PT92245B - Processo para a fabricacao de compositos com matriz de metal utilizando um molde de liga negativo e produtos produzidos por esse processo - Google Patents

Description

A presente invenção refere-se a um novo proces so para a formação de corpos compósitos com matriz de metal e aos corpos compósitos com matriz de metal produzidos de acordo com o novo processo. Em particular, uma massa permeável de material de enchimento é modelada para formar um pré-molde, formando primeiro uma cavidade em negativo num metal da matriz e colocando depois a massa permeável de material de enchimento no interior da cavidade. Um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz, quando fundir, se infiltre espontaneamente na massa permeável de material de enchimento. Em determinado instante durante o processo,

material de enchimento torna-se auto-suportado.

Fundamento da invenção;

Os produtos compósitos que compreendem uma ma triz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da

- firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma me lhoria em propriedades, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a re tenção da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e de maneira como eles sao processados na modelação do compósito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve que o metal da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido à suas maiores fir meza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgi3

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da meta lurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percentagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 7.5 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós, utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às caracteristicas dos produtos que podem obter-se.

A percentagem, em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas,

a cerca de 40	por	cento. Também, a operação de	prens	agem
põe um limite	as	dimensões práticas que podem	obter-	se .
Amenas formas	d o	produto relativamente simrles	s ã o o	o s s í

v-is sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação cu maguina.gem) ou sem recorrer a. prensas complexas.

Também, pode verificar-se a te a sinterizacÃo, ben corno trutura, devido à segregação de crãos.

contraccão não uniforme durana não uniformidade da microcsnos compactos e crescimento

A patente norte-americana Ne 3.970.135, concedida em 20 de Julho de 1975, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exem pio filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. O compósito é feito colocando mantos ou fcltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal da matriz, por exemplo alumínio, fundido entre pelo menos alguns dos mantos e anlicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Têm sido referidas cargas até cerca de 50/í, em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação ca matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível ernbora o metal fundido possa ser introduzido numa multiolicidade de locais

no interior co agregado fibroso. Consequentemente, é nsces sário proporcionar acrecados de mantos/reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem, em volume da matriz, devido à dificuldade inerente à infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda, são f . necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos cem matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatoriamente .

lã fabricação de compósitos com matriz de alumínio e carga de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornando assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções têm sido sugeridas para esse problema. Uma dessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois prensado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, o alumínio forma uma liga com lítio e a alumina pode ser revestida com sílica. Contudo, esses compósitos apresentam variações nas propriedades, ou os reves timentos podem degradar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio, oue node afectar as orooriedades da matriz .

A Patente norte-americana ΪΊ2 4.232.091, concedida a R . Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e aiumina. Essa Patente descreve a apli 2 cação de pressões de 75-375 ka/cm ' para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou de filamentos emaranhados de aiumina gue foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050° C. A relação máxima entre os volumes de aiumina e cie metal na peça raol dada sólida resultante foi 0,25/1. Devido à sua dependência da força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências gue o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu i<2 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo rrcenchimento dos vazios de uma matriz de aiumina pré-moldada com alumínio fundido.

pedido de patente faz realçar a não m.oihabi lidade da aiumina pelo alumínio e, portanto são usadas várias técnicas para molhar a aiumina em toda a pré-molde. Por exemplo reveste-se a aiumina com um agente m.olhante formado por um diboreto de titânio, de zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. 'Jtilizam-se atmosferas inertes, tais como de árqon

para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuando os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher os vazios por infil tração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1400 a 1800° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio do corpo.

O uso de agentes molhantes para efectuar a infiltração de um comoonente de alumina de uma pilha electrlítica com metal fundido é, também apresentado no pedido de patente europeu Ke 94353. Esta publicação descre ve a produção de alumínio por extraeção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula. A fim de proteger este substracto da criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura dc um agente molhante e um supressor ds solubilidade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio,

o silício, ο magnésio, ο vanádio, ο crómio, ο nióbio ou ο cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbono e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A referência, porém não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal compósito numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana N? 3 718 441, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berílio) com alumínio fun dido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 10 ° torr. Um vácuo de 10 o

a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo metal fundido até o ponto de que o metal não fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10 & torr.

A patente americana iis 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração. Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de A1B ^num leito de pó de

- i alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicio nal no topo do pó de A1B . Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de AlB^^ ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num forno no vácuo. O forno foi evacua-5 do até aproximadamente 10 torr, para permitir a saida dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100° C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de AlB^^ poroso.

A patente americana N? 3.354.976, concedida em 23 de Janeiro de 195S a John N. Reding e outros, apresen ta o conceito de criação de um vácuo autogerado num. corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente, descrcve-se gue um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molde, que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através de pelo menos um orifício no molde. Guando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reação entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vácuo é o resultado da formação de uma forma oxidada sólida do metal. Assim, Reding et al descrevem oue é essencial induzir uma reaccão entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo, utilizando um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização

de um molde. Cs moldes têm de ser pri-:e:ro maquinados para lhe dar uma forna particular θ depois, acabados, maquinados pare produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois montados antes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo, seguindo-se depois a recuperação do molde, o cue mais provavelmente, incluirá a rectificação da superfície do molde ou o seu descarte se não já aceitável para ser utilizado. A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde). *'ais ainda, embora haja uma sugestão de que um material refractírio noroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geralmente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, cuando colocado num metal fundido). liais ainda, se se desejasse infil trar um material em. partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar precauções para cue o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, ten h~vido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e confiável para produzir compósitos com matriz de metal modelados que não dependem da utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criado internamente), ou agentes molhantes prejudiciais para criar uma matriz de metal embebida noutro material, tal como um material cerâmico. Além disso, tem havido uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais de maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz de metal. A presente invenção satifaz essas necessi dades proporcionando um mecanismo de infiltração espontânea para infiltrar um material (por exemplo, um material cerâmico), que pode ser modelado com a forma de um pré-molde, com metal da matriz (por exemplo, alumínio) fundido, na presença de uma atmosfera infiltrante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, desde que esteja presente um intensificador de infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo oroorietário

O assunto do presente pedido de patente está relacionado com o de diversos outros pedidos de catsnte copendentes do mesmo proprietário. Dm particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem nrocessos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz

de metal

Fedidos (de aqui em diante, por vezes designados por de patente de matrizes metálicas do mesmo proprie tário).

Um processo novo para a fabricação de um material compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, N?O49. 171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitulado “Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da inven ção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 575° C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferência, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restante do gás, ss houver um gás não oxidante, por exemplo árgon. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estru tura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o supri, mento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alu mínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas entre o material de enchi, mento e a liga maiores gue 1:1.

