PT92249B

PT92249B - Processo para a modelacao de corpos compositos com matriz de metal com uma tecnica de moldacao por dispersao e produtos produzidos por esse processo

Info

Publication number: PT92249B
Application number: PT92249A
Authority: PT
Inventors: John Thomas Burke
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: IL91734A; DK559089D0; ZA898549B; NO177417B; DE68917087T2; NO893987D0; US5000247A; CN1065792C; FI91492B; ATE109212T1; MX172496B; PT92249A; IL91734A0; KR900007514A; DE68917087D1; IE63876B1; NO893987L; CA2000802C; NZ231074A; DK559089A

Description

PROCESSO PARA A MODELAÇÃO DE CORPOS COMPÓSITOS COM MATRIZ

DE METAL COM UMA TÉCNICA DE MOLDAÇÃO POR DISPERSÃO

E PRODUTOS PRODUZIDOS POR ESTE PROCESSO

A presente invenção refere-se a um novo processo para a formação de corpos compósitos com matriz de metal. Uma massa permeável de material de enchimento é infiltrada espontaneamente por um metal da matriz fundido. Em particular, um intensificador da infiltração e/ou um precur sor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que metal da matriz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento. Após a infiltração ter sido completada até um grau desejado, adiciona-se metal da matriz àquele metal da matriz que foi infiltrado espontaneamente no material de enchimento para dar origem a uma suspensão de ma terial de enchimento e metal da matriz tendo uma percentagem, em volume menor de enchimento em relação ao metal da matriz.

Pode então deixar-se arrefecer o metal da matriz in situ ou a vazar-se a mistura de metal da matriz e material de enchi- 2 mento num segundo recipiente como um processo de fundição para formar uma configuração desejada correspondente ao segundo recipiente. Contudo, a suspensão formada, quer vazada imediatamente depois de ser formada, quer depois de arrefecer e em seguida aquecida e vazada, pode ser vazada com uma forma desejada, mantendo no entanto as características benéficas associadas com os compósitos com matriz de metal infiltrados espontaneamente .

Fundamento da invenção:

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares mostram-se muito prometedoras para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço cro>m a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral, um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades,tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a retenção da resistência âs temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser me lhorada depende grandemente dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do compósito. Em alguns casos o compósito pode também ser mais leve do 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 sua maior firmeza, resistência ao de.s gaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Tem sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pés e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agita, ção 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 in dicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume na caso dos materiais em partículas.

A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas da metalurgia dos pós utilizando os proces^ sos convencionais impõe certas limitações relativamente às características 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 prensagem põe um limite às

dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do prc> duto relativamente simples são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também pode verificar-se a contracção não uniforme durante a sinterização, bem como a não uniformidade da microestrutura, devido a segregação nos compactos e crescimento de grãos.

A patente norte-americana No. 3.970.136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannelle e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados, de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação¹ das fibras. 0 compósito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras coplanares num molde com um reservatório de metal da matriz, por exemplo, alumínio fundido entre pelo me nos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orien tadas. 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 5θ em volume, de fibras de reforço no compósito.

processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para for çar 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 da matriz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agragado fibroso. Consequentemente, é necessário proporcionar agregados de mantos/reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e unfirme da pilha de mantos de fibras. Também, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço r-e lativamente baixo da percentagem, em volume da matriz, devido à dificuldade inerente à infiltração de um grande volume de mantos. Mais ainda, são necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás citado, limitado a infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orien tados aleatoriamente.

Na fabricação de compósitos com rnatriz de alumínio e carga de enchimento de alumina, o alumínio não molha facilmente a alumina, tornando assim difícil formar um produto coerente. Várias soluçães cêm sido sugeridas para esse problema. Uma dessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois preri sado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, o alumínio forma uma ligação com lítio e a alumina pode ser revestida com sílica. Contudo, esses compósitos apresentam variações nas propriedades, ou os revestimentos podem degra6

dar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedades da matriz.

A Patente Norte-americana No. 4.232.091 concedida a R. V. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e alumina. Essa patente descreve a aplicação de pre^ sões de 75-375 kg/cm para formar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou filamentos emaranhados de alumina que foi pré-aquecido a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação máxima entre os volumes de alumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi O,25/l. Devido à sua dependência da força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros,

A publicação do pedido de patente europeu número 115,7^2 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas elejc trolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de alu mina pré-moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da alumina pelo alumínio e, portanto, são usadas várias técnicas para molhar a alumina em todo o pré-molde. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante 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, zircônio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como argon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra

ζ 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 argon. 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 infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos po ros do pre-molde, é necessário um tratamento térmico, por exemplo a 1400 a l800°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.

uso de agentes molhantes para efectuar a infi_l· tração de um componente de alumina de uma pilha electrolítica com metal fundido é também apresentado no pedido de paten te europeu No. 9^353. Esta publicação descreve a produção de alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestinieno ou substrato da célula. A fim de proteger este substrato da crio lite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substra to de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titanio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanadio, o nióbio ou o 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 No. 3 718 44l, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alu mina e óxido de berílio) com alumínio fundido, berílio, mag nésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de —2 6 menos de 10 torr. Um vácuo de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficiente da cerâmica pelo me tal fundido até o ponto de 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 No. 3 865 154, 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^₂ . num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de A1B^₂. Colocou—se o cadinho carregado com compacto de A1B^_O ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio, num ./ forno no vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximadamente 10^-^ torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a tem peratura até 1100°C e manteve-se durante um período de 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de A1B^2 poroso.

A patente americana No. 3 364 976, concedida em 23 de Janeiro de 1968 a John N. Reding e outros, apresenta o conceito de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente descreve-se que 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. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, Verifica-se o enchimento da ca. vidade à medida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção 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. Assirn, Reding et al. descrevem que é essencial induzir uma reacção 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 assjO ciadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser pri_ meiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamen to aceitavel no moldeç depois montados antes da sua utiliza10 ção e em seguida desmontados após o seu uso para remover a ’* peça fundida do mesmo seguindo-se depois a recuperação do mol de, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação das su perfícies do molde ou o seu descarte se não for 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).

Mais ainda, embora haja uma sugestão de que um material refractário poroso pode ser imerso, directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário t«? ria 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 desintregraria ou se separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido).

Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molde formado solto, seria necessário tomar pre cauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do material em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma microestrutura não homogénea.

