PT89402B

PT89402B - Processo para a fabricacao de um composito com matriz de metal com o emprego de uma barreira

Info

Publication number: PT89402B
Application number: PT89402A
Authority: PT
Inventors: Terry Dennis Claar; Michael Kevork Aghajanian
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-01-07
Filing date: 1989-01-06
Publication date: 1993-09-30
Also published as: DE68914853T2; HU209467B; YU2089A; NZ227521A; IL88869A; EP0323945B1; DK1189D0; IN170722B; EP0323945A3; PL158311B1; PH25765A; DD278775A5; CA1316667C; FI890013A0; NO173006C; JPH01215935A; FI88776B; CN1030698C; AU2643988A; KR890011695A

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se de um modo geral a processos para a produção de compósitos de matriz de metal modelados. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a processos para produção de compósitos de matriz de metal modelados por infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento de cerâmica com liga de alumínio fundida até que esta última entre em contacto com uma barreira para estabelecer uma superfície, um perímetro, um limite ou similar, a fim de produzir formas nítidas.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

Produtos compósitos constituídos por uma matriz de metal e uma fase de reforço ou resistência, tal como partículas de cerâmica, fibras ou similar, são muito promissores para ser utilizadas em uma variedade de aplicações, porque eles combinam a resistência e a dureza da fase de reforço com a ductibilidade e a tenacidade da matriz de metal. De um modo geral, um compósito de matriz de metal apresentará um aperfeiçoamento em propriedades tais como a solidez, a rigidez, a resistência ao desgaste por contacto e a manutenção da resistência a altas temperaturas relativamente ao metal da matriz, por si, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser aperfeiçoada _ 2 depende amplamente dos constituintes específicos da sua pro-

porção, em volume ou em peso, e da maneira como são processa dos na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito também pode ser leve. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmica, tal como carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas ou fios emaranhados, por exemplo, têm interesse, cbvido à sua elevada rigidez, à resistência ao desgaste e à resistência a altas temperaturas, em comparação com o alumínio.

Vários processos metalúrgicos foram descritos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, que vão desde processos com base em técnicas da metalurgia dos pós até aos que implicam a infiltração de metal-líquido, por exemplo por moldação sob pressão e o emprego de agentes molhantes ou de vácuo para efectuar a infiltração de metal numa massa cerâmica.

Um processo para produção de um compósito com matriz de metal pela infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento cerâmico, por um metal fundido está descrito no pedido de patente norte-americano copendente e do mesmo proprietário No. 04-9 171, depositado em 15 de Maio de 1987, intitulado Metal Matriz Composites (Compósitos com Matriz de Metal), e em nome de Aghajanian e outros. De acordo com o processo desta invenção, um compósito com matriz de metal é produzido por infiltração de uma massa permeável, de material de enchimento de cerâmica ou de material revestido com cerâmica de alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio, e preferivelmente pelo menos cerca de 5$, θπι peso. A infiltração ocorre espontaneamente sem a necessidade de pressão externa ou de vácuo elevado. Uma

- 5 massa de liga de metal fundido é posta em contacto com sa de material de enchimento a uma temperatura de pelo

a cerca de 700°C, em presença de um gás compreendendo de

100%, preferivelmente de pelo menos 50% de azoto, em volume, sendo o restante de gás não oxidante, por exemplo árgon. Nes tas circunstâncias, a liga de alumínio fundida infiltra-se na massa de cerâmica às pressões atmosféricas normais, para for mar um compósito com matriz de alumínio. Quando se tiver in filtrado a quantidade desejada de material cerâmico com a liga fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, de modo que se forma uma estrutura de matriz de metal sólida que se encaixa no material cerâmico de reforço. Usualmente e de preferência, a massa de liga fundida fornecida será suficiente para permitir que a infiltração prossiga substancialmente até aos limites da massa cerâmica. A descrição completa deste pedido de patente do mesmo proprietário é incorporada aqui por referência.

Um elemento no emprego dos processos da técnica anterior e dos processos do referido pedido de patente copendente do mesmo proprietário para produzir um compósito com matriz de metal com uma forma nítida ou quase nítida consiste em minimizar ou inibir o transporte ou infiltração da matriz de metal para além dos limites de superfície definida da massa permeável do material de enchimento de cerâmica. A infiltração para além dos limites da superfície pode ser substancialmente impedida controlando a infiltração da matriz de metal até quaisquer limites definidos da superfície, o que pode fazer-se, por exemplo, utilizando uma quantidade pré-determinada de metal, esvaziando a atmosfera de gás contendo azoto, t / ( ou baixando a temperatura aquém do ponto de fusão do metal. Qualquer destas operações pode exigir o controle ou vigilância apertados para obter substancialmente a ausência de transporte da matriz de metal para além dos limites definidos da superfície de uma massa de material de enchimento de cerâmica ou de um pré-molde, podendo ainda não produzir a forma nítida ou quase nítida desejável, ou podendo ainda exigir uma maquinagem ou acabamento adicionais.

