PT92253B - Processo para proporcionar um meio de encaminhamento e produtos produzidos por esse processo - Google Patents

Description

A presente invenção refere-se ao uso ae meios de encaminhamento em combinação com um processo de infiltração espontânea de um metal para produzir um corpo compósito com matriz ae metal. Em particular, uma massa permeável ou um pré-molde de material de encnimento é infiltrado espontaneamente por metal da matriz fundido para formar um corpo compósito com matriz ae metal. Um intensificaaor da infiltração e/ou um precursor ao intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o material ae encnimento ou o pré-molae, pelo menos num dado instante durante o processo, para permitir que o metal de matriz fundido se infiltre espontânea mente no material de enchimento ou no pré-molde. Além disso, proporciona-se um meio de encaminhamento que controla ou limita o contacto ae superfície entre o metal da matriz fundido e o material ae enchimento ou o pré-molae. O uso de meios de encaminhamento proporciona o controlo da quan-

tidade de metal da matriz que pode contactar com o pré-molde ou material de enchimento. Esse contacto superficial limitado ou controlado poae conduzir a uma menor necessidade de maquinagem de um corpo compósito com matriz ae metal formado, quando comparada com um corpo compósito com matriz ae metal análogo feito sem os meios ae encaminhamento. Além disso, o uso de meios de encaminhamento melhora a tendência de um corpo compósito com matriz de metal formado para se enrolar devido ao contacto entre o corpo compósito formado e a carcaça de metal aa matriz. Esse enrolamento poae ser mais importante em corpos compósitos com matriz ae metal ae grandes dimensões.

Fundamento aa invenção:

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz ae metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como partículas, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase ae reforço com a ductilidade e a tenacidade aa matriz ae metal. Em geral um compósito com matriz de metal apresentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste aeviao ao contacto e a retenção aa resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade aaaa poae ser melhorada depende grandemente aos constituintes específicos, da sua

percentagem em volume ou em peso e aa maneira como eles são processados na modelação ao compósito. Em alguns casos, o compósito poae também ser mais leve que o metal aa matriz em si. Os compósitos com matriz ae alumínio reforçaaos com cerâmicas, tais como, carboneto ae silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse aevido às suas maiores firmeza, resistência ao desgaste e resistência a temperaturas elevadas, em comparação com o alumínio.

Têm sido descritos vários processos metalúrgicos para a fabricação ce compósitos com matriz ae alumínio, incluindo processos baseados na técnica ca metalurgia dos pós e nas técnicas ae infiltração ae metal líquiao, que empregam a molaação sob pressão, a moluação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia aos pós, o metal sob a forma ae um pó e o material ce reforço sob a forma ae um pó, filamentos emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensauos a quente. A percentagem máxima, em volume, ae cerâmica nos compósitos com matriz ae alumínio reforçaaos com carboneto ae silício proauziaos por este processo tem sido inaicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca ae 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em partículas.

A produção ae compósitos com matriz ae

metal pelas técnicas cia metalurgia dos pós utilizando os processos convencionais impõe certas limitações relativamente às características dos proautos que poaem 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 ao produto relativamente simples sao possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, moaelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas complexas. Também, poae verificar-se a contracção não uniforme durante a sinterização, bem como a não uniformidaae aa microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento ae grãos.

a patente norte-americana N2 3.970.136, con cecida em 20 ae Juino ue 1976, a J.C. canneil e outros, aescreve um processo para a modelação ae um compósito com matriz ae metal que incorpora um reforço fioroso, por exem pio filamentos emaranhaaos ae carboneto ae silício cu ae alumina, com um paarão pré-aeterminaao aa orientação das finras. 0 compósito é feito colocando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num molde com um reservatório de metal aa matriz fundiao, por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão para forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver as fibras orientadas. O metal fundido poae ser vazaao na pilha ae mantos enquanto é forçado sob pressão (

a circular entre os mantos. Têm siao referidas cargas até cerca ce 50%, em volume, ce fibras ce reforço no compósito.

processo ae infiltração atrás aescrito, tendo em vista a sua aependência da pressão externa para forçar o metal aa matriz fundido através da pilha ae mantos ae fibras, está sujeito aos caprichos aos processos ae 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 fundiao possa ser introduzido numa multipliciaade de locais no interior ao agregaao fibroso. Consequentemente, é neces sário proporcionar agregados de mantos/reservatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a penetração adequada e uniforme aa pilha de mantos ae fibras. Também, o processo ae infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo aa percentagem, em volume da matriz, aevido à dificuldade inerente à infiltração ae um grande volume ae mantos, mais ainaa, são necessários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo ao processo. Finalmente, o processo atrás citaao, limitado á infiltração ae partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz ae alumínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, filamentos ou fibras orientados aleatori amente.

Na fabricação de compósitos com matriz ae alumínio e carga ae enchimento de alumina, o alumínio não

ο molha facilmente a alumina, tornando assim difícil formar um produto coerente. Várias soluções têm siao sugeridas para esse proalema. Uma aessas soluções consiste em revestir a alumina com um metal (níquel ou tungsténio) que é depois prensado a quente juntamente com o alumínio. Numa outra técnica, o alumínio forma uma liga com lítio e a alu mina pode ser revestida com silica. Contuao, esses compósitos apresentam variações nas proprieaaaes, ou os revestimentos podem aegraaar o material de enchimento, ou a matriz contém lítio, que pode afectar as propriedaaes aa matriz.

A Patente norte-americana N? 4.232.091, con cedida a R.w. Grimshaw e outros, vence certas dificulaaaes técnicas encontradas na produção ae compósitos com matriz ae alumínio e alumina. Essa Patente aescreve a aplicação 2 ae pressões ae 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundiuo (ou a liga de alumínio fundiaa) num manto ae finsas ou de filamentos emaranhados ae 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 0,25/1. Devido à sua oepenaencia aa força externa para realizar a infiltração, este processo está sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannen e outros .

A publicação ao peaiao ae patente europeu N5 115.742 aescreve a fanricação de compósitos ae alumina-alumínio, especiaimente utilizáveis como componentes ae

pilhas electrolíticas, pelo preenchimento cios vazios ae uma matriz ae alumina pré-molctacta com alumínio funclicto.

pecido ae patente faz realçar a não molhabilidade aa 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 ae titânio, ce zircónio, de háfnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cooalto, níquel, zircónio ou háfnio. Utilizam-se atmosferas inertes, tais como ce árgon, para facili tar o molhamento. Esta reterência mostra também a aplicação ae pressão para fazer com que o alumínio funaido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizaaa evacuando os poros e aplicanao aepois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exempio de árgon. Em alternativa pode infiltrar-se o pré-molae por aeposição ae alumínio em fase ae vapor, para molhar a superfície antes ae preencher os vazios por infilteação com alumínio fundido. Para assegurar a retenção ao alumínio nos poros ao pré-molae, é necessário um tratamento térmico, por exempio a ±400 a ±800° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição Co material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção aa pressão ae infiltração causará uma perda ce alumínio do corpo.

uso ce agentes molhantes, para efectuar a infiltração de um componente ce alumina Ce uma pilha electrolítica com metal fundido é também apresentado no

pedido de patente europeu Ne 94353. Esta publicação descre ve a produção ae alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substracto da célula, a fim ae proteger este substracto aa criolite fundida aplica-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substrato de alumina antes ao arranque aa célula ou enquanto mergulha no alumínio fun diao produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados sao o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magnésio, o vanádio, o crómio, 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 soluoilidade aos agentes molhantes no alumínio fundiao. 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.

f

Além aa aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicacto auxiliará a penetração de alumínio fundiao num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana Ne 3 718 441, conceaicta em 27 de Fevereiro ae 1973 a R.L. Lanaingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxiao ae berílio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos ae 10 torr. Um vácuo de

1O^_2 _a ιο~⁶ torr teve como resultaao um molhamento insuficiente ae cerâmica pelo metal fundiao até o ponto ce o metal não fluir livremente para o interior Cos espaços vazios aa cerâmica. ContuCo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se recuziu o vácuo para menos ce 10 torr.

A patente americana Ns 3.864.154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975, a G.E. Gazza e outros, tamoém mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração.

Esta patente descreve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó ae AlB-^ num leito de pó Ce alumínio prensado a frio. Colocou-se depois alumínio adicional no topo do pó de AlB^· Colocou-se o cadinho, carregado com compacto de AlB^ ensancuichado entre as camadas ae pó de alumínio, num forno no vácuo. O forno foi evacuado até -5 aproximacamente 10 torr, para permitir a saida dos gases. Elevou-se aepois a temperatura até 1100° C e manteve-se durante um período ae 3 horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto ae Alb^ poroso.

