PT92257B

PT92257B - Processo para a reproducao invertida de formas para a modelacao de corpos compositos com matriz de metal e produtos produzidos por este processo

Info

Publication number: PT92257B
Application number: PT92257A
Authority: PT
Inventors: Andrew Willard Urguhart; Danny Ray White
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1988-11-10
Filing date: 1989-11-09
Publication date: 1995-07-18
Also published as: CA2000775C; DK558389D0; DE68912523D1; FI91832C; IL91728A; FI91832B; DE68912523T2; IL91728A0; KR900007526A; NO176185C; BR8905616A; NO176185B; CN1042496A; CA2000775A1; TR25274A; AU4164189A; CN1082568C; JP2905514B2; NZ231070A; NO893980D0

Description

HEMÓRIA DESCRITIVA

DA

PATENTE DE INVENÇÃO ^NS 92.257

NOHS: Lanxide Technology Company, LP., norte-americana, com sede em Tralee Industrial Park, Newark, Delaware 19711, Estados Unidos da América,

EPÍGRAFE: Processo para a reprodução invertida de formas para a modelação de corpos compósitos com maI triz de metal e produtos produzidos por este

I processo j INVENTORES: Andrew Willard Urquhart,

I Danny Ray White,

Reivindicação do direito de prioridade ao abrigo do artigo 42 da Convenção da União de Paris de 20 de Março de 1883.

Prioridade:- U.S.A., 10.11.1988, sob ο N9 269,372,

PROCESSO PARA A REPRODUÇÃO INVERTIDA DE FORMAS

PARA A MODELAÇÃO DE CORPOS COMPÓSITOS COM

MATRIZ DE METAL E PRODUTOS PRODUZIDOS POR ESTE PROCESSO

LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY

Campo da invenção

A presente invenção refere-se à formação de corpos compósitos com matriz de metal por uma técnica de infiltração espontânea e a novos compósitos postos com matriz de metal novos produzidos de acordo com este processo. Em particular, modela—se um lingote de metal da matriz com uma configuração substancialmente complemeçtar da forma de uma cavidade que deve ser formada num corpo compósito com matriz de metal. Envolve-se o lingote modelado de metal da matriz por uma massa permeável de material de enchimento que, nas condições do processo, pode ser amoldado ao lingote,modelado do metal da matriz. Um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão também em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o lingote de metal da matriz modelado, quando fundir, se infil^ c

tre espontaneamente na massa permeável circundante de material de enchimento. Após essa infiltração espontânea, produz-se um corpo compósito com matriz de metal que inclui uma cavidade cu ja forma corresponde substancialmente à do lingote original de metal de matriz modelado.

Fundamento da invenção

Os produtos compósitos que compreendem uma matriz de metal e uma fase de fortalecimento ou reforço, tal como, parti, cuias, filamentos emaranhados, fibras ou similares, mostram-se muito prometedores para uma certa variedade de aplicações porque eles combinam um pouco da firmeza e da resistência ao desgaste da fase de reforço com a ductilidade e a tenacidade da matriz de metal. Em geral um compósito com matriz de metal apre sentará uma melhoria em propriedades, tais como, a resistência, a firmeza, a resistência ao desgaste devido ao contacto e a re» tenção da resistência às temperaturas elevadas relativamente ao metal da matriz sob a forma monolítica, mas o grau em que qualquer propriedade dada pode ser melhorada depende grandemen te dos constituintes específicos, da sua percentagem em volume ou em peso e da maneira como eles são processados na modelação do composito. Em alguns casos, o compósito pode também ser mais leve do que o material da matriz em si. Os compósitos com matriz de alumínio reforçados com cerâmicas, tais como, carboneto de silício, na forma de partículas, plaquetas ou filamentos emaranhados, por exemplo, têm interesse devido 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 de compósitos com matriz de alumínio, incluindo processos baseados na técnica da metalurgia dos pós e nas técnicas de infiltração de metal líquido, que empregam a moldação sob pressão, a moldação no vácuo, a agitação e agentes molhantes. Com as técnicas da metalurgia dos pós, o metal sob a forma de um pó e o material de reforço sob a forma de um pó, filamentos, emaranhados, fibras cortadas, etc, são misturados e depois prensados a frio e sinterizados ou prensados a quente. A percen tagem máxima, em volume, de cerâmica nos compósitos com matriz de alumínio reforçados com carboneto de silício produzidos por este processo tem sido indicada como sendo cerca de 25 por cento, em volume, no caso dos filamentos emaranhados e cerca de 40 por cento, em volume, no caso dos materiais em particulas.

A produção de compósitos com matriz de metal pelas técnicas de metalurgia dos pós, utilizando os processos conven cionais impõe certas limitações relativamente às características dos produtos que podem obter-se. A percentagem em volume da fase cerâmica no compósito é limitada tipicamente, no caso dos materiais em partículas, a cerca de 4-0 por cento. Também, a operação de prensagem põe um limite às dimensões práticas que podem obter-se. Apenas formas do produto relativamente sim pies são possíveis sem um processamento subsequente (por exemplo, modelação ou maquinagem) ou sem recorrer a prensas comple xas. Também pode verificar-se a contracção não uniforme durante a sinterizaçâo, bem como a não uniformidade da microestrutura, devido à segregação nos compactos e crescimento de grãos.

- 4 (

A patente norte-americana N5 3.970.136, concedida em 20 de Julho de 1976, a J.C. Cannell e outros, descreve um processo para a modelação de um compósito com matriz de metal que incorpora um reforço fibroso, por exemplo filamentos emaranhados de carboneto de silício ou de alumina, com um padrão pré-determinado da orientação das fibras. 0 compósito é feito coloi cando mantos ou feltros paralelos de fibras complanares num mol de com um reservatório de metal da matriz, por exemplo alumínio fundido entre pelo menos alguns dos mantos e aplicando pressão

Γpara forçar o metal fundido a penetrar nos mantos e envolver w

as fibras orientadas. 0 metal fundido pode ser vazado na pilha de mantos enquanto é forçado sob pressão a circular entre os mantos. Tem sido referidas cargas até cerca de 50%, em volume, de fibras de reforço no compósito.

O processo de infiltração atrás descrito, tendo em vista a sua dependência da pressão externa para forçar o metal da matriz fundido através da pilha de mantos de fibras, está sujeito aos caprichos dos processos de fluência induzidos pela pressão, isto é, a possível não uniformidade da formação da ma ' triz, porosidade, etc. A não uniformidade das propriedades é possível embora o metal fundido possa ser introduzido numa multiplicidade de locais no interior do agregado fibroso. Consequentemente , θ necessário proporcionar agregados de mantos/re servatório e trajectos do fluxo complicados para se obter a pe netração adequada e uniforme da pilha de mantos de fibras. Tam bém, o processo de infiltração sob pressão atrás referido apenas permite obter um reforço relativamente baixo da percentagem, em volume da matriz, devido à dificuldade inerente à inί filtração de um grande volume de mantos. Mais ainda, são neces sários moldes para manter o metal fundido sob pressão, o que aumenta o custo do processo. Finalmente, o processo atrás cita do, limitado à infiltração de partículas ou fibras alinhadas, não se orienta para a formação de compósitos com matriz de alu mínio reforçados com materiais sob a forma de partículas, fila mentos ou fibras orientados aleatoriamente.

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

A Patente norte-americana N? 4.232.091 concedida a R.W. Grimshaw e outros, vence certas dificuldades técnicas encontradas na produção de compósitos com matriz de alumínio e alumina. Essa Patente descreve a aplicação de pressões de 75-375 kg/cm para forçar alumínio fundido (ou a liga de alumínio fundida) num manto de fibras ou de filamentos emaranhados de alumina que foi pré-aquecida a uma temperatura de 700 a 1050°C. A relação maxima entre os volumes de alumina e de metal na peça moldada sólida resultante foi 0,25/1. Devido à sua dependên cia da força externa para realizar a infiltração, este procesL so esta sujeito a muitas das mesmas deficiências que o de Cannell e outros.

A publicação do pedido de patente europeu N? 115.742 descreve a fabricação de compósitos de alumina-alumínio, especialmente utilizáveis como componentes de pilhas electrolíticas, pelo preenchimento dos vazios de uma matriz de alumina pré -moldada com alumínio fundido. 0 pedido de patente faz realçar a não molhabilidade da alumina pelo alumínio e, portanto, são usadas várias técnicas para molhar a alumina em todo o pré-mol^ ; de. Por exemplo, reveste-se a alumina com um agente molhante formado por um diboreto de titânio, de zirconio, de hafnio ou de nióbio ou com um metal, isto é, lítio, magnésio, cálcio, titânio, crómio, ferro, cobalto, níquel, zircónio ou háfnio. Uti— lizam-se atmosferas inertes, tais como de árgon, para facilitar o molhamento. Esta referência mostra também a aplicação de pressão para fazer com que o alumínio fundido penetre numa matriz não revestida. Nesse aspecto, a infiltração é realizada evacuan do os poros e aplicando depois pressão ao alumínio fundido numa atmosfera inerte, por exemplo de árgon. Em alternativa pode in, filtrar-se o pré-molde por deposição de alumínio em fase de vapor, para molhar a superfície antes de preencher. Os vazios por infiltração com alumínio fundido. Para assegurar a retenção do alumínio nos poros do pré-molde, é necessário um tratamento tér mico, por exemplo a 1400 a 1800° C, no vácuo ou em árgon. Caso contrário, quer a exposição do material infiltrado sob pressão aos gases, quer remoção da pressão de infiltração causará uma perda de alumínio do corpo.

uso de agentes molhantes para efectuar a infiltra- 7 L i

ção de um componente de alumina de uma pilha electrolítica com metal fundido é também apresentado no pedido de patente europeu N9 94353. Esta publ icação descreve a produção de alumínio por extracção electrolítica com uma célula tendo um alimentador de corrente catódico que forma um revestimento ou substrato da cé lula. A fim de proteger este substrato da criolite fundida apljí ca-se um revestimento fino de uma mistura de um agente molhante e um supressor de solubilidade ao substrato de alumina antes do arranque da célula ou enquanto mergulha no alumínio fundido produzido pelo processo electrolítico. Os agentes molhantes indicados são o titânio, o zircónio, o háfnio, o silício, o magné sio, o vanádio, o crómio, o nióbio ou o cálcio, sendo o titânio mencionado como o agente preferido. Os compostos de boro, carbo no e azoto são descritos como sendo utilizáveis para suprimir a solubilidade dos agentes molhantes no alumínio fundido. A refe rência, porem, não sugere a produção de compósitos com matriz de metal nem sugere a formação de um tal composto numa atmosfera por exemplo de azoto.