A presente invenção provê meios para produção de um compósito com matriz de metal à pressão atmosférica, ao mesmo tempo que estabelece de maneira fiável um limite ou impede substancialmente a infiltração exagerada ou transporte para além do limite da matriz de metal de infiltração, o que é desejável para a formação de formas nítidas nos compósitos com matriz metálica.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO presente processo compreende a produção de um compósito com matriz de metal por infiltração de liga de alumínio fundido numa massa permeável de material enchimento de cerâmica, possuindo pelo menos um limite de superfície estabelecido ou definido por uma barreira. A liga de alumínio fundida contém pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio, preferivelmente pelo menos 3%, em peso. A infiltração ocorre espontaneamente sem a necessidade de pressão externa ou alto vácuo. Uma zona da liga de metal fundido é posta em contacto com a massa permeável do material de enchimento cerâmico a uma temperatura de pelo menos 700°C, em presença de um gás compreendo de 10 a 100%, preferivelmente, pelo menos 50% de azoto, em volume, sendo o restante de um gás não oxidante, por exemplo

árgon. A massa permeável é posta em contacto com a liga de { metal fundido, de modo que o dispositivo de barreira fique pelo menos parcialmente afastado da zona de contacto. Nestas condições, a liga de alumínio fundida infiltra-se espontaneamente sobre pressões atmosféricas normais, na massa de cerâmica permeável até a mesma contactar com o dispositivo de barreira. 0 transporte ou a infiltração para além do limite da superfície termina substancialmente quando a liga fundida entra em contacto com o dispositivo de barreira.

Depois de a liga fundida se ter infiltrado no material cerâmico até ao dispositivo de barreira, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, de modo a formar uma estrutura de matriz de metal sólida que se encaixa no material cerâmico de reforço até ao limite da superfície. A quantidade de material de enchimento de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio produzidos segundo a presente invenção pode ser excessivamente grande. A este respeito, podem obter-se relações entre o material de enchimento de cerâmica e a liga maiores que 1:1.

Numa forma de realização da presente invenção, forma-se uma massa permeável de material de enchimento de cerâmica com pelo menos um limite de superfície definido. Coloca-se um dispositivo de barreira, por exemplo uma folha de grafite flexível ou diboreto de titânio em partículas, sobre o limite de superfície definido. Fornece-se uma quantidade de liga de alumínio fundido à massa permeável do material de enchimento de cerâmica ou ao pré-molde colocando uma massa de liga adjacente a ou em contacto com a massa permeável, de modo que a infiltração da liga de alumínio fundida ocorra num sentido dirigido para o dispositivo de barreira. Aquecem

-se a liga e a massa cerâmica permeável, na presença de um gás contendo azoto, a uma temperatura acima do ponto de fusão da liga, de modo que a liga fundida a essa temperatura infiltra-se espontaneamente no leito de cerâmica circundante ou contíguo ao dispositivo de barreira. 0 dispositivo de barreira impede qualquer infiltração para além do limite de superfície definido da massa de cerâmica permeável. Depois de a liga de metal se ter infiltrado de uma maneira geral completamente na massa cerâmica até ao limite definido, arrefece-se, a estrutura cerâmica infiltrada até uma temperatura inferior ao ponto de fusão da liga para produzir uma matriz sólida de liga de alumínio que se encaixa na massa cerâmica até ao limite de superfície sem que qualquer porção da liga de alumínio solidificada tenha saído para além do limite de superfície defi nido .

Os compósitos com matriz de alumínio produzidos segundo a presente invenção possuem tipicamente uma configuração ou geometria do material de enchimento de cerâmica ou do pré-molde originais, inibindo ou interrompendo o dispositivo de barreira a formação da matriz de alumínio para além do limite da superfície, obtendo-se desse modo um corpo cerâmico com a forma definitiva ou quase definitiva. Os compósitos com matriz de alumínio também contêm tipicamente nitreto de alumínio na matriz de alumínio, como uma fase descontínua. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar em função de factores tais como a escolha da temperatura, a composição da liga, a composição do gás e o material de enchimento de cerâmica. Pode fazer-se variar a quantidade de nitre7 -

to de alumínio dispersa por controle de um ou mais dos facto res no sistema, por exemplo a temperatura, tornando assim possível determinar de antemão certas propriedades do compó sito, por exemplo.

A expressão restante de gás não oxidante, conforme aqui é empregada, significa que qualquer gás presente além do azoto elementar ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o alumínio nas condições do processo. Qualquer gás oxidante (além do azoto) que possa estar presente como uma impureza no ou nos gases usados é insuficiente para oxidar o metal num grau substancial.

Deve ser entendido que os termos cerâmica, material cerâmico, material de enchimento de cerâmica incluem os materiais de enchimento em si, tais como fibras de alumina ou carboneto de silício e materiais de enchimento tais como fi bras de carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque pelo metal fundido. Além disso, deve entender-se que o alumínio utilizado no processo, além de formar liga com magnésio, pode ser alumínio substancialmente puro ou cómercialmente puro como o alumínio, ou pode ser alumínio formando liga com outros constituintes, tais como ferro, silício, cobre, manganês, crómio e similares.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A fig. 1 é uma vista em alçado lateral, esquemática, com corte transversal, mostrando uma camada dupla de folhas de grafite Grafoil flexíveis que envolvem um material de enchimento de cerâmica tendo a ele sobreposto uma liga de alumínio, estando o conjunto imerso num leito inerte e contido

- s /

L· num recipiente refractário, para ser processado de acordo com / o procedimento do Exemplo I.

A fig. 2 é uma vista em corte transversal vertical, do material de enchimento de cerâmica da fig. 1, infiltrado até ao limite definido de superfície com matriz de liga de alumínio .