Nas condições do processo na invenção de White et al atrás mencionada, pode formar-se nitreto de alumínio como uma fase descontínua dispersa por toda matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio oode variar, dependendo de factores como a temperatura, a comoosição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar de antemão certas propri£ dades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável ene o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto de alumínio.

Tem sido observado que temperaturas mais elevadas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conducente à formação de nitretos. A invenção de White et al permite a escolha de um eauilíbrio entre ciné14

tica da infiltração e a formação dos nitretos.

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com matriz de metal é descrito no pedido de patente americano, co-pendente e do mesmo proprietário N5 141 642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method of Making Metal Matrix Composite with the use of a 3arrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanian et al, coloca-se um dispositivo de barreira (por exemplo, diboreto de titânio em partículas ou um material de grafite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union Carbide com a desiçna65) ção comercial GrafoiF) num limite de superfície definido do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barre ira. O meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz de metal formados têm uma forma exterior que corresponde substancialmente à forma interior do meio de barreira.

O processo do pedido de patente americano N2 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente co-pendente e do mesmo proprietário K⁹ 168 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e

Marc 8. Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and

Techniques for Faking the Sane . De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido pior exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primeira fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmosférica nor mal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser resposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reser vatório de metal de matriz fundida à medida que a infiltra ção espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimen to permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estru tura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um reservatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma, de realização do reser vatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presen-

invencao

C reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal para infiltrar a massa permeável de mate rial de enchimento numa extensão pré-determinada. Em alter n^tiv?, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fundida fornecida possa ser pelo menos suficiente oara permitir que a infiltração espontânea se processe substancialmente até os limites (por exemplo, as barreiras) da massa permeável de material de enchimento, a cuantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa guantidade de mooo que não só haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como também poderia ficar liga de metal fundida em excesso e ser fixa, da ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultan te será um corpo compósito complexo (por exemplo, um -acro -compósito), no qual um. corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estará ligado directamente ao metal em excesso oue fica no reservatório.

Todos os pedidos de patente de matriz de metal do mesmo proprietário atrás examinados descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz de metal pro duzidos por esses processos. As descrições completas de todos os pedidos de patente de uma matriz de metal do mesmo proprietário anteriores sao aqui expressamente incorporados por referência.

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido infiltrando uma massa permeável de material de enchimento que, em determinado instante durante o processa ( mento, pode tornar-se auto-suportado (isto é, pode ser mode lado formando um pré-molde). Especificamente, a massa permeável de material de enchimento pode ser transformada num pré-molde formando primeiro uma cavidade num metal da matriz, sendo depois essa cavidade preenchida com um material de enchimento. A cavidade pode apropriadamente ser formada de modo a reproduzir uma forma desejada para o corpo compósito com matriz de metal. 0 material de enchimento pode tornar-se auto-suportado expondo-o, por exemplo, a temperaturas elevadas e/ou a um agente de ligação e/ou a um reagente, etc... Em seguida, o metal da matriz gue forma a cavidade, guando fundir, infiltra-se espontaneamente no material de enchimento, que mantém a forma da cavidade no metal para formar um corpo compósito com matriz de metal.

A cavidade no metal da matriz pode ser formada por várias técnicas aqui discutidas. Contudo, a cavidade deve poder receber e manter um material de enchimento de modo que ouando se coloca o material de enchimento na cavidade, o material de enchimento adapta-se substancial18

Λ· mente à forma da cavidade. Além disso, o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o nrocessamento, deve ser posto em contacto com o intensificador da infiltração e/ou urn precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante. For exemplo, pode misturar-se um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração com o material de enchimento e/ou pode colocar-se numa superfície da cavidade e/ou ser fornecido pelo metal da matriz e/ou ser fornecido pela atmosfera infiltrante. A combinação do material de enchimento, com o metal da matriz e um ou mais dentre o precursor do intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração e/ou a atmosfera infiltrante faz com que o metal da matriz se infiltre espontaneamente no pré-molde, cue tem uma forma que se adapta substancialmente à cavidade formada no metal da matriz.

A cavidade no metal da matriz pode ser formada por técnicas, tais como a macuinaqem da cavidade a partir de um lingote de metal da matriz, a associação de um certo número de peças ou lingotes de metal da matriz, de modo cue se forme uma cavidade quando se associam essas peças ou lingotes, o vazamento do metal da matriz em torno de um macho, retirando por lixiviação pelo menos uma parte do metal da matriz por meio de um material cáustico apropriado, de preferência aquecendo pelo menos uma porção co o, fundindo assim uma çorcão de metal ca

matriz e/ou qualquer combinacão destas ou de outras técnicas de que possa resultar a formação de uma cavidade no metal da matriz.

i;uma forma de realização preferida, forma-se um molde de borracha em torno de um. macho modelado, que corresponde substancialmente ao corpo compósito com matriz de metal que deve ser produzido. Por exemplo, o mandril modelado pode ser uma forma de realização do corpo compósito com matriz de metal desejado a formar, feita de metal, argila ou plástico. Petira-se depois o macho do mol de de borracha, formarão assim uma cavidade no molde de borracha, cujas dimensões e forma correspondem substsncial mente ao macho. Inche-se depois a cavidade do molde de bor racha com um material que possa adaptar-se à forma da cavi dade e forme, cuando processado, um macho resistente às temperaturas elevadas. Por exemplo, pode usar-se uma mistura de gesso de Paris e um material cerâmico cm oartículas para formar um macho resistente às temperaturas elevadas. Coloca-se depois o mandril resistente às temperaturas elevadas no interior de um vaso refractário adequado e vaza-se metal da matriz fundido em torno do macho resistem às temperaturas elevadas. Assim, compreender-se-á que o macho resistente às temperaturas elevadas deve ter resistência e integridade de forma suficientes vara resistir aos efeitos térmicos, mecânicos e químicos que resultam do seu contacto com o metal da matriz fundido e do arrefecimento do metal da matriz fundido em torno dele. Além disso,

o macho deve ser substancialmente não reactivo com metal

Deixa-se o metal da matriz fundido solidificar em torno do macho resistente às temperaturas elevadas e, uma vez solidificado, o macho resistente às temperaturas elevadas deve ser removível do metal da matriz solidificado. Por exemplo, o macho resistente às temperaturas elevadas pode ser removido do metal da matriz por técnicas, tais como a dissolução do macho resistente às temperaturas elevadas com um líquido, de preferência, apli. cando um jacto de areia ou outro material ao macho resistente às temoeraturas elevadas do metal, a maquinaqem do macho do metal da matriz e/ou qualouer combinação destas ou outras técnicas adequadas para a remoção co macho resis tente às temperaturas elevadas do metal da matriz circundante .