Além da aplicação de pressão e agentes molhantes, foi indicado que um vácuo aplicado auxiliará a penetração de alumínio fundido num compacto cerâmico poroso. Por exemplo, a patente americana N? 3 71θ 44l, concedida em 27 de Fevereiro de 1973 para a R.L. Landingham, relata a infiltração de um compacto cerâmico (por exemplo, carboneto de boro, alumina e óxido de berí^ lio) com alumínio fundido, berílio, magnésio, titânio, vanádio, níquel ou crómio, sob um vácuo de menos de 10 torr. Um vácuo _2 -6 de 10 a 10 torr teve como resultado um molhamento insuficien te da cerâmica pelo metal fundido até o ponto de o metal não

ί fluir livremente para o interior dos espaços vazios da cerâmica. Contudo, referiu-se que o molhamento melhorou quando se reduziu o vácuo para menos de 10 torr.

A patente americana N? 3 864 154, concedida em 4 de Fevereiro de 1975» a G.E. Gazza e outros, também mostra a utilização do vácuo para se obter a infiltração. Esta patente de^ creve o processo de carregar um compacto prensado a frio de pó de A1B^2 ^num leito de pó de alumínio prensado a frio. Colocou— -se depois alumínio adicional no topo do pó de AlB^. Colocou— —se o cadinho, carregado com compacto de AlB^ ensanduichado entre as camadas de pó de alumínio num forno nom vácuo. 0 forno foi evacuado até aproximadamente 10 torr, para permitir a saída dos gases. Elevou-se depois a temperatura até 1100° C e manteve—se durante um período de três horas. Nessas condições, o alumínio fundido penetrou no compacto de AlB.^ poroso.

A patente americana N? 3 364 976, concedida em 23 de Janeiro de 1968, a John N. Reding e outros, apresenta o concei to de criação de um vácuo autogerado num corpo para intensificar a penetração de um metal fundido no corpo. Especificamente, descreve—se que um corpo, por exemplo, um molde de grafite, um molde de aço ou um material refractário poroso é inteiramente submerso no metal fundido. No caso de um molde, a cavidade do molde, que é preenchida com um gás reactivo com o metal, comuni ca com o metal fundido situado exteriormente através de pelo me nos um orifício no molde. Quando se mergulha o molde na massa em fusão, verifica-se o enchimento da cavidade à inedida que se produz o vácuo auto-gerado a partir da reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Em particular, o vacuo é o resulta

G do da formação de uma forma oxidada solida do metal. Assim, Re^ { ding et al descrevem que é essencial induzir uma reacção entre o gás na cavidade e o metal fundido. Contudo, utilizando um molde para criar um vácuo pode ser indesejável por causa das limitações inerentes associadas com a utilização de um molde.

Os moldes têm de ser primeiro maquinados para lhe dar uma forma particular e depois acabados, maquinados para produzir uma superfície de vazamento aceitável no molde, depois montados an tes da sua utilização e em seguida desmontados após o seu uso para remover a peça fundida do mesmo, seguindo-se depois a recuperação do molde, o que, mais provavelmente, incluirá a rectificação da superfície do molde ou o seu descarte se não for já aceitável para ser utilizado. A maquinagem de um molde para obter uma forma complexa pode ser muito cara e demorada. Além disso, pode ser muito difícil a remoção de uma peça moldada de um molde de forma complexa (isto é, as peças moldadas com uma forma complexa podem partir-se quando se retiram do molde).

Mais ainda, embora haja uma sugestão de que um material refrac tário poroso pode ser imerso directamente num metal fundido sem a necessidade de um molde, o material refractário teria que ser uma peça inteira por que não se tomam providências pa ra infiltrar um material poroso separado ou solto, sem o uso de um molde contentor (isto é, crê-se geraimente que tipicamen te o material em partículas se desintegraria ou se separaria por flutuação, quando colocado num metal fundido). Mais ainda, se se desejasse infiltrar um material em partículas ou um pré —molde formado solto, seria necessário tomar precauções para que o metal infiltrante não desloque pelo menos porções do ma terial em partículas ou do pré-molde, dando origem a uma micro estrutura não homogenea

I , Χί·.

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

Descrição dos pedidos de patente americanos do mesmo proprietário assunto do presente pedido de patente está relacionado com o diversos outros pedidos de patente copendentes do mesmo proprietário. Em particular, estes outros pedidos de patente copendentes descrevem processos novos para a fabricação de materiais compósitos com matriz de metal (de aqui em diante, por vezes designados por Pedidos de patente de matrizes metáli cas do mesmo proprietário)

Um processo novo para a fabricação de um material com pósito com matriz de metal é apresentado no pedido de patente americano do mesmo proprietário, N? 049 171, depositado em 13 de Maio de 1987, em nome de White et al e intitulado Metal Matrix Composites, agora concedido nos Estados Unidos. De acordo com o processo da invenção de White et al, um compósito com matriz de metal é produzido pela infiltração de uma massa permeável de material de enchimento (por exemplo, uma cerâmica ou um material revestido com cerâmica) com alumínio fundido contendo r?'.

V—‘ pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, de magnésio e de preferencia pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio. A infiltração ocorre espontaneamente sem aplicação de pressão ou vácuo exteriores. Um suprimento de liga de metal fundido é posto em contacto com a massa de material de enchimento a uma temperatura de pelo menos cerca de 675° C, na presença de um gás compreendendo de cerca de 10 a 100 por cento e, de preferên cia, cerca de 50 por cento de azoto, em volume, sendo o restan „ te do gás, se houver um gás não oxidante, por exemplo árgon,

U. Nestas condições, a liga de alumínio fundido infiltra-se na mas sa cerâmica às pressões atmosféricas normais para formar um com pósito com matriz de alumínio (ou liga de alumínio). Quando se tiver infiltrado a quantidade desejada de material de enchimento com a liga de alumínio fundida, baixa-se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura com matriz de metal sólida embebida no material de enchimento de reforço. Usualmente e de preferência, o suprimento de liga fundida fornecido será suficiente para permitir que a infiltração se processe substancialmente até aos limites da massa de material de enchimento. A quantidade de material de enchimento nos compósitos com matriz de alumínio produzidos de acordo com a invenção de White et al pode ser extraordinariamente alta. A este respeito, podem atingir-se relações volumétricas com o material de enchimento e a liga maiores que 1:1.

Nas condições do processo na invenção de White et al atrás mencionada, pode formar—se nitreto de alumínio como uma fase descontínua dispersa por toda a matriz de alumínio. A quantidade de nitreto na matriz de alumínio pode variar, depen dendo de factores como a temperatura, a composição da liga, a composição do gás e do material de enchimento. Assim, controlan do um ou mais desses factores no sistema e possível determinar de antemão certas propriedades do compósito. Para algumas apli^ cações de utilização final, pode no entanto ser desejável que o compósito contenha pouco ou substancialmente nenhum nitreto de alumínio.

Tem sido observado que temperaturas mais elevadas fa vorecem a infiltração, mas tornam o processo mais conducente à formação de nitretos. A invenção de White et al permite a esco

V- lha de um equilíbrio entre a cinética da infiltração e a forma ção dos nitretos.

Um exemplo de dispositivo de barreira adequado para ser utilizado com a formação de compósitos com matriz de metal é descrito no pedido de patente americano do mesmo proprietário N? l4l 642, depositado em 7 de Janeiro de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian et al, e intitulado Method of Making Me tal Matrix Composite With the use of a Barrier. De acordo com o processo da invenção de Aghajanian et al, coloca—se um disp^

Ο sitivo de barreira (por exemplo, diboreto de titânio em partículas ou um material de grafite, tal como produto de fita de grafite flexível vendida pela Union Carbide com a designação comercial Grafoif⁵* ) num limite de superfície definido do material de enchimento, e a liga da matriz infiltra-se até ao li. mite definido pelo meio de barreira. 0 meio de barreira é usado para inibir, impedir ou terminar a infiltração da liga fundida, proporcionando assim formas reticulares ou quase reticulares no compósito com matriz de metal resultante. Consequente mente, os corpos compósitos com matriz de metal formados têm uma forma exterior que corresponde substancialmente à forma in terior do meio de barreira.

