BRPI0809028B1 - compósitos poliméricos de pós metálicos - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPÓSI- TOS POLIMÉRICOS DE PÓS METÁLICOS".

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a um novo método para produzir uma peça de compósito. O método compreende uma etapa de compactação de uma composição de pó formando um corpo compactado, seguida por uma etapa de tratamento térmico em que é criado um sistema de poros a- bertos e seguida por uma etapa de infiltração. A invenção refere-se também a uma peça de compósito.

ANTECEDENTES

Materiais magnéticos moles podem ser usados para aplicações como materiais de núcleos em indutores, estatores, e rotores para máquinas elétricas, atuadores, sensores, e núcleos de transformadores. Tradicional- mente, núcleos magnéticos moles, como rotores e estatores em máquinas elétricas, são feitos de chapas de aço empilhadas. Entretanto, nos últimos anos houve interesse intenso pelos chamados materiais compósitos magne- ticamente moles (Soft Magnetic Composite (SMC) materiais). Os materiais SMC contêm partículas magnéticas moles, usualmente baseadas em ferro, com um revestimento eletricamente isolante sobre cada partícula. Peças de SMC são obtidas compactando as partículas isoladas, opcionalmente e jun- tamente com lubrificantes e/ou ligantes, usando o processo tradicional de metalurgia de pó. Usando a técnica de metalurgia de pó é possível produzir materiais tendo maior grau de liberdade no projeto da peça de SMC, em comparação com as que usam chapas de aço, uma vez que o material SMC pode portar um fluxo magnético tridimensional e formas tridimensionais po- dem ser obtidas no processo de compactação.

Como consequência do crescente interesse pelos materiais SMC, melhorias nas características magnéticas de materiais SMC tem sido objeto de intensos estudos visando expandir a utilização desses materiais.

Novos pós e processos estão sendo continuamente desenvolvidos para rea- lizar tais melhorias.

Duas características-chave de um componente de núcleo de fer- ro são sua permeabilidade magnética e sua perda no núcleo. A permeabili- dade magnética de um material indica sua capacidade de ser magnetizado ou portar um fluxo magnético. Permeabilidade é definida como a relação en- tre o fluxo magnético induzido e a intensidade de campo magnético. Quando um material magnético é exposto a um campo alternativo, como por exem- plo, um campo elétrico alternativo, ocorrem perdas de energia devido tanto à histerese como às correntes de Foucault. A perda por histerese corresponde ao consumo de energia necessário para superar forças magnéticas retidas no núcleo de ferro e é proporcional à frequência do campo elétrico alternati- vo. A perda por correntes de Foucault é devido à produção de correntes elé- tricas no núcleo de ferro devido ao fluxo variável causado por condições de corrente alternada (AC) e é proporcional ao quadrado da frequência do cam- po elétrico alternativo. Uma resistividade elétrica alta é então desejável a fim de minimizar as correntes de Foucault, sendo de especial importância em frequências mais altas, como por exemplo, acima de cerca de 60 Hz. Para diminuir a perda por histerese e aumentar a permeabilidade magnética de um componente de núcleo é geralmente desejável tratar termicamente uma peça compactada, com o que são reduzidas as tensões induzidas provenien- tes da compactação. Além disso, para obter as propriedades magnéticas desejadas, como alta permeabilidade magnética, alta indução e baixas per- das no núcleo, é frequentemente necessária densidade alta da peça com- pactada. Alta densidade é aqui definida como densidade acima de 7,0, pre- ferivelmente acima de 7,3, com máxima preferência cerca de 7,5 g/cm3 para uma peça compactada de ferro.

Além das propriedades magnéticas, são essenciais propriedades mecânicas suficientes. Resistência mecânica alta é frequentemente um pré- requisito para evitar a introdução de trincas, laminações e rupturas e alcan- çar boas propriedades magnéticas em compactos que após compactação e tratamento térmico foram submetidos a operações de usinagem. Proprieda- des lubrificantes de um reticulado de polímero impregnado podem também aumentar consideravelmente a vida útil das ferramentas de corte.

Para aumentar a utilização de componentes SMC, alta resistên- cia em temperatura elevada é uma propriedade importante, por exemplo, para componentes usados em aplicações como núcleos de motores, bobinas de ignição, e válvulas de injeção em automóveis.

Resistência mecânica melhor do componente compactado e tra- tado termicamente pode ser obtida misturando um ligante ao pó SMC antes da compactação. Na literatura de patentes estão relatadas várias resinas orgânicas, como resinas termoplásticas e termorrígidas, ligantes inorgânicos como silicatos ou resinas de silício. O tratamento térmico de componentes ligados com resinas orgânicas está restrito a temperaturas comparativamen- te baixas, inferiores a cerca de 250 °C, pois o material orgânico é destruído em temperaturas acima de cerca de 250 °C. A resistência mecânica de componentes com ligantes orgânicos tratados termicamente é boa nas con- dições normais do ambiente mas se deteriora acima de 100 0 C. Resinas inorgânicas podem ser submetidas a temperaturas mais altas sem afetar as propriedades mecânicas, mas o uso de ligantes inorgânicos está frequente- mente associado a propriedades de pó insatisfatórias, compressibilidade deficiente, baixa usinabilidade e muitas vezes necessidade de ser usado em montantes elevados, o que impossibilita a obtenção de densidades mais al- tas. A Patente US 6 485 579 descreve um método para aumentar a resistência mecânica de um componente SMC tratando termicamente o componente na presença de vapor de água. São relatados valores mais al- tos para a resistência mecânica na comparação com componentes tratados termicamente em ar; entretanto, nesse caso as perdas no núcleo aumentam.