A fig. 3 θ uma vista em alçado lateral, esquemática, em corte transversal, mostrando um pré-molde de cerâmica com uma secção transversal de um tronco de cone que suporta um lingote rectangular de liga de alumínio, estando o pré-molde de cerâmica imerso em TiB2 em partículas dentro de um recipiente refractário para ser processado de acordo com o procedimento do Exemplo II.

A fig. 4- é uma vista em corte transversal vertical, do pré-molde de cerâmica da fig. 3, infiltrado até ao limite de superfície definido com a matriz de liga de alumínio e envolvendo a liga de alumínio que não reagiu.

A fig. 5 θ uma vista em alçado esquemática, em corte transversal, mostrando um pré-molde de cerâmica a que se sobrepõe um lingote de liga de alumínio, estando o conjunto imerso em TiB₂ em partículas dentro de um recipiente refractário, para ser processado de acordo com o procedimento do Exemplo III.

A fig. 6 é uma vista em corte transversal vertical do pré-molde de cerâmica da fig. 5, infiltrado até ao limite de superfície definido com a matriz de liga de alumínio.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO

De acordo com o processo segundo a presente invenção, forma-se uma massa permeável de material de enchimento de

cerâmica, por exemplo partículas, fibras ou filamentos emaranhados de cerâmica de modo a ter pelo menos um limite de superfície definido, tendo pelo menos uma parte do limite de superfície definido um dispositivo de barreira sendo por ele envolvida, ou tendo o mesmo a ela sobreposto. Entende-se que o termo material de enchimento rode incluir um pré-molde ou um conjunto de pré-moldes finamente ligados para formar um compósito integral. 0 material de enchimento de cerâmica é colocado adjacente a e em contacto com uma superfície de uma liga de magnésio e alumínio, de modo que pelo menos uma parte do limite de superfície definido que é envolvida por, ou tem a ela sobreposto o dispositivo de barreira esteja geralmente posicionada distante ou fora da superfície da liga de magnésio e alumínio que está em contacto com o material de enchimento de cerâmica, de modo que a infiltração da liga de magnésio-alumínio ocorra para dentro do material de enchimento de cerâmica e no sentido do limite de superfície definido com o dispositivo de barreira. A massa permeável de material de enchimento de cerâmica faz parte do conjunto e, por aquecimento num forno a uma temperatura de pelo menos o ponto de fusão da liga de magnésio-alumínio e na presença de um gás contendo azoto, a liga de alumínio funde e a liga de alumínio fundida infiltra-se espontânea e progressivamente na massa cerâmica permeável. A infiltração espontânea continua até a matriz de metal entrar em contacto com o limite de superfície definido que possui, é envolvido ou tem a ele sobreposto o dispositivo de barreira. 0 mais tipicamente, os limites do material de enchimento de cerâmica e da matriz de metal coincidem substancialmente; mas constituintes indivi10 duais da superfície do material de enchimento ficar expostos ou salientes da matriz de portanto a infiltração e a penetração não ser

de cerâmica podem í metal, podendo completas em termos de envolver ou encapsular completamente o material de enchimento de cerâmica pela matriz de metal. 0 dispositivo de barreira impede, inibe ou interrompe a migração ou movimento da liga de alumínio fundido após o contacto com o dispositivo de barreira, não se verificando substancialmente nenhum transporte ou sobre-infiltração da liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido. A extensão da formação da matriz de metal pode também variar com as condições do processo, como se explica mais adiante com mais pormenor. Depois de a liga de alumínio fundida se ter infiltrado substancialmente na massa permeável de material de enchimento de ce râmica até ao dispositivo de matriz, deixa-se arrefecer o con junto, por exemplo retirando-o do forno, abaixo do ponto de fusão da liga de alumínio de modo que liga de alumínio fundido solidifica no interior da massa cerâmica permeável. 0 produto compósito de matriz de metal resultante inclui uma massa de material de cerâmica infiltrado ou embebido até aos seus limites por uma matriz de liga de alumínio. Assim, a barreira segundo a presente invenção ajuda a produzir um compósito com matriz de metal bem definido, com a forma definitiva ou quase definitiva. A barreira segundo a presente invenção pode ser qualquer dispositivo apropriado que interfira, iniba, evite ou interrompa a migração, o movimento ou similar da liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento de cerâmica. Os meios de barreira apropriados podem ser qualquer material, composto, elemento,

composição ou similar que, nas condiçoes do processo segundo a presente invenção mantenha alguma integridade, não seja volátil e preferivelmente seja permeável aos gases contendo azoto, bem como sendo capazes de inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, localmente, a infiltração continuada ou qualquer outro tipo de movimento para além dos limites da superfície definidos no material de enchimento de cerâmica.

Os dispositivos de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de alumínio fundido que migra, nas condições do processo empregadas.

Uma barreira deste tipo mostra ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para a liga de alumínio fundida, sendo o movimento para além dos limites de superfície definidos do material de enchimento de cerâmica é impedido ou inibido pelo dispositivo de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação final que possa ser necessária do produto compósito com matriz de cerâmica. Conforme atrás se afirmou, a barreira deve preferivelmente ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por perfurações, para permitir que o gás contendo azoto entre em contacto com a liga de alumínio fundida.

