Etude métallurgique et propriétés autolubrifiantes de revêtements par cold spray sur moules de verrerie

Metallurgical study and self-lubricating properties of cold spray coatings on glassware molds

• Auteur / Autrice : Timothée Lauridant
• Direction : Thierry Baudin, Anne-Laure Helbert, Vincent Ning Ji, Fazati Bourahima
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 28/02/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Chpolansky (Marcoussis, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Martine Wery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Paillard, Alain Denoirjean, Francesco Delloro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Paillard, Alain Denoirjean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Collage verre sur métal

Oxydation

Métallurgie

Verre -- Industrie et commerce

Mots clés libres

Moule de verrerie

Métallurgie

Cold spray

Oxydation

Etalement de goutte

Metallurgy

Glassware mold

Cold Spray

Oxidation

Drop spreading

Résumé

Dans les procédés soufflé-soufflé et pressé-soufflé de fabrication du verre creux (principalement les bouteilles et flacons), les moules ébaucheurs et finisseurs sont lubrifiés régulièrement et manuellement avec une graisse graphitée pour améliorer l'insertion de la paraison et limiter le collage entre le verre visqueux et le moule métallique. Le dépôt d'un revêtement autolubrifié en composite sur les surfaces des moules est envisagé par la société Chpolansky pour protéger le moule de l'oxydation, améliorer le contact verre/métal et réduire, voire supprimer le graissage, source de défauts, rebus et pollution environnementale. La projection sur un substrat en fonte à graphite lamellaire, par cold spray, d'un revêtement composite à matrice métallique NiCr-TiO2 est étudiée. Les analyses microstructurales et mécaniques confirment que le revêtement respecte le cahier des charges industriel. L'additif TiO2 est correctement retenu dans la matrice NiCr et le revêtement ne présente pas de défauts rédhibitoires (fissures ou porosités) dans son état brut de projection. Des essais de vieillissement ont montré que l'environnement d'air chaud (T entre 500°C et 900°C) n'altère pas la qualité du revêtement et empêche l'oxydation du substrat. C'est une protection efficace dans l'environnement verrier. Dans la couche NiCr-TiO2, les essais de vieillissement provoquent l'oxydation de la matrice, des effets de carburation et la recristallisation des splats de NiCr. L'analyse de l'étalement de gouttes de verre sur deux lots d'échantillons avec des qualités de surfaces différentes a démontré que les défauts du revêtement, générés par le procédé cold spray, sont très limitant pour le contact verre/métal. Avec un état de surface correct, à ce niveau d'étude, les performances d'étalement du verre sur le revêtement cold spray restent légèrement inférieures à celle de la référence, c'est-à-dire la fonte graissée.

Nowadays, glassware molds (blank or final) for container manufacturing by blow and blow process or press and blow process are frequently and manually lubricated with graphite-based grease in order to facilitate the glass gob insertion onto the molds and avoid glass sticking on the metallic glass walls. Chpolansky Company studies the feasibility of self-lubrification composite coating mold surface to protect the mold from oxidation, to improve metal/glass contact and reduce or stop greasing. This greasing is poorly controlled and causes defects in production, and environment contamination. Cold spray coating of a Metallic Matrix Composite NiCr-TiO2 onto cast iron substrate is the material of study. Analysis of microstructure and mechanical properties showed that the coating respects industrial requirements. TiO2 additive is correctly inserted into the NiCr matrix. Small amount of porosity and no cracks are observed in as-sprayed condition. Ageing treatment at temperature between 500°C and 900°C does not modify coating quality but causes oxidation of NiCr, carburation, and recrystallisation of NiCr splats. This coating can protect glassware molds in glass container production process. Glass drop spreading analysis is lead on two batches of coated samples with two different surface quality. Tests put in evidence the limiting effect of defects generated by the cold spray process for glass/metal contact. With a good surface condition, glass spreading results on the cold spray layer remains inferior to spreading on greased cast iron reference.