O processo do pedido de patente americano N? 049 171 foi aperfeiçoado pelo pedido de patente americano copendente e do mesmo proprietário N? l68 284, depositado em 15 de Março de 1988, em nome de Michael K. Aghajanian e Marc S. Newkirk e intitulado Metal Matrix Composites and Techniques for Making the

Same. De acordo com os processos apresentados nesse pedido de patente americano, uma liga de metal da matriz está presente co mo uma primeira fonte de metal e como um reservatório de liga de metal da matriz que comunica com a primeira fonte de metal fundido devido por exemplo, ao fluxo por gravidade. Em particu lar, nas condições descritas nesse pedido de patente, a primei ra fonte de liga de matriz fundida começa a infiltrar a massa de material de enchimento à pressão atmosférica normal, começando assim a formação de um compósito com matriz de metal. A primeira fonte de liga de metal de matriz fundida é consumida durante a sua infiltração na massa de material de enchimento e, se se desejar, pode ser reposta, de preferência por um meio con tínuo, a partir do reservatório de metal de matriz fundida à me dida que a infiltração espontânea continua. Quando se tiver infiltrado espontaneamente uma quantidade desejada de material de enchimento permeável pela liga da matriz fundida, baixa—se a temperatura para solidificar a liga, formando assim uma estrutura sólida da matriz de metal que embebe o material de enchimento de reforço. Deve compreender-se que a utilização de um re servatório de metal é simplesmente uma forma de realização da invenção descrita nesse pedido de patente e não é necessário combinar a forma de realização do reservatório com todas as for mas de realização alternativas da invenção nele descritas, algu mas das quais poderiam também ser convenientes para utilizar em combinação com a presente invenção.

reservatório de metal pode estar presente numa quan tidade tal que proporciona uma quantidade suficiente de metal pa ra infiltrar a massa permeável de material de enchimento numa ex tensão pré-determinada. Em alternativa, um meio de barreira optativo pode contactar a massa permeável de material de enchimento pelo menos de um dos seus lados para definir um limite de superfície .

Além disso, embora o suprimento de liga da matriz fun dida fornecida possa ser pelo menos suficiente para permitir que a infiltração espontânea se processe substancialmente até aos limites (por exemplo, as barreiras) da massa permeável de material de enchimento, a quantidade de liga presente no reservatório podia exceder essa quantidade suficiente de modo que não só haverá uma quantidade suficiente de liga para a infiltração completa, como também poderia ficar liga de metal fundida em ex cesso e ser fixada ao corpo compósito com matriz de metal. Assim, quando estiver presente liga fundida em excesso, o corpo resultante será um corpo compósito complexo (por exemplo, um macrocompósito), no qual um corpo cerâmico infiltrado, com uma matriz de metal, estara ligado directamente ao metal em ex cesso que fica no reservatório.

Todos os pedidos de patente de matriz de metal do mes mo proprietário atrás examinados descrevem processos para a proí dução de corpos compósitos com matriz de metal e novos corpos compósitos com matriz de metal produzidos por esses processos.

As descrições completas de todos os pedidos de patente de uma matriz de metal do mesmo proprietário anteriores são aqui expres samente incorporados por referência.

Sumário da Invenção assunto deste pedido de patente está também relacio nado com um outro pedido de patente copendente do mesmo proprie tário, referente à formação de um material compósito com matriz cerâmica novo de aqui em diante por vezes designado por Pedido de patente de matriz cerâmica do mesmo proprietário).

Especificamente, divulga-se um processo de reprodução invertida para a fabricação de um produto compósito cerâmico no pedido de patente americano do mesmo proprietário, N? 823 5^2, depositado em 27 de Janeiro de 1986, em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulado Inversa Shape Replication Method of Making Ceramic Composite Articles and Articles Obtained Thereby, ago ra concedido nos Estados Unidos (um equivalente estrangeiro des te pedido de patente foi publicado no EPO em 2 de Setembro de 1987, como pedido de patente N9 0234704). De acordo com um pro cesso divulgado neste pedido de patente americano, um metal original modelado é embebido num leito de material de enchimen to moldável e o metal original modelado é induzido a formar um produto da reacção de oxidação que se desenvolve no leito de ma terial de enchimento moldável, de modo a resultar um corpo compósito cerâmico, que inclui uma cavidade moldada, que correspon de substancialmente à forma do metal original modelado.

objecto deste pedido de patente de matriz cerâmica do mesmo proprietário é aqui expressamente incorporado por refe rência.

Sumario da invenção

Um corpo compósito com matriz de metal é produzido pj? la infiltração espontânea de uma massa permeável de material de enchimento com um metal de matriz fundido. Especificamente, numa forma de realização preferida, o material de enchimento compreende um material amoldável, que, pelo menos particularmente, envolve inicialmente um lingote modelado de metal da matriz. Em determinado instante durante o processamento, o material de enchimento pode tornar-se auto-suportado. Especificamente, a massa permeável de material de enchimento pode tornar-se auto-supor tado expondo-a, por exemplo, a temperaturas elevadas e/ou a um agente de ligação e/ou a um reagente, etc. Além disso, é preferível que o material de enchimento permeável tenha a conformabi lidade suficiente numa gama de aquecimento particular, de modo que possa compensar qualquer expansão térmica diferencial entre ele próprio e o metal da matriz modelado mais qualquer variação de volume no ponto de fusão do metal de matriz modelado.

Além disso, numa forma de realização preferida, pelo menos numa sua zona de suporte que envolve o metal da matriz modelado, o material de enchimento pode ser intrinsecamente auto-ligado, de preferência a uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz modelado, mas inferior e de preferencia um tanto próximo da temperatura a que o metal de matriz fun de.

Além disso, numa outra forma de realização preferida, o material de enchimento torna-se auto-suportado devido a uma reacção com um componente (por exemplo, uma atmosfera infiltran te) que, pelo menos em determinado instante durante o processo espontâneo, é exposto ao material de enchimento.

Um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante es tão também em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz modelado, quando fundir, se infiltre espontaneamente no material de enchimento.

Uma vez conseguida uma quantidade desejada de infiltração espontânea de metal da matriz fundido no material de enchimento, forma-se uma cavidade, que corresponde pelo menos par cialmente à forma do lingote modelado de metal da matriz, no ma terial de enchimento infiltrado espontaneamente (isto é, o corpo compósito com matriz de metal contém em si uma cavidade.

Numa forma de realização preferida, o material de enchimento pode incluir um precursor de intensificador da infiltração. 0 material de enchimento pode depois ser posto em contacto com uma atmosfera infiitrante para formar um intensificador da infiltração, pelo menos numa porção do material de enchi, mento. Esse intensificador da infiltração pode ser formado antes ou substancialmente ao mesmo tempo que o contacto do metal da matriz fundido com o material de enchimento. Além disso, po. de proporcionar-se uma atmosfera infiitrante durante substanci almente todo o processo de infiltração espontânea que fica assim em comunicação com um material de enchimento ou, podendo em alternativa comunicar com o material de enchimento e/ou com o metal da matriz durante apenas uma parte do processo de infiltração espontânea. Finalmente, é desejável que, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltra ção esteja localizado pelo menos numa porção de um material de enchimento.

Além disso, numa outra forma de realização preferida da presente invenção, em vez de fornecer um precursor de inten sificador da infiltração ao material de enchimento, pode forne, cer-se um intensificador da infiltração directamente ao material de enchimento e/ou ao metal de matriz e/ou à atmosfera in filtrante. Finalmente, mais uma vez, pelo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador da infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento .

Faz-se notar que este pedido de patente discute prin cipalmente metais da matriz de alumínio que, em determinado ins tante durante a formação do corpo compósito com matriz de metal,

V r

(, são postos em contacto com magnésio, que funciona como precursor de intensificador da infiltração, na presença de azoto, que funciona como atmosfera infiltrante. Assim, o sistema de metal de matriz/precursor de intensificador da infiltração/atmosfera infiltrante de alumínio/magnésio/azoto apresenta a infiltração espontânea. Contudo, outros sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante também podem comportar-se de maneira análoga à do sis tema de alumínio/magnésio/azoto. Por exemplo, observou-se um comportamento de infiltração espontânea análogo no sistema de alumínio/estrôncio/azoto, no sistema de alumínio/zinco/oxigénio e no sistema de alumínio/cálcio/azoto. Consequentemente, em bora aqui se discuta principalmente o sistema de alumínio/magné^ sio/azoto, deve entender-se que outros sistemas de metal de matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infil^ trante podem comportar-se de maneira análoga, os quais devem ser abrangidos na presente invenção.

Quando o metal da matriz compreender uma liga de alumínio, a liga de alumínio é posta em contacto com um material de enchimento (por exemplo, partículas de alumina ou carboneto de silício), tendo o material de enchimento nele misturado, magnésio e/ou estando em algum instante durante o processo exposto ao magnésio. Além disso, numa forma de realização preferida, a liga de alumínio e/ou o pré-molde ou o material de enchimento estão contidos numa atmosfera de azoto durante pelo menos uma parte do processo. 0 pré-molde será infiltrado espontaneamente, variando a extensão ou a taxa de infiltração espontânea e a formação de matriz de metal com um certo conjunto de condições do processo,

incluindo, por exemplo, a concentração de magnésio proporcionada ao sistema (por exemplo, na liga de alumínio e/ou no material de enchimento e/ou na atmosfera infiltrante), as dimensões e/ou a composição das partículas do material de enchimento, a concentração de azoto na atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e/ou a temperatura a que a infiltração ocorre. A infiltração espontânea tipicamente ocorre até uma ex tensão suficiente para embeber de maneira substancialmente com pleta o material de enchimento.