Dispositivos de barreira particularmente apropriados na presente invenção são os que contêm carbono, especialmente a forma cristalina alotrópica de carbono, conhecida como grafite. A grafite é substancialmente não molhável pela liga de alumínio fundida migrada. Uma grafite preferida é uma fita de grafite que é vendida com a marca comercial Grafoil^-^ da Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação dos fluidos que impedem a migração da liga de alumínio fundida para além dos limites de superfície definidos

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do material de enchimento de cerâmica. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e quimicamente inerte. O material de grafite GrafoiT ⁷ é flexível, compatível, moldável e elástico. Pode ser feito numa certa variedade de formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira. 0 dispositivo de barreira de grafite pode ser empregado como uma lama ou pasta ou mesmo como uma película de tinta em torno de e sobre o limite do material de enchimento de cerâmica. A Grafoil—⁷ é particu larmente preferida porque está sob a forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, esta grafite semelhante a papel é simplesmente amoldada em torno do conjunto do material de enchimento de cerâmica/liga de alumínio antes do aquecimento num forno. Quando se aquece o conjunto até ao ponto de fusão da liga de alumínio, verifica-se a infiltração espontânea através do material de enchimento de cerâmica, mas interrompe-se quando atinge a folha de grafite flexível. Outra(s) barreira(s) preferida(s) é(são) os boretos de metais de transição, por exemplo diboreto de titânio (TiB₂), que são geralmente não molháveis pela liga de metal fundido nas condições do processo empregadas quando se utiliza este material. Com as barreiras deste tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, visto que, de outro modo, o material de barreira tornar-se-á menos eficiente e, de facto, com a subida da temperatura poderá verificar-se infiltração na barreira. Os boretos de metais de transição estão tipicamente sob a forma de partículas (50 micrómetros). Os materiais de barreira são empregados ou um leito que envolve o conjunto do material de enchimento de cerâmica/liga de alumínio ou podem ser aplicados como uma lama ou pasta nos limites da massa permeável de material de enchimento de cerâmica

que, preferivelmente, é previamente modelado como um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis incluem compostos orgânicos pouco voláteis aplicados como uma película ou camada no material de enchimento ou pré-molde de cerâmica. Por cozedura em azoto, especialmente nas condições do processo segundo a presente invenção, o composto orgânico decompõe-se deixando uma película de fuligem de carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais, tais como pintura, aspersão, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente moídos podem funcionar como uma barreira desde que a infiltração do mate rial em partícula ocorra com uma velocidade que seja menor que a velocidade de infiltração do material de enchimento de cerâmica.

A fim de conseguir a infiltração, o transporte ou a sobre-infiltração, para além do limite de superfície definido mínimos ou substancialmente nulos de liga fundida na formaçao do compósito de matriz de metal, o dispositivo de barreira pode constituir o leito que envolve o material de enchimento de cerâmica/liga en quanto contida num cadinho, ou pode de outro modo ser colocado sobre, ou posicionado na proximidade imediata do limite de superfície definido da massa permeável do leito de material de enchimento ou pré-molde de cerâmica. 0 dispositivo de barreira pode ser aplicado por qualquer meio apropriado, por exemplo por aplicação de uma camada do dispositivo de barreira no limite de superfície definido. Essa camada do dispositivo de barreira pode ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação, ou por aplicação por outro processo de um líquido, pasta ou lama, ou por disposição catódica de um meio de barreira vaporizável, ou por simples

- ±q- / κ__s depósito de uma camada de um meio de barreira sólido em partículas ou por aplicação de uma folha ou película fina sólida do meio de barreira sobre os limites de superfície definidos. Com o dispositivo de barreira no seu lugar, a infiltração espotânea termina substancialmente quando se atinge o limite de superfície definido e se entra em contacto com o dispositivo de barreira.

Nas condições de processo empregadas na presente invenção, a massa ou corpo de cerâmica é suficientemente permeável para permitir que o azoto gasoso penetre na massa e entre em contacto com o metal fundido, de modo que o material cerâmico por cujos poros se introduziu o azoto é infiltrado espontaneamente pela liga de alumínio fundida para formar um compósito com matriz de alumínio. A extensão da infiltração espontânea e a formação da matriz de metal variarão com um certo conjunto de condições do processo, isto é, o teor de magnésio da liga de alumínio, a presença de elementos de liga adicionais, as dimensões, a condição da superfície, e o tipo do material de enchimento, a concentração de azoto do gás, o tempo e a temperatura. Para que a infiltração de alumínio fundido ocorra espontaneamente, o alumínio forma liga com pelo menos cerca de 1%, e preferivelmente, pelo menos 3% de magnésio, com base no peso da liga. Podem usar-se na liga um ou mais elementos de liga auxiliares, por exemplo, silício, zinco ou ferro, os quais podem afectar a quantidade mínima de magnésio que pode ser empregada na liga. Ê sabido que certos elementos podem volatizar-se a partir de uma massa de alumínio, fundido, dependendo a volatilização, do tempo e da temperatura, e consequentemente podendo verificar durante o processo segundo a presente invenção

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a volatilização do magnésio, bem como de zinco. Consequentemente, é desejável empregar uma liga contendo inicialmente pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio. 0 processo é conduzido na presença de uma atmosfera de azoto contendo pelo menos cerca de 10%, em volume, de azoto e o restante de um gás não oxidante nas condições do processo. Após a infiltração substancialmente completa da massa cerâmica, o metal é solidificado por exemplo, por arrefecimento na atmosfera de azoto, de modo a formar uma matriz de metal sólida que se encaixa substancialmente no material de enchimento de cerâmica. Devido ao facto de a liga de magnésio-alumínio molhar a cerâmica, é de esperar uma boa ligação entre o metal e a cerâmica o que, por sua vez, pode conduzir à obtenção de propriedades melhoradas do compósito .