Um método similar é descrito no W02006/135324 em que resistência mecâ- nica alta em combinação com permeabilidade magnética melhorada são ob- tidas quando lubrificantes sem metal são usados. Os lubrificantes são eva- porados em uma atmosfera não redutora antes de se submeter o componen- te a vapor d’água. Entretanto, a oxidação das partículas de ferro quando o componente é submetido a tratamento com vapor d’água, aumentará tam- bém as forças coercitivas e assim as perdas no núcleo. Impregnação, infil- tração, e selagem de componentes fundidos injetados ou de pós metálicos (P/M), por exemplo, por um reticulado orgânico são métodos conhecidos para evitar corrosão superficial ou selar porosidade superficial. O grau de penetração do reticulado orgânico será variável dependendo muito da densi- dade e condições de processamento das peças de PM. Baixos níveis de densidade (< 89% da densidade teórica), condições suaves de sinterização ou de tratamentos térmicos proporcionam fácil penetração e impregnação completa. Para materiais de alto desempenho tendo alta densidade e baixa porosidade os pré-requisitos para impregnação completa são limitados.

Impregnação de componentes SMC para melhorar a usinabilida- de a fim de produzir componentes protótipos, ou para melhorar a resistência à corrosão, é mostrada, por exemplo, no pedido de patente JP 2004 178 643 em que o líquido de impregnação é constituído por óleos em geral. Além de usinabilidade marginalmente melhorada esse método leva a superfícies gor- durosas e escorregadias, piores para manuseio. Óleo não melhora muito a vida de ferramentas de corte porque nunca fica sólido. Da mesma maneira selantes não curados ou moles têm pouco valor na usinagem. Um mecanis- mo de cura confiável para o polímero associado com resistência mecânica alta da peça de compósito é a melhor garantia para um desempenho consis- tente na usinagem.

Patentes US 6 331 270 e US 6 548 012 descrevem processos para fabricar componentes magnéticos moles CA a partir de pós ferromag- néticos não revestidos por compactação dos pós usando um lubrificante a- dequado seguida por tratamento térmico. É também relatado que para apli- cações que exigem maior resistência mecânica, os componentes podem ser impregnados, por exemplo, com resina epóxi. Como são usados pós não revestidos, estes métodos são menos adequados devido a perdas altas por correntes de Foucault, se usados em aplicações submetidas a frequências mais altas, acima de cerca de 60 Hz. A Patente US 5 993 729 trata princi- palmente de pós baseados em ferro, não revestidos, e infiltração de compac- tos de baixa densidade produzidos com o auxílio de lubrificação de paredes de matriz. A patente menciona também pós, em que as partículas são reves- tidas individualmente com uma camada eletroisolante não ligante, contendo óxidos aplicados por processo sol- gel ou por fosfatação. Os elementos magneticamente moles compactados de acordo com a Patente US 5 993 729, estão restritos a aplicações de baixas frequências, abaixo de cerca de 60 Hz, devido à baixa resistividade elétrica. Além disso, o tratamento térmico oxidante do pó ou dos compactados antes do processo de impregnação res- tringirá ou impedirá totalmente a penetração nos poros do líquido impregnan- te, especialmente para compactados de alta densidade, acima de cerca de 7,0 g/cm3, e especialmente acima de cerca de 7,3 g/cm3.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

Um objetivo da presente invenção é prover um método para au- mentar a resistência mecânica de componentes SMC tratados termicamente, especialmente componentes com densidade acima de cerca de 89 % da densidade teórica, (para componentes produzidos a partir de pós de ferro com densidade acima de cerca de 7,0 g/cm3) e tendo coercitividade mais baixa quando comparados com SMC compactos com resistência mecânica mais alta obtida por tratamento térmico convencional em atmosfera oxidante.

Um objetivo adicional da invenção é prover um método para fa- bricar componentes impregnados tendo tanto alta densidade como alta resis- tência mecânica em temperaturas elevadas, por exemplo, acima de cerca de 150°C.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Os objetivos acima mencionados da invenção são atingidos por um método para produzir peças de compósito, o método compreendendo as etapas de compactar uma composição de pó contendo um lubrificante for- mando um corpo compactado; aquecer o corpo compactado a uma tempera- tura acima da temperatura de vaporização do lubrificante de modo que o lubrificante seja substancialmente removido do corpo compactado, submeter o corpo compactado tratado termicamente obtido a um compósito polimérico líquido contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas ou mi- crométricas, e solidificar o corpo compactado tratado termicamente contendo compósito polimérico líquido, por secagem e/ou por pelo menos um trata- mento de cura. Submetendo o corpo compactado tratado termicamente a um polímero líquido contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas e/ou micrométricas, o compósito polimérico líquido pode impregnar e/ou se infiltrar no corpo compactado tratado termicamente, mesmo que o corpo compactado contenha cavidades pequenas. A solidificação subsequente do corpo compactado tratado termicamente contendo o compósito polimérico líquido proporciona um reticulado interpenetrante contendo estruturas de reforço de dimensões nanométricas ou micrométricas resultando em um corpo compactado tratado termicamente com resistência mecânica aumen- tada e melhor usinabilidade, em comparação com o obtido por métodos con- vencionais de impregnação e/ou infiltração. O reticulado interpenetrante orgânico da presente invenção, pro- porciona além de maior resistência mecânica, também usinabilidade melho- rada, em comparação com métodos convencionais de impregnação ou infil- tração. O polímero orgânico pode ser escolhido para proporcionar ao com- pactado impregnado alta resistência mecânica em temperaturas elevadas, acima de cerca de 100 MPa a cerca de 150°C. A presente invenção permite impregnação bem-sucedida de compactados de até 98% de densidade teórica. A introdução de um reticula- do interpenetrante, que pode ter propriedades lubrificantes, em um corpo compactado pode aumentar consideravelmente a vida útil de ferramentas de corte e equipamentos usados para processar o corpo compactado tratado termicamente, em comparação com métodos convencionais de impregnação e/ou infiltração.