Deve notar-se que o presente pedido de patente discute primariamente metais da matriz de alumínio que em determinado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal são postos em contacto com magnésio, oue funciona como precursor do intensificador da infiltração, na presença da azoto, oue funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da m.atriz/precursor do intensificador da inf1ltração/atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio/azoto apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfe21 ra infiltra.nte podem também comportar-se de uma maneira análoga à do sistema alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, observou-se um comportamento de infiltração espontânea análogo no sistema de alumínio/estrôncio/azoto, no sistema de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/ /cálcio/azoto. Consequsntenente, embora agui se descreva primariamente o sistema de alumínio/magnésio/azoto, ceve entender-se que outros sistemas de metal de matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga.

Quando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, pode encher-se a cavidade da liga de alumínio com um material de enchimento de cerâmica (por exemplo, partículas de alumina ou carboneto de silício). Numa primeira forma de realização preferida, o material de enchimento tem com ele misturado um precursor de intensificador da infiltração, ou foi exposto ao magnésio, como precursor de intensificador da infiltração, em determinado instante durante o processo. Além disso, a liga de alumínio e/ou o material de enchimento estiveram expostos, em determinado instante durante o processamento, a uma atmosfera de azoto, como atmosfera de infiltração, verificando-se, numa forma de realização preferida, essa exposição durante substancialmente todo o processamento, convertendo-se assim o precursor do intensificador da infiltração num intensificador da infiltração. Ainda, em determinado instante durante o processamento, o pré-molde torna-se

auto-suportado antes de ou substancialmente simultaneamente com a fusão do metal da matriz. Numa outra forma de realização, oode fornecer-se o material de enchimento directamente no material de enchimento, evitando-se assim a necessidade de uma atmosfera infiltrante. Além disso, podem proporcionar-se o intensificador da infiltração ou o precursor do intensificador da infiltração no metal da matriz ou na liga, além de, ou em vez de serem proporcionados no material de enchimento. Assim, o pré-molde será infiltrado espontaneamente. A extensão ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação de matriz do metal variarão com um dado conjunto dc condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio fornecido ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição das partículas do pré-molde, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a infiltração. A infiltração espontaneamente tipi, camente ocorre até um grau suficiente para embeber o pré-molde de maneira substancialgente completa.

hef inicões:

Alumínio, como aqui é usado, significa e inclui o metal substancialmente puro (por exemplo, um alumínio sem liga, relativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus do metal e de ligas do metal, tais como os metais comercialmente disponíveis com im.purezas e/ou elementos de liga, tais como ferro, silício, cobre, magnésio, manganês, crómio,zinco, etc. Uma liga de alumínio para fins da presente definição é uma liga ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituinte principal .

Gás restante não oxidante, como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor substanci^lmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas condições do processo.

arre ira ou dolos de Barreira, como aqui é usado, significa gualcuer meio adequado gue interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São ceios de barreira apropriados oualouer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira.

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Além disso, os meios de berreiro apropria dos incluem materiais çue são substancialmente não molháveis nelo metal da matriz fundido çue micra, nas condições do processo utilizadas. Uma barreira deste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afinidade para o metal da matriz fundido, e o movimento para além do limite de superfície definido da massa de material de enchimento ou do pré-molde é impedido ou inibido pelos meios de barreira. A barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e define pelo menos uma oorcão da suoerfície do oroduto compósito com matriz dc metal resultante. A barreira pode, em. certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfuração da barreira, para, permitir que o gás contacte com o metal da matriz fundida.

Carcaça ou carcaça dc metal da matriz, como aqui é usado, refere-se a cualcuer oorcao do coroo original de metal da ^atriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo eom.pósito com matriz dc metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto oelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcace pode também, incluir em. si um segundo metal ou retal estra nho .

Naterial de enchimento, como aqui é usado, pretende-se oue inclua cuer constituintes individuais, cuer misturas de constituintes substancialmente nao reactivos, com o metal da matriz e/ou com. solubilidade reduzi da no mesmo, podendo ser de fase única ou con várias fases. Cs materiais de enchimento oodem ser proorcionados com uma ampla variedade de formas, tais como pós, flocos, pia custas, microesferas, filamentos enar^nhedos, pérolas, etc e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimento podem também incluir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, a alucina ou o carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, materiais em partículas, filamentos emaranhados, pérolas, esferas, mantos de fibras ou similares, e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbono revestidas com alucina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alu”ínio fundido. Cs materiais de enchimento também podem incluir metais.

''facho resistente às temperaturas elevadas'', como aqui é usado, significa um. corpo formado a partir de um material cue pode ser moldado como uma réplica de um corpo compósito com matriz de metal desejado e cue, a uma temperatura à qual o metal da matriz funde, pode ”>anter substancialmente a sue forma. Além disso, o macho resistente às temperaturas elevadas deve ser susceptível de sobreviver a qualquer ataque químico ou físico pelo metal da matriz fundido, cuando o metal da matriz fundido é colocado directanente em contacto com. o mesmo; por exemnlo, o macho resistente às temoeraturas elevadas deve ser sus- 25 ceptíve1 c i d ·? o e 1 o macho. 2e romovíve1 de resistir a qualquer tens arrefecimento do metal da preferência, o macho, deve do metal da matriz uma vez ão de compressão exer

-atriz em torno do ser convenientemente ene o metal da matriz tenha solidificado em torno do macho.

Atmosfera infiltrante,como aqui é usado, significa a atmosfera crua está presente, que interage com metal da matriz e/ou o pré-molde (ou o material de enchimento) e/ou o precursor de intensificador de infiltração e/ou o intensi f ic ador de infiltração e permite ou intens.i fica a ocorrência da infiltração espontânea do metal da matriz ocorra.

Intensificador de infiltração, como acui é usado, significa um material que promove ou infiltração espontânea do metal da matriz num. enchimento ou pré-molde. ’Jm. intensificador de pode ser formado, por exemplo, a partir de uma auxilia a infiltração raacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/ou (3) um produto da reacção oo precursor ds intsnsificador de infiltração com _o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoca à de um intensificador de infil27 tração cue foi formado como uma reacção entre o precursor de intensificacor de infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intens i f ic ador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma rorcão do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

’' Precursor de intensificador de_inf i 1 tração'' ou precursor rara o intensificador de infiltração, como acui é usado, significa um. material cue, cuando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmojs fera infiltrante, forma um intensificador de infiltração cue induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo cue pode ser necessário cue o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local cue permita cue o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, da matriz/precursor de intenlosfera infiltrante é desejável .cador de infiltração se volaem alguns casos, um oouco acicatai dc volati1ização pode levar a:(l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa cue intensifico o molhamcnto do material de enchimento ou o oré-molde oelo metal da

c ra c c r	tos	si stemas	de m
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I 1 .z atriz funde. Essa

matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líouido ou gasoso em pelo menos uma porção fo material de enchimento ou do pré-molde o gue intensifica o molhamento; e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificacor de infiltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que fcr ma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Macho, como aqui é usado, significa um corpo com uma forma que reproduz substancialmente a forma desejada de um corpo compósito com matriz de metal.

