PT85703B - Processo para a fabricacao de produtos contendo canais e produtos fabricados por este processo - Google Patents
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Description
A presente invenção refere-se genericamente aos corpos cerâmicos e aos processos para o seu fabrico, incluindo corpos de material compósito cerâmico contendo um ou vários canais que reproduzem inversamente a geometria de um metal desgastãvel mo d_e lado.
Fundamentos e Pedidos de Patente do mesmo Proprietário assunto do presente pedido de invenção está relacionado com o dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário e também pendentes em Comum Propriedade e correlatos, N9 de Serie 818 943, depositado em 15 de Janeiro de 1986 como adição do N9 de Serie 776 964, depositado em 17 de Setembro de 1985, adição do N9 de Serie 705 787, depositado em 26 de Fevereiro de 1986, adição do N9 de Série 591 392, depositado em 16 de Março de 1984, to_ dos em nome de Marc S. Newkirk et al, e intitulados Novos Materiais Cerâmicos e Processos para o seu fabrico. Estes pedidos de patente descrevem em geral a descoberta de um processo para o fabrico de corpos cerâmicos auto-suportados, mediante o uso de um fenómeno de oxidação especial para oxidar um precursor de um me
-2tal original, A reacção de oxidação pode ser activada utilizando um contaminante de liga no metal original, e proporciona corpos cerâmicos auto-suportados com as dimensões desejadas, desenvolvidos como produto da reacção de oxidação no metal original.
processo de oxidação anterior foi melhorado pelo uso de contaminantes externos aplicados a superfície do precursor de metal original, como se descreve nos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário e também pendentes, N9 de Série 822 999 depositado em 27 de Janeiro de 1986, como adição do N9 de Série 776 965, depositado a 17 de Setembro de 1985, como adição do N9 de Serie 747 788, depositado a 25 de Junho de 1985, uma adição do N9 de Série 632 636, depositado a 20 de Julho de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk et al, e intitulados Processos para o fabrico de materiais cerâmicos auto-suportados,
A utilização dos processos de oxidação anteriores para o fabrico de corpos cerâmicos auto-suportados, por inclusão de um ou mais materiais de enchimento, esta descrita nos pedidos de pa_ tente americanos do mesmo proprietário, N9 de Serie 819 397, depositado a 17 de Janeiro de 1986, e intitulado Produtos de mat_e riais compõsitos cerâmicos e processos para o seu fabrico, que é uma adição do N9 de Série 697 878, depositado em 4 de Fevereiro de 1985, e intitulado Produtos materiais compositos cerâmicos e processos para o fabrico dos mesmos, estando ambos os pedidos depositados em nome de Marc S. Newkirk et al. Estes pedidos de patente pendentes descrevem um processo para produzir um corpo de material compósito cerâmico auto-suportado pelo desenvolvimento de um produto da reacção de oxidação a partir de um metal origi-
nal no interior de uma massa permeável de material de enchimento, 0 material compósito, resultante, no entanto, não possui qualquer configuração definida ou prê-determinada.
A capacidade de proporcionar uma configuração definida ou pre-determinada ao corpo cerâmico, isto e, a capacidade para fazer desenvolver um corpo cerâmico com dimensões e forma pré-deter minados foi conseguida infiltrando-se com o produto da reacção de oxidação um material de enchimento que forma um pré-molde modelado, isto e, infiltrando o material de enchimento modelado ate aos limites da sua superfície. Descreve-se esta técnica no pedido de patente americano do mesmo proprietário, N<? de Série 861 025, depositado em 8 de Maio de 1986 em nome de Marc S. Newkirk et al , e intitulado Produtos compósitos cerâmicos modelados e processos para o seu fabrico.
Um outro desenvolvimento dos processos anteriores permi_ te a formação de estruturas cerâmicas auto-suportadas que contem em si uma ou varias cavidades que reproduzem inversamente a geome_ tria de um molde positivo de metal original precursor, modelado, incluído no interior de um leito de material de enchimento amolda vel que é pelo menos parcialmente auto-aglutinante em condições especificadas, como se descreveu no pedido de patente do mesmo proprietário, pendente, N9 de Série 823 542, depositado em 27 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk et al, intitulado Processo de reprodução inversa da forma para o fabrico de produ tos de compósitos cerâmicos, e produtos obtidos por este processo. Ainda um outro desenvolvimento dos processos anteriores per, mite a formação de corpos cerâmicos auto-suportados com um dese-
-4- /
I
V f * nho em negativo que reproduz inversamente o desenho em positivo de um precursor do metal original aplicado contra uma massa de material de enchimento, como se descreveu no pedido de patente americano do mesmo proprietário, pendente, N9 de Série 896 157 , depositado em 13 de Agosto de 1986, em nome de Marc S. Newkirk , e intitulado Processo para o fabrico de produtos de material com_ põsito cerâmico com superfícies com formas reproduzidas e produtos obtidos por este processo. Em ambos esses pedidos de patein te pendentes, a cavidade reproduzida inversamente reproduz a gec) metria do metal original.
As descrições completas de todos os pedidos de patente an teriores do mesmo proprietário, pendentes são aqui expressamente incorporadas por referência.
Para determinadas aplicações, hã interesse em substituir metais por produtos cerâmicos porque, relativamente a propriedades determinadas, os produtos cerâmicos são superiores aos metais. Hã no entanto, várias limitações ou dificuldades conhecidas para fazer esta substituição, tais como a versatilidade de reduções ã escala, a capacidade de produzir formas complexas, sa. tisfazendo ãs características requeridas parã a aplicação de uso final, e os custos. As invenções apresentadas, pedidos de pate£ te do mesmo proprietário atras descritos, vencem, muitas dessas limitações ou dificuldades e proporcionam processos inovados para a produção fiável de materiais cerâmicos, inclusive os materiais compósitos.
A invenção descrita no pedido de patente do mesmo proprie tárto, N9 de Serie 823 542 (atras identificado), minora as difi*
culdades de formação de corpos cerâmicos com formas tendo cavida_ des internas complicadas especialmente formas coro cavidades re entrantes. Os processos convencionais ou conhecidos para o fabri_ co de produtos cerâmicos com tais formas por compactação ou sinte rização de partículas de DÕs , não são aplicáveis, pelo facto de o desenho interno necessário para estabelecer a geometria deseja, da da peça não pode ser retirado com facilidade, depois de â sua volta se formar o corpo. Embora tais geometrias da peça possam por vezes ser preparadas por maquinagem das formas desejadas a partir de uma peça em bruto cerâmica acabada, esta solução raramente se usa por motivo dos custos proibitivos.
SUMARIO DA INVENÇÃO
A presente invenção proporciona contudo outro, processo para produzir corpos cerâmicos com um ou vários canais internos. Por conseguinte, a presente invenção proporciona um processo para a produção de um corpo cerâmico auto-suportado, com um ou vários canais, passagens, cavidades ou similares, que reproduzem inversa_ mente a geometria ou desenho de um metal desgastável modelado, 0 corpo cerâmico obtem-se por oxidação de um metal original com um pxidahte para formar um material pol icristal ino constituído essen_ cialmente pelo produto da reacção de oxidação e um ou vários cons_ tituintes metálicos, incluindo constituintes do metal desgastável que, apos a formação do corpo cerâmico, ficam dispersos dentro do referido corpo, De acordo com o processo segundo a presente invenção, posiciona-se um conjunto de um metal desgastável conf_i_ gurado ou modelado e do metal original , um em relação ao outro, de modo que o desenvolvimento ou crescimento do produto da reac-6-/ ção de oxidação do metal original inclua pelo menos uma parte do metal desgastãvel configurado. Aquece-se o metal original ate uma temperatura acima do seu ponto de fusão, mas abaixo do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação, para formar um corpo do metal original fundido e, a essa temperatura faz-se reagir o metal original fundido com o oxidante, para formar o produto da reacção da oxidação. A esta temperatura, mantém-se pelo menos uma porção do produto da reacção de oxidação em contacto com o corpo de metal original fundido e o oxidante, e entre os mesmos, para progressivamente extrair metal original fundido através do produto da reacção de oxidação e, eventualmente, em torno do metal desgastãvel configurado para incluir este, enquanto, continua a formar-se o produto da reacção de oxidação na interface entre o oxidante e o produto da reacção de oxidação anteriormente forma, do. A reacção prossegue durante um tempo suficiente para incluir pelo menos uma parte do metal desgastãvel configurado dentro do material policristalino, e para dispersar o metal desgastãvel iji cluTdo no interior do material policristalino para formar um ou vários canais que reproduzem de maneira substancialmente inversa a geometria do metal desgastãvel configurado.