A patente americana N² 3.364.976, concedida em 23 ae Janeiro ae 1968, a John N. Recing e outros, apresenta o conceito de criação ae um vácuo autogeraCo num corpo para intensificar a penetração de um metal funaiao no corpo. Especificamente, descreve-se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molae de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso ce um molae, a cavidade ao molae, que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comunica com o metal fundido situado exteriormente através ae pelo menos um orifício no molae. guando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento aa cavidade à medida que se produz o vácuo auto-geraao 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 sóliaa ao metal. Assim, Reding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contuao, utilizando um molde para criar um vácuo poae ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde. Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular, e depois acaoados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molae, aepois montados antes aa sua utilização e em seguida, aesmontados após o seu uso para remover a peça fundiaa do mesmo, seguin do-se aepois a recuperação do molae, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação da superfície do molde ou o seu aescarte se não já aceitável para ser utilizado. A maquinagem ae um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e uemoraaa. Além disso, poae ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molae ae 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 ll

a necessidade ae um molae, o material refractário teria que ser uma peça inteira porque não se tomam providências para infiltrar um material poroso separaao ou solto, sem o uso de um molae contentor (isto é, crê-se geraimente que tipicamente o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, quando colocado nám metal fundido), .'lais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré-molae formaao solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não aesloque pelo menos porções ao material em partículas ou ao pré-molae, uando origem a uma microestrutura nao homogénea.

Consequentemente, tem havido uma havido há muito sentida de um processo simples e confiável para produzir compósitos com matriz de metal moaelaaos que não dependem aa utilização de pressão ou vácuo aplicado (quer aplicado externamente, quer criaao internamente), ou agentes molhantes prejudiciais para criar uma matriz de metal emnebiaa noutro material, tal como um material cerâmico. Além aisso, tem havido uma necessidade há muito sentida de minimizar a quantidade de operações finais ae maquinagem necessárias para produzir um corpo compósito com matriz ae metal, a presente invenção satisfaz essas necessiaades proporcionanao um mecanismo de infiltração espontânea para inriltrar um material (por exemplo, um material cerâmico) que pode ser modelaao com a forma ae um pré-molae, com

metal aa matriz (por exempio, alumínio)fundido, na presença de uma atmosfera inriiurante (por exemplo, azoto) à pressão atmosférica normal, desce que esteja presente um intensificador ae infiltração pelo menos em certo instante durante o processo.

Descrição dos pecidos ce patente americanos co mesmo proprietário:

O assunto ao presente peaido ae patente está relacionado com o de diversos outros peaidos ce patente copenaentes ao mesmo proprietário. Em particular, estes outros peaidos de patente copenaentes descrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (ae aqui em aiante, por vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metálicas do mesmo proprie tário) .

Um processo novo para a fabricação ae um material compósito com matriz ae metal é apresentaCo no pecico de patente americano ao mesmo proprietário,

N- 049.171, aepositado em 13 de Maio de 1987, em nome ae White et ai e intitulaCo Metal matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo ca invenção ce white et al, um compósito com matriz ae metal é produzido pela infiltração ae uma massa permeável ae material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio funaiao contendo pelo menos cerca ae 1 por cento, em peso, de magnésio

e ae preferência pelo menos cerca ae 3 por cento , em peso, ae magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem apli. cação ae pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento cte liga ae metal functioo é posto em contacto com a massa de material ae enchimento a uma temperatura ae pelo menos cerca ae 675° C, na presença ae um gás compreenoenoo oe cerca ae 10 a 100 por cento e, ae preferência, cerca de 50 por cento ae azoto, em volume, senão o restante ao gás, se houver, um gás não oxiaante, por exemplo árgon. nestas condições, a liga ae alumínio fundido infiltra-se na massa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um compósito com matriz ae alumínio (ou liga ae alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material cte enchimento com a liga ae alumínio funoiaa, oaixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sóliaa emoeoiaa no material ae enchimento ae reforço. Usualmente e ae preferência, o suprimento de liga funoiaa fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmen te até aos limites aa massa ae material ae enchimento. A quantiaacie ae material ae enchimento nos compósitos com matriz ae alumínio produziaos ae acorao com a invenção ae white et al poae ser extraorainariamente alta. A este respeito, poaem atingir-se relações volumétricas entre o mate rial ae enchimento e a liga maiores que 1:1.

was condições ao processo na invenção ae white et al atrás mencionaaa, pobe formar-se nitreto ae ±4

alumínio como uma fase descontínua dispersa por toda matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz ae alumínio pode variar, aepenaenao ae factores como a temperatura, a composição aa liga, a composição ao gás e do material ae enchimento. Assim, controlando um ou mais desses factores no sistema é possível determinar ae antemão cerras proprie aaaes ao compósito. Para algumas aplicações ae utilização final, pode no entanto ser aesejável que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto ae alumínio.

•rem siao observado que temperaturas mais elevaaas favorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conducente à formação ae nitretos. a invenção ae White et al permite a escolha ae um equilíbrio entre a cinética aa infiltração e a formação dos nitretos.

Um exempio de aispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação ae compósitos com matriz ae metal é descrito no peaiao ae patente americano ao mesmo proprietário w2 ±4l 642, aepositauo em 7 ae Janei ro ae ±988, em nome ae nichaei K. Aghajanian et al, e ínti tulaao Method of waRing Metal Matrix Composite with the use of a Barrier. De acordo com o processo aa invenção oe Aghajanian et ai, coloca-se um dispositivo ue oarreira (por exempio, diooreto ae titânio em partícuias ou um mate rial oe grafite, tal como produto oe fita ae grafite flexí. vel vendida pela Union Carbioe com a designação comerciai Uraíoir/ num limite ae superfície definiao do material de encnirnento, e a liga da matriz infiltra-se até ao limite aefiniao pelo meio ae oarreira. O meio ae oarreira é usado para inihir, impedir ou terminar a infiltração cta liga fundiaa, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz ae metal resultante. Consequentemente, os corpos compósitos com matriz ae metal formaaos têm uma forma exterior que corresponde substanciai mente à forma interior ao meio ae oarreira.

O processo do pediao ae patente americano j\j° 049 171 foi aperfeiçoaao pe±o peaiao ae patente americano copendente e Co mesmo proprietário N2 ±68 284, depositado em ±5 de Março de 1988, em nome ae Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulaCo Metal Matrix Composites and rechniques for Making the Same. De acordo com os processos apresentauos nesse pediao ae patente americano, uma liga ae metal aa matriz está presente como uma primeira fonte de metal e como um reservatório ae liga ae metal da matriz que comunica com a primeira fõnte de metal fundido deviao por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particular, nas condições aescritas nesse pediao ae patente, a primeira fonte ae liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmos férica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte ae liga ae metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material ae enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio contínuo, a partir ao reservatório de metal ae matriz fundida à medida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado

C espontaneamente uma quantidade desejada ae material de enchimento permeável pela liga úa 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 ae metal é simplesmente uma forma de realização aa invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realização do reser vatório com todas as formas de realização alternativas da invenção nele descritas, algumas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório oe metal pode estar presente numa quantidade tal que proporciona uma quantidaae suficien te de metal para infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa extensão pré-ceterminada. Em alternativa, um meio de barreira optativo poae contactar a massa permeável de material de encnimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície.

de liga da suficiente processe as carreiras) a quantidade essa quanti quantidade

Além disso, embora o suprimento matriz fundida fornecida possa ser pelo menos para permitir que a infiltração espontânea se substancialmente até os limites (por exemplo, da massa permeável Ce material ce enchimento, de liga presente no reservatório podia exceder aade suficiente de modo que não só haverá uma suficiente de liga para a infiltração completa, como tamoém poderia ficar liga de metal fundida em excesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quan do estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resul tante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macro-compósito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz ae metal, estará ligaao directamente ao metal em excesso que fica no reservatório.

Todos os peaidos de patente de matriz de metal ao mesmo proprietário atrás examinaaos descrevem processos para a produção de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz ae metal produzidos por esses processos. As descrições completas de todos os pediaos de patente de uma matriz de metal do mesmo proprietário anteriores são aqui expressamente incorporados por referência.

Um corpó compósito com matriz ae metal é - produzido pela infiltração espontânea de uma massa permeável ae material ae encnimento ou de um pré-molae com um metal da matriz fundido. Contudo, antes da infiltração espontânea, coloca-se um meio de encaminhamento entre o metal da matriz fundido e o material de enchimento ou pré-molde que deve ser infiltrado. 0 meio ae encaminhamento funciona para controlar o contacto de superfície entre o metal da matriz fundido e o material de enchimento permeável ou o pré-molde. Esse controle pode ser usado para distriouir metal de matriz fundido para áreas preferidas de um pré-molde ou material de encnimento e/ou pode melhorar o envolvimento de um pré-molde ou material de enchimento reduzindo o contacto entre o pré-molde ou o material de encnimento e a carcaça do metal da matriz e/ou reduzir a maquinagem aa superfície necessária para proauzir um compósito com matriz de metal maquinado acaoado.