Definições

Alumínio. como aqui é usado, significa e inclui o me tal substancialmente puro (por exemplo, um alumínio sem liga , relativamente puro, comercialmente disponível) ou outros graus do metal e de ligas do metal, tais como os metais comercialmente disponíveis com impurezas e/ou elementos de liga, tais como ferro, silício, cobre, magnésio, manganês, crómio, zinco, etc.

Uma liga de alumínio para fins da presente definição é uma liga

V ou composto intermetálico em que o alumínio é o constituinte principal.

Gas restante não oxidante. como aqui é usado, significa que qualquer gás presente, além do gás principal que constitui a atmosfera infiltrante, é ou um gás inerte ou um gás redu tor substancialmente não reactivo com o metal da matriz nas condições do processo. Qualquer gás oxidante que possa estar presen te como impureza no(s) gás(es) usado(s) deve ser insuficiente pa ra oxidar o metal da matriz em qualquer grau substancial nas con dições do processo

Barreira¹¹ ou Meios de Barreira¹¹. como aqui é usado, significa qualquer meio adequado que interfere, inibe, impede ou interrompe a migração, o movimento ou similar, de metal da matriz fundido para além de um limite de superfície de uma mas sa permeável do material de enchimento ou de pré-molde, sendo esse limite de superfície definido pelos meios de barreira. São meios de barreira apropriados qualquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo, mantém uma certa integridade e que não é substancialmente volátil (isto é, o material de barreira não se volatiza até um ponto tal que se torne não funcional como barreira.

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

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

Cavidade , como aqui é usado, significa qualquer es, paço não preenchido no interior de uma massa ou corpo (por exem pio um compósito com matriz de metal), e não se limitando a qua_l quer configuração de espaço específica e incluindo espaços fecha dos e abertos. Especificamente, uma cavidade pode incluir os espaços inteiramen.te fechados sem comunicação com uma porção exterior da massa ou corpo que contém a cavidade, tal como uma cavidade que define o interior de um corpo oco. Além disso, uma cavi dade pode incluir os espaços abertos para uma superfície exterior de uma massa ou corpo, por exemplo, uma passagem ou abertura .

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

Material de enchimento podem também incluir materiais de enchimento cerâmicos, tais como, a aiumina ou o carboneto de silício sob a forma de fibras, fibras cortadas, materiais

em partículas, filamentos, emaranhados, pérolas, esferas, mantos de fibras ou similares e materiais de enchimento revestidos de cerâmica, tais como fibras de carbono revestidas com alumina ou carboneto de silício para proteger o carbono do ataque, por exemplo, por um metal original da matriz de alumínio fundido. Os materiais de enchimento podem também incluir metais em qualquer configuração desejada.

Atmosfera infiltrante , como aqui é usado, significa a atmosfera que está presente, que aqui interage com metal da 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 infiltra ção espontânea do metal da matriz ooorra.

Intensificador de infiltração, como aqui é usado, significa um material que promove ou auxilia a infiltração espon tânea do metal da matriz num material de enchimento ou pré-molde. Um intensificador de infiltração pode ser formado., por exemplo a partir de uma reacção de um precursor de intensificador de infiltração com uma atmosfera infiltrante para formar (l) uma espécie gasosa e/ou (2) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante e/oú (3) um produto da reacção do precursor de intensificador de infiltra ção com o material de enchimento ou pré-molde. Além disso, o intensificador de infiltração pode ser fornecido directamente ao pré-molde (e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante e funciona de uma maneira substancialmente análoga à de um inten sificador de infiltração que foi formado com uma reacção entre o precursor de intensificador de infiltração e outras espécies. Fi

- 24 nalmente, 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 infil^ tração espontânea.

Precursor de intensificador de infiltração ou precursor para o intensificador de infiltração. como aqui é usado, significa um material que, quando usado em combinação com o metal da matriz, o pré-molde e/ou a atmosfera infiltrante, for ma um intensificador de infiltração que induz ou auxilia o metal da matriz a infiltrar-se espontaneamente no material de enchimen to ou pre-molde. Sem desejar ficar limitado por qualquer teoria ou explicação particular, parece contudo que pode ser necessário que o precursor do intensificador de infiltração possa ser posicionado, localizado ou transportável para um local que permita que o precursor de intensificador de infiltração interaja com a atmosfera infiltrante e/ou o pré-molde ou material de enchimento e/ou metal de matriz. Por exemplo, em certos sistemas de metal da matriz/precursor de intensificador de inf iltração/atmosfe_ ra infiltrante é desejável que o precursor de intensificador de infiltração se volatilize, na vizinhança da ou, em alguns casos, V, um pouco acima da, temperatura a que o metal de matriz da funde. Essa voiatilização pode levar a: (l) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar uma espécie gasosa que intensifica o molhamento do material de enchimento ou o pre-molde pelo metal da matriz; e/ou (2) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração com a atmosfera infiltrante para formar um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde o que intensifica o molha

mento; e/ou (3) uma reacção do precursor de intensificador de infiltração no interior do material de enchimento ou do pré-molde que forma um intensificador de infiltração sólido, líquido ou gasoso em pelo menos uma porção do material de enchimento ou do pré-molde, o que intensifica o molhamento.

Metal da Matriz ou liga de metal da Matriz. como aqui é usado, significa o metal que é utilizado para formar um compósito com matriz de metal (por exemplo, antes da infiltração) e/ou o metal que é misturado com um material de enchimento para formar um corpo compósito ou matriz de metal (por exemplo depois da infiltração). Quando um metal especificado é designado como metal da matriz, deve entender—se que esse metal da 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 ¹¹. como aqui é usado, refere—se à combinação de materiais ó ->

que apresente infiltração espontânea num pre-molde ou material de enchimento. Deve entender—se que quando aparecer um / entre um metal da matriz exemplificativo, um precursor de intensificador de infiltração e uma atmosfera infiltrante, / é ut_i lizado para designar um sistema ou combinação de materiais que, quando combinados de uma maneira particular e apropriada, apresentam a infiltração espontânea num pre-molde ou material de en chimento.

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

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

Vaso não reactivo para alojar o metal da matriz, significa qualquer vaso que possa alojar ou conter um material de enchimento (ou pré-molde) e/ou metal da matriz fundido nas condições do processo e que não reage com a matriz e/ou aaatmos fera infiltrante e/ou o precursor do intensificador da infiltra^ ção e/ou um material de enchimento ou pré-molde de uma maneira que seria significativamente prejudicial ao mecanismo de infil. tração.

Pré-molde ou Pré-molde permeável como aqui é usado, significa uma massa porosa de material de enchimento ou um material de enchimento que é preparada com pelo menos um limite de superfície que define substancialmente um limite para infiltração do metal da matriz, mantendo essa massa uma integri dade de forma e uma resistência em verde suficientes para proporcionar uma fidelidade dimensional antes de ser infiltrada pe lo metal da matriz. A massa deve ser suficientemente porosa para se adaptar à infiltração espontânea do metal da matriz no

seu interior. Um pré-molde compreende tipicamente um agregado ou disposição ligados de material de enchimento, homogéneo ou heterogéneo, e pode ser constituído por qualquer material adequado (por exemplo, um material em partículas de pó, fibras, fi^ lamentos, etc. emaranhados, etc. de cerâmica e/ou metal e qualquer combinação dos mesmos). Um pré-molde pode existir individual^ mente ou como um conjunto.

i. .

Reservatório, como aqui é usado, significa um cor po separado de metal da matriz posicionado em relação a uma ma_s sa de material de enchimento ou pré-molde, de modo que, quando o metal estiver fundido, pode fluir para reabastecer, ou em alguns casos, proporcionar inicialmente e depois reabastecer a porção, segmento ou fonte de metal da matriz que está em contacto com o material de enchimento ou pré-molde

0. reservatório pode, tatabém, ser usado para proporcionar um metal diferente do metal da matriz.

Metal da matriz modelado ou Lingote de metal de matriz modelado. como aqui e usado, significa um metal da matriz que foi modelado com uma configuração pré—determinada que, nas condições do processo da presente invenção, se infiltrará espontaneamente num material de enchimento circundante, formando assim um composito com matriz de metal que reproduz inversamente pelo menos parcial a configuração do metal da matriz mode lado.

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

Breve descrição das figuras:

As figuras seguintes são proporcionadas para auxiliar a compreensão da invenção, mas não se destinam a limitar o esco po da 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 con junto de materiais utilizados de acordo com o Exemplo 1;

A fig. 2, um corte transversal esquemático de um conjunto de materiais utilizados de acordo com o Exemplo 2;

As figs. 3A e 3B, fotografias do compósito com matriz de metal produzido de acordo com o Exemplo 1;

As fig. 4A e 4B, fotografias do compósito com matriz de metal produzido de acordo com o Exemplo 2.