teor mínimo de magnésio da liga de alumínio utilizável na produção de um compósito com matriz de metal de enchimento de cerâmica depende de uma ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento de cerâmica e o teor de azoto na corrente de gás. Podem usar-se temperaturas inferiores ou tempos de aquecimento menores quando se aumentar o teor de magnésio da liga. Também, para um dado teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Po exemplo, pode usar-se um teor de magnésio na extremidade inferior da gama operável, por exemplo de 1 a 5%, θηι peso, em conjunção com pelo menos uma das condições seguintes: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma concentração de azoto elevada ou um ou mais elementos

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de liga auxiliares. As ligas contendo de cerca de 3 a 5%, em peso, de magnésio são preferidas, com base na sua utilidade numa ampla variedade de condições do processo, sendo preferidos pelo menos cerca de 5%, quandc se utilizarem temperatu ras mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se os teores de magnésio superiores a cerca de 10%, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura necessárias para a infiltração. 0 teor de magnésio pode ser reduzido quando empregado em conjunção com um elemento de liga auxiliar, mas estes elementos desempenham apenas uma função auxiliar e tipicamente são empregados em combinação com a quantidade de mangésio atrás especificada. Por exemplo, não se verificou substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro, formando liga com apenas 10% de silício a 1000°C, num leito de 39 Crystolon de 500 mesh (99% de carboneto de silício puro da Norton Co.).

emprego de um ou mais elementos de liga auxiliares e a concentração de azoto no gás circundante também afectam o grau de nitretação da matriz de liga a uma dada temperatura. Por exemplo, pode usar-se o aumento da concentração de um elemento de liga auxiliar, tal como o zinco ou o ferro na liga para reduzir a temperatura de infiltração e desse modo diminuir a formação de nitreto, enquanto que pode usar-se o aumento da concentração de azoto no gás, para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga também tende a afectar o grau de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, é mesmo mais preferido incluir pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio na liga. Teores de liga menores que esta quantidade, tais como 1%, em peso, de magnésio

dem a exigir temperaturas do processo mais altas, ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser inferior quando se au mentar o teor de magnésio da liga, por exemplo, para pelo menos 5%, θπι peso, ou quando estiver presente outro elemento, tal como o zinco ou o ferro, na liga de alumínio. A temperatura também pode variar com os diferentes materiais de cerâmica. Em geral, a infiltração espontânea e progressiva ocorrerá a uma temperatura do processo de pelo menos 7000°C e, preferivelmente, de pelo menos 800°C. Temperaturas geralmente superiores a 1200°C parece não beneficiarem o processo, tendo sido verificado que uma gama de temperatura particularmente utilizável é de 800°C a 1200°C.

No presente processo, a liga de alumínio fundida é fornecida a uma massa de material cerâmico permeável, na presença de um gás contendo azoto mantido durante todo o tempo necessário para obter a infiltração. Isto consegue-se mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o conjunto do material cerâmico e da liga de alumínio fundido. Embora o caudal do gás contendo azoto não seja crítico, é preferido que o caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devida à formação de nitreto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a incursão de ar que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

Como atrás se afirmou, o gás contendo azoto compreende pelo menos cerca de 10%, em volume, de azoto. Foi verificado que a concentração de azoto pode afectar a velocidade de infiltração. Mais particularmente, os períodos de tempo necessários para que haja infiltração tendem a aumentar quando a concentração de azoto diminui. Como está indicado no pedido de patente copendente intitulado Metal Matriz Composites (Compósitos com Matriz de Metal), número 09-9 171, depositado em 13 de Maio de 1987, o tempo necessário para infiltrar alumina com a liga de alumínio fundido contendo 5$ de magnésio e 5$ de silício, a 1000°C, aumentou à medida que a concentração de azoto diminuiu. Mostrou-se que a infiltração se realizou em 5 horas utilizando-se um gás compreendendo 50$, em volume, de azoto. Este período de tempo aumentou para 24 horas com um gás compreendendo 30$, em volume, de azoto, e para 72 horas com um gás compreendendo 10$, em volume, de azoto. Preferivelmente, o gás compreende substancialmente 100$ de azoto. As concentrações de azoto no extremo inferior da gama efectiva, isto é, não são preferidos menos de cerca de 30$, em volume, geralmente, devido aos tempos de aquecimento mais longos necessários para conseguir a infiltração.

processo segundo a presente invenção é aplicável a uma ampla variedade de materiais cerâmicos, dependendo a escolha do material de enchimento de cerâmica de factores tais como, a liga de alumínio, as condições de processo, a reactividade do alumínio fundido com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Estes materiais incluem (a) óxidos, por exemplo, alumina, magnésia, óxido de titânio, óxido de zircónio e óxido de háfnio; (b) carbonetos, por exemplo carboneto de silício e carboneto de titânio; (c) boretos, por exemplo diboreto de titânio e dodecarboreto de alumínio, e (d) nitretos, por exemplo nitreto de alumínio, nitreto de silício, e nitreto de zircónio. Se houver a tendência para o material de enchimento de cerâmica reagir com a liga de alumínio fundida, isso pode ser compensado por minimização do tempo de infiltração e da temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de enchimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, com um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou degradação. Os revestimentos cerâmicos apropriados incluem os óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos. As cerâmicas preferidas para emprego no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos enredados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamentos contínuos, tais como estopas multifilamentos. Além disso, a massa ou pré-forma de cerâmica pode ser homogénea ou heterogénea.