Consequentemente, tem havido uma necessidade há muito sentida de um processo simples e fiável, para produzir compostos com matriz de metal moldados que não dependem ria 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 havi do 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 satisfaz essas necessidades proporcionando um mecanis mo 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,alu mínio) 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 proprietário assunto do presente pedido de patente está relacionado com o de diversos outros pedidos de patente copendentes do me sino proprietário. Em particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em diante, por vezes designados por Pedi dos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprietário).

Um processo novo para a fabricação de um material compósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, No. 049 171, depo^ sitado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e inti12

tulado Metal Matrix Composites, agora concedido nos Esta^ dos Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela in filtração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâ inica) 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 urna tempera tura de pelo menos cerca de 675°C, na presença de um gás com preendendo 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, se houver, um gás não oxidante, por exemplo argon. 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 estrutura 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. .1 quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio 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 enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições do processo na invenção de White et al. atrás mencionada, pode formar-se nitreto de alva rnínio como uma fase descontínua dispersa por toda a matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar, dependendo de factores como a temperatura, a composição 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 propriedades do compósito. Para algumas aplicações de utilização final, pode no entanto ser desejável que 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 nitreto. A invenção de White et al. permite a escolha de um equilíbrio entre a cinética da infil^ tração e a formação dos nitretos.

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com ma triz de metal é descrito no pedido de patente americano do mesmo proprietário No. l4l 642, depositado a 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al. e intitulado

Method of Making Metal Matrix Composite white the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanian et al., coloca-se um dispositivo de barreira (por exem14 pio, diboreto de titânio em partículas ou um material de gra.

fite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida R pela Union Carbide com a designação comercial Grafoil num limite de superfície definida do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite definido pelo meio de barreira. 0 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 cor pos compósitos com matriz de metal formados têm uma forma ex terior que corresponde substancialmente a forma interior do meio de barreira.

processo do pedido de patente americano No. 0^9 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário No. 168 28^, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, unia liga de metal da matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comuni ca com a primeira fonte de metal fundido devido por 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 enchi mento à pressão atmosférica normal, começando assim, a forrt>a· ção de um compósito com matriz de metal.

A primeira fonte de liga de metal da matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se dese jar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga formando assim uma estrutura 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 reservatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, amgumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona unia quantidade suficien te de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-determinada. Em a 11ernativa,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 para permitir que a infiltração espontânea se processe substancial, mente até os limites (por exemplo, as barreiras) da massa per

rneável de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa quantidade suficiente de modo 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 fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompósito) no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estará ligado directamente ao metal ern excesso que fica no rese-f* va tório.

Todos os pedidos de patente de matriz de M_e tal 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 produzidos por esses processos. As descrições completas de todos os pedidos de patente de uma matriz de metal do mesino proprietário ante riores são aqui expressamente incorporados por referência.

Sumario da Invenção

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido infiltrando espontaneamente uma massa permeável de material de enchimento com metal da matriz. Especificamente, um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que .¼ metal da matriz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento. Depois de obter a infiltração substancial mente completa mistura-se depois metal da matriz adicional (a 1^ guinas vezes designado aqui também como segundo metal da matriz), quer com a mesma composição, quer com composição análça ga ou diferente da do metal da matriz que já se infiltrou no material de enchimento, ao material de enchimento infiltrado (por exemplo, numa forma de realização preferida, é misturada fisicamente com o material de enchimento infiltrado) para dar origem a uma suspensão de material de enchimento e metal da matriz. Essa suspensão tem uma carga de material de enchimento menor, em relação ao metal da matriz. Numa outra forma de realização, proporciona-se um excesso de metal da matriz, o qual fica sob a forma de metal fundido não infiltrado, depois de se completar a infiltração espontânea. 0 excesso de metal da matriz é em seguida agitado ou misturado no material de en chimento não filtrado para formar uma suspensão de material de enchimento e metal da matriz com uma carga de partículas menor do que o do material de enchimento original infiltrado espontaneamente.

Numa outra forma de realização, o compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente pode pode deixar-se arrefecer depois de se completar a infiltração. Pode depois reaquecer-se o compósito até à sua temperatura de transição, para o estado líquido e misturar-se um segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional com o mesmo.

Numa fornia de realização preferida, pode for;

-₁₈ y λ

/ necer-se um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento. Λ combinação de material de enchimento, metal da matriz, precursor do intensificador da infiltração fornecido e atmosfera infiltrante faz com que o metal da matriz se infiltre espontaneamente no material de enchimento.

Além disso, em vez de fornecer um precursor do intensificador de infiltração directamente ao material de enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontei nea, o intensificador da infiltração deve estar localizado pelo menos numa porção do material de enchimento.

A mistura física de metal da matriz adicional pode obter-se por meios mecânicos de agitação, meios ultrassónicos de agitação, meios de vibração, agitação manual pu por qualquer outro meio adequado para misturar o material de enchimento infiltrado com o metal da matriz adicional.

Além disso, como atras foi mencionado, o se gundo metal da matriz ou metal da matriz adicional pode ter uma composição análoga ou muito diferente da do metal da matriz que se infiltrou no material de enchimento. No caso de se utilizar um segundo metal da matriz diferente será preferível que o primeiro metal da matriz, que se infiltrou no ma terial de enchimento, seja, pelo menos parcialmente, miscível com o segundo metal da matriz, para dar origem a uma liga dos primeiro e segundo metais da matriz e/ou à formação de compostos intermetálicos dos primeiro e segundo metais da ma triz for substancialmente analogo ou o mesmo que o primeiro metal da matriz que se infiltrou no material de enchimento, os dois metais de matriz têm probabilidade de se misturar facilmente.

Depois de se obter uma mistura desejada dos primeiro e segundo metais da matriz, podem deixar-se arrefecer a suspensão de material de enchimento infiltrado e os primeiro e segundo metais da matriz in situ, na câmara de mistura, se for desejado. A mistura arrefecida pode, depois ser aquecida até uma temperatura igual ou superior â tempera tura de transição para o estado líquido de metal da matriz na suspensão e depois vazada num molde desejado. Em alterna tiva, se a mistura estiver contida no interior de um molde que correspondia a uma forma final desejada, a mistura pode simplesmente, deixar-se arrefecer e depois retirar-se do mol de. Além disso, a mistura pode ser mantida num estado fund_i do e ser vazada num molde desejado, que corresponda a um cor po compósito com matriz de metal final a produzir ou a qualquer forma intermediária (por exemplo, um lingote) para processamento subsequente.

corpo compósito com matriz de metal resul tante contendo os primeiro e segundo metais da matriz terá uma percentagem, em volume, menor de material de enchimento, em relação a um corpo compósito com matriz de metal que contenha o segundo metal da matriz. Consequentemente, a presen te invenção proporciona um processo para a produção decorpos compósitos coin matriz de metal com proporções em volume, me — (

.·* nores de material de enchimento. Tais percentagens, em volume, menores de material de enchimento, podem tipicamente, não ser efectivamente obtidas por infiltração espontânea de um materi al de enchimento muito poroso, porque o valor máximo da porosidade que um material de enchimento pode apresentar é limita, do, devido a considerações tais como uma densidade mínima de compactação, a resistência do pré-molde, etc.