Em uma modalidade da invenção, a composição de pó compre- ende adicionalmente um pó magnético mole, preferivelmente de partículas magnéticas moles baseadas em ferro, em que as partículas compreendem adicionalmente um revestimento eletricamente isolado.

Assim, o método pode também produzir peças/componentes magneticamente moles e com isso combinar a resistência mecânica aumen- tada do corpo compactado tratado termicamente com propriedades magnéti- cas melhoradas. Adicionalmente, o método pode melhorar a usinabilidade de um componente SMC, que pode preservar boas propriedades magnéticas após uma operação de usinagem.

Adicionalmente, o método possibilita a fabricação de componen- tes magneticamente moles impregnados tendo tanto alta densidade como alta resistência mecânica. A densidade e resistência mecânica elevadas po- dem também estar presentes em temperaturas elevadas, por exemplo, aci- ma de cerca de 150°C.

Adicionalmente, a invenção provê um método para produzir um componente compósito magneticamente mole tendo propriedades de redu- ção de ruído ou amortecimento acústico para, por exemplo, ruído causado por forças dinâmicas como forças de magnetostrição.

Em uma modalidade da invenção, as estruturas de reforço com- preendem nanotubos de carbono, preferivelmente nanotubos de parede simples.

Os nanotubos de carbono proporcionam resistência aumentada ao corpo compactado tratado termicamente. As estruturas de reforço podem ter sido funcionalizadas quimicamente.

Em uma modalidade da invenção, o método compreende adicio- nalmente a etapa de sinterizar o corpo tratado termicamente após o trata- mento térmico do corpo compactado.

Desta maneira, o método de acordo com a invenção pode ser aplicado, por exemplo, a peças sinterizadas. Assim, componentes submeti- dos a temperaturas de aquecimento em que ocorre sinterização podem tam- bém ser produzidos pelo método. No caso de sinterização, as partículas de pó não precisam ser revestidas.

Modalidades adicionais do método são descritas na descrição detalhada abaixo em conjunto com as reivindicações e figuras.

Adicionalmente, a invenção descreve uma peça de compósito.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Em contraste com métodos conhecidos de impregnação ou infil- tração, a presente invenção possibilita que o compósito polimérico líquido penetre plenamente em corpos mesmo com densidades tão altas como 7,70 g/cm3 para compactados produzidos com pós baseados em ferro. Um SMC compactado impregnado de acordo com a presente invenção pode, assim, apresentar resistência mecânica inesperadamente alta em um amplo interva- lo de temperaturas de criogênicas a altas (por exemplo, acima de cerca de 150°C) bem como propriedades de usinagem e resistência à corrosão me- lhoradas.

Um aspecto adicional do polímero SMC compactado impregnado é um aparente amortecimento acústico (isto é redução de ruído) em aplica- ções de alta indução e alta frequência. O ruído proveniente de forças dinâ- micas como, por exemplo, magnetostrição, ou outras cargas mecânicas, po- de ser reduzido com uma impregnação, em comparação com compactados não-impregnados. A redução de ruído aumenta com a fração de volume do impregnante (isto é menor densidade de compactado).

Os pós magnéticos moles usados de acordo com a presente in- venção podem ser pós baseados em ferro eletricamente isolados como pós de ferro puro ou pós de ligas de ferro com outros elementos como Ni, Co, Si, ou Al. Por exemplo, o pó magnético mole pode consistir substancialmente em ferro puro ou pode pelo menos ser baseado em ferro. Por exemplo, os pós podem ser, por exemplo, pós de ferro comercialmente disponíveis ato- mizados por água ou atomizados por gás ou pós de ferro reduzidos, como pós de ferro esponja.

As camadas eletricamente isolantes, que podem ser usadas de acordo com a invenção, podem ser camadas finas contendo fósforo e/ou barreiras e/ou revestimentos do tipo descrito na patente US 6 348 265, que é aqui incorporada por referência. Outros tipos de camadas isolantes podem também ser usados e estão divulgados em, por exemplo, Patentes US 6 562 458 e 6 419 877. Pós que têm partículas isoladas e que podem ser usados como materiais de partida de acordo com a presente invenção, são, por e- xemplo, Somaloy®500 e Somaloy®700 disponíveis em Hõganas AB, Suécia. O tipo de lubrificante usado na composição de pó metálico pode ser importante e pode, por exemplo, ser selecionado entre substâncias lubri- ficantes orgânicas que vaporizam em temperaturas acima de cerca de 200°C e, se aplicável, abaixo da temperatura de decomposição do revestimento ou camada eletricamente isolante. O lubrificante pode ser selecionado para vaporizar sem deixar resíduos que possam bloquear poros e com isso impedir que uma subse- quente impregnação seja feita. Sabões metálicos, por exemplo, que são co- mumente usados para a compactação de pós de ferro ou pós baseados em ferro, deixam resíduos de óxido metálico no componente. Entretanto, no ca- so de densidade inferior a 7,5 g/cm3, a influência negativa destes resíduos é menos acentuada, permitindo o uso de lubrificantes contendo metais nesta condição.

Outros exemplos de agentes lubrificantes são alcoóis graxos, ácidos graxos, derivados de ácidos graxos, e ceras. Exemplos de alcoóis graxos são álcool estearílico, álcool beenílico, e combinações dos mesmos.

Amidas primárias e secundárias de ácidos graxos saturados ou insaturados podem também ser usadas, por exemplo, estearamida, erucil estearamida, e combinações dos mesmos. As ceras, por exemplo, podem ser escolhidas entre ceras polialquilênicas, como etileno bis- estearamida. O montante de lubrificante usado pode variar e ser, por exemplo, 0,05-1,5 %, alternativamente 0,05-1,0 %, alternativamente 0,1 -0,6 % em peso da composição a ser compactada.