Numa outra forma de realização da presente invenção, o processo anterior e modificado para produzir um corpo compÕsito cerâmico auto-suportado com um ou vários canais, posicionando o metal original adjacente a uma massa permeável do material de enchimento e orientando o metal original e o material de enchímeji to um em relação ao outro de maneira que a formação do produto da reacção de oxidação se verificara num sentido da massa de mate··? rial de enchimento e para o seu interior. Em tal caso, o metal desgastavel configurado e, suportado pelo material de enchimento e o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação infiltra-se simultaneamente no material de enchimento e inclui o metal desgastavel configurado que se dispersa no corpo compósito cerâmico. Se se desejar, o metal desgastavel configurado pode estar provido de um revestimento para proteger o metal desgastavel co£ tra a dissolução prematura ou da desagregação prematura devido ã fusão, perdendo deste modo o desenho ou a configuração pre-deter| minados. Além disso, pode escolher-se um revestimento que por dispersão do metal desgastavel, forme um forro nas paredes dos canais, melhorando assim as propriedades do corpo cerâmico.
Num outro aspecto ainda da presente invenção proporciona-se um corpo cerâmico auto-suportado ou um corpo de material com põsito cerâmico, com um ou vários canais que reproduzem inversamente a geometria de um metal desgastavel configurado, e obtidos por um fenómeno de oxidação de um metal original como atras se descreveu.
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Outro aspecto específico da presente inyenção inclui a utilização como metal desgastavel, de um metal escolhido de um ou vários dos- metais seguintes: ferro, níquel, crómio e ligas ou ccm postos intermetalicos de um ou vãrios destes metais,
De uma maneira geral, a presente invenção combina com os processos dos pedidos de patente do mesmo proprietário, com conceitos novos para proporcionar a formação de corpos cerâmicos com um ou vãrios canais, incluindo passagens complexas com interliga, ções, mudanças de sentido, curvas apertadas e configurações com-
plexas, por uma técnica que permite, com fidelidade, a reprodução inversa das dimensões e da configuração aproximadas de um m£ delo de metal desgastavel, isto é, uma estrutura pré-moldada com a configuração desejada, feito de um metal que pode dispersar-se no interior do material policristalino constituído pelo produto da reacção de oxidação do metal original, Por dispersão no mate rial policristalino, o metal desgastavel deixa ficar, um ou vari_ os canais que reproduzem inversamente a sua forma anterior, As geometrias desejadas das aberturas e passagens internas num corpo cerâmico podem ser obtidas pelas técnicas, segundo a presente invenção com muito mais facilidade que com as soluções convenci£ nais ou por perfuração com brocas, rectificação ou outros proce£ sos análogos, para obter a forma desejada a oartir de uma peça em bruto fabricada de cerâmica.
Tal como são empregados nesta descrição e, nas reivindicações anexas, os termos seguintes são assim definidos:
Cerâmico não deve ser indevidamente considerado como limitando-se a um corpo cerâmico no sentido clássico, ou seja , no sentido de que esse corpo seja constituído inteiramente por materiais não metálicos e inorgânicos, mas sim referindo-se a um corpo que e predomianatemente cerâmico no que diz respeito tanto a composição como ãs propriedades dominantes, embora o corpo pojs sa conter quantidades ínfimas ou substanciais de um ou vários constituintes metálicos derivados do metal original ou reduzidos a partir do oxidante ou de um dopante contaminante, o mais tipicamente dentro de uma faixa entre 1 % e 40 %, aproximadamente, em volume, mas pode incluir mais metal.
Produto da reacção de oxidação significa genericamente um ou vários metais de qualquer estado de oxidação no qual um me tal cedeu electrões ou compartilha electrões com um outro elemeji to, composto ou combinação dos mesmos. Por conseguinte um 'oroduto da reac ção de oxidação , segundo esta definição, inclui o produto da reacção de um ou vãrios metais com um oxidante tal como os descri_ tos neste pedido de patente.
Oxidante significa um ou vãrios aceitadores de electrões ou comparti 1hadores de electrões, que pode ser um sólido, um líquido ou um gas (vapor) ou qualquer combinação destes (isto e, um solido e um gãs), nas condições do processo.
Metal original significa o metal, por exemplo alumínio, que é o precursor do produto da reacção de oxidação policristal no e inclui esse metal como um metal relativamente puro, um metal existente no comercio, com impurezas e/ou constituintes de liga, ou uma liga em que esse precursor do metal e o constituinte priji cipal ; e quando se menciona um metal específico como o metal original, por exemplo alumínio, o metal identificado deve deve ser considerado tendo em mente esta definição, a menos que se in. dique o contrario pelo contexto.
Metal desgastavel significa um metal, um composto inter metálico ou uma liga que, após ter sido incluído pelo produto da reacção de oxidação policristalino em crescimento se dispersa no material policristalino para deixar ficar um canal que se adapta substancialmente ãs dimensões e a forma do espaço ocupado antes pelo metal desgastáyel . Compreende-se ainda que o metal desgas^||r
-10- / /
.
tavel, pode ter qualquer configuração, ou forma desejadas, tais como corpos ocos, materiais em partículas, pÓs, fibras, fios, e_s feras, bolhas, lã metãlica, placas, agregado, hastes, barras, pia, quetas, bolas, tubos, tecido de arame, esponja, tubulos ou folhas.
Canal ou canais é um termo aqui usado com o significado de um espaço, uma cavidade, uma passagem, etc,, não preenchi, dos, não necessariamente com dimensões uniformes, dentro de uma massa ou corpo com a configuração adequada ou desejada, e não se limitando a uma configuração tubular.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A fig. 1 é uma vista esquemática em corte transversal, em alçado, que representa um conjunto de um precursor do metal original e um metal desgastavel configurado, colocados um junto do outro num leito de material de enchimento em partículas, estando o conjunto contido num vaso refractãrio.
A fig. 2 e uma vista em planta, numa escala ligeiramen te maior, do conjunto do precursor do metal original e do metal desgastavel configurado, utilizado no conjunto da fig. 1, com omissão do material de enchimento para maior clareza da represeri tação.
A fig. 3 e uma vista em corte pela linha (3-3) da fig. 1.
A fig. 4 e uma vista em perspectiva, numa escala maior , de um corpo compósito cerâmico auto-suportado, fabricado a partir
-11/ Μ do conjunto da fig. 1 e mostrando, a tracejado, as aberturas internas, compreendendo uma rede de passagens formada no mesmo.
As fig. 5, 6 e 7 são microfotografias de cortes transver sais dos materiais compósitos cerâmicos, respectivamente dos exem pios 1 , 2 e 3.
A fig. 8 é uma fotografia de um corpo compósito cerâmico, com canais, fabricado pelo processo segundo a presente invenção , com um dos canais iluminado por baixo para ilustrar a continuida. de do canal iluminado.
DESCRIÇÃO DE PORMENOR DAS FORMAS DE REALIZAÇÕES PREFERIDAS
Na prática da presente invenção, o metal, original e pro. porcionado como parte de um conjunto de um precursor do metal original e de um metal desgastável configurado. 0 metal desgastável e moldado ou modelado para proporcionar a configuração que deve ser substancialmente produzi da inversamente, sob a forma de um ou vários canais dentro do corpo cerâmico, preferivelmente um corpo compósito cerâmico. Obedecendo ãs práticas da presente invenção, podem reproduzir inversamente dentro do corpo cerâmico, formas co™ plexas tais como uma rede de passagens, durante a formação ou desenvolvimento do material cerâmico. 0 termo inversamente repro. duzido e aqui usado para significar que os canais do corpo cerâ mico obtidos pela aplicação da presente invenção são definidos por superfícies internas do corpo cerâmico que são virtualmente congruentes com a forma do metal desgastável configurado, usado no processo. 0 metal desgastável configurado pode ser modelado
de maneira apropriada por quaisquer processos ou meios, aproprim dos, por exemplo, fios metálicos apropriados podem formar uma re de de fios defiriindo forma, as dimensões e a localização desejadas de uma rede de passagens. Em alternativa, pode um pedaço de metal, tal como uma barra, uma folha, uma barra ou uma placa ser adequadamente maquinada ou estirada para obter uma configuração desejada; ou pode o metal desgastãvel configurado ser vazado, moj_ dado, extrudido ou modelado de qualquer outra maneira para lhe dar uma geometria congruente com a desejada para os canais a for mar no corpo cerâmico. Tipicamente, os comprimentos respectivos de elementos do metal desgastaveí configurado excedem as respectivas espessuras da secção transversal. Por conseguinte, e possível produzir corpos cerâmicos com aberturas extremamente finas ou estreitas, por exemplo usando um arame como metal desgastãvel coji figurado. 0 metal desgastãvel configurado pode compreender uma ou mais peças de metal adequadamente moldados por um ou vários processos ou meios, de maneira que, quando colocados dentro de um leito de material de carga ou posicionados de outro modo junto do precursor do metal original, o material policristalino em crescimento produzido por oxidação do metal original inclua o metal des_ gastavel configurado e, se estiver presente, infiltre o material de enchimento ou pelo menos uma parte do mesmo,
Os materiais e as condições da reacção são escolhidos de maneira que o material policristalino não cresça para o interior do espaço ocupado pelo metal desgastãvel configurado não va ocupar esse espaço, mas que inclua o metal desgastãvel configurado que será, então disperso no material policristalino circundante.