Deve notar-se que este pedido de patente dis^ cute primariamente metais da matriz de alumínio que, etn deter minado instante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal, são postas em contacto com magnésio, que funciona como precursor do intensificador da infiltração, na pr£. sença de azoto,que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal da matriz precursor do intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio/azoto apresenta infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/ /atmosfera infiltrante podern também comportar-se de maneira análoga à do sistema alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, verificou-se um comportamento de infiltração espontânea análogo no sistema de alumínio/estróncio/azoto, no sistema de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/cálcio/azoto. Consequentemente, embora aqui se discuta primariamente o sistema de alumínio/magnésio/azoto, compreender-se-á que outros sistemas de metal da matriz/precursor do intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante podein comportar-se de maneira análoga.

Quando ο metal da matriz for constituído por uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contacto com material de enchimento (por exemplo, partículas de alumina ou de carboneto de silício). Numa forma de realização da presente invenção, misturou-se com o material de enchimento ou em determinado instante durante o processo expõe-se ao mag nesio, como precursor do intensificador da infiltração. A liga de alumínio e/ou o material de enchimento, em determinado instante durante o processo nesta forma de realização preferi da substancialmente durante todo o processo, são expostos a uma atmosfera de azoto. Numa outra forma de realização, o material de enchimento e/ou a liga de alumínio e/ou a atmosfera infiltrante de azoto contêm nitreto de magnésio como intensificador da infiltração. Em ambas as formas de realização, o material de enchimento será infiltrado espontaneamente pelo metal da matriz variando a extensão ou a velocidade de infiltração espontânea e da formação da matriz de metal com um dado conjunto de condições do processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exem pio na liga de alumínio e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltrante) as dimensões e/ou a composição das partículas que constituem o material de enchimento, a concen tração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que se verifica a in filtração. Tipicamente a infiltração espontânea ocorre num grau suficiente para embeber o material de enchimento de maneira substancialmente completa.

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Definições :

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 impurezas 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 prin cipal que constitui a atmosfera infiltrante é ou um gás iner te ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o tne tal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidan te que possa estar presente como impureza no(s) gás(es) usado(os) deve ser insuficiente para oxidar o metal da matriz em qualquer grau Substancialmente nas condições do processo.

Barreira ou Meios de Parreira, como aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, ivibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da rnatriz fundido para além de um limite de superfície de uma massa permeável do material de enchimento ou de pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade

e que não é	substancialmente	volátil (isto	é, o ma	terial de
barreira não	se volatiza até	um ponto tal	que seja	não fun-
cional como	barreira.
	Além disso,	os meios de	barreira	apropria;
dos incluem	materiais que são	substancialmente não	molháveis

pelo rnetal da matriz fundido que migra, nas condições do pro cesso utilizadas. Uma barreira deste tipo aparenta ter subjs tancialmente 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 porção da superfície do produto compósito com matriz de metal resultante. A barreira pode, em cerros casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo pela abertura de furos ou perfuração ria barreira, para permitir que o gás contacte com o metal da matriz fundida.

Carcaça ou carcaça de metal da matriz, como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo original de metal da matriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fixa em contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formado. Deve entender-se que a carcaça pode também incluir em si um segundo metal ou metal estanho

Material de enchimento, como aqui e usado, pretende-se que inclua quer constituintes individuais, quer misturas de constituintes substancialmente não reactivos,com o metal da matriz e/ou com solubilidade reduzida no mesmo, podendo ser de fase única ou com várias fases. Os materiais de enchimento podem ser proporcionados com uma ampla varieda de de formas tais como, pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc. e podem ser densos ou porosos.

Material de enchimen to¹¹ pode também incluir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, a alumina 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 enchimen to revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o car bono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundido. Os materiais de enchimento também podem incluir metais.

Atmosfera infiltrante, como aqui é usado, significa a atmosfera que 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 intensificador de infiltração e permite ou intensifica a ocorrência da infiltração espontânea do metal da matriz ocorra.

Intensificador de infiltração como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infil- 25

tração espontânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado, por exemplo, a partir de uma reacção de um pre cursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (l) 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 do precursor de intensificador de infiltração com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensi. ficador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou â atmosfera infiltrante e funciona de urna maneira substancialmente análoga à de um intensificador de infiltração que foi formado como uma reacção entre o precursor de intensif icador de infiltra, ção e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea o intensificador de infiltração deve e£ tar localizado an pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ou precursor para o intensificador de infiltração, como é aqui usado, significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou pré-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo, que pode ser necessário que o precursor do intensi26

ficador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permite que o precursor de intensif icador de infiltração interaja com a atmosfera infil^ trante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal da matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal de matriz/ /precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infi_l tração se volatilize na vizinhança da ou, em alguns casos, um pouco acima da temperatura a que o metal da matriz se funde. Essa volatilização pode levar a: (l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molha mento do material de enchimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar 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; e/ou (3) uma reacção do precur sor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou do pre-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em peio menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Carga reduzida de partículas, ou Percentagem , em volume menor de material de enchimento, como aqui é usado, significa que a quantidade de metal da matriz em rje lação à do material de enchimento foi aumentada em relação a um material de enchimento que e infiltrada espontaneamente, sem lhe adicionar uma segunda liga da matriz ou liga adicional da matriz.

Metal da matriz ou liga de metal da matriz. como aqui é usado significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um ma terial de enchimento ou pré-molde.

Segundo metal da matriz ou metal adicional da matriz”. como aqui é usado, significa o metal que fica ou que é adicionado após ter-se completado ou substancialmente completado a infiltração espontânea do material de enchimento e que é misturado com o material de enchimento infiltrado para formar uma suspensão de material de enchimento in filtrado e do primeiro e do segundo metais da matriz ou metal adicional da matriz, formando assim uma percentagem, em volume, menor de material de enchimento, tendo esse segundo metal de matriz ou metal adicional da matriz uma composição que é exactamente a mesma, análoga ou substancialmente diferente da do metal da matriz que se infiltrou espontaneamente antes do material de enchimento.

Infiltração espontânea, como aqui é usado, significa a infiltração do metal da matriz na massa permeável de material de enchimento ou pre-molde, que se verifica sem exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados exter namente quer criados internamente.

