PT85702B - Estruturas ceramicas auto-suportadas e processo para o fabrico das mesmas - Google Patents
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Description
'•ESTRUTURAS CERÂMICAS AUTO-SUPORTADAS E PROCESSO
PARA O FABRICO DAS ISSKAS'· >
Campo da invenção
A oresente invenção refere-se genericamente
a. um processo para modificar um primeiro corpo cerâmico auto-sucortado, constituído por um primeiro material policristalino com ooros interligados pela incorporação de um segundo material oolicristalino no interior de pelo menos alguns dos ooros do primeiro corpo cerâmico. Zíais particularmente, a oresente invenção refere-se a estruturas cerâmicas auto-suI F portadas que se formam como produto da reacçao de oxidaçao dos primeiro e segundo metais originais. A oresente invenção refere-se também aos processos para produzir tais estruturas cerâmicas.
Descrição de cedidos de patente do mesmo proprietário objecto da presente invenção está relacionado com os pedidos de patente americanos do mesmo proprietário, NS de Série 818 943, depositado em 15 de Janeiro de 1986, que é uma adição do 1Ί9 de Série 776 964 depositado em 17 de
- 2 Setembro de 1985, que é uma adição do ris de Série 705 7θ7, depositado em 26 de Fevereiro de 1985, uma adição do N^ de Série 591 392 depositado em 16 de Março de 1984, todos em nome de Marc. S. Newkirk et al, e intitulados Novos materiais cerâmicos e processos para o fabrico dos mesmos. Estes pedidos de patente descrevem o processo para. a produção de corpos cerâmicos auto-suportados desenvolvidos como produto da reacção de oxidação a partir de um precursor de metal original. 0 metal original fundido reage com um oxidante em fase de vapor para formar u.m produto da reacção de oxidação e o metal migra através do produto da oxidação no sentido do oxidante, desenvolvendo-se assim continuamente um corpo cerâmico policristalino que pode ser produzido com um componente metálico interligado e/ou ooros interligados. 0 processo pode ser melhorado pelo uso cie um contaminante de liga, tal como no caso de um metal básico de alumínio oxidado no ar. Este processo, foi melhorado pelo uso de contaiinantes externos aplicados à superfície do metal precursor, como se descreve nos pecidos de patente americanos do mesmo proprietário N9 de Série 822 999 depositado em 27 de Janeiro de 1986, que é uma adição do N2 776 965, depositado em 17 de Setembro de 1985, uma adição do N^ de Série 747 7θθ, depositado em 25 de Junho de 1985, que é uma adição do N2 de Série 632 636 depositado em 20 de Julho de 1984, todos em nome de LIarc S. Newkirk et al, e intitulados Processos para a produção de materiais cerâmicos auto-suportados”.
objecto do presente pedido de patente está também relacionado com 0 do pedido de patente americano do mesmo proprietário e também pendente, N9 de Série 819 397 depositado em 17 de Janeiro de 1936, que é uma
N9 de Série 697 376 depositado em 4 de Fevereiro de 1985, ambos em nome de Ifer S. Ney/kirk et al e intitulados Produtos compósitos cerâmicos e processos para o seu fabrico. Estes pedidos de patente descrevem um processo novo para a produção de produtos cerâmicos auto-suportados pelo desenvolvimento de um produto da reacção de oxidação a partir de um metal original no interior de uma massa permeável de material de enchimento, infiltrando desse modo o material de enchimento com uma matriz de cerâmico.
A descrição completa de todos os pedidos de patente do mesmo proprietário é aqui expressamente incorporada por referência.
Comum a todos estes pedidos de patente do mesmo proprietário é a descrição de formas de realização de um coroo cerâmico que compreende um produto da reacção de oxidação e, optativamente, um ou mais constituintes não oxidados do precursor de metal original, ou espaços vazios, ou ambas as coisas. 0 produto da reacção de oxidação pode apresentar porosidade interligada que pode ser uma substituição parcial ou quase completa da fase de metal. A oorosidade interligada dependerá grandemente de factores tais como a temperatura à qual se forme o produto da reacção de oxidação, o tempo durante o qual se permite que a reacção de oxidação prossiga, a composição do metal original, a presença de materiais contaminantes, etc. Alguns dos poros interligados são acessíveis a partir de uma ou mais superfícies externas do corpo cerâmico, ou tornam-se acessíveis por uma operação ulterior ao processo, por exemplo, de maquinação, corte, rectificação,
- 4 fragmentação, etc.
Sumário da Invenção
Segundo a presente invenção, proporciona-se um processo para, a produção de uma estrutura cerâmica auto-suportada, compreendendo o processo as fases seguintes. Proporciona-se um primeiro corpo cerâmico auto-suportado. Este primeiro corpo cerâmico compreende um primeiro produto da reacção de oxidação policristalino formado por oxidação de um primeiro metal original fundido, com um primeiro οχιά ante, e poros interligados pelo menos parcialmente acessíveis a partir de uma ou mais superfícies do corpo cerâmico. Orientam-se um em relação ao outro um corpo de um segundo metal original e o primeiro coroo cerâmico de modo que a fusão e a reacção de oxidação do segundo metal originei com um segundo oxidante em fase de vapor provoque a formação de um segundo produto da reacção de oxidação policristalino no sentido da porosidade interligada do primeiro coroo cerâmico e para o seu interior. Aquece-se o segundo metal original até uma gama de temperaturas acima do seu ponto de fusão mas abaixo dos pontos de fusão do primeiro e do segundo piOdutos da reacção de oxidação, para formar um corpo de segundo metal original fundido. Dentro dessa gama de temperaturas, o corpo de segundo metal original fundido reage com o oxidante em fase de vapor para formar o segundo material policristalino de produto da reacção de oxidação. Ainda dentro dessa gama de temperaturas, mantém-se pelo menos uma porção do segundo produto da reacção de oxidação em contacto com o corpo de segundo metal original fundido e o oxidante, e entre os mes
- 5 mos, de modo que o segundo metal original é extraído através do segundo material policristalino, no sentido do oxidante, de modo que o segundo produto da reacção de oxidação continua a formar-se na interface entre o oxidante e o segundo produto da reacção de oxidação anteriormente formada. Finalmente, continua-se a reacção dentro da referida gama de temperaturas por um tempo suficiente para infiltrar em pelo menos parte da. porosidade do referido corpo cerâmico com o segundo material policristalino.