Um montante de lubrificante inferior a 0,05 % em peso da com- posição pode causar desempenho deficiente na lubrificação, que pode resul- tar em superfícies riscadas no componente ejetado, que por sua vez podem bloquear os poros superficiais e complicar os processos subsequentes de vaporização e impregnação. A resistividade elétrica dos componentes com- pactados produzidos a partir de pós revestidos pode ser afetada negativa- mente, principalmente em função de uma camada isolante deteriorada, cau- sada por lubrificação deficiente, tanto interna como externa.

Um montante de lubrificante superior a 1,5 % em peso da com- posição pode melhorar as propriedades de ejeção, mas geralmente resulta em densidade verde demasiadamente baixa do componente compactado, ocasionando indução magnética e permeabilidade magnética baixas. A compactação pode ser executada em temperatura ambiente ou elevada. O pó e/ou a matriz podem ser preaquecidos antes da compacta- ção. Por exemplo, a temperatura da matriz pode ser ajustada a uma tempe- ratura de não mais que 60 °C abaixo da temperatura de fusão da substância lubrificante usada. Por exemplo, para estearamida, a temperatura da matriz pode ser 40-100°C, pois estearamida funde aproximadamente a 100°C. A compactação pode ser feita entre 400 e 1400 MPa. Alternati- vamente, a compactação pode ser feita em pressão entre 600 e 1200 MPa. O corpo compactado pode subsequentemente ser submetido a tratamento térmico a fim de remover o lubrificante em uma atmosfera não oxidante em temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrifican- te. Caso o pó esteja revestido com uma camada isolante - a temperatura do tratamento térmico pode ficar abaixo da temperatura de decomposição da camada inorgânica eletricamente isolante.

Por exemplo, para muitos lubrificantes e camadas isolantes isto significa que a temperatura de vaporização deveria ficar abaixo de 650°C, por exemplo, abaixo de 500°C, como entre 200 e 450°C. O método de acor- do com a presente invenção, entretanto, não é particularmente restrito a es- tas temperaturas. O tratamento térmico pode ser conduzido em uma atmos- fera inerte, em particular uma atmosfera não oxidante, como, por exemplo, nitrogênio ou argônio.

Se o tratamento térmico é conduzido em uma atmosfera oxidan- te, oxidação superficial das partículas de ferro ou baseadas em ferro pode ocorrer e restringir ou impedir o fluxo de um impregnante, (isto é líquido de impregnação) no reticulado poroso do corpo compactado. A extensão da oxidação depende da temperatura e do potencial de oxigênio da atmosfera.

Por exemplo, se a temperatura é inferior a cerca de 400 °C em ar, uma pe- netração adequada de impregnante pode ocorrer. Isso pode proporcionar ao compactado impregnado uma resistência mecânica aceitável, mas pode le- var a uma relaxação de tensão inaceitável, com propriedades magnéticas insatisfatórias, como consequência. O corpo sem lubrificante pode subsequentemente ser imerso em um impregnante, por exemplo, em um recipiente de impregnação. Subse- quentemente a pressão no recipiente de impregnação pode ser reduzida.

Depois que a pressão do recipiente de impregnação alcançou valor inferior a aproximadamente 0,1 mbar, a pressão atmosférica é restabelecida, com o que o impregnante é forçado a fluir para dentro dos poros do corpo compac- tado até que a pressão seja equalizada. Dependendo da viscosidade do im- pregnante, densidade e tamanho do compactado, o tempo e a pressão ne- cessários para impregnar completamente o compactado podem variar. A impregnação pode ser conduzida em temperaturas elevadas (por exemplo, até 50°C) a fim de diminuir a viscosidade do líquido e melhorar a penetração do impregnante no corpo compactado, bem como reduzir o tempo necessário para o processo.

Adicionalmente, o compactado pode ser submetido à pressão reduzida e/ou temperatura elevada antes de ser imerso no impregnante. As- sim, ar aprisionado e/ou gases condensados presentes dentro dos compac- tados podem ser removidos e assim a subsequente impregnação pode ocor- rer mais rapidamente. A penetração pode também ser mais rápida e mais completa se a pressão for elevada para valor superior ao da pressão atmos- férica após o tratamento de impregnação em baixa pressão. É necessário, entretanto, tomar cuidado para que a estequiome- tria do impregnante não seja alterada por perdas de material volátil durante o processo de vácuo. Assim, tempo, pressão, e temperatura de impregnação devem ser selecionados por um versado na técnica levando em considera- ção a densidade do componente, a temperatura e/ou atmosfera em que o componente foi tratado termicamente, resistência mecânica e profundidade de penetração desejadas, e o tipo de impregnante. O processo de impregnação é iniciado na superfície do corpo compactado e penetra para o centro do corpo. Em alguns casos uma im- pregnação parcial pode ser efetuada e assim de acordo com uma modalida- de da invenção o processo de impregnação é terminado antes que as super- fícies de todas as partículas do corpo compactado tenham sido submetidas ao líquido de impregnação. Neste caso, uma crosta impregnada pode envol- ver um núcleo não impregnado. Assim se o grau de penetração já proporcio- nou ao componente um nível aceitável de resistência mecânica e proprieda- des de usinagem, o processo de impregnação pode ser terminado antes que penetração completa através do corpo compactado tenha ocorrido.

Em casos em que a compatibilidade química entre reticulado metálico do corpo compactado e o impregnante não é favorável, a superfície dos vazios de interpenetração do corpo compactado pode ser tratada com modificadores de superfície, reticuladores, agentes de acoplamento e/ou molhabilidade, como silanos ou silazanos orgânicos funcionais, titanatos, aluminatos, ou zirconatos, antes do tratamento de impregnação de acordo com a invenção. Outros alcóxidos metálicos bem como silanos, silazanos, siloxanos inorgânicos, e ésteres de ácido silícico podem também ser usados.