Um intensificador da infiltração e/ou um precursor do intensificador aa infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com um material ae encnimento ou um prã-ipolde, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que metal de matriz fundido se infiltre espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde.

Numa forma de realização preferida da presente invenção, pode fornecer-se um intensificador de infiltração directamente ao pré-molde e/ou ao material ae enchimento e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrance. Em qualquer caso, finalmente, pelo menos aurante a infiltração espontânea, um intensificaaor da infiltração deve estar localizaao em pelo menos uma porção ao material de enchimento ou pré-molde.

Se se colocar um meio ae encaminhamento entre pelo menos uma porção ao metal aa matriz fundiao e o material de enchimento ou o pré-molde, pode obter-se um corpo compósito com matriz ae metal melhorado. Os meios de encaminhamento apropriados incluem materiais que típica19

mente não são molháveis pelo metal da matriz fundido, nas condições do processo e/ou que podem tacilitar a remoção de uma carcaça de metal aa matriz que fique em contacto com o material ae enchimento ou o pré-molae infiltrados depois ae se completar a infiltração espontânea. Um exemplo de meio ae encaminhamento adequado para utilizar com um metal da matriz ae alumínio é um material ae grafite, tal como um produto ae grafite em tita, contendo um único orifício ou vários orifícios ou passagens através ao mesmo; o número ae orifícios, as dimensões aos orifícios e a forma dos orifícios, podem ser controlados ae qualquer maneira adequada, ae modo a obter-se um compósito com matriz de metal aperfeiçoado.

ueve notar-se que o presente peaido de patente discute principalmente metais aa matriz ce alumínio que, em aeterminaao instante aurante a formação do corpo compósito com matriz ae metal são postas em contacto com magnésio, que funciona como precursor ao intensificador aa infiltração na presença ae azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema ae metal da matriz/precursor do intensificador aa infiltração/atmosfera intiirra te de alumínio/magnésio/azoto apresenta infiltração espontânea. Um meio de encaminhamento adequado para utilizar com esse sistema compreende um material ae grafite, tal como o produto de fita de grafite vendido pela Union

Carbide sob a marca industrial Grafoil. Contudo, outros sistemas de metal aa matriz/precursor do intensificador da

X--'^s infiltração/atmosfera infiltrante podem também comportar-se ae maneira análoga à do siqtema ae alumínio/magnésio/ /azoto. Por exemplo, tem-se verificaao um comportamento ae infiltração espontânea análogo no sistema alumínio/estrôncio/azoto; no sistema alumínio/zinco/oxigénio e no sistema alumíàio/cálcio/azoto. Consequentemente, embora aqui se descreva principalmente o sistema alumínio/magnésio/azoto, deve entender-se que outros sistemas de metal aa matriz/ /precursor do intensificaaor aa infiltração/atmosfera infiltrante podem comportar-se de maneira análoga, pretenden ΰο-se que sejam aorangidos pela presente invenção. Poae escolher-se um meio ae encaminhamento adequado para utilizar com cada um aos outros sistemas ae infiltração espontânea.

Quando o metal aa matriz compreender uma liga ae alumínio, a liga ae alumínio é posta em contacto com um pré-molde constituído por um material ae enchimento (por exemplo, alumina ou carboneto de silício) ou uma massa de material de enchimento, tenao a massa ae material de enchimento ou o pré-molde com eles misturado magnésio e/ou sendo exposto ao mesmo determinaao instante aurante o processo. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga ae alumínio e/ou o pré-molde ou o material de enchimento estão contidos numa atmosfera ae azoto durante pelo menos uma partê do processo. O pré-molde será infiltraao espontaneamente, variando a extensão ou a velocidade ..da infiltração espontânea e a formação de matriz ae metal com um certo conjunto ae condições ao processo, incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exempio, na liga ae alumínio e/ou no material ue enchimento ou pré-molde e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição aas partículas no pré-molae ou material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitiao para a infiltração e/ou a temperatura a que a infiltração ocorre. Tipicamente

4/ a infiltração espontânea ocorre num grau suficiente para f

embeber ae maneira substancialmente completa o pré-molae ou o material ae enchimento.

uefinicões:

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

Gás restante não oxidante, como aqui é usaao, significa que qualquer gás presente, além ao gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redutor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer

gás oxidante que poss gás(es) usado(s) aeve da matriz em qualquer processo.

a estar presente como impureza ser insuficiente para oxidar o grau substancial nas condições no( s) metal ao

Barreira ou meios ae barreira, como aqui é usaao, significa qualquer meio adequaao que interfere, inibe, impeae ou interrompe a migração, o movimento ou similar, ae metal aa matriz funaiao para além de um limite ae superfície ae uma massa permeável do material de enchimento ou pré-molde, sendo esse limite de superfície aefiniao pelos meios de carreira. 8ão meios ae carreira apropriaaos qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integriaade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material ae carreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira.

Além aisso, os meios ae carreira apropria aos incluem materiais que são suostancialmente não molháveis pelo metal aa matriz funaiao que migra, nas condições ao processo utilizaaas. Uma carreira oeste tipo aparenta ter substancialmente pouca ou nenhuma afiniaaoe para o metal da matriz funaiao, e o movimento para além ao limite ae superfície aefinido aa massa ae material ae enchimento ou ao pré-molae é impeaido ou inibiao pelos meios ae barreira. A carreira reauz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessárias e aefine pelo menos

uma porção aa superfície ao proauto compósito com matriz ae metal resultante, a barreira pode, em certos casos, ser permeável ou porosa, ou tornada permeável, por exemplo pela abertufa ce furos ou perfuração da barreira, para permitir que o gás contacte com o metal Ca matriz fundico.

Carcaça ou carcaça de metal da matriz, como aqui é usado, refere-se a qualquer porção do corpo original ae metal Ca matriz restante, que não foi consumido durante a formação do corpo compósito com matriz de metal e, tipicamente, se se deixar arrefecer, fica em contacto pelo menos parcial com o corpo compósito com matriz de metal que foi formaao. Deve entenaer-se que a carcaça poae também incluir em si um segundo metal ou metal es tranho.

Material ae enchimento, como aqui é usaao, pretende-se que inclua quer constituintes inaividuais, 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 poaem ser proporcionados com uma ampla variedade de formas, tais como pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, etc e podem ser Censos ou porosos.

Material de enchimento podem materiais ce enchimento cerâmicos, tais como, o carboneto ce silício sob a forma ae fibras, também incluir a alumina ou fioras corta24

das, materiais em partículas, filamentos emaranhados, péro las, esferas, mantos de fioras ou similares, e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fioras ce carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original de alumínio fundiao. Os materiais ae enchimento também podem incluir metais.

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Dispositivo de encaminhamento, como aqui é usaao, significa qualquer material que, nas conoições ao processo, apresenta uma ou mais aas seguintes características: (1) é substancialmente não molhável pelo metal aa matriz fundido em relação ao material de enchimento ou ao pré-molde a ser infiltrado; (2) reauz a resistência aa ligação e/ou a quantiaade ae ligação entre a carcaça ae metal da matriz e o corpo compósito de metal da matriz infiltrado, de modo que (I) melhora o valor da tensão (por exemplo, Co envolvimento) transferiaa para o corpo compósito com matriz ae metal pela carcaça ae metal da matriz aevida k contracção por arrefecimento aiferencial entre a carcaça de metal da matriz e o corpo compósito com matriz ae metal resultante; e/ou (II) reduz a necessidade ae maquinagem necessária na superfície de um corpo compósito com matriz de metal resultante, deviao ao menor contacto entre a carcaça de metal aa matriz e o corpo compósiro com matriz de metal resultante e/ou deviao ao menor contacto entre o metal da matriz e o pré-molde ou o material de encnimento que deve ser infiltraao, enquanto se verifica a infiltração.

Atmosfera infiltrante, como aqui é usaao, 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 ao metal da matriz ocorra.

Intensificaaor de infiltração, como aqui é usaao, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espontânea ao metal aa matriz num material de enchimento ou pré-molae. Um intensificaaor de infiltração pode ser formado, por exemplo, a partir de uma reacção de de um precursor ae intensificaaor de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (1) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador oe infiltração com a atmosfera infiltranre e/ou (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com o material oe enchimento ou pré-molde.

Além aisso, o intensificaaor de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molue e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona ae uma maneira substancialmente análoga à de um intensificador ae infiltração que foi formauo como uma reacção entre o precursor ae intensificaaor ae infiltração e outras espécies. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

para obter a infiltração espontânea.