''heta! da Matriz ou liga de metal da matriz , como aqui é usado, significa c metal que é um compósito com. matriz de metal (por exemão) e/ou o metal que é misturado do eara

pio,	antes da i
com	um material
sito	com matriz
ção)	. Quando um
da m	atriz, deve
c lui	esse metal

a encnimenro para aormar um corpo compo;ito com matriz de metal (por exemplo depois da infiltra. Quando um. metal especificado é designado como metal '.atriz, deve entender-se que esse metal da matriz inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com ímnurezas e/ou elementos de lica, um composto intermetálico ou uma liga em oue aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltraoão/atmosfera infiltrante ou

Sistema espontâneo, como acui é usado, refere-se à combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento. Deve entender-se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é utilizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento.

Compósito com matriz de metal ou UMC¹¹ , como aqui é usado, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi-ou tridimensionalmente, gue embebeu um pré-molde ou material de enchimen to. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para oroçorcionar propriedades mecânicas e físicas especificamente desejadas no compósito resultante.

Um metal diferente do_metal da matriz significa um metal oue não contém, como constituinte principal, o metal igual ao da mesma matriz (por exemplo, se o constituinte principal do metal da matriz for o alumínio, o metal diferente pode ter um. constituinte principal de, por exemplo, níquel).

Pré-molde ou Pré-molde permeável como aqui é usado, significa uma massa porosa, de material de enchimento ou um material de enchimento oue é preparada com pelo menos um limite de superfície que define substan30

- / cialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integridade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensional antes de ser infiltrada pelo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no seu interior. Uma pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição ligados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer naterial adequado (por exemplo, um material em partículas, em pó, fibras, filamentos emaranhados, etc, de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molde pode existir individualmente ou como um conjunto.

Barquinha refractória, como aqui é usado, significa qualquer vaso ou material que pode alojar ou con ter o sistema espontâneo nas condições do processo e não reage com qualquer dos constituintes do sistema espontâneo de maneira que seria sicnificativamente prejudicial para o mecanismo de infiltração espontânea.

¹¹ Reservatório , como anui é usado, significa um corpo separado de metal da matriz posicionado em relação a uma massa de material· de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicial mente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em enchimento ou oré-molde.

contacto com o material de

Infiltração espontânea , como aqui á usado, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeá vel de material de enchimento ou pré-molde, gue se verifica sem exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados externamente ouer criados internamente).

Purificador do sistema, como aqui é usado, significa qualquer material que, quando usado em combinação com o sistema espontâneo, pode purificar a atmosfera infiltrante para remover quaisquer constituintes da atmosfera infiltrante ou ouaisguer constituintes gue se libertem do sistema espontâneo que possam afectar adversamente o mecanismo de infiltração espontânea.

Breve descrição das figuras:

As figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas não se destinam a limitar o escopo da presente invenção. Uti lizaram-se números de referência iguais, sempre gue possível, em todas as figuras, para indicar componentes semelhantes, representando:

A fig. 1, um corte transversal de um corpo de metal da matriz, no gual está definida uma cavidade oue corresponde a uma configuração desejada do pré-molde;

A fig, 2, uma barquinha refractária contendo um corpo de metal com matriz cheia com material de enchi mento segundo a presente invenção;

A fig

3, a barquinha incluindo uma massa

2 líquida de metal da matriz fundido e um pré-molde; e

A fig. 4, a barquinha, contendo a massa líouida de metal da matriz e um corpo compósito com matriz de metal infiltrado de maneira completamente espontânea.

Descrição pormenorizada da invenção e fornas de realização preferidas

A presente invenção refere-se à formação de um corpo compósito com matriz de metal formando uma cavidade num corpo de metal da matriz e enchendo a cavidade com um material de enchimento que em determinado instante durante o processo é modelado formando um pré-molde que é pelo menos parcialmente auto-suportado. Deve fornecer-se um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltran te ao corpo de metal da matriz e/ou ao pré-molde, de modo que possa verificar-se a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde.

Fazendo referência à fig. 1, nela está representado um corpo (1) de metal da matriz definindo uma cavidade (2). A forma da cavidade (2) de preferência reproduz a forma de um corpo compósito com matriz de metal acabado desejado. Podem utilizar-se uma ou mais de diversas técnicas para a produção da cavidade modelada (2), o que é determinado, por exemplo, pela complexidade do corpo compósito e pela composição do metal da matriz. Pode produzir-se uma cavidade adequada por maquinagem de um corpo de neta1 da na por exemplo

fresa frontal, por descarga eléctrica e outros processos. Para formas mais complexas dos corpos compósitos, pode ser preferível formar a cavidade (2) pela moldação ou vazamento do corpo de metal da matriz (1) em torno de um macho resistente às temperaturas elevadas adequado, que reproduza a forma desejada para o compósito.

Um macho resistente às temperaturas elevadas pode ser produzido modelando um corpo de mpterial adequado em torno de uma reprodução ou macho da forma do compósito desejado. Essa reprodução pode ser um modelo de metal, gesso, argila, plástico ou de outro material ou mesmo um corpo compósito com matriz anteriormente formado. Um material adequado para ser usado nesta fase é a borracha silicónica, podendo também usar-se outros materiais, tais como, plásticos de isolamento e vedação susceptíveis de endurecer, parafina, cera e similares. Uma vez modelado o corpo de material adeouado, por exemplo de borracha silicónica, retira-se a reprodução do mesmo e a cavidade resultante pode ser usada para a formação de um macho resistente às temperaturas elevadas.

.Sspecificamente, pode encher-se a cavidade com um material endurecíve1, capaz de reproduzir de maneira fiável as dimensões da cavidade e tendo outras características desejáveis, discutidas com mais pormenor mais adiante. Um desses materiais endurecíveis é o gesso de Paris. Comoreender-se-á sue o resultado das fases anteri34 ores nesta forma de realização é a produção de un macho resistente às temperaturas elevadas, cue reproduz de maneira fiável a forma desejada para o corpo compósito com matriz de metal acabado.

ha formação co corpo de metal de matriz (1) em torno de um macho resistente às temperaturas elevadas feito de gesso de Faris, é vantajoso secar completamente o macho, por exemplo cozendo-o num forno. 0 macho resistente às temperaturas elevadas pode então ser colocado apropriadamente num recipiente refractário não reactivo, em cujo interior se vaza metal da matriz fundido. For

arrefecimento,	forma-se o corpo (1)	retira-se o	macho
resistente às	temperaturas elevadas	. No caso de	um macho
resistente às	temperaturas elevadas	de gesso de	Paris, o
macho pode ser	removido reidratando	o macho com	vapor de

água. Podem usar-se outras técnicas para a remoção do macho resistente às temperaturas elevadas, deixando assim a cavidade (2) no corpo (1) com metal da matriz conforme a composição do macho.