Um asoecto da presente invenção inclui o fabrico do primeiro corpo cerâmico nas fases seguintes. Ãquece-se um primeiro metal original para formar um corno de metal original fundido que reage com um primeiro oxidante a uma certa temperatura para formar um primeiro produto da reacção de oxidação. Mantém-se o primeiro produto da reacção de oxidação em contacto com o corpo do primeiro metal original fundido e o oxidante, e entre os mesmos, e mantém-se a temoeratura de modo a progressivamente extrair metal fundido através do primeiro produto da. reacção de oxidação no sentido do oxidante, de modo que continua a formar-se o primeiro produto da reacção de oxidação na interface entre o oxidante e o primeiro produto da reacção de oxidação anteriormente formado. Continua-se a reacção na gama de temperaturas do processo durante um tempo suficiente para produzir um primeiro corpo cerâmico auto-suportado constituído por um material oolicristalino que compreende o primeiro produto da reacção de oxidação e tendo poros, um ou vários constituintes metálicos, ou as duas coisas, 0 aperfeiçoamento neste processo comoreende as seguintes fases: (1) proporciona-se um grau de
- 6 porosidade escolhido ao primeiro material policristalino, ou controlando adequadamente as condições de fabrico atrás descritas, ou mediante tratamento posterior (ou ambas as coisas). Após ά fase (1), orientam-se um segundo metal original e o primeiro material policristalino um em relação ao outro de modo que se verifique a formação de um segundo produto da reacção de oxidação policristalino no sentido dos poros do primeiro material policristalino e para o seu interior. Depois repetem-se as fases atrás descritas para o fabrico do primeiro corpo cerâmico com o segundo metal original e o orimeiro material policristalino com um segundo oxidante em fase de vapor. Daí resulta a formação de um segundo produto da reacção de oxidação, a qual continua durante ura tempo suficiente para que o segundo produto da reacção de oxidação se infiltre em pelo menos uma porção dos poros do primeiro material policristalino, formando assim a estrutura cerâmica.
Segundo a presente invenção, proporeiona.-se também uma estrutura cerâmica auto-suportada que compreende o seguinte. Um primeiro corpo cerâmico constituído por um primeiro produto da reacção de oxidação policristalino formado por oxidação de um primeiro metal original fundido com um oxidante e possuindo poros interligados pelo menos parcial nente acessíveis a partir de uma ou mais sunerfícies do referido corpo cerâmico; e um segundo produto da reacção de oxidação policristalino formado por oxidação de um segundo metal original fundido com um oxidante, disoosto em pelo menos uma porção da porosidade atrás referida.
Tal como são usados na presente memória descritiva e nas reivindicações anexas, os termos seguintes são
- 7 definidos com segue.
«Cerâinico não deve ser tomado indevidamente como sendo limitado a uin corpo cerâmico no sentido clássico, ou seja, no sentido de que ele consiste totalmente em materiais não metálicos e inorgânicos, mas sim, que se refere a um corpo que seja oredominantemente cerâmico no referente tanto à sua composição ou às propriedades dominantes, ainda que ele contenha quantid-des mínimas ou substanciais de um ou vários constituintes metálicos e/ou porosidade (interligados ou isolados), o mais tipicamente numa faixa entre mais ou menos 1 e 40%, em volume, mas podendo ser superior.
Produto da reacção de oxidação geralmente significa um ou mais metais em qualquer estado oxidado no qual o metal tenha fornecido electroes a um outro elemento oujcçnpartilhqdo composto ou combinação dos mesmos electrões/com os mesmos. Por conseguinte, um Droduto da reacção de oxidação, segundo esta definição, inclui o produto da reacção de um ou mais metais, com um oxidante tal como os descritos aqui.
Oxidante significa um ou vários aceitadores ou compartilhadores de electroes adequados e pode ser um sólido, um líquido ou um gás (vapor) ou qualquer combinação dos mesmos (por exemplo, um sólido e um gás), nas condições do processo de desenvolvimento c& cerâmica.
Metal original deve referir-se aos metais relativ .mente puros, aos metais existentes no comércio contendo impurezas e/ou constituintes sob a forma de liga; e ligas e compostos intermetálicos dos metais. Quando se menciona um metal específico, o metal identificado deve ser entendido tendo esta definição em mente, a menos que se indique
- 8 ι .ό ao contrário pelo contexto. Por exemplo, quando o alumínio for o metal original, ele pode ser metal relativamente puro (por exemplo, alumínio existente no comércio com a pureza de 99,7%) ou alumínio 1100 tendo impurezas nominais de fiais ou menos 1%, em peso, de silício mais ferro, ou ligas de alumínio tais como, por exemplo, a 5052.
Breve descrição das figuras
A fig. 1 é uma vista esquemática de um corpo cerâmico com porosidade interligada e metal interligado.
A fig. IA é uma vista ampliada num corte feito pelas linhas (A-A) da fig. 1.
A fig. 2 é uma vista esquemática com corte transversal parcial do corpo cerâmico da fig. 1, após uma parte substancial do metal interligado ter sido retirada.
A fig. 3 é uma vista esquemática de um corpo cerâmico num leito inerte contido dentro de um cadinho que deve ser introduzido num forno para vaporizar o metal interligado.
A fig. 4 é uma vista esquemática de um corpo cerâmico imerso num lixiviador solvente para retirar o me t al int e rl ig ado,
A fig. 5 é uma vista esquemática de uri conjunto de um primeiro corpo cerâmico com um segundo metal original nele colocado, com o conjunto mantido num leito inerte contido num vaso refractário.
As figs. 6 a 10 são microfotografias com a ampliação de 400 vezes de cortes transversais de espécimes
/ σ prenarados co.no se descreve nos exemplos 1 e 2.
DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO Ώ RORIIÃS DE REALIZAÇÃO —M—M-M—IWM——Μ——M—M—VWM—Μ.—M—— .1 I —II II 11 II II· .1 Illllll.r itÍíMWS—MfW·,'.·· I 1··.·-'.-.·· —II ΙΓΤ11Ι1.— 1——ίΛ—— ΙΙΠ—ΙιΜ IW.a>tl-r»—l.— '1 · 1' — 'i—ltolt—r.raa PREFERIDAS
De acordo com o processo segundo a presente invenção, produz-se um primeiro corpo cerâmico auto-suoortado com porosidade interligado. A porosidade inteicanjugadatem oelo menos parcialmente poros abertos ou acessíveis a partir de uma superfície (ou superfícies) exteriores ou são tornados acessíveis mediante um tratamento após o processo. Uma quantidade significativa ou substancial dos poros interligados é infiltrado por, preenchida, etc., por um segundo material policristalino que se torna integrado na estrutura cerâmica do produto, de modo a modificar, melhorar ou contribuir para determinadas características do primeiro coroo cerâmico. Embora a presente invenção se descreva no seguimento com especial referência ao alumínio tanto como primeiro como segundo metal original, deve entender-se que podem também aolicar-se outros metais originais, tais como o silício, o titânio, o estanho, o zircónio e o háfnio.
Com referência à fig. 1, em primeiro lugar proporciona-se um primeiro corpo cerâmico policristalino auto-suportado (12) que é, por exemplo-, fabricado pelos processos de qualquer dos pedidos de patente do mesno proprietário atrás referidos, Dor conseguinte, proporciona-se um primeiro metal original, por exemplo, alumínio que pode estar contaminado (como adiante se explica com mais pormenor), como o precursor do primeiro produto da reacção de oxidação. Funde-se o primeiro metal original numa gama de temperaturas apro
criada num primeiro meio oxidante ou na sua vizinhança imediata. A essa temperatura, ou n^ referida gama de temperaturas, o primeiro metal original fundido reage com o oxidante para formar um primeiro produto da reacção de oxidação policristalino. Pelo menos uma porção do primeiro produto da reacção de oxidação é mantida em contacto com o primeiro metal original fundido e com o primeiro oxidante, e entre os mesmos para arrastar o primeiro metal original fundido através do primeiro produto da reacção de oxidação e entrando em contacto com o primeiro oxidante. Deste modo, o primeiro produto da reacção de oxidação continua a formar-se na interface entre o primeiro oxidante e o primeiro produto da reacção de oxidação formsdo anteriormente. A reacção continua durante um tempo suficiente para formar o primeiro corpo cerâmico policristalino (10) que comoreende ou é constituído essenciA-mente pelo primeiro produto da reacção de oxidação, genericamente ilustrado em (12), tendo poros (13) interligados e/ou um constituinte metálico (14) interligado (fig. IA). 0 constituinte metálico interconjugado(14), adiante por vezes designado sinlesmente por metal ou componente metálico (14), compreende constituintes não oxidados do metal original, podendo incluir contaminantes e outras inclusões metálicas. Os poros interligados (13), bem como o constituinte metálico interligado (14) estão interligados em uma ou mais dimensões e estão dispersos ou distribuídos por parte ou substancialmen te por todo o primeiro material policristalino (12). Estes poros (13) e o metal (14) formados “in situ durante a formação do primeiro produto da reacção de oxidação policristalino, estão ambos pelo menos parcialmente abertos ou acessí-
veis a partir de gelo menos uma superfície, por exemplo cHs superfícies (15), do primeiro coroo cerâmico (10), ou podem tornar-se acessíveis por exemplo por maquinação ou fragmentação. Alguns dos poros (13) θ oarte do metal (14) podem estar isolados à maneira de ilhas. Ãs percentagens volumétricas da porosidade (13)(interligada e isolada) e dos constituintes metálicos (14)(interligados e isolados) dependerão grandemente de condições tais como a temperatura, 0 tempo, os contaminmtes e 0 tipo do primeiro metal original utilizado para 0 fabrico do primeiro corno cerâmico (10).
Numa forma de realização preferida da presente invenção, essencialmente ou substancialmente todo 0 metal interligado (14) é ou deve ser retirado para produzir um primeiro coroo cerâmico (10) auto-suportado com porosidade interligada (13) distribuída por parte ou substancialmente por todo 0 material nolicristalino, como se ilustra na fig. 2. Para retirar todo ou parte do metal interligado (14) pode continuar-se 0 processo da reacção de oxidação até se completar; ou seja, quando a fase metálica tiver reagido completamente ou quase completamente para formar produto da reacção de oxidação, 0 componente metálico (14) é retirado do corpo cerâmico (12), deixando no seu lugar os poros (13) interligados e é oxidado para formar cerâmica adicional na sus ou suas superfícies (15). Se se completar 0 processo, 0 produto da reacção de oxidação apresentará uma percentagem volumétrica de poros (13) maior, pelo menos parcialmente interligadas. Por exemplo, um primeiro corpo cerâmico formado a partir de alumínio processado no ar, a cerca de 1125°C, pode conter desde mais ou menos 20 por cento, em volume, até
- 12 mais ou menos 30 por cento, em volume, do metal 14, e desde mais ou menos 2 por cento, em volume, até mais ou menos 5 por cento, em volume, de poros (13), quando se interromper o desenvolvimento antes de todo o primeiro .aetal original estar oxidado; e, se for processado de modo a completar a oxidação de todo o primeiro metal original, pode conter desde mais ou menos 1 por cento, em volume, até mais ou menos 3 por cento, em volume, dos constituintes metálicos (14) e desde mais ou menos 25 por cento, em volume, até mais ou menos 30 por cento, em volume (ou ainda mais), de espaços vazios ou poros (porosidade), quando se leva o processo até se completar.
Um segundo processo ou meio de retirar metal interligado (14) consiste em colocar o primeiro corpo ceramico num leito inerte (18) contido dentro de um cadinho ou qualquer outro recipiente refractário (20) (ver fig. 3). 0 recipiente (20) e o seu conteúdo são depois postos num forno com uma atmosfera inerte (por exemplo, árgon ou qualquer outro gás não reactivo) e aquecidos a temperaturas ãs quais o constituinte metálico (14) tem uma pressão de vapor elevada. Esta temperatura, ou gama de temperaturas preferidas podem variar conforme factores tais como a composição do primeiro metal original, o tempo de aquecimento e a composição final do constituinte metálico (14) no primeiro corpo cerâmico. A temperatura apropriada, o metal interligado (14) vaporiza-se a partir do corpo cerâmico, mas não se formará qualquer produto da reacção de oxidação adicional, devido à atmosfera inerte. T.mntendo estas temperaturas, o metal interligado (14) continuará a vaporizar-se e a ser conduzido para fora do for — 13 no, por exemplo, por um meio de ventilação apropriado cio forno.