Precursor de intensificaaor ae infiltração ou precursor para o intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que, quanao usaao em combinação com o metal aa matriz, o pré-molde e/ou a atmos fera infiltrante, forma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espon taneamente no material ae enchimento ou pré-molae. Sem aesejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor de intensificaaor de infiltração possa ser posicionaao, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor ae intensificador ae infiltração interaja com a atmosfera infiitrante e/ou o pré-molae ou material ae enchimento e/ou metal aa matriz. Por exemplo, em certos sistemas ae metal aa matriz/precursor ae intensificador de infiltração/atmosfera infiitrante é desejável que o precursor ae intensificaaor de infiltração se voiatiliee na vizinhança aaou, em alguns casos, um pouco acima ua, temperatura a que o metal aa matriz funae. Essa volatilização pode levar a :(1) uma reacção do precursor de intensificaaor ue infiltração com a atmosfera infiitrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento ao material ae enchimento ou o pré-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção ao precursor ae intensificador ae infiltração com a atmosfera infiitrante para formar

um intensificaaor de infiltração sólido, liquido 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 precursor ae intensificaaor ce infiltração no interior Co material de enchimento ou co pré-molde forma que forma um intensificador ae infiltração sólido, liquido ou gasoso em pelo menos uma porção ao material de enchimento ou Co pré-molae, o que intensifica o molhamento.

Metal aa matriz ou liga ae 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 misturaao com um material de enchimento para formar um corpo compósito com matriz ae metal (por exemplo aepois da infiltração) . Quando um metal especificacio é aesignaao como metal aa matriz. Ceve entenaer-se que esse metal aa matriz,inclui esse metal como um metal essencialmente puro, um metal comercialmente disponível com impurezas e/ou elementos de liga, um composto intermetálico ou uma liga em que aquele metal é o constituinte principal ou predominante.

Sistema de metal da matriz/precursor de intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante ou Sistema espontâneo,como aqui é usado, refere-se à combinação de materiais que apresente infiltração espontânea num pré-molde ou material de enchimento, ueve entender-se que quando aparecer um / entre um metal aa matriz exem28

x»· plificativo, um precursor cie intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, “/ é utilizaao para designar um sistema ou combinação cie materiais que, quando combinados de uma maneira particular apresentam a infiltração espontânea num pré-molde ou material de encnimento.

Compósito com matriz ae metal ou mMC, como aqui é usaao, significa um material que compreende uma liga ou matriz de metal interligada bi-ou tridimensionalmente, que embebeu um pré-molde ou material ae enchimento. 0 metal da matriz pode incluir vários elementos de liga para proporcionar propriedades mecânicas e físicas especificamente desejaaas no compósito resultante.

Um metal diferente ao metal aa matriz significa um metal que não contém, como constituinte principal, o metal igual ao da matriz (por exemplo, se o constituinte principal ao metal da matriz for o alumínio, o metal aiferente pode ter um constituinte principal ae, por exemplo, níquel).

Vaso não reactivo para alojar o metal da matriz, significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molae) e/ou metal da matriz fundido nas condições ao processo e que não reage com a matriz e/ou a atmosfera infiltrante e/ou o precursor do intensificaaor aa infiltração e/ou um material de enchimento ou pré-molde de uma maneira que seria significativamente prejuaicial ao mecanismo ae infiltração.

Pré-molde ou Pré-molde permeável como aqui é usado, significa uma massa porosa de material de enchimento ou um material ae encnimento que é preparada com pelo menos um limite ae superfície que aefine substancialmente um limite para infiltração ao metal da matriz, mantendo essa massa uma integriaaae ae forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fiaeliaa ae dimensional antes de ser infiltraaa pelo metal aa matriz. a massa aeve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea ao metal aa matriz no seu interior. Uma pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição ligados de material de encnimento, homogéneo ou het£ rogéneo, e pode ser constituido por qualquer material adequaao (por exemplo, um material em partículas, em pó, fiaras, filamentos emaranhaaos, etc, ae cerâmica e/ou metal e qualquer combinação aos mesmos). Um pré-molde pode existir indiviaualmente ou como um conjunto.

Reservatório, como aqui é usado, significa um corpo separado de metal aa matriz posicionado em relação a uma massa ae material de enchimento ou pré-molae, de modo que, quando o metal estiver fundiao, pode fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicial, mente e aepois reabastecer a porção, segmento ou fonte ae metal aa matriz que está em contacto com o material ae enchimento ou pré-molae_t O reservatório também poae fornecer pelo menos algum metal diferente ao metal aa matriz.

Infiltração espontânea, como aqui é usaao, significa a infiltração do metal aa matriz na massa permeável de material ae enchimento ou pré-molde, que se verifica sem exigir a aplicação de pressão ou vácuo (quer aplicados externamente quer criados internamente).

Breve descrição das figuras:

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

a fig. 1, um corte transversal esquemático de um conjunto utilizado para formar um corpo compósito com matriz ae metal de acordo com o Exemplo 1;

A fig. 2, um corte transversal esquemático de um conjunto utilizado para formar um corpo compósito com matriz de metal de acorao com o Exempio 2;

A fig. 3, uma fotografia que mostra quer o pré-molde infiltrado, quer a carcaça de metal da matriz de acordo com o Exemplo 1; e

A fig. 4, uma fotografia que mostra o pré-molde infiltrado, e a carcaça de metal da matriz de acorao com o Exemplo 2.

descrição pormenorizada da invenção e da forma de realiza ção preferida

A presente invenção refere-se a um processo para a formação de compósitos com matriz ae metal pela utilização de um meio de encaminhamento para controlar ou regular a infiltração espontânea oe metal aa matriz funaida para o interior ae um material de enchimento ou um pré-molde. Especificamente, metal ca matriz fundiao é levaao ou induzido a infiltrar-se espontaneamente num material de enchimento ou num pré-molde depois ae passar por um meio de encaminhamento. 0 meio de encaminhamento compreende qualquer material que possa ser colocado entre o metal aa matriz funcido e um material ae enchimento ou um pré-molae permeáveis e que pode fazer com que o metal da matriz fundido, preferencialmente se infiltre espontaneamente no mate rial ae enchimento ou no pré-molae através ae pelo menos uma passagem aefiniaa no meio Ce encaminhamento. Assim, o meio ce encaminhamento funciona para controlar o contacto de superfície entre o metal da matriz funaido e o material Ce enchimento ou o pré-molce permeáveis. Os meios ae encaminhamento adequauos incluem materiais que tipicamente não são molháveis pelo metal aa matriz fundiao nas condições ao processo e/ou que poaem facilitar a remoção de uma carcaça ce metal da matriz que fique em contacto com o material de enchimento ou o pré-molde infiltrados, após a infiltração espontânea se ter completado.

A ou as passagens proporcionadas no meio ce encaminhamento (discutido com mais pormenores mais aciante) podem ser em qualquer número ou com qualquer configu ração adequados. Por exemplo, o meio de encaminhamento pode proporcionar várias passagens espaçadas uniformemente ou uma única passagem, a espessura do meio de encaminhamento deve ser suficiente para: (1) absorver quaisquer tensões resultantes do arrefecimento que existam entre a passagem ae metal da matriz e o compósito com matriz de metal formado e/ou (2) reduzir a resistência da ligação e/ou reduzir a intensidade da ligação entre a carcaça de metal da matriz e o compósito com metal da matriz formado. Além disso, situando de maneira apropriada a ou as passagens no meio de encaminhamento, o meio de encaminhamento poae ser usado para compensar qualquer infiltração não uniforme de metal da matriz no material ae enchimento ou no pré-molde. Após a escolha, o oesenho e a colocação do meio de encaminhamento, o pré-molde ou o material de enchi mento permeáveis podem ser infiltrados espontaneamente por um metal da matriz fúnaido.

Para se obter a infiltração espontânea, o intensificaaor da infiltração e/ou o precursor do intensificador aa infiltração e/ou a atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material ae enchimento ou o pré-molae, pelo menos em aeterminaao instante aurante o processo, o que permite que metal aa matriz funaiao se infiltre espontaneamente no material ae enchimento ou no pré-molae através ao meio de encaminhamento. Especificamente, para efectuar a infiltração espontânea ae metal aa matriz no material de enchimento ou no pré-molae, deve proporcionar-se

um intensificador ua infiltração ao sistema espontâneo. 0 intensificador da infiltração poaeria ser formado a partir de um precursor ao intensificador aa infiltração, que poderia ser proporcionado: (1) no metal aa matriz e/ou (2) no material de enchimento ou no pré-molae e/ou (3) na atmos fera infiltrante e/ou (4) a partir ae uma fonte externa para o interior ao sistema espontâneo. Além disso, em vez ae fornecer um precursor do intensificaaor aa infiltração, poae fornecer-se um intensificaaor aa infiltração airectamente ao material ae enchimento ou ao pré-molae e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos aurante a infiltração espontânea, aeve colocar-se intensificador aa infiltração pelo menos numa porção do material ae enchimento ou ao pré-molae.