-13Quer o material desgastavel se dissolva no, se ligue com ou se difunda no material policristalino ou nos seus constituintes, ou de qualquer outro modo reaja com o material pol icristalino, o r£ sultado è que o metal desgastavel configurado finalmente migra para fora do espaço ou volume inicialmente ocupado por ele, e para o interior do corpo de material policristalino que o inclui. Isto deixa um canal moldado que substancialmente reproduz inversa mente a geometria do metal desgastavel configurado. A presente invenção proporciona portanto a grande vantagem de permitir que a geometria dos canais seja formada no interior da cerâmica a es_ tabelecer por modelação ou trabalho do metal desgastavel configu rado, em vez de o ser por perfuração ou outra operação de maquinagem do corpo cerâmico.
precursor de metal original pode apresentar-se em quaj[ quer forma apropriada ou conveniente, tal como, lingotes, placas, barras ou similares, para proporcionar uma fonte do metal original , No que diz respeito a formação dos canais desejados, não e necessário proporcionar o metal original em qualquer forma ou con_ figuração especiais, desde que se coloque metal original suficieiq te em relação ao metal desgastãvel para incluir este último ou uma porção do mesmo, dentro do corpo em desenvolvimento de mate rial policristalino, obtido pela oxidação do metal original . 0 metal original oode ser escolhido entre o alumínio, o zirconio, o titãnio, o estanho ou o silício.
material de carga, utilizado optativamente na pratica da presente invenção, pode ser um de uma grande variedade de materiais adequados para este fim. Por exemplo, o material de en
-14chimento pode compreender um material em partículas tais como grãos finos de um Óxido de um metal refractário, como a alumina , ou pode ter a forma de fibras ou de fios emaranhados, ou na forma de um material de lã de fibras, por exemplo, fibras de material cerâmico, 0 material de enchimento pode compreender uma combinação de duas ou varias configurações geométricas, por exem pio, uma combinação de pequenos grãos e fibras em partículas Apenas é necessário que a configuração física do material de enchimento seja tal que permita que o metal desgastãvel configurado seja posto sobre ou no interior de um leito ou massa de material de enchimento, e que o material de enchimento seja um material que, nas condições da reacção de oxidação segundo a presente ini venção, como atras se descreveu, seja permeável ã passagem através do mesmo do oxidante, quando essa passagem for necessária p£ ra o contacto do oxidante com o metal original e para o desenvol_ vimento através do mesmo do produto da reacção de oxidação. 0 ma_ terial de enchimento tem de ser permeável ao oxidante quando se utilize um oxidante em fase de vapor, a fim de permitir que este entre em contacto com o metal original fundido e o oxide , dentro da massa de material de enchimento.
Na aplicação prática do processo segundo a presente inven_ ção, prepara-se um conjunto do metal desgastáyel configurado e do precursor de metal original, dispondo o metal desgastãvel configurado e o metal básico um adjacente ao outro. Estes componentes podem ser suportados, como for necessário, por qualquer meio ade quado, tal como por suporte do metal desgastãvel configurado sobre ou total ou parcialmente dentro de um leito de material de enchimento, 0 leito de material de enchimento pode também estar
em contacto com o corpo de metal original ou envolyer parcial ou totalmente o metal básico. 0 material de enchimento § facultati_ vo e o metal desgastável configurado e o metal original podem talvez ser dispostos um adjacente ao outro, sem utilizar um mat£ rial de enchimento. Em qualquer dos casos, o conjunto e aquecido ate uma temperatura situada na gama que vai desde uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal básico até uma temperatura in^ ferior do ponto de fusão do produto da reacção de oxidação. Deste aquecimento resulta a formação de um corpo ou porção do metal ori. ginal fundido, que fica exposto a um ambiente oxidante a uma temperatura dentro da gama atrás referida. 0 metal original fundido reage coro o oxidante para formar o material policristalino constituído pelo produto da reacção de oxidaçso, iniciando assim a in_ clusão do metal desgastável configurado, dentro do material poH cristalino em desenvolvimento. Pelo menos uma porção do produto da reacção de oxidação e mantida em contacto com o metal original fundido e com o oxidante e entre os mesmos, de maneira que, apos a exposição continuada ao oxidante, o metal original fundido é progressivamente extraído para dentro do produto da reacção de oxidação e através dele, em contacto com o oxidante de modo a pro vocar o crescimento contínuo do material policristalino na inter. face entre o produto da reacção de oxidação anteriormente formado e o oxidante. A medida que o produto da reacção de oxidação con, tinua a desenvolver-se infiltra-se no material de enchimento , quando o material de enchimento estiver presente, e inclui o metal desgastável configurado. 0 processo continua ate o material policristalino em desenvolvimento ter incluído o metal desgastá-16/
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vel configurado ou uma porção escolhida do mesmo, que e então di£ persa no material policristalino.
material pol icristal ino do corpo cerâmico produzido S£ gundo a presente invenção, alem de incluir optativamente um mat£ rial de enchimento nele incluído, pode incluir um ou vários con£ tituintes metálicos, tais como constituintes não oxidados do metal original ou pode incluir espaços vazios ou ambas as coisas , conforme as condições em que se conduz a reacção de oxidação, 0 material policristalino também contêm, pelo menos na vizinhança ou na zona do espaço originalmente ocupado pelo metal desgastável configurado, os constituintes do metal desgastável. Tipicamente, nesses materiais policristalinos o produto da reacção de oxidação compreende cristalitos interligados, preferivelmente em três dimensões. Os constituintes ou inclusões metálicos, ou os espaços vazios, também podem estar pelo menos parcialmente interligados.
metal desgastável, pode ser constituído por um material cujo ponto de fusão seja mais ou menos igual ou menor que a tempe_ ratura de crescimento; nesses casos, a fidelidade da reprodução, dos metais desgastáveis, pode ser prejudicada devido ã deformação provocada pela fusão ou amolecimento prematuros do metal desgastável configurado nas condições da reacção de oxidação. Porém , os efeitos adversos sobre a reprodução fiel inversa do metal de£ gastável configurado, dos referidoss fusão ou amolecimento nrematuros podem ser evitados ou minorados se o metal original for suportado por um leito, ou por revestimento do metal desgastável configura do com uma cobertura refractária. Por exemplo o metal desgastã vel configurado pode ter uma cobertura de partículas finas de um material autoaglutinante ou sinterizavel aderente ao mesmo de ma neira que, ao atingir uma temperatura elevada , a cobertura se ligue ou sintetize para formar uma crosta dura envolvendo o metal desgastavel configurado. A cobertura ou crosta não deve ser impermeável para impedir a dispersão do metal desgastavel dentro do produto da reacção de oxidação. A cobertura, pode ser uma C£ bertura que reaja com o material policristalino, ou que se disper sa neste ou quie se torna indisoensãvel do mesmo.
Qualquer problema de amolecimento ou de fusão, prematuros do metal desgastavel configurado, com a consequente perda de fide lidade na reprodução inversa do metal desgastavel configurado, e minorado utilizando-se como metal desgastavel um metal ou uma 1/ ga cujo ponto de fusão e superior ã temperatura a que a reacção de oxidação pode realizar-se eficientemente. Quando se usa um metal original de alumínio, os metais desgastãyeis apropriados, com um ponto de fusão superior ã temperatura a que se forma o pr£ duto da reacção de oxidação podem incluir, por exemplo, ligas de ferro-cromio-alumínio, do tipo vendido sob a marca registada Fecralloy, Kanthal e Cabot 214, que são, respectivamente, marcas registadas da United Kingdom Atomic Energy Authority, da KANTHAL CORPORATION e da CABOT COMPANY .