Fazendo referência à fig. 2, após a formação do corno (1) e da cavidade (2), enche-se a cavidade (2) com um material de enchimento desejado (5) em cujo interior se infiltrará espontaneamente metal da matriz. Como se discute com mais pormenor mais adiante, o mate rial de enchimento (5) pode compreender qualquer dos mate riais que são elementos dos sistemas espontâneos, incluin do como elementos o metal da matriz oue comoreende o corpo (1) ou um secundo metal ou metal adicional da matriz. C material de enchimento pode também incluir o intensificador da infiltração e/ou o precursor do intensificador da infiltração apropriados e/ou podendo um ou ambos ser incluídos no metal da matriz e/ou na atmosfera infiltrante .

material de enchimento (5) e o corpo de metal da matriz (1) podem, depois ser colocados numa barquinha refractária (5), que é aquecida por meios adequados, tal como um forno aquecido com resistência eléctrica. De preferência mantem-se uma atmosfera infiltrante apropriada no interior da barquinha (5) para permitir que o processo de infiltração espontânea prossiga. Compreender-se-á que pode proporcionar-se uma atmosfera inerte suficiente para impedir a degradação do sistema espontâneo, em vez disso de na barquinha (3), se se proporcionar de outro modo um intensificador da infiltração no sistema espontâneo.

Fazendo referência à fig. 3, a barquinha (5) aquecida de maneira apropriada, liquefazendo assim o corpo de metal da matriz (1) na massa líquida (7) de ^etal da matriz. Antes da licuefacão do corpo metálico (1) da matriz, o material de enchimento deve, ser convertido num pré-molde (8). Lssa conversão pode verificar-se in situ',' durante o aquecimento do corpo (1) para formar a massa líquida (7), na presença da atmosfera infiltrante ou iner te, ou por sinterização ou por outra reacção química do /

material de enchimento, como aqui se discute algures. Por exemplo, pode misturar-se inicialmente o material de enchi mento com um precursor do intensificador da infiltração que, quando aquecido na presença de uma atmosfera infil trante, pode ser, pelo menos parcialmente, convertido num intensificador da infiltração, que aglomera o material de enchimento para formar um pré-molde. Depois da formação da massa líquida (7), o metal da matriz pode então infiltrar-se espontaneamente no pré-molde (8), formando eventualm.en te um corpo compósito com matriz de metal (9) ilustrado na fig. 4. Compreender-se-á oue pode verificar-se a infiltração espontânea através de todas as superfícies do pré-molde expostas ao metal da matriz.

A fim de efectuar a infiltração espontânea co metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de intensificador de infiltração que poderia ser proporcionado (1) no metal da matriz; e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (1) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além disso, em vez de fornecer um precursor de intensificador de infiltração, pode proporcionar-se um intens ificador de infiltração directamente no pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, melo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em colo menos

uma Ocrcão do material de enchimento ou pré-molde.

Numa forma de realização preferida, é possível que o precursor de intensificador de infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o ontensificador da infiltração pode ser forma do em pelo menos uma porção do pré-molde antes de ou substancialmente simultaneamente do pré-molde com o metal da matriz (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intcn sificador de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificador de infiltração poderia ser o nitrato de magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção do pré-molde ou do material de enchimento).

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/ /precursor do intensificador da infiltração e/ou atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Sspeci ficamente, um corpo de cotai da matriz de alumínio contendo uma cavidade pode encher-se com um material de enchimen to apropriado. 0 material de enchimento, de preferência na presença de um precursor do intensificador da infiltração e/ou de um intensificador da infiltração, pode tomar e manter a forma da cavidade no metal da matriz antes de o metal de matriz fundir. Nesse caso, resultará um pré-molde modelado de material de enchimento, o qual entrará em contacto com o metal da matriz fundido. 0 pré-molde modelado pode flutuar junto de ou sobre uma superfície do metal da matriz fundido, devido à sua natural flutuabilidade em relação ao metal de matriz fundido. Contudo, finalmente,

pelo -enos durante a cador da infiltração terior de pelo menos ou do pré-molde.

infiltração espontânea, o intensifideve estar localizado sobre ou no inuma oorcão do material de enchimento

Nas conciições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o pré-molde ou o material de enchimento devem ser suficientemente permeáveis rs permitir gue o gás contendo azoto penetre ou atraves-se os poros do pré-molde pelo menos num instante determinado durante o processo e entre em contacto cora o metal da matriz fundido. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde permeáveis podem adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazenco assim com gue o pré-molde impregnados com azoto seja infiltrada espontaneamente com metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com gue azoto reaja com um precursor do intensificador da infiltração para formar o íntensificador da infiltração no pré-molde, dando assim, origem à infiltração espontânea. A extensão da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz ce metal variarão com um dado conjunto de condições de processo, incluindo o teor de magnésio da liga de metal da matriz de alumínio e/ou do pré-molde, a quantidade d-° nitreto de magnésio no pré-molde e/ou no metal da matriz de alumínio, a presença de eleraentos de liga adicionaisípor exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhan39 tes), as dimensões médias do material de enchimento (por exemplo o diâmetro das partículas) oue constituem o pré-molde ou material de enchimento, a condicão da superfície e o tipo de material de enchimento, a concentração de azoto. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontaneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de infiltração) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares como atrás se meneio nou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter propriedades específicas pré-determinadas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influen ciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A perda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido, por exemplo, à volatilizagão deve ser evitada até ao ponto de ficar algum magnésio para formar intensificador de infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar gue a infiltração espontânea não será afectada de maneira adversa pela volatilizagão. Além disso ainda, a presença de maonésio quer no pré-molde (ou material de enchimento), ouer no metal da matriz ou apenas no pré-molde (ou material de enchimento) modo ter como conseouência um menor cuentidace de magnésio necessária p.-na se obter a infiltração espontânea (ex-min^.do com sais pormenor mais adiante). Λ pcrcen tagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. spscificagente, se estiverem presentes ~enos de cerca, de 1C por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-á uma infiltração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se gue é preferível que estejam presen tes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de modo gue resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma decomposição de um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou pré-molde 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, a localização do magnésio em um ou mais dos componentes do sistema espontâneo e o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmosfera de azoto flui. Fodem usar-se temperaturas mais baixas ou temoos de acuecimento menores cara se obter uma infiltração comoleta cuando se aumentar o teor

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de magnésio da liga de metal da matriz e/ou do pré-molde. 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. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, ou um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as ligas do metal da matriz contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento, guando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura requeridas para a infiltração. 0 teor de magnésio pode ser reduzido quando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar; mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade mínima de magnésio atrás especificada. Por exem pio, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmcnte puro formando liga com apenas 1C por cento de silício a 10CC° C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99%, da Norton Co.) com granulo42

metria de 500 mesh. Mas na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Além disso, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou material de enchimento. Verificou-se gue a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento. Pode ser desejável proporcionar uma quantidade menor de magnésio a fim de impedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No easo de um pré-molde de carboneto de silício, posto em contacto com uma matriz de alumínio verificou-se gue o pré-molde contendo pelo menos 1%, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro é infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de macnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Sspecificamente, verificou-se gue, guando um pré-molde de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura gue a alumina gue se infiltrou num pré-mold:' de carbonato de silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, pode exigir pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio para obter uma infiltração espontânea semelhante.