Numa forma ae realização preferiaa, é possível que o precursor ae intensificador ae infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o intensificaaor aa infiltração poae ser formaao em pelo menos uma porção ao material ae enchimento ou pré-molde ou simultaneamente com o contacto ao material ae enchimento ou pré-molae com o metal da matriz (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intensificaaor ae infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificaaor ae infiltração poaeria ser o nitreto ae magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção do material ae enchimento ou do pré-molde.

cUm exemplo de sistema ae metal ca matriz/ /precursor do intensificador da infíltração/atmosfera infi_l trante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um metal da matriz ae alumínio pode ser emoeoido no interior do material de enchimento que poae estar contido dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material ae enchimento quanao o alumínio funde. Um material de enchimento contendo ou sendo exposto ao magnésio e sendo exposto, pelo menos em determinado instante durante o processamento, a uma atmosfera ae azoto pode ser posto em contacto com metal da matriz de alumínio fundido.

metal aa matriz, infiltrar-se-á então espontaneamente no material de enchimento ou no pré-molde.

além aisso, em vez ae fornecer um precursor ae intensificaaor de infiltração, pode fornecer-se um inten sificador aa infiltração directamente ao pré-molde e/ou ao metal aa matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração aeve estar localizado em pelo menos uma porção ao material ae enchimento ou pré-molde.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso ae um sistema de infiltração espontânea de alumínio/magnésio/azoto, o material de enchi mento ou o pré-moiae deve ser suficientemente permeável para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse

os poros do material de enchimento ou pré-molae num dado instante aurante o processo e/ou entre em contacto com o metal aa matriz funciao. Além aisso, o material de enchimento ou o pré-molae permeáveis podem aaaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o material ae enchimento ou o pré-molae impregnados com azoto sejam impregnados espontaneamente com metal aa matriz funaida para formar um corpo compósito com matriz ae metal e/ou fazer com que azoto reaja com um precursor ao intensificaaor aa infiltração para formar o intensificador aa infiltração no material ae enchimento ou pré-molae, aando assim, origem à infiltração espontânea. A extensão ou a velociaacie aa infiltração espontânea e a formação ao compósito com matriz ae metal variarão com um dado conjunto de condições ae processo, incluindo o teor ae magnésio da liga ae alumínio, o teor ae magnésio do material de enchimento ou ao pcé-molae, a quantidade de nitreto ae magnésio no material ae enchimento e no pré-molae, a presença ae elemen tos ae liga adicionais (por exemplo silício, ferro, coore, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material de enchimento (por exempio, o diâmetro das partículas) , a condição aa superfície e o tipo ae material ae enchimento, a concentração de azoto da atmosfera intiltran te, o tempo permitido para a infiltração e a temperatura a que se verifica a infiltração. Por exempio, para que a infiltração ae metal Ca matriz ae alumínio fúnciao se veri fique espontaneamente o alumínio poae formar uma liga com

pelo menos cerca ae 1 por cento, em peso, e ae preferência pelo menos cerca ae 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor do intensificador de infiltração) com oase no peso aa liga. Elementos ae liga auxiliares, como atrás se mencionou, também poaem estar incluídos no metal aa matriz para nela obter proprieaades específicas pré-aeterminacias. Aaicionalmente, os elementos ae liga auxi liares poaem influenciar a quantidaae mínima ae magnésio requeriaa no metal ae alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea ao.material ae enchimento ou pré-molae. a peraa ae magnésio a partir ao sistema espontâneo devido, por exemplo, á volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum magnésio para formar intensificador ae infiltração. Assim, é aesejável utilizar uma quantidade suficiente ae elementos ae liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não será afectaaa ae maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença ae magnésio quer no jnateriãl.ae enchimento quer no pré—molae, quer na matriz ae metal ou apenas no pré-molue pode ter como consequência uma reaução na quantiaaae ae magnésio necessária para se obter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante). A percentagem, em volume, ue azoto na atmosfera ae azoto também afecta as taxas ae formação ao corpo compósito com matriz ae metal. Especificamente, se estiverem presentes menos ae cerca ae 10 por cento, em volume, de azoto na atmosfera, verificar-se-á uma infiltração espontânea muito lenta ou reduziaa. Veri-

ficou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca ae 50 por cento, em volume, ae azoto na atmosfera infiltrante, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos ae infiltração oeviao a uma velociaade oe infiltração muito maior. A atmosfera infiltrante (por exemplo, um gás contenao azoto) poae ser fornecias Oirectamente ao material ae enchimento ou pré-molae e/ou ao metal da matriz, ou pode ser proauzioa ou resultar ae uma decomposição ae um material.

O teor mínimo ae magnésio requeriao para que o metal aa matriz funaioo se infiltre num material oe enchi, mento ou pré-molde depenae ae 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 ao material de enchimento, a localização ao magnésio em um ou mais aos componentes ao sistema espontâneo e o teor de azoto da atmosfera e a velocidaae com que a atmosfera de azoto flui. Poaera usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor ae magnésio da liga e/ou do pré-molde. Também, para um daao teor de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais oaixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exemplo, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, pode ser usaao em conjunto com pelo menos uma aas seguintes condições : uma

temperatura ae processamento acima aa mínima, uma elevada concentração de azoto, um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar nenhum magnésio ao material de enchimento ou ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca ae 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral, numa ampla variedade de condições ao processq 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 ae 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 quanco usaao em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a auantiaade mínima de magnésio atrás especificada. Por exempio, não havia substancialmente qualquer infiltração de alumínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício a 1000° C num leito de 39 Crystolon (carboneto ae silício puro a 99%, da Norton Co.) com granulometria de 500 mesh. Mas na presença de magnésio, verificou-se que o silício promove o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for forneciao exclusivamente ao pré-molde ou material de encftimento. Verificou— -se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio fornecido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quantidade

d'-*’ total de magnésio fornecido for colocada no pré-molae ou material de enenimento. Pode ser desejável proporcionar uma quantidade menor oe magnésio a fim ae impeair a formação de compostos intermetálicos inoesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molae de carooneto de silício, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com um metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molae pelo menos cerca oe 1%, em peso, de magnésio e estanao na presença oe uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina a quantidade de magnésio necessária para se obter infil tração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou-se que, quando um pré-molae de alumina é posto em contacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamente à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molae ae carboneto ae silício, e na presença da mesma atmosfera ae azoto, poaem ser necessários, pelo menos cerca oe 3%, em peso, ae magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à ootida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou ae examinar.

Faz-se tamoém notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificaaor de infiltração e/ou intensificaaor ae infiltração numa superfície aa liga e/ou numa superfície ao pré-molae ou material oe enchimento e/ou no interior do pré-molae ou material oe enchimento antes da infiltração do metal da matriz no

material cte enchimento ou pré-molae (isto é, poae não ser necessário que o intensificaaor ae infiltração ou o precursor de intensificador ae infiltração forneciao, forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente fornecido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplica αο o magnésio a uma superfície do metal aa ífiatriz, pode ser preferido que a referida superfície seja a superfície que esuá mais perto ou, ae preferência, em contacto com a massa permeável ae material ae enchimento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturaao a pelo menos uma porção do pré-molde ou material ae enchimento. Além aisso, é ainda possível que se utilize uma certa comoinação da aplicação na superfície, aa formação da liga e da colocação ao magnésio em pelo menos uma porção do material de enchimento. Essa comoinação aa aplicação ae intensificaaor (es) de infiltração e/ou precursor (es) ae intensificaaor ae infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, ae magnésio necessário para promover a infiltração ao metal ae alumínio da matriz no material ae encnimento, oem como a ootenção ae temperaturas mais oaixas a que se verifique a infiltração. Além aisso, poderia tamoém minimizar-se a quantidaae ae compostos inter metálicos inaesejáveis formaaos aeviao à presença de magnésio .

O uso ae um ou mais elementos de liga auxiliares e aa concentração ae azoto no gás circunaante também

afecta a extensão de nitretação do metal da matriz a uma daaa temperatura. ior exempio, podem usar-se elementos ae liga auxiliares, tais como o zinco ou o ferro incluídos na liga, ou colocaaos numa superfície da liga, para Paixar a temperatura de infiltração e, diminuir assim a quantida de da formação de nitreto, ao passo que pode usar-se o aumento aa concentração ae azoto para promover a formação de nitreto.

a concentração de magnésio na liga e/ou colo cado numa superfície da liga e/ou combinado no material ae enchimento ou pré-molae também ténae a afectar a exten são ae-'infiltração a uma dada temperatura. Consequentemen re, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é pos tp directamente em contacto com o pré-molde ou material ae enchimento, pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, ae magnésio. Teores ae liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por cento, em peso, ae magnésio, podem requerer temperaturas ao processo mais elevadas ou um elemento ae liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo ae infiltração espontânea segundo a presente invenção pode ser mais Daixa : (1) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca ae 5 por cento, em peso; e/ou (2) quanao se misturarem componentes ae liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) quanao esti42 ver presente na liga ce alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro, a temperatura também pode variar com dife rentes materiais ae enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progressiva a uma temperatura Co processo ae pelo menos cerca ae 675° C e, ae preferência, a uma temperatura ao processo ce pelo menos cerca de 75O°C —800° C. Temperaturas geralmente acima ae 1200° C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil uma gama ae temperaturas ae cerca ae 675° C a cerca ae 1200° C. Contudo, como regra geral, a temperatura ae infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto ce fusão ao metal da matriz, mas abaixo aa temperatura ae volatilização co metal da matriz. Além disso, a temperatura de.infiltraçao espontânea deve ser inferior ao ponto ae fusão co material de enchimento.