^auspensão de material de enchimento e metal da matriz¹¹ ou sus pensão¹¹ , como aqui é usado , significa a mistura de um segundo metal da matriz ou metal adicional da matriz e material de enchimento infiltrado espontaneamente por um primeiro metal da matriz.

Breve descrição das figuras

As figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas não se destinam a li mitar o escopo da presente invenção, Utilizaram-se números de referência iguais, sempre que possível, em todas as figuras, para indicar componentes semelhantes representando:

A fig. la, uma vista em corte transversal es quemática de um conjunto segundo a presente invenção, ilustrando um composito parcialmente infiltrado com metal da matriz em excesso;

A fig. lb, uma vista em corte transversal esquemática, ilustrando a dispersão de um compósito infiltra do e metal da matriz em excesso;

A fig. lc, uma vista em corte transversal esquemática do compósito infiltrado disperso antes do proce^ sarnento ulterior;

A fig. ld, uma vista em corte transversal esquemática, ilustrando a possibilidade de vazamento do compósito disperso; e

A fig. 2, uma vista em corte transversal e_s quemática da composição dos Exemplos de 1 a 4.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização preferidas

Embora possam obter-se cargas de partículas elevadas (da ordem de 40 a 60 por cento, em volume) a partir de técnicas de infiltração espontânea como se descreveu, por exemplo, no pedido de patente americano No. 0^9 171, do me£ mo proprietário, depositado em 13 de f*aio de I9S7, é mais difícil de obter cargas menores de partículas (da ordem de 1 a 40 por cento, em volume) em alguns casos, usando apenas essas técnicas. Especificamente, para se obter cargas menores de partículas com essas técnicas, podem ser necessários pré-moldes ou materiais de enchimento com porosidade muito elevada. Contudo, a porosidade final que pode obter-se com esses materiais de enchimento ou pré-moldes é limitada, seri do essa porosidade uma função do material de enchimento particular empregado e das dimensões ou granulometria das parti cuias usadas no pré—molde.

De acordo com a presente invenção, utilizam-se técnicas de infiltração espontânea para obter as pro priedades vantajosas até agora associadas aos compósitos com matriz de metal infiltrados espontaneamente infiltrados, obtendo-se ainda cargas de partículas menores. Um corpo compó sito com matriz de metal é formado infiltrando espontaneamente primeiro um material de enchimento com um primeiro metal da matriz numa atmosfera infiltrante e, adicionando em seguida um segundo metal da matriz ou metal adicional da matriz ao material de enchimento infiltrado, para dar origem

a uma suspensão cotn percentagem, em volume, menor cie materi al de enchimento e do metal da matriz. Além disso, como se discute com mais pormenor mais adiante, a adição do segundo metal da matriz ou metal adicional da matriz permite que o processo seja pré-determinado para proporcionar uma matriz metálica do primeiro metal da matriz (isto é, quando os pri. ineiro e segundo metais da matriz são os mesmos), ou um composto intermetálico ou uma liga dos primeiro e segundo metais da matriz (isto é, quando os primeiro e segundo metais de matriz são diferentes).

Como primeira fase do processo para obter compósitos com matriz de metal, com carga reduzida de partí^ cuias, inicia-se a infiltração espontânea do material de en chi mento ou pré-molde.

Com referência aos desenhos, a fig. la ilu.s tra um conjunto (10) que poderia ser usado de acordo com a presente invenção. Especificamente, proporciona-se um material de enchimento (ou um pré-molde (l) num molde ou recipi^ ente (2) substancialmente não reactivo com os componentes.

Proporciona-se um metal da matriz (ρ) θ aquece-se acima do seu ponto de fusão em condições que permitem que se verifique a infiltração espontânea, como se discute com mais pormenor mais adiante. Quando o metal da rnatriz começa a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde, forma-se um compósito com matriz de metal (4) (por exemplo, se se deixar arrefecer o metal da matriz, pelo menos a porção (à) compreenderá um compósito com matriz de me ta1) .

Numa primeira forma cie realização preferida da presente invenção, proporciona—se um excesso de metal da matriz (3), de modo que quando se completar a infiltração espontânea, fica uma carcaça de metal da matriz não infiltrada.

Como se ilustra na fig. lb, o compósito com matriz de metal ainda fundido é misturado com metal da matriz em excesso por meio de um agitador (5)» de modo que se dispersa o material de enchimento infiltrado no metal da matriz adicional, para formar uma suspensão. 0 agitador (5) pode ser qualquer aparelho convencional de agitação, incluin do meios mecânicos de agitação, meios ultrassónicos de agita^ ção ou agitação manual. A agitação continua durante la 15 minutos e, de preferência, durante 10 a 15 minutos, ou até obter uma mistura homo énea (7)» completamente dispersa como se ilustra na fig. ic.

A agitação faz-se de preferência às tempera, turas do processo de infiltração espontânea (discutidas adiante) para impedir o endurecimento do compósito antes de se completar a dispersão da mistura. Essa agitação pode ser feita, por exemplo, por meio de dispositivos de agitação sus pensos proporcionados no forno. Em alternativa, se a agitação não fôr realizaria à temperatura do processo, devem adoptar-se procedimentos para evitar o arrefecimento prematuro, incluindo o uso de aparelhos de agitação aquecidos e vasos de contenção bem isolados, etc.

Depois de obter a dispersão completa, pode vazar-se a mistura dispersa, como se ilustra na fig. lb, num molde, para formar um corpo com uma carga de partícula menor que a que pode obter-se de outro modo por meio de infiltração espontânea. Pode usar-se qualquer molde convencional, tais como moldes de coquilhas para moldação de presição pelo processo de cera perdida, moldes de coquilhas divididas, moldes de peças múltiplas, moldes reutilizáveis ou outros análogos. Os moldes são, de preferência, aquecidos para re tardar o arrefecimento do compósito disperso, para maximizar os tempos de vazamento e a trabaIhabi1idade do compósito dis perso. Em alternativa, podem utilizar-se moldes à temperatu ra ambiente ou moldes arrefecidos, por exemplo, uma placa de refrigeração de cobre, se se desejar um arrefecimento mais rápido numa aplicação particular.