Faz-se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infil_ tração e/ou intensificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precur sor do intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simples mente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido que a referida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de preferência, em contacto com a massa permeável de material de enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pelo menos uma porção do pré-molde ou material de enchimento. Além disso, é ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície da formação da liga e da colocacão do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde. Essa combinarão da aplicação de intensificador(es) de infiltração e/ou precursor (es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração co metal de alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minizar-se a quantidade de compostos intermetálicos indesejá44 veis formados devido a presença de magnésio.

O uso de um ou sais elementos de liga auxiliares e da concentração de azoto no gás circundante também afecta a extensão de nitretação do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, podem usar-se elementos de liga auxiliares, tais como o zinco ou o ferro incluídos na liga, ou colocados numa superfície da liga, para baixar a temperatura de infiltração e diminuir assim a quantidade da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento da concentração de azoto para promover a formação de nitreto.

A concentração de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde também tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada, temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum, magnésio é posto directamente em contacto com o pré-molde ou material de enchimento, pode ser preferido incluir na liga de metal da matriz pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem reque_T rer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária cara efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa:(1) guando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou

(2) quando se misturarem componentes de liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) guando estiver presente na liga de alumínio outro elemento tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com diferentes materiais de enchimento. Sm geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 575° C e, de preferência, a uma temperatura do processo de polo menos cerca de 750° C-800° C. Temperaturas geralmente acima de 1200° C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 575° C a cerca de 1200° C. Contudo, como regra geral, a temperaturaede infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volatilização do metal da ^atriz. Além disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda à medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltran te (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto da reacoão pode ser desejável ou indesejável, conforme a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz dc metal. Adicionalmente, utiliza-se tipica-ente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as temoeraturas de infiltração. Contudo, oualmuer meio d^r matriz tânea é acuecimento rue possa fazer com. que o metal funda e nao afecte adversamente a infiltração aceitável para utilizar na presente invenção

Mo presente processo, por exemplo, uma es >on de material de enchimento permeável, que,- em determinado instante durante o processamento, pode tornar-se auto-suportado (isto é, ser modelado sob a forma de um molde), é colocado, pelo menos momentaneamente durante o processo, em contacto com alumínio fundido na presença de um gás ccn tendo azoto. Λ massa permeável de material de enchimento pode incluir um precursor do intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração. 0 gás contendo azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o material de enchimento (pré-molde) e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítica, é preferido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido 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 da matriz fundido e/ou no intensificador da infiltração e/ou no precursor do intensificacor da infiltração.

C presente processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla varie dade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do rrocesso, a reactividade da liga

7 t

L, do metal da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito com matriz de metal final. Por exemplo, guando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alucina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo, dodecarboreto de alucino e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a 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, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque ou da degra dação. Os revestimentos .cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos, boretos,e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descon tínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de muitifi1amentos. Além disso, a massa de cerâmica ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterooéneos .

aos materiais

Descobriu-se também oue certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação de enchimento tendo uma composição química

tos oelo processo descrito na patente americana N24.713.36O intitulada Novel Ceramic materiais and liethods of Naking Satr.e publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de t'.arc

S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Além disso, os corpos de alumiaa triturada feitos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário N³ 819 397, intitulado Composite Ceramic Articles and liethods of 1'aking Sare em nome de ilarc S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente são aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se oue a infiltração completa de uma ^assa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração menores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedido de patente e da oatente americanos atrás mencionados.

As dimensões e a forma do material de enchimento oodem ser ouaisouer necessárias oara obter as oroorie dadas desejadas no compósito. Assim, o material pode e suar sob forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tais como,

9 esferas, túbulos, peletes tecido de fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltração deve ser permeável, isto é, permeável pelo menos ao metal da matriz fundido e possivelmente à atmosfera infiltrante.

processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento, oernite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde cue a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração pela liga fundida.

Foi observado que, para a infiltração de alu mínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento, o molhamento do material de enchimento pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento, baixas, verifica-se uma nitretação desprezável ou mínima do metal, resultando daí uma fase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superior da faixa de temperatura, torna-se mais provável a nitretação do metal. Pode assim controlar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica a infiltração. A temperatura de processamento específica à qual se torna mais pronunciada a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativamente ao volume de material de enchimen to ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da formação de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quando diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível, pré-determinar a constituição da matriz de metal durante a formação do compósito com matriz de metal para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de ni51

treto. Um produto compósito contendo ume fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1CCO° C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem, usar-se, temperaturas superiores a 1000° C, se se desejar produzir um compósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200° C, visto que a liça de alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumi na como material dc enchimento, quanto se usar o carboneto de silício como material de enchimento.

Além disso, é possível usar ura reservatório de metal da matriz oara assegurar a infiltração corpleta co a.terial de enchimento e/ou fornecer um secundo metal, que tem uma composição diferente da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, as dimensões do corpo de metal da matriz podem ser insuficientes para assegurar a infiltraçao completa do pré-molde; assim, pode introduzir-se o corpo de metal da matriz numa massa líquida maior, ou reservatório, pré-existente de metal da matriz cue fun diria o corpo de metal da matriz, permitindo assim que se

verifique a infiltração espontânea. Ainda, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório cuja composição difere da primeira fonte de metal da matriz, compreendendo o corpo de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então, usar-se substancialmente qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu à temperatura íe processamento como metal do reservatório.

Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reservatório com composição diferente da primeira fonte de metal da matriz, é possível pré-determinar as propriedades da matriz de metal para satisfazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, cré-determinar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode utilizar-se também um meio de barreira em combinação com a presente invenção. 2specificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequado que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movimento,ou similar, da liga de matriz fundida (por exemplo, uma liga de alumínio) para além do limite de superfície definido do material cde enchi mento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar,

mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferên cia, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento cerâmico. Esses materiais são a grafite e outras formas de carbono e várias cerâmicas, por exemplo, óxidos, boretos e similares.