Um terceiro processo ou meio para retirar metal interligado (14) consiste em mergulhar o· primeiro corpo cerâmico (10) num lixiviador (22) apropriado para dissolver ou dispersar o metal interligado (14) (ver fig. 4). 0 lixiviador (22) pode ser qualquer líquido ou gás ácido ou básico o que dependerá de factores tais como a composição do metal (14), o tempo de imersão, etc, Ho caso de se utilizar alumínio como primeiro metal original e, por conseguinte, tendo alumínio no metal interligado (14) constatou-se ser o HG1 um meio ácido apropriado. Se o coroo cerâmico contiver silício, são as soluções de NaOH e/ou KOH meios básicos apropriados. 0 tempo de imersão do corpo cerâmico no lixiviador (22) dependerá da quantidade e do tipo do componente metálico (14) e da localização do metal interligado (14) relativamente às superfícies ou superfície (15). Quanto mais profundamente estiver o metal interligado (14) no primeiro coroo cerâmico (10), mais tempo levará esse metal (14) a ser lixiviado ou retirado por ataque químico, e mais tempo deve ficar o coroo cerâmico no lixiviador (22). Esta fase de extracção pode ser facilitada aquecendo o lixiviante ou agitando o banho de lixiviante. Após o primeiro corpo cerâmico (10) ter sido retirado do lixiviador (22), ele deve ser lavado com água para retirar qualquer lixiviador residual.
Quando se tiver removido essencial ou substancialmente todo o metal interligado (14), produz-se um primeiro corpo cerâmico (10) auto-suportado, o qual compreende um produto da reacção de oxidação policristalino formado pela / .* oxidação de ui.n precursor do metal original fundido com um oxidante e tendo poros interligados (13) que, preferivelmente, compreendem desde mais ou menos 5 por cento, em volume, até cerca de 45 por cento, em volume, do primeiro corpo cerâmico (10).
Um segundo material policristalino é formado a partir de um segundo metal original por oxidação do mesmo com um segundo oxidante em fase de vapor, num processo semelhante ou idêntico ao utilizado para fazer o primeiro corpo cerâmico, com o segundo metal original e o primeiro corpo cerâmico orientados um em relação ao outro de modo que o segundo material policristalino em formação se infiltre em pelo menos alguns dos poros do primeiro corpo cerâmico. A infiltração pode ser limitada a uma primeira zona do primeiro corpo cerâmico ou pode estender-se através de substancicimente todo o volume do primeiro coroo cerâmico. Quando a infiltração pelo segundo material policristalino se limita a uma primeira zona do. primeiro corno cerâmico, a segunda zona do primeiro corpo cerâmico, não infiltrada, terá a sua porosidade substancialmente não afectada pela infiltração do segundo material policristalino. A segunda zona, não está infiltrada, pode assim ter mais poros que a primeira zona infiltrada da estrutura cerâmica do produto.
Uma outra técnica consiste em retirar o constituinte metálico (14) de apenas uma primeira zona do primeiro corpo cerâmico (10) ou retirar mais constituinte utilizável da primeira zona que da segunda zona do primeiro corpo cerâmico (10). Isto pode ser realizado com facilidade, por exemplo submergindo apenas uma porção do primeiro corpo cera— 15 ζ ί .» mico (10) no lixiviador (22) (fig. 4)<
segundo material ^olicristalino é formado pelas técnicas descritas nos pedidos cie patente do mesmo proprietário, estando um desses processos exemplificado na fig.
5, onde o primeiro corpo cerâmico (12) está a ter uma porosidade (13) elevada ou aumentada (pelo processamento subsequente), e um constituinte metálico (14) correspondentemente reduzido é colocado dentro de um leito inerte (18·) contido num recipiente refractário (20’). Coloca-se- um corpo do segundo metal original (2<) sobre o corpo cerâmico (12). A porosidade (13) estende-se .té '> superfície (15) do primeiro corpo cerâmico (12). 0 conjunto representado na fig. 5 é aquecido até á temperatura de reacção desejada, que é superior ao do ponto de fusão do segundo corpo de metal original (24), mas inferior quer ao do primeiro produto cia reacção de oxidação do primeiro corpo cerâmico (12), quer do segundo produto da reacção de oxidação do segundo metal original (24). Aquece-se este conjunto num ambiente oxidante, por exemolo, uma atmosfera de ar, iniciando-se o desenvolvimento do segundo material policristalino para o interior da porosidade (13) do primeiro coroo cerâmico (12). 0 desenvolvimento continua para preencher a porosidade até o ponto desejado, por exemplo, através de substancialmente todo o primeiro corpo cerâmico (24) ou até um oonto desejado no mesmo. Depois de completada a reacção, arrefece-se o conjunto e separa-se a estrutura de produto compósito cerâmico resultante da carga (18’) e do segundo metal original (24) residual, se houver.
Os seguintes exemplos não limitativos são proporcionados para ilustrar o processo segundo a presente in— 16 — venção.
Exemplo 1
Prepararam-se materiais cerâmicos contendo porosidade interligada- pelos processos dos pedidos de patente do mesmo proprietário. Assim, prepararam-se lingotes rectangulares, cada um deles medindo 10,16 x 22,86 x 3,81 cm (4x9x1 1/2) a partir de liga de alumínio 5052, que contém nominalmente 2,4% de magnésio e não mais de 0,5/ de silício e ferro. Introduziram-se cada um dos lingotes individualmente em partículas de óxido de alumínio (Alundum EI da NORTON, granulometria 90 mesh), num cadinho refractário, ficando exposta e substancialmente nivelada com a superfície do leito uma face de 10,16 x 22,86 cm (4 x 9) do lingote de alumínio com a superfície do leito aproximadamente 0,635 cm (1/4) abaixo da abertura do cadinho. Colocou-se uma terceira canada de partículas de Si02 de 140 mesh sobre a superfície do metal exposta, -como contaminante para promover a reacção.