Em determinados casos, pode ser desejãyel lhe proporcionar um revestimento para as paredes dos canais, para modificar ou melhorar as características das paredes. Esse revestimento pode ser obtido cobrindo o metal desgastavel configurado com um material adequado que seja depois incluído e integrado no corpo cera mico na zona adjacente aos canais, formados, Em alternativa, po-18de escolher-se um revestimento que reaja com o metal original fun^ dido para formar um composto, tal como um óxido, que serve então de revestimento dos canais. Nas condições da reacção de oxidação, o metal desgastavel que suporta o revestimento dispersa-se no ma_ terial policristalino e, na zona adjacente aos canais, desenvo/ ve-se um forro a partir do material de revestimento, 0 material de revestimento e escolhido para proporcionar um forro coro as ca_ racterísticas desejadas, tal como a resistência a corrosão. Por exemplo, o metal desgastavel configurado pode ser coberto com par tículas não reactivas, tais como de carboneto de silício, alumina ou similar. 0 material policristalino que se desenvolve infiltra as partículas e inclui o metal desgastavel e, por conseguin_ te, forma para o canal um forro que compreende uma matriz de mat£ rial policristalino que inclui em si as partículas. Em alternat/ va, o metal desgastavel configurado pode ser coberto com um composto reactivo tal como um Óxido que seja redutível pelo metal original, 0 revestimento pode ser aplicado formando com as partículas de oxido uma pasta, com aglutinante apropriado, tal como , um adesivo orgânico, podendo aplicar-se um ou vários revestimein tos ao metal desgastãvel configurado, para proporcionar a espessura desejada. Por exemplo, quando se forma um material policris. talino de alfa-alumina obtido por oxidação de um metal original de alumínio no ar, aplica-se um Óxido, tal como Óxido de crómio, que seja redutível pelo metal original fundido de alumínio, como revestimento de um metal desgastãvel, tal como a liga Kanthal (li. ga de ferro-crÓmio-alumínio). 0 Óxido de crómio e aparentemente reduzido a crómio metálico, que se dispersa no corpo cerâmico , provavelmente por reacção com um ou vários metais do metal orig/
-Ή ginal de alumínio. A oxidação concomitante com a redução do Õx/ do de crómio forma alumina, resultando daí que as paredes dos cai nais do corpo cerâmico, são substancialmente revestidas por alumina. Esta técnica pode também ser usada em conjunção com um ou mais materiais inertes em partículas, como atrás considerado, por exemplo, misturando partículas de oxido de cromio e de alumina e aplicando um revestimento dessa mistura ao metal desgastãvel.Ve-se, por conseguinte, que o revestimento aplicado ao metal desgastãvel configurado pode ser usado para não sõ proporcionar um forro ou para as paredes dos canais, como também para introduzir um ou vários componentes que, como tais ou como constituintes de um produto da reacção se dispersam pelo corpo cerâmico e não se limitando as zonas que forram as paredes dos canais.
Fazendo agora referência aos desenhos, a fig. 1 mostra um vaso refractãrio (2), tal como um vaso de alumina, que contém um leito de material de enchimento (4) dentro do qual estã incluí do um metal desgastãvel configurado (6). Abaixo do plano (X-X) , esta um leito de suporte (8) de um material inerte em partículas e que não é molhãvel pelo metal original e não impermeável ao de senvolver do produto da reacção através de si, nas condições do processo. Por exemplo, no caso do metal básico alumínio, ãs tem peraturas moderadas da reacção, o leito de suporte (8) pode compreender partículas de Alundum EI, produzido pela NORTON COMPANY. Incrustado no leito de material de enchimento (4), e suportado pelo leito de suporte (8) estã um corpo de metal bãsico (10), 0 metal original (10) pode ter uma forma qualquer apropriada e, co mo se ve na forma de realização ilustrada pelas fig. 1, 2 e 3 ele tem uma configuração genericamente rectangular, achatada e com uma superfície superior (11) , uma superfície inferior oposta (13) , e superfícies laterais sem numeros.
metal desgastãvel configurado (6) compreende, na forma de realização ilustrada, um conjunto de fios do metal desgastãvel de secção transversal circular, Com referência as fig, 1, 2 e 3, o fio (12) tem uma anilha (15) montada junto da sua extremidade livre, e o fio (12) tem um diâmetro maior que o do fio (14) que, por sua vez, tem um diâmetro maior que qualquer dos fios (16a), (16b), (16c), (16d) e (16e) que tem todos o mesmo diâmetro. Como se vê na fig. 3, o fio (14) esta disposto substancialmente paralelo a superfície superior (11) a sua frente, de metal original (10), tal como sucede para cada um dos fios (16a-16e), embora ape nas o fio (16a) esteja visível na fig. 3, 0 fio (12) não ê para^ leio a superfície superior (11), mas esta colocado de modo a inclinar-se para cima em relação ã mesma, considerando-se no senti_ do da extremidade livre do fio 12 para o ponto em que ele contacta com o fio (14). Uma extremidade de içada um dos fios (16a-16e) esta em contacto com o fio (14). Os fios individuais podem unir-se uns aos outros, por meio de um adesivo apropriado, por uma junção mecânica ou por qualquer técnica de união de metais, tais como soldadura de estanho, soldadura forte ou soldadura usual.Em alternativa, o metal desgastãvel configurado (6)i ou segmentos do mesmo podem ser vazados ou de outro modo proporcionados como uma unidade integrada. Compreender-se-ãque o metal desgastãvel configurado (6) pode ser produzido em qualquer forma desejada apropriada. Por exemplo, um ou vários dos fios podem ser curvos e o metal desgastãvel configurado pode incluir ou compreender peças
-21/ V modeladas, tais como discos, cubos, cilindros de secção circular, oval, ou poligonal, ou peças modeladas tais como componentes ros_ cados, ranhurados ou dentados, etc. Por exemplo, pode utilizar uma mola helicoidal feita de um metal desgastãvel apropriado pai ra formar uma passagem helicoidal dentro do corpo cerâmico, peças moldadas e fios enrolados em hélice, formando laços, rectilineos ou curvos podem ser combinados como se desejar, para criar um ou vários canais com a configuração desejada.
conjunto da fig. 1 ê aquecido ate uma temperatura dentro de uma gama suficientemente elevada para fundir o metal original.('10)(e para o oxidar), mas não para fundir o metal desgastãvel do metal desgastãvel configurado (6) ou o produto da reacção de oxidação a formar a partir do metal original. Um oxidante em fa_ se de vapor atravessa os poros do leito de material de enchimeji to (4) entra em contacto com o metal original fundido, na gama de temperaturas estabelecida , para oxidar o metal original fundido e desenvolver o produto da reacção de oxidação dele resultante Por exemplo, quando o metal original for um metal original de alu minio, a temperatura da reacção de oxidação pode estar entre mais ou menos 80.0° e 1450°C, de preferencia entre mais ou menos 900°C e 1350°C e, com ar ou outro gãs contendo oxigénio como oxidante, resulta alfa-alumina como produto da reacção de oxidação. 0 metal básico fundido e extraído através do produto da reac ção de oxidação formado, para formar um corpo cerâmico que se desenvolve até ao ponto indicado pela linha a tracejado (5) na fig. 1. A medida que prossegue a reacção, o metal desgastãvel configurado (6) é encaixado no material policristalino, A reac
-22ção continua ate o material policristalino em desenvolvimento se infiltrar em pelo menos uma parte do leito de material de enchimento (4) circundante e em todo ou quase todo o metal desgastavel configurado (6). Pode ser conveniente que as porções distais dos fios (12) e (16a-16e) inclusive, se estendam para além da extensão do desenvolvimento do corpo cerâmico obtido pela oxidação do metal original, de modo a tornar visível a localização dos fios no corpo cerâmico. 0 metal desgastavel é dispersado dentro do material policristalino que o inclui, migrando assim do espaço anteriormente ocupado pelo metal desgastavel configurado (6) e deixando nesse espaço um vazio ou canal. Sem se pretender ficar limitado por qualquer teoria ou especulação, parece que o metal desgastavel configurado (6) sobrevive o bastante, nas condições de reacção de oxidação, para que o material policristalino em d£ senvolvimento seja limitado a desenvolver-se a seu redor, de modo que, apos a eventual dispersão do metal desgastavel, fiquem dentro do corpo cerâmico canais que substancialmente reproduzem inversamente a forma do metal desgastavel configurado (6) ou , mais precisamente, que reproduzem inversamente a forma inicial do metal desgastavel configurado (6) agora disperso. As dimensões de cada elemento ou porção do metal desgastãvel configurado (.6) são pelo menos aproximadamente congruentes· com as dimensões dos canais formados dentro do corpo cerâmico.