Pode proporcionar-se um meio de barreira em uma ou mais superfícies do pré-molde, para auxiliar o pré-moide a manter a sua forma ou para de outro modo proteger o pré-molde e/ou corpo compósito com matriz de metal duran te o processamento. Especificamente, se o pré-molde for formado de acordo com as fig. 1 e 2, pode forrar-se ou revestir-se a cavidade (2) do corpo (1) com uma barreira adequada para suportar melhor o pré-molde ou melhorar as suas características de forma precisa, depois da infiltração. Pode modelar-se um meio de barreira do modo apropria do para proporcionar uma superfície rugosa para agarrar ou retirar de outro modo o corpo compósito com matriz de metal do metal da matriz fundido e ainda proporcionar as vantagens da formação de um compósito com um mínimo de nreparação subsequente da forma.

Nos exemplos seguintes estão incluídas várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos e não como limitando o escopo da presente invenção, tal como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

Utilizou-se uma roda dentada convencional de aço, com aproximadamente 7,5 centímetros de diâmetro, como reprodução ou macho para um corpo compósito com matriz de metal acabado. Embebeu-se a roda dentada numa massa de um composto de moldação de borracha GI-1COO (que pode obter-se na Plastic Tooling Supply Co.) vazando o composto em torno da roda dentada e deixando-o solidificar. Retirou-se depois cuidadosamente a roda dentada do composto solidificado, formando assim nele uma cavidade. Encheu-se essa cavidade com uma mistura de porções aproximadamente iguais de gesso de Paris (que pode obter-se, por exemplo, na Eondex Co.) e dióxido de titânio. O dióxido de titânio tornou o gesso mais semelhante ao cimento, embora a sua presença e a sua proporção na mistura não sejam críticos porque pode usar-se qualquer gesso re-hidratável. Além disso, pode variar-se a relação gesso de Paris/dióxido de titânio (por exemplo de 30/70 a 7C/3O).

Depois de endurecer, o gesso constituiu um macho resistente às temperaturas elevadas, que foi removido do composto de moldação de borracha. Colocou-se o macho resistente às temperaturas elevadas, num forno e secou-se completamente a 200 C durante um intervalo de tempo de cerca de 2 horas. Após a secagem, colocou-se o macho resis / X tente às temperaturas elevadas num recipiente de aço inoxi dável 316, com cerca ce 15 cm de altura e 1C cm de diâmetrq forrado com grafite (por exemplo, Pernafoil* , gue pode obter-se na T.T. America Co.). Colocou-se uma barra de grafite em cima do macho resistente às temperaturas elevadas para actuar como lastro, e pré-agueceu-se o recipiente, incluindo o macho resistente às temperaturas elevadas, até cerca de 3C0° C. Vazou-se depois liga de alumínio fundida, a uma temperatura de 800° C, no recipiente sobre o macho resistente às temperaturas elevadas deram-se ligeiras pancadas nos lados da lata, numa tentativa para remover bolhas do metal fundido. A composição da liga era cerca de 77 por cento, em peso, de alumínio, cerca de 12 por cento, em peso, de silício, cerca de 5 por cento, em peso, de zinco e cerca de 6 por cento, em peso, de magnésio, em peso (isto é,

Al-12Si-5Zn-6Mg). Compreender-se-á gue a composição da liga pode ser escolhida, de acordo com o material de enchimento a ser usado ou com as características desejadas para o corpo compósito final.

Deixou-se arrefecer o recipiente durante alguns minutos, solidificando assim, a liga de alumínio em torno do macho resistente às temperaturas elevadas e retirou-se o corpo de liga solidificado do recipiente. Volhou-se novamente o macho com água, amolecendo-o assim e deixando-o lavado para pela remoção da liga de alumínio solidificada. A cavidade que ficou na liga manteve a forma da roda dentada e secou-se comoletamente o corpo da liga ague

- 56 Ο cendo-o ate cerca de leC C durante aproximadamente 1 hora.

A cavidade foi, depois atacada manualmente com um material de enchimento, constituído por uma mistura de pó de carboneto de silício de 1000 mesh (39 Crystolon da Norton Co.) e cerca de 2 por conto, em peso, de pó de magnésio de 325 mesh. Sorrifou-se pó de magnésio adicional sobre a superfície da cavidade cheia; este magnésio em excesso acelerou a infiltração espontânea, mas não é necessário ao processo. Algumas vezes também é útil pulverizar o interior da cavidade com. magnésio antes do enchimento com o material de enchimento.

Repôs-se o corpo de liga, incluindo o material de enchimento compactado com a forma da roda dentada no recipiente de aço forrado com grafite. Adicionou-se um certo número de lingotes de liga de alumínio limpos, com a mesma composição da liça foram ao recipiente e colocaram-se em contacto com a superfície da cavidade cheia.

Esses lingotes foram limpos por meio de um jacto abrasivo e por lavagem num solvente, tal como o etanol, para remover os óleos do corte e quaisquer outros compostos orgânicos. 0 número de lingotes não é crítico desde oue se proporcione uma quantidade suficiente de liga para se obter a quantidade desejada de infiltração espontânea.

Na. parte superior dos lingotes de liga adicionou-se uma pequena barquinha aberta de grafite (por exemplo, Pernafoil^) , com a forma de uma caixa gue conti57

nha uma massa de titanio do tamanho de uma ervilha (4 mesh x30 mesh, dimensões das partículas com formas irregulares, que pode obter-se na Chemalloy Co. Inc.). C titanio actuou como purificador do sistema, isto é, um captador de oxigé nio, para o processo.

Cobriu-se depois o recipiente com uma folha de cobre, fina, que foi rebordeada em torno das bordas do recipiente, vedando-a parcialmente. Introduziu-se um tubo de aço inoxidável através da folha e, depois de se colocar o recipiente num forno adequado, introduziu-se gás azoto substancialmente puro através do tubo, com um caudal de 0,4 1itros/minuto, ou superior, para purgar o interior do recipiente e elevou-se a temperatura do forno até cerca de 120° C. Após aproximadamente 1 hora, aqueceu-se o forno de resistência eléctrica de cerca de 120° C até uma temperatura de cerca de 700° C durante um intervalo de tempo de cerca de 12 horas, manteve-se depois a cerca de 800° C durante aproximadamente 12 horas. Ver i f i o -'U-se cue , a temperaturas de aproximada-aote 5C0° C a -300° C, o material de enchimento na cavidade da liga se tornou rijo formando um. pré-molde, provavelmente devido à formação de nitreto de magnésio e/ou à sinterização. Quando o corpo da liga e os lingotes fundem, a liga infiltra-se espontaneamente no pré-molde a partir de todas as superfícies expostas à liga, proporcionando assim as vantagens da infiltração rápida e completa.