Além disso, ainda à medida cue se aumenta a temperatura, aumenta a tendência para formar um proouto Ce reacção entre o metal ca matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal Ca matriz ce alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto ce alumínio). Um tal produto da reacção pode ser aesejável ou · inaesejável conforme a aplicação pretenaiaa ao corpo compósito com matriz de metal. Tipicamente, utiiiza-se aquecimento eléctrico por resistência para obter as temperaturas ce infiltração. Contuco, qualquer meio ae aquecimento que possa fazer com que o metal da matriz funca e não afecte aaversamente a infiltração espontânea é acei43

tável para utilizar na presente invenção.

no presente processo, por exempio, uma massa ae material ae enchimento ou um pré-molae entra em contac to com alumínio fundiao na presença ae pelo menos um gás contenao azoto, em algum momento durante o processo. O gás contenao azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo contínuo ae gás em contacto com material de enchimento ou pré-molae e/ou o metal da matriz de alumínio funaiao. Embora o cauaal ae gás contenao azoto não seja crítica, é preferido que esse cauaal seja suficiente para compensar qualquer percta ae azoto aa atmosfera aeviao k formação ae nitreto na matriz de liga, e também para impeair ou inibir a incursão ae ar, gue poae tèr uma acção oxidante no metal fundido.

O processo para a moaeiação ae um compósito com matriz ae metal é aplicável a uma ampla varieaade ae materiais ae enchimento, aepenaenao a escolha ao material de enchimento de factores tais como a liga aa matriz, as condições ao processo, a reactiviaade aa liga aa matriz fundida com o material ae enchimento, a capacidaaecae o material ae enchimento se adaptar ao metal da matriz e as proprieaaues procuradas para o produto compósito final.

Por exemplo, guando o alumínio for o metal aa matriz, os materiais de enchimento adequaaos incluem (a) óxiaos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo, aoaecarboreto de

alumínio e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de alumínio, be houver uma tendencia para o mateial de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser compensado minimizando o tempo de infiltração e a tem peratura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material ae enchimento. 0 material de enchimento pocie 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 óxibos, carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descontínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de uma esteira tecida e um filamento contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além aisso, o material ae enchimento ou o pré-molae podem ser homogéneos ou heterogéneos.

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação, aos materiais de enchimento tendo uma composição química semelhante, ror exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo aescrito na patente americana N2 4.713.360, intitulada Novel Ceramic materiais and methods of Making Same publicada em 15 ae Dezembro de 1987, em nome ae Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercial45

mente disponíveis. Além disso, os corpos ae alumina tritura da feitos pelo processo descrito no pedido ae patente copendente, do mesmo proprietário N⁹ 819 397, intitulado Composite Ceramic Articles and MethoCs of naking Same em nome de Hack S. NewKirk et al, que também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pediao de patente copendente são aqui expressamente incorporados por referên cia. Especificamente, aescobriu-se que a infiltração completa ae uma massa permeável ae material cerâmico ou de um material compósito de cerâmica pode ocorrer a temperaturas ae infiltração mais caixas e/ou em tempos de infiltração menores.utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas produzido pelo processo do pedido de patente e da patente americanos atrás mencionados.

as dimensões e a forma do material de enchimento podem ser quaisquer necessárias para obter as proprie dades aesejadas no compósito e que possam adaptar-se ao metal ca matriz. Assim, o material pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras ou misturas, visto que a infiltração não é limitada pela forma do materi al·'. de enchimento. Outras formas, tais como esferas, túbulos, peletes tecido de fibras refractárias e similares podem ser usacas. Além disso, as dimensões ao material nao limitam a infiltração, embora possam ser

necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma massa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa ae material ae enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal aa matriz funaido e à atmosfera infiltrante).

O processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção por não ser dependente do uso de pressão para forçar ou deslocar o metal da matriz fundido para o interior de um pré-molde ou uma massa de material ae enchimento, permite a produção ue compósitos com matriz ae metal substancialmente uniforme com uma elevaaa percentagem, em volume, de material de enchimento e uma caixa porosidaae. Podem obter-se percentagens, em volume maiores ae material ae enchimento, aa ordem de pelo menos cerca ae 50%, utilizando uma massa inicial ae porosidade menor ae material de enchimento e misturas ae Cimensões aas partículas e misturando partículas ae dimensões variáveis. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosiaade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material ae enchimento for compactada ou tornaaa mais aensa ae outro modo, desce que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que

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atmosfera impediria a infiltração pela liga fundida.

Foi observado que, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno ae um material ae encnimento cerâmico, o molhamento ao material de enchimento cerâmico pelo metal aa matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além aisso·,· a temperaturas ae processamento, baixas, verifica-se uma nitretação desprezável ou mínima do metal, resultando daí uma fase descontínua mínima ae nitreto de alumínio disperso na matriz ae metal. Contuao, quando nos aproximamos do extremo superior da faixa de temperatura, torna -se mais provável a nitretação do metal. Poae assim contro lar-se a quantidade aa fase de nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica. A temperatura ae processamento específica à qual se torna mais pronunciaaa a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio aa matriz usada e a sua quantiaaae relativamente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material ae 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

É pois possível, pré-oeterminar a constitui48

AS” ção da matriz de metal durante a formação cto compósito para conferir certas caracteristicas ao produto resultante, rara um dado sistema, podem escolher-se as condições cto processo para controlar a formação ae nitreto. Um proauto compósito contendo uma fase ae nitreto ae alumínio apresen tara certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material cerâmico usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve ae preferência exceder cerca de 1000° C, se se desejar que a ductiliaade aa 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 ae silício, podem usar-sé temperaturas mais elevadas, ae cerca de 1200° C, visto que a liga de alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material ae enchimento, quando se usar o carboneto de silício 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 primeira fonte de metal aa matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório, com uma

9 composição diferente oa primeira fonte oe metal aa matriz. For exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então, usar-se substancialmente qualquer outro metal ou liga de metal que funaiu à temperatura de processamento como metal do reservatório.

Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns com os outros, donde resultaria a mistura do metal do reser vatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se desse um tempo apropriaao para que se verificasse a mistura. Assim, utilizanao um metal do reservatório com composição aiferente aa primeira fonte de metal aa matriz, é possível pré-aeterminar as propriedades aa matriz ae metal para satisfazer os vários requesitos operacionais e, aesse modo, pré-aeterminar as propriedades ao compósito com matriz ae metal.

Fode utilizar-se também um meio ae carreira em comoinação com a presente invenção. Especificamente, o meio ae carreira a utilizar com a presente invenção poae ser qualquer meio adequado que interfira, inioa, impeça ou interrompa a migração, o movimento ou similar, aa liga ae matriz funaiaa (por exemplo, uma liga de alumínio) para além ao limite ae superfície aefiniao ao material de enchimento. Os meios ae barreira apropriados poaem ser quaisquer materiais, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições ao processo segundo a presente invenção, man tém uma certa integridade, não é volátil e, ae preferência, é permeável ao gás usado com o processo, cem como possa

localmente inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infiltração contínua ou qualquer outra espécie ae movimento para além ao limite de superfície definido do material ae enchimento.

Os meios ae barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga ae metal da matriz funaiaa que migra, nas condições ao processo usadas. Uma barreira aesse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afiniaaae para a liga da matriz fundiaa, impeaindo-se ou inibindo-se o movimento para além do limite ue superfície aefiniao ao material ae enchimento-por meio aa carreira. A barreira reauz qualquer maquinagem ou rectificação finais que possam ser necessários ao proauto compósito com matriz ae metal. Como atrás se mencionou, a barreira aeve de preferência ser permeável ou porosa, ou tornada permeável por meio ae furos, para permitir que o gás contacte com a liga aa matriz funaiaa.