Em alguns casos em que a penetração do compósito polimérico líquido no corpo compactado é especialmente difícil, o processo de impreg- nação pode ser melhorado com o auxílio de forças de magnetostrição. As peças, o corpo compactado e o fluido de impregnação, são então expostos a um campo magnético alternativo externo durante o processo de impregna- ção.

Impregnante supérfluo pode ser removido antes que o compac- tado impregnado seja curado em temperatura elevada e/ou atmosfera anae- róbica. O impregnante supérfluo pode, por exemplo, ser removido por força centrífuga e/ou ar pressurizado e/ou imersão em um solvente adequado.

Procedimentos de impregnação, como por exemplo, os métodos emprega- dos por SoundSeal AB, Suécia, e P. A. System srl, Itália, podem ser aplica- dos. O processo de remoção de impregnante supérfluo pode, por exemplo, ser executado em bateladas em câmaras de vácuo e/ou fornos de vácuo que são comercialmente disponíveis. Os sistemas poliméricos para impregnação de acordo com a presente invenção podem, por exemplo, ser resinas orgâ- nicas curáveis, resinas termorrígidas, e/ou polímeros fundíveis que solidifi- cam abaixo de sua temperatura de fusão em um material termoplástico. O sistema polimérico pode ser qualquer sistema ou combinação de sistemas que permita adequada integração com estruturas de dimensões nanométricas por meio de forças físicas ou químicas como, por exemplo, forças de Van der Waals, ligações de hidrogênio e ligações covalentes.

Para simplificar o manuseio e usar a resina em operações contí- nuas, os sistemas poliméricos podem por exemplo, ser escolhidos no grupo de resinas que curam em temperaturas elevadas (por exemplo, acima de cerca de 40°C) e/ou em um ambiente anaeróbico. Exemplos de tais sistemas poliméricos para impregnação podem, por exemplo, ser resinas epóxi ou acrílicas com, baixa viscosidade em temperatura ambiente e tendo boa ter- moestabilidade.

Resinas termorrígidas de acordo com a presente invenção, po- dem por exemplo, ser polímeros reticulados como poliacrilatos, ésteres cia- nato, poli-imidas e epóxis. Resinas termorrígidas exemplificadas por epóxis podem ser resinas em que a reticulação ocorre entre a resina epóxi conten- do grupos epóxido e agentes de cura formando grupos funcionais corres- pondentes para reticulação. O processo de reticulação é denominado "cura". O sistema polimérico pode ser qualquer sistema ou combinação de sistemas que permita adequada integração com estruturas de dimensões nanométricas por meio de forças físicas ou químicas como, por exemplo, forças de Van der Waals, ligações de hidrogênio e ligações covalentes.

Exemplos de epóxis incluem, mas não se limitam a, diglicidil éter de bisfenol A (DGBA), bisfenol do tipo F, tetraglicidil metileno dianilina (TGDDM), epóxi novolac, epóxi cicloalifático, epóxi bromado.

Exemplos de agentes de cura correspondentes compreendem, mas não se limitam a, aminas, anidridos de ácido, amidas etc. A variedade de agentes de cura pode ser adicionalmente exemplificada por aminas; ami- nas cicloalifáticas como bis- para-aminocicloexil metano (PACM), aminas alifáticas como tri-etileno- tetra-amina (TETA) e dietíleno-triamina (DETA), aminas aromáticas como dietil-tolueno-diamina e outras.

Resinas anaeróbicas podem ser selecionadas em qualquer base de polímeros ou oligômeros que são reticulados por remoção de oxigênio, exemplificadas por acrílicos como acrilato de uretano, metacrilato, metacrila- to de metila, éster metacrilato, di- ou monoacrilato de poliglicol, metacrilato de alila, metacrilato de tetra-hidro furfurila e moléculas mais complexas como hidroxietilmetacrilato-N-N-dimetil-p- toluidin-N-óxido e combinações das mesmas.

Termoplásticos de acordo com a invenção podem ser materiais fundíveis que podem também ser aquecidos para impregnação. Exemplos de materiais para impregnação compreendem vários polímeros de baixa temperatura como polietileno (PE), polipropileno (PP), etilenovinilacetato e materiais de alta temperatura como polieterimida(PEI), poli-imida (PI), fluore- tilenopropileno (FEP), e polifenilenossulfeto (PPS), polietersulfona (PES) etc.

Os sistemas poliméricos podem compreender adicionalmente aditivos como, mas não limitados a, plastificantes, agentes antidegradação como antioxi- dantes, diiuentes, agentes de tenacidade, borracha sintética e suas combi- nações. O projeto do sistema polimérico torna possível obter as proprie- dades desejadas do corpo compactado impregnado como resistência mecâ- nica melhorada, resistência à temperatura, propriedades acústicas e/ou usi- nabilidade. A presente invenção permite projetar e engenheirar várias fases poliméricas para várias aplicações pela incorporação de estruturas de refor- ço de dimensões nanométricas e/ou micrométricas como por exemplo, partí- culas, plaquetas, whiskers, fibras, e/ou tubos como enchimentos funcionais nos sistemas poliméricos. O termo "dimensão nanométrica" significa aqui tamanhos em que pelo menos duas dimensões de uma estrutura tridimensi- onal estão na faixa de 1 nm a 200 nm. Materiais de dimensões micrométri- cas como fibras, whiskers, e partículas na faixa de 200 nm a 5 pm podem também ser usadas, por exemplo, quando os vazios de um reticulado inter- penetrante, por exemplo, num corpo compactado são grandes.