Colocaram-se os cadinhos e os seus conteúdos num forno onde foram aquecidos no ar até uma temperatura ajustada de 1125°C e mantiveram-se a essa temperatura durante 160 horas. Este tempo de exposição foi calculado para permitir que o metal original de alumínio se oxidasse o mais completamente possível, criando assim uma cerâmica de alfa-alumina com porosidade interligada. 0 arrefecimento dos produtos da oxidação do metal ocorreu uniformemente durante um tempo de 10 horas.
A natureza grandemente porosa do produto da oxidação de cerâmica foi confirmada por exame ao microscóoio
- 17 -, de um corte transversal polido, como se exemplifica na fig. 1, uma micrografia óptica obtida, com a ampliação de 400 vezes, na qual o material cinzento é óxido de alfa-alumínio, o material mais claro é ou silício (brilhante) ou alumínio (mosqueado); e sendo as zonas escuras poros. 0 teor de (silício ou alumínio) elementares do corpo foi estimado ser aproximadamente 3% eu volume.
A reinfiltração do material cerâmico formado, resultante com um produto da reacção do oxidação foi a seguir demonstrada utilizando duas ligas do alumínio originais diferentes. Para isso, cortaram-se pedaços rectangulares com aproximadamente 5,08 x 1,905 x 1,27 cm (2” x 3/4” x 1/2”) da cerâmica porosa. Os locais dos cortes foram escolhidos para eliminar qualquer camada de espinela presente na superfície interna original da cerâmica ou quaisquer camadas de maior densidade na superfície exterior. Colocaram-se estes pedaços individualmente na parte superior dos lingotes rectangulares de liga de alumínio com as dimensões nominais de 5,08 x 2,54 x x 1,27 cm (2” x 1” x 1/2”) com a face de cerâmica de 5,08 x x 1,905 cm (2” x 3/4”) e as faces metálicas de 5,08 x 5,08 (2 x 2”) adjacentes.
Utilizaram-se duas ligas de alumínio diferentes: a liga 712.2 com a composição mínima <?e 5,0 - 6,5% de zinco, a 0,5 - 0,65% de magnésio, 0,4 - 0,6% de crómio, 0,4% de ferro, 0,25% de cobre, 0,15 - 0,25% de titânio, 0,15% de silício e 0,1% de manganês; e a liga 380.1 com a composição nominal de silício em 7,5 - 9,5% de silício, 3,0 - 4,0% de cobre, 2,97% de zinco, 1,0% de ferro, 0,5% de manganês, 0,5% de níquel, 0,35% de estanho e 0,1% de magnésio. Todavia, ve- 18 t rificou-se que a liga. 3θθ.1 actualmente utilizada neste trabalho tem mais ou menos 0,17 - 0,18$ de magnésio. Supõe-se que o nível mais elevado de magnésio é importante tendo em vista o papel estabelecido para o magnésio como contaminante ou promotor da reacção de oxidação.
Colocaram-se os conjuntos de cerâmica/liga atrás descritos em cadinhos refractários distintos e envolveram-se com uma camada de partículas de wollastonite com a espessura de aproximadamente 1,27 cm (1/2). A wollastonite é usada como material de barreira oara conter a liga fundida e para confinar a reacção de oxidação ao espaço vazio dos corpos cerâmicos.
Colocaram-se os cadinhos e os seus conteúdos num forno e aqueceram-se na presença de ar até à temperatura ajustada de 900°C, num período de aquecimento de cinco horas. Mantiveram-se as amostras durante 30 horas à temperatura ajas tada e depois arrefeceram-se até â temperatura ambiente durante cinco horas. Hetiraram-se depois os pedaços de cerâmica do leito e observaram-se, não tendo mostrado qualquer mudança apreciável de aparência ou de geometria.
Os pedaços de cerâmica, foram seccionados transversalmente, montados, polidos e observados ooticamente para determinar os resultados da experiência da reinfiltração. Este exame revelou uma boa reinfiltração na cerâmica porosa quer com a liga 380.1 quer com a 712.2. A.s figs. 7 e 3 representam 0 produto reinfiltrado pelas ligas 380,1 e 712.2, respectivamente, com uma ampliação de 400 vezes. ITotar 0 produto da reacção cerâmico interligada, que substitui a porosidade interligada na cerâmica, original (fig. 1). 0 resultado é um
1/Λ corpo muito mais denso com o que aparenta constituir a única porosidade isolada remanescente.
Exemplo 2
Este exemplo ilustra a- reinfiltração do produto da reacção de cerâmica no interior de um material cerâmico poroso preparado em condições diferentes das do exemplo 1. Neste caso, o corpo poroso foi produzido por oxidação de uma liga contendo (em peso) 10% de silício, 3% de magnésio e o restante de alumínio, a uma temperatura ajustada de 125O°C, durante 80 horas. Em todos os outros aspectos, a preparação da cerâmica porosa inicial foi idênticaâdo exemplo 1. A microestrutura deste material está representada na fig. 4 com a ampliação de 400 vezes.
A reinfiltração do produto da reacção de cerâmica no interior da cerâmica, porosa seguiu o procedimento do exemplo 1, utilizando-se a liga 712.2 a 900°C. A fig. 10 representa um corte transversal, também com a ampliação de 400 vezes, do material resultante. Verificou-se que a infiltração não se completara durante o tempo de 30 horas a 900°C. A fig. 10 mostra a interface entre o material infiltrado e o que não foi afectado (respectivamente do lado direito e do ledo esquerdo da figura). Como no exemplo 1, verificou-se que o material reinfiltrado tem produto de oxidação de cerâmica desenvolvido de novo, preenchendo a porosidade interligada da estrutura.