A., barreiras adequaaas particularmente utilizáveis para as ligas aa matriz ae alumínio são as que contêm carDono, especialmente a forma alotrópica cristalina ae caroono conheciaa como grafite. A grafite é essencialmente não molhável pela liga ae alumínio funaiaa, nas conuições ae processo aescritas. Uma grafite particularmente preferida é um produto ae fita ce grafite que é vendiao sob a marca comercial Grafoil^-q registada pela Union Carbiae. Esta fita de grafite apresenta características ae veaação

que impectem a migração de liga ae alumínio fundido para além ao limite ae superfície uefiniao ao material ae enchi mento. Esta fita ae grafite é tamoém resistente ao calor e quimicamente inerte. O material de grafite UrsfoiP é flexível, compatível, moldável e elástica. Fode ser feito em várias formas para se adaptar a qualquer aplicação da oarreira. Contudo, o meio ae carreira ae grafite pode ser empregaao como uma pasta ou suspensão ou mesmo como uma película de tinta em torno ae e no limite ao material ae enchimento. Grafoil^ é particularmente preferiao porque se encontra na forma ae uma folha ae grafite flexível.

Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelaaa em torno ao material ae enchimento.

A presente invenção considera a utilização de uma folha de Grafoil quer como uma Oarreira quer um meio de encaminhamento. Contudo, o meio de encaminhamento destinge-se aa barreira devido pelo menos ao posicionamento ae cada um em relação ao metal da matriz e ao pré-molae. Especificamente, a barreira pode definir o movimento final do metal da matriz funaiao no interior do material de enchi, mento ou do pré-molde após a infiltração, ao passo que o meio de encaminhamento controla a extensão e/ou a localização do contacto ao metal aa matriz com o material de enchimento ou o pré-molde antes e durante a infiltração do metal da matriz. Além disso, é possível que o meio de enca minhamento funcione como oarreira e como meio de encaminha mento. Por exemplo, após o metal da matriz fundido passar

através ao meio cie encaminhamento, o metal da matriz fundido pode infiltrar-se no materialcde enchimento ou no pré-molae até contactar com o laao posterior do meio de encaminhamento (por exemplo, a infiltração poderia ocorrer até ao ponto onae o meio de encaminhamento entra em contac to activo com um material de enchimento ou um pré-molde).

Outro ou outros meios de barreira para ligas da matriz de metal ae alumínio em azoto são os boretos de um metal ae transição (por exemplo, diboreto de titânio (TiB^)), que são em geral não molháveis pela liga ae metal de alumínio funaiao em certas condições do processo etnpregaaas usando esse material. Com uma barreira oeste tipo, a temperatura do processo não ceve exceaer cerca ae B75°C, pois, de outro modo, o material de barreira torna-se menos eficaz, verificando-se de fato, com o aumento da temperatura a infiltração na oarreira. Os boretos ae um metal de transição encontram-se tipicamente numa forma ae partículas (1-30 micrómetros). Os materiais ae barreira poaem ser aplicaaos como uma suspensão ou pasta nos limites aa massa permeável ae material de enchimento cerâmico que, de preferência, é moldaao como um pré-molde.

Outras barreiras utilizáveis para ligas da matriz de metal ae alumínio em azoto incluem compostos orgânicos ae pequena volatidilidade aplicaaos como uma película ou camada na superfície externa do material ae encnimento. mediante a cozedura em azoto, especialmente

nas condições ce processo ca presente invenção, o composto orgânico aecompõe-se aeixanco uma película ce fuligem ce carbono. 0 composto orgânico pode ser aplicaco por meios convencionais, tais como, pintura, pulverização, imersão, etc.

xíAlém Cisso? materiais em partículas finamente triturados podem funcionar como barreira, desde que a infiltração do material em partículas se verifique com uma velocidade menor que a taxa ce infiltração do material ae enchimento.

Assim, o meio ae barreira poae ser aplicaao por qualquer meio adequado, por exemplo cobrindo o limite ae superfície definiao com uma camada do meio ce barreira. Essa camaea ae meio ae barreira poae ser aplicada por pintura, imersão, serigrafia, evaporação ou aplicando de outro modo o meio de Darreira sob a forma ce líquido, suspensão ou pasta, ou por aeposição de um meio ae barreira vaporizável, ou simplesmente pela aeposição de uma camada de meio de barreira sóiiao, em partículas, ou pela aplicação ae uma folha fina sólida ou película ae meio ae barreira no limite de superfície definido, com o meio ce Darreira no seu lugar, a infiltração espontânea termina substancialmente quando a infiltração co metal da matriz atingir o limite de superfície definido e entrar em contacto com o meio de barreira.

nos Exemplo que se seguem imeaiatamente estão incluídas várias cemonstraçoes da presente invenção.Contu54

do, esses Exemplos aevem ser considerados como sendo ilustrativos e não como limitativos ao escopo da presente inven ção, como é definido nas reivindicações anexas.

Exemplo 1

A fig. 1 mostra um conjunto, em corte transversal, que pode ser usado para formar um corpo compósito com matriz ae metal de acordo com a presente invenção. Especif icamente, um metal da matriz (5) infiltrar-se-á espontaneamente num pré-molde (2) através ao meio ae encaminhamento (3). Em particular, montou-se uma caixa (1) ce

Grafoil®, medindo cerca de 5,08x 5,08x 5,08 cm (2x2). A /5)

Grafoil^ usada para formar a caixa (1) é um produto de fita de grafite flexível, que foi obtido na Union Carnide, com uma espessura ae 0,38 mm (0,015) colocou-se um pré-molde (2), medindo cerca de 5,08x 5,O8x 1,27 cm (2x 2x 1/2) na caixa (i). 0 pré-molde (2) era constituído por aproximaaamente 12 por cento, em volume, ae fibras ae alumina cortadas (pelo menos 90 por cento, em peso, aas fioras de alumina eram fibras FP produzidas pela uu Pont Company), estando as fibras de alumina ligadas com alumina coloiaal.

A relação, em peso, de alumina coloiual/fibra era aproximaaamente 1/4 e o restante do volume ao pré-molae era constituído por porosiaade interligada. Colocou-se um meio de encaminhamento (3) directamente no topo do pré-molae (2) (R) na caixa ae Grafoil^ (1). O meio ce encaminhamento (3) era constituiaa por outra folha de Grafoil® _Cue tinha abertos

cinco orifícios (30) (por exemplo, passagens), Veaou-se o meio de encaminhamento (3) ao longo cias juntas (4) com a caixa (2) de GrafoiP, aplicando uma mistura ae pó de grafite e sílica coloiaai. Colocou-se depois a liga de alumínio (5) directamente no topo do meio ae encaminhamento (3) na caixa (1). A liga ae alumínio (5) era constituiaa por cerca ae 10,5% de Mg, 4% ae Zn, 0,5% de silício,

0,5% ae cobre e o restante ae alumínio, a liga de alumínio (5) foi proporcionaaa em dois lingotes, medindo cada um cerca ae 2,54x 2,22x 1,27 cm (l“x 7/8x 1/2). Colocou-se a caixa (1) de Grafoil^v, contendo os lingotes (5) e o pré-, -molae (2) numa barquinha oe grafite (6), que se encheu parcialmente com um leito ae alumina (7) de 38 Alundum ae 24 grit, obtiaa na Norton. Encheu-se depois a barquinha de grafite (6) até uma altura aproximadamente igual à aa caixa de grafite (l) nele contida, a finaliaaae principal ao leito (7) foi proporcionar um suporte para a caixa de Grafoil® (1).

Colocou-se a barquinna de grafite (6) contendo o conjunto aa fig. 1, num forno de resistência elétrica com atmosfera controlada (isto é, um forno a vácuo que foi -4 bomoado até 1 x 10 torr). . Encheu-se depois o forno, nova mente com azoto e aqueceu-se até cerca de 200° C, a fim de purificar o ambiente no forno. Durante o aquecimento e a infiltração, subsequentes, fez-se passar o azoto através do forno de vácuo com um caudal de cerca de 2 litros por minuto. Aoueceu-se o forno durante um intervalo de cerca

5Ó de 5 horas, até uma temperatura de cerca cie 700° C. manteve-se a temperatura durante cerca de 20 horas, altura em que se deixou o forno arrefecer naturalmente até a temperatura ambiente.

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Depois de o forno ter arrefecido, retiraram-se a barquinha (6) e o seu conteúdo do forno. Uma carcaça de liga de alumínio foi facilmente removida do pré-molde com um martelo e um cinzel. Especificamente, como se mostra na fig. 3, o compósito com matriz de metal (30) foi infiltrado cte maneira substancialmente completa pelo metal aa matriz, a carcaça de metal da matriz (20) separou-se facil mente do corpo compósito com matriz oe metal formado (20). as zonas circulares (23) quer no corpo compósito com matriz de metal (20) quer na carcaça ae metal aa matriz (21) correspondem às passagens (30) no meio ae encaminhamento (3).

contacto superficial entre a carcaça ae metal aa matriz (21) e o compósito com metal da matriz (2e) foi minimizado, permitindo assim a separação mais fácil. Além aisso, a superfície do metal aa matriz (20) que estava em contacto com o meio de encaminhamento (3), foi tratada com jacto ae (R) areia para remover a Grafoil^ restante, resultando assim um compósito com matriz de metal com uma forma quase exacta.

