se présente sous forme de poudre. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le matériau de rechargement (11) est projeté au moyen d'une buse (3) sur le moule. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le moule à 25 recharger (1) se situe au niveau d'une zone de focalisation (211) du faisceau (21) du laser (2). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le matériau de rechargement (11) est projeté sur le faisceau (21) du laser (2), au niveau de 30 la zone de focalisation (211) du faisceau (21) du laser (2).20 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau de rechargement comprend au moins un matériau parmi le nickel, le cobalt et le carbure de nickel. 9. Procédé de rechargement selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant au moins un passage du faisceau (21) du laser (2) sur la surface (10) du moule (1) à recharger selon une vitesse de balayage contrôlée. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la vitesse de balayage est constante. 11. Procédé de rechargement selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant une étape ultérieure d'usinage du moule (1). 12. Procédé de rechargement selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le moule (1) est constitué de fonte lamellaire ou sphéroïdale. 13. Procédé de rechargement selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le moule (1) est constitué de fonte comprenant un pourcentage de carbone inférieur à 4.550/0, et de préférence compris entre 3.30/0 et 3.60/0. 14. Moule de verrerie (1) en fonte, en bronze ou en acier, comprenant sur une surface (10) au moins une zone recouverte d'un métal ou alliage métallique, caractérisée en ce que le métal ou alliage métallique a été appliqué conformément au procédé selon la revendication 1.30