Gomo atrás se explicou, o primeiro corpo cerâmico é produzido a partir de um primeiro metal original apropriado de acordo com os processos descritos nos pedidos de
- 20 patente do mesmo proprietário. Numa forma de realização preferida da presente invenção, produz-se um material compósito utilizando uma massa ou leito de material de enchimento permeável colocado adjacente a. uma superfície do primeiro metal original e em contacto com ela, e continua-se o processo até que a reacção de oxidação se tenha infiltrado no leito do material de enchimento até ao seu lixiiite, que pode ser definido por um meio de barreira apropriado. A massa de material de enchimento que, preferivelmente, é modelado sob a forma, de um pré-molde, é suficientemente poroso ou permeável para permitir que o oxidante, no caso de um oxidante em fase de vanor, atravesse os poros do material de enchimento e entre em contacto com o primeiro metal original, e para receber o desenvolvimento do primeiro produto da reacção de oxidação no interior do material de enchimento. Como alternativa, o primeiro oxidante pode estar contido dentro do material de enchimento ou ser constituído oelo mesmo. 0 material de enchimento pode incluir qualquer material apropriado tal como partículas, oós, plaquetas, corpos ocos, esferas, fibras, fios emaranhados, etc., que tipicamente são materiais cerâmicos. Além disso, o leito de material de enchimento pode incluir uma rede de barras, placas ou fios de reforço. Tipica sente, nessas estruturas cerâmicas policristalinas, que incluem produtos compósitos cerâmicos, os cristalitos do produto da reacção de oxidação estão interligados e a porosidade e/ou o componente metálico estão pelo menos parcialmente, interligados, sendo os poros acessíveis a partir de uma superfície exterior do corpo cerâmico.
Como se explica nos pedidos de patente do / * mesmo proprietário, materiais contamixiantes utilizados em conjunção com um ou ambos os primeiro e segundo metais originais podem, em determinados casos, influenciar de modo favorável os processos de reacção de oxidação, em especial nos sistemas que utilizem alumínio como metal original. A função ou funções de um material contaminante pode depender de um certo número de factores sem ser o próprio material contaminante. Esses factores incluem, por exemplo, a combinação específica de contaminantes, quando se usam dois ou mais contsminantes em combinação com um contaminante de liga com o metal original, a concentração do ou dos contaminantes, o ambiente oxidante e as condições do processo.
contaminante ou contaminantes utilizados em conjunção com. os primeiro e/ou segundo metais originais (1) podem ser fornecidos co.no constituintes de liga do metal original,(2) podem ser aplicados em pelo menos uma porção da superfície de metal original, ou (3) quando se utiliza um material de enchimento, podem ser aplicados ou incorporados numa parte ou em todo o material de enchimento ou do pré-molde, ou podendo usar-se qualquer combinação de duas ou mais das técnicas (1), (2) e (3). Porexemplo, pode usar-se um contaminante de liga sozinho ou em combinação com um segando contaminante aplicado externamente. No caso da técnica (3), na qual se aplicam um ou mais contaminantes adicionais ao material de enchimento a aplicação pode ser feita por qualquer processo apropriado, como se exolicou nos pedidos de patente do mesmo proprietário.
Os contaminantes utilizáveis nara um metal original de alumínio, em especial com ar como oxidante, in-
cluem o magnésio, o zinco e o silício, tanto sós como em combinação de uns com os outros ou em combinação com outros contaminantes como mais adiante se descreve. Estes metais ou uma fonte apropriada dos mesmos podem ser elementos de liga no metal original à base de alumínio, com as concentrações, para cada um, entre mais ou menos 0,1 - 10$, em peso, com base no peso total do metal contaminado resultante. Estes materiais contaminsntes ou uma fonte apropriada dos mesmos (por exemplo, MgO, SnO ou Si02) podem também ser utilizados externamente ao metal original. Assim, pode obter—se uma estrutura cerâmica de alumina para uma liga alumínio-silício como metal original utilizando ar como oxidante, mediante o uso do KgO como contaminante superficial numa quantidade superior a mais ou menos 0,0008 grama por cada grama do metal original a oxidar ou sunerior a 0,003 grama <jor centímetro cnadrado do metal original sobre o qual se aplica o UgO.
Outros exemplos de materiais contaminantes eficazes com metais originais de alumínio oxidados com ar incluem o sódio, o germânio, o estanho, o chumbo, o lítio, o cálcio, o boro, o fósforo e o ítrio, que podem ser utilizados individualmente ou em combinação com um ou mais outros contaminantes conforme o oxidante e as condições do processo. Elementos das terras raras tais como o cério, o titânio, o praseodímio, o neodímio e o samário podem também ser usados como contaminantes e de novo aqui em especial quando usados em combinação com outros contaminantes. Todos os materiais contaminantes, como se explicou nos pedidos de patente do mesmo proprietário são eficazes para promover o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação oolicristalino para * .* os sistemas com metal original à base de alumínio.
Iode utilizar-se um oxidante sólido, líquido ou em fase de vapor (gás), ou uma combinação desses oxidaates, com o primeiro metal original e um oxidante en fase de vapor com o segundo metal originai, ror exemplo, os oxidantes típicos compreendem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogéneo, o enxofre, o fósforo, o arsénio, o carbono, o boro, o selénio, o telúrio e compostos e combinações dos mesmos, por exemplo, sílica (como fonte de oxigénio), metano, etano, propano, acetileno, etileno e propileno (como fonte de carbono), e misturas tais como ar, Hg/HgO e CO/COg, sendo as duas últimas (ou seja, Hg/HgO θ CO/COg) utilizáveis para reduzir a activida.de do oxigénio do meio ambiente.