Descrição pormenorizada da invenção e formas de realização pre,-»·· feridas

A presente invenção refere-se à formação de um compósito com matriz de metal com uma cavidade que foi formada por um processo de reprodução da forma de um lingote de metal da matriz. Em particular, um lingote de metal da matriz pode ser mode lado para obter uma forma pré-determinada e envolvido, pelo menos parcialmente, por um material de enchimento.

material de enchimento pode envolver completa ou apenas parcialmente o lingote de metal da matriz modelado, ou

- 29 V.

'ν·.;-.··

uma porção do lingote modelado pode estender-se para fora, para alem do material de enchimento. Contudo, essa porção que se estende para fora do lingote modelado não será reproduzida. Além disso, pode utilizar-sé um meio de barreira, o que será discutido com mais pormenores mais adiante, para proporcionar uma porção de superfície não reproduzida quando o referido meio de barreira contactar com pelo menos uma porção de uma superfície do referido lingote de metal da matriz modelado. Consequentemente, a presente invenção permite a formação de um compósito com matriz de metal, que reproduz inversamente um lingote modelado de metal da matriz em qualquer extensão desejada.

Para obter a infiltração espontânea, um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração e/ou uma atmosfera infiltrante estão em comunicação com o material de enchimento, pelo menos em determinado instante durante o processo, o que permite que o metal da matriz, quando funde, se infiltre espontaneamente no material de enchimento. Após essa infiltração espontânea ter sido obtida, forma—se uma cavidade num corpo compósito com matriz de metal, sendo a referida cavidade, pelo menos parcialmente, complementar da forma original do lingote de metal da matriz modelado.

A fim de efectuar a infiltração espontânea do metal da matriz no pré-molde, deve proporcionar-se um intensificador de infiltração ao sistema espontâneo. Um intensificador de infiltração poderia ser formado a partir de um precursor de inten sificador de infiltração que poderia ser proporcionado (l) no metal da matriz; e/ou (2) no material de enchimento ou no prémolde e/ou (3) a partir da atmosfera infiltrante e/ou (4) a partir de uma fonte externa para o sistema espontâneo. Além dis

so, em vez de fornecer um precursor de intensificadorde infiltração, pode proporcionar-se um intensificador de infiltração directamente ao material de enchimento e/ou ao pré-molde e/ou ao metal da matriz e/ou à atmosfera infiltrante. Finalmente, pe lo menos durante a infiltração espontânea, o intensificador de infiltração deve estar localizado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde.

Numa forma de realização preferida, é possível que o precursor de intensificador de infiltração possa reagir pelo menos parcialmente com a atmosfera infiltrante de modo que o inten sificador da infiltração pode ser formado em pelo menos uma porção do material de enchimento ou pré-molde, antes ou substancial, mente ao mesmo tempo que o contacto do material de enchimento ou pré-molde com o metal da matriz fundido (por exemplo, se foi o magnésio o precursor de intensificador de infiltração e o azoto foi a atmosfera infiltrante, o intensificador de infiltração poderia ser o nitreto de magnésio, que estaria localizado pelo menos numa porção do pré-molde ou do material de enchimento).

Um exemplo de um sistema de metal da matriz/precursor de intensificador de infiltração/atmosfera infiltrante é o sistema de alumínio/magnésio/azoto. Especificamente, um lingote modelado de metal da matriz de alumínio pode estar embebido dentro de um vaso refractário adequado que, nas condições do processo, não reage com o metal da matriz de alumínio e/ou o material de enchimento, quando o alumínio fundir. Um material de enchimento ou um pré-molde pode, em seguida, ser posto em contacto com o rne tal da matriz de alumínio fundido e infiltrado espontaneamente.

O material de enchimento contendo ou sendo exposto ao

- 31 magnésio e sendo exposto, pelo menos em determinado instante durante o processamento, a uma atmosfera de azoto, pode contactar com o metal da matriz de alumínio fundido. 0 metal de matriz infiltrar-se-á então espontaneamente no material de enchimento.

Nas condições usadas no processo segundo a presente invenção, no caso de um sistema de infiltração espontânea de alu mínio/magnesio/azoto, o pré-molde ou o material de enchimento d<3 vem ser suficientemente permeáveis para permitir que o gás contendo azoto penetre ou atravesse os poros do material de enchi4¾ , mento ou pré-molde num dado instante durante o processo e/ou en v· tre em contacto com o metal da matriz fundido. Além disso, o ma terial de enchimento ou o pré-molde permeáveis podem adaptar-se à infiltração do metal da matriz fundido, fazendo assim com que o material de enchimento impregnado com azoto seja infiltrada espontaneamente com metal da matriz fundida para formar um corpo compósito com matriz de metal e/ou fazer com que o azoto reaja com um precursor do intensificador da infiltração para formar o intensificador da infiltração no material de enchimento ou pré-molde, dando assim, origem à infiltração espontânea. A extensão

Võ-* ou a velocidade da infiltração espontânea e a formação do compósito com matriz de metal variarão com um dado conjunto de condições do processo, incluindo o teor de magnésio da liga de alumínio, o teor de magnésio do pré-molde ou material de enchimento, a quantidade de nitreto de magnésio no pré-molde ou material de enchimento, a presença de elementos de liga adicionais (por exemplo silício, ferro, cobre, manganês, crómio, zinco e semelhantes), as dimensões médias do material de enchimento (por exemplo o diâmetro das partículas) que constituem o pré-molde ou material de enchimento, a condição da superfície e o tipo de ma32

Vr.· terial de enchimento ou pré-molde, a concentração de azoto da atmosfera infiltrante, o tempo permitido para a infiltração e a tem peratura a que se verifica a infiltração. Por exemplo, para que a infiltração de metal da matriz de alumínio fundido se verifique espontaneamente o alumínio pode formar uma liga com pelo menos cerca de 1 por cento, em peso, e de preferência pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio (que funciona como precursor de intensificador de infiltração) com base no peso da liga. Elementos de liga auxiliares como atrás se mencionou, também pc> dem estar incluídos no metal da matriz para nela obter proprieda des específicas pré—determinadas. Adicionalmente, os elementos de liga auxiliares podem influenciar a quantidade mínima de magnésio requerida no metal de alumínio da matriz para conduzir à infiltração espontânea do material de enchimento ou pré-molde. A perda de magnésio a partir do sistema espontâneo devido, por exemplo, à volatilização, não ocorrerá em grau tal que não haja nenhum mag nésio para formar intensificador de infiltração. Assim, é desejável utilizar uma quantidade suficiente de elementos de liga iniciais para assegurar que a infiltração espontânea não sera afectada de maneira adversa pela volatilização. Além disso ainda, a presença de magnésio quer no pré-molde (ou material de enchimento), quer no metal da matriz ou apenas no pre-molde (ou material de enchimento) pode ter como consequência uma redução na quantidade de magnésio necessária para se obter a infiltração espontânea (examinado com mais pormenor mais adiante). A percentagem, em volume, de azoto na atmosfera de azoto também afecta as taxas de formação do corpo compósito com matriz de metal. Especificamente, se estiverem presentes menos de cerca de 10 por cento, em

volume, de azoto na atmosfera, verificar-se—á uma infiltração espontânea muito lenta ou pouco reduzida. Verificou-se que é preferível que estejam presentes pelo menos cerca de 50 por cen · to, em volume, de azoto na atmosfera, de modo que resultam, por exemplo, menores tempos de infiltração devido a uma velocidade de infiltração muito maior. A atmosfera infiitrante (por exemplo, um gás contendo azoto) pode ser fornecida directamente ao material de enchimento ou pré-molde e/ou ao metal da matriz, ou pode ser produzida por ou resultar de uma composição de um material.

teor mínimo de magnésio requerido para que o metal da matriz fundido se infiltre num material de enchimento ou prjá -molde depende de uma ou mais variáveis, tais como a temperatura de processamento, o tempo, a presença de elementos de liga au xiliares, tais como silício ou zinco, a natureza do material de enchimento, a localização do magnésio em um ou mais dos componen tes do sistema espontâneo, o teor de azoto da atmosfera e a velo cidade com que a atmosfera de azoto flui. Podem usar-se temperaturas mais baixas ou tempos de aquecimento menores para se obter uma infiltração completa quando se aumentar o teor de magnésio da liga e/ou do pré-molde ou material de enchimento. Também, para um dado teor de magnésio de magnésio, a adição de certos elementos de liga auxiliares, tais como o zinco, permite o uso de temperaturas mais baixas. Por exemplo, um teor de magnésio no metal da matriz no extremo inferior da faixa operável, por exem pio, de cerca de 1 a 3 por cento, em peso, pode ser usado em con junto com pelo menos uma das seguintes condições: uma temperatura de processamento acima da mínima, uma elevada concentração de azoto, ou um ou mais elementos de liga. Se não se adicionar e

ι nenhum magnésio ao pré-molde, são preferidas as ligas contendo cerca de 3 a 5 por cento, em peso, de magnésio, com base na sua utilidade geral numa ampla variedade de condições do processo, preferindo-se pelo menos cerca de 5 por cento quando se utilizam temperaturas mais baixas e tempos mais curtos. Podem usar-se teores de magnésio acima de cerca de 10 por cento, em peso, da liga de alumínio para moderar as condições de temperatura rje queridas para a infiltração.

teor de magnésio pode ser reduzido quando usado em conjunto com um elemento de liga auxiliar, mas esses elementos apenas desempenham uma função auxiliar e são usados juntamente com pelo menos a quantidade de magnésio atrás especificada. Por exemplo, não havia substancialmente qualquer infiltração de alu mínio nominalmente puro formando liga com apenas 10 por cento de silício a 1000° C num leito de 39 Crystolon (carboneto de si. lício puro a 99$, da Norton Co.) com granulometria de 500 mesh.