Terminada a reacção o que desejavelmente se verifica apõs a oxidação completa do corpo de metal original, a fim de impedir a! obstrução do canal ou canais formados, com metal origi_ nal e o envolvimento do metal desgastavel configurado (6) (e algum do material de enchimento (4) ) pelo material policristalino,
-23i deixa-se ο conjunto arrefecer e separa-se o corpo composito cerâ mico resultante, cujas dimensões estão indicadas pela linha a tracejado (5), na figura 1, do material de enchimento em excesso,que se houver, deixado dentro do vaso (2). Tal material de enchimen to em excesso, ou parte do mesmo pode formar um corpo coerente pelo facto de o material de enchimento ou uma sua porção poder ser auto-aglutinadá a temperatura da reacção. Porem, mesmo que se sinterize parcialmente o material de enchimento em excesso pode ser facilmente removido do corpo composito cerâmico por jacto de areia, por rectificação ou outro processo analogo. Uma técnica económica será usar um jacto de areia, usando como areia partículas de um material que seja apropriado como material de enchimento ou como um componente do material de enchimento, de modo que o material de enchimento e a areia retirados possam ser reutilizadas como material de enchimento numa operação subsequente,
Em qualquer caso, o corpo composito cerâmico, com o ou os canais nele formados, é maquinado ou rectificado ou modelado de outro modo para ter uma forma exterior desejada. Por exemplo, como se ilustra na fig. 4, o corpo compósito cerâmico (18) foi maquinado para obter a forma de um bloco rectangular achatado, com uma superfície superior (20), uma face anterior (22) e uma face posterior (24). Formados dentro do corpo composito cerâmico (18) h.ã os canais- constituídos por passagens circulares interligadas (121), com uma cavidade (15’) ligada a uma passagem de distribui_ ção (14'1 que, por sua vez estã ligada a cada uma de uma série de passagens de descarga (16a1), (16b1), (16c'[, (16d’I e (16e'l, Uma extremidade das passagens de descarga, abre-s-e numa face anterior (22J e unia extremidade de passagem (12’J abre-se na face
-24/ posterior (24) do corpo cerâmico (18). Constata-se que a forma das varias passagens reproduz inversamente a forma do metal des. gastavel configurado (6), As passagens estão numeradas· de manei_ ra idêntica a dos fios individuais cuja forma reproduzem inversa_ mente, excepto pela adição de uma plica. 0 corpo cerâmico (18) portanto compreende um produto bem adaptado para servir como tui beira ou distribuidor de um fluido introduzido através da passa gem (12‘) e disperso através das passagens (16a1 £ a (16e')’. As passagens estão posicionadas e são dimensionadas com precisão sem a necessidsíde de abrir a broca furos através do corpo cerâ’· mico (18). Em vez de desenvolver o corpo cerâmico com uma forma grosseira e depois maquinar o mesmo ate obter uma configuração externa acabada, o corpo cerâmico pode ser desenvolvido ate uma dimensão e forma desejadas por técnicas apropriadas, tais, como por exemplo, utilizando um material de enchimento moldado formajn do um prê-molde, como se descreve em pormenor no pedido de patente do mesmo proprietário atras identificado, N9 de Série 861 025. Essas técnicas evitam a necessidade de maquinagem ou rectificação extensivas do corpo cerâmico.
Quando se desejar o corpo cerâmico pode ser desenvolvido de modo a incluir completamente o modelo de metal desgastável , não se formando portanto, nenhum canal aberto para uma superfT^ cie exterior. 0 prpduto cerâmico pode ser aberto, ou seja, pode ser cortado, desgastado, fragmentado, maquinado, etc., de modo a ligar ou expor pelo menos um dos canais â superfície.
Um corpo compósito cerâmico , auto-suportado fabricado segundo a presente invenção e apropriado para ser usado como tu
-25beira de descarga de um fluido, como placa fiandeira, como jacto doseador ou outro produto similar para a regulação ou distribuição do fluxo ou passagem de um fluido, tal como um liquido, um gás, um metal fundido, um polímero, uma resina, etc, Tal como ê usada aqui e nas reivindicações a expressão tubeira para descarga de um fluido significa, em sentido lato, qualquer tipo de tubeira, tais como tubeiras para aspersão atomizada ou descar ga de líquidos, tubeiras de extrusão, tubeiras tais como as usadas na sopragem de fibras ou filamentos em ou no entrançamento de fibras ou filamentos sintéticos, etc., e placa fiandeira , significa uma tubeira especializada usada normalmente na fiação de fibras de vidro ou de fibras polimêricas orgânicas sintéticas em fusão. 0 metal desgastavel ê modelado e posicionado no material de enchimento de acordo com a configuração e as dimensões desejadas para o canal ou canais que incluirão o trajecto de escoamento do fluido. 0 canal ou canais formados no corpo cerâmico são configurados de modo a ter uma entrada e uma saída, confi, gurando o metal desgastavel de modo que os- canais ou canal forma dos sejam acessíveis- a partir de uma ou mais superfícies do cor po composito cerâmico, ou por abertura, apos o processo do corpo compósito que tem nele formados os canais ou canal, por forma a ter acesso a um ou mais dos canais. Por abertura do corpo com posito cerâmico entende-se qualquer maquinagem, corte, rectifica_ ção, perfuração, fragmentação ou operações analogas-, no corpo ce râmico, para proporcionar o acesso a um ou vários canais. A presente invenção permite o fabrico de produtos· compósitos de cerâmica possuindo um trajecto intrincado para um fluido, Por exemplo, pode fabricar-se um produto de acordo.com o exposto, que com ^26f bina um certo numero de canais de entrada, poucos· canais de saída ou num unico, ou, inversamente, um produto que divide o fluxo de entrada vindo de um unico canal de entrada, para vários canais de saída como, por exemplo, um injector de combustível para um motor de combustão interna, ou uma placa fiandeira própria para extrudir fibras polimericas. Igualmente, configurando de maneira específj_ ca as dimensões do metal desgastavel, pode estabelecer-se um trajecto de escoamento intrincado entre os canais de entrada e de saída, que proporciona, por exemplo, uma câmara misturadora para misturar fluidos separados fornecidos ao canal por uma multitude de canais de entrada.
Embora as formas- de realização específicas da presente invenção tenham sido descritas em pormenor, com referência especí fica ao alumínio como metal original, outros metais originais que satisfazem os critérios da presente invenção incluem, mas não se limitam, a eles, o silício, o titanio, o estanho, o zircÓnio e o hãfnto, Por exemplo, formas- de realização específicas da presente invenção incluem, quando o alumínio for o metal original, a al_ fa-alumina ou o nftreto de alumínio como produto da reacção de oxi_ dação; titânio como metal original e o nitreto de titânio como pr£ duto da reacção de oxidação; silício como metal original e carboneto de silício como produto da reacção de oxidação.
Pode usar-se um oxidante solido, líquido ou em fase de va. por, ou uma combinação de tais oxidantes, por exemplo, os- oxidantes típicos incluem, sem limitação, o oxigénio, o azoto, um halogeneo, o enxofre, o fósforo, o arsenio, o carbono, o boro, o selenio, o
JR
telúrio e compostos ou combinações dos mesmos, por exemplo a sí lica (como fonte de oxigénio), o metano, o etano, o propano, o acetileno, o etileno e o propileno (como fontes de carbono) ou misturas, tais como ar , H^/H^O e CO/CO^» sendo os dois últimos (ou seja, H^/H^O e CO/CO^). utilizáveis para reduzir a actividade do oxigénio do meio ambiente. Por conseguinte, a estrutura cer£ mica segundo a presente invenção pode compreender um produto da reacção de oxidação que compreende um ou mais de entre os oxidos, nitretos, carbonetos, boretos e oxinitretos, entre outros. Mais especificamente, o produto da reacção de oxidação pode ser um ou mais de entre o oxido de alumínio, o nitreto de alumínio, o carboneto de silício, o boreto de silício, o boreto de alumínio, o nitreto de titanio, o nitreto de zirconio, o boreto de titanio, o boreto de zirconio, o carboneto de zirconio, o nitreto de silício, o silicieto de molibdénio, o carboneto de titanio, o carboneto de hafnio, o boreto de hãfnio e o oxido de estanho.
Embora se tenham descrito formas de realização da prese_n te invenção específicas com referência ao uso de oxidantes em fa^ se de vapor, podem utilizar-se quaisquer oxidantes- apropriados. Se se usar um oxidante gasoso ou em vapor, isto é, um oxidante em fase de vapor no fabrico de um corpo cerâmico que inclui um material de enchimento, o material de enchimento usado e um mate rial que é permeável ao oxidante em fase de vapor, de maneira que, por exposição do leito de material de enchimento ao oxidan·?. te, o oxidante em fase de vapor atravesse os poros do leito de material de enchimento por forma a entrar em contacto com o original fundido existente no mesmo, 0 termo oxidante em fase de
-28vapor significa um material vaporizado ou normalmente gas*oso que proporciona uma atmosfera oxidante, de preferência ã pressão atmosférica. Por exemplo, o oxigénio ou misturas gasosas contendo oxigénio (incluindo o ar) são oxidantes em fase vapor preferidos, por exemplo no caso em que alumínio seja o metal original e o Óxido de alumínio o produto da reacção desejado, sendo o ar usualmente mais preferido por razões obvias de economia . Quando um oxidante for identificado como contendo ou compreendendo um gás ou vapor específicos, significa isso um oxidante em que ό gás ou vapor identificados e o oxidante íínico, predominante ou pelo menos significativo para o metal original nas condições obtidas no ambiente oxidante utilizado. Por exemplo, embo ra o principal constituinte do ar seja o azoto, o teor de oxigé nio do ar será o único oxidante para o metal original, porque o oxigénio ê um oxidante, muito mais forte que o azoto, Per tanto, o ar, enquadra-se na definição de oxidante gasoso contendo oxigénio, mas não na de oxidante gasoso contendo azoto. Um exemplo de oxidante gasoso contendo azoto e o gás de for mação , que tipicamente contêm a 9.6 por cento de azoto, em volu me, 4 por cento de hidrogénio em volume.
Quando se utiliza um oxidante solido, ele ê usualmente disperso por todo o leito de material de enchimento ou através de uma porção do leito adjacente ao metal original, na forma de um material em partículas misturado com o material de enchimento, ou talvez como revestimento nas partículas do material de enchimento. Pode usar-se qualquer oxidante apropriado, incluin do elementos tais como boro ou carbono, ou compostos redutíveis, tais como o diÓxido silício ou certos boretos de estabilidade
-29/ termodinâmica mais baixa que a do boreto produto da reacção com o metal original. Por exemplo, quando se utiliza sílica como um oxidante solido para um metal original de alumínio, o produto da reacção de oxidação resultante ê alumina.