Estas estruturas podem contribuir com propriedades melhoradas para os reticulados interpenetrantes dos sistemas poliméricos/impregnantes.

Para atingir uma desejada dispersão na fase polimérica, as estruturas de dimensão nanométrica podem serfuncionalizadas quimicamente. As estrutu- ras funcionalizadas de dimensões nanométricas ou micrométricas podem também ser dispersadas na fase polimérica pela adição de solventes compa- tíveis, tratamento térmico, tratamento com vácuo, agitação, calandragem, ou tratamento ultrassônico, formando um aqui designado compósito polimérico líquido.

Nanotubos de carbono (CNT), isto é nanotubos de paredes sim- ples ou múltiplas (single- or multi- walled nanotubes SWNT, MWNT) e/ou outros materiais de dimensões nanométricas podem, por exemplo, ser usa- dos como estruturas de reforço nos sistemas poliméricos.

Pelo menos duas dimensões de cada constituinte individual de um enchimento funcional e/ou estrutura de reforço devem por exemplo, ser inferiores a 200 nm, alternativamente por exemplo, menores que 50 nm, e alternativamente menores que 10 nm. A forma dos constituintes do enchimento funcional e/ou do refor- ço pode, por exemplo, ser alongada, como tubos e/ou fibras e/ou whiskers, por exemplo, com comprimentos entre 0,2 pm e 1 mm. A superfície dos constituintes de enchimento funcional e/ou re- forço pode, por exemplo, ser funcionalizada quimicamente para ser compatí- vel com um sistema polimérico escolhido. Assim os constituintes do enchi- mento funcional e/ou reforço podem ficar substancialmente dispersos de modo completo no sistema polimérico e evitar agregação. Tal funcionaliza- ção pode, por exemplo, ser conduzida usando modificadores de superfície, reticuladores, agentes de acoplamento e/ou molhabilidade, que podem ser vários tipos de silanos ou silazanos orgânicos funcionais, titanatos, alumina- tos, ou zirconatos. Outros alcóxidos metálicos bem como silanos, silazanos, siloxanos inorgânicos, e ésteres de ácido silícico podem também ser usados.

Estruturas de dimensões nanométricas, como nanotubos e nanopartículas de carbono, são disponíveis em muitos fornecedores. Resinas poliméricas reforçadas CNT's são comercialmente disponíveis em, por exemplo, Amroy Europe, Inc (Hybtonite®) ou Arkema/Zyvex Ltd (NanoSolve®).

Em geral, quaisquer dos aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem ser combinadas em um modo de reali- zação. Alternativamente ou adicionalmente quaisquer dos aspectos técnicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem estar em modalidades separadas. Alternativamente ou adicionalmente quaisquer dos aspectos téc- nicos e/ou modalidades descritas acima e/ou abaixo podem ser combinadas com qualquer número de outros aspectos técnicos e/ou modalidades descri- tas acima e/ou abaixo para formar qualquer número de modalidades.

Embora algumas modalidades tenham sido descritas e mostra- das em detalhe, a invenção não é restrita a elas, mas pode também ser rea- lizada em outras modalidades dentro do escopo definido nas reivindicações a seguir. Em particular, deve ser entendido que outras modalidades podem ser utilizadas e modificações estruturais e funcionais podem ser feitas sem sair do escopo da presente invenção.

Em reivindicações de dispositivos enumerando vários meios, vários destes meios podem corresponder a um só item de equipamento. O mero fato de que certas medidas são recitadas em reivindicações diferentes mutuamente dependentes ou descritas em diferentes modalidades não indi- ca que uma combinação destas medidas não possa ser usada com vanta- gem.

Deve ser enfatizado que os termos "contém/contendo" “compre- ende/compreendendo” quando usados neste relatório indicam a presença de certas características, inteiros, etapas ou componentes, mas não impedem a presença ou adição de uma ou mais outras características, inteiros, etapas ou componentes ou grupos das mesmas.

Como pode ser visto nos exemplos seguintes, um novo tipo de componentes compósitos magneticamente moles pode ser obtido pelo mé- todo de acordo com a invenção.

EXEMPLOS A invenção é ilustrada adicionalmente pelos seguintes exemplos não limitativos.

Exemplo 1 Como material de partida Somaloy® 700 disponível em Hõganas AB foi usado. Uma composição, (amostra A), foi misturada com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearamida, e uma segunda composição, (amostra B), com 0,6 % em peso de um ligante de lubrificante orgânico, a poliamida Orgasol® 3501.

As composições foram compactadas a 800 MPa em amostras toroidais tendo um diâmetro interno de 45 mm, diâmetro externo de 55 mm e altura de 5 mm, e em amostras de resistência à ruptura transversa (amostras TRS) com as densidades especificadas na Tabela 1. A temperatura da ma- triz foi controlada em 80°C.

Após compactação, as amostras foram ejetadas da matriz e submetidas a tratamento térmico. Três compactados de amostra A foram tratados a 530°C durante 15 minutos em uma atmosfera de ar (A1) e nitro- gênio (A2, A3), respectivamente. A amostra A2 foi adicionalmente submetida à impregnação de acordo com a invenção usando uma resina epóxi reforça- da com CNT's. O terceiro compactado de amostra A, tratado em nitrogênio, foi adicionalmente submetido a tratamento com vapor de água a 520°C de acordo com o processo descrito no W02006/135324 (A3). Um compactado de amostra B foi tratado a 225°C durante 60 minutos em ar.

Resistência à ruptura transversa foi medida nas amostras TRS de acordo com ISO 3995. As propriedades magnéticas foram medidas em amostras toroidais com 100 drive e 100 "sense turns" usando um histeresí- metro de Brockhaus. A coercitividade é medida a 10 kA/m, e a perda no nú- cleo é medida a 1T e 400 Hz.