carboneto de silício reage com o alumínio fundido para formar carboneto de alumínio, e se se usar carboneto de silício como material de enchimento de cerâmica é desejável impedir ou minimizar esta reacção. 0 carboneto de alumínio é susceptível de ser atacado pela humidade, o que potencialmente enfraquece o compósito. Consequentemente, para minimizar ou impedir esta reacção, faz-se a pré-cozedura do carboneto de silício no ar, para formar no mesmo um revestimento de sílica reactivo, ou formar-se uma liga do alumínio com silício, ou ambas as coisas. Em ambos os casos, o efeito é aumentar o teor de silício na liga para eliminar a formação de carboneto de alumínio. Podem usar-se processos semelhantes para impedir reacções indesejáveis com outros materiais de enchimento de cerâmica.

As dimensões e a forma do material cerâmico podem ser quaisquer dimensões e forma que possam ser necessárias para obter as propriedades desejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos enredados, plaquetas ou fibras, uma vez que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tais como esferas, túbulos, tecido refractário de fibras e similares podem ser usadas. Além disto, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo mais longo para completar a infiltração da massa de partículas menores do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material cerâmico que deve ser infiltrada é permeável, isto é, permeável às ligas de alumínio fundidas aos gases contendo azoto. 0 ma terial cerâmico pode ter quer a sua densidade de vazamento, quer ser comprimido com uma densidade modesta.

Não sendo o processo segundo a presente invenção dependente do uso de pressão para forçar o material fundido a penetrar numa massa de material cerâmico, é possível a produção de compósitos com matriz de liga de alumínio substancialmente uniformes, possuindo uma fracção de grande volume de material cerâmico e uma baixa porosidade. Fracções de volumes maiores de material cerâmico podem obter-se pelo emprego de uma massa inicial de menor porosidade de material cerâmico. Fracções de maior volume podem também ser obtidas se se compactar a massa cerâmica sob pressão, desde que a massa não seja convertida nem num corpo compacto com porosidade de células fechadas, nem numa estrutura completamente densa que impediria a infiltração pela liga fundida.

C- χ

Verificou-se que para a infiltração de alumínio e para a formação da matriz com um dado sistema de liga de alumínio/ /cerâmica, o molhamento da cerâmica pela liga de alumínio é o mecanismo de infiltração predominante. A temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma quantidade mínima ou desprezável de nitretação do metal, que dá como resultado uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Quando nos aproximamos do extremo superior da gama de temperaturas torna-se mais provável a ocorrência de nitretação. Pode assim controlar-se, a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal por variaçao da temperatura de processamento. A temperatura do processo à qual a formação de nitreto se torna mais pronunciada também varia com factores tais como a liga de alumínio usada e a sua quantidade em relação ao volume de material de enchimento de cerâmica que deve ser in filtrada e a concentração de azoto no gás empregado. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma temperatura do processo dada aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento de cerâmica e quando aumenta a concentração de azoto do gás.

E pois possível determinar-se de antemão a constituição da matriz de metal durante a formaçao do compósito, para conferir certas características ao produto resultante. Para um sistema dado, pode escolher-se a temperatura do processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para melhorar a eficácia do produto compósito com matriz de metal final com a forma definitiva.

Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea

com a liga de alumínio pode variar com o material cerâmico empregado. No caso da alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração de preferência não deve exceder os 1000°C, para assegurar que a ductibilidade da matriz não é reduzida pela formação significativa de qualquer nitreto. No entanto, podem usar-se temperaturas superiores a 1000°C se se desejar produzir um compósito com uma menos dúctil e mais rígida matriz. Para infiltrar outros materiais cerâmicos, tais como o carboneto de silício, podem ser empregadas temperaturas mais altas, de cerca de 1200°C, uma vez que a liga de alumínio se nitreta em um menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usa carboneto de silício como material de enchimento.

Conforme se mostra nos exemplos que se seguem, as ligas de magnésio de alumínio fundido infiltram-se espontaneamente na massa de material cerâmico devido à sua tendência para molhar um material cerâmico cujos poros foram atravessados por azoto. A infiltração parou ou interrompeu-se no limite de superfície definido onde existe uma barreira. Podem incluir-se elementos de liga auxiliares, tais como silício ou zinco, nas ligas de alumínio para permitir o uso de temperaturas mais baixas e concentrações de magnésio inferiores. Preferem-se ligas de magnésio-alumínio que incluem 10 a 20$, ou mais, de silício para infiltração em carboneto silício não cozido, uma vez que o silício tende a minimizar a reacção da liga fundida com o carboneto de silício, para formar carboneto de alumínio. Além disto as ligas de alumínio usadas na presente invenção podem incluir vários outros elementos para proporcionar, especificamente propriedades mecânicas e físicas desejadas na matriz de liga. Por exemplo, podem incluir-se aditivos de cobre na liga para proporcionar uma matriz que possa su.jeitar-se a tratamentos térmicos para aumentar a dureza e a resistência.