Mas, na presença de magnésio, o silício pode promover o processo de infiltração. Como outro exemplo, a quantidade de magnésio varia se ele for fornecido exclusivamente ao pré-molde ou ma. λ.

terial de enchimento. Verificou-se que a infiltração espontânea ocorrerá com uma percentagem, em peso, menor de magnésio forne eido ao sistema espontâneo, quando pelo menos uma parte da quan tidade total de magnésio fornecido for colocada no pré-molde ou material de enchimento. Pode ser desejável proporcionar uma quan tidade menor de magnésio a fim de impedir a formação de compostos intermetálicos indesejáveis no corpo compósito com matriz de metal. No caso de um pré-molde de carboneto de silício, descobriu-se que, quando se põe o pré-molde em contacto com o metal da matriz de alumínio, contendo o pré-molde pelo menos cerca de

χ·..·

V.<s l£, em peso, de magnésio e estando na presença de uma atmosfera de azoto substancialmente puro, se infiltra espontaneamente no metal da matriz no pré-molde. No caso de um pré-molde de alumina, a quantidade de magnésio necessária para se obter infiltração espontânea aceitável é ligeiramente maior. Especificamente, verificou-se que, quando um pré-molde de alumina é posto em con tacto com um metal da matriz de alumínio similar, aproximadamen te à mesma temperatura que a alumina que se infiltrou num pré-molde de carboneto de silício, e na presença da mesma atmosfera de azoto, podem ser necessários, pelo menos cerca de 3%, em peso, de magnésio para se obter infiltração espontânea semelhante à obtida no pré-molde de carboneto de silício que se acabou de examinar.

Faz—se também notar que é possível fornecer ao sistema espontâneo precursor de intensificador de infiltração e/ou inten sificador de infiltração numa superfície da liga e/ou numa superfície do pré-molde ou material de enchimento e/ou no interior do pré-molde ou material de enchimento antes da infiltração do metal da matriz no material de enchimento ou pré-molde (isto é, pode não ser necessário que o intensificador de infiltração ou o precursor de intensificador de infiltração fornecido forme uma liga com o metal da matriz mas, pelo contrário, simplesmente for necido ao sistema espontâneo). Se se tiver aplicado o magnésio a uma superfície do metal da matriz, pode ser preferido que a refe rida superfície seja a superfície que está mais perto ou, de pre ferência, em contacto com a massa permeável de material de enchi mento ou vice-versa; ou esse magnésio poderia ser misturado a pe lo menos uma porção do pre-molde ou material de enchimento. Além

disso, e ainda possível que se utilize uma certa combinação da aplicação na superfície, da formação da liga e da colocação do magnésioeem pelo menos uma porção do material de enchimento. Essa combinação da aplicação de intensificador (es) de infiltra ção e/ou precursor (es) de intensificador de infiltração poderia ter como resultado uma diminuição da percentagem total, em peso, de magnésio necessário para promover a infiltração do metal alumínio da matriz no material de enchimento, bem como a ób tenção de temperaturas mais baixas a que se verifique a infiltração. Além disso, poderia também minizar-se a quantidade de compostos intermetálicos indesejáveis formados devido à presença de magnésio.

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

A concentração de magnésio na liga e/ou colocado numa superfície da liga e/ou combinado no material de enchimento ou pré-molde também tende a afectar a extensão de infiltração a uma dada temperatura. Consequentemente, em alguns casos em que pouco ou nenhum magnésio é posto directamente em contacto com o pre-molde ou material de enchimento pode ser preferido incluir na liga pelo menos cerca de 3 por cento, em peso, de magnésio.

Teores de liga inferiores a essa quantidade, tais como 1 por !

ν ,/ cento, em peso, de magnésio, podem requerer temperaturas do proces so mais elevadas ou um elemento de liga auxiliar para a infiltração. A temperatura necessária para efectuar o processo de infiltra ção espontânea segundo a presente invenção pode ser mais baixa:

(l) quando se aumentar apenas o teor de magnésio da liga, por exemplo para pelo menos cerca de 5 por cento, em peso; e/ou (2) quando se misturarem componentes da liga com a massa permeável do material de enchimento ou pré-molde; e/ou (3) quando estiver presente na liga de alumínio outro elemento, tal como zinco ou ferro.

A temperatura também pode variar com diferentes materiais de enchimento. Em geral, verificar-se-á a infiltração espontânea progres siva a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 675° C e, de preferência, a uma temperatura do processo de pelo menos cerca de 750° C-800° C. Temperaturas geralmente acima de 1200° C parece não beneficiarem o processo, tendo-se verificado ser particularmente útil uma gama de temperaturas de cerca de 675° θ a cerca de 1200° C. Contudo, como regra geral, a temperatura de infiltração espontânea é uma temperatura superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas abaixo da temperatura de volatilização do metal da rnatriz. Além disso, a temperatura de infiltração esponta nea deve ser inferior ao ponto de fusão do material de enchimento. Além disso, ainda que se aumente a temperatura, aumenta a ten dência para formar um produto de reacção entre o metal da matriz e a atmosfera infiltrante (por exemplo, no caso do metal da matriz de alumínio e uma atmosfera infiltrante de azoto, pode formar-se nitreto de alumínio). Um tal produto da reacção pode ser desejável ou indesejável conforme a aplicação pretendida do corpo compósito com rnatriz de metal. Adiçionalmente, utiliza-se tipicamente o aquecimento por resistência eléctrica para obter as temperaturas de infiltração. Contudo, qualquer meio de aquecimen to que possa fazer com que o metal da matriz funda e não afecte adversamente a infiltração espontânea é aceitável para utilizar na presente invenção.

No presente processo, por exemplo, uma massa de material de enchimento ou um pré-molde entra em contacto com alumínio fundido na presença de pelo menos um gás contendo azoto, em algum momento durante o processo. O gas contendo azoto pode ser fornecido mantendo um fluxo contínuo de gás em contacto com o ma terial de enchimento ou o pré-molde e/ou o metal da matriz de alumínio fundido. Embora o caudal de gás contendo azoto não seja crítico, é preferido que esse caudal seja suficiente para compensar qualquer perda de azoto da atmosfera devido à formação de nitreto na matéria de liga, e também para impedir ou inibir a in cursão de ar, que pode ter uma acção oxidante no metal fundido.

processo para a modelação de um compósito com matriz de metal é aplicável a uma ampla variedade de materiais de enchi mento, dependendo a escolha do material de enchimento de factores tais como a liga da matriz, as condições do processo, a reac tividade da liga da matriz fundida com o material de enchimento, Θ. capacidade do material de enchimento para se adaptar à forma do lingote modelado de metal da matriz e as propriedades pretendidas para o produto compósito final. Por exemplo, quando o alumínio for o metal da matriz, os materiais de enchimento adequados incluem (a) óxidos, por exemplo alumina; (b) carbonetos, por exemplo, carboneto de silício; (c) boretos, por exemplo, dodecar boreto de alumínio e (d) nitretos, por exemplo, nitreto de aluibí nio. Se houver uma tendência para o material de enchimento reagir com o metal da matriz de alumínio fundido, isso poderia ser 'Cii?

compensado minimizando o tempo de infiltração e a temperatura ou proporcionando um revestimento não reactivo no material de en chimento. 0 material de enchimento pode compreender um substrato, tal como carbono ou outro material não cerâmico, levando um revestimento cerâmico para proteger o substrato do ataque da degra. dação. Os revestimentos cerâmicos adequados podem incluir cerânri cas tais como oxidos, carbonetos, boretos e nitretos. As cerâmicas preferidas para utilizar no presente processo incluem a alumina e o carboneto de silício sob a forma de partículas, plaquetas, filamentos emaranhados e fibras. As fibras podem ser descon tínuas (sob a forma cortada) ou sob a forma de filamento contínuo, tais como estopas de multifilamentos. Além disso, o material de enchimento ou o pré-molde podem ser homogéneos ou heterogéneos .