Em certos casos, a reacção de oxidação pode prosseguir tão rapidamente com um oxidante solido que o produto da reacção de oxidação tende a fundir devido a natureza exotêrmica do processo. Esta ocorrência pode degradar a uniformidade microestru tural do corpo cerâmico. Esta reacção isotérmica pode ser impe dida ou moderada misturando na composição materiais- de enchime_n to reiatiyamente inertes que apresentem uma baixa reacttvidade. Um exemplo de um tal material de enchimento adequado e um material que seja idêntico ao produto da reacção de oxidação preteji d i d o.
Se se utilizar um oxidante líquido, todo o leito do mate rial de enchimento ou uma porção do mesmo adjacente ao metal fuji dido e impregnado com o oxidante. A referencia a um oxidante líquido significa um oxidante que seja líquido nas condições da reacção de oxidação, podendo assim um oxidante líquido ter um precursor solido, tal como um sal que está fundido nas condições da reacção de oxidação. Em alternativa, o oxidante líquido pode ser um precurosor líquido, por exemplo uma solução de um mate_ rial que ê usado para impregnar uma parte ou todo o material de enchimento, por exemplo por imersão, e que funde ou se decompõe nas condições da reacção de oxidação, para proporcionar uma par te oxidante apropriada. Exemplos de oxidantes líquidos como aqui se definem incluem os vidros com baixo ponto de fusão.
-300 material de enchimento, quando utilizado, pode compreender ou um material único ou mistura de dois ou vários materiais e além disso, não se dispersar no material policristal ino. Uma classe apropriada de materiais de enchimento inclui as espécies químicas que, nas condições de temperatura e de oxidação do processo, não são voláteis, são termodinamicamente estáveis e não reagem com o metal original fundido nem se dissolvem nele excessivameri te. Numerosos materiais são conhecidos dos especialistas desta matéria, como satisfazendo tais critérios: por exemplo, no caso em que se usam um original de alumínio e o ar ou o oxigénio coroo oxidante, tais materiais incluem os óxidos metálicos simples de:
alumínio, Al^Og; cálcio, CaO; cêrio, CeO2, hafnio, HfQ2; lantano,
La203; lítio, Li^O; magnésio, MgO; neodímio, Nd203, praseodímio, vários Óxidos; samãrio, Sm203, escandio, nio, U02; ítrio, Y203; e zircÕnio, Zr02·
Sc o3; tõrio, T02; urâAlem disso, um grande número de compostos metálicos binários, ternários, e de ordem su perior, tais como a espinela de aluminato de magnésio, Mg0.Al203, esta contido nesta classe de compostos refractários estáveis.
Uma segunda classe de materiais de carça ou componentes de materiais de carga apropriados são os intrinsecamente estáveis no ambiente oxidante e a alta temperatura da forma de realí zação preferida, mas que, deyido ã cinética relativamente lenta das reacções de degradação, podem incorporar-se como uma fase de material de enchimento no interior do corpo cerâmico em desenvol_ vimento . Um exemplo e o carboneto de silício. Este material oxidar-se-ia completamente nas condições necessárias para oxidar o alumínio com oxigénio ou ar, segundo a presente invenção, se não fosse uma camada protectora de Óxido de silício que se for
ma cobrindo as partículas de carboneto de silício, para limitar a oxidação ulterior do carboneto de silício. A camada protect£ ra de carboneto de silício também permite que as partículas de carboneto de silício se sinterizem ou liguem entre si e aos outros componentes do material de enchimento.
Uma terceira classe de materiais de enchimento apropria, dos é a dos materiais tais como fibras de carbono que, por ra| zoes termodinâmicas ou de cinética, não seria de esperar que S£ brevivessem no ambiente oxidante necessário para a realização da presente invenção ou a exposição ao metal fundido implicado na forma de realização preferida, mas que podem tornar-se compatíveis com o processo da presente invenção, se 1[ se tornar o ambiente menos activo, por exemplo mediante o uso de ou CO/COg como gases oxidantes, ou 2) por aplicação de um revestimento aos mesmos, tal como oxido de alumínio, que torna o material de enchimento cineticamente não reactivo no ambiente oxidante ou em contacto com o metal original.
Como se explicou, nos pedidos de patente do mesmo proprietário, os materiais contaminantes que usados em conjunção com o metal original podem, em certos casos, influenciar beneficameji te o processo da reacção de oxidação, em especial em sistemasnue utilizam o alumínio como metal original, A função ou funções de um material contaminante podem depender de um certo nãmero de factores sem ser o próprio material contaminante. Esses factores incluem, por exemplo, a combinação particular de contaminan tes, quando se usarem dois ou mais contaminantes, o uso de um contaminante aplicado externamente em combinação com um contamiτ32
nante de liga do metal original, a concentração do contaminante, o ambiente oxidante e as condições do processo.
contaminante ou contaminantes utilizados em conjunção com o metal original (1) podem ser proporeionados como constituintes de liga do metal original, (2) podem ser aplicados a pelo menos uma porção da superfície do metal original, ou (3f podem ser aplicados em parte ou em todo o material de enchimento ou pré-molde, ou incorporados nos mesmos, ou podendo usar-se qualquer combinado de duas ou mais das técnicas (1), (2) e (3J. Por exem pio, um contaminante sob a forma de liga pode ser utilizado sõ ou em combinação com um segundo contaminante aplicado externamen, te. No caso da técnica (3), na qual se aplicam um ou vários cori taminantes adicionais ao material de enchimento a aplicação pode fazer-se de qualquer maneira adequada, como se explicou nos pedj dos de patente do mesmo proprietário.
Os contaminantes que podem ser usados para um metal or/ ginal de alumínio, em especial com o ar como oxidante, incluem o magnésio, o zinco, o silício, tanto sÕs como em combinação de uns com os outros ou em combinação com outros eontamrnantes, como adiante se descreve. Esses metais, ou uma fonte adequada dos má tais , podem ser usados como elementos de liga no metal original ã base de alumínio, com as concentrações para cada um deles entre mais ou menos 0,1 e 10. por cento, em peso, com base no peso total do metal contaminado resultante, Esses materiais contaminantes ou uma sua fonte apropriada, por exemplo, MgO, ZnO, ou Si02» podem ser utilizados externamente ao metal original. Assim, pode obter-se uma estrutura cerâmica de alumina para uma liga de
alumínio-silício como metal original, usando o ar como oxidante utilizando o MgO como contaminante superficial, numa quantidade maior que cerca de 0,0008 grama por grama do metal original a oxidar e maior que cerca de 0,003 grama por centímetro quadrado da superfície do metal original ao qual se aplica o MgO.
Outros exemplos de materiais contaminantes eficientes com metais originais de alumínio, oxidados com ar, incluem o s£ dio, o germanio, o estanho, o chumbo, o lítio, o cálcio, o boro, o fósforo e o ítrio, que podem ser usados individualmente ou em combinação com um ou vários contaminantes, conforme o oxidante e as condições do processo. Elementos das terras raras- tais co_ mo o cerio, o lantano, o praseodímio, o neodímio e o samário po dem também ser utilizados como contaminantes e aqui, roais uma vez, em especial quando usados em combinação com outros contam/ nantes. Todos os materiais contaminantes, como se explicou nos pedidos de patente do mesmo proprietário, são eficientes para promoyer o desenvolvimento do produto da reacção de oxidação po, licristalino, para os sistemas de metal original ã base de alumí ni o.
A estrutura compósita cerâmica obtida na realização prá tica da presente invenção será usualmente uma massa densa, coerente, na qual, entre cerca de 5% e mais ou menos 98%, em volume, do volume total da estrutura compósita, excluindo os canais, são constituídos por um ou vários dos componentes do material de enchimento encaixados no interior de um material de matriz polj cristalino. 0 material policristalino de matriz e usualmente constituído , quando o metal original for alumínio, por mais ou
-34-/ menos 60% a mais ou menos 98%, em peso (do peso do material policristalino), de Óxido de alfa-alumina interligada e cerca de 1% a 40%, em peso (na mesma base), de constituintes não oxidados do metal original e do metal desgastavel.
Os exemplos que seguem exemplificam a prática de certos aspectos da presente invenção.