Numa outra fornia de realização, o recipiente no qual se dispersa o compósito tem uma forma correspondente à forma final desejada do corpo a formar. Consequentemente, em vez de vazar a suspensão de material de enchimento e do metal da matriz, deixa-se arrefecer a mesma no recipiente, de modo que o recipiente desempenha a função de molde. Em alternativa, pode deixar—se arrefecer a suspensão e depois reaquecê-la acima do seu ponto de fusão e vazá-la ou moldá-la para o processamento ou modelação poste riores. Além disso, a suspensão pode ser vazada num molde para formar um corpo intermediário, por exemplo, um lingote, que pode depois ser usado como precursor para o processamen to ulterior.

compósito resultante das formas de realização anteriores apresenta as propriedades altamente desejáveis associadas com outros compósitos infiltrados espontânea mente. Além disso podem obter-se cargas de partículas menores, por exemplo da ordem de 5 a 40 por cento, em volume, usando os processos de dispersão segundo a presente invenção.

Xurna outra forma de realização da presente invenção, não se utiliza um excesso de metal da matriz como na fig. la. Pelo contrário, infiltra-se espontaneamente um leito de material de enchimento ou um pré-molde e deixa-se arrefecer. Reaquece-se depois o compósito com metal de matriz infiltrado, e dispersa-se no mesmo metal da matriz adicional, de acordo com os procedimentos atrás discutidos, para criar um compósito com matriz de metal com uma pequena carga de partículas. Em alternativa, o metal da matriz adicional pode ser adicionado enquanto o metal da matriz no com pósito infiltrado está ainda no seu estado líquido de transição .

segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional pode, em todas as formas de realização anteriores, ser uma composição igual análoga ou bastante diferente da do metal da matriz que se infiltrou espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde. Pelo uso de um primeiro e um segundo metais da matriz diferentes, pode variar-se a matriz de metal interligada tridimencionalniente resultante do compósito com matriz de metal, para proporcionar qualquer de utna certa variedade de ligas ou compostos in-

- 3^ termetalicos parà se adaptar a uma aplicação particular. Como consequência, podem pré-determinar-se as propriedades químicas, eléctricas, mecânicas e outras, desejadas para se adaptarem a uma aplicação particular. 0 segundo metal da matriz é, de preferência, um metal miscível com o primeiro metal da matriz.

segundo metal da matriz pode ser introdu zido de muitas maneiras diferentes. Com referência à fig. la, o metal da matriz (3) poderia ser uma liga fundida de fases múltiplas, com camadas estratificadas constituídas na sua superfície adjacente a interface com o material de enchimento por um primeiro metal da matriz, mas tendo na sua extremidade superior um segundo metal da matriz. 0 primeiro metal da matriz pode ser, por exemplo, rico em intensificador da infiltração e/ou em precursor do intensificador da infiltração. Depois de o primeiro metal da matriz se infil_ trar espontaneamente, pode misturar-se o segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional à suspensão, de acordo com a fig. lb.

Em alternativa, o segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional pode ser vazado ou adicionado na sua forma sólida e liquefeita, depois de se verificar a infiltração espontânea. Além disso como atras se discutiu, pode formar-se um compósito com matriz de metal e arrefecer-se e, numa fase ulterior do processamento, reaquecer-se o compósito e dispersar-se o segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional na suspensão.

A fim cie efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um in tensificador 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 (l) no metal da matriz; e/ou (2) no pré-molde e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (à) 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 intensif_i cador de infiltração directamente no pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. ^'inalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento. Numa forma de realização preferida é possível que o precursor de intensificador de in filtração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificador da infiltração pode ser formado em pelo menos uma porção do material de enchimento, antes muito próximo do material de enchimento com o metal da matriz (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intensificador de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificador de infiltração po_ deria ser o nitreto 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 de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto.

Especifica36

mente, um metal da matriz de alumínio pode estar contido ou dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material de enchimento, quando o alumínio fundir. Um material de enchimento pode depois disso, ser posto em conta_c to com o metal da matriz de alumínio fundido. Nas condições do processo, o metal da matriz de alumínio é induzido a infiltrar-se no material de enchimento espontaneamente.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o material de enchimeii to devem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchimento num dado instante durante o processo e/ou entre em contacto com o metal c!a matriz fundido. Além disso, o pré-molde pode adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o pré-molde impregnados com azoto seja infiltrado espontaneamente com metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que o azoto reaja com um precursor do intensificador da infiltração para formar o intensificador da infiltração no pré-molde dando assim origem à infiltração espontânea. A extensão da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições de processo, incluindo o teor de magnésio ou de nitreto de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio ou de nitreto de magnésio do material de enchimento a presença de elementos de liga adicionais por

exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias dos materiais que constituem o material de enchimento (por exemplo o diâmetro das partículas), a condição de superfície e o tipo de material de enchimento, da atmosfera infiltrante o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. 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. Ele mentos de liga auxiliares como atrás se mencionou, também podem estar incluídos no metal da matriz para nela obter pro priedades específicas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir â infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde.

Aperda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido, _tor exemplo, â volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador de infil tração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será afectada de maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio quer no pré-molde quer no metal da matriz ou apenas no pré-molde pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração es38 pontânea (examinado com mais pormenor mais adiante).

ζA percentagem em volume, de azoto na atmos fera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera infiltrante, verificar-se-á uma infil tração espontânea muito lenta ou reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uina velocidade de infiltração muito maior. A atmos fera infiltrante,(por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou 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 en chimento 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, o teor de azoto da atmosfera e a velocidade com que a atmos fera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter urna infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga 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 rnais baixas. Por exem pio, um teor de magnésio no metal da rnatriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de la 3 por cento, em peso, pode ser usado em conjunto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de proces sarnento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, ou um ou rnais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao pré-molde são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilização geral, numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento quando 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.

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 ma^i nésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substancj. almente qualquer infiltração de alumínio normalmente puro formando liga coin apenas 10 por cento de silício a 1000°C num leito de 39 Crystolon (carboneto de silício puro a 99?’» da Norton Co.) com granulometria de 500 niesh. Mas na presen ça de tnagnésio, verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pre-molde

4ο

ou material de enchimento.

Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quuantidade 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 for mação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo com pósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de car boneto de silício, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de 1 $, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto sub_s tancialmente puro, se infiltra espontaneamente o metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceifável é ligeiramente maior. Especificamente verificou-se que, quando um pré-molde de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se in filtrou num pré-molde de carboneto de silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários pelo menos cerca de 3 $, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz-se também notar que e possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de

- 4l infiltração 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 neces sário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magné sio 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 pos sível que se utilize uma certa combinação da aplicação na quperfície da formação da liga e da colocação do magnésio em pelo menos uma porção do pré-molde. Essa combinação da aplicação de intensificador(es) de infiltração e/ou precursoras) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio da matriz no pré-molde, bem como a obtenção de tem peraturas mais baixas a que se verifique a infiltração.