Descobriu-se também que certos materiais de enchimento apresentam uma melhor infiltração em relação aos materiais de en chimento tendo uma composição química semelhante. Por exemplo, corpos de alumina triturada feitos pelo processo descrito na patente americana N? 4.713-3^0, intitulada Novel Ceramic Materials and Methods of Making Same publicada em 15 de Dezembro de 1987, em nome de Marc S. Newkirk et al, apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercial mente disponíveis. Alem disso, os corpos de alumina triturada fei. tos pelo processo descrito no pedido de patente copendente, do mesmo proprietário N? 819 397, intitulado Composite Ceramic Articies and Methods of Making Same em nome de Mack S. Newkirk et al, também apresentam propriedades de infiltração desejáveis em relação aos produtos de alumina comercialmente disponíveis. Os objectos do pedido de patente publicado e do pedido de patente

- 4θ copendente são aqui expressamente incorporados por referência. Especificamente, descobriu-se que a infiltração completa de uma massa permeável de material cerâmico pode ocorrer a temperaturas de infiltração mais baixas e/ou em tempos de infiltração menores utilizando um corpo triturado ou reduzido a partículas prç) duzidas 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 propriedades desejadas no compósito e que possam adaptar-se ao lingote modelado de metal da matriz. Assim o material de enchimento pode estar sob a forma de partículas, filamentos emaranhados, plaquetas ou fibras, visto que a infiltração não é limitada pela forma do material de enchimento. Outras formas, tais como, esferas, túbulos, peletes, tecido de fibras refractárias e similares podem ser usa. das. Além disso, as dimensões do material não limitam a infiltra ção, embora possam ser necessários uma temperatura mais alta ou um período de tempo maior para a infiltração completa de uma mas sa de partículas mais pequenas do que para partículas maiores. Além disso, a massa de material de enchimento (moldada para formar um pré-molde) a infiltrar deve ser permeável (isto é, permeável ao metal da matriz fundido e à atmosfera infiltrante).

processo de formação de compósitos com matriz de metal segundo a presente invenção vantajosamente não é dependente do uso de pressão para forçar ou comprimir metal da matriz fundi^ do para o interior de um pré-molde ou uma massa de material de enchimento. A presente invenção permite a produção de compósitos com matriz de metal substancialmente uniforme com uma elevada percentagem, em volume, de material de enchimento e uma baixa

porosidade. Podem conseguir-se maiores percentagens, em volume, de material de enchimento, da ordem de pelo menos cerca de utilizando uma massa inicial de material de enchimento com menor porosidade. Maiores percentagens, em volume, podem também ser obtidas, se a massa de material de enchimento for compactada ou tornada mais densa de outro modo, desde que a massa não seja convertida nem numa massa compacta com poros fechados, nem numa estrutura completamente densa, que impediria a infiltração 'Sâ pela liga fundida. Preferem-se percentagens, em volume, de mater_, rial de enchimento da ordem de 4θ a 5θ por cento, para a termomodelação segundo a presente invenção. Para tais percentagens, em volume, o compósito infiltrado mantém, ou mantém substancial mente, a sua forma, facilitando assim o processamento secundário. Podem no entanto usar-se cargas ou percentagens, em volume, de partículas maiores ou menores, conforme a carga do compósito final desejado, depois da termomodelação. Além disso, podem usar -se processos para reduzir as cargas de partículas em relação com os processos de termomodelação segundo a presente invenção, para se obterem menores cargas de partículas.

Foi observado que, para a infiltração de alumínio e a formação de uma matriz em torno de um material de enchimento cerâmico, o molhamento do material de enchimento cerâmico pelo metal da matriz de alumínio pode ser uma parte importante do mecanismo de infiltração. Além disso, a temperaturas de processamento baixas, verifica-se uma nitretação desprezível ou mínima do metal, resultando daí uma iase descontínua mínima de nitreto de alumínio disperso na matriz de metal. Contudo, quando nos aproximamos do extremo superior da faixa de temperatura, torna—se

- 42 _ mais provável a nitretação do metal. Pode assim controlar-se a quantidade da fase de nitreto na matriz de metal fazendo variar a temperatura de processamento à qual se verifica a infiltração.

A temperatura de processamento específica à qual se torna mais pronunciada a formação de nitreto varia também com factores tais como a liga de alumínio da matriz usada e a sua quantidade relativamente ao volume de material de enchimento ou do pré-molde, o material de enchimento a infiltrar e a concentração de azoto da atmosfera infiltrante. Por exemplo, crê-se que a extensão da forv. . maçao de nitreto de alumínio a uma dada temperatura aumenta quan>u tf .

XÍtSfA»’’' do diminui a capacidade da liga para molhar o material de enchimento e quando aumenta a concentração de azoto da atmosfera.

É pois possível pré-determinar a constituição da matriz de metal durante a formação do compósito para conferir certas características ao produto resultante. Para um dado sistema, podem escolher-se as condições do processo para controlar a formação de nitreto. Um produto compósito contendo uma fase de nitreto de alumínio apresentará certas propriedades que podem ser favoráveis para ou melhorar a eficácia do produto. Além disso, a

K gama de temperaturas para a infiltração espontânea com uma liga de alumínio pode variar com o material de enchimento usado. No caso de alumina como material de enchimento, a temperatura para a infiltração não deve de preferência exceder cerca de 1000° C, se se desejar que a ductilidade da matriz não seja reduzida pela formação significativa de nitreto. Contudo, podem usar-se, temperaturas superiores a 1000° C se se desejar produzir um com pósito com uma matriz menos dúctil e mais rígida. Para infiltrar carboneto de silício, podem usar-se temperaturas mais elevadas, de cerca de 1200° C, visto que a liga de alumínio se nitrifica em menor grau, relativamente ao uso de alumina como material de enchimento, quando se usar o carboneto de silício como um material de enchimento.

VAlém 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 da matriz. Especificamente, em alguns casos pode ser desejável utilizar um metal da matriz no reservatório com uma composição diferente da primeira fonte de metal da matriz. Por exemplo, se se usar uma liga de alumínio como primeira fonte de metal da matriz, pode então usar -se substancialmente qualquer outro metal ou liga de metal que fundiu à temperatura de processamento, como metal do reservatório. Os metais fundidos são frequentemente muito miscíveis uns cora os outros, donde resultaria a mistura do metal do reservatório com a primeira fonte de metal da matriz, desde que se desse um tempo apropriado para que se verificasse a mistura. Assim, utilizando um metal do reservatório com composição diferente da da primeira fonte de metal da matriz, é possível pré-determinar as propriedades da matriz de metal para satisfazer os vários requisitos operacionais e, desse modo, pré-determinar as proprieda des do compósito com matriz de metal.

Pode utilizar-se também um meio de barreira em combina ção com a presente invenção. Especificamente, o meio de barreira a utilizar com a presente invenção pode ser qualquer meio adequa do que interfira, iniba, impeça ou interrompa a migração, o movi mento, ou similar, da liga de matriz fundida (por exemplo, uma li

- 44 ga de alumínio) para além do limite de superfície definido do ma terial de anchimento. Os meios de barreira apropriados podem ser quaisquer material, composto, elemento, composição ou similar que, nas condições do processo segundo a presente invenção, mantém uma certa integridade, não é volátil e, de preferência, é permeável ao gás usado com o processo, bem como possa localmente inibir, interromper, interferir com, impedir ou similar, a infi.1 tração contínua ou qualquer outra espécie de movimento para além do limite de superfície definido do material de enchimento cerâmico. Os meios de barreira apropriados podem ser usados durante a infiltração espontânea ou em quaisquer moldes ou outros acessórios utilizados em ligação com a termomodelação do compósito com matriz de metal infiltrado espontaneamente, como se descreverá com mais pormenor mais adiante.

Os meios de barreira apropriados incluem materiais que são substancialmente não molháveis pela liga de metal de matriz fundida que migra, nas condições do processo usadas. Uma barreira desse tipo parece mostrar pouca ou nenhuma afinidade para a liga de matriz fundida, impedindo-se ou inibindo—se o movimento ti, / 3 „ l z R z para alem do limite do material de enchimento. Grafoil e particularmente preferido porque se encontra na forma de uma folha de grafite flexível. Em uso, essa grafite semelhante a papel é simplesmente modelada em torno do material de enchimento.

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

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

Alem disso, 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 de infiltração do material de enchimento.

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

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Nos Exemplos que se seguem imediatamente estão incluí^ das várias demonstrações da presente invenção. Contudo, esses Exemplos devem ser considerados como sendo ilustrativos do esco po da presente invenção, como é definido nas reivindicações ane xas.

Exemplo 1 z

A fig. 1 mostra um conjunto, em corte transversal, que pode ser usado para formar uma cavidade modelada num compósito com matriz de metal. Em particular, colocou-se um material de en chimento (3), compreendendo carboneto de silício de 220 grit, for necido pela Norton Co., e vendido com a designação comercial de 39 Crystolon, num vaso refractário (l), constituído por uma barquinha de alumina de alta pureza. A barquinha refractária de alu mina foi obtida na Bolt Technical Ceramics e tinha uma pureza de 99,7%. Colocaram-se uma em cima da outra duas barras de liga de alumínio modeladas (2a) e (2b), compreendendo cada uma cerca de 15 por cento, em peso, de silício e cerca de 15 por cento, em pe. so, de magnésio e sendo o restante alumínio, e medindo cada uma cerca de 11,43 x 5,08 x 1,27 cm (4 1 x 2 χ 1 „ \ .

~2 /» θ ^enibeberam-se no carboneto de silício de 220 grit, de modo que uma superfície da barreira (2a) ficou substancialmente nivelada com uma superfí^ cie do material de enchimento (3). Colocou-se a barquinha de alu mina (l), contendo o material de enchimento (3) θ os lingotes (2a) e (2b), num forno de resistência eléctrica com atmosfera controlada. Em particular, o forno era constituído por um tubo de mufla, que foi aquecido exteriormente por uma bobina de resistência e, além disso, vedado em relação à atmosfera exterior. Forneceu-se uma atmosfera infiltrante, compreendendo cerca de 96%, em volume, de azoto e cerca de 4%, em volume, de hidrogénio (isto é, gás de formação), para o interior do tubo de mufla. 0 gás de formação circulou no forno com um caudal de cerca de 35O cnr/min. 0 forno de mufla foi levado a uma temperatura de cerca de 900-930° C, durante um período de cerca de 10 horas. Essa temperatura foi mantida durante cerca de 12 horas e o forno de mufla arrefecido aproximadamente até à temperatura ambiente, durante um intervalo de tempo de cinco horas.