Como pode ser visto na Tabela 1, resistência mecânica alta das amostras pode ser alcançada por um processo de acordo com a invenção (A2), por oxidação interna (A3), ou por adição de um ligante orgânico à com- posição de pó (B). Entretanto, o uso do ligante orgânico restringe a tempera- tura do tratamento térmico a 225°C, levando a propriedades magnéticas ina- dequadas. A amostra (A3) tratada com vapor, apresenta alta resistência, mas alta coercitividade (Hc) quando comparada com a amostra impregnada (A2). A amostra produzida de acordo com a invenção (A2) apresenta alta resistência mecânica em combinação com baixa força coercitiva.

Exemplo 2 Um pó magnético mole eletricamente isolado, Somaloy® 700, disponível em Hõganas AB, foi misturado com 0,5 % em peso de estearami- da (C), cera etileno bisestearamida (cera EBS) (D), e -estearato de zinco (E), respectivamente, e compactado a 7,35 g/cm<3>. As amostras foram adicio- nalmente submetidas a um tratamento térmico durante 45 minutos em ar a 350 °C, ou em uma atmosfera de nitrogênio a 530°C. Uma amostra com es- tearamida (C2) foi deslubrificada em ar a 530°C. Todos os componentes deslubrificados foram em seguida submetidos à impregnação de acordo com a invenção usando uma resina epóxi reforçada com CNT's. As propriedades magnéticas e mecânicas foram medidas de acordo com Exemplo 1 e suma- rizadas na Tabela 2 abaixo.

Tabela 2 *Etileno bis-estearamida (Acrawax®) Como pode ser visto na Tabela 3, a atmosfera e a temperatura, em que a vaporização é conduzida é de grande importância.

Estearamida (amostra C) é completamente vaporizada acima de 300°C tanto em atmosfera de gás inerte como no ar. Se a vaporização é efe- tuada em ar em temperatura demasiadamente alta os poros superficiais são bloqueados impedindo o sucesso de uma subsequente impregnação resul- tando em baixo valor de TRS (C2). Se o tratamento térmico é conduzido em atmosfera oxidante em uma temperatura mais baixa, a impregnação pode ter sucesso, mas leva a propriedades magnéticas inaceitáveis (C1 ). A cera EBS (amostra D) não pode ser vaporizada a 350°C, mas é removida do compactado acima de 400°C. Se a temperatura de vaporização é demasia- damente baixa, o lubrificante orgânico residual bloqueará os poros. Esteara- to de zinco é vaporizado acima de 480°C, mas deixa resíduo de ZnO que proporciona compactados deficientemente impregnados de baixa resistên- cia. A temperatura de vaporização mais alta possível é preferida, pois isto possibilita a desejada relaxação de deformação e assim baixa a coercitivida- de e a perda no núcleo.

Exemplo 3 Neste exemplo, pó Somaloy® 500, disponível em Hõganas AB, tendo um tamanho médio de partícula menor que o tamanho médio de partí- cula de Somaloy®700 foi usado. Somaloy®500 foi misturado com 0,5 % em peso de estearamida e compactado a 800 MPa usando uma temperatura de matriz de 80°C. Duas amostras compactadas foram adicionalmente subme- tidas a um tratamento térmico em gás inerte durante 15 minutos a 500°C (amostras F e G). Amostra G foi adicionalmente submetida à impregnação de acordo com a invenção usando resina acrílica anaeróbica reforçada com CNTs.

As propriedades magnéticas e mecânicas foram medidas de a- cordo com o Exemplo 1.

Tabela 3 A Tabela 3 mostra claramente que a invenção pode ser usada para fabricar componentes baseados em pós eletricamente isolados com tamanho de partícula mais fino.

Exemplo 4 Como material de partida Somaloy®700, disponível em Hòganas AB, foi usado. Todas as amostras de pó foram misturadas com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearamida. As composições foram com- pactadas a 1100 MPa em barras TRS (30x12x6 mm) de densidade 7,58 g/cm3 A temperatura da matriz foi controlada a 80°C. As propriedades me- cânicas foram medidas de acordo com exemplo 1 e sumariadas na tabela 4 abaixo.

Após compactação as amostras foram submetidas a um trata- mento térmico em atmosfera inerte durante 15 minutos a 550°C. Os reticula- dos porosos dos compactados foram em seguida impregnados de acordo com a invenção usando vários tipos de impregnantes, isto é, sistemas poli- méricos curáveis reforçados. Todos os compósitos poliméricos líquidos têm baixa viscosidade em temperatura ambiente. Como reforço SWNT foi usado com 1,0 % em peso de polímero.

Tabela 4.

Como pode ser visto na Tabela 4, a TRS é melhorada significati- vamente para todos os tipos, mas com o uso de reforço é obtido um resulta- do superior para a resistência mecânica (por exemplo, TRS). Com escolha cuidadosa do sistema polimérico (isto é impregnante) a resistência mecânica pode ser mantida em temperaturas de 150°C ou mais alta.

Exemplo 5 Como material de partida, Somaloy(R)700, disponível em Hõganas AB, foi usado. Todas as amostras de pó foram misturadas com 0,3 % em peso de um lubrificante orgânico, estearil erucamida (SE). As compo- sições foram compactadas a 800 MPa ou 1100 MPa usando uma temperatu- ra da matriz de 60°C, até densidade de 7,54 g/cm3, com exceção da amostra M3, que foi compactada a 7,63 g/cm3 usando 0,2 % em peso de SE.

Após compactação, as amostras foram submetidas a um trata- mento térmico em atmosfera inerte a 550°C durante 15 minutos. O reticulado poroso dos compactados foi depois enchido usando vários tipos de impreg- nantes, como sistemas poliméricos curáveis ou óleos não curáveis, reforça- dos ou não. Todos os impregnantes apresentam baixa viscosidade em tem- peratura ambiente e estão listados na Tabela 5.