EXEMPLO I

Com referência à fig. 1, formou-se um pré-molde medindo 8,89cm x 8,89cm (355 x 355) θ l,27cm (0,5) de espessura, ilustrada genericamente como (10), de modo a ter os limites de superfície (12), (14), (16) e (18). 0 pré-molde foi preparado por moldação por sedimentação de uma mistura de Al^O^ fundido em partículas de 220 grit (38 Alundum, Norton Co.) e Al^O^ coloidal (Nyacol Al 20 Coloidal Alumina Sol The PQ Corp.) num molde de borracha silicónica (Base, GI 1000, Plastic Tooling Supply Co. Exton. PA), congelando-se e secando-se depois a composição. Sobrepôs-se ao limite de superfície (12) um lingote de 55O8cm x 5,08cm x l,27cm (2 x 2 x ^¹¹) de uma liga de alumínio compreendendo 5%, θπι peso, de silício, contendo 5%5 em peso, de zinco, 5%5 eni peso, de magnésio sendo o restante alumínio. Formou-se uma camada dupla (22) sendo cada uma das camadas formada por uma fita de grafite flexível de Grafoil^de O,O38cm (0,015) da Union Carbide Corp., em torno do conjunto do lingote de liga de alumínio (20) e do pré-molde de cerâmica (10), e colocou-se o dispositivo num leito (24) de 38 Alundum (da Norton Co.) de 24 grit, contido dentro de uma barquinha de grafite (26) 25,4 x 25,4 x 10,16cm (10 x 10 x 6) (Grade AGSX, Union Carbide Corp.). Aqueceu-se o recipiente de grafite (26) e o seu conteúdo num forno de vácuo de grafite, em 100% de azoto fluindo como um caudal de 1,5 litros por minuto procedendo da seguinte maneira: uma subida em rampa até 865°C

- Ε- -

durante 5 horas, aumentado a temperatura com uma taxa constante; saturação durante 20 horas a 865°C e descida em rampa até à temperatura ambiente durante 5 horas, diminuindo a temperatura com uma taxa constante. Antes da subida em rampa até 865°C, fez-se a cozedura do recipiente de grafite (26) e do seu conteúdo no mesmo forno, até 200°C, sob vácuo, durante 5 horas, para remover qualquer humidade retida. Como se ilustra na fig.2, a liga de alumínio infiltrou-se espontaneamente no pré-molde de cerâmica (10) até aos limites de superfície (14-), (16) e (18), formando um compósito (28) de matriz de metal. 0 limite de superfície (12) cobriu-se com alguma liga de alumínio solidificada, residual, designada por (50) na fig. 2. Esta liga de alumínio residual pode ser facilmente removida, por exemplo por maquinagem ou por rectificação.

EXEMPLO II

Com referência à fig· 3, formou-se um pré-molde de cerâmica com uma secção transversal troncocónica designada globalmente por (52), com um diâmetro exterior em média de 5,81 cm (1 1/2) por 2,54- cm (1) de altura e com uma espessura de aproximadamente 1,59 mm (1/16), de modo a ter limites de superfície (55) e (54-) como está indicado. 0 pré-molde foi moldado por sedimentação (ver exemplo I) a partir de 68%, em peso, de partículas de Alundum 58 de 220 grit; 29%, em peso, de Alundum 58 de 500 grit e 5%, em peso, de metal de silício de 525 mesh, usando uma mistura de cola para madeira Elmer's (Borden, Inc., Columbus, OH) e H2O, como a solução ligante. Depois da moldação por sedimentação, fez-se a cozedura prévia do pré-molde num forno aquecido por resistência, de carboneto de si-

lício, em ar a 1500°C, durante 5 horas. Colocou-se na parte superior do pré-molde (52) um lingote diâmetro de 5,08 cm (2) e uma altura liga de alumínio compreendendo 5%, em cilíndrico (4-2) com um de 2,54 cm (1), de uma peso, de silício, 5%, em peso, de zinco, 7%, em peso, de magnésio e o restante de alumí nio, e mergulhou-se o conjunto num leito (4-4-) de TiB^, com partículas de 6 micrómetros, tipo HCT da Union Carbide Corp., contido num cadinho (46) contendo 99,7% de A^O^ (fabricado pela Bolt Technical Ceramics, Inc., Conroe, TX, Catalog N2 6C). Aqueceu-se o cadinho (46) e o seu conteúdo num forno tubular aquecido por resistência na pressão de um gás de formaçao compreendendo 9θ% de azoto, e 4% de hidrogénio fluindo com um caudal de 500cm^/min, procedendo da seguinte maneira: subida em rampa até 875°C, a 150°C por hora; saturação durante 10 horas a 875°C, e descida em rampa a 200°C por uma hora até à temperatura ambiente.

Como se ilustra na fig. 4, a liga de alumínio infiltrou-se espontaneamente no pré-molde de cerâmica até ao limite de superfície (55), produzindo um compósito com matriz de liga de alumínio (48). 0 limite de superfície (54) ficou coberto com liga de alumínio residual solidificada, referenciado com (50) na fig. 4. Esta liga de alumínio residual pode ser facilmente removida, por exemplo, por maquinagem ou rectificação.