A roda dentada de compósito com matriz de

metal resultante foi removida do recipiente depois de primeiro ter drenado o excesso da liga fundida através de um orifício no fundo do recipiente. Cualquer escória que possa estar presente na superfície da massa líquida de liga é, de preferência, removida antes da drenagem, embora qualquer escória aderente ao compósito com matriz de metal possa ser removida subsequentemente, por exemplo, por meio de aplicação de um jacto de material abrasivo do compósito. Após a drenagem, deixou-se a roda dentada de compósito com matriz de metal arrefecer ao ar. O compósito obtido estava completamente infiltrado e apresentou fidelidade muito boa à forma do macho ou roda dentada de aço.

Exemolo 2

Seguiu-se o procedimento descrito no Exemplo

1, embora tivesse sido como modelo ou macho uma forma com a configuração de uma folha ácer, em vez da roda dentada de aço. Além disso, após a formação da cavidade no corpo de liga de alumínio, sugeitou-se a. cavidade à acção de um. jacto de areia antes de ser pulverizada com pó de magnésio de 325 mesh e cheia com material de enchimento. A acção do jacto de areia tornou a liga rugosa e, facilitou assim a aderência do pó de magnésio à liga. Assegurando-se a presença de magnésio e/ou nitreto ce magnésio na interface entre a liga fundida eventual e o pré-molde rigidificado deste modo, garantiu-se a infiltração espontânea completa, mesmo nas bordas e nas pontas da folha.

Fez-se passar gás azoto no interior do reci59 χ<*

e manteve-se o interior do recipiente a cerca de 750 C (correspondente a uma temperatura do forno de cerca de 800° C) durante cerca de 2 horas, depois de a temperatura do forno ter sido elevada durante um peródo de cerca de 2 horas. 0 composto infiltrado foi então removido ainda quente. Para se obter um aquecimento ruais uniforme do recipiente pelo forno, envolveu-se o diâmetro externo do recipiente com uma camada de 3 mm de espessura de sílica amorfa (Fiberfra^^, que pode obter-se na 1’cNeil Refractories, Inc.).

Além disso, verificou-se que neste Exemplo, era desejável colocar-se a cavidade da liga e o material de enchimento no fundo do recipiente de aço porque o pré-molde tinha uma flutuação suficiente antes da infiltração espontânea para flutuar na superfície da massa liquida de liga fundida. Embora a infiltração espontânea se verificas se à superfície, a combinação da tensão superficial da massa líquida e da viscosidade e ca forma larga da folha, mantinham o pré-molde na superfície da massa líquida, onde ela provavelmente seria danificada durante a remoção da escória. Deve notar-se cue corncósitos com outras formas e outro poder de flutuação podem não se manter na superfície da massa líquida. de liga.

A folha de compósito com matriz de metal produzida deste modo mostrou fidelidade de forma muito boa e infiltração espontânea completa.

Claims (40)

1. reivindicações

   1.- Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases seguintes :

   formar uma cavidade num metal da matriz sólido;

   colocar um material de enchimento substancialmente não reactivo na cavidade;

   induzir o material de enchimento a tornar-se auto-suportado e a adaptar-se substancialmente ã forma da cavidade; fundir o metal da matriz; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com metal da matriz fundido.
2. 2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte61 rizado pelo facto de compreender ainda a Fase de se proporcionar uma atmosfera infiltrante, comunicando a atmosfera infiltrante com pelo menos o material de enchimento e/ou com o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. 3.- Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração a pelo menos o metal da matriz e/ou o enchimento e/ou a atmosfera infiltrante.
4. 4.- Processo de acordo com .a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecimento de um precursor de intensificador da infiltração e/ou de um intensificador da infiltração a pelo menos o metal da matriz e/ou omaterial de enchimento.
5. 5.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem fornecidos por uma fonte externa.
6. 6.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. 7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie compreendendo pelo menos um elemento escolhido no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. 8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção em pelo menos uma porção do material de enchimento.
10. 10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracte63 rizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. 12.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o material da matriz espontaneamente até à berreira.
13. 13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo constituído pela grafite e o diboreto de titãnio.
14. 14. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
15. 15. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um metal que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e o metal da matriz e/ou o material de enchimento e/ou o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração.
16. 16.- Processo de acordo com a reivindicação 1, zado pelo facto de o material de enchimento compreender um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, caracteripelo menos plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, tubos e tecidos refractãrios.
17. 17.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.

    13.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
18. 19. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
19. 20. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
20. 21,- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o pre65 t

    cursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.
21. 22.- Processo de acordo com a reivindicação zado pelo facto de o precursor de intensificador da formar uma liga com o metal da matriz.

    1, caracteriinfiltração
22. 23.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
23. 24. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz e no material de enchimento.
24. 25. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados no metal da matriz, e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltrante.
25. 26.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte66 rizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior ã temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
26. 27. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
27. 28. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
28. 29. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
29. 30.- Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser induzido a tornar-se auto-suportados pela exposição do material de enchimento a pelo menos uma fonte de calor e/ou a um agente de ligação.
30. 31.67

    31. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de o material de enchimento se tornar auto-suportado substancialmente ao mesmo tempo que ou antes da fusão do metal da matriz.
31. 32. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada por maquinagem de um lingote de metal da matriz.
32. 33. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada pela associação de várias peças modeladas de metal da matriz.
33. 34. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada por vazamento de metal da matriz em torno de um macho.
34. 35. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada por remoção por lixiviação de uma porção de um lingote de metal da matriz.
35. 36. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada de preferência por separação por fusão de uma porção de um lingote de metal da matriz.
36. 37. - Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 4, caracterizado pelo facto de a cavidade ser formada pela modelação de um molde de borracha em torno de um macho com uma forma desejada para o corpo compósito com matriz de metal a remoção do macho do molde de borracha, o enchimento do molde de borracha com um material refractário, a modelação de um macho refractãrio do material refractãrio, a solidificação do metal da matriz fundido em torno do macho refractário e a remoção do mandril refractário do metal da matriz solidificado.
37. 38. - Processo de acordo com a reivindicação 37, caracterizado pelo facto de o material refractãrio ser constituído por gesso de Paris.
38. 39. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de o metal da matriz ser fundido num vaso refractário, gue contém a atmosfera infiltrante.
39. 40. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento se tornar auto-suportado por sinterização pelo menos parcial.
40. 41. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem fornecidos ao ma69 terial de enchimento e fazerem com que o material de enchimento fique auto-suportado, quando aquecido na presença da atmosfera in filtrante,