As propriedades magnéticas foram medidas em cilindros de OD

64xH 20 mm após usinagem por torneamento em toróides OD 64/ID 35 x H 14,5 mm (100 drive e 50 "sense").

Tabela 5. * Densidade prensado 7,63 g/cm3 ** Usinado após tratamento com vapor de água *** Usinado verde e subsequentemente tratado termicamente em ar a 530°C

Baixa permeabilidade pode indicar presença de trincas e lamina- ção, causadas por forças abrasivas e vibrações durante o trabalho de usina- gem. A força coercitiva pode também ser aumentada se as propriedades de usinagem são reduzidas. Sinais de propriedades de usinagem deficientes são acabamento superficial manchado, rupturas, trincas e desgaste de fer- ramentas. Amostras P a S são incorporadas para comparação.

Peças que foram usinadas antes de tratadas (S) e oxidadas para melhor resistência (R), apresentam não só alta coercitividade, mas também propriedades de usinagem deficientes e assim más propriedades magnéti- cas. Excelentes propriedades magnéticas após usinagem podem ser obtidas quando o impregnado tem boas propriedades de usinagem juntamente com alta resistência mecânica, especialmente amostras M-2, N-2, e 0-2.

Claims (25)

1. Método para produzir uma peça de compósito, o método compreendendo: - compactar uma composição de pó contendo um lubrificante formando um corpo compactado; - aquecer o corpo compactado a uma temperatura acima da temperatura de vaporização do lubrificante de modo que o lubrificante seja substancialmente removido do corpo compactado; - submeter o corpo compactado tratado termicamente obtido a um compósito polimérico líquido contendo estruturas de reforço de dimen- sões nanométricas ou micrométricas; e - solidificar o corpo compactado tratado termicamente contendo compósito polimérico líquido por secagem e/ou por pelo menos um trata- mento de cura.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que a composi- ção de pó compreende adicionalmente um pó magnético mole.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a com- posição de pó contém adicionalmente um pó baseado em ferro.

4. Método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, em que as partículas da composição de pó compreendem um revestimento inor- gânico eletricamente isolante.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, em que o referido lubrificante tem uma temperatura de vaporização abaixo da temperatura de decomposição do referido revestimento inorgânico eletricamente isolante.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, em que a etapa de aquecer o corpo compactado a uma temperatura aci- ma da temperatura de vaporização do lubrificante é efetuada em uma atmos- fera não oxidante.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o método compreende adicionalmente a etapa de reduzir a pres- são do corpo compactado tratado termicamente submetido a um compósito polimérico líquido durante um período de tempo.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o método compreende adicionalmente a etapa de elevar a tempe- ratura do corpo compactado tratado termicamente submetido a um compósi- to polimérico líquido.

9. Método de acordo com a reivindicação 7 ou 8, em que o mé- todo compreende adicionalmente a etapa de aumentar a pressão até a pres- são atmosférica ou mais alta depois de a pressão ter sido reduzida.

10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, em que o método compreende adicionalmente a etapa de enxaguar e/ou limpar o corpo compactado tratado termicamente para remover compósito polimérico líquido em excesso.

11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, em que as estruturas de reforço compreendem uma ou mais entre - partículas, - plaquetas, - fibras, - whiskers, e - tubos.

12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, em que pelo menos duas dimensões das estruturas de reforço estão a- baixo de 5 pm, como abaixo de 1 pm, por exemplo, abaixo de 200 nm.

13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que as estruturas de reforço compreendem nanotubos de carbono, preferivelmente nanotubos de parede simples.

14. Método de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 13, em que o compósito polimérico líquido contém uma resina orgânica curável escolhida no grupo de - resina termofixa, - termoplástico, e - acrílicos anaeróbicos.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, em que o lubrificante é escolhido no grupo de - amidas primárias; - amidas secundárias de ácidos graxos saturados ou insaturados; - alcoóis graxos saturados ou insaturados; - ceras amídicas, como etileno bis-estearamida, - e combinações dos mesmos.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, em que a etapa de compactar a referida composição de pó é efetuada em temperatura elevada.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 to 16, em que a etapa de aquecer o corpo compactado compreende adicional- mente uma etapa de sinterização do corpo compactado.

18. Peça de compósito incluindo uma composição de pó e um compósito polimérico contendo estruturas de reforço de dimensões nanomé- tricas e/ou micrométricas, em que a peça de compósito forma um reticulado interpenetrante entre a composição de pó e o compósito polimérico e em que as estruturas de reforço compreendem uma ou mais entre - partículas, - plaquetas, - fibras, - whiskers, e - tubos.

19. Peça de compósito de acordo com a reivindicação 18, em que pelo menos duas dimensões das estruturas de reforço estão abaixo de 5 pm, como abaixo de 1 pm, por exemplo, abaixo de 200 nm.

20. Peça de compósito de acordo com a reivindicação 18 ou rei- vindicação 19, em que as estruturas de reforço compreendem nanotubos de carbono, preferivelmente nonotubos.de parede simples.

21. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 18 a 20, em que a composição de pó contém adicionalmente um pó magnético mole.

22. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 18 a 21, em que a composição de pó contém adicionalmente um pó baseado em ferro.

23. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 18 a 22, em que a peça de compósito tem resistência mecânica superiora 100 MPa em temperatura acima de 150°C.

24. Peça de compósito de acordo com qualquer uma das reivin- dicações 18 a 23, em que a peça de compósito tem densidade acima de 7,0 g/cm3 e TRS acima de 100 MPa a 150°C.

25. Peça de compósito produzida de acordo com o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 17.