Além disso, poderia também minizar-se a quantidade de compostos intermetálicos indesejáveis formados devido a presença de magnésio.

uso de um ou inais elementos de liga auxi

- 42 liares e da concentração de azoto no gás circundante também afecta a extenção de nitretação do metal da matriz a uma dada temperatura. Por exemplo, pode 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 tende também a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequenternen te, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio <' posto directamente ern contacto com o material de enchimento pode ser preferido incluir na liga menos cerca de 3 por cento, eru peso, de mag nésio. Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do processo mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltração espontânea segundo a pre sente invenção pode ser mais baixa: (l) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo me nos 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) quando estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro. A temperatura também pode variar com diferentes

- 43 materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-á infiltração espontânea progressiva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675°C e, de preferência a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 75O°C-8OO°C. Além disso, a possibilidade de um vazamento satisfatório da suspensão resultante, depois de o segundo metal da matriz ter sido disperso pode obter-se a temperatura de 800°C ou superior possivelmente inferior, ou próximo dessas temperaturas conforme a natureza da suspensão. A capacidade de vazamento não melhora necessariamente quando a temperatura aumenta. Temperaturas geralmente acima de 1200°C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil, uma gama de temperaturas de cerca de 675°C a cerca de 1200°C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mais abaixo da temperatura de volati lização do metal da matriz. Alem disso, a temperatura de infiltração espontânea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda â medida que se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto pode formar-se nitre to de alumínio). Um tal produto da reacção pode ser desejável ou indesejável, conforma a aplicação pretendida do corpo compósito com matriz de metal. Adicionalmente, utiliza-se t_i picarnente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de

aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitjí vel para utilizar na presente invenção.

No presente processo, por exemplo, uma massa de material de enchimento entra em contacto com alumínio fundido na presença de pelo menos um gás contendo azo to, em algum momento durante o processo. 0 gás contendo azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o material de enchimento e/ou o metal da ma triz de alumínio. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítico, é preferível que esse caudal seja sufici ente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido a formação de nitreto na matriz de liga, e também para impedir ou inibir a incursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchimento, dependendo a escolha do materi al de enchimento de factores tais como a liga de matriz, as condições do processo, a reactividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Poi exemplo, quan do o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício (c) boretos, por exemplo, dodecarboreto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio

Se houver uma teni dência 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 propor cionando 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 degradação. Os revestimentos cerâmicos adequados incluem óxidos, carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carbonete de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fi bras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamentos contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos. A alumina e o carboneto de silício ambos proporcionam suspensões sati_s fatérias quando neles se dispersa um segundo metal da matriz ou metal da matriz adicional segundo a presente invenção. Como se discute com mais pormenor nos exemplos, verify cou-se que o carboneto de silício é mais fácil de vazar do que a alumina após a dispersão numa suspensão.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana Xo. 713 3^0 intitulada Novel Ceramic Materials and Mathods of Making

- 46 Same publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de Marc. S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração de sejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Além disso, os corpos de alumina triturada fei tos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário No. 819 397, intitulado Composite Ceramic Articles and Methods of Making Same em nome de Marc S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de infiltra, çâo desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente copendente aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração menores utilizando no corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo pr<o cesso do pedido de patente e da patente americana atrás men cionado s.

As dimensões e a forma do material de en chimento podem ser quaisquer necessárias para obter as propriedades desejadas no compósito. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, pia. quetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma de material de enchimento. Outras formas, tais como esferas, túbulos, paletes, tecido de fibras refractárias e similares podem ser usadas. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltração, embora possa ser ne-^7cessários uma temperatura tnais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além di_s so, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, per meável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infiltrante) processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção, por não estar dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundido num pré-molde ou numa massa de material de enchimento, permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme, com uma alta percentagem em volume, de material de enchimento e baixa porosidade, podem conseguir-se percentagens, em volume, de material de enchimento maiores utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Podem obter-se percenta gens,em volurne, tambérn maiores, se a massa de material de enchimento for compactada ou de outro modo se aumentar a sua densidade, desde que a massa não seja convertida num corpo compacto com porosidade de células apertadas ou numa estru tura completamente densa que impediria a infiltração pela liga fundida. Por meio da dispersão de um segundo metal da matriz segundo a presente invenção, podem também obter-se percentagens, em volume, ou cargas de partículas baixas. Consequentemente, pode obter-se uma ampla faixa de cargas de partículas ao mesmo tempo que ainda se obtêm as vantagens e propriedades de processamento associadas à infiltra ção espontânea

Foi observado que para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimen to cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, as temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretaçâo despresível 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 permeável a nitre tação do metal. Pode assim controlar-se a quantidade da fase de nitreto da matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento â qual se verifica a infiltração. A temperatura de processamento específica â 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 enchimento 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 consti tuição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do pro cesso para controlar a formação de nitreto. Um produto com

- ^9 -/

V .

pósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperatu ras 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 referência exceder cerca de 1000°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 a liga de alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento.

Além disso, é possível usar um reservatório de metal da matriz para assegurar a infiltração completa do material de enchimento e/ou fornecer um segundo metal,que tem uma composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar uni metal da matriz no reservatório com uma com posição diferente da da primeira fonte de metal da matriz.

Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então usar-se substancialmen te qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu â temperatura de processamento como metal do reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura de metal do reservatório

cor a primeira fonte de metal da matriz, desde que desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reservatório com composição diferente da 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, pró-determinar as propriedades do compósito com matriz de metal.

Pode ut.ilizar-se também um meio de barreira em combinação com a presente invenção. Podem ser necessários meios de barreira adequados no recipiente 2 no qual se verifica a infiltração inicial bem como em qualquer molde em que a suspensão dispersa deva ser vazada. Especificamente, 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 da matriz fundida (por exemplo, uma liga cie alumínio) para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, compo_s to, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa inty gridade, não é volátil e, de preferência, 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.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal da matriz fundida que migra, nos condições do processo usadas. Uma lareira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedin do-se ou inibindo-se o movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento ou pré-rnolde por meio da barreira. Λ barreira reduz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários do produto compósito com matriz de metal. Como atrás se mencionou a barreira deve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio de furos, para permitir que o gás contacte com a liga da matriz fundida.