EXEMPLO 1
Fabricou-se um corpo compósito cerâmico, segundo a presente invenção, de maneira a ter um canal helicoidal incorpora do no interior da sua estrutura, 0 metal desgastavel empregado foi' um fio metálico existente no comércio (Kanthal A, da KANTHAL CORPORATION, tendo uma composição de liga, em peso de 5 % de AI, 22% de Cr, 0,5% de Co, sendo o restante Fe, um ponto de fusão de aproximadamente 1510°C e medi ndo 0,8 mm(0,0.32/ de diâmetro ) Enrolou-se um cordão de fio atrás descrito numa bobina com aproximadamente 25,4mm(l) de comprimento e 22,2mm (7/8/ de diâmetro. Aqueceu-se a bobina numa atmosfera de oxigénio a 1200°C durante 36 horas, para desenvolyer um revestimento de óxido sobre a sua superfície. 0 cordão enrolado foi removido e posto em torno de um lingote cilíndrico, de uma liga de alumínio 380,1 (da BELMONT METAIS, tendo uma especificação nominal, em peso, 8 a 8,5% de Si a 2 a 3% de Zn e 0,1% de Mg, como contaminantes· activos, e 3,5% de Cu, bem como Fe, Mn e Ni, sendo o restante AI; mas cons. tatamos que o teor de Mg era por vezes superior, por exemplo na gama de 0,17 a 0,18%/, 0 lingote media 25,4 mm (ll_de comprimento e 22,2 mm (7/8/ de diâmetro, de modo que as espiras da bo
bina começavam numa das extremidades do lingote e terminavam na outra extremidade do mesmo. Colocou-se o lingote envolvido na bobina num leito do material de enchimento de alumina (Aluminandum 38, da NORTON CO., granulometria de 90 mesh), contido num vaso refractario, de modo que uma face circular do lingote sobressaia ligeiramente acima do nível do leito do material de enchimento. Colocou-se uma camada de partículas de alumina (Alundum EI, da NORTON, granulometria de 90 mesh) que eram substancialmente refractãrias a temperatura do processo relativamente ã, inclusão pelo produto da reacção de oxidação de alumina, no leito do mate, rial de enchimento, de maneira a cobrir a superfície exposta do lingote. Colocou-se este conjunto num forno e aqueceu-se duraii te cinco horas a 1050°C. Manteve-se a temperatura do forno a 1050°C no ar, durante 48 horas, e arrefeceu-se novamente durante outro período de cinco horas. Retirou-se o conjunto do forno e recuperou-se o corpo compósito cerâmico, que compreende o produ to da reacção de oxidação do alumínio, encaixando constituintes do leito do material de enchimento. 0 excedente do material de enchimento não encaixado foi retirado da superfície do produto compósito, e cortou-se transversalmente o corpo compósito, para rev'elar o canal helicoidal oue se desenvolveu, com a geometria da bobina de metal desgastavel. A fig. 5 Ó a microfotografia da secção transversal do compósito cerâmico, com uma ampliação de 100 vezes. Como se ve na figura, o metal desgastavel foi disper so a partir da sua posição original, formando assim o canal. 0 diâmetro do canal resultante mediu 0,89 mm (0,035).· A ligeira diferença medida no diâmetro do fio de metal desgastavel e no diâmetro do canal formado atribui-se a diferença entre a dilata
-36/ /
ção térmica do fio metálico, que se verifica no aquecimento e a contracção térmica do corpo composito durante o arrefecimento.
EXEMPLO 2
Fabricou-se um corpo compósito cerâmico, de acordo coma presente invenção, de maneira a ter quatro canais substancialmente paralelos, incorporados na sua estrutura. 0 metal desgas^ tãvel usado compreendia quatro cordões de fio de níquel (99,9975% puro, tendo um ponto de fusão de 1453°C), medindo aproximadamente 10 cm (4n) de comprimento e 1 milímetro de diâmetro. Colocou-se uma barra da mesma liga de alumínio 380.1, utilizada no exem pio 1, e medindo 11,4 cm (4 1/2 ) de comprimento por 5,08 cm (2J de largura, por 17,2 mm (1/2) de espessura, num leito das mesmas partículas de alumina refractãrias (Alundum EI , da NORTON , 90 mesh), utilizadas no exemplo 1 , de maneira que uma face de 11,4 cm (4 1/2) por 5,08 cm (2) ficou exposta ã atmosfera e substancialmente alinhada com o leito refractãrio. Colocou-se | uma camada com a profundidade aproximada, de 6,35 mm(i/4) do πμ terial de alumina (Alundum 38, da NORTON, 9Q mesh), na parte superior da superfície exposta da liga de alumínio. Colocaram-se os quatro fios do metal níquel substancialmente paralelos uns aos outros na parte superior da camada de material de enchimento de maneira a ficarem aproximadamente paralelos â superfície de 11,4 cm (4 1/2) por 5,0.8 cm (2) da barra subjacente da liga de alumínio, e equidistantes dela. Cobriram-se depois os fios com uma camada do mesmo material de enchimento de alumina, (Alundum 38). Colocou-se este conjunto combinado num forno e açueceu-se
nç> ar durante cinco horas a 1080°C. Manteve-se a temperatura do forno a 1080°C durante 48 horas, e arrefeceu-se durante um perío do de cinco horas. Retirou-se o conjunto do forno , e recuperou-se o corpo compósito cerâmico resultante, que compreende o produto da reacção de oxidação de alumina, encaixando constituintes do material de enchimento de alumina. 0 compósito cerâmico recti perado foi cortado transversalmente, para ilustrar os canais que se formaram substituindo os fios metálicos de níquel. A fig. 6 ê uma fotografia do corpo compósito cortado transversalmente , ilustrando os quatro canais paralelos dentro da sua estrutura. Mediu-se o diâmetro de um canal, sendo a medida 1,06 mm.
EXEMPLO 3
Utilizaram-se o mesmo conjunto e o processo descritos no exemplo 2, excepto que os fios de metal desgastãvel eram constituídos pelo material Kanthal A utilizado no exemplo 1, revestindo a sua superfície com uma camada de Cr^O^ (misturada com álcool polivinílico para servir de veículo da aplicação, e apH cada como uma camada e revestiu-se depois com mistura de partícu las de sílica coloidal e alumina (Alundum 38, da NORTON C0,, gra nulometria 500 mesh). Aqueceu-se o conjunto observando o mesmo ciclo descrito no exemplo 2, e recuperou-se o compósito resultar^ te. 0 compósito resultante foi seccionado transversalmente para revelar os canais formados. A fig. 7 e uma microfotografia ampliada 50. vezes, mostrando um dos canais formados pela exaustão substancial do metal desgastãvel a partir da sua posição original. Além disso, a microfotografia mostra o forro anular que e substancialmente concêntrico com o canal, resultante do revestimento. Por analise do forro ao microscópio electronico de varri
F'·
mento, ο revestimento era substancialmente de alumina. 0 diãme tro do canal representado na fig. 7 media 0,89 mm (0,035),
EXEMPLO 4
Utilizou-se de novo o conjunto do exemplo 2, excepto que os quatro fios do metal desgastavel utilizados eram constituídos por uma super-liga de níquel-cromio-alumínio (Cabot 214, da CABOT CORPORATION, com uma composição de liga, em peso de 16% de Cr, , 4,5% de Al, 2% de Co, 2,5% de Fe, 0,5% de Mo, 0,5% de W 0,05% de C, 0,02% de I, 0,01% de B e o restante de Ni, e com o ponto de fusão de aproximadamente 1345°CÇ). Colocou-se o conjunto num forno e aqueceu-se durante cinco horas a 1050°C. Manteve-se a temperatura do forno a 1050°C durante 72 horas, e depois arrefe ceu-se durante cinco horas. Retirou-se o compósito cerâmico e cortou-se transversalmente para ilustrar os canais formados com exaustão substancial dos fios de metal desgastavel, a partir da sua posição original e disperso dentro da estrutura compósita . A fig. 8 e uma fotografia do produto compósito cerâmico cortado transversalmente, com uma fonte luminosa disposta por baixo de um dos canais formados, para o iluminar e mostrar assm a continui. dade do canal iluminado,
Embora apenas um pequeno numero de formas- de realização , como exemplos, da presente invenção tenham sido descritas em por menor os· especialistas da matéria facilmente compreenderão que a presente invenção abrange muitas combinações e variantes além das exemplificadas.
Claims (30)
- Reivindicações1Processo para produção de um corpo cerâmico auto-suportado contendo um ou vários canais e reproduzindo inversamente a geometria de um metal fugaz, sendo o referido corpo cerâmico obtido por oxidação de um metal original para formar um material policristalino constituído essencialmente por (i) o produto da reacção de oxidação do referido metal original com um oxidante, e (ii) um ou vários constituintes metálicos incluindo constituintes do referido metal fugaz, caracterizado por incluir as fases de:(a) posicionar o referido metal fugaz modelado adjacente ao referido metal original, um em relação ao outro de maneira que a formação do referido produto da reacção de oxidação mergulhe pelo menos numa parte do referido metal fugaz modelado;(b) aquecer o referido metal original até uma temperatura acima do seu ponto de fusão mas abaixo do ponto de fusão do referido produto da reacção de oxidação, para formar um corpo de metal original fundido e, à referida temperatura, (1) fazer reagir o metal original fundido com o referido oxidante para formar o referido produto da reacção de oxidação, (2) manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação em contacto com o referido corpo de metal fundido e o referido oxidante, e entre os mesmos, para arrastar progresf -40- ϊΚκ .. fsivamente metal original fundido através do produto da reacção de oxidação no sentido do referido oxidante e do referido metal fugaz modelado para continuar a formação do produto da reacção de oxidação na entreface entre o referido oxidante e o produto da reacção de oxidação formado anteriormente, (3) continuar a referida reacção por um tempo suficiente para imergir pelo menos uma parte do referido metal fugaz modelado no referido material policristalino, de modo que o referido metal fugaz fica disperso no interior do referido material policristalino, formando ao mesmo tempo um ou vários canais çtuese produzem inversamente a geometria da parte imersa do referido metal fugaz modelado, e (4) recuperar o referido corpo cerâmico.