Retirou-se a barquinha (l) do forno e inspeccionou-se o conteúdo. Como se mostra na fig. 3^a» que é uma vista de cima do compósito com metal de matriz (7)» formou-se uma cavidade (6), cuja forma correspondia substancialmente à dos lingotes mo delados (2a) e (2b). Alem disso, como se mostra na fig. 3B, que é uma vista de cima perspectiva no sentido da cavidade (6) do compósito com matriz de metal (7) formado, a reprodução das barras (2a) e (2b) foi tão precisa que se reproduziram inversamente marcas de serra (8) que estavam presentes nas barras (2a) e (2b) no corpo compósito com matriz de metal.

Exemplo 2

Neste Exemplo, reproduziu—se inversamente uma forma mais complicada. A fig. 2 mostra o conjunto, em corte transver. Lz sal, utilizado para formar uma cavidade complexa num composito ( com matriz de metal. Especificamente, vazou-se um material de enchimento (5), compreendendo pó de óxido de alumínio de 220 grit, fornecido pela Norton Co., e vendido com a designação co mercial de 38 Alundum, numa porção inferior de um vaso refractário (l), constituído por uma barquinha de alumina de alta pureza. A barquinha de alumina foi obtida na Bolt Technical Ceramics e tinha uma pureza de 99,7$· Em seguida, colocou-se um lingote maquinado (4) de liga de alumínio, pesando cerca de 158 gramas e contendo numa de suas superfícies exteriores várias saliências (9), no topo do material de enchimento (5)· 0 lingote maquinado (4) compreendia cerca de 5 por cento, em peso, de silício, cerca de 5 por cento, em peso, de zinco, cerca de 7 por cento, em peso, de Mg e sendo o restante de alumínio. Vazou—se depois mais material de enchimento (5) em torno do lingote (4) até o lingote ficar coberto de maneira substancialmente completa com o material de enchimento (5)· Colocou-se depois a barquinha (l), contendo o material de enchimento (5) θ o lingote (4), no interior do for no de tubo de mufla descrito no Exemplo 1. Aplicou-se depois um no forno para esvaziar a atmosfera do mesmo e, após esse esvazia mento, fez-se circular uma atmosfera infiitrante constituída por gás de formação (isto é, 96$, em volume, de azoto e 4$, em volume, de hidrogénio) no forno. 0 gás de formação foi fornecido con tinuamente ao forno de tubo de mufla com um caudal de cerca de

O

5OO cnr/min. Aqueceu-se o tubo de mufla com uma velocidade de cerca de 150° C por hora até uma temperatura de cerca de 875° C. Manteve-se esta temperatura durante cerca de 15 horas. Arrefeceu-se depois o forno de tubos de mufla até aproximadamente à temperatura ambiente com uma velocidade de cerca de 200° C por hora.

Apos o arrefecimento retirou-se a barquinha (l) e inspeccionou- se .

Como se mostra na fig. 4a, que é uma vista em corte transversal do compósito com matriz de metal formado, formou-se uma cavidade (lo) num corpo compósito com matriz de metal (ll), tendo a cavidade (lO) uma forma substancialmente complementar da forma do lingote (4). Em particular, o metal de matriz, quando fundiu, infiltrou-se de maneira substancialmente completa no material de enchimento (5)» de modo que se formaram ranhuras (9®) como complementos das saliências (9) do lingote (4). Além disso, a fig. 4B mostra uma vista de topo do compósito com matriz de metal (ll) formado, antes de ser cortado transversalmente.

Por conseguinte, verifica-se que o processo de reprodução proporcionou um compósito com uma cavidade (lO) que substancialmente reproduziu inversamente o lingote modelado (4). Nota-se que a porção de material (20) situada numa porção inferior da cavidade (10) corresponde a uma porção de material de enchimento que estava localizado directamente por cima do lingote modelado (4).

Embora os exemplos anteriores tenham sido descritos com pormenor, podem ocorrer várias modificações desses exemplos a um especialista com conhecimentos normais, devendo considerar-se todas essas modificações como estando dentro do escopo das reivindicações anexas.

ι

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. - Processo para a fabricação de um compósito com matriz de metal, caracterizado pelo facto de compreender as fases de j formar um lingote de metal da matriz;

envolver pelo menos parcialmente o lingote com um material de enchimento substancialmente não reactivo;

aquecer pelo menos o lingote para o fundir, formando assim uma fonte de metal da matriz fundido; e infiltrar espontaneamente pelo menos uma porção do material de enchimento com o metal da matriz fundido.
2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte-51- rizado pelo facto de compreender ainda a fase de proporcionar uma atmosfera infiltrante, em comunicação com o material de enchimento e/ou o metal da matriz, durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
3. - Processo de acordo com a reivindicação 2,.caracte_ rizado 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 enchimento e/ou à atmos fera infiltrante.
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. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem fornecidos por uma fon te externa.
6. - Processo de acordo com a reivindicaçSo 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de estabelecer o contacto de pelo menos uma porção do material de enchimento com pelo menos um precursor de intensificador da infiltração e/ou um intensificador da infiltração, durante pelo menos uma parte do período de infiltração.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o intensificador da infiltração ser formado pela reacção de um precursor de intensificador da infiltração e pelo menos uma espécie escolhida no grupo formado pela atmosfera infiltrante, o material de enchimento e o metal da matriz.
8. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo facto de, durante a infiltração, o precursor de intensificador da infiltração se volatilizar.
9. - Processo de acordo com a reivindicação rizado pelo facto de o precursor de intensificador da volatilizado reagir para formar um produto da reacção menos uma porção do material de enchimento.

8, caracteinfiltração em pelo
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. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo facto de o produto da reacção revestir pelo menos uma porção do enchimento
12. — Processo de acorco com a reivindicação 1, caracterizado delo facto de o material de enchimento compreender um pré-molde.
13. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de compreender ainda a fase de definir um limite de superfície do material de enchimento com uma barreira, infiltrando-se o metal da matriz espontaneamente até à barreira.
14. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caractje rizado pelo facto de a barreira compreender um material escolhido no grupo formado pelo carbono, a grafite e o diboreto de titânio.
15. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira ser substancialmente não molhável pelo metal da matriz.

l6. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo facto de a barreira compreender pelo menos um material que permite a comunicação entre uma atmosfera infiltrante e pelo menos o metal da matriz, e/ou o enchimento, e/ou um intensificador da infiltração e/ou um precursor de intensificador da infiltração .
17. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte-54- rizado 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 refractarios.
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.

terizado menos um
19. _ Processo de acordo com a reivindicação 1, caracpelo facto de o material de enchimento compreender pelo material cerâmico.
20. - Processo de acordo com a reivindicação 3» caracterizado pelo facto de o metal de matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender pelo menos um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio e a atmosfera infiltrante compreender azoto.
21. - Processo terizado pelo facto de o de acordo com a reivindicação 3, caracmetal da matriz compreender alumínio, o precursor de intensificador da infiltração compreender zinco e a atmosfera infiltrante compreender oxigénio.

-5522. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracte rizado 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. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracte rizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração formar uma liga com o metal da matriz.

reivindicação 1, caraccompreender alumínio e no grupo formado pelo crómio, o zinco, o cálcio
24. - Processo de acordo com a terizado pelo facto de o metal da matriz pelo menos um elemento de liga escolhido silício,o ferro, o cobre, o manganês, o o magnésio e o estrôncio.
25. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracte rizado 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. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracte rizado pelo facto de o precursor de intensificador da infiltração e/ou o intensificador da infiltração serem proporcionados em mais de um entre o metal ria matriz, o material de enchimento e a atmos fera infiltrante
27. -Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de a temperatura, durante a infiltração espontânea, ser superior ao ponto de fusão do metal da matriz, mas inferior à temperatura de volatilização do metal da matriz e ao ponto de fusão do material de enchimento.
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.

?9. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o precursor dc intensificador da infiltração compreender um material escolhido no grupo formado pelo magnésio, o estrôncio e o cálcio.
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 - l-rocesso dc acordo com as reivindicações 1, 3 h, caracterizado pelo facto de o lingote corresponder substancialmente, pelo menos et’. piarte, a uma forma desejada de uma cavidade a fortnar 110 compósito com matriz de metal
32. - Processo de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo facto de a fonte de metal da matriz fundido ser substancialmente infiltrada no interior do material de enchimento de modo que fica uma cavidade no compósito com matriz de metal, correspondendo a forma da cavidade à do lingote.
33. - Processo de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo facto de a cavidade ser pelo menos parei.almente aberta.
34. - Processo de acordo-com a reivindicação 32, caracterizado pelo facto de o lingote ser substancial e completamente envolvido pelo material de enchimento e a cavidade ser substancial e compl e tainen i e fechado.
35« - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3, 17 ou 32, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser auto-suportado pelo menos em algum ponto durante o processo de infiltração espontâneo.
36. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3,

1~ ou 32, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser tornado auto-suportodo pelo referido aquecimento do lingote.

Processo de acordo com as reivindicnções 1, 3,

17 ou 32, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser tornado auto-suportado por um agente de ligação.
38. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 3»

17 ou 32, caracterizado pelo facto de o material de enchimento ser tornado auto-suportado por uma reacção química com o referido material de enchimento e pelo menos com uma outra espécie.

Lisboa, 09 de Novembro de 1989 O A-aJe Ofidal da Prcprsdade Industrial.