Parreiras adequadas particularmente utilizáveis para as ligas de matriz de alumínio são as que contêm carbono, especialmente a forma alotrópica cristalina de carbono conhecida como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga de alumínio fundida, nas condições de :T'icesso descritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto de fita de grafite que é vendida sob a marca comercial Grafoil ® , registada pela Union Carbide. Esta fita de grafite apresenta características de vedação que impedem a migração de liga de alumínio fundido para além do limite de superfície definido do material de enchimento. Esta fita de grafite é também resistente ao calor e química, rrmnte inerte. 0 material de grafite Grafoil θ é flexível, compatível, moldável e elástica. Pode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da barreira.

Contudo, o meio de barreira de grafite pode ser empregado como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma peLÍcula de tinta em torno de e no limite do material de enchimento ou pré-molde. Grafoil ® é particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento ou pré-molde.

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto são os boretos de metal de transição (por exemplo, diboreto de titânio TiB_o)), que são em geral não molháveis pela liga de metal de alumínio fundido em certas condições do processo empregadas usando esse material. Com uma barreira deste tipo, a temperatura do processo não deve exceder cerca de 875°C, pois de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verificarido-se de facto, que o aumento da temperatura, a infiltração na barreira. Os boretos de um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma de partículas (l-30 micrómetros). Os materiais de barreira podem ser aplicados com uma suspensão ou pasta nos limites da massa permeável de ma terial de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldado como um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis para ligas da matriz de metal de alumínio em azoto incluem compostos orgânicos de pequena volatilidade aplicados como uma película ou camada na superfície externa do material de enchimento ou pré-molde. Mediante a cozedura em azoto, especialmente nas condições de processo da presente invenção, o composto orgânico decompõe-se, deixando uma película de fuliger de carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicado por meios convencionais tais como, pintura, pulverização, imersão, etc.

Além disso, materiais em partículas finamente triturados, podem funcionar como barreira, clesde que a infiltração do material em partículas se verifique com uma ve locidade menor do que a taxa de infiltração do material de enchimento.

Assim, o meio de barreira pode ser aplicado por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite de superfície definido com uma camada do meio de barreira. Essa camada de meio de barreira pode ser aplicada por pintura imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de barreira sob a forma de líquido, suspensão ou pasta, ou por deposição de um meio de barreira vaporizável, ou simplesmente pela deposição de uma camada de meio de barreira sólido, em partículas ou peia aplicação de uma folha fina sólida ou película de meio de barreira no limite de superfície definido. Com o meio de barreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração do metal da matriz atingir o limite de superfície definido e en trar em contacto com o meio de barreira.

Nos exemplos que se seguem imediatamente estão incluídos varias demonstraç~cs da presente invenção. Contudo, osses exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos e não como limitativos do escopo da presente in- 5 4

Λ.

venção, como e definido nas reivindicações anexas.

Exemplos 1 a 4

Os Exemplos se.guintes ilustram infiltrações espontâneas de um material de enchimento com um metal da matriz e a dispersão subsequente do metal da matriz adicional para se obter uma suspensão corrple tamen te dispersa, homogénea e susceptível de ser vazada, com uma carga de partículas substancialmente menor do que no composito não disperso infiltrado espontaneamente.

A Figura 2 ilustra esquematicamente a mon tagem para os Exemplos 1 e 2. As experiências para os Exemplos 1 e 2 foram realizados simultaneamente e lado-a-lado. Para ambos os Exemplos 1 e 2, forrou-se um recipiente (lOl) de aço inoxidável 3l6, com 15,24cm(6) de diâmetro e 11,63 cm (h,5) de altura, com Permafoil , que funcionou como recipiente não reactivo para infiltração espontânea.

No Exemplo 1, proporcionaram-se cerca de 300 g de material de enchimento (l02), constituído por- uma mistura de carboneto de silício (39 Crystolon, 1000 grit, de Norton Cotnpany) e cerca de 2 por cento de magnésio (32p mesh) foram proporcionados. Colocou-se um lingote (lC3) dc cerca de Ó00 g de uma liga de alumínio contendo aproximadamente 12 por conto, em peso, de silício, cerca de 3 por cento, em peso, de zinco e cerca de 6 por cento, cm peso, de magnésio (A.1-12Si-5Xn-6>!g) no topo do material de enchimento (l02). Colocou-se uma camada de pó de magnésio de pO mesh na interface

entre o material de enchimento (l02) e o lingote (l03).

No Exemplo 2, proporcionaram-se cerca de 300 g de material de enchimento (ΐθ4), constituído por uma mistura de aiumina (EÓ7 Alundum, 1000 grit, da Norton Company) e 5 por cento, em peso, de magnésio (325 mesh). Colocou-se um lingote (105) de cerca de 600 g de uma liga normalizada de alu mínio (520) (contendo 10 por cento de magnésio), no topo do material de enchimento (l04). Mais uma vez colocou-se uma ca mada de magnésio de 50 mesh na interface entre o material de enchimento (104) e o lingote (105).

Colocaram-se os dois recipientes de aço inoxidável (lOl) num recipiente (ΐθ6) de aço inoxidável (316) de 35,56 cm (l4) de comprimento por 20,32 cm (8) de largura por 17,78 cm (7) de altura que foi tapado com uma folha de cobre (l08). Colocou-se urna camada de Fiberfrax (R) (McXeil Refractories, Inc.) no fundo do recipiente (l06) para isolar os recipientes mais pequenos (lOl) do fundo do pavimento do forno. Colocou-se uma esponja de titânio (109) ao longo do fundo do recipiente maior para absorver qualquer oxigénio que pudesse entrar no sistema.

Utilizou-se uma relação de 2:1 (em peso) de metalda matriz para o material de enchimento nos Exemplos e 2 para assegurar que havia um excesso de metal da matriz adicional depois de se completar a infiltração espontânea. Escolheu-se a relação de 2:1, após a dispersão, para criar uma carga de 33 por cento (em peso) de partículas em relação ao metal da matriz.

-56r /

Colocou-se depois o conjunto (lOO) num forno atravessado por azoto através da entrada (lio), e aqueceu-se a temperatura ambiente até cerca de 800°C durante um período de tempo aproximadamente 2 horas, com passagem de gás azoto com um caudal de cerca de 2,5 l/min, durante aproximada mente 2 horas, até se completar substancialmente a infiltração espontânea.

Retiraram-se depois recipientes (lOl) con tendo os compósitos infiltrados espontaneamente do forno a 800°C e agitaram-se imediatamente, manualmente, no ar, durante 2-3 minutos, com uma vara de agitação de alumina, que tam bém tinha sido aquecida até à temperatura do forno.

Ambos os compósitos se misturaram bem. Va zaram-se depois as suspensões resultantes num molde de estrutura quadrada de aço inoxidável de 12,7 * 1a,7 cm 5(5x5)> colocado numa placa de refrigeração de cobre, através da qual circula água à temperatura ambiente (22°C).