Embora possam usar-se quaisquer oxidantes apropriados, como atrás se descreveu, prefere-se um oxidante em fase de vapor, que é usado com o segundo metal original, para utilizar com o primeiro metal original; porém, deve entender-se que podem ser usados dois ou mis tipos de oxidantes em combinação com o primeiro metal original. 0 oxidante usado pari oxidar o segundo metal original é um oxidante em fase de vapor, como para o primeiro corpo cerâmico, ou pelo menos a sua zona que deve ser infiltrada pelo segundo material policristalino é permeável ou torna-se permeável por um processamento ulterior. 0 oxidante em fase de vapor atravessa os poros do primeiro corpo cerâmico ou uma zona escolhi dado .'.es.no e, no seu interior entra em contacto com o segundo metal original, para o oxidar e forma o segundo material policristalino no interior dos poros do primeiro corpo cerâmico. Se se utilizar um oxidante em fase de vapor em conjunção
com o primeiro metal original e um material de enchimento, o material de enchimento é permeável ao oxidante em fase de vapor, de modo que por exposição do leito de material de enchimento, o oxidante em fase Ce vapor atravessa os poros do leito de carga para entrar em contacto com o metal original fundido no mesmo. 0 termo “oxidante em fase de vapor significa um material valorizado ou normalmente gasoso que proporciona uma atmosfera oxidante. Por exemplo, as misturas de oxigénio ou de gases contendo oxigénio (incluindo o ar) são oxidantes em fase de vapor preferidos quando for um óxido o produto da reacção de oxidação desejado, sendo o ar usualmente o mais preferido por razoes óbvias de economia. Quando se identifica um oxidante como contendo ou compreendendo um gás ou vapor específico, isgo significa um oxidante no qual o gás ou vapor identificado constitui o oxidante único, predominante ou pelo menos um oxidante significativo para o metal original nas con dições que se obtêm no ambiente oxidante utilizado. Por exemplo, embora o principal constituinte do ar seja o azoto, o conteúdo de oxigénio do ar é o único oxidante para o metal original porque o oxigánio é um oxidante muito mais forte que o azoto. Portanto, o ar enquadra-se na definição de oxidante “gasoso contendo oxigánio, 'ias não se ajusta à definição de oxidante gasoso contendo azoto. Um exemnlo de um oxidante gasoso contendo azoto como se define aqui e nas reivindicações, é o gás de formação, que contém cerca de 96 por cento, em volume, de azoto e cerca de 4 por cento, em volume, de hidrógenio.
Quando se utiliza um oxidante sólido em conjunção com o primeiro metal original e um material de enchi-
mento, ele está usualnente disperso por todo o leito do material de enchimento ou através da porção do leito que compreende o corpo compósito cerâmico, desejado, sob a forma de um material em partículas misturado com o material de enchimento ou talvez como revestimento nas partículas do material de enchimento. Pode assim utilizar-se qualquer oxidante sólido apropriado, incluindo elementos tais como o boro ou o carbono, ou compostos redutíveis tais como o dióxido cie silício ou certos boretos com uma estabilidade termodinâmica menor que a do boreto da reacção do metal original, por exemplo, quando se utiliza o boro ou um boreto redutível como oxidante sólido para um primeiro metal original de alumínio o produto da reacção de oxidação é boreto de alumínio.
Em alguns casos, a reacção de oxidação do primeiro metal original pode processar-se tão rapidamente com um oxidante sólido que o produto da reacção de
í'·' rs ao tende a fundir devido à natureza exotér.uica do processo. Es ta ocorrência pode degradar a uniformidade miciOestrutural do corpo cerâmico. Esta reacção exotérmica rápida pode ser melhorada misturando na composição materiais de enchimento relativamente inertes que apresentem pequena reactividade.· Um exemplo le um material de enchimento inerte apropriado é um material que seja idêntico ao produto da reacção de oxidação pretendido.
3e se utilizar um oxidante líquido em conjunção com o primeiro metal original e um material de enchimento, todo o leito de material de enchimento ou a «orção que compreende o corno cerâmico desejado, é impregnado com o oxidante. 0 material de enchimento, por exemplo, pode ser — 26 revestido ou impregnado por exemplo por imersão no oxidante para impregnar o material de enchimento. A referência a um oxidante líquido significa um oxidante que seja líquido nas condições da reacção de oxidação, podendo assim um oxidante líquido ter um precursor sólido, por exemplo, um sal, que se funde nas condições da reacção de oxidação. Como alternativa, o oxidante líquido pode ser um precursor líquido, por exemplo uma solução de um. material que é us^da para impregnar uma parte ou todo o material de enchimento e que funde ou se decompõe nas condições da reacção de oxidação para proporcionar uma fracçao de oxidante apropriada. Exemplos de oxidantes líquidos, como aqui se definem, incluem os vidros com b ííxo ponto de fusão.
Como se descreve no pedido de patente americano também pendente NS 861 024, depositado em 8 de Ilaio de 1986 e concedido ao mesmo cessionário, pode usar-se um meio de barreira em conjunção com o material de enchimento ou pré-molde para inibir o desenvolvimento ou crescimento do primeiro produto da reacção de oxidação para além da barreira, quando se utilizam oxidantes em fase de va-ior na formação do corpo cerâmico. Esta barreira facilita a formação de um coroo cerâmico com limites definidos, Reios de barreira apropriados oodem ser um material, um composto, um elemento, uíi-i composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantenha uma certa integridade, não seja volátil e preferivelmente seja, permeável ao oxidante em fase de vapor, sendo no entanto capaz- de localmente inibir, perturbar, interromper, interferir com, impedir etc., o desenvolvimento contínuo do produto da reacção de oxidação.
Os meios de barreira apropriados para usar com metal original de alumínio incluem o sulfato de cálcio (gesso de Paris), o silicato de cálcio, o cimento Portland e as suas misturas que, tipicamente, são aplicados como suspensão ou pasta à superfície do material de enchimento. Estes meios cie barreira podem também incluir um material combustível ou volátil apropriado que é eliminado por aquecimento, ou um material que se decomponha quando aquecido, a fim de aumentar a porosidade e a permeabilidade do meio de barreira. Além disso, o meio de barreira pode incluir ua material em partículas refractário apropriado para reduzir toda contracçao ou fL-ssuração possíveis que, de outro modo, ocorreria-n durante o processo. Tais materiais ea partículas, tendo subst-ancialmente o mesmo coeficiente de dilatação que o leito de material de enchimento ou que o do pré-molde, são especialmente desejáveis. Por exemplo, se o pré-molde compreender alumina e a cerâmica resultante compreender alumina, o meio de barreiTí.; pode ser misturado com alumina em partículas tendo, desejavelmente, uma granulometria entre cerca de 20 e 1.000, mas podendo ser ainda mais fina. Outros meios de barreira apropriados incluem cerâmicas refractárias ou blindagens de protecção metálicas que são abertas em pelo menos uma extremidade para permitir que o oxidante em fase de vapor atravesseos poros do leito e entre em contacto com o metal original.