Exemplo 2 ^{A fi}g. 2 mostra um conjunto, em corte transversal, que foi usado para formar um corpo eôrfipósito com matriz de metal de acordo com a presente invenção. Especificamente, produziu-se uma caixa de Grafoii^ (8), meainco cerca de 30,48 x 15,24 x 5,08 cm (12“ x 6“ x 2“). Colocou-se um pré-molae (9), medindo cerca ae 3O,4tí x 15,24 x x 0,762 cm (12 x 6 x 0,3) na caixa (8). 0 pré-molde (9) era constituído por aproximadamente 40,3 por cento, em volume, de uma fibra contínua ae alumina (pelo menos 90 por cento, em peso, das fibras ae alumina eram fibras FP produzidas pela Du Pont Company). a fiora de alumina foi revestida com silício e ligada com 4 por cento, em volume, tendo a fibra uma orientação de 02/902. 0 meio de encaminhamento ae GrafoiK (10) foi colocaao airectamente por cima ao pré-molae (9) e selaao na caixa ce GrafoiT^ (8), aa maneira atrás aescrita no Exemplo 1. Contudo, neste Exemplo, o meio oe encaminhamento (10) tinha apenas uma única auertura rectangular (31), medinao cerca ae 12,7 x x 2,54 cm (5 x 1). Colocou-se um lingote (11) ae liga ae alumínio, pesanao cerca de 1700 gramas e incluindo cerca de 10,5%, em peso de Mg, airectamente no topo Co mèio ae encaminhamento (10) de folha de GrafoilX na caixa (8). a liga (11) foi posicionaaa de tal maneira que, quando aeliga aè ..alumínio fundir, ela fluirá espontaneamente através ao meio ae encaminhamento (10) e para o interior ao pré-mobde (9) . Além aisso, colocaram-se duas barras (12) de aço inoxi. dável em cada extermidade do meio de encaminhamento (10) de Grafoil®, mas sem entrar em contacto com a liga ae alumínio (11). As barras (12) serviram para manter os meios de enca

minhamento (10) em posição durante a infilrração espontâ(S) nea. Colocou-se aepois a caixa ae Grafoil^ (8) numa Darqui nha de grafite (14). Coiocou-se um leito (13) ae Alundum ae 24 grit, em torno da caixa (8) aa maneira aescrita no Exemplo 1.

Colocou-se aepois a barquinha cte grafite (14) num forno ae vácuo e purificou-se como se aescreveu atrás no Exemplo 1. Durante as fases subsequentes ae aquecimento e infiltração, fez-se passar azoto através do forno ae vácuo com um caudal ae cerca de 2,5 litros por minuto. 0 forno foi aquecido até cerca de 725° C Curante um intervalo ae cerca cte 5 horas. Manteve-se essa temperatura durante aproximadamente 45 horas, após o que se aesligou o forno e se deixou arrefecer naturalmente. Retirou-se a barquinha ae grafite ao forno e retirou-se a liga aa carcaça e a liga ae carcaça do pré-molae, como atrás se aescreveu no Exemplo

1. Especificamente, como se mostra na fig. 4, o compósito com matriz ae metal (40) foi infiltrado peio metal da matriz ae maneira substancialmente completa, a carcaça ae metal aa matriz (41) separou-se facilmente ao compósito com matriz ae metal formado (40) afastando os ctois corpos, a zona rectangular (42) em aniDos os corpos corresponae à passagem (3i) no meio ae encaminhamento (10), gue permitiu que metal da matriz fundiao passasse através aa mesma.

Em ambos estes Exemplos, a caixa ae Grafoil e o meio ae encaminhamento foram facilmente removiaos, quando necessário, por limpeza ligeira com jacto ae areia

ou com areia grossa. Contuao, em alguns casos poae ser necessário rectificar, corroer quimicamente, etc, ligeiramente, para remover materiais residuais ao processamento.

Estes aois Exemplos aemonstram duas vantagens da presente invenção. Em particular, aepois ae se verificar a infiltração espontânea da liga de matriz ae metal num pré-molae, a carcaça de metal da matriz não terá de ser maquinaaa para a separar ao corpo compósito com matriz ae metal. Além aisso, o meio ae encaminhamento impediu o enro lamento do compósito com matriz de metal, ao arrefecer. Especificamente, o alumínio na carcaça ae metal da matriz tem um coeficiente de dilatação térmica maior do cue o ao compósito com matriz ae metal formado. Consequentemente, quando a carcaça arrefece, eia contrai-se numa percentagem maior que o compósito infiltrado e, se a carcaça estiver em contacto airecto com o compósito com matriz ae metal formaao, a carcaça tenderá a fazer com que o composto se doore ou se enrole (por exemplo, tomando a forma ae U). O meio de encaminhamento segundo a presente invenção proporciona urna solução para reduzir os aspectos indesejáveis de cada um dos problemas atrás referidos. Embora os Exemplos precedentes tenham sido descritos com particularidade, várias moaificações nos Exemplos poaem ocorrer a um técnico com preparação normal e todas essas modificações devem ser consiaeradas como estando dentro ao escopo aas reivindicações anexas.

Claims (38)

1. REIVINDICAÇÕES

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

   proporcionar um enchimento substancialmente não reactivo; proporcionar uma fonte de metal de matriz fundido;

   intercalar um meio de encaminhamento entre o material de enchimento e a fonte de metal da matriz fundido; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com metal da matriz fundido.
2. 2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiitrante em comunicação com o material de enchimento e/ou o metal da matriz durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. 3. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de fornecer um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração ao metal da matriz e/ou ao material de enchimento e/ou ã atmosfera infiltrante.
4. 4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, 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.
5. 5. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados por uma fonte externa.
6. 6. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração, durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. 7.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um percursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie que compreende pelo menos.um elemento escolhido no grupo formado pela atmosfera infiltrante o material de enchimento e o metal da matriz.

   À
8. 8.- Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. 9.- Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração reagir para formar um produto da reacção em pelo menos uma porção do material de enchimento.
10. 10.- Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo facto de o produto da reacção ser pelo menos parcialmente redutível pelo metal da matriz fundido.
11. 11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do material de enchimento.
12. 12. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender um prémolde.
13. 13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até ã barreira.
14. 14. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pela grafite e o diboreto de titânio.
15. 15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.
16. 16. - Processo de acordo com a. reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um metal que é suficientemente permeável para permitir 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. 17.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado por pós, flocos, plaquetas, microesferas, filamentos emaranhados, pérolas, fibras, partículas, mantos de fibras, fibras cortadas, esferas, grânulos, túbulos e tecidos refractãrios.
18. 18.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ter uma solubilidade limitada no metal da matriz fundido.
19. 19.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o material de enchimento compreender pelo menos um material cerâmico.
20. 20.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cãlcio, e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
21. 21.- Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.
22. 22.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração e/ou o precursor de intensificador da infiltração serem proporcionados num limite entre o material de enchimento e o metal da matriz.
23. 23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte«» · rizado pelo facto de um precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.
24. 24. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e pelo menos um elemento de liga escolhido no grupo formado pelo silício, o ferro, o cobre, o manganês, o crómio, o zinco, o cálcio, o magnésio e o estrôncio.
25. 25.- Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados quer no metal da matriz quer no material de enchimento.
26. 26. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal da matriz, o material de enchimento e a atmos fera infiitrante.
27. 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 à temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
28. 28. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a atmosfera infiltrante compreender uma atmosfera escolhida no grupo formado pelo oxigénio e o azoto.
29. 29. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador de infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
30. 30. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o metal da matriz compreender alumínio e o material de enchimento compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelos óxidos, os carbonetos, os boretos e os nitretos.
31. 31. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento compreender um material que é substancialmente não molhãvel pelo metal da matriz fundido.
32. 32.- Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento reduzir a ligação entre o material de enchimento infiltrado espontaneamente e qualquer carcaça de metal da matriz residual.

    «
33. 33. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento ter uma espessura suficiente para reduzir o empenamento resultante do arrefecimento diferencial do material de enchimento infiltrado espontaneamente e qualquer carcaça de metal da matriz.
34. 34. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3 ou 4, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento ser constituido por um material em folha perfurado.
35. 35. - Processo de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo facto de o referido material em folha ser constituído por um material de grafite.
36. 36. - Processo de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento compreender um único orifício de passagem no referido material em folha.
37. 37. - Processo de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo facto de o meio de encaminhamento compreender um certo número de orifícios de passagem de material em folha.
38. 38.- Processo de acordo com a reivindicação 34, caracte- rizado pelo facto de as perfurações estarem localizadas de modo a promover a infiltração espontânea substancialmente uniforme,