A suspensão produzida de acordo com o Exemplo 1 (material de enchimento de carboneto de silício) vazou-se bem e preencheu-se a forma do molde. A suspensão pro duzida de acordo com o Exemplo 2 (material de enchimento de alumina) vazou-se como uma massa informe, mas mostrou características para modelação e extrusão. Ambos os Exemplos demonstraram a aplicabiliHarle do processo de dispersão segundo a presente invenção para converter com.ósitos com matriz de ' etal não susceptíveis de ser moldados nem vazados com cargas de partículas da ordem de 50 por cento, num compósito sus

ceptível de ser vazado de 30 por cento.

com uma carga de partículas da ordem

As experiências dos Exemplos 1 e 2 foram repetidas de maneira análoga constituindo os Exemplos 3 θ 4, respectivamente, excepto que foi utilizada uma temperatura de ajustamento do forno de 85O°C numa tentativa para tornar os compósitos (por exemplo, as suspensões) mais susceptíveis de ser vazados.

A suspensão do Exemplo 3 foi mais difícil de agitar e de vazar que a suspensão do Exemplo 1. Esta menor susceptibi1idade de agitação e de vazamento pode no ρω canto ter o resultado de uma infiltração espontânea antes da mistura mais completa no Exemplo 3 do que no Exemplo 1, dando origem a um melhor molhamento das partículas. C Exemplo 4 não mostrou qualquer mudança na capacidade de vazamento, em comparação com a suspensão da matriz e o material de enchimento de alumina do Exemplo 2.

Claims

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

proporcionar um material de enchimento substancialmente não reactivo;

infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento de inetal da matriz fundido; e fornecer metal da matriz adicional ao material de enchimento infiltrado espontaneamente.

2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de urna atmosfera infiltrante comunicar com o material de enchimento e/ou o metal ria matriz durante pelo menos uma porção rio período de infiltração.

3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento e à atmosfera infiltrante.

4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um pre cursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento.

5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração sereni fornecidos por uma fonte externa.

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 um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração, durante pelo menos uma parte do período de infi1 tração.

7. - Processo de acordo com a reivindicação 3,

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caracterizado pelo facto de o intensi f icador' da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificadoí' da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.

8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precuisor de intensificador da infiltração se volatilizar.

9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o pi'ecursor de i n t en s i f i c ador da infiltração volatilizado reagir para formar um produto da reacção pelo menos numa porção do material de enchimento.

10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcial ente redutível pelo metal ria matriz fundido.

11. - Processo de acordo com a reivindicação 10. carac terizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos unia porção rio material de enchimento.

12. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender um pré-mo Ide.

13. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infi1trando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.

14. - Processo de acordo racterizado pelo facto de a barreira lhido no grupo formado pelo carbono, titânio.

com a reivindicação 13, cacompreender um material esco a grafite e o diboreto de

15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, catado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.

16. - Processo de acordo com a reivindicação 13, carac terizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material 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 .

17« - Processo de acordo com a reivindicação 1, crtrac terizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo partículas, mantos de fibras, fibras túbulos e tecidos refractários.

18. - Processo de acordo terizado pelo facto de o material de menos um material escolhido no grupo formado por pos, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, cortadas, esferas, grânulos, com a reivindicação 1, carac enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.

19. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.

20. - Processo de acordo com a reivindicarão 2, cara£ terizado 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.

21. - Processo de acordo com a reivindicação 2, carac terizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.

Processo de acordo com a reivindicarão 1 carac /

terizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração ser proporcionado num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.

23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o precursor de intensificador ria infiltração formar uma liga com o metal da matriz.

a reivindicação 1, carac compreender alumínio e no grupo formado pelo crómio, o zinco, o c á124. - Processo de acordo com terizado pelo facto de o metal da matriz pelo menos um elemento de liga escolhido silício, o ferro, o cobre, o manganês, o cio, o magnésio e o estrôncio.

25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador de infiltração e/ou o intensificador de infiltração ser proporcionado quer no metal da matriz, quer no ma terialde enchimento.

26. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração ser proporcionado no metal da matriz, e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltrante.

27. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura durante a infiltração espontânea ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior a temperatura de volatilizaçSo do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.

28. - Processo de acordo com a reivindicação 2, carac terizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.

29. - Processo de acordo terizado pelo facto de o precursor de ção compreender um material escolhido sio, o estrôncio e o cálcio.

com a reivindicação 3, caracintensificador ria infiltrano grupo formado pelo magné70. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado 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 nitre tos.

31. - Jrocessn de acordo com as ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da fornecido depois dc se ter substanc j a 1 rncn te ção espontânea do material cie enchimento .

reivindicações 1, 3 matriz ariiconal ser completado a infiltra65

3·2 . - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz adicional ter uma composição diferente do metal da ma triz fundido, que se infiltra espontaneamente no material de enchimento.

33. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz adicional ter uma composição similar à do metal da matriz fundido que se infiltra espontaneamente no material de enchimento.

34. - Processo de acordo com as rei\indicacões 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz adicional com preender metal da matriz fundido em excesso que não foi usado para infiltrar o metarial de enchimento.

35· - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de compreender ainda as fases de arrefecer o material de enchimento infiltrado espontaneamente e depois o re aq u e c i me n t o do material de enchimento infiltrado espontaneamente antes do fornecimento do referido metal ria matriz adicional.

36. - Processo fie acordo com a reivindicação 1, carac terizado pelo facto de o material de enchimento substancia 1mente não reactivo ser proporcionado num molde que se adapta suistancial mente a fornia final do compósito com matriz de metal.

37. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 on 4, caracterizado pelo facto de o metal da matriz adicional e o material de enchimento infiltrado espontaneamente formarem uma sus pensão.

38. - Processo dc acordo com a reivindicação 37, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de vazar a susiensão num molde que corresponde substancialmente à forma final do composito com matriz de metal.

39· - Processo de acordo com a reivindicação 37, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de vazar a suspensão num molde que corresponde a uma forna intermédia e efectuar o processamento subsequente da forma intermédia para se obter um corpo compósito com matriz de metal com a forma final.

40. - Processo de acordo coin as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o compósito com matriz de metal ter uma carga de partícula de cerca de 5 a cerca de 4o por cento em vo 1 ume .

71. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto dc o compósito com matriz de metal ter uma carga de partícula de cerca de 5 3 cerca dc 20 por cento, em volume.

42. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz fundido ter várias ca marias estratificadas, compreendendo pelo menos uma das camadas estratificadas um metal da matriz adicional.