Claims (16)
- Reivindicaçães1,- Processo para a produção de uma estrutura cera mica auto-suportada, caracterizado por compreender as fases de:(a) proporcionar um primeiro corpo cerâmico auto-suportado que compreende (i) um primeiro produto da reacção de oxidação policristalino, formado por oxidação de um primeiro metal original fundido com um primeiro oxidante, e (ii) poros interligados pelo menos parcialmente acessíveis a partir de uma ou mais superfícies do referido corpo cerâmico;(b) orientar um corpo de um segundo metal original e o referido primeiro corpo cerâmico um em relação ao outro, de m<> do que a fusão e a reacção de oxidação do referido segundo metal original com um segundo oxidante em fase de vapor provoque a formação de um segundo produto da reacção de oxidação policristalino num sentido dirigido para os referidos poros interligados e para o seu interior do referido primeiro corpo cerâmico; e (c) aquecer o referido segundo metal original até uma gama de temperaturas acima do seu ponto de fusão mas abaixo dos pontos de fusão quer do primeiro quer do segundo produtos da reacção de oxidação para formar um corpo do segundo metal original fundido e, na referida gama de temperaturas, (i) fazer reagir o referido corpo do segundo metal ori ginal fundido com o referido oxidante na fase de vapor para formar o referido segundo produto da reacção de oxidação policristalino;(ii) manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação, em contacto com o referido corpo do segundo metal original fundido e o referido oxidante, e entre os mesmos, para assim o segundo metal básico ser arrastado através do referido segundo material policristalino no sentido do oxidan te, de maneira que o segundo produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface entre o oxidante e o segundo produto da reacção de oxidação anteriormente formado, e (iii) continuar a referida reacção por um período suficiente para infiltrar pelo menos uma parte dos referidos poros do referido primeiro corpo cerâmico com o referido segundo material policristalino.
- 2.- Processo para a produção de uma estrutura cerâmica auto-suportada, caracterizado por compreender um material policristalino obtido como produto da reacção de oxidação de um ou dois metais originais e um oxidante, caracterizado por incluir as fases de (a) aquecer um primeiro metal original para for mar um corpo de metal original fundido e fazer reagir o referido primeiro metal original fundido com um primeiro oxidante a uma temperatura para formar um primeiro produto da reacção de oxidação, e manter o referido primeiro produto da reacção de oxidação em contacto com o referido corpo do primeiro metal original fundido e o referido oxidante, e entre os mesmos, (b) manter a refe rida temperatura para arrastar progressivamente metal fundido através do referido primeiro produto da reacção de oxidação no sentido do referido oxidante, de maneira que o primeiro produto da reacção de oxidação continue a formar-se na interface entre o oxidante e o primeiro produto da reacção de oxidação formado anteriormente, e (c) continuar a referida reacção por um tempo suficiente para produzir um primeiro corpo cerâmico auto-suportado constituído por material policristalino que compreende o referido primeiro produto da reacção de oxidação e ou uma certa porosi dade ou um ou vários constituintes metálicos, ou as duas coisas, aperfeiçoamento caracterizado por compreender: (1) proporcionar um grau de porosidade seleccionado no primeiro material policris, talino, ou controlando adequadamente as condições das fases (a) e (b) ou por um tratamento posterior; (2) após a fase (1), orien tar um segundo metal original e o referido primeiro material policristalino, um em relação ao outro, de maneira que a formação de um segundo produto da reacção de oxidação policristalino se verifique num sentido orientado para os poros do referido primei^ ro material policristalino e para o interior dos mesmos repetindo-se as fases (a), (b) e (c) anteriores do processo no segundo metal original e no primeiro material policristalino com um segundo oxidante em fase de vapor para formar um segundo produto da reacção de oxidação e continuando-se a reacção repetida por um tempo suficiente para que o referido segundo produto da reacção de oxidação se infiltre em pelo menos uma porção dos referidos poros no referido primeiro material policristalino, formando assim a referida estrutura cerâmica.
- 3. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por incluir a infiltração dos referidos poros do referido primeiro corpo cerâmico através de uma sua primeira zona e deixando uma segunda zona do referido primeiro corpo cerâmico livre do referido segundo material policristalino.
- 4. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por incluir a penetração de uma massa permeável de um material de enchimento dentro do referido primeiro corpo ce> râmico.
- 5·- Processo de acordo com a reivindicação 4, ca racterizado por a referida massa permeável de material de enchimento ser um pré-molde com uma forma pré-determinada, e a referida infiltração no referido pré-molde produzir o referido primeiro corpo cerâmico como um corpo compósito de cerâmica que tem a configuração do referido pré-molde.
- 6. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido oxidante utilizado para oxidar o referido primeiro metal original ser um oxidante diferente do uti. lizado na oxidação do referido segundo metal original.
- 7. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o metal original ser escolhido no grupo constituído por alumínio, silício, titânio, estanho, zircónio e háfnio.
- 8,- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido primeiro metal original e o referido segundo metal original compreenderem, cada um, um metal bási. co de alumínio.
- 9. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido segundo oxidante na fase de vapor ser o ar,
- 10. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou2, caracterizado por o referido primeiro oxidante e o referido s£ gundo oxidante compreenderem ambos ar.
- 11. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por incluir a utilização de um material contaminante juntamente com um ou ambos os referidos primeiro metal original e segundo metal original.
- 12. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por quer o primeiro quer o segundo metais serem metais originais de alumínio e quer o primeiro quer o segundo produtos da reacção de oxidação policristalinos serem primariamente alumina.
- 13. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por a porosidade do primeiro corpo cerâmico estar compreendida entre cerca de 5 e 45 por cento, em volume, do primeiro corpo cerâmico antes da infiltração dos poros do primeiro corpo cerâmico com o referido segundo material policristalino.
- 14. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido primeiro corpo cerâmico incluir um ou vários constituintes metálicos interligados que são pelo me nos parcialmente acessíveis a partir de uma ou de várias superfícies do referido primeiro corpo cerâmico, e por o referido primei_ ro corpo cerâmico ser mergulhado num lixiviador antes da infiltra ção dos seus poros pelo referido segundo material policristalino a fim de pelo menos parcialmente dissolver os referidos constituin tes metálicos interligados eliminando-os do referido primeiro corpo cerâmico,
- 15. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido primeiro metal original e o referi^ do segundo metal original terem substancialmente a mesma composição .
- 16. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou2, caracterizado por o referido primeiro metal original e o referido segundo metal original terem composições diferentes uma da outra.
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