- 2.- Processo para a produção de um corpo compósito cerâmico auto-suportado contendo um ou vários canais quase produzem inversamente a geometria de um metal fugaz modelado, compreendendo o referido corpo compósito cerâmico (1), uma matriz de cerâmica obtida por oxidação de um metal original para formar um material policristalino constituído essencialmente por (i) o produto da reacção de oxidação do referido metal original com um oxidante, e (ii) um ou vários constituintes metálicos incluindo constituintes do referido metal fugaz, e (2) um material de enchimento pela referida matriz, caracterizado por compreender fases de:(a) posicionar o referido metal fugaz modelado, suportado por uma massa do referido material de enchimento adjacente ao referido metal original um em relação ao-417 ao outro de maneira que a formação do referido produto da reacção de oxidação vã infiltrar o referido material de enchimento e vã imergir em pelo menos uma parte do referido metal fugaz modelado, sendo o referido material de enchimento permeável ao referido oxidante quando for necessário que o referido oxidante entre em contacto com o metal original fundido, e sendo permeável ao crescimento do referido produto da reacção de oxidação por todo ele.(b) aquecer o referido metal original até uma temperatura acima do seu ponto de fusão mas abaixo do ponto de fusão do referido produto da reacção de oxidação para formar um corpo de metal original fundido e, à referida temperatura, (1) fazer reagir o metal original fundido, com o referido oxidante para formar o referido produto da reacção de oxidação, (2) manter pelo menos uma porção do referido produto da reacção de oxidação em contacto com o referido corpo de metal fundido e o referido oxidante, situando-se entre os mesmos, para arrastar progressivamente metal original fundido através do produto da reacção de oxidação no sentido do referido oxidante e do referido metal fugaz modelado para continuar a formar oproduto da reacção de oxidação na interface entre o referido oxidante e o produto da reacção de oxidação anteriormente formado,(3) continuar a referida reacção por um tempo suficiente para imergir pelo menos uma parte do referido metal fugaz mode •42lado no interior do referido material policristalino, de modo que o referido metal fugaz se dispersa dentro do referido material policristalino e formando ao mesmo tempo um ou vários canais que reproduzem inversamenmente a geometria da parte imersa do referido material fugaz modelado, e (4) separar o corpo cerâmico resultante do excesso de material de enchimento, se existir.
- 3. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal fugaz modelado ter um ponto de fusão superior ã temperatura da reacção na fase (b).
- 4. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal original ser um metal original de alumínio.
- 5. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido oxidante compreender um oxidante em fase de vapor.
- 6. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o referido oxidante em fase de vapor compreender um gás contendo oxigénio.
- 7. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal fugaz modelado ser escolhido no grupo constituído por ferro, níquel, crómio e ligas ou compostos intermetálicos dos mesmos.
- 8. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal modelado compreender um ou vários arames configurados para proporcionar uma rede de arames.
- 9. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por o referido material de enchimento ser escolhido no grupo constituído por corpos ocos, material em partículas, pós, fibras, fios emaranhados, esferas, bolhas, lã, placas, agregados, arames ou fios, hastes, barras, plaquetas, bolas, tubos, tecido de fibra refractãria, túbulos ou misturas dos mesmos.
- 10. - Processo de acordo com a reivindicação 2 ou a reivindicação 9 caracterizado por o referido material de enchimento compreender um material escolhido no grupo constituído por um ou vários dos seguintes: óxido de alumínio, carboneto de silício, oxinitreto de silício e alumínio, óxido de zircónio, boreto de zircónio, nitreto de titânio,titanato de bário, nitreto de boro, nitreto de silício, ou as misturas deles.
- 11. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal original ser um metal original de alumínio e a referida temperatura estar entre mais ou menos 850°C e 1450°C.
- 12. - Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a referida temperatura estar compreendida entre mais ou menos 900°C e 1350°C.
- 13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o referido oxidante ser ar.
- 14. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido metal original ser um metal de alumínio incluindo além disso um contaminante utilizado em conjugação com o referido metal original.
- 15. - Processo de acordo com a reivindicação 14, caracteriza feridos canais inversamente a geometria de um metal fugaz modelado que é disposto numa localização inicial dentro do referido leito, sendo a referida matriz de cerâmica obtida por oxidação de um precursor do metal original, para desenvolver um produto da reacção de oxidação do referido metal original, e um ou vários constituintes metálico incluindo metal fugaz,sendo a oxidação do referido metal original realizada em condições que fazem com que o produto da reacção de oxidação imerja em menos uma parte do referido metal fugaz modelado e com que o referido metal fugaz modelado se disperse dentro da matriz de cerâmica, deixando ficar o espaço anteriormente ocupado pela parte imersa do referido metal fugaz modelado que forma os referidos um ou vários canais.
- 16. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por se aplicar um revestimento no referido metal fugaz modelado.
- 17. - Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado por o referido revestimento ser escolhido no grupo constituído por óxido de crómio e óxido de níquel.
- 18. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido oxidante ser escolhido no grupo constituído por um ou vários entre: um gás contendo oxigénio,um gás contendo azoto, um halogénio, enxofre, fósforo, arsénio, carbono, boro, sélénio ou telúrio, ou compostos de um halogéneo ou dos elementos anteriores, uma mistura de Η,^/Η^Ο, metano, etano, propano, acetileno, etileno, propileno ou uma mistura de CO/CC^.
- 19. - Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o referido oxidante ser ar à pressão atmosférica.
- 20. - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 2, caracterizado por o referido corpo compósito cerâmico ser aberto de maneira a expor pelo menos um dos referidos canais até uma superfície exterior do referido corpo cerâmico.
- 21, caracterizado por os referidos canais incluírem um forro.21. - Corpo compósito cerâmico auto-suportado contendo um ou vários canais e compreendendo uma matriz policristalina incorporando um leito de material de enchimento, reproduzindo os refe-46-
- 22. - Corpo compósito cerâmico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por o referido material de enchimento ser escolhido no grupo constituído por: corpos ocos, material em partículas, pós, fibras, fios emaralhados, esferas, bolhas, lã, placas, agregado, arames, hastes barras, plaquetas, bolas, tubos, tecido de fibra refractária, tubulos ou misturas dos mesmos.
- 23. - Corpo compósito cerâmico de acordo com a reivindicação 21j caracterizado por o referido material de enchimento compreender um material escolhido no grupo constituído por um ou vários entre: óxido de alumínio, carboneto de silício oxinitreto de alumínio e silício, óxido de zircónio, boreto de zircónio, nitreto de titânio, titanato de bário, nitreto de boro, nitreto de silício ou misturas dos mesmos.
- 24. - Corpo corpósito cerâmico de acordo com a reivindicação por o referido contaminante compreender uma fonte de um magnésio e/ou zinco, mais uma fonte de um ou vários entre: silício, chumbo, estanho, germânio, sódio, lítio, cálcio, boro, fósforo, ítrio e um ou vários dos metais das terras raras, ou misturas dos mesmos.
- 25. - Corpo cerâmico de acordo com qualquer das reivindicações 21, 22, 23, ou 24, caracterizado por o referido metal fugaz modelado ser escolhido no grupo constituído por um ou vários entre: ferro, níquel, crómio e ligas ou compostos intermetálicos dos mesmos.
- 26. - Corpo cerâmico de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por o referido precursor do metal original ser um metal original de alumínio e o referido produto da reacção de oxidação ser óxido de alumínio.
- 27. - Corpo compósito cerâmico auto-suportado de acordo com a reivindicação 21, caracterizado por os referidos um ou vários canais, distinta ou colectivamente, compreenderem um trajecto contínuo com uma entrada e uma saída, sendo cada uma das referidas entradas e saídas acessíveis de numa superfície do referido corpo compósito cerâmico, de modo que os referidos um ou vários canais são apropriados para ser usados como um trajecto contínuo de fluxo de um fluido.
- 28. - Corpo cerâmico auto-suportado de acordo com a reivindicação 27, caracterizado por compreender uma tubeira de descarga de fluido.
- 29. - Corpo cerâmico auto-suportado, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado por compreender um jacto de medição de um fluido.
- 30. - Corpo cerâmico auto-suportado, de acordo com a reivindicação 27, caracterizado por compreender uma placa fiandeira.
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