EXEMPLO III

Com referência à fig. 5, moldou-se por sedimentação um pré-molde com 5,08 x 5,08 x 1,27 cm (2 x 2 x ^/2), com a referência (53) na figura (ver exemplo I), a partir de uma pasta de A^O^ C75-UNG calcinado (Alcan Aluminum Corp.) Utilizando-se uma mistura de cola de madeira ’ΈΙπιβΓ'β” (Borden Inc., Columbus,

OH) e água como solução ligante. 0 pré-molde foi modelado de modo a possuir os limites de superfície (54), (56), (58) e (60). Ao limite de superfície (54) foi sobreposto um lingote (62) de 5,08 x 5,08 x 1,27 cm (2 x 2 x 1/2) de uma liga de alumínio compreendendo 5%, em peso, de silício, 5$, em peso, de magnésio e o restante de alumínio. Mergulhou-se este conjunto num leito (64) de Til^ com partículas de 5-6 micrómetros. Grau HCT da Union Carbide, contido num invólucro de argila refractária (66) de A^O^ a 99,7$, com 35 mm por 65 mm por

150 mm (fabricado por Bolt Technical Ceramics Inc. Conroe,

TX). Aqueceram-se 0 cadinho (66) e 0 seu conteúdo num forno de vácuo de grafite na presença de um gás de formação compreendendo 96$ de azoto e 4% de hidrogénio fluindo com um caudal de 1000cm^/min, procedendo do seguinte modo: subida em rampa até 875°C durante 10 horas, aumentando a temperatura a uma taxa constante; saturação durante 15 horas a 875°C θ trazendo descida em rampa até à temperatura ambiente durante 5 horas, di minuindo a temperatura a uma taxa constante. Antes da subida em rampa até 875°0, fez-se a cozedura do cadinho e do seu conteúdo no mesmo forno, a 200°C, sob vácuo, durante aproximadamente 6 horas para remover qualquer humidade retida. Como se ilustra na fig. 6, a liga de alumínio infiltrou-se espontaneamente no pré-molde de cerâmica (52) até aos limites de superfície (56), (58), (60), produzindo o compósito de matriz de liga de alumínio (68). 0 limite de superfície (54) ficou coberto com alguma liga de alumínio residual solidificada, com a referência (70) na fig. 6. Esta liga de alumínio residual pode ser removida facilmente por exemplo por maquinagem ou rectificação.

Estas formas de realização dadas a título de exemplo

-

aqui descritas em pormenor demonstram a utilidade da presente invenção, considerando-se as várias combinações e variações das mesmas no âmbito da presente invenção.

Claims

Reivindicações

1. - Processo para a produção de um compósito com matriz de metal, caracterizado por compreender as fases de:

(a) provisão de uma liga de alumínio compreendendo alumínio e pelo menos cerca de 1%, em peso, de magnésio e pelo menos um material escolhido no grupo constituído por uma massa permeável de material de enchimento de cerâmica e um pré-molde, tendo o referido pelo menos um material pelo menos uma superfície definida por ura dispositivo de barreira;

(b) estabelecimento do contacto, na presença de um cãs compreendendo cerca de 10 a 100 %, em volume, de azoto, sendo o restante cons tituído por gás não oxidante, da referida liga de alumínio no estado de fusão com uma zona do dito pelo menos um material de modo que a dita barreira fique pelo menos parcialmente afastada da dita zona de contacto, e infiltração espontânea do dito pelo menos u~.

material com a referida liga de alumínio fundida até ao dito dispositivo de barreira; e (c) permissão para a dita liga de alumínio fundida solidificar para formar uma estrutura sólida de matriz de metal que se encaixa no dito pelo menos um material e tendo a dita superfície estabelecida pelo dito dispositivo de barreira.
2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita barreira ser substancialmente não molhável pela dita liga de alumínio fundido, nas condições do processo.
3. - Processo para a produção de um compósito com matriz de metal, caracterizado por compreender as fases de:

(a) formação de pelo menos um material escolhido no grupo constituído por uma massa permeável de material de enchimento de cerâmica e um pré-molde, tendo o dito pelo menos um material pelo menos um limite de superfície definido;

(b) disposição de uma folha de grafite flexível sobre o dito limite de superfície definido;

(c) estabelecimento do contacto de uma zor.a do dito pelo menos um material com uma liga de alumínio compreendendo alumínio e pelo menos 1%, em peso, de magnésio, de modo que a dita folha de grafite flexível fique pelo menos parcialmente afastada da dita zona de contacto e a infiltração da liga de alumínio fundido se verifique em direcção à folha de crafite flexível;

(d) aquecimento da dita liga de alumínio a uma temperatura acima do seu ponto de fusão e na presença de um gás compreendendo cerca de 10 a 100%, em volume, de azoto, sendo o restante constituído por gás não oxidante e, ã dita temperatura, a infiltração esoontãnea da liga de metal fundido no pelo menos um. material, para se encaixar no dito pelo menos um material até ã dita folha de crafite flexível; e (e) permissão para a dita liga de alumínio fundido solidificar dentro do dito pelo menos um material para formar um compósito com matriz de metal com a dita superfície estabelecida pela dita folha de grafite flexível.
4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita barreira sér constituída por diboreto de titãnio e a dita liga de alumínio ser aquecida a uma temperatura não superior a 875°C.
5. _ processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita barreira ser constituída por carbono.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a dita barreira ser constituída por grafite.
7. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações

1 ou 3, caracterizado por a dita liga de alumínio ser pcsta em con-31- tacto com o referido pelo menos um material a uma emperatura de pelo menos cerca de 700°C.

Processo de acordo com a reivindicação caracterizado oor a dita temperatura ser de

Delo menos 800°C.

Processo de acordo com a reivindicação caracterizado por a dita temperatura ser de cerca de 800°C a cerca de 1200°C.

Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações

1 ou 3, caracterizado por o dito gás compreender pelo menos 50%, em volume, de azoto, sendo o restante constituído por pelo menos um gás escolhido no grupo formado por árgon e hidrogénio.

Processo de acordo com a reivindicação